CN116715928A - 一种具有高强度耐磨的改性pfa及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氟塑料材料制备技术领域，具体公开了一种具有高强度耐磨的改性PFA及其制备方法，本发明设置的改性PFA主要以粒径在5‑20微米的聚四氟乙烯粉末、聚合物增强剂和填充剂为原料，先将聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂按质量比例混合，并进行预混合，使聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂充分分散均匀，获得预混合物，再将预混合物中逐渐加入填充剂，并进行搅拌混合，直至填充剂均匀分散在预混合物中，获得混合物，然后将混合物加热至熔融状态，并挤出成型获得改性PFA材料，最后对PFA材料进行冷却、切割和热处理，获得改性PFA成品，通过此原料配比制备的PFA具有高强度耐磨性，可大大提高了PFA的使用次数。
Description
技术领域
本发明属于氟塑料材料制备技术领域，具体涉及一种具有高强度耐磨的改性PFA及其制备方法。
背景技术
PFA是聚四氟乙烯共聚合物，是一种高性能的氟塑料材料。它是由四氟乙烯和特定的共聚物单体(如TFE-PAVE)通过共聚合得到的，具有优异的耐化学性和耐热性，由于含氟高分子材料表面特性难以与其他材料共混使用，且价格昂贵，从而增加了PFA的使用成本。
经检索，中国专利文件申请号为201510014430.3，公开了一种PFA材料，包括PFA粒料以及添加剂，添加剂包括碳纤维纳米管、足球烯、耐候剂、增强填料、阻燃剂、偶联剂以及交联剂,各组分组成(以重量份数计)为:PFA粒料100份、碳纤维纳米管15-20份、足球烯C5405-10份、耐候剂10-15份、阻燃剂20-30份、增强填料15-20份、偶联剂15-30份以及交联剂10-20份,耐候剂包括7-10份的抗氧剂和3-8份的光稳定剂。该发明采用PFA材料，加工性好，使用方便，磨损率低，有效地延长了设备的使用寿命，维护难度低，降低应用成本。
但是，上述PFA材料仍存在以下缺陷：
该PFA材料因含有的组份种类较多，使得PFA材料的耐磨性不高，其耐磨次数有限，从而使其使用寿命不理想，因此我们需要提出一种具有高强度耐磨的改性PFA及其制备方法来解决上述存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高强度耐磨的改性PFA及其制备方法，通过聚四氟乙烯迷粉末、聚合物增强剂和填充剂的比例配合制备的PFA具有高强度耐磨性，可大大提高了PFA的使用次数，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种具有高强度耐磨的改性PFA，按质量百分比计，包括如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末75％-85％、聚合物增强剂10％-15％、填充剂5％-10％；
所述聚合物增强剂设置为聚酰胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚苯乙烯和聚丙烯纤维中的其中一种；
所述填充剂设置为玻璃纤维、碳纤维和金属粉末中的其中一种。
优选的，按质量百分比计，包括如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末75％、聚合物增强剂15％、填充剂10％。
优选的，按质量百分比计，包括如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末80％、聚合物增强剂13％、填充剂7％。
优选的，所述聚四氟乙烯迷粉末在制备时先在水中溶解四氟乙烯单体，并加入表面活性剂来稳定聚合物微粒的形成，再通过加入聚合引发剂，使单体在水中发生聚合反应，形成聚四氟乙烯微粒，最后通过离心、过滤、洗涤、干燥和筛分的步骤得到所需的粒径范围的聚四氟乙烯粉末；其中，所述表面活性剂设置为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠，所述聚合引发剂设置为氧化苯甲酰。
优选的，所述聚酰胺在制备时以聚合酰胺酸或聚合酰胺胺为原材料进行缩聚反应，生成聚酰胺聚合物，再将聚酰胺聚合物溶解在二甲基亚砜溶剂中形成聚酰胺溶液，再通过纺丝工艺将聚酰胺溶液挤出成细丝状，获得聚酰胺丝，将聚酰胺丝固化处理后拉伸和热处理，以获得聚酰胺。
优选的，所述聚醚醚酮在制备时以聚醚醚酮树脂颗粒为原料进行加热到熔融状态，再通过纺丝工艺将熔融的聚醚醚酮挤出细丝状获得聚醚醚酮纤维，然后将纺丝得到的聚醚醚酮纤维冷却，使其固化并形成稳定的纤维结构，将纤维结构进行拉伸处理，以提高纤维结构的拉伸强度和性能稳定性，最后对拉伸后的纤维结构进行热处理获得聚醚醚酮。
优选的，所述聚苯硫醚是以聚苯硫醚树脂颗粒为原料进行熔融纺丝、冷却、固化、拉伸和热处理后获得的纤维材料。
优选的，所述玻璃纤维在制备时将玻璃纤维浆料或玻璃纤维布进行纤维化处理，再将纤维化得到的玻璃纤维进行切割和分类处理，以获得所需长度和直径范围的玻璃纤维。
优选的，所述金属粉末设置为铝粉、铜粉、铁粉、钛粉、锌粉和银粉中的至少一种，所述金属粉末在使用前需进行混合和筛选，使金属粉末的颗粒保持均匀。
基于以上叙述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，本发明还提供一种具有高强度耐磨的改性PFA的制备方法，包括如下步骤：
S1、准备如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末、聚合物增强剂和填充剂；
S2、将聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂按质量比例混合，并进行预混合，使聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂充分分散均匀，获得预混合物；
S3、将预混合物中逐渐加入填充剂，并进行搅拌混合，直至填充剂均匀分散在预混合物中，获得混合物；
S4、将混合物加热至熔融状态，并挤出成型获得改性PFA材料；
S5、对PFA材料进行冷却、切割和热处理，获得改性PFA成品。
本发明提出的一种具有高强度耐磨的改性PFA及其制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明设置的改性PFA主要以粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末、聚合物增强剂和填充剂为原料，先将聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂按质量比例混合，并进行预混合，使聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂充分分散均匀，获得预混合物，再将预混合物中逐渐加入填充剂，并进行搅拌混合，直至填充剂均匀分散在预混合物中，获得混合物，然后将混合物加热至熔融状态，并挤出成型获得改性PFA材料，最后对PFA材料进行冷却、切割和热处理，获得改性PFA成品，通过此原料配比制备的PFA具有高强度耐磨性，可大大提高了PFA的使用次数。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的制备流程框图；
图3为本发明的聚四氟乙烯粉末制备流程框图；
图4为本发明的聚酰胺制备流程框图；
图5为本发明的聚醚醚酮制备流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供了如图1所示一种具有高强度耐磨的改性PFA，按质量百分比计，包括如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末75％、聚合物增强剂15％、填充剂10％；通过聚四氟乙烯迷粉末、聚合物增强剂和填充剂的比例配合制备的PFA具有高强度耐磨性，可大大提高了PFA的使用次数，从而提高了其使用寿命。
聚合物增强剂设置为聚酰胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚苯乙烯和聚丙烯纤维中的其中一种；
如图3所示，聚四氟乙烯迷粉末在制备时先在水中溶解四氟乙烯单体，并加入表面活性剂来稳定聚合物微粒的形成，再通过加入聚合引发剂，使单体在水中发生聚合反应，形成聚四氟乙烯微粒，最后通过离心、过滤、洗涤、干燥和筛分的步骤得到所需的粒径范围的聚四氟乙烯粉末；其中，表面活性剂设置为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠，聚合引发剂设置为氧化苯甲酰；离心是将PTFE微粒悬浮液进行离心，以分离出PTFE微粒；过滤是将离心后的PTFE微粒悬浮液通过过滤器进行过滤，以去除较大的微粒和杂质；洗涤是用适当的溶剂或清洁剂对PTFE微粒进行洗涤，以去除残留的杂质和表面污染物，干燥是将洗涤后的PTFE微粒进行干燥，可以使用烘箱、真空干燥器等设备，将溶剂或清洁剂蒸发，使微粒完全干燥；筛分是将干燥后的PTFE微粒进行筛分，使用不同粒径的筛网进行筛分，以得到所需的粒径范围的PTFE粉末，上述步骤可以根据具体需求进行调整和优化，以获得理想的粒径范围的PTFE粉末，但需要注意的是，操作过程要保持清洁，避免杂质的污染或混入，确保最终得到的PTFE粉末符合要求。
如图4所示，聚酰胺在制备时以聚合酰胺酸或聚合酰胺胺为原材料进行缩聚反应，生成聚酰胺聚合物，再将聚酰胺聚合物溶解在二甲基亚砜溶剂中形成聚酰胺溶液，再通过纺丝工艺将聚酰胺溶液挤出成细丝状，获得聚酰胺丝，将聚酰胺丝固化处理后拉伸和热处理，以获得聚酰胺，其中纺丝工艺可根据实际生产需求采用湿法纺丝或干法纺丝，将聚酰胺丝固化处理时是通过热处理或化学处理来交联或固化聚酰胺分子链，提高纤维的强度和稳定性。
如图5所示，聚醚醚酮在制备时以聚醚醚酮树脂颗粒为原料进行加热到熔融状态，再通过纺丝工艺将熔融的聚醚醚酮挤出细丝状获得聚醚醚酮纤维，然后将纺丝得到的聚醚醚酮纤维冷却，使其固化并形成稳定的纤维结构，将纤维结构进行拉伸处理，以提高纤维结构的拉伸强度和性能稳定性，最后对拉伸后的纤维结构进行热处理获得聚醚醚酮。
聚苯硫醚是以聚苯硫醚树脂颗粒为原料进行熔融纺丝、冷却、固化、拉伸和热处理后获得的纤维材料，聚苯乙烯是以聚苯乙烯树脂颗粒为原料进行熔融纺丝、冷却、固化、拉伸和热处理后获得的纤维材料，聚丙烯纤维是以聚丙烯树脂颗粒为纤维原料进行熔融纺丝、冷却、固化、拉伸和热处理后获得的纤维材料，聚苯硫醚、聚苯乙烯和聚丙烯纤维的制备流程与聚醚醚酮的制备流程相同，在此不再详细叙述。
填充剂设置为玻璃纤维、碳纤维和金属粉末中的其中一种。
玻璃纤维在制备时将玻璃纤维浆料或玻璃纤维布进行纤维化处理，再将纤维化得到的玻璃纤维进行切割和分类处理，以获得所需长度和直径范围的玻璃纤维。
碳纤维在制备时，通过将含有聚丙烯腈(PAN)等碳纤维前体的高分子溶液注入纺丝机中，经过纺丝、拉伸、固化等工艺步骤制备碳纤维。具体步骤如下：
a.前处理：将聚丙烯腈纤维前体进行表面处理，如浸泡在酸性或碱性溶液中，以去除杂质和增加纤维的活性。
b.纺丝：将预处理的纤维前体溶液通过纺丝机进行纺丝，形成连续的纤维束。
c.拉伸：将纺丝得到的纤维束放在高温环境中拉伸，以增加纤维的取向性和拉伸率。
d.固化：将拉伸后的纤维束经过热处理，通过氧化、碳化等反应使纤维中的非碳元素转化为碳元素，形成碳纤维。
金属粉末设置为铝粉、铜粉、铁粉、钛粉、锌粉和银粉中的至少一种，金属粉末在使用前需进行混合和筛选，使金属粉末的颗粒保持均匀，其中，铝粉、铜粉和铁粉在制备时将金属块或片通过机械研磨设备进行研磨，使其逐渐细化为粉末；钛粉、锌粉和银粉在制备时将金属原料在高温高压的气氛下蒸发或溅射，然后通过凝固和冷却过程，使其形成细小的粉末。
基于以上叙述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，本发明还提供一种具有高强度耐磨的改性PFA的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1、准备如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末、聚合物增强剂和填充剂；
S2、将聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂按质量比例混合，并进行预混合，使聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂充分分散均匀，获得预混合物；
S3、将预混合物中逐渐加入填充剂，并进行搅拌混合，直至填充剂均匀分散在预混合物中，获得混合物；
S4、将混合物加热至熔融状态，并挤出成型获得改性PFA材料；
S5、对PFA材料进行冷却、切割和热处理，获得改性PFA成品。
实施例2
相同之处不再重复赘述，与实施例1不同的是，按质量百分比计，包括如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末80％、聚合物增强剂13％、填充剂7％。
实施例3
相同之处不再重复赘述，与实施例1不同的是，按质量百分比计，包括如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末83％、聚合物增强剂12％、填充剂5％。
实施例4
相同之处不再重复赘述，与实施例1不同的是，按质量百分比计，包括如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末85％、聚合物增强剂10％、填充剂5％。
实施例5
根据实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中提出的原料配比分别制备改性PFA进行耐磨性测试，并与现有技术制备的PFA进行比对(现有技术参考的是中国专利文件申请号为201510014430.3，公开了一种PFA材料)，以确认其耐磨程度，测试过程如下：
1、使用的原料配比如下：
现有技术使用的原料配比为：PFA粒料100份、碳纤维纳米管15份、足球烯C540 5份、耐候剂10份、阻燃剂20份、增强填料15份、偶联剂15份以及交联剂10份。
2、测试过程：使用上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4以及现有技术的原料配比分别制备PFA，并分别命名为样品1、样品2、样品3、样品4以及样品5进行区分，将制备的PFA固定在测试台上，并通过一个滑动磨体与PFA表面接触，确认制备的PFA经多少次摩擦后表面出现磨痕，滑动磨体施加2N的压力，滑动磨体在PFA表面来回移动一次为一个计数周期。
3、测试结果如下：
从上述表格数字可以看出，样品1、样品2、样品3和样品4摩擦次数明显大于样品5的摩擦次数，且样品1、样品2、样品3和样品4中的磨痕比较轻微，样品5中的磨痕明显，表明样品1、样品2、样品3和样品4相比样品5而言耐磨性得到明显的提高。
综上所述，本发明主要以粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末、聚合物增强剂和填充剂为原料，先将聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂按质量比例混合，并进行预混合，使聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂充分分散均匀，获得预混合物，再将预混合物中逐渐加入填充剂，并进行搅拌混合，直至填充剂均匀分散在预混合物中，获得混合物，然后将混合物加热至熔融状态，并挤出成型获得改性PFA材料，最后对PFA材料进行冷却、切割和热处理，获得改性PFA成品，通过此原料配比制备的PFA具有高强度耐磨性，可大大提高了PFA的使用次数。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有高强度耐磨的改性PFA，其特征在于：按质量百分比计，包括如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末75％-85％、聚合物增强剂10％-15％、填充剂5％-10％；
所述聚合物增强剂设置为聚酰胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚苯乙烯和聚丙烯纤维中的其中一种；
所述填充剂设置为玻璃纤维、碳纤维和金属粉末中的其中一种。
2.根据权利要求1所述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，其特征在于：按质量百分比计，包括如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末75％、聚合物增强剂15％、填充剂10％。
3.根据权利要求1所述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，其特征在于：按质量百分比计，包括如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末80％、聚合物增强剂13％、填充剂7％。
4.根据权利要求1所述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，其特征在于：所述聚四氟乙烯迷粉末在制备时先在水中溶解四氟乙烯单体，并加入表面活性剂来稳定聚合物微粒的形成，再通过加入聚合引发剂，使单体在水中发生聚合反应，形成聚四氟乙烯微粒，最后通过离心、过滤、洗涤、干燥和筛分的步骤得到所需的粒径范围的聚四氟乙烯粉末；其中，所述表面活性剂设置为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠，所述聚合引发剂设置为氧化苯甲酰。
5.根据权利要求4所述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，其特征在于：所述聚酰胺在制备时以聚合酰胺酸或聚合酰胺胺为原材料进行缩聚反应，生成聚酰胺聚合物，再将聚酰胺聚合物溶解在二甲基亚砜溶剂中形成聚酰胺溶液，再通过纺丝工艺将聚酰胺溶液挤出成细丝状，获得聚酰胺丝，将聚酰胺丝固化处理后拉伸和热处理，以获得聚酰胺。
6.根据权利要求4所述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，其特征在于：所述聚醚醚酮在制备时以聚醚醚酮树脂颗粒为原料进行加热到熔融状态，再通过纺丝工艺将熔融的聚醚醚酮挤出细丝状获得聚醚醚酮纤维，然后将纺丝得到的聚醚醚酮纤维冷却，使其固化并形成稳定的纤维结构，将纤维结构进行拉伸处理，以提高纤维结构的拉伸强度和性能稳定性，最后对拉伸后的纤维结构进行热处理获得聚醚醚酮。
7.根据权利要求5所述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，其特征在于：所述聚苯硫醚是以聚苯硫醚树脂颗粒为原料进行熔融纺丝、冷却、固化、拉伸和热处理后获得的纤维材料。
8.根据权利要求6所述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，其特征在于：所述玻璃纤维在制备时将玻璃纤维浆料或玻璃纤维布进行纤维化处理，再将纤维化得到的玻璃纤维进行切割和分类处理，以获得所需长度和直径范围的玻璃纤维。
9.根据权利要求7所述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，其特征在于：所述金属粉末设置为铝粉、铜粉、铁粉、钛粉、锌粉和银粉中的至少一种，所述金属粉末在使用前需进行混合和筛选，使金属粉末的颗粒保持均匀。
10.一种具有高强度耐磨的改性PFA的制备方法，基于权利要求1-9任意一项所述的一种具有高强度耐磨的改性PFA，其特征在于：包括如下步骤：
S1、准备如下原料：粒径在5-20微米的聚四氟乙烯粉末、聚合物增强剂和填充剂；
S2、将聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂按质量比例混合，并进行预混合，使聚四氟乙烯粉末与聚合物增强剂充分分散均匀，获得预混合物；
S3、将预混合物中逐渐加入填充剂，并进行搅拌混合，直至填充剂均匀分散在预混合物中，获得混合物；
S4、将混合物加热至熔融状态，并挤出成型获得改性PFA材料；
S5、对PFA材料进行冷却、切割和热处理，获得改性PFA成品。
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