一种高温耐磨材料及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于改性聚四氟乙烯材料制备技术领域，具体涉及一种高温耐磨材料及其制备方法与应用。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.聚四氟乙烯(ptfe)具有耐热性、耐低温性、耐药品性及电气性能，并且具有优异的不黏性与自润滑性，是磨擦系数最低的树脂。但在特殊的工况下使用，尤其是在高温、高速运转的使用环境中，会导致高温耐磨性欠佳而造成磨损严重等问题。
4.碳纤维增强聚合物复合材料具有高比强和高比模量、良好的化学稳定性以及优异的摩擦学性能作为齿轮、轴承等摩擦部件各领域有着广泛应用。现有技术中的聚四氟乙烯的改性方法难以对其高温耐磨性进行有效改善。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高温耐磨材料及其制备方法与应用。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明提供了一种高温耐磨材料组合物，由以下重量份的组分组成：聚酰亚胺3-10份，碳纤维2-5份，聚四氟乙烯粉体85-95份。
8.第二方面，本发明提供一种高温耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
9.将聚酰亚胺、碳纤维和聚四氟乙烯粉体按质量比为3-7：
10.2-4：89-95进行预混，得预混粉料；
11.将预混粉料冷冻处理后高速混合，得到混合粉料；
12.将混合粉料装入模具，压制成毛坯；
13.将毛坯烧结后，制得成型制品。
14.第三方面，本发明提供一种高温耐磨制品，由所述制备方法制备而成。
15.上述本发明的一种或多种实施方式取得的有益效果如下：
16.改性聚四氟乙烯细粉树脂、聚酰亚胺、碳纤维按照不同的百分数组分高速混合均匀，聚四氟乙烯有利于碳纤维界面结合，降低了碳纤维粗糙度，减少磨损。聚酰亚胺有利于转移膜形成，增强对偶件强度，减少摩擦面在高温下发生蠕变。
17.三种复合材料之间界面作用有利于在高温摩擦磨损过程中应力传递和分散，聚四氟乙烯具有适当回弹性，起到了很好密封，与金属件对磨过程中不会损伤金属表面，这些特性有助于相关部件持久有效，在高温状态下发挥良好的耐磨密封性。
18.尤其适用于高温、高速运转设备上密封环、活塞环、耐高温介质的阀门等领域。
附图说明
19.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
20.图1是本发明实施例的制备工艺流程图；
21.图2是本发明实施例1-3和对比例1制备的复合材料的扫描电镜图，其中，(a)为实施例1制备的复合材料，(b)为实施例2制备的复合材料，(c)为实施例3制备的复合材料，(d)为对比例1制备的复合材料。
具体实施方式
22.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
23.第一方面，本发明提供了一种高温耐磨材料组合物，由以下重量份的组分组成：聚酰亚胺5-10份，碳纤维2-5份，聚四氟乙烯粉体85-93份。
24.在一些实施例中，所述高温耐磨材料组合物，由以下重量份的组分组成：聚酰亚胺3-7份，碳纤维2-4份，聚四氟乙烯粉体85-95份。
25.优选的，所述高温耐磨材料组合物，由以下重量份的组分组成：聚酰亚胺3-7份，碳纤维2-4份，聚四氟乙烯粉体87-95份。
26.如，聚酰亚胺可以为3份、6份、7份、8份、9份、10份；碳纤维可以为2份、3份、4份、5份；聚四氟乙烯粉体可以为85份、86份、87份、88份、89份、90份、91份、92份、95份。
27.聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环的一类聚合物。作为一种特种工程材料，具用优异的力学性能和热稳定性,在-270℃～400℃温度范围内保持较好的物理机械性能，同时可在-240℃～260℃空气中长期使用，热分解温度在600℃，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。
28.碳纤维是直径约为4-10μm的纤维，主要由碳原子组成，具有高刚度、高抗拉强度、低重量、高耐化学性、耐高温和低热膨胀性，这些特性使其被广泛应用于增强复合材料中。
29.进一步优选的，所述高温耐磨材料组合物，由以下重量份的组分组成：聚酰亚胺7份，碳纤维4份，聚四氟乙烯粉体89份。
30.第二方面，本发明提供一种高温耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
31.将聚酰亚胺、碳纤维和聚四氟乙烯粉体按质量比为3-7：2-4：85-95进行预混，得预混粉料；
32.将预混粉料冷冻处理后高速混合，得到混合粉料；
33.将混合粉料装入模具，压制成毛坯；
34.将毛坯烧结后，制得成型制品。
35.在一些实施例中，聚四氟乙烯粉体的粒径为9-20μm；聚酰亚胺的粒径为10-40μm；碳纤维直径4-10μm，长度为30-50μm。
36.在一些实施例中，冷冻的温度为-10～-20℃，冷冻的时间为20-30h。
37.优选的，冷冻后，高速混合的转速为2000-3000r/min，混合的时间为2-10min。
38.在一些实施例中，压制的压力为25-40mpa。
39.在一些实施例中，烧结的温度为360-380℃，保温时间为4-10h。
40.第三方面，本发明提供一种高温耐磨制品，由所述制备方法制备而成。
41.下面结合实施例对本发明作进一步说明。
42.a：所需材料及材料指标参数：
43.改性聚四氟乙烯悬浮细粉：购自山东东岳高分子材料有限公司，改性聚四氟乙烯悬浮细粉(牌号df161)树脂为主体材料比普通聚四氟乙烯悬浮细粉树脂具有更高延伸率和抗拉强度、高耐压、低渗透、粒子相对柔韧性好更加油润、回弹性高，与对偶封密件更加贴附，气密性更好。把改性聚四氟乙烯悬浮细粉树脂送入冷库冷冻24小时。然后进行气流粉碎，粉碎后粒径在9μm-20μm范围备用。
44.聚酰亚胺模塑粉：粒径在10-40μm左右，将聚酰亚胺在烧结炉中进行干燥处理，温度为320℃，时间4小时。
45.碳纤维粉：粒径为4-10μm左右。
46.b：所需设备：预混机、高速混料机、液压机、烧结炉等。
47.聚酰亚胺碳纤维改性聚四氟乙烯复合材料，将碳纤维、聚酰亚胺分别按质量分数添加到ptfe中，工艺流程图，如图1所示：
48.实施例1
49.高温耐磨聚四氟乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
50.1)在本发明中按质量百分数、将聚酰亚胺7％，碳纤维4％添加到89％改性聚四氟乙烯细粉树脂中，进行预混10分钟左右，在将预混料送入冷库冷冻24小时，冷库内温度为-20℃；
51.最后将冷冻料以3000r/min高速混机中10分钟搅拌。得到混合均匀复合材料树脂粉料。
52.2)在以粉末冶金冷压方式，将复合材料树脂粉料，装入模具中，按预成型单位压力35mpa，压制成毛坯。
53.3)将预成型毛坯放入烘箱中，在空气中自由烧结，烧结温度升降以级梯式，烧结温度360-380℃，保温时间6小时，得到成型制品。
54.实施例2
55.高温耐磨聚四氟乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
56.1)将聚酰亚胺5％、碳纤维3％添加到92％改性聚四氟乙烯细粉树脂中，进行预混10分钟，在将预混料送入冷库冷冻24小时，冷库内温度为-15℃；最后将冷冻料以2500r/min高速混机中5分钟搅拌。得到混合均匀复合材料树脂粉料。
57.2)在以粉末冶金冷压方式，将复合材料树脂粉料，装入模具中，按预成型单位压力30mpa，压制成毛坯。
58.3)将预成型毛坯放入烘箱中，在空气中自由烧结，烧结温度升降以级梯式，烧结温度360-380℃，保温时间6小时，得到成型制品。
59.实施例3
60.高温耐磨聚四氟乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
61.1)将聚酰亚胺3％、碳纤维2％添加到88％改性聚四氟乙烯细粉树脂中，进行预混10分钟左右，在将予混料送入冷库冷冻24小时，冷库内温度为-10℃；
62.最后将冷冻料以2800r/min高速混机中3分钟搅拌。得到混合均匀复合材料树脂粉料。
63.2)在以粉末冶金冷压方式，将复合材料树脂粉料，装入模具中，按预成型单位压力28mpa，压制成毛坯。
64.3)将预成型毛坯放入烘箱中，在空气中自由烧结，烧结温度升降以级梯式，烧结温度360-380℃，保温时间6小时，得到成型制品。
65.对比例1
66.与实施例1的区别在于：省略聚酰亚胺，其他均与实施例1相同。
67.对比例2
68.与实施例1的区别在于：省略碳纤维，其他均与实施例1相同。
69.对比例3
70.与实施例1的区别在于：省略聚酰亚胺和碳纤维。
71.性能检测：
72.依据标准：
73.astmd-4894-1 5(拉伸强度-断裂伸长率)；
74.gb/t2411-2008(邵氏硬度)；
75.hg/t2909-1997(清洁度)；
76.gb/t3690-2007(摩擦系数)；
77.astmd792—2007(比重)。
78.对高温耐磨复合材料各个实施例和对比例进行测验数据分析，结果如表1所示。
79.表1高温耐磨复合材料各配方实例测验数据
[0080][0081]
通过表1高温耐磨复合材料各配方实例测验数据分析：通过实施例1-3，对比例1-3可知，材料在制备过程，高速混料机转速、时间及冷冻时间都影响试验材料表面均匀度及摩擦系数和拉伸强度。复合材料配方及施加单位平方压力会影响复合材料的硬度和比重，材料硬度值大小是考核复合材料耐磨程度及摩擦系数重要指标。
[0082]
特别是实施例1中，提高了聚酰亚胺的比例，充分发挥了聚酰亚胺在聚合物中的热
稳定性和物理机械性能，制备的复合材料特别适用于制备耐高温介质阀门，制备得到的高温介质阀门的密封性、气密性和使用寿命等明显增强，且制备得到的高温介质阀门的尺寸稳定性明显提高。即使在300℃等高温工作环境中，复合材料基本不变形，且保持较好的弹性，可以达到较好的高温密封效果。
[0083]
以上所述仅为本发明的优选实施例1而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。