專利名稱:高耐磨性聚四氟乙烯復合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高分子材料改性領(lǐng)域技術(shù)，具體涉及聚四氟乙烯復合材料及制備方法。
背景技術(shù)：
聚四氟乙烯因其優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、耐高溫和低的摩擦系數(shù)而在眾多領(lǐng)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(shù)量級，但是由于與聚四氟乙烯缺乏相容性，容易產(chǎn)生相分離，而且這些金屬粒子會使對磨面產(chǎn)生磨損，使材料的摩擦系數(shù)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(chǎn)品成型。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)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(chǎn)成本低、而且適用范圍廣。
本發(fā)明的目的通過以下方式實現(xiàn)。
本發(fā)明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(jīng)壓制成型、高溫燒結(jié)形成，其中，聚四氟乙烯粉末的粒度為30μm-200μm，含量為50％-70％(重量百分含量)；聚丙烯腈粉末的粒度為30μm-100μm，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10μm-50μm，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10μm-50μm，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8μm-15μm，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(chǎn)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250℃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(jié)爐中，以30℃-100℃/小時的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時；最好在加熱到270℃-315℃范圍內(nèi)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315℃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370℃溫度下預氧化處理2小時后再與聚四氟乙烯粉末混合。
本發(fā)明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30μm-200μm)， 50％-70％，聚丙烯腈粉末(粒度30μm-100μm)， 30％-50％，非金屬氧化物、碳化物(粒度10μm-50μm)， 0％-5％，金屬及金屬氧化物粉末(粒度10μm-50μm)， 0％-5％，其他纖維類的填充物(直徑8μm-15μm) 0％-5％(2)將混合料在40MPa壓強下冷壓成型或在低于250℃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(jié)爐中，以30℃-100℃/小時的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時；最好在加熱到270℃-315℃范圍內(nèi)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315℃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370℃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(jié)過程因發(fā)生化學反應而對材料的負面影響，在實際使用中，可根據(jù)實際產(chǎn)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。
本發(fā)明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(jié)成型過程中，聚丙烯腈會發(fā)生預氧化反應，經(jīng)環(huán)化形成梯型結(jié)構(gòu)，這些梯狀結(jié)構(gòu)形成骨架，增強了復合材料的摩擦轉(zhuǎn)移膜在對摩面表面的附著力，減少了新的摩擦轉(zhuǎn)移膜的生成，從而大大提高其耐磨性。實測表明，本發(fā)明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，因此采用本發(fā)明的復合材料制成的產(chǎn)品可以在比原聚四氟乙烯更高的溫度下使用。特別是，本發(fā)明的復合材料在熔融狀態(tài)還保持很高的儲能模量，具有較好的高溫使用性能。本發(fā)明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(shù)小、耐高溫、耐化學藥品的密封圈、軸承襯套、閥門、管道、泵等。
本發(fā)明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(chǎn)設備要求不高，工藝簡單，生產(chǎn)成本低。
下面通過實施例作進一步的說明。
具體實施方式實施例1將40％(重量百分含量)聚丙烯腈粉末(粒度30μm)與60％聚四氟乙烯粉末(粒度50μm)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(jié)爐中，在空氣環(huán)境下以100℃/小時的升溫速率加熱至150℃，再以50℃/小時的升溫速率加熱至270℃，保溫30分鐘，再以40℃/小時的升溫速率加熱至315℃，保溫30分鐘，再以30℃/小時的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時。降溫過程中先以50℃/小時的降溫速率降溫至315℃，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50μm)在空氣環(huán)境中加熱到370℃，并保溫2小時。將30％(重量百分含量)經(jīng)過加熱處理的聚丙烯腈粉末與70％聚四氟乙烯粉末(粒度80μm)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(jié)爐中，在空氣環(huán)境下以40℃/小時的升溫速率加熱至375℃±5℃，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(chǎn)品。
實施例3將聚丙烯腈粉末(粒度80μm)在空氣環(huán)境中加熱到370℃保溫2小時。將50％(重量百分含量)經(jīng)過加熱處理的聚丙烯腈粉末與50％聚四氟乙烯粉末(粒度120μm)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、200℃下壓制成型，然后將壓制成型件放入燒結(jié)爐中，空氣環(huán)境下以50℃/小時的升溫速率加熱至315℃，保溫30分鐘，再以30℃/小時的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時。降溫過程中先以50℃/小時的降溫速率降溫至315℃，保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫，得成品。該實例適用于各種尺寸的產(chǎn)品。
實施例4將45％(重量百分含量)的聚丙烯腈粉末(粒度40μm)與50％聚四氟乙烯粉末(粒度150μm)及2％SiO2(粒度20μm)和3％Al2O3(粒度20μm)粉末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、250℃下壓制成型，然后將壓制成型件放入燒結(jié)爐中，在空氣環(huán)境下以30℃/小時的升溫速率加熱至270℃，保溫30分鐘，再以40℃/小時的升溫速率加熱至315℃，保溫30分鐘，再以30℃/小時的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時。最后自然冷卻至室溫，得成品。該實例適用于厚度小于1厘米的產(chǎn)品。
實施例5聚丙烯腈粉末(粒度80μm)在空氣環(huán)境中加熱到370℃保溫2小時。將35％(重量百分含量)經(jīng)過加熱處理的聚丙烯腈粉末與55％聚四氟乙烯粉末(粒度200μm)及5％SiC(粒度40μm)和5％ZnO(粒度40μm)粉末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、250℃下壓制成型，然后將壓制成型件放入燒結(jié)爐中，在空氣環(huán)境下下以50℃/小時的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時。降溫過程中先以50℃/小時的降溫速率降溫至315℃，保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫，得成品。該實例適用于各種尺寸的產(chǎn)品。
實施例6將40％(重量百分含量)的聚丙烯腈粉末(粒度60μm)與58％聚四氟乙烯粉末(粒度100μm)及2％的Cu粉或Fe粉(粒度10μm)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、250℃下壓制成型，然后將壓制成型件放入燒結(jié)爐中，在空氣環(huán)境下以100℃/小時的升溫速率加熱至270℃，保溫20分鐘，再以40℃/小時的升溫速率加熱至315℃，保溫30分鐘，再以30℃/小時的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時。降溫過程中先以30℃/小時的降溫速率降溫至315℃，保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫，得成品。該實例適用于厚度小于1厘米的產(chǎn)品。
實施例7聚丙烯腈粉末(粒度30μm)在空氣環(huán)境中加熱到370℃保溫2小時。將46％(重量百分含量)經(jīng)過加熱處理的聚丙烯腈粉末與50％聚四氟乙烯粉末(粒度70μm)及填充物4％玻璃纖維(粒度10μm)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、250℃下壓制成型，然后將壓制成型件放入燒結(jié)爐中，在空氣環(huán)境下以100℃/小時的升溫速率加熱至315℃，保溫30分鐘，再以50℃/小時的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時。降溫過程中先以50℃/小時的降溫速率降溫至315℃，保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫，得成品。該實例適用于各種尺寸的產(chǎn)品。
經(jīng)檢測，以上7例實例所得材料與純聚四氟乙烯相比，其耐磨性能大幅提高，有的提高了超過100倍，耐溫可高達300℃以上，同時使產(chǎn)品成本降低30％-40％。
權(quán)利要求
1.一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(jīng)壓制成型、高溫燒結(jié)形成，其中，聚四氟乙烯粉末的粒度為30μm-200μm，含量為50％-70％；聚丙烯腈粉末的粒度為30μm-100μm，含量為30％-50％。
2.如權(quán)利要求
1所述的聚四氟乙烯復合材料，其特征在于，在其組分中增加有金屬及金屬氧化物粉末，其粒度為10μm-50μm，含量為0％-5％。
3.如權(quán)利要求
1所述的聚四氟乙烯復合材料，其特征在于，在其組分中增加有非金屬氧化物、碳化物粉末，粒度為粒度10μm-50μm，含量為0％-5％。
4.如權(quán)利要求
1所述的聚四氟乙烯復合材料，其特征在于，在其組分中還增加有其他纖維類的填充物，其直徑為8μm-15μm，含量為0％-5％。
5.如權(quán)利要求
1所述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30μm-200μm)， 50％-70％，聚丙烯腈粉末(粒度30μm-100μm)， 30％-50％，非金屬氧化物、碳化物(粒度10μm-50μm)， 0％-5％，金屬及金屬氧化物粉末(粒度10μm-50μm)， 0％-5％，其他纖維類的填充物(直徑8μm-15μm) 0％-5％。(2)將混合料在40MPa壓強下冷壓成型或在低于250℃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(jié)爐中，以30℃-100℃/小時的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(4)自然冷卻到室溫，得成品。
6.如權(quán)利要求
5所述的制備方法，其特征在于，所述將壓制成型的樣品置入高溫燒結(jié)爐中升溫時，在加熱到270℃-315℃范圍內(nèi)保溫1-2次，每次20-30分鐘，然后再繼續(xù)升溫。
7.如權(quán)利要求
5所述的制備方法，其特征在于，所述將完成燒結(jié)的產(chǎn)品冷卻時，在冷卻到315℃時保溫20-30分鐘，然后再自然冷卻到室溫，
8.如權(quán)利要求
5所述的制備方法，其特征在于，所述的聚丙烯腈是先在370℃溫度下預氧化處理2小時后再與聚四氟乙烯粉末混合。
專利摘要
本發(fā)明屬于高分子材料改性領(lǐng)域技術(shù)，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(jīng)壓制成型、高溫燒結(jié)形成，其中聚四氟乙烯粉末的粒度為30μm－200μm，含量為50％－70％；聚丙烯腈粉末的粒度為30μm－100μm，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(shù)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(chǎn)成本低。
文檔編號C08K3/00GK1990538SQ200510134995
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月28日
發(fā)明者黃文浩, 宋明斌 申請人:中國科學技術(shù)大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan