高耐磨性聚四氟乙烯復合材料及其制備方法技術

本發明專利技術屬于高分子材料改性領域技術，具體涉及聚四氟乙烯復合材料及制備方法。所述高耐磨性聚四氟乙烯復合材料由聚四氟乙烯和聚丙烯腈粉末混合后，經壓制成型、高溫燒結形成，其中聚四氟乙烯粉末的粒度為３０ｍ－２００ｍ，含量為５０％－７０％；聚丙烯腈粉末的粒度為３０ｍ－１００ｍ，含量為３０％－５０％。其組分中可選擇添加金屬及金屬氧化物、非金屬氧化物、碳化物和其他纖維類填充物等，以增強其相應的性能。本復合材料相比未使用聚丙烯腈改性的，其耐磨性大幅提高，有的提高了超過１００倍，還提高了耐熱性和高溫力學性能，適合加工耐磨、摩擦系數小、耐高溫、耐化學藥品的密封圈、軸承襯套、閥門、管道、泵等。本制備方法直接采用機械混合，工藝簡單，生產成本低。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于高分子材料改性領域技術，具體涉及聚四氟乙烯復合材料及制備方法。
技術介紹
聚四氟乙烯因其優異的化學穩定性、耐高溫和低的摩擦系數而在眾多領域得到廣泛的應用，然而其耐磨性差以及成本高制約了其使用范圍。我國《高分子材料科學與工程》(1999年第15卷第1期，第68頁到72頁)曾介紹過用金屬填充改性聚四氟乙烯的摩擦磨損性能。增加金屬填充物能提高聚四氟乙烯磨損性能1-2個數量級，但是由于與聚四氟乙烯缺乏相容性，容易產生相分離，而且這些金屬粒子會使對磨面產生磨損，使材料的摩擦系數增加。中國《材料科學與工程學報》(2003年第21卷第6期，第851頁到854頁)也曾介紹過分別用聚苯酯、聚酰亞胺填充改性聚四氟乙烯摩擦磨損性能，取得了不錯的成效，但是上述填料的加入使聚四氟乙烯復合材料的制備成本成倍的增加，這就限制了它的使用范圍。中國科學院化學研究所在CN85100880A專利中使用聚丙烯腈基碳纖維來增強聚四氟乙烯密封材料，這能提高聚四氟乙烯材料的耐高溫性能和使用壽命。但是這種聚丙烯腈基碳纖維編織物對提高聚四氟乙烯材料的耐磨損性的作用有限，只有在添加金屬元素情況下才能明顯提高其耐磨損性能。而且由于聚丙烯腈基碳纖維加工過程復雜，其編織物與聚四氟乙烯復合后不利于產品成型。
技術實現思路
本專利技術的目的在于，針對現有技術中的不足，提供一種高耐磨性聚四氟乙烯復合材料，其制備方法簡單，生產成本低、而且適用范圍廣。本專利技術的目的通過以下方式實現。本專利技術的高耐磨性聚四氟乙烯復合材料，其特征在于，它是由聚四氟乙烯和聚丙烯腈粉末混合后，經壓制成型、高溫燒結形成，其中，聚四氟乙烯粉末的粒度為30m-200m，含量為50％-70％(重量百分含量)；聚丙烯腈粉末的粒度為30m-100m，含量為30％-50％(重量百分含量)；在其組分中也可以增加金屬及金屬氧化物粉末，其粒度為10m-50m，含量為0％-5％(重量百分含量)例如銅、銅合金、鐵粉末、Al2O3、TiO2、ZnO粉末等；也可以增加非金屬氧化物、碳化物，粒度為粒度10m-50m，含量為0％-5％(重量百分含量)，例如SiO2、SiC粉末；還可以增加其他纖維類的填充物，其直徑為8m-15m，含量為0％-5％(重量百分含量)，例如玻璃纖維、碳纖維等。其具體生產工藝如下(1)將按計算量的各組份混合并攪拌均勻；(2)將混合料在40MPa壓強下冷壓成型或在低于250C條件下熱壓成型，并在40MPa壓強下保持5-10分鐘；(3)將壓制成型的樣品置入高溫燒結爐中，以30C-100C/小時的升溫速率加熱至375C±5C，保溫2小時；最好在加熱到270C-315C范圍內保溫1-2次，每次保溫20-30分鐘；(4)自然冷卻到室溫；最好在冷卻到315C時保溫20-30分鐘，然后再自然冷卻到室溫。所述的聚丙烯腈也可以是先在370C溫度下預氧化處理2小時后再與聚四氟乙烯粉末混合。本專利技術的高耐磨性聚四氟乙烯復合材料的制備方法，其特征在于，其制備過程為(1)首先按以下計算量(均為重量百分含量)的各組份混合并攪拌均勻聚四氟乙烯粉末(粒度30m-200m)， 50％-70％，聚丙烯腈粉末(粒度30m-100m)， 30％-50％，非金屬氧化物、碳化物(粒度10m-50m)， 0％-5％，金屬及金屬氧化物粉末(粒度10m-50m)， 0％-5％，其他纖維類的填充物(直徑8m-15m) 0％-5％(2)將混合料在40MPa壓強下冷壓成型或在低于250C條件下熱壓成型，并在40MPa壓強下保持5-10分鐘；(3)將壓制成型的樣品置入高溫燒結爐中，以30C-100C/小時的升溫速率加熱至375C±5C，保溫2小時；最好在加熱到270C-315C范圍內保溫1-2次，每次20-30分鐘；(4)自然冷卻到室溫，最好在冷卻到315C時保溫20-30分鐘，然后再自然冷卻到室溫，得成品。所述的聚丙烯腈也可以是先在370C溫度下預氧化處理2小時后再與聚四氟乙烯粉末混合，這將有利于減小聚丙烯腈在燒結過程因發生化學反應而對材料的負面影響，在實際使用中，可根據實際產品需要選擇添加金屬及金屬氧化物，例如銅、銅合金、鐵粉末、Al2O3、TiO2、ZnO粉末等；選擇添加非金屬氧化物、碳化物和其他纖維類的填充物等粒子，例如SiO2、SiC粉末、玻璃纖維、碳纖維等以增強其相應的性能，滿足實際使用要求。本專利技術的高耐磨性聚四氟乙烯復合材料，聚丙烯腈與聚四氟乙烯混合材料高溫燒結成型過程中，聚丙烯腈會發生預氧化反應，經環化形成梯型結構，這些梯狀結構形成骨架，增強了復合材料的摩擦轉移膜在對摩面表面的附著力，減少了新的摩擦轉移膜的生成，從而大大提高其耐磨性。實測表明，本專利技術的復合材料相比未使用聚丙烯腈改性的，其耐磨性大幅提高，有的提高了超過100倍，而且還提高了耐熱性和高溫力學性能，因此采用本專利技術的復合材料制成的產品可以在比原聚四氟乙烯更高的溫度下使用。特別是，本專利技術的復合材料在熔融狀態還保持很高的儲能模量，具有較好的高溫使用性能。本專利技術材料可作為防腐材料、密封材料和耐磨材料，適合要求耐磨性好、摩擦系數小、耐高溫、耐化學藥品的密封圈、軸承襯套、閥門、管道、泵等。本專利技術的高耐磨性聚四氟乙烯復合材料的制備方法，由于聚四氟乙烯與聚丙烯腈具有良好的相容性，因此聚丙烯腈粉末與聚四氟乙烯粉末可以直接采用機械混合，對生產設備要求不高，工藝簡單，生產成本低。下面通過實施例作進一步的說明。具體實施例方式實施例1將40％(重量百分含量)聚丙烯腈粉末(粒度30m)與60％聚四氟乙烯粉末(粒度50m)放入高速攪拌器里面攪拌10分鐘使其混合均勻。再將混合物在40MPa壓強、室溫下壓制成型，然后將壓制成型件放入燒結爐中，在空氣環境下以100C/小時的升溫速率加熱至150C，再以50C/小時的升溫速率加熱至270C，保溫30分鐘，再以40C/小時的升溫速率加熱至315C，保溫30分鐘，再以30C/小時的升溫速率加熱至375C±5C，保溫2小時。降溫過程中先以50C/小時的降溫速率降溫至315C，保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫，得成品。該實施例適用于厚度小于1厘米的各種形狀的材料。實施例2聚丙烯腈粉末(粒度50m)在空氣環境中加熱到370C，并保溫2小時。將30％(重量百分含量)經過加熱處理的聚丙烯腈粉末與70％聚四氟乙烯粉末(粒度80m)放入高速攪拌器里面攪拌10分鐘使其混合均勻。再將混合物在40MPa壓強、室溫下壓制成型，然后將壓制成型件放入燒結爐中，在空氣環境下以40C/小時的升溫速率加熱至375C±5C，保溫2小時；然后自然冷卻至室溫，得成品。該實例適用于各種尺寸的產品。實施例3將聚丙烯腈粉末(粒度80m)在空氣環境中加熱到370C保溫2小時。將50％(重量百分含量)經過加熱處理的聚丙烯腈粉末與50％聚四氟乙烯粉末(粒度120m)放入高速攪拌器里面攪拌10分鐘使其混合均勻。再將混合物在40MPa壓強、200C下壓制成型，然后將壓制成型件放入燒結爐中，空氣環境下以50C/小時的升溫速率加熱至315C，保溫30分鐘，再以30C/小時的升溫速率加熱至375C±5C，保溫2小時。降溫過程中先以50C/小時的降溫速率降溫至315C，保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫，得成品。該本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高耐磨性聚四氟乙烯復合材料，其特征在于，它是由聚四氟乙烯和聚丙烯腈粉末混合后，經壓制成型、高溫燒結形成，其中，聚四氟乙烯粉末的粒度為３０ｍ－２００ｍ，含量為５０％－７０％；聚丙烯腈粉末的粒度為３０ｍ－１００ｍ，含量為３０％－５０％。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃文浩，宋明斌，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：34[中國|安徽]