專利名稱：高耐磨性聚四氟乙烯改性材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高分子材料改性技術(shù)，具體涉及聚四氟乙烯改性材料及制備方法。
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(guó)《高分子材料科學(xué)與工程》(1999年第15卷第1期，第68頁(yè)到72頁(yè))曾介紹過(guò)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(guó)《材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)》(2003年第21卷第6期，第851頁(yè)到854頁(yè))也曾介紹過(guò)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。
在高分子領(lǐng)域中，利用電離輻照技術(shù)來(lái)激發(fā)、誘導(dǎo)其分子結(jié)構(gòu)的變化、從而改變其物理化學(xué)性能已是較為成熟的技術(shù)。在通常情形下，聚合物經(jīng)高能輻射誘導(dǎo)，從結(jié)構(gòu)上會(huì)有兩種結(jié)果一是交聯(lián)，這種情況將有利于改進(jìn)其物理化學(xué)性能；二是裂解，這種情況會(huì)使其原有的物理化學(xué)性能變得更差。聚四氟乙烯一直被認(rèn)為是典型的輻射降解型高聚物，例如，2003年，科學(xué)出版社出版的《聚合物輻射加工》(日，幕內(nèi)惠三著，徐俊等譯，P158-160))書中清楚地說(shuō)明聚四氟乙烯是對(duì)輻射極為敏感的聚合物，極低的劑量就會(huì)引起致命的損傷。持相同觀點(diǎn)的還有中國(guó)工業(yè)出版社的《電離輻射慘高聚物的作用》(楊昌正等譯，P71-73)。
1980年，《聚四氟乙烯的輻射效應(yīng)，輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào)》(1999，1)報(bào)道了孫家珍等人的研究成果，他們?cè)跓o(wú)氧及很窄的溫度區(qū)間(335±5℃))的特定條件下實(shí)現(xiàn)了經(jīng)γ射線輻照實(shí)現(xiàn)輻射交聯(lián)，即在上述特定條件下成功輻射交聯(lián)聚四氟乙烯，并獲國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)；2002年日本Akira等人也在上述特定條件下，研究輻射交聯(lián)聚四氟乙烯，并對(duì)交聯(lián)聚四氟乙烯的機(jī)械性能進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)與不銹鋼對(duì)磨時(shí)，交聯(lián)聚四氟乙烯的耐磨性比純聚四氟乙稀提高近10000倍(Akira Setogawa.et.al，Development of crossed-linked PTFE and applied products，HITACHI CABLE REVIEW No.21，200283-84)。至今未發(fā)現(xiàn)在常溫常態(tài)下應(yīng)用電子束等高能粒子對(duì)聚四氟乙烯進(jìn)行輻射，使其耐摩磨損性能改善的報(bào)道。

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，提供一種在常溫常態(tài)下對(duì)聚四氟乙烯材料進(jìn)行電離輻射，從而得到高耐磨性的聚四氟乙烯改性材料。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的高耐磨性聚四氟乙烯改性材料，其特征在于，它是由聚四氟乙烯粉末壓制成型、高溫?zé)Y(jié)并冷卻后，經(jīng)電子束或γ射線電離輻射而成，其中，聚四氟乙烯粉末的粒度為30μm-200μm；進(jìn)行電離輻射時(shí)的輻射劑量為50-400KGy。在其組分中也可以增加金屬或金屬氧化物粉末，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，其粒度為10μm-50μm，含量為0％-5％(重量百分含量)，例如SiO2、石墨、SiC粉末等；還可以增加其他纖維類的填充物，其直徑為8μm-15μm，含量為0％-15％(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)將聚四氟乙烯粉末及各組份按計(jì)算量混合，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無(wú)氧高溫?zé)Y(jié)爐中，以30℃-120°C/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫1-3小時(shí)；或者在加熱過(guò)程中，當(dāng)加熱到250℃-320℃范圍內(nèi)時(shí)，保溫1-3次，每次保溫20-30分鐘；(4)自然冷卻到室溫；或者自然冷卻至315±5℃時(shí)，保溫20-30分鐘，然后再自然冷卻到室溫；(5)將燒結(jié)好的聚四氟乙烯置于電子束輻射場(chǎng)或γ射線輻照?qǐng)鲋校M(jìn)行電離輻射，輻射劑量50-400KGy。
本發(fā)明的高耐磨性聚四氟乙烯改性材料的制備方法，其特征在于，其制備過(guò)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)， 85％-100％，非金屬氧化物、碳化物(粒度10μm-50μm)，0％-5％，金屬或金屬氧化物粉末(粒度10μm-50μm)，0％-5％，其他纖維類的填充物(直徑8μm-15μm) 0％-15％
(2)將上述混合料在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℃-120℃/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫1-3小時(shí)；或者在其加熱過(guò)程中，當(dāng)加熱到250℃-320℃范圍內(nèi)時(shí)，保溫1-3次，每次保溫20-30分鐘；(4)自然冷卻到室溫，或者自然冷卻至315±5℃時(shí)，保溫20-30分鐘，然后再自然冷卻到室溫，得半成品；(5)將燒結(jié)好的半成品置于電子束輻射場(chǎng)或γ射線輻照?qǐng)鲋?，進(jìn)行電離輻射，輻射劑量50-400KGy，得成品。
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、石墨、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改性材料，在輻照過(guò)程中，提高了結(jié)晶度，細(xì)化了晶粒，增強(qiáng)了材料的彈性模量，增加了摩擦轉(zhuǎn)移膜在對(duì)磨面表面的附著力，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(cè)表明，本發(fā)明的改性材料相比未輻照改性的，其耐磨性提高超過(guò)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)明的改性材料制成的產(chǎn)品可以在比原聚四氟乙烯更高的溫度下使用。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。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1(1)將10％(重量百分含量)碳纖維(直徑10μm)與90％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。(2)將所得混合物在40MPa壓強(qiáng)、室溫下壓制成型，(3)將該壓制成型件放入燒結(jié)爐中，在隔氧環(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°C/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)。(4)降溫過(guò)程中先自然冷卻降溫至315℃，保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫。(5)將上述產(chǎn)物置于電子束輻射場(chǎng)中，以1.185KGy/秒的劑量率，輻射總劑量200KGy，得成品。本實(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將3％(重量百分含量)銅粉(粒度約60μm)、5％石墨(200目)與92％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，在隔氧環(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。再將樣品置于電子束輻射場(chǎng)中，以1.05KGy/秒的劑量率，輻射總劑量100KGy，得成品。本實(shí)例適用于各種尺寸產(chǎn)品的表面改性。
實(shí)施例3將純聚四氟乙烯粉末(粒度120μm)在40MPa壓強(qiáng)、120℃下壓制成型，然后將壓制成型件放入燒結(jié)爐中，隔絕空氣環(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(guò)程中先自然冷卻降溫至315℃，保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫。最后將樣品置于電子束輻射場(chǎng)中，以0.95KGy/秒的劑量率，輻射總劑量300KGy，得成品。本實(shí)例適用于各種尺寸產(chǎn)品的表面改性。
經(jīng)檢測(cè)，以上3例實(shí)例所得材料與未經(jīng)輻射場(chǎng)中進(jìn)行電離輻射過(guò)的聚四氟乙烯相比，其耐磨性能均提高超過(guò)100倍，耐溫可高達(dá)300℃以上。
下表給出了實(shí)施例3中的半成品使用不同劑量的輻射后的性能變化情況。從表中可看出，隨著輻照劑量的加大，其耐磨性能也隨之提高。

權(quán)利要求
1.一種高耐磨性聚四氟乙烯改性材料，其特征在于，它是由聚四氟乙烯粉末壓制成型、高溫?zé)Y(jié)并冷卻后，經(jīng)電子束或γ射線電離輻射而成，其中，聚四氟乙烯粉末的粒度為30μm-200μm；進(jìn)行電離輻射時(shí)的輻射劑量為50-400KGy。
2.如權(quán)利要求1所述的高耐磨性聚四氟乙烯改性材料，其特征在于，在其組分中有金屬或金屬氧化物粉末，其粒度為10μm-50μm，重量百分含量為0％-5％。
3.如權(quán)利要求1所述的高耐磨性聚四氟乙烯改性材料，其特征在于，在其組分中有非金屬氧化物、碳化物，其粒度為10μm-50μm，重量百分含量為0％-5％。
4.如權(quán)利要求1所述的高耐磨性聚四氟乙烯改性材料，其特征在于，在其組分中有其他纖維類的填充物，其直徑為8μm-15μm，重量百分含量為0％-15％。
5.權(quán)利要求1所述的高耐磨性聚四氟乙烯改性材料的制備方法，其特征在于，其制備過(guò)程為(1)首先，根據(jù)需要按以下計(jì)算量的各組份混合，并攪拌均勻粒度為30μm-200μm的聚四氟乙烯粉末， 重量百分含量為85％-100％，粒度為10μm-50μm非金屬氧化物、碳化物，重量百分含量為0％-5％，粒度為10μm-50μm金屬或金屬氧化物粉末，重量百分含量為0％-5％，直徑為8μm-15μm其他纖維類的填充物， 重量百分含量為0％-15％；(2)將上述混合料在40MPa壓強(qiáng)下冷壓成型并在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℃-120℃/小時(shí)的升溫速率加熱至375℃±5℃，保溫1-3小時(shí)；(4)自然冷卻到室溫，得半成品；(5)將燒結(jié)好的半成品置于電子束輻射場(chǎng)，進(jìn)行電離輻射，輻射劑量50-400KGy，得成品。
6.如權(quán)利要求5所述的高耐磨性聚四氟乙烯改性材料的制備方法，其特征在于，所述混合料在低于250℃條件下熱壓成型并在40MPa壓強(qiáng)下保持5-10分鐘。
7.如權(quán)利要求5所述的高耐磨性聚四氟乙烯改性材料的制備方法，其特征在于，所述將壓制成型的樣品置入高溫?zé)Y(jié)爐加熱過(guò)程中，當(dāng)加熱到250℃-320℃范圍內(nèi)時(shí)，保溫1-3次，每次保溫20-30分鐘。
8.如權(quán)利要求5所述的高耐磨性聚四氟乙烯改性材料的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)物在冷卻過(guò)程中，自然冷卻至315±5℃時(shí)，保溫20-30分鐘，然后再自然冷卻到室溫，得半成品。
9.如權(quán)利要求5所述的高耐磨性聚四氟乙烯改性材料的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)好的半成品置于γ射線輻照?qǐng)鲋?，進(jìn)行電離輻射，輻射劑量50-400KGy，得成品。
全文摘要
本發(fā)明屬于高分子材料改性技術(shù)，具體涉及聚四氟乙烯改性材料及制備方法。該材料是由聚四氟乙烯粉末壓制成型、高溫?zé)Y(jié)并冷卻后，經(jīng)電子束或γ射線電離輻射而成，其中，聚四氟乙烯粉末的粒度為30μm－200μm；進(jìn)行電離輻射時(shí)的輻射劑量為50－400KGy。在其組分中可增加金屬或金屬氧化物粉末，或者非金屬氧化物、碳化物，或者其他纖維類的填充物。所述材料在輻照過(guò)程中，提高了結(jié)晶度，細(xì)化了晶粒，從而大大提高其耐磨性。而且還提高了耐熱性和高溫力學(xué)性能。因此它能在比原聚四氟乙烯更高的溫度下使用?？勺鳛榉栏牧?、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。
文檔編號(hào)B29C71/04GK1817960SQ200610038328
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2006年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月14日
發(fā)明者黃文浩, 張立祥 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)