專利名稱:高耐磨性聚四氟乙烯復(fù)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(fù)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(xué)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(yīng)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(xué)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(huì)使對(duì)磨面產(chǎn)生磨損，使材料的摩擦系數(shù)增加。中國《材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)》(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(cuò)的成效，但是上述填料的加入使聚四氟乙烯復(fù)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(xué)院化學(xué)研究所在CN85100880A專利中使用聚丙烯腈基碳纖維來增強(qiáng)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(duì)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(fù)雜，其編織物與聚四氟乙烯復(fù)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種高耐磨性聚四氟乙烯復(fù)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(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的高耐磨性聚四氟乙烯復(fù)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?zé)Y(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(jì)算量的各組份混合并攪拌均勻；(2)將混合料在40MPa壓強(qiáng)下冷壓成型或在低于250℃條件下熱壓成型，并在40MPa壓強(qiáng)下保持5-10分鐘；(3)將壓制成型的樣品置入高溫?zé)Y(jié)爐中，以30℃-100℃/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(shí)；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(shí)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(yù)氧化處理2小時(shí)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(fù)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(jì)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(qiáng)下冷壓成型或在低于250℃條件下熱壓成型，并在40MPa壓強(qiáng)下保持5-10分鐘；(3)將壓制成型的樣品置入高溫?zé)Y(jié)爐中，以30℃-100℃/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(shí)；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(shí)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(yù)氧化處理2小時(shí)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(xué)反應(yīng)而對(duì)材料的負(fù)面影響，在實(shí)際使用中，可根據(jù)實(shí)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(qiáng)其相應(yīng)的性能，滿足實(shí)際使用要求。
本發(fā)明的高耐磨性聚四氟乙烯復(fù)合材料，聚丙烯腈與聚四氟乙烯混合材料高溫?zé)Y(jié)成型過程中，聚丙烯腈會(huì)發(fā)生預(yù)氧化反應(yīng)，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(qiáng)了復(fù)合材料的摩擦轉(zhuǎn)移膜在對(duì)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(shí)測表明，本發(fā)明的復(fù)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(xué)性能，因此采用本發(fā)明的復(fù)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(fù)合材料在熔融狀態(tài)還保持很高的儲(chǔ)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(xué)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(fù)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(jī)械混合，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求不高，工藝簡單，生產(chǎn)成本低。
下面通過實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。
具體實(shí)施方式實(shí)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(qiáng)、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(shí)的升溫速率加熱至150℃，再以50℃/小時(shí)的升溫速率加熱至270℃，保溫30分鐘，再以40℃/小時(shí)的升溫速率加熱至315℃，保溫30分鐘，再以30℃/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(shí)。降溫過程中先以50℃/小時(shí)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(shí)施例適用于厚度小于1厘米的各種形狀的材料。
實(shí)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(shí)。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(qiáng)、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(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(shí)；然后自然冷卻至室溫，得成品。該實(shí)例適用于各種尺寸的產(chǎn)品。
實(shí)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(shí)。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(qiáng)、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(shí)的升溫速率加熱至315℃，保溫30分鐘，再以30℃/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(shí)。降溫過程中先以50℃/小時(shí)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(shí)例適用于各種尺寸的產(chǎn)品。
實(shí)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(qiáng)、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(shí)的升溫速率加熱至270℃，保溫30分鐘，再以40℃/小時(shí)的升溫速率加熱至315℃，保溫30分鐘，再以30℃/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(shí)。最后自然冷卻至室溫，得成品。該實(shí)例適用于厚度小于1厘米的產(chǎn)品。
實(shí)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(shí)。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(qiáng)、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(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(shí)。降溫過程中先以50℃/小時(shí)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(shí)例適用于各種尺寸的產(chǎn)品。
實(shí)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(qiáng)、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(shí)的升溫速率加熱至270℃，保溫20分鐘，再以40℃/小時(shí)的升溫速率加熱至315℃，保溫30分鐘，再以30℃/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(shí)。降溫過程中先以30℃/小時(shí)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(shí)例適用于厚度小于1厘米的產(chǎn)品。
實(shí)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(shí)。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(qiáng)、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(shí)的升溫速率加熱至315℃，保溫30分鐘，再以50℃/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(shí)。降溫過程中先以50℃/小時(shí)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(shí)例適用于各種尺寸的產(chǎn)品。
經(jīng)檢測，以上7例實(shí)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(dá)300℃以上，同時(shí)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(fù)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?zé)Y(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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(jì)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(qiáng)下冷壓成型或在低于250℃條件下熱壓成型，并在40MPa壓強(qiáng)下保持5-10分鐘；(3)將壓制成型的樣品置入高溫?zé)Y(jié)爐中，以30℃-100℃/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫2小時(shí)(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?zé)Y(jié)爐中升溫時(shí)，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(shí)，在冷卻到315℃時(shí)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(yù)氧化處理2小時(shí)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(fù)合材料及制備方法。所述高耐磨性聚四氟乙烯復(fù)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?zé)Y(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(qiáng)其相應(yīng)的性能。本復(fù)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(xué)性能，適合加工耐磨、摩擦系數(shù)小、耐高溫、耐化學(xué)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(jī)械混合，工藝簡單，生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)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(xué)技術(shù)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan