CN111361161A - 一种聚四氟乙烯片材表面改性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚四氟乙烯片材表面改性的方法。该方法采用激光照射在聚四氟乙烯（PTFE）片材表面焊接六方氮化硼纳米片，从而达到提高片材表面的耐磨性、导热性和亲水性等改性目的。依次包括下述步骤：（1）将六方氮化硼粉末用熔融柠檬酸处理24h后水洗至中性，再进行过滤、干燥得到六方氮化硼纳米片；（2）将PTFE片材放置于模具中，在其表面铺上一层六方氮化硼纳米片，再以一定压力进行模压，使纳米片嵌入PTFE片材表面，得到型坯；（3）对所得型坯表面进行激光照射，利用激光束的热效应使片材表面被照射到的微小区域瞬间熔融，熔体将该区域表面粘附的纳米片包围起来，待熔体冷却固化时，就可以将六方氮化硼纳米片锚定在PTFE片材表面，从而实现粉末材料与PTFE表面的有效焊接，达到改性目的。本发明采用的激光焊接法工艺简单，成本低，且可有效改善PTFE的表面耐磨性、导热性、亲水性。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚四氟乙烯片材表面改性的方法，特别是提供了一种利用激光热效应将六方氮化硼纳米片焊接于聚四氟乙烯片材表面的方法。
背景技术
聚四氟乙烯（PTFE）片材是由聚四氟乙烯悬浮树脂经冷压烧结、车削、压延制成。PTFE分子中的—CF2-重复单元呈锯齿形状排列，由于氟原子半径比氢原子稍大，所以相邻的-CF2-单元不能完全按反式交叉取向，而是形成一个螺旋状的扭曲链，氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面，这种几乎无间隙的空间屏障使得任何原子或基团都不能进入其结构内部而破坏碳链。PTFE 自身的结构特点使它具有优异的自润滑性能、化学稳定性能和耐高低温性能，良好的电绝缘性能、耐候性能和不燃性能。
然而，其分子结构特点也造成了PTFE比表面积较小、表面能较低、与其它材料间的粘接性能较差等缺点，不利于印染、涂装和粘接，也影响其在生物相容等方面的应用。
近年来，国内外研究人员通过对PTFE进行表面改性处理，以期提高PTFE的相关性能。聚四氟乙烯表面改性的目的主要是为了提高其表面亲水性，改善与其他材料的粘接性能。PTFE表面改性的技术种类较多，例如钠-萘络合物化学处理、激光辐射改性、离子注入改性、高温熔融法、高能辐射接枝改性、等离子体改性方法等。这些方法但都具有相应的缺点。钠-萘络合物处理剂有毒，有腐蚀性，处理后表面变色，长时间暴露在光照下，粘结性能严重降低；激光辐射改性方法对使用的激光源要求苛刻，需满足以下条件：激光束的振荡波长能被 PTFE 吸收，激光束的光子能量大于 PTFE 的 C-F 键能；离子注入改性是将高能量的离子束入射到材料中，离子束与材料中的原子或者分子发生一系列的物理化学反应，改变材料的结构和性能，但是处理设备价格昂贵；高温熔融法的缺点是聚四氟乙烯在高温下尺寸稳定性较差，不易保持形状，且高温可能造成材料本体的损伤；高能辐射改性问题是，辐射不仅会对表面起作用，而且会对本体造成损害，聚四氟乙烯不耐辐射，会造成降解，机械性能下降，而且辐射对操作人员也可能有不良的影响，需做好防护措施；等离子体改性存在处理设备价格昂贵、处理后效果维持时间不长等不足。因此，构建一种简单、廉价、处理效果稳定的PTFE表面改性工艺，是提高PTFE性能的重要挑战。
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接具有深度比大、热影响区域小、表面成形好等特点。不仅可以应用于焊接金属，也可用于焊接塑料，或者是将塑料与金属焊接结合。但是目前的激光焊接基本上都是对块体材料之间进行焊接，鲜有报道块体材料与纳米粉末材料之间的焊接。
根据现有技术存在的问题，为了改善PTFE的耐磨性能、导热性能和亲水性等，本发明利用激光热效应将六方氮化硼纳米片焊接于聚四氟乙烯片材表面进行改性：（1）将PTFE片材放置于模具中，在其表面铺上一层纳米材料，再以一定压力进行模压，将纳米粉末压入PTFE表面；（2）对所得型坯表面进行激光照射，利用激光束的热效应使塑料基板表面被照射到的微小区域瞬间熔融，熔体将该区域表面粘附的粉末材料包围起来，待熔体冷却固化时，就可以将粉末材料锚定在PTFE片材表面，从而实现粉末材料与PTFE片材表面的有效焊接，达到改性目的。本发明采用的激光焊接法工艺简单，可以在空气气氛下进行，设备价格低廉，而且改性处理效果稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用激光热效应将纳米材料焊接于聚四氟乙烯表面进行改性的方法。
其特征在于，所述改性方法包括：
（1）六方氮化硼纳米片的制备
将六方氮化硼粉末用熔融柠檬酸处理24h后水洗至中性，再进行过滤、干燥得到六方氮化硼纳米片；
（2）六方氮化硼纳米片在PTFE表面的嵌入
将PTFE片材放入模具中，称取一定量的步骤（1）所制的六方氮化硼纳米片，将其铺展于PTFE表面，在一定压力下进行模压，保压一段时间；
（2）六方氮化硼纳米片在PTFE表面的焊接
将步骤（2）所得型坯放于激光雕刻机下，调节激光雕刻机的激光光斑，使其聚焦，在一定激光功率和雕刻深度，对PTFE表面进行照射，利用激光束的热效应使塑料基板表面被照射到的微小区域瞬间熔融，熔体将该区域表面粘附的粉末材料包围起来，待熔体冷却固化时，就可以将粉末材料锚定在PTFE片材表面，从而实现粉末材料与PTFE片材表面的有效焊接，达到改性目的。
上述所述聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：所述六方氮化硼纳米片为六方氮化硼经熔融柠檬酸剥离制得的六方氮化硼纳米片。
上述所述聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：所述聚四氟乙烯片材厚度为1-10 mm。
上述所述聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：所述步骤2）中，冷压压力为100-140 MPa。
上述所述聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：所述步骤3）中，所用激光功率为0.1-1 W。
上述所述聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：所述步骤3）中，所用激光焊接厚度为0.1-10 mm。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进一步描述。
其中导热系数按GB/T10297-2015测试；磨损性能按GB/T5478-2008测试。
实施例1
本实施例的制备方法为：
（1）六方氮化硼纳米片的制备
将六方氮化硼粉末用熔融柠檬酸处理24h后水洗至中性，再进行过滤、干燥得到六方氮化硼纳米片；
（2）将PTFE片材裁成直径为10 cm的圆片，放入模具中，称取5g步骤（1）所得六方氮化硼纳米片，将其铺展于PTFE表面，在100 MPa压力下进行模压，保压一段时间；
（3）将步骤（2）所得型坯放于激光雕刻机下，调节激光雕刻机的激光光斑，使其聚焦，调节激光功率为0.1 W，雕刻深度为1 mm，对PTFE表面进行照射，利用激光束的热效应使PTFE表面被照射到的微小区域瞬间熔融，熔体将该区域表面粘附的六方氮化硼纳米片包围起来，待熔体冷却固化时，就可以将六方氮化硼纳米片锚定在PTFE片材表面，从而实现六方氮化硼纳米片与PTFE片材表面的有效焊接，达到改性目的。
对上述制备的改性PTFE片材进行测试，其水接触角为76.5°，磨耗量为0.0146 g，导热系数为0.04317 W/（m·k）。
实施例2
本实施例的制备方法为：
（1）六方氮化硼纳米片的制备
将六方氮化硼粉末用熔融柠檬酸处理24h后水洗至中性，再进行过滤、干燥得到六方氮化硼纳米片；
（2）将PTFE片材裁成直径为10 cm的圆片，放入模具中，称取10g步骤（1）所得六方氮化硼纳米片，将其铺展于PTFE表面，在120 MPa压力下进行模压，保压一段时间；
（3）将步骤（2）所得型坯放于激光雕刻机下，调节激光雕刻机的激光光斑，使其聚焦，调节激光功率为0.2 W，雕刻深度为2 mm，对PTFE表面进行照射，利用激光束的热效应使PTFE表面被照射到的微小区域瞬间熔融，熔体将该区域表面粘附的六方氮化硼纳米片包围起来，待熔体冷却固化时，就可以将六方氮化硼纳米片锚定在PTFE片材表面，从而实现六方氮化硼纳米片与PTFE片材表面的有效焊接，达到改性目的。
对上述制备的改性PTFE片材样品进行测试，其水接触角为69.6°，磨耗量为0.0113g，导热系数为0.4341 W/（m·k）。
实施例3
本实施例的制备方法为：
（1）六方氮化硼纳米片的制备
将六方氮化硼粉末用熔融柠檬酸处理24h后水洗至中性，再进行过滤、干燥得到六方氮化硼纳米片；
（2）将PTFE片材裁成直径为10 cm的圆片，放入模具中，称取15 g步骤（1）所得六方氮化硼纳米片，将其铺展于PTFE表面，在140 MPa压力下进行模压，保压一段时间。
（3）将步骤（2）所得型坯放于激光雕刻机下，调节激光雕刻机的激光光斑，使其聚焦，调节激光功率为1 W，雕刻深度为2 mm，对PTFE表面进行照射，利用激光束的热效应使PTFE表面被照射到的微小区域瞬间熔融，熔体将该区域表面粘附的六方氮化硼纳米片包围起来，待熔体冷却固化时，就可以将六方氮化硼纳米片锚定在PTFE片材表面，从而实现六方氮化硼纳米片与PTFE片材表面的有效焊接，达到改性目的。
对上述制备的改性PTFE片材样品进行测试，其水接触角为65.1°，磨耗量为0.0101g，导热系数为0.4458 W/（m·k）。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域的技术人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用于其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：采用激光照射焊接法，在聚四氟乙烯（PTFE）片材表面焊接六方氮化硼纳米片，从而提高片材表面耐磨性、导热性和亲水性。具体的所述方法步骤如下：
（1）六方氮化硼纳米片的制备
将六方氮化硼粉末用熔融柠檬酸处理24h后水洗至中性，再进行过滤、干燥得到六方氮化硼纳米片；
（2）六方氮化硼纳米片在PTFE表面的嵌入
将PTFE片材放置于模具中，在其表面铺上一层六方氮化硼纳米片，再以一定压力进行模压，使纳米片嵌入PTFE片材表面，得到型坯；
（3）六方氮化硼纳米片在PTFE表面的焊接
对所得型坯表面进行激光照射，利用激光束的热效应使片材表面被照射到的微小区域瞬间熔融，熔体将该区域表面粘附的纳米片包围起来，待熔体冷却固化时，就可以将六方氮化硼纳米片锚定在PTFE片材表面，从而实现六方氮化硼纳米片与PTFE表面的有效焊接，达到改性目的。
2.根据权利要求1所述聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：所述六方氮化硼纳米片为六方氮化硼经熔融柠檬酸剥离制得的六方氮化硼纳米片。
3.根据权利要求1所述聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：所述聚四氟乙烯片材厚度为1-10 mm。
4.根据权利要求1所述聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：所述步骤2）中，冷压压力为100-140 MPa。
5.根据权利要求1所述聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：所述步骤3）中，所用激光功率为0.1-1 W。
6.根据权利要求1所述聚四氟乙烯片材表面改性的方法，其特征在于：所述步骤3）中，所用激光焊接厚度为0.1-10 mm。
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