專利名稱：一種由液晶類聚合物增強(qiáng)的聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由液晶類聚合物增強(qiáng)的聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備方法，屬高分子材料技術(shù)領(lǐng)域。
聚四氟乙烯(以下簡稱PTFE)是優(yōu)良的固體自潤滑材料，但其突出的缺點(diǎn)是磨損率大，一般需進(jìn)行填充改性才可用作密封材料。普遍的作法是在其中填加玻璃纖維、碳纖維、錫青銅粉、二硫化鉬等無機(jī)填料。但這些填充改性制品仍存在無機(jī)填料與聚四氟乙烯相容性差，親和力較小，在基體中出現(xiàn)明顯界面，且不易分散均勻，對(duì)被磨件損傷大等不足之處。
相對(duì)于純PTFE而言，發(fā)明人在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)現(xiàn)，普通填料改性的方法對(duì)耐磨性提高效果為填加15％的玻璃纖維和5％的石墨的PTFE，其耐磨性提高23倍，填加60％青銅粉的PTFE，其耐磨性提高8倍多，而改性效果最好的含玻纖、青銅粉和石墨混合物的PTFE復(fù)合材料其耐磨性也才提高了36倍。
液晶聚合物(LCP)是聚合物家庭中的獨(dú)特成員，具有卓著的綜合性能。從應(yīng)用角度來看，不要分為兩大類，即溶化狀態(tài)下成液晶相的溶致液晶和在熔融狀態(tài)下成液晶相的熱致液晶(TLCP)。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們?cè)诩庸み^程中由于受到擠出、注塑、拉伸等力的作用，其分子鏈中剛性棒狀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生高度取向從而極大地起到原位復(fù)合增強(qiáng)作用。然而很少有研究者嘗試用液晶增強(qiáng)模壓工藝成型的樹脂，考察在沒有受拉伸、擠出等力的作用下液晶聚合物的原位增強(qiáng)效果。
本發(fā)明的目的是研究一種由液晶類聚合物增強(qiáng)的聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備方法，在保持聚四氟乙烯的自潤滑特征基礎(chǔ)上，極大地改善其耐磨性，使其有可能成為高強(qiáng)耐磨密封件的選用材料。本發(fā)明所采用的熔致型液晶(TLCP)在受熱的情況下能發(fā)生流動(dòng)取向排列，在基體內(nèi)部部分原位形成微纖結(jié)構(gòu)增強(qiáng)相，從而達(dá)到改善耐磨性的目的。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的由液晶類聚合物增強(qiáng)的聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備方法，包括以下各步驟1、本發(fā)明為一種填充型氟聚合物基復(fù)合材料，配方是以重量占60％～90％的氟聚合物為主要成份，加入重量占10％～30％液晶類聚合物(LCP)和重量占0～10％的玻璃纖維或碳酸鈣顆粒；需要說明的是，此處所加的玻纖或碳酸鈣顆粒的重量百分比在10％以內(nèi)，即對(duì)被磨件的不良影響在很小的范圍內(nèi)，卻不影響耐磨性改善的效果，又能降低成本。
上述的液晶類聚合物為芳香族聚酯類高分子化合物，其物征是分子鏈中含的以下結(jié)構(gòu)單元中的一種。這些液晶屬高熱型LCP，熔點(diǎn)較高，能滿足與PTFE共混并高溫?zé)Y(jié)的要求，且具有一定的相容性。
并將上述的液晶類聚合物，應(yīng)用低溫研磨粉碎至小于500μm的粒度使用。使用前為不規(guī)則粒狀粉末。低溫研磨粉碎用液氮冷卻獲得，目的是防止液晶的物性發(fā)生變化，損害其高強(qiáng)度、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)。
2、將上述機(jī)械混合均勻的物料放置于干燥箱內(nèi)，在135～150℃下干燥2～10小時(shí)，取出后進(jìn)行壓制。緩慢加壓至50～70MPa，視樣品大小保壓一段時(shí)間預(yù)制成型，一般為3-5分鐘；3、再以每分鐘約2℃的速度升溫?zé)Y(jié)，在310℃～320℃間恒溫0.5～1小時(shí)；再以每分鐘1℃左右的速度升溫到365～380℃恒溫50～100分鐘，然后冷卻至310℃～320℃恒溫20～30分鐘，隨爐冷卻至室溫，即得本發(fā)明的復(fù)合材料制品。
下面介紹
具體實(shí)施例方式為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別從Amoco公司購得Xydar系列液晶聚合物產(chǎn)品，從Tinoca公司購得Vectra系列液晶聚合物產(chǎn)品和從Dupont公司購得Zenite系列液晶聚合物產(chǎn)品。氟聚合物采用了濟(jì)南化工廠生產(chǎn)的PTFE懸浮樹脂。
實(shí)施例1將20％Vectra C550(50％A+50％礦物顆粒)粉碎到100～300μm的粉料與80％PTFE的物料，在150℃下干燥4個(gè)小時(shí)；壓制壓力為70MPa，保壓3分鐘，燒結(jié)時(shí)在310℃～320℃間恒溫30分鐘，再升至365℃恒溫70分鐘；冷卻階段在310℃～320℃恒溫25分鐘，再隨爐冷卻即得試樣，進(jìn)行GB3160-83摩擦磨損試驗(yàn)，載荷為10Kg，速度為200轉(zhuǎn)/分，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2小時(shí)。取3至4次實(shí)驗(yàn)的平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為摩擦系數(shù)0.192，磨損率為1.92×10-6mm3/Kg/m；而同樣摩擦磨損實(shí)驗(yàn)條件下的純PTFE的磨損率為497×10-6mm3/Kg/m。即本實(shí)例的耐磨性提高了259倍之多。
實(shí)施例2
將20％Vectra C550(50％A+50％礦物顆粒)粉碎到100μm的粉料與80％PTFE的物料，在150℃下干燥5個(gè)小時(shí)；壓制壓力為65MPa，保壓5分鐘，燒結(jié)時(shí)在310℃～320℃間恒溫30分鐘，再升至365℃恒溫60分鐘；冷卻階段在310℃～320℃恒溫20分鐘，再隨爐冷卻即得試樣，進(jìn)行GB3160-83摩擦磨損試驗(yàn)，條件同1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為摩擦系數(shù)0.204，磨損率為1.01×10-6mm3/Kg/m；比之純PTFE的耐磨性提高490倍左右。
實(shí)施例3將A粉碎到200μm以下直徑的粉料與PTFE混合成含A30％的物料，在150℃下干燥6個(gè)小時(shí)；壓制壓力為65MPa，保壓5分鐘，燒結(jié)時(shí)在310℃～320℃間恒溫30分鐘，再升至365℃恒溫50分鐘；冷卻階段在310℃～320℃恒溫20分鐘，再隨爐冷卻即得試樣，進(jìn)行GB3160-83摩擦磨損試驗(yàn)，條件同1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為摩擦系數(shù)0.196，磨損率為1.38×10-6mm3/Kg/m；比之純PTFE的耐磨性提高360倍左右。
實(shí)施例4將30％的Xydar G930(含70％B和30％玻璃纖維)粉碎到100～300μm的粉料與70％的PTFE混合的物料，在150℃下干燥10個(gè)小時(shí)；壓制壓力為60MPa，保壓5分鐘，燒結(jié)時(shí)在310℃～320℃間恒溫45分鐘，再升至370℃恒溫80分鐘；冷卻階段在310℃～320℃恒溫25分鐘，再隨爐冷卻即得試樣，進(jìn)行GB3160-83摩擦磨損試驗(yàn)，條件同1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為摩擦系數(shù)0.224，磨損率為2.92×10-6mm3/Kg/m；比之純PTFE的耐磨性提高約170倍。
實(shí)施例5將20％Xydar G930(含70％B和30％玻璃纖維)粉碎到100μm以下的粉料與80％PTFE混合的物料，在150℃下干燥8個(gè)小時(shí)；壓制壓力為60MPa，保壓4分鐘，燒結(jié)時(shí)在310℃～320℃間恒溫50分鐘，再升至375℃恒溫80分鐘；冷卻階段在310℃～320℃恒溫30分鐘，再隨爐冷卻即得試樣，進(jìn)行GB3160-83摩擦磨損試驗(yàn)，條件同1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為摩擦系數(shù)0.219，磨損率為2.30×10-6mm3/Kg/m；比之純PTFE耐磨性提高約216倍。
實(shí)施例6；將30％Xydar G900(即100％B)粉碎到150μm以下的粉料與70％PTFE混合的物料，在150℃下干燥9個(gè)小時(shí)；壓制壓力為60MPa，保壓3分鐘，燒結(jié)時(shí)在310℃～320℃間恒溫40分鐘，再升至365℃恒溫60分鐘；冷卻階段在310℃～320℃恒溫25分鐘，再隨爐冷卻即得試樣，進(jìn)行GB3160-83摩擦磨損試驗(yàn)，條件同1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為摩擦系數(shù)0.207，磨損率為1.73×10-6mm3/Kg/m；比之純PTFE耐磨性提高約287倍。
實(shí)施例7將30％Zenite6130(含70％C和30％玻璃纖維)粉碎到100～300μm的粉料與70％PTFE混合成的物料，在135℃下干燥3個(gè)小時(shí)；壓制壓力為55MPa，保壓3分鐘，燒結(jié)時(shí)在310℃～320℃間恒溫60分鐘，再升至380℃恒溫100分鐘；冷卻階段在310℃～320℃恒溫30分鐘，再隨爐冷卻即得試樣，進(jìn)行GB3160-83摩擦磨損試驗(yàn)，條件同1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為摩擦系數(shù)0.222，磨損率為1.85×10-6mm3/Kg/m；其耐磨性比純PTFE提高了268倍。
實(shí)施例8將20％Zenite6130(含70％C和30％玻璃纖維)粉碎到300～500μm的粉料與PTFE混合成的物料，在135℃下干燥2個(gè)小時(shí)；壓制壓力為50MPa，保壓4分鐘，燒結(jié)時(shí)在310℃～320℃間恒溫60分鐘，再升至380℃恒溫90分鐘；冷卻階段在310℃～320℃恒溫30分鐘，再隨爐冷卻即得試樣，進(jìn)行GB3160-83摩擦磨損試驗(yàn)，條件同1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為摩擦系數(shù)0.228，磨損率為1.52×10-6mm3/Kg/m；其耐磨性比純PTFE提高了327倍。
為便于對(duì)比，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行了純PTFE及填加一般無機(jī)填料的GB3160-83實(shí)驗(yàn)，載荷為5公斤，速度為200轉(zhuǎn)/分。所得結(jié)果如下表所示表1 普通填料改性PTFE復(fù)合材料摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果
說明上表中SGF代表短玻璃纖維；LGF代表長玻璃纖維表2是將各種實(shí)驗(yàn)材料的的磨損率與純PTFE在同樣實(shí)驗(yàn)條件下的磨損率的比值的倒數(shù)做為耐磨性提高倍數(shù)來進(jìn)行比較，以便有一目了然的認(rèn)識(shí)。
表2普通填料改性PTFE與液晶填充PTFE的耐磨性提高倍數(shù)對(duì)比
可見，液晶聚合物與PTFE的復(fù)合材料在保持了低摩擦系數(shù)的同時(shí)，磨損率比其它填充型復(fù)合材料又有了明顯下降。效果最好的實(shí)例2與同樣實(shí)驗(yàn)條件的純PTFE相比，耐磨性提高了490多倍；而實(shí)例中最差的實(shí)例4也提高了170倍左右。而普通填料效果最好的也才提高耐磨性32倍之多。
權(quán)利要求
1.一種由液晶類聚合物增強(qiáng)的聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下各步驟(1)以重量占60％～90％的氟聚合物為原料，加入重量占10％～30％液晶類聚合物和重量占0～10％的玻璃纖維或碳酸鈣顆粒，其中的液晶類聚合物為芳香族聚酯類高分子化合物，其物征是分子鏈中含有以下結(jié)構(gòu)單元中的任何一種，
并將該液晶類聚合物用低溫研磨粉碎至小于500μm的粒度使用；(2)將上述機(jī)械混合均勻的物料放置于干燥箱內(nèi)，在135～150℃下干燥2～10小時(shí)，取出后緩慢加壓至50～70MPa，保持3-5分鐘，使其預(yù)制成型；(3)再以每分鐘約2℃的速度升溫?zé)Y(jié)，在310℃～320℃間恒溫0.5～1小時(shí)；再以每分鐘1℃左右的速度升溫到365～380℃恒溫50～100分鐘，然后冷卻至310℃～320℃恒溫20～30分鐘，隨爐冷卻至室溫，即得本發(fā)明的復(fù)合材料制品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由液晶類聚合物增強(qiáng)的聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備方法，首先以氟聚合物為原料，加入液晶類聚合物和玻璃纖維或碳酸鈣顆粒，其中的液晶類聚合物為芳香族聚酯類高分子化合物，將機(jī)械混合均勻的物料放置于干燥箱內(nèi)，干燥后加壓，使其預(yù)制成型，再進(jìn)行燒結(jié)，即得本發(fā)明的復(fù)合材料制品。本發(fā)明的復(fù)合材料在保持聚四氟乙烯的自潤滑特征基礎(chǔ)上，極大地改善其耐磨性，成為高強(qiáng)耐磨密封件的選用材料。
文檔編號(hào)C08L67/03GK1238355SQ9910935
公開日1999年12月15日 申請(qǐng)日期1999年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月25日
發(fā)明者唐煒, 朱寶亮, 劉家浚 申請(qǐng)人:清華大學(xué)