一种石墨烯/聚四氟乙烯复合材料以及由其制备硫化机摩擦环套的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于聚四氟乙烯复合材料的制备和应用技术领域，具体地说，涉及一种石墨烯/聚四氟乙烯复合材料以及由其制备硫化机摩擦环套的方法。
【背景技术】
[0002]聚四氟乙烯(Teflon或PTFE)，是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，在现今工业应用中聚四氟乙烯已成为最重要的高分子材料，其具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑、不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力以及极低的摩擦系数等。尽管聚四氟乙烯有上述如此多的优异性能，但是其自身也存在一些缺陷，如耐磨性能较差，高温时容易变形且在连续载荷下易发生变形等特点。在工业使用中通常是采用添加二硫化钼、石墨、玻璃纤维等材料进行改性提高其耐磨性能。
[0003]石墨烯是一种SP2杂化具有蜂窝状的碳材料，单层石墨烯的厚度只有0.334 nm，是目前已知最薄的材料。石墨烯具有超大的比表面积可达约2600 m2/g，如此大的比表面积使得石墨烯片可在材料中形成很好的网络，并因其片层结构能很好的和填充材料形成整体的交叉结构。同时石墨稀具有很好的力学性能和机械性能，在2008年Lee等人(Lee C.，etal.Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayergraphene.Science, 2008, 321(5887): 385-388.)利用原子力显微镜探针测量了单层石墨烯薄膜的断裂强度和杨氏弹性模量结果分别是130 ±10 GPa和1.0 土 0.1 TPa，强度极限(抗拉强度)达到42±4 ΝπΓ1，同时预测无缺陷的单层石墨烯具有最高的抗拉强度。此外，Lee 等人(Lee C.，et al.Elastic and frict1nal properties of graphene.PhysicaStatus Solidi B-Basic Solid State Physics, 2009，246(11-12): 2562-2567.)用原子力显微镜探针测量的方法测试了双层石墨烯膜的断裂强度和杨氏弹性模量，分别是126GPa和1.04Tpa，3层石墨烯膜的断裂强度和杨氏弹性模量则为101 GPa和0.98Tpa，当然可能宏观的石墨烯材料中难免存在晶界及缺陷，但是由上面的研究可见石墨烯具有超强的综合力学性能。
[0004]因此，将石墨烯添加到聚四氟乙烯中，可有效的提高聚四氟乙烯材料的耐磨、抗高温以及其它的力学性能。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种石墨烯/聚四氟乙烯复合材料以及由其制备硫化机摩擦环套的方法。
[0006]本发明，所述的石墨烯/聚四氟乙烯复合材料，由以下重量份的原料制备:功能化石墨烯片0.01-1份、碳纤维0.1-5份、铜粉0.1-10份、0~2份的玻璃纤维以及其它性能助剂0.1~5份和商业用聚四氟乙烯粉末30~100份；其中所述助剂由以下重量份组成:氯化亚铜0.1~1份，硅烷偶联剂0.1~1份，纳米氧化锌粉0.1-2份，碳化硅0.1~1份。
[0007]本发明，所述的功能化石墨烯片是由石墨烯片经过强酸处理后所得的功能化石墨烯片，具体方法为选用实验室通过纳米石墨烯片再膨胀法制备或者购买的已有的商业产品，其片层是1~10个碳原子层厚度，该片层的大小为5~30 ym，然后将石墨烯片经过浓硝酸于60~120°C处理5~10小时，或者经过浓硫酸和浓硝酸按1:1的体积比例混合溶液于60~120°C处理5~10小时，再经洗涤干燥后所得的功能化石墨烯片。石墨烯片经过强酸处理后，其表面具有羟基和羧基等含氧官能团。
[0008]本发明，所述碳纤维可由商业购买的短切碳纤维，其直径为1~5 μπι，长度为10~30μ m0
[0009]本发明，所述玻璃纤维可由商业购买的短切玻璃纤维，其长度为3~10 mm，使用过程中可用其单独成分或者是混合成分。
[0010]本发明，所述的铜粉可选用由实验室电沉积制备的铜粉或者由商业购买的铜粉，其粒径为50 nm~5 μ m，形状为球形或者片状，并且可用其单独成分或者是不同粒径的混合组成分。
[0011]本发明，所述氯化亚铜、硅烷偶联剂(KH-550、KH-560和KH-570)、纳米氧化锌粉和碳化硅，均可由商业购买得到，纳米氧化锌粉也可由实验室制备的，纳米氧化锌粉的粒径为20 nm ?I μ mD
[0012]本发明，所述的聚四氟乙烯可由商业购买。
[0013]本发明，所述的由复合材料制备硫化机摩擦环套的方法，采用的技术方案是以石墨烯片(实验室再膨胀制备或者商业购买)为原料，再经过强酸处理后得到的功能化石墨烯片，并和一些其它的添加成分以及助剂通过机械搅拌加入到聚四氟乙烯粉体中得到混合粉体，然后模压得到预制品、再将预制品经过高温煅烧工艺制备石墨烯/聚四氟乙烯复合材料，最后将制备的石墨烯/聚四氟乙烯复合材料经过机械切割和打磨工艺制备使用在硫化机上的摩擦环套的方法，具体的制备步骤如下:
(1)功能石墨烯片与聚四氟乙烯的混合物:将功能化石墨烯片、碳纤维、铜粉、玻璃纤维以及其它性能助剂和聚四氟乙烯按照上述计算量，通过机械搅拌混合后得到均匀的混合粉体；
(2)功能石墨稀片/聚四氟乙稀复合材料的制备:将上述混合均勾的粉体经过模压、高温煅烧，得到石墨烯片/聚四氟乙烯复合材料；
(3)将烧制的石墨烯/聚四氟乙烯复合材料经过机械切割和打磨工艺制备使用在硫化机上的摩擦环套。
[0014]本发明，所述机械搅拌的过程是先采用缓速搅拌然后快速搅拌的方式，其中缓速搅拌的速度为100~400 rpm，搅拌时间为10~40 min，而快速搅拌的速度为800~1500 rpm，搅拌时间为30~120 min。
[0015]本发明，所述模压方式，是在模具中进行先压制，然后再恒压后脱模的工艺，其中压制的压强为10~15 Mpa，恒压时间为10~15 min。
[0016]本发明，所述高温煅烧工艺是采用逐步升温-恒温-再升温-恒温-降温分段工作方式，其中:由室温升到355~360°C的升温速度为8~10°C/min，然后恒温保持30~70 min ；再由355~360°C升温到395~400°C的升温速度为2~5°C /min，然后恒温保持1~15 min，最后控制降温至室温，得到石墨烯片/聚四氟乙烯复合材料，其中，降温为自然降温。
[0017]本发明，由于将功能化石墨烯片以及其它添加成分和助剂添加到聚四氟乙烯中，可有效的提高聚四氟乙烯材料的耐磨、抗高温以及其它的力学性能，其利用了石墨烯的交联以及降磨性能，兼具了聚四氟乙烯的润滑性能，由其制备的石墨烯/聚四氟乙烯复合材料，用于生产加工使用在硫化机上的摩擦环套，具有耐磨损和润滑性能，可提高硫化机具体使用寿命。
【附图说明】
[0018]图1石墨烯的SEM图；
图2聚四氟乙烯SEM图；
图3碳纤维SEM图；
图4铜粉SEM图；
图5氧化锌SEM图；
图6石墨烯/聚四氟乙烯复合材料加工成硫化机环套的照片。
【具体实施方式】
[0019]以下结合具体实施例来进一步解释本发明，但实施例对发明不做任何形式的限定。
[0020]实施例1:
称取实验室制备的石墨烯片0.5 g经过浓硝酸在120°C