CN115257111A - 一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料 - Google Patents

一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，包括n层聚四氟乙烯层以及（n‑1）层聚四氟乙烯凯夫拉复合层，每层所述聚四氟乙烯凯夫拉复合层位于相邻两层所述聚四氟乙烯层之间，所述聚四氟乙烯凯夫拉复合材料通过将聚四氟乙烯粉末和凯夫拉分层叠加，先通过等静压工艺压合后再进行烧结制备得到。本申请制备得到的聚四氟乙烯凯夫拉复合材料具有摩擦系数小的特点。

Description

一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料
技术领域
本申请涉及复合材料的技术领域，尤其是涉及一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料。
背景技术
凯夫拉即聚对苯二甲酰对苯二胺，是目前世界公认的三大高性能合成纤维之一，其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。芳纶的发现被认为是材料界一个非常重要的历史进程，已广泛应用在国防军工、航天航空、轨道交通、安全防护、环境保护和电子信息等众多领域。
但是由于凯夫拉表面的摩擦系数较大，在长时间的摩擦使用环境下，凯夫拉表面容易起毛，限制了凯夫拉在一些工况环境下的使用。
发明内容
为了制备具有良好的抗拉强度而表面摩擦系数小的材料，本申请提供一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料。
本申请采用如下的技术方案：
一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，包括n层聚四氟乙烯层以及(n-1)层聚四氟乙烯凯夫拉复合层，每层所述聚四氟乙烯凯夫拉复合层位于相邻两层所述聚四氟乙烯层之间；
所述聚四氟乙烯凯夫拉复合材料通过将聚四氟乙烯和凯夫拉分层叠加，先通过等静压工艺进行压合后再进行烧结制备得到。
通过采用上述技术方案，由于聚四氟乙烯自身结构的特点，使得聚四氟乙烯具有优良的稳定性以及自润滑性，并且聚四氟乙烯表面的摩擦系数仅为0.01-0.04，凯夫拉的摩擦系数为0.2-0.3，将聚四氟乙烯和凯夫拉通过等静压工艺压合在一起得到的材料，能够具有凯夫拉优良的抗拉强度，又使得该材料表面具有较低的摩擦系数，提高复合材料的应用领域。本申请中的凯夫拉可以选自凯夫拉纤维，也可以选自凯夫拉织布，为了提高复合材料的性能和适用范围，优选的选自凯夫拉织布，并且本申请中选自的凯夫拉织布参数如下：面积质量为 60±3g/m2；织物密度，根/10mm：经向，13±0.5；纬向13±0.5。
可选的，所述等静压工艺包括下列步骤：将聚四氟乙烯粉末和凯夫拉依次分层叠放，放入模腔中预压制成型，再分段升压至50-55Mpa条件下进行等静压工艺处理。
通过采用上述技术方案，聚四氟乙烯和凯夫拉分层叠加在一起，然后进行预压制，从而先将聚四氟乙烯和凯夫拉压制在一起，然后再进行等静压工艺，在压制过程中，高压流体的静压力直接作用于模具，能够在同一时间内在各个方向上均衡的受压并将作用力作用于包套上，从而将聚四氟乙烯层和凯夫拉层压合在一起，提高聚四氟乙烯层和凯夫拉层之间的粘结效果。
可选的，所述等静压工艺处理时，先升压至10-15Mpa，保持2min，再升压至30Mpa，保持3min，最后升至55Mpa，保持5min。
通过采用上述方案，采用分段进行压制，有利于压件中的一些空气排出，减少孔隙的产生，能够提高后期烧结过程中聚四氟乙烯层和凯夫拉层之间粘附的效果和减少后期烧结时的收缩率，从而提高复合材料的稳定性。
可选的，所述烧结步骤为，先以30-40℃/h的速度升温至300±10℃，再以15-25℃/h 的速度升温至375±3℃，保温2-3h，然后以30-50℃/h的速度进行降温。
通过采用上述技术方案，通过控制升温速率减少内外膨胀不均匀而产生内应力，并且保温一段时间有利于晶区熔化，使得得到的产品具有孔隙率小，结晶度高的优点。
可选的，每层所述聚四氟乙烯粉末和相邻所述凯夫拉层的重量比为(2-4):1。
可选的，所述PTFE粉平均粒径为1-20μm。
可选的，所述凯夫拉在使用前经过等离子体表面处理，然后再使用硅烷偶联剂进行表面处理。
通过采用上述技术方案，凯夫拉通过等离子表面处理后，再使用硅烷偶联剂表面处理，提高凯夫拉表面的活性，从而更容易和聚四氟乙烯层压制在一起。
可选的，所述硅烷偶联剂选自氨丙基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷的混合物，且所述氨丙基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷的重量比为1:1。
通过采用上述技术方案，氨丙基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷共同使用，提高对凯夫拉表面改性的效果，进而提高压制效果。
可选的，所述等离子处理工艺条件为；处理介质为氮气或氩气；气体流量为50cm3/min-90cm3/min，等离子发生功率为300w-400w，处理时间为80-120s。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益效果：
1.通过将聚四氟乙烯和凯夫拉复合在一起，并且复合材料中最外面的两侧为聚四氟乙烯层，从而得到的复合材料的表面具有摩擦系数小的优点，并且具有凯夫拉本身的强度，从而提高了该材料的应用范围；
2.经过等离子体表面处理的凯夫拉，再在其表面改性上通过硅烷偶联剂进行表面处理，能够提高聚四氟乙烯粉和凯夫拉表面之间的连接力，从而通过等静压工艺制备出性能良好的复合材料。
附图说明
图1本实施例1中复合材料在等静压压制前的结构示意图。
图2本实施例1中复合材料在等静压压制后的结构示意图。
附图标记说明：1、聚四氟乙烯层；2、凯夫拉层。
具体实施方式
实施例1
表面处理：使用除油剂将凯夫拉(面积质量为60±3g/m2；织物密度，根/10mm：经向，13 ±0.5；纬向13±0.5)进行清洗，除去凯夫拉表面的油脂等杂质，清洗完毕在70℃下烘干待用，其中凯夫拉为织布结构。然后将烘干后的凯夫拉使用等离子体处理器中进行等离子体表面处理，处理条件为；处理介质为氮气，气体流量为50cm3/min，等离子发生功率为300w，处理时间为80s，处理完毕得到表面经过等离子体处理的凯夫拉。聚四氟乙烯粉的平均粒径为1-10μm。
表面改性：称量质量比为1:1的氨丙基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷，并溶解于水和无水乙醇的共溶液(水和无水乙醇的体积比1:9)中，得到偶联剂溶液，偶联剂的重量占共溶液重量的0.5％。将上述等离子体处理后的凯夫拉放入偶联剂溶液中，然后将凯夫拉取出，并进行烘干。
复合材料制备：按重量份数计，准备30份平均粒径为1-20μm的聚四氟乙烯，并平均分为3等份；另外准备按重量份数计10份上述得到的凯夫拉，平均分为2份，每份凯夫拉为织布结构。将聚四氟乙烯粉末和凯夫拉交替分层叠加放入模腔中，第一层和最后一层为聚四氟乙烯粉末，凯夫拉位于相邻的两层聚四氟乙烯粉末之间；然后使用压力机先进行预压制，得到初始复合材料；然后将初始复合材料使用干袋式等静压机，将初始复合材料放入制品袋中，再将制品袋放入主袋中，并先按0.5Mpa/s的速度升压至10Mpa，保持2min，然后升压至30Mpa，保持3min，最后升压至55Mpa，保持5min，然后降压脱模，得到复合材料压件。将得到的压件在烧结炉中，先以30℃/h的速度升温至300℃，再以15℃/h的速度升温至375℃，保温2h，然后以30℃/h的速度进行降温，得到聚四氟乙烯凯夫拉复合材料。参照图1和图2，本实施例中n为3，凯夫拉为织布结构，在压制前，凯夫拉的间隙还未填充有聚四氟乙烯粉末，再经过压制后，聚四氟乙烯粉末则能够填充于凯夫拉的孔隙中。
实施例2
表面处理：使用除油剂将凯夫拉(面积质量为60±3g/m2；织物密度，根/10mm：经向，13 ±0.5；纬向13±0.5)进行清洗，除去凯夫拉表面的油脂等杂质，清洗完毕在70℃下烘干待用，其中凯夫拉为织布结构。然后将烘干后的凯夫拉使用等离子体处理器中进行等离子体表面处理，处理条件为；处理介质为氮气，气体流量为50cm3/min，等离子发生功率为300w，处理时间为80s，处理完毕得到表面经过等离子体处理的凯夫拉。
表面改性：称量质量比为1:1的氨丙基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷，并溶解于水和无水乙醇的共溶液(水和无水乙醇的体积比1:9)中，得到偶联剂溶液，偶联剂的重量占共溶液重量的0.5％。将上述等离子体处理后的凯夫拉放入偶联剂溶液中，然后将凯夫拉取出，并进行烘干。
复合材料制备：按重量份数计，准备30份平均粒径为1-20μm的聚四氟乙烯粉末，并平均分为3等份；另外准备按重量份数计10份上述得到的凯夫拉，平均分为2份，每份凯夫拉为织布结构。将聚四氟乙烯粉末和凯夫拉交替分层叠加放入模腔中，第一层和最后一层为聚四氟乙烯粉末，凯夫拉位于相邻的两层聚四氟乙烯粉末之间；然后使用压力机先进行预压制，得到初始复合材料；然后将初始复合材料使用干袋式等静压机，将初始复合材料放入制品袋中，再将制品袋放入主袋中，并先按0.5Mpa/s的速度升压至15Mpa，保持2min，然后升压至30Mpa，保持3min，最后升压至55Mpa，保持5min，然后降压脱模，得到复合材料压件。将得到的压件在烧结炉中，先以40℃/h的速度升温至300℃，再以15℃/h的速度升温至375℃，保温3h，然后以50℃/h的速度进行降温，得到聚四氟乙烯凯夫拉复合材料。
实施例3
表面处理：使用除油剂将凯夫拉(面积质量为60±3g/m2；织物密度，根/10mm：经向，13 ±0.5；纬向13±0.5)进行清洗，除去凯夫拉表面的油脂等杂质，清洗完毕在70℃下烘干待用，其中凯夫拉为织布结构。
表面改性：称量质量比为1:1的氨丙基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷，并溶解于水和无水乙醇的共溶液(水和无水乙醇的体积比1:9)中，得到偶联剂溶液，偶联剂的重量占共溶液重量的0.5％。将上述凯夫拉放入偶联剂溶液中，然后将凯夫拉取出，并进行烘干。
复合材料制备：按重量份数计，准备30份平均粒径为1-20μm的聚四氟乙烯粉末，并平均分为3等份；另外准备按重量份数计10份上述得到的凯夫拉，平均分为2份，每份凯夫拉为织布结构。将聚四氟乙烯粉末和凯夫拉分层叠加放模腔套中，第一层和最后一层为聚四氟乙烯粉末，凯夫拉位于相邻的两层聚四氟乙烯粉末之间；然后使用压力机先进行预压制，得到初始复合材料；然后将初始复合材料使用干袋式等静压机，将初始复合材料放入制品袋中，再将制品袋放入主袋中，并先按0.5Mpa/s的速度升压至10Mpa，保持2min，然后升压至30Mpa，保持3min，最后升压至55Mpa，保持5min，然后降压脱模，得到复合材料压件。将得到的压件在烧结炉中，先以30℃/h的速度升温至300℃，再以15℃/h的速度升温至375℃，保温2h，然后以30℃/h的速度进行降温，得到聚四氟乙烯凯夫拉复合材料。
实施例4
表面处理：使用除油剂将凯夫拉(面积质量为60±3g/m2；织物密度，根/10mm：经向，13 ±0.5；纬向13±0.5)进行清洗，除去凯夫拉表面的油脂等杂质，清洗完毕在70℃下烘干待用，其中凯夫拉为织布结构。然后将烘干后的凯夫拉使用等离子体处理器中进行等离子体表面处理，处理条件为；处理介质为氮气，气体流量为50cm3/min，等离子发生功率为300w，处理时间为80s，处理完毕得到表面经过等离子体处理的凯夫拉。
复合材料制备：按重量份数计，准备30份平均粒径为1-20μm的聚四氟乙烯粉末，并平均分为3等份；另外准备按重量份数计10份上述得到的凯夫拉，平均分为2份，每份凯夫拉为织布结构。将聚四氟乙烯粉末和凯夫拉交替分层叠加放入包套中，第一层和最后一层为聚四氟乙烯粉末，凯夫拉位于相邻的两层聚四氟乙烯粉末之间；然后使用压力机先进行预压制，得到初始复合材料；然后将初始复合材料使用干袋式等静压机，将初始复合材料放入制品袋中，再将制品袋放入主袋中，并先按0.5Mpa/s的速度升压至10Mpa，保持2min，然后升压至30Mpa，保持3min，最后升压至55Mpa，保持5min，然后降压脱模，得到复合材料压件。将得到的压件在烧结炉中，先以30℃/h的速度升温至300℃，再以15℃/h的速度升温至375℃，保温2h，然后以30℃/h的速度进行降温，得到聚四氟乙烯凯夫拉复合材料。
实施例5
表面处理：使用除油剂将凯夫拉(面积质量为60±3g/m2；织物密度，根/10mm：经向，13 ±0.5；纬向13±0.5)进行清洗，除去凯夫拉表面的油脂等杂质，清洗完毕在70℃下烘干待用，其中凯夫拉为织布结构。然后将烘干后的凯夫拉使用等离子体处理器中进行等离子体表面处理，处理条件为；处理介质为氮气，气体流量为50cm3/min，等离子发生功率为300w，处理时间为80s，处理完毕得到表面经过等离子体处理的凯夫拉。
表面改性：称量质量比为1:1的氨丙基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷，并溶解于水和无水乙醇的共溶液(水和无水乙醇的体积比1:9)中，得到偶联剂溶液，偶联剂的重量占共溶液重量的0.5％。将上述等离子体处理后的凯夫拉放入偶联剂溶液中，然后将凯夫拉取出，并进行烘干。
复合材料制备：按重量份数计，准备30份平均粒径为1-20μm的聚四氟乙烯，并平均分为3等份；另外准备10份上述得到的凯夫拉，平均分为2份，每份凯夫拉为织布结构。将聚四氟乙烯粉末和凯夫拉分层叠加放入包套中，第一层和最后一层为聚四氟乙烯粉末，凯夫拉位于相邻的两层聚四氟乙烯粉末之间；然后使用压力机先进行预压制，得到初始复合材料；然后将初始复合材料使用干袋式等静压机，将初始复合材料放入制品袋中，再将制品袋放入主袋中，并先按0.5Mpa/s的速度升压至55Mpa，保持5min，然后降压脱模，得到复合材料压件。将得到的压件在烧结炉中，先以30℃/h的速度升温至300℃，再以15℃/h的速度升温至375℃，保温2h，然后以30℃/h的速度进行降温，得到聚四氟乙烯凯夫拉复合材料。
实施例6
本实施例和实施例1工艺和步骤均相同，不同之处在于，本实施例中凯夫拉仅通过氨丙基三乙氧基硅烷进行表面改性。
性能检测
通过使用摩擦系数测试仪对实施例1-6的表面摩擦系数进行测试，测试的结果如下表1；将本申请中使用的两份凯夫拉叠合在一起进行拉伸强度测试，然后将复合材料进行拉伸强度测试，拉伸强度保持率＝(复合材料拉伸强度/原凯夫拉拉伸强度)*100％。
表1实施例1-6的结果测试
项目 摩擦系数 拉伸强度保持率(％)
实施例1 0.06 103.2
实施例2 0.07 102.2
实施例3 0.09 101.8
实施例4 0.11 100.4
实施例5 0.08 101.1
实施例6 0.09 102.1
通过实施例1和实施例3的对比可以看出，凯夫拉在经过硅烷偶联剂表面改性之前，先通过等离子体表面处理，可以提高凯夫拉表面的活性位点，从而提高硅烷偶联剂的表面处理效果，从而使得压制出来的复合材料相互粘结性好，具有更低的摩擦系数，并且复合材料能够保持凯夫拉原来的拉伸强度，从而制备出高拉伸强度以及低表面摩擦系数的复合材料。
通过实施例1和实施例4的对比可以看出，凯夫拉虽然经过等离子体表面处理，但是没有经过硅烷偶联剂进行表面改性，从而使得材料之间的粘附性较差，压制效果不好。并且通过实施例1和实施例6的对比可以看出，当氨丙基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷复配使用时，具有更好的效果。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，其特征在于，包括n层聚四氟乙烯层以及（n-1）层聚四氟乙烯凯夫拉复合层，每层所述聚四氟乙烯凯夫拉复合层位于相邻两层所述聚四氟乙烯层之间；
所述聚四氟乙烯凯夫拉复合材料通过将聚四氟乙烯粉末和凯夫拉分层叠加，通过等静压工艺压合后再进行烧结制备得到。
2.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，其特征在于：所述等静压工艺包括下列步骤：将所述聚四氟乙烯粉末和所述凯夫拉依次分层叠放，放入模腔中预压制成型，再分段升压至50-55Mpa条件下进行等静压工艺处理。
3.根据权利要求2所述的一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，其特征在于：所述等静压工艺处理时，先升压至10-15Mpa，保持2min，再升压至30Mpa，保持3min，最后升至55Mpa，保持5min。
4.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，其特征在于：所述烧结步骤为，先以30-40℃/h的速度升温至300±10℃，再以15-25℃/h的速度升温至375±3℃，保温2-3h，然后以30-50℃/h的速度进行降温。
5.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，其特征在于：每层所述聚四氟乙烯粉末的重量和相邻层所述凯夫拉的重量比为（2-4）:1。
6.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，其特征在于：所述聚四氟乙烯粉的平均粒径为1-20μm。
7.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，其特征在于：所述凯夫拉在使用前经过等离子体表面处理，然后再使用硅烷偶联剂进行表面处理。
8.根据权利要求7所述的一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，其特征在于：所述硅烷偶联剂选自氨丙基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷的混合物，且所述氨丙基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷的重量比为1:1。
9.根据权利要求7所述的一种聚四氟乙烯凯夫拉复合材料，其特征在于：所述等离子处理工艺条件为；处理介质为氮气或氩气；气体流量为50cm3/min-90cm3/min，等离子发生功率为300w-400w，处理时间为80-120s。
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