CN118421030A - 一种粒子填充聚四氟乙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及聚四氟乙烯技术领域,针对现有的粒子填充聚四氟乙烯复合材料存在的难以同时兼顾填料粒子在聚四氟乙烯聚合物基体中的分散、及其与聚合物之间的界面作用的问题,公开了一种粒子填充聚四氟乙烯复合材料及其制备方法,其制备方法包括如下步骤:S1.混料:将填料粒子、聚四氟乙烯加入空化溶剂中,进行超声处理,混匀,得到混合液;S2.分离干燥:将混合液分离,干燥,得到混合料;S3.预制坯件:将混合料置于模具中,压制,得到预制坯件;S4.烧结成型。聚四氟乙烯在超声振动产生的剪切作用下原纤化,使填料粒子与聚四氟乙烯聚合物具有更强的界面作用,从而提升聚四氟乙烯复合材料的结构均匀性、力学强度、耐蠕变性以及尺寸稳定性等。

Description

一种粒子填充聚四氟乙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚四氟乙烯技术领域,具体而言,涉及一种粒子填充聚四氟乙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物,化学式为(C2F4)n,因其独特的化学结构,使其具有优良的耐高低温性、耐腐蚀性、低摩擦性、低介电常数、低介电损耗等性能,广泛应用于化工、电子、医疗、食品加工、航空航天等领域中,用于制造密封件、轴承、阀门、印制线路板、通讯电缆等产品。
然而,以聚四氟乙烯为单一成分的树脂材料存在耐磨性差、抗蠕变性差、力学强度低等缺陷,限制了聚四氟乙烯树脂的应用。目前,针对上述问题,已提出向聚四氟乙烯中填充粒子填料,以限制聚四氟乙烯分子链运动,从而实现性能优化。如公开号为CN110655741A的专利,就提供了一种多元无机材料填充改性的PTFE复合材料及其制备方法,采用硅烷偶联剂改性无机填料,再将改性后的无机填料与聚四氟乙烯采用高速混料机混合压制成型,通过与多种无机材料复配,在一定程度上提升聚四氟乙烯材料的综合性能。又如公开号为CN108943779A的专利,提供了一种高填料填充量聚四氟乙烯复合膜材料的制备方法,在复合过程中,通过逐级加压、缓慢卸压的方式,可制备出高致密度、具有较高填充量的聚四氟乙烯材料。
现有的聚四氟乙烯与其他材料复合的技术主要从填料复配、粒子表面改性或复合体系压制工艺等方面进行突破,上述现有技术均存在如下缺陷:难以同时兼顾填料粒子等材料在聚四氟乙烯聚合物基体中的分散、及其与聚合物之间的界面作用,而由于聚四氟乙烯分子间作用力及表面能极低,填料粒子难以在聚四氟乙烯基体中分散均匀,因而填料的填充量通常不宜超过30wt%,否则粒子与基体界面作用不足,从而易导致产品材料中填料粒子脱落的问题,而较低的填料粒子添加量,对聚四氟乙烯材料体系的性能提升效果十分有限。
基于上述情况,现亟需一种能够提升填料粒子在PTFE中的分散性以及二者之间界面作用的PTFE与填料粒子的复合方法,对PTFE复合材料在结构密封、高频通讯、机械润滑、生物医用等高端应用领域具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题:
现有的聚四氟乙烯与填料粒子复合的技术中,难以同时兼顾填料粒子等材料在聚四氟乙烯聚合物基体中的分散、及其与聚合物之间的界面作用的问题。由于聚四氟乙烯分子间作用力及表面能极低,填料粒子难以在聚四氟乙烯基体中分散均匀,因而填料的填充量通常不超过30wt%,否则会出现填料粒子与基体界面作用不足或粒子分散不均匀等问题,从而易导致产品材料中填料粒子脱落或团聚等问题,而较低添加量的填料粒子,对聚四氟乙烯材料体系的性能提升效果十分有限。
本发明采用的技术方案:
本发明提供了一种粒子填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法,包括如下步骤:
S1 混料:
将填料粒子、聚四氟乙烯加入空化溶剂中,进行超声处理,混匀,得到混合液;
S2 分离干燥:
将混合液分离,干燥,得到混合料;
S3 预制坯件:
将混合料置于模具中,压制,得到预制坯件;
S4 烧结成型。
优选地,步骤S1中,超声处理温度为20-60℃。
优选地,步骤S2中,干燥至保留5-30wt%空化溶剂,即得到混合料。
优选地,步骤S3中,压制温度为空化溶剂馏程以下10-20℃。
优选地,压制压力为10-25MPa,压制时间为30-60min。
优选地,步骤S4中,烧结温度为360-420℃。
优选地,步骤S1中,填料粒子的制备方法包括如下步骤:按质量份数计,将20-80份无机粒子与0.5-5份氟碳表面活性剂加入至100-200份改性溶剂中,搅拌,过滤、干燥,得到所述填料粒子。
优选地,所述无机粒子可选自纳米碳、金属氧化物、玻璃材料、陶瓷材料、硫化物、氮化物、金属中的一种或多种。
优选地,按质量计,所述聚四氟乙烯树脂与所述填料粒子的用量比为1-4:1-4.25,空化溶剂的质量为填料粒子与聚四氟乙烯树脂的总质量的5-50倍。
优选地,采用上述制备方法制备得到的粒子填充聚四氟乙烯复合材料可以是膜状、环状、棒状、管状或异形状等任意形状。
本发明的有益效果表现在:
本发明中,将填料粒子与聚四氟乙烯置于特定温度下进行超声处理,在超声作用下,填料粒子在聚四氟乙烯中分散均匀;且由于聚四氟乙烯特殊的分子链结构、分子间作用力弱,在特定的温度下,可在超声振动产生的剪切作用下原纤化,即超声波产生的剧烈剪切应力场使聚四氟乙烯树脂之间、以及树脂与填料粒子之间相互碰撞摩擦而产生大量原纤维,大量原纤维可将填料粒子紧密缠绕包裹其中,使得复合体系中的填料粒子与聚四氟乙烯聚合物具体具有更强的界面作用,从而提升聚四氟乙烯复合材料的结构均匀性、力学强度、耐蠕变性以及尺寸稳定性等,可应用于结构密封、高频通讯、机械润滑、生物医用等诸多领域,且该制备方法简单高效,可广泛适用于不同形状的填料粒子或不同类型的聚四氟乙烯树脂使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1中的聚四氟乙烯复合材料放大12000倍时的电镜扫描图;
图2为实施例2中的聚四氟乙烯复合材料放大12000倍时的电镜扫描图;
图3为对比例5中的聚四氟乙烯复合材料放大6000倍时的电镜扫描图;
图4为对比例5中的聚四氟乙烯复合材料放大1600倍时的电镜扫描图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明提供了一种粒子填充聚四氟乙烯复合材料,包括填料粒子以及包裹于填料粒子外部的聚四氟乙烯树脂,且聚四氟乙烯树脂靠近填料粒子的表面呈原纤维状,且按质量计,聚四氟乙烯树脂与填料粒子的用量比为1-4:1-4.25,其制备方法包括如下步骤:
(1)制备填料粒子
按质量份数计,将20-80份无机粒子与0.5-5份氟碳表面活性剂加入至100-200份改性溶剂(如无水乙醇等)中,混合,搅拌2-4h,过滤、干燥,得到所需填料粒子。
其中,无机粒子具有纳米或微米级粒径,无机粒子可选自纳米碳、金属氧化物、玻璃材料、陶瓷材料、硫化物、氮化物、金属等中的一种或多种,具体如二氧化硅、碳纤维、玻璃纤维、炭黑、石墨、碳纳米管、三氧化二铝、陶瓷纤维、氮化硼、碳化硅、二硫化钼、金属粉等;
氟碳表面活性剂可选自聚乙二醇型氟碳表面活性剂、亚砜型氟碳表面活性剂、聚醚型氟碳表面活性剂等中的一种或多种,当氟碳表面活性剂达到一定浓度时,可以形成溶胶或胶束的形式,在搅拌作用下,溶胶或胶束可以再次分散填料粒子,并在填料粒子表面形成氟碳型分子膜。
(2)混料
按质量份数计,将20-80份聚四氟乙烯和上述填料粒子加入至200-2000份空化溶剂中,通过超声分散均匀得到混合液;
超声分散的处理参数为:超声功率500-1800W,温度20-60℃,时间10-30min,超声探头置于液面以下、且位于混合液液面高度的10-20%。
其中,聚四氟乙烯为聚四氟乙烯分散树脂或聚四氟乙烯悬浮树脂,经过氟碳表面活性剂改性的填料粒子与聚四氟乙烯混合后,能够提供极低的表面张力,并且在聚四氟乙烯聚合物基体与填料粒子之间形成良好的界面润湿性,即聚合物基体与填料粒子能够较好的相互作用,实现更好的界面粘接和增强效果;
空化溶剂可选自硅油、矿物油或石蜡油等中的一种或多种,本发明通过超声进行处理,因而空化溶剂可选择常见的用于超声的分散剂等,并控制空化溶剂的质量为聚四氟乙烯树脂与填料粒子的总质量的5-50倍。
超声波在液体介质中可以产生空化气泡,空化气泡的形成、塌陷或消散可以形成瞬时的高温高压,这种高温高压形成的冲击力可以有效地分散团聚的微粉颗粒,即超声波的空化效应可以有效地提高微粉颗粒的分散性。同时,超声剧烈振动形成的剪切力场和涡流可以进一步促进填料粒子的均匀分散,且当温度低于19℃时,PTFE晶体受剪切会使晶体单元相互滑动;只有在高于19℃时,分子会堆积得更松散,剪切会导致分子解开,在超声波的剪切力场的作用下会产生大量的原纤维,大量原纤维可将填料粒子紧密缠绕包裹其中,从而起到提高粒子与聚合物界面强度的作用,即超声波的剧烈剪切力场作用可使聚四氟乙烯树脂与填料粒子接触更加充分。
(3)分离干燥
将混合液进行过滤,分离出其中的固体物,并烘干至保留5-30wt%空化溶剂的状态,得到混合料。
保留的空化溶剂可发挥润滑油的作用,改善PTFE的加工性能,降低其粘度和黏性,减少PTFE与加工设备之间的摩擦,使其更易于加工和成型,降低加工时的热量和能量损耗,提高加工效率和产品质量。
(4)预制坯件
将混合料置于预制模具中,压制,得到预制坯件。
压制的处理参数为:压制压力10-25MPa,压制时间30-60min,压制温度为空化溶剂馏程以下10-20℃。
(5)烧结成型
将预制坯件置于烧结炉中,于360-420℃下烧结20-60min,得到粒子填充聚四氟乙烯复合材料。
本发明中,填料粒子与聚四氟乙烯复合过程中,通过超声波振动产生的剪切力以及涡流效应可有效破坏填料粒子的团聚,并且促进填料粒子与聚合物树脂的混合,从而提高复合体系中粒子分散的均匀性。
此外,不同于其它聚合物,聚四氟乙烯分子分子间作用力弱,易在剪切作用下原纤化,因而超声波产生的剧烈的剪切应力场可使聚四氟乙烯树脂之间、以及树脂与填料粒子之间相互碰撞摩擦而产生大量原纤维,而这些原纤维将像毛线团一样把填料粒子紧密缠绕包裹其中,从而起到提高粒子与聚合物界面强度的作用。
本发明利用聚四氟乙烯的独特结构和特性,通过超声作用使填料粒子在聚四氟乙烯中的分散性以及二者之间的界面作用同步提升,从而能够显著提高聚四氟乙烯的结构均匀性、力学强度、耐蠕变性以及尺寸稳定性,使其更好地满足其在结构密封、高频通讯、机械润滑、生物医用等领域的高端应用需求。
实施例1
步骤一:按质量份数计,分别称量20份二氧化硅、80份聚四氟乙烯树脂、100份无水乙醇、1600份异构烷溶剂(Isopar G溶剂)和1份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为25℃,进行超声混合10min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到粒子填充PTFE复合材料。
实施例2
步骤一:按质量份数计,分别称量40份二氧化硅、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂和2份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为25℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到粒子填充PTFE复合材料。
实施例3
步骤一:按质量份数计,分别称量60份二氧化硅、40份聚四氟乙烯树脂、300份无水乙醇、800份Isopar G溶剂和3份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为25℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到粒子填充PTFE复合材料。
实施例4
步骤一:按质量份数计,分别称量80份二氧化硅、20份聚四氟乙烯树脂、400份无水乙醇、400份Isopar G溶剂和4份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为25℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到粒子填充PTFE复合材料。
实施例5
步骤一:按质量份数计,分别称量40份玻璃纤维、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂和2份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将玻璃纤维加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为25℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到粒子填充PTFE复合材料。
实施例6
步骤一:按质量份数计,分别称量40份片状氮化硼、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂和2份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将片状氮化硼加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为25℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到粒子填充PTFE复合材料。
实施例7
步骤一:按质量份数计,分别称量40份二氧化硅、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂和2份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为20℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到粒子填充PTFE复合材料。
实施例8
步骤一:按质量份数计,分别称量40份二氧化硅、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂和2份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为60℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到粒子填充PTFE复合材料。
对比例1
步骤一:按质量份数计,分别称量40份二氧化硅、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂和2份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为15℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到PTFE复合材料。
对比例2
步骤一:按质量份数计,分别称量40份二氧化硅、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂和2份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为80℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到PTFE复合材料。
对比例3
步骤一:按质量份数计,分别称量40份二氧化硅、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂,备用。
步骤二:将聚四氟乙烯树脂和二氧化硅加入至Isopar G溶剂中,设置超声功率为540W,超声温度为25℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤三:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤四:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤五:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到PTFE复合材料。
对比例4
步骤一:按质量份数计,分别称量20份二氧化硅、80份聚四氟乙烯树脂、100份无水乙醇、1600份Isopar G溶剂和1份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,搅拌4h,搅拌速度为1000r/min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为170℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到PTFE复合材料。
对比例5
步骤一:按质量份数计,分别称量40份二氧化硅、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂和2份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,搅拌4h,搅拌速度为1000r/min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约20wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为170℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到PTFE复合材料。
对比例6
步骤一:按质量份数计,分别称量40份二氧化硅、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂和2份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为25℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约3wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到粒子填充PTFE复合材料。
对比例7
步骤一:按质量份数计,分别称量40份二氧化硅、60份聚四氟乙烯树脂、200份无水乙醇、1200份Isopar G溶剂和2份TF-281氟碳表面活性剂,备用。
步骤二:将二氧化硅加入至无水乙醇中,再加入TF-281氟碳表面活性剂,搅拌2.5h,搅拌速度为800r/min,过滤、干燥,得到填料粒子。
步骤三:将聚四氟乙烯树脂加入至Isopar G溶剂中,再加入步骤二中得到的填料粒子,设置超声功率为540W,超声温度为25℃,进行超声混合20min,得到混合液。
步骤四:将混合液过滤,干燥至保留约40wt% Isopar G溶剂的状态,得到混合料。
步骤五:将混合料置于预制模具中,控制成型压力为20MPa,压制温度为160℃,压制30min,得到预制坯件。
步骤六:将预制坯件放入烧结炉中,控制炉内温度为380-400℃范围内,烧结30min,随后随炉降温,得到粒子填充PTFE复合材料。
试验例
样品:实施例1-6、对比例1-7
(1)如图1和图2所示,分别为实施例1和实施例2的样品在10μm倍数下的电镜扫描图;如图3和图4所示,分别为对比例5的样品在30μm和100μm倍数下的电镜扫描图。通过对比可以发现,采用实施例1和实施例2制备得到的PTFE复合材料样品中,PTFE原纤维紧紧缠结在填料粒子表面,对填料粒子形成很好的包覆作用,而对比例5中采用传统机械搅拌方法制备得到的PTFE复合材料样品,其粒子表面无明显纤维缠绕包覆,填料粒子与PTFE基体间隙较大,具体如图4中框出的区域可知,粒子与基体界面作用较差且出现明显粒子脱落产生的凹槽。
(2)将实施例1-6以及对比例1-7中制备得到的PTFE复合材料进行取样,并测定其材料性能参数,结果汇总如下:
2.1填料粒子填充效果等性能测试
表1 实施例1-4的样品材料性能参数测试结果
由表1可知:实施例1至实施例4中分别填充20wt%、40wt%、60wt%、80wt%的填料粒子,制备得到的粒子填充PTFE复合材料均具有较好界面结合能力、填料粒子分散均匀;同时,随着填充量的增加,热膨胀系数大幅度降低,可以看出本发明提供的PTFE复合材料具有优异的尺寸稳定性,且当填料粒子填充量高达80wt%时,所得复合材料的拉伸强度、断裂伸长率仍保持较高水平,即本发明提供的PTFE复合材料及其制备方法可以实现填料粒子的高填充量,解决现有粒子填充PTFE材料在粒子填充量高时存在的粒子分散不均匀的问题。
2.2填料粒子形状对性能影响试验
表2 实施例2、5-6的样品材料性能参数测试结果
由表2可知:实施例2、实施例5和实施例6分别为采用改性二氧化硅、改性玻璃纤维和改性片状氮化硼作为填料粒子制备得到的PTFE复合材料,其填料粒子分别为球状、丝状、片状,在较高的填料粒子填充量的情况下,PTFE复合材料均能保持较好的力学性能,且热稳定性和尺寸稳定性均有所提高,可以说明本发明的制备工艺可广泛适用于不同形状的填料粒子使用,且均能实现较高的性能效果。
2.3超声温度对性能影响试验
表3 实施例2、对比例1-2的样品材料性能参数测试结果
由表3可知:
①实施例7、实施例8分别是超声温度为20℃、60℃下制备的PTFE复合材料,该温度下所制备的PTFE复合材料具有较好的力学性能、较低的线性热膨胀系数。由此可以看出,20-60℃温度下超声分散所制备的PTFE复合材料,填料粒子与基体间分散均匀,界面结合能力强。
②对比例1与实施例7相比,采用低温超声,当温度低于19℃时,聚四氟乙烯分子堆砌PTFE晶体受剪切只会使晶体单元相互滑动;而当温度高于19℃时,分子会堆积得更松散,剪切会导致分子解开,形成原纤维。且在超声温度为20℃,聚四氟乙烯复合材料具有更高的力学强度,该温度下超声形成的原纤维对填料粒子的包覆较好,填料粒子与聚四氟乙烯界面结合能力更强,尺寸稳定性更好;而对于15℃下制备的PTFE复合材料而言,该温度下,无法生成大量纤维,填料粒子表面没有纤维缠绕,界面结合能力较差。
③对比例2与实施例8相比,采用高温超声,当温度高于60℃时,分子间的运动更为剧烈,可以更快的生成大量原纤维,生成的原纤维形成网络状结构,体系粘度快速增大,填料粒子分散受限,无法分散均匀,所制备的PTFE复合材料存在大量缺陷。而对比例2中的PTFE复合材料无论拉伸强度还是断裂伸长率都明显低于实施例8中PTFE复合材料性能.因此可以说明,当超声温度高于60℃时所制备得到的PTFE复合材料缺陷较多,超声分散的温度条件对对材料性能影响较大。
2.4填料粒子改性处理对性能影响试验
表4 实施例2、对比例3的样品材料性能参数测试结果
由表4可知:对比例3与实施例2相比,对比例3中的填料粒子二氧化硅没有经过氟碳表面活性剂处理,直接引入至PTFE复合材料中,其制备得到的PTFE复合材料力学性能明显弱于实施例2中填充经改性处理的填料粒子的PTFE复合材料性能,且实施例2中所表现出的填料粒子与聚四氟乙烯界面结合能力更强、致密度更高。
2.5分散方式对性能影响试验
表5 实施例1-2、对比例4-5的样品材料性能参数测试结果
由表5可知:对比例4和对比例5采用传统的机械搅拌,且实施例2和对比例5中填料粒子的填充量明显高于实施例1和对比例4中填料粒子填充量,最终得到的PTFE复合材料中,填充量更高的、采用机械搅拌的PTFE复合材料力学性能和尺寸稳定性大幅度降低。即可说明,即使在其他条件相同的情况下,添加同等填充量的填料粒子,传统方法制备高填充量PTFE复合材料时填料粒子与基体间界面作用较差且存在较多缺陷,而本发明提供的制备工艺所得到的PTFE复合材料力学性能、热稳定性、尺寸稳定性等显著提升,克服了传统复合手段存在的多组分材料界面缺陷。
2.6分散液对性能影响试验
表6 实施例2、对比例6-7的样品材料性能参数测试结果
由表6可知:对比例6和对比例7中,混合料空化溶剂保留量低于5%或高于30%的PTFE复合材料致密度、力学性能、尺寸稳定性相较于实施例2中的PTFE复合材料性能都大幅度下降,这是由于本发明中所用的空化溶剂还起到润滑作用,可以改善PTFE加工过程中的流动性,有利于得到密度分布均匀的预制件,但过多的空化溶剂保留量会导致预制件中残留很多分布不均匀的孔洞,使得所制备的PTFE复合材料具有大量缺陷。
综上所述,本发明提出的聚四氟乙烯与填料粒子的复合制备方法,能够改善现有的复合手段导致的填料粒子与聚四氟乙烯聚合物基体之间的界面作用差的问题,从而提升填料粒子与聚合物基体之间的结合强度,使其发挥出更优异的综合材料性能。
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,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种粒子填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1 混料:
制备填料粒子:按质量份数计,将20-80份无机粒子与0.5-5份氟碳表面活性剂加入至100-200份改性溶剂中,搅拌,过滤、干燥,得到所述填料粒子;
将质量比为1-4:1-4.25的聚四氟乙烯树脂和填料粒子,加入空化溶剂中,进行超声处理,超声处理温度为20-60℃,混匀,得到混合液;
S2 分离干燥:
将混合液分离,干燥至保留5-30wt%空化溶剂,得到混合料;
S3 预制坯件:
将混合料置于模具中,压制,得到预制坯件;
S4 烧结成型。
2.根据权利要求1所述的粒子填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤S3中,压制温度为空化溶剂馏程以下10-20℃。
3.根据权利要求2所述的粒子填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法,其特征在于,压制压力为10-25MPa,压制时间为30-60min。
4.根据权利要求1所述的粒子填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤S4中,烧结温度为360-420℃。
5.根据权利要求1所述的粒子填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法,其特征在于,所述无机粒子选自纳米碳、金属氧化物、玻璃材料、陶瓷材料、硫化物、氮化物、金属中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的粒子填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法,其特征在于,空化溶剂的质量为填料粒子与聚四氟乙烯树脂的总质量的5-50倍。
7.采用权利要求1至6中任意一项所述的粒子填充聚四氟乙烯复合材料的制备方法制备得到的粒子填充聚四氟乙烯复合材料。
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