一種含Ti₃SiC₂和Ti₃AlC₂聚四氟乙烯復合材料及其制備方法

一種含Ti₃SiC₂和Ti₃AlC₂聚四氟乙烯復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種含Ti3SiC2和Ti3 AlC2聚四氟乙烯復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度、摩擦性能，同時利用改進過的熔融法將細的填料如SiO2、Al粉等在高溫下燒結到聚四氟乙烯表面，改善了聚四氟乙烯的表面燒結狀態，使膠接強度得到明顯提高。此外，還配合添加了Ti3SiC2和Ti3AlC2，增強了聚四氟乙烯復合材料的耐磨性能，且生產工藝簡單，成本較低，能夠實現工業化大規模生產。
【專利說明】
一種含T i 3S i C2和T i sA IC2聚四氟乙烯復合材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及碳纖維、鋼纖維表面改性和聚四氟乙烯改性材料領域，尤其涉及一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復合材料，及其制備工藝。
【背景技術】
[0002]聚四氟乙烯(PTFE)耐高溫和低溫、耐化學腐蝕、不吸水、摩擦系數低、介電性能優異，有“塑料王“之稱.但是因為表面能低(表面張力為(31?34) X 10 -3 N/m)、結晶度高和分子鏈結構對稱呈現非極性，致使其難于被粘結，制約其在閥門密封材料領域的應用。為此，科學工作者采取多種手段嘗試解決PTFE的表面粘結問題，其中關于改變PTFE的表面結構或性質的研究較多.主要有:1)化學處理法，如用鈉-萘絡合物或硅酸處理，使PTFE表面潤濕角減小，表面張力提高，使其由難粘轉變為可粘.2)低溫等離子體技術處理，將空氣、惰性氣體及可反應氣體離解，與PTFE表面發生作用，形成極性基團。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單體與PTFE表面發生化學接枝聚合，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。這種方法由于易粘物質介入PTFE分子中，可以達到比其他幾種方法更高的粘結強度。
[0003]但PTFE還存在抗蠕變性差、易冷流、回彈性差、承載能力低、線膨脹系數大、在高溫(260 °C)下易軟化等明顯缺點。為了克服這些缺點，國內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，其中碳纖維是應用比較廣泛且效果良好的填充材料，可以改善PTFE復合材料的物理系能、力學性能、耐磨性能等，可廣泛應用于液壓油缸、氣缸密封元件、閥門密封元件、流體傳動機械等行業。同樣的，鋼纖維由于其密度大，力學性能優異而被廣泛應用于各個領域。
[0004]但是鋼纖維和碳纖維表面惰性大，直接影響了復合材料的力學性能，限制了鋼纖維和碳纖維高性能的發揮。因此需要對碳纖維和鋼纖維表面進行改性處理，以提高其對基體的粘結性，改善界面性能。
[0005]Ti3SiC2和Ti3AlC2為兼具陶瓷和金屬優良性能的層狀三元化合物，具有良好的力學性能和類似石墨的自潤滑性能，經實驗證明，采用Ti3SiC2和Ti3AlC2作為填充材料制備的聚四氟乙烯復合材料具有較好的耐磨性和較低的摩擦系數，且生產工藝簡單，成本較低，能夠實現工業化大規模生產。
[0006]

【發明內容】

[0007]本發明主要解決的技術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]本發明所要解決的技術問題采用以下的技術方案來實現:
1.一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復合材料，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) 10-15，二環己基碳二亞胺(DCC) 15-20，水90-100份
所述的碳纖維中值長度為75 — 150μηι，鋼纖維中值長度為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，加入乙酸調節pH為4_5，加入8-12份硅烷偶聯劑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，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)、二環己基碳二亞胺(DCC)和步驟a所得的碳纖維，常溫反應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，機械攪拌均勻后，加入干燥的鋼纖維、Ti3SiC2和Ti3AlC2，持續機械攪拌1-3小時，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中混合均勻，冷壓成型后，空氣氣氛中360-390°C燒結成型；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10-30分鐘，取出即可；
所述浸涂液的配制方法為:S12經研磨機研磨后，與剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶聯劑KH550—起分散在水中，超聲分散均勻即得。
[0010]本發明的有益效果是:接枝氧化石墨烯后的碳纖維表面粗糙度顯著增加，進而提高其表面浸潤性和粘結性，改善碳纖維復合材料的界面粘接質量。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性，有利于復合材料力學性能的提高。進一步地，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合材料的膠接強度，且操作步驟簡單，易于施用。此外，添加的Ti 3SiC 2和Ti 3 A1C2，增強了聚四氟乙烯復合材料的耐磨性能，且生產工藝簡單，成本較低，能夠實現工業化大規模生產。
[0011]
【具體實施方式】
[0012]為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。實施例
[0013]一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復合材料，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) 10，二環己基碳二亞胺(DCC) 15，水100份
所述的碳纖維中值長度為75 — 150μηι，鋼纖維中值長度為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，加入乙酸調節pH為4-5，加入10份硅烷偶聯劑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，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)、二環己基碳二亞胺(DCC)和步驟a所得的碳纖維，常溫反應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，機械攪拌均勻后，加入干燥的鋼纖維、Ti3SiC2和Ti3AlC2，持續機械攪拌1-3小時，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中混合均勻，冷壓成型后，空氣氣氛中360-390°C燒結成型；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10-30分鐘，取出即可；
所述浸涂液的配制方法為:S12經研磨機研磨后，與剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶聯劑KH550—起分散在水中，超聲分散均勻即得。
[0015]經測試:
拉伸強度22MPa ;
斷裂伸長率204% ；
沖擊強度23KJ/m ;
彎曲強度25MPa ο
【主權項】
1.一種含Ti3SiC2和Ti3AlC2聚四氟乙烯復合材料，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) 10-15，二環己基碳二亞胺(DCC) 15-20，水 90-100份 所述的碳纖維中值長度為75 — 150μηι，鋼纖維中值長度為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，加入乙酸調節pH為4_5，加入8-12份硅烷偶聯劑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，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)、二環己基碳二亞胺(DCC)和步驟a所得的碳纖維，常溫反應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，機械攪拌均勻后，加入干燥的鋼纖維、Ti3SiC2和Ti3AlC2，持續機械攪拌1-3小時，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中混合均勻，冷壓成型后，空氣氣氛中360-390°C燒結成型；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10-30分鐘，取出即可； 所述浸涂液的配制方法為:S12經研磨機研磨后，與剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶聯劑KH550—起分散在水中，超聲分散均勻即得。
【文檔編號】C08L27/12GK106046637SQ201610473179
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月23日
【發明人】胡光榮
【申請人】安徽榮達閥門有限公司