專利名稱：聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，特別是涉及一種聚四氟乙烯基三維正
交復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
聚四氟乙烯(PTFE)樹脂具有耐高溫、抗氧化、不溶解、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和介電
性能，已經(jīng)成為化學(xué)、機(jī)械等工業(yè)為主的幾乎所有產(chǎn)業(yè)部門不可缺少的重要材料之一。PTFE
樹脂多為粉末狀或分散液，具有極高的相對分子質(zhì)量和高結(jié)晶度，熔點為327°C，由于其分
子結(jié)構(gòu)中存在強的F-C鍵，使其優(yōu)異的性能，廣泛地應(yīng)用于國防、航空航天、石油化工、電
子、機(jī)械等各個領(lǐng)域。PTFE雖然是熱塑性樹脂，但由于其具有極高的熔融粘度，難以用標(biāo)準(zhǔn)
的熱塑性塑料的方法對其進(jìn)行加工成型，因此采用熱壓與燒結(jié)相結(jié)合的加工方法。而燒結(jié)
是PTFE材料成型加工過程的一個重要環(huán)節(jié)，燒結(jié)工藝條件決定著制品的力學(xué)性能。 燒結(jié)就是將預(yù)制件加熱到晶體熔點327°C以上，并在此溫度下保持一定時間，使聚
合物分子由結(jié)晶形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形，分散的單個樹脂顆粒通過相互擴(kuò)散熔融粘結(jié)成一個
連續(xù)的整體，此時預(yù)制件由乳白色變?yōu)橥该鞯哪z體狀。然后再經(jīng)過冷卻，聚合物分子有從無
定形逐漸轉(zhuǎn)為結(jié)晶形，預(yù)制件成為堅固的乳白色的不透明制品。 —般來說，聚四氟乙烯制品厚度相對較薄，如鋪層聚四氟乙烯復(fù)合材料、聚四氟乙 烯膜和聚四氟乙烯涂層等。三維正交織物作為復(fù)合材料的預(yù)制件具有比傳統(tǒng)鋪層復(fù)合材料 具有不易分層的特點，但是與傳統(tǒng)制品相比，三維機(jī)織復(fù)合材料厚度很大，在Z方向有Z紗。 在施加壓力時，要考慮到Z紗的變形。而且聚四氟乙烯是惰性材料，與玻璃纖維的吸附性能 很差，因此樹脂含量比環(huán)氧樹脂基或乙烯基樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料要低。而且在燒結(jié)工 藝中，對于聚四氟乙烯來說，加工溫度受到限制，因為當(dāng)溫度高于其熔點時，聚四氟乙烯會 降解，而且粘度會很高。在燒結(jié)工藝中，溫度是最重要的因素，決定著復(fù)合材料的性能。因 此，溫度應(yīng)嚴(yán)格控制。考慮到高強度纖維的導(dǎo)熱系數(shù)和材料內(nèi)部的溫度梯度，對溫度的升降 速度要進(jìn)行優(yōu)化。控制溫度有兩種方法，即快速燒結(jié)和低速燒結(jié)。在高速燒結(jié)工藝中，溫度 增加和減少相對較快，必須采用較高的溫度才可以保證復(fù)合材料完全固化，這樣其機(jī)械性 能會比采用低速燒結(jié)工藝制成的復(fù)合材料的機(jī)械性能弱。然而，高速燒結(jié)工藝比低速燒結(jié) 工藝更容易操作。沒有壓力或真空輔助措施使這種復(fù)合材料的一致性不太好，這解釋了其 機(jī)械性能不如傳統(tǒng)工藝復(fù)合材料的原因。因此需要綜合考慮傳統(tǒng)燒結(jié)工藝和三維正交預(yù)制 件的結(jié)構(gòu)和性能特點，優(yōu)化出既可獲得良好性能，又能提高燒結(jié)效率的新型工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料的制備 方法，該方法簡單，成本低，性能穩(wěn)定，適合于工業(yè)化生產(chǎn)；能夠應(yīng)用于智能復(fù)合材料相關(guān)結(jié) 構(gòu)件的成型；所得復(fù)合材料中樹脂含量高且穩(wěn)定，纖維與聚四氟乙烯樹脂的結(jié)合性能較好。
本發(fā)明的一種聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料的制備方法，包括
3
(1)前處理將三維正交機(jī)織物在8(TC條件下烘干1小時，去除三維正交機(jī)織物內(nèi) 部的水分，并稱重；將烘干后的三維正交機(jī)織物浸潤在聚四氟乙烯分散液中，用滾筒軋平， 保持1小時，之后將三維正交機(jī)織物正反面翻轉(zhuǎn)，用滾筒軋平，保持1小時，之后在8(TC條件 下烘干2小時，稱重；重復(fù)上述過程，直至三維正交機(jī)織物的重量不再增加，確定樹脂含量 達(dá)到最高；稱重后，將三維正交機(jī)織物放置在模具內(nèi)，在20(TC條件下，給三維正交機(jī)織物 表面施加30-40MPa的壓強，保持0. 5小時，保證織物平整，去除氣泡，但又不影響三維正交 機(jī)織物中Z紗的排列；軋平后，將三維正交機(jī)織物放置在8(TC烘箱內(nèi)，以60°C /h的升溫速 度達(dá)到20(TC，并保持1小時，以去除水分和樹脂中的低分子，避免表面黑斑的產(chǎn)生；
(2)上述繼續(xù)以60°C /h的升溫速度達(dá)到327°C ，并保持0. 5小時，使三維正交機(jī)織 物內(nèi)樹脂充分熔融，減少內(nèi)部溫度梯度差；再繼續(xù)以60°C /h的升溫速度達(dá)到38(TC，保持1 小時，進(jìn)行燒結(jié)； (3)上述隨爐冷卻到327t:，保持0. 5小時，再繼續(xù)冷卻達(dá)到200°C，以減少內(nèi)部熱 應(yīng)變的產(chǎn)生，取出，切除毛邊，即得聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料。 所述步驟(1)中的三維正交機(jī)織物為玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維等各種高
性能纖維通過三維正交織機(jī)織成的三維正交織物，三維織物經(jīng)紗為至少三層。 所述步驟(1)中的聚四氟乙烯分散液的固含量為50(^wt)以上。 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計一種聚四氟乙烯樹脂與三維正交織物的成型
工藝，解決目前聚四氟乙烯只限于較薄的制件而不能作為較厚的三維織物的基質(zhì)的難題。 本發(fā)明的研究是從聚四氟乙烯的性質(zhì)和三維正交織物的特點入手，通過對不同溫
度下聚四氟乙烯的性質(zhì)設(shè)計一套模具，設(shè)計出保證復(fù)合材料的樹脂含量和力學(xué)性能的工
藝。選擇以一種適于作為三維復(fù)合材料增強體的纖維，在三維正交織機(jī)上織成三維正交織
物。樹脂為聚四氟乙烯。通過模具加壓來保證樹脂含量的一致性和外形以獲得聚四氟乙烯
和玻璃纖維更好的粘結(jié)性能。 本發(fā)明使用聚四氟乙烯為樹脂基體，通過反復(fù)浸潤三維正交機(jī)織物，加壓和高溫
燒結(jié)成型，制成出復(fù)合材料，其中聚四氟乙烯樹脂含量達(dá)到40%左右。 有益效果 (1)本發(fā)明的制備方法簡單，成本低，性能穩(wěn)定，適合于工業(yè)化生產(chǎn)；能夠應(yīng)用于 智能復(fù)合材料相關(guān)結(jié)構(gòu)件的成型， (2)本發(fā)明制得的復(fù)合材料中樹脂含量高且穩(wěn)定，纖維與聚四氟乙烯樹脂的結(jié)合 性能較好； (3)本發(fā)明制得的復(fù)合材料的韌性好，在大變形條件下有很好的變形恢復(fù)性；
(4)本發(fā)明制得的復(fù)合材料比傳統(tǒng)聚四氟乙烯制品厚，而且不易分層；
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。 實施例1
制作三維正交機(jī)織玻璃纖維織物增強聚四氟乙烯復(fù)合材料的方法
選擇玻璃纖維作為三維復(fù)合材料增強體的纖維，在三維正交織機(jī)上織成三維正交 織物。將聚四氟乙烯這種熱塑性聚合物作為固化三維正交織物的基質(zhì)，所用聚四氟乙烯分 散液的固含量(％ wt)為60%。 前處理將三維正交玻璃纖維機(jī)織物放置在烘箱內(nèi)，在8(TC條件下烘干1小時，去 除三維正交機(jī)織物內(nèi)部的水分，并稱重；將烘干后的三維機(jī)織物浸潤在聚四氟乙烯分散液 中，并用滾筒軋平，保持1小時，之后將三維正交機(jī)織物正反面翻轉(zhuǎn)，用滾筒軋平，保持1小 時，之后放置在烘箱內(nèi)8(TC條件下烘干2小時，稱重；重復(fù)此工藝，直至三維正交機(jī)織物的 重量不再增加，確定樹脂含量達(dá)到最高。稱重后，在20(TC條件下，給三維正交機(jī)織物施加 30MPa的壓強，保持0. 5小時，保證織物平整，但又不影響三維正交機(jī)織物中Z紗的排列；軋 平后，將三維正交機(jī)織物放置在8(TC烘箱內(nèi)，以60°C /h的升溫速度達(dá)到200°C ，并保持1小 時，以去除水分和樹脂中的低分子，避免表面黑斑的產(chǎn)生； 燒結(jié)繼續(xù)以60°C /h的升溫速度達(dá)到327°C ，并保持0. 5小時，使三維正交機(jī)織物 內(nèi)樹脂充分熔融，減少內(nèi)部溫度梯度差；再繼續(xù)以60°C /h的升溫速度達(dá)到38(TC，保持1小 時，進(jìn)行燒結(jié)； 冷卻隨爐冷卻到327t:，保持0. 5小時，再繼續(xù)冷卻達(dá)到200°C，以減少內(nèi)部熱應(yīng)
變的產(chǎn)生，取出，切除毛邊，即可制成聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料。
實施例2 選擇玄武巖纖維作為三維復(fù)合材料增強體的纖維，在三維正交織機(jī)上織成三維正 交織物。將聚四氟乙烯這種熱塑性聚合物作為固化三維正交織物的基質(zhì)，所用聚四氟乙烯 分散液的固含量(％ wt)為70%。 前處理將三維正交玄武巖纖維機(jī)織物放置在烘箱內(nèi)，在8(TC條件下烘干1小時， 去除三維正交機(jī)織物內(nèi)部的水分，并稱重；將烘干后的三維正交機(jī)織物浸潤在聚四氟乙烯 分散液中，并用滾筒軋平，保持1小時，之后將三維正交機(jī)織物正反面翻轉(zhuǎn)，用滾筒軋平，保 持1小時，之后放置在烘箱內(nèi)8(TC條件下烘干2小時，稱重；重復(fù)此工藝，直至三維正交機(jī) 織物的重量不再增加，確定樹脂含量達(dá)到最高。稱重后，在20(TC條件下，給三維正交機(jī)織物 施加30MPa的壓強，保持0. 5小時，保證織物平整，但又不影響三維正交機(jī)織物中Z紗的排 列；軋平后，將三維正交機(jī)織物放置在8(TC烘箱內(nèi)，以60°C /h的升溫速度達(dá)到200°C，并保 持1小時，以去除水分和樹脂中的低分子，避免表面黑斑的產(chǎn)生； 燒結(jié)繼續(xù)以60°C /h的升溫速度達(dá)到327°C ，并保持0. 5小時，使三維正交機(jī)織物 內(nèi)樹脂充分熔融，減少內(nèi)部溫度梯度差；再繼續(xù)以60°C /h的升溫速度達(dá)到38(TC，保持1小 時，進(jìn)行燒結(jié)； 冷卻隨爐冷卻到327t:，保持0. 5小時，再繼續(xù)冷卻達(dá)到200°C，以減少內(nèi)部熱應(yīng)
變的產(chǎn)生，取出，切除毛邊，即可制成聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料。
實施例3 選擇芳綸纖維作為三維復(fù)合材料增強體的纖維，在三維正交織機(jī)上織成三維正交 織物。將聚四氟乙烯這種熱塑性聚合物作為固化三維正交織物的基質(zhì)，所用聚四氟乙烯分 散液的固含量(％ wt)為50%。 前處理將三維正交芳綸機(jī)織物放置在烘箱內(nèi)，在8(TC條件下烘干1小時，去除三維正交機(jī)織物內(nèi)部的水分，并稱重；將烘干后的三維正交機(jī)織物浸潤在聚四氟乙烯分散液 中，并用滾筒軋平，保持1小時，之后將三維正交機(jī)織物正反面翻轉(zhuǎn)，用滾筒軋平，保持1小 時，之后放置在烘箱內(nèi)8(TC條件下烘干2小時，稱重；重復(fù)此工藝，直至三維正交機(jī)織物的 重量不再增加，確定樹脂含量達(dá)到最高。稱重后，在20(TC條件下，給三維正交機(jī)織物施加 30MPa的壓強，保持0. 5小時，保證織物平整，但又不影響三維正交機(jī)織物中Z紗的排列；軋 平后，將三維正交機(jī)織物放置在8(TC烘箱內(nèi)，以60°C /h的升溫速度達(dá)到200°C ，并保持1小 時，以去除水分和樹脂中的低分子，避免表面黑斑的產(chǎn)生； 燒結(jié)繼續(xù)以60°C /h的升溫速度達(dá)到327°C ，并保持0. 5小時，使三維正交機(jī)織物 內(nèi)樹脂充分熔融，減少內(nèi)部溫度梯度差；再繼續(xù)以60°C /h的升溫速度達(dá)到38(TC，保持1小 時，進(jìn)行燒結(jié)； 冷卻隨爐冷卻到327t:，保持0. 5小時，再繼續(xù)冷卻達(dá)到200°C，以減少內(nèi)部熱應(yīng) 變的產(chǎn)生，取出，切除毛邊，即可制成聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料。
權(quán)利要求
一種聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料的制備方法，包括(1)前處理將三維正交機(jī)織物在80℃條件下烘干1小時，去除三維正交機(jī)織物內(nèi)部的水分，并稱重；將烘干后的三維正交機(jī)織物浸潤在聚四氟乙烯分散液中，用滾筒軋平，保持1小時，之后將三維正交機(jī)織物正反面翻轉(zhuǎn)，用滾筒軋平，保持1小時，之后在80℃條件下烘干2小時，稱重；重復(fù)上述過程，直至三維正交機(jī)織物的重量不再增加；稱重后，將三維正交機(jī)織物放置在模具內(nèi)，在200℃條件下，給三維正交機(jī)織物表面施加30-40MPa的壓強，保持0.5小時，保證織物平整，去除氣泡，但又不影響三維正交機(jī)織物中Z紗的排列；軋平后，將三維正交機(jī)織物放置在80℃烘箱內(nèi)，以60℃/h的升溫速度達(dá)到200℃，并保持1小時；(2)上述繼續(xù)以60℃/h的升溫速度達(dá)到327℃，并保持0.5小時，使三維正交機(jī)織物內(nèi)樹脂充分熔融，減少內(nèi)部溫度梯度差；再繼續(xù)以60℃/h的升溫速度達(dá)到380℃，保持1小時，進(jìn)行燒結(jié)；(3)上述隨爐冷卻到327℃，保持0.5小時，再繼續(xù)冷卻達(dá)到200℃，取出，切除毛邊，即得聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于所述步驟(1)中的三維正交機(jī)織物為玻璃纖維三維正交織物、玄武巖纖維三維正交織 物或芳綸纖維三維正交織物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于所述步驟(1)中的聚四氟乙烯分散液的固含量為50wt% -70%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聚四氟乙烯基三維正交復(fù)合材料的制備方法，包括(1)將三維正交機(jī)織物烘干，稱重；之后將三維機(jī)織物浸潤在聚四氟乙烯分散液中，用滾筒軋平，正反面翻轉(zhuǎn)，軋平烘干，稱重；重復(fù)上述過程；稱重后，將預(yù)浸過的三維機(jī)織物放置在模具內(nèi)，施加30-40MPa的壓強；軋平后，將平整的預(yù)浸三維正交機(jī)織物放置在80℃烘箱內(nèi)，升溫到200℃；(2)繼續(xù)升溫，燒結(jié)；(3)上述隨爐冷卻，取出，切除毛邊，即得。本發(fā)明簡單，成本低，性能穩(wěn)定，適合于工業(yè)化生產(chǎn)；能夠應(yīng)用于智能復(fù)合材料相關(guān)結(jié)構(gòu)件的成型；所得復(fù)合材料中樹脂含量高且穩(wěn)定，纖維與聚四氟乙烯樹脂的結(jié)合性能較好。
文檔編號D02G3/04GK101768811SQ20101906300
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者吳昊, 周冬春, 周楠婷, 姚瀾, 姜茜, 張博文, 張坤, 張文文, 羅瑞, 蔣牧文, 趙達(dá), 邱夷平 申請人:東華大學(xué)