一種含Ti₃SiC₂和Ti₃AlC₂聚四氟乙烯復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含Ti3SiC2和Ti3 AlC2聚四氟乙烯復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于，不僅使用鋼纖維、碳纖維來提高聚四氟乙烯的抗拉伸強(qiáng)度、摩擦性能，同時(shí)利用改進(jìn)過的熔融法將細(xì)的填料如SiO2、Al粉等在高溫下燒結(jié)到聚四氟乙烯表面，改善了聚四氟乙烯的表面燒結(jié)狀態(tài)，使膠接強(qiáng)度得到明顯提高。此外，還配合添加了Ti3SiC2和Ti3AlC2，增強(qiáng)了聚四氟乙烯復(fù)合材料的耐磨性能，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】
一種含T i 3S i C2和T i sA IC2聚四氟乙烯復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及碳纖維、鋼纖維表面改性和聚四氟乙烯改性材料領(lǐng)域，尤其涉及一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復(fù)合材料，及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]聚四氟乙烯(PTFE)耐高溫和低溫、耐化學(xué)腐蝕、不吸水、摩擦系數(shù)低、介電性能優(yōu)異，有“塑料王“之稱.但是因?yàn)楸砻婺艿?表面張力為(31?34) X 10 -3 N/m)、結(jié)晶度高和分子鏈結(jié)構(gòu)對(duì)稱呈現(xiàn)非極性，致使其難于被粘結(jié)，制約其在閥門密封材料領(lǐng)域的應(yīng)用。為此，科學(xué)工作者采取多種手段嘗試解決PTFE的表面粘結(jié)問題，其中關(guān)于改變PTFE的表面結(jié)構(gòu)或性質(zhì)的研究較多.主要有:1)化學(xué)處理法，如用鈉-萘絡(luò)合物或硅酸處理，使PTFE表面潤(rùn)濕角減小，表面張力提高，使其由難粘轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧?2)低溫等離子體技術(shù)處理，將空氣、惰性氣體及可反應(yīng)氣體離解，與PTFE表面發(fā)生作用，形成極性基團(tuán)。3)輻射接枝法，采用Co 60的能源將苯乙烯、甲基丙烯酸酯等可反應(yīng)單體與PTFE表面發(fā)生化學(xué)接枝聚合，在PTFE表面形成一層易于粘合的接枝聚合物。4)高溫熔融法，在高溫下使PTFE中嵌入表面能高、易粘合物質(zhì)。這種方法由于易粘物質(zhì)介入PTFE分子中，可以達(dá)到比其他幾種方法更高的粘結(jié)強(qiáng)度。
[0003]但PTFE還存在抗蠕變性差、易冷流、回彈性差、承載能力低、線膨脹系數(shù)大、在高溫(260 °C)下易軟化等明顯缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究者一般采用碳纖維、玻璃纖維、錫青銅粉、石墨、二氧化硫等作為密封材料來填充聚四氟乙烯，其中碳纖維是應(yīng)用比較廣泛且效果良好的填充材料，可以改善PTFE復(fù)合材料的物理系能、力學(xué)性能、耐磨性能等，可廣泛應(yīng)用于液壓油缸、氣缸密封元件、閥門密封元件、流體傳動(dòng)機(jī)械等行業(yè)。同樣的，鋼纖維由于其密度大，力學(xué)性能優(yōu)異而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
[0004]但是鋼纖維和碳纖維表面惰性大，直接影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能，限制了鋼纖維和碳纖維高性能的發(fā)揮。因此需要對(duì)碳纖維和鋼纖維表面進(jìn)行改性處理，以提高其對(duì)基體的粘結(jié)性，改善界面性能。
[0005]Ti3SiC2和Ti3AlC2為兼具陶瓷和金屬優(yōu)良性能的層狀三元化合物，具有良好的力學(xué)性能和類似石墨的自潤(rùn)滑性能，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，采用Ti3SiC2和Ti3AlC2作為填充材料制備的聚四氟乙烯復(fù)合材料具有較好的耐磨性和較低的摩擦系數(shù)，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種改性聚四氟乙烯材料的配方，依照該配方制作的聚四氟乙烯材料粘性、耐磨性和密封性良好，并且具有良好的耐磨性能。
[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
1.一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復(fù)合材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得:
Ti3SiC2 5-10，聚四氟乙烯80-90，碳纖維10-15，鋼纖維5-10，氟橡膠膠粉15-20，氧化石墨烯l-3，Ti3AlC2 5-10,S12 5-10，硅烷偶聯(lián)劑KH550 15-20，95%乙醇30-40，乙酸適量，聚異氰酸酯JQ-1 15-20，二甲基甲酰胺(DMF)15-20，4-二甲氨基吡啶(DMAP) 10-15，二環(huán)己基碳二亞胺(DCC) 15-20，水90-100份
所述的碳纖維中值長(zhǎng)度為75 — 150μηι，鋼纖維中值長(zhǎng)度為50-150μηι，氟橡膠膠粉粒度為80-200目。
[0009]2.所述的一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，由以下具體步驟制成:
a.將碳纖維加入20-25份95%的乙醇溶劑中，超聲分散均勻，加入乙酸調(diào)節(jié)pH為4_5，加入8-12份硅烷偶聯(lián)劑KH550，攪拌8-15h，之后用去離子水洗滌，真空干燥；
b.在剩余的95%乙醇溶劑中，通過輝光放電等離子技術(shù)，將氧化石墨烯氧化成過氧化石墨?。?br> c.將步驟b得到的過氧化石墨烯加入到二甲基甲酰胺(DMF)中，超聲2?3h，攪拌，依次加入4- 二甲氨基吡啶(DMAP)、二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)和步驟a所得的碳纖維，常溫反應(yīng)18-36h，之后用去離子水洗滌，真空干燥，得到過氧化石墨烯接枝后的碳纖維；
d.將膠粉加入到聚異氰酸酯JQ-1中，機(jī)械攪拌均勻后，加入干燥的鋼纖維、Ti3SiC2和Ti3AlC2，持續(xù)機(jī)械攪拌1-3小時(shí)，水洗，干燥；
e.將步驟c所得過氧化石墨烯接枝后的碳纖維、步驟d所得混合物與70-75份的聚四氟乙烯一起于高速混合機(jī)中混合均勻，冷壓成型后，空氣氣氛中360-390°C燒結(jié)成型；得到直徑150-250 mm、厚度3?4mm的板狀試樣；
f.將步驟e所得的板狀試樣浸入浸涂液中，4-8分鐘后取出，在80-100°C的烘箱中烘干后，放到馬弗爐中在120-200 0C的溫度下燒結(jié)10-30分鐘，取出即可；
所述浸涂液的配制方法為:S12經(jīng)研磨機(jī)研磨后，與剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶聯(lián)劑KH550—起分散在水中，超聲分散均勻即得。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:接枝氧化石墨烯后的碳纖維表面粗糙度顯著增加，進(jìn)而提高其表面浸潤(rùn)性和粘結(jié)性，改善碳纖維復(fù)合材料的界面粘接質(zhì)量。用聚異氰酸酯JQ-1處理的鋼纖維與膠粉和聚異氰酸酯JQ-1粘接在一起，增加了鋼纖維于基體的粘結(jié)性，有利于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高。進(jìn)一步地，通過高溫熔融法將Si02填充到聚四氟乙烯表面，可明顯提碳纖維聚四氟乙烯復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度，且操作步驟簡(jiǎn)單，易于施用。此外，添加的Ti 3SiC 2和Ti 3 A1C2，增強(qiáng)了聚四氟乙烯復(fù)合材料的耐磨性能，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
[0011]
【具體實(shí)施方式】
[0012]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。實(shí)施例
[0013]一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復(fù)合材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得:
Ti3SiC2 5，聚四氟乙烯80，碳纖維10，鋼纖維5，氟橡膠膠粉10，氧化石墨烯I ,Ti3AlC25，Si02 5，硅烷偶聯(lián)劑KH550 15，95%乙醇30，乙酸適量，聚異氰酸酯JQ-1 15，二甲基甲酰胺(DMF)15，4-二甲氨基吡啶(DMAP) 10，二環(huán)己基碳二亞胺(DCC) 15，水100份
所述的碳纖維中值長(zhǎng)度為75 — 150μηι，鋼纖維中值長(zhǎng)度為50-150μηι，氟橡膠膠粉粒度為80-200目。
[0014]所述的一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，由以下具體步驟制成:
a.將碳纖維加入25份95%的乙醇溶劑中，超聲分散均勻，加入乙酸調(diào)節(jié)pH為4-5，加入10份硅烷偶聯(lián)劑KH550，攪拌8-15h，之后用去離子水洗滌，真空干燥；
b.在剩余的95%乙醇溶劑中，通過輝光放電等離子技術(shù)，將氧化石墨烯氧化成過氧化石墨??；
c.將步驟b得到的過氧化石墨烯加入到二甲基甲酰胺(DMF)中，超聲2?3h，攪拌，依次加入4- 二甲氨基吡啶(DMAP)、二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)和步驟a所得的碳纖維，常溫反應(yīng)18-36h，之后用去離子水洗滌，真空干燥，得到過氧化石墨烯接枝后的碳纖維；
d.將膠粉加入到聚異氰酸酯JQ-1中，機(jī)械攪拌均勻后，加入干燥的鋼纖維、Ti3SiC2和Ti3AlC2，持續(xù)機(jī)械攪拌1-3小時(shí)，水洗，干燥；
e.將步驟c所得過氧化石墨烯接枝后的碳纖維、步驟d所得混合物與70份的聚四氟乙烯一起于高速混合機(jī)中混合均勻，冷壓成型后，空氣氣氛中360-390°C燒結(jié)成型；得到直徑150-250 mm、厚度3?4mm的板狀試樣；
f.將步驟e所得的板狀試樣浸入浸涂液中，4-8分鐘后取出，在80-100°C的烘箱中烘干后，放到馬弗爐中在120-200 0C的溫度下燒結(jié)10-30分鐘，取出即可；
所述浸涂液的配制方法為:S12經(jīng)研磨機(jī)研磨后，與剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶聯(lián)劑KH550—起分散在水中，超聲分散均勻即得。
[0015]經(jīng)測(cè)試:
拉伸強(qiáng)度22MPa ;
斷裂伸長(zhǎng)率204% ；
沖擊強(qiáng)度23KJ/m ;
彎曲強(qiáng)度25MPa ο
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復(fù)合材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得: Ti3SiC2 5-10，聚四氟乙烯80-90，碳纖維10-15，鋼纖維5-10，氟橡膠膠粉15-20，氧化石墨烯l-3，Ti3AlC2 5-10,S12 5-10，硅烷偶聯(lián)劑KH550 15-20，95%乙醇30-40，乙酸適量，聚異氰酸酯JQ-1 15-20，二甲基甲酰胺(DMF)15-20，4-二甲氨基吡啶(DMAP) 10-15，二環(huán)己基碳二亞胺(DCC) 15-20，水 90-100份 所述的碳纖維中值長(zhǎng)度為75 — 150μηι，鋼纖維中值長(zhǎng)度為50-150μηι，氟橡膠膠粉粒度為80-200目。2.所述的一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，由以下具體步驟制成: a.將碳纖維加入20-25份95%的乙醇溶劑中，超聲分散均勻，加入乙酸調(diào)節(jié)pH為4_5，加入8-12份硅烷偶聯(lián)劑KH550，攪拌8-15h，之后用去離子水洗滌，真空干燥； b.在剩余的95%乙醇溶劑中，通過輝光放電等離子技術(shù)，將氧化石墨烯氧化成過氧化石墨稀； c.將步驟b得到的過氧化石墨烯加入到二甲基甲酰胺(DMF)中，超聲2?3h，攪拌，依次加入4- 二甲氨基吡啶(DMAP)、二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)和步驟a所得的碳纖維，常溫反應(yīng)18-36h，之后用去離子水洗滌，真空干燥，得到過氧化石墨烯接枝后的碳纖維； d.將膠粉加入到聚異氰酸酯JQ-1中，機(jī)械攪拌均勻后，加入干燥的鋼纖維、Ti3SiC2和Ti3AlC2，持續(xù)機(jī)械攪拌1-3小時(shí)，水洗，干燥； e.將步驟c所得過氧化石墨烯接枝后的碳纖維、步驟d所得混合物與70-75份的聚四氟乙烯一起于高速混合機(jī)中混合均勻，冷壓成型后，空氣氣氛中360-390°C燒結(jié)成型；得到直徑150-250 mm、厚度3?4mm的板狀試樣； f.將步驟e所得的板狀試樣浸入浸涂液中，4-8分鐘后取出，在80-100°C的烘箱中烘干后，放到馬弗爐中在120-200 0C的溫度下燒結(jié)10-30分鐘，取出即可； 所述浸涂液的配制方法為:S12經(jīng)研磨機(jī)研磨后，與剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶聯(lián)劑KH550—起分散在水中，超聲分散均勻即得。
【文檔編號(hào)】C08L27/12GK106046637SQ201610473179
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月23日
【發(fā)明人】胡光榮
【申請(qǐng)人】安徽榮達(dá)閥門有限公司