一种活化处理的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种活化处理的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料及其制备方法，其特征在于，不仅使用钢纤维、碳纤维来提高聚四氟乙烯的抗拉伸强度、摩擦性能，同时利用改进过的熔融法将细的填料如SiO2、Al粉等在高温下烧结到聚四氟乙烯表面，改善了聚四氟乙烯的表面烧结状态，使胶接强度得到明显提高。此外，用钠?萘溶液对聚四氟乙烯进行处理后，聚四氟乙烯与橡胶共容性较好，且提高了聚四氟乙烯的弹性。
【专利说明】
一种活化处理的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及碳纤维、钢纤维表面改性和聚四氟乙烯改性材料领域，尤其涉及一种活化处理的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]聚四氟乙烯(PTFE)耐高温和低温、耐化学腐蚀、不吸水、摩擦系数低、介电性能优异，有“塑料王“之称.但是因为表面能低(表面张力为(31?34) X 10 -3 N/m)、结晶度高和分子链结构对称呈现非极性，致使其难于被粘结，制约其在阀门密封材料领域的应用。为此，科学工作者采取多种手段尝试解决PTFE的表面粘结问题，其中关于改变PTFE的表面结构或性质的研究较多.主要有:1)化学处理法，如用钠-萘络合物或硅酸处理，使PTFE表面润湿角减小，表面张力提高，使其由难粘转变为可粘.2)低温等离子体技术处理，将空气、惰性气体及可反应气体离解，与PTFE表面发生作用，形成极性基团。3)辐射接枝法，采用Co 60的能源将苯乙烯、甲基丙烯酸酯等可反应单体与PTFE表面发生化学接枝聚合，在PTFE表面形成一层易于粘合的接枝聚合物。4)高温熔融法，在高温下使PTFE中嵌入表面能高、易粘合物质。这种方法由于易粘物质介入PTFE分子中，可以达到比其他几种方法更高的粘结强度。
[0003]但PTFE还存在抗蠕变性差、易冷流、回弹性差、承载能力低、线膨胀系数大、在高温(260 °C)下易软化等明显缺点。为了克服这些缺点，国内外研究者一般采用碳纤维、玻璃纤维、锡青铜粉、石墨、二氧化硫等作为密封材料来填充聚四氟乙烯，其中碳纤维是应用比较广泛且效果良好的填充材料，可以改善PTFE复合材料的物理系能、力学性能、耐磨性能等，可广泛应用于液压油缸、气缸密封元件、阀门密封元件、流体传动机械等行业。同样的，钢纤维由于其密度大，力学性能优异而被广泛应用于各个领域。
[0004]但是钢纤维和碳纤维表面惰性大，直接影响了复合材料的力学性能，限制了钢纤维和碳纤维高性能的发挥。因此需要对碳纤维和钢纤维表面进行改性处理，以提高其对基体的粘结性，改善界面性能。
【发明内容】
[0005]本发明主要解决的技术问题是提供一种改性聚四氟乙烯材料的配方，依照该配方制作的聚四氟乙烯材料粘性、耐磨性和密封性良好，并且具有良好弹性。
[0006]本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现:
1.一种活化处理的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得:
金属钠0.2-0.5，四氢呋喃15-20，萘0.5-1，聚四氟乙烯40-50，碳纤维5_10，钢纤维5-10，氟橡胶胶粉5-10，丙烯酸酯橡胶5-10，氧化石墨烯1-3，S12 5_10，硅烷偶联剂KH55015-20，硬脂酸钠5-10，95%乙醇30-40，聚异氰酸酯JQ-1 5-10，二甲基甲酰胺(DMF) 15-20，4-二甲氨基吡啶(DMAP) 10-15，二环己基碳二亚胺(DCC) 15-20，水90-100份；
所述的碳纤维中值长度为75 — 150μηι，钢纤维中值长度为50-150μηι，氟橡胶胶粉粒度为80-200目。
[0007]2.所述的一种活化处理的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料的制备方法，其特征在于，由以下具体步骤制成:
a.将钠溶于四氢呋喃与萘的溶液中，在20-60°C下搅拌2-6h，直至溶液颜色呈现深褐色或黑色。
[0008]b.将30-35份的聚四氟乙烯加入到步骤a所得溶液中，搅拌3_5分钟，烘干，备用。
[0009]c.将碳纤维加入20-25份95%的乙醇溶剂中，超声分散均匀，加入乙酸调节pH为4-5，加入8-12份硅烷偶联剂KH550，搅拌8-15h，之后用去离子水洗涤，真空干燥；
d.在剩余的95%乙醇溶剂中，通过辉光放电等离子技术，将氧化石墨烯氧化成过氧化石墨稀；
e.将步骤d得到的过氧化石墨烯加入到二甲基甲酰胺(DMF)中，超声2?3h，搅拌，依次加入4- 二甲氨基吡啶(DMAP)、二环己基碳二亚胺(DCC)和步骤c所得的碳纤维，常温反应18-36h，之后用去离子水洗涤，真空干燥，得到过氧化石墨烯接枝后的碳纤维；
f.将氟橡胶胶粉加入到聚异氰酸酯JQ-1中，机械搅拌均匀后，加入干燥的钢纤维，持续机械搅拌1-3小时，水洗，干燥；
g.将步骤a所得聚四氟乙烯，步骤e所得过氧化石墨烯接枝后的碳纤维，步骤f所得混合物，与丙烯酸酯橡胶和硬脂酸钠一起于高速混合机中混合均匀，冷压成型后，空气气氛中360-390°C烧结成型，得到直径150-250 mm、厚度3?4mm的板状试样；
h.将步骤f所得的板状试样浸入浸涂液中，4-8分钟后取出，在80-100°C的烘箱中烘干后，放到马弗炉中在120-200 0C的温度下烧结10-30分钟，取出即可；
所述浸涂液的配制方法为:S12经研磨机研磨后，与剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶联剂KH550—起分散在水中，超声分散均匀即得。
[0010]本发明的有益效果是:接枝氧化石墨烯后的碳纤维表面粗糙度显著增加，进而提高其表面浸润性和粘结性，改善碳纤维复合材料的界面粘接质量。用聚异氰酸酯JQ-1处理的钢纤维与胶粉和聚异氰酸酯JQ-1粘接在一起，增加了钢纤维于基体的粘结性，有利于复合材料力学性能的提高。进一步地，通过高温熔融法将Si02填充到聚四氟乙烯表面，可明显提碳纤维PTFE复合材料的胶接强度，且操作步骤简单，易于施用。此外，用钠-萘溶液对聚四氟乙烯进行处理后，聚四氟乙烯与橡胶共容性较好，且提高了聚四氟乙烯的弹性。
【具体实施方式】
[0011]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例
[0012]一种活化处理的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得:
金属钠0.2，四氢呋喃15，萘0.5，聚四氟乙烯40，碳纤维5，钢纤维5，氟橡胶胶粉5，丙烯酸酯橡胶5，氧化石墨烯I，S12 5，硅烷偶联剂KH550 15，硬脂酸钠5，95%乙醇40，聚异氰酸酯JQ-1 5，二甲基甲酰胺(DMF)20，4-二甲氨基吡啶(DMAP) 15，二环己基碳二亚胺(DCC)15，水 100 份；
所述的碳纤维中值长度为75 — 150μηι，钢纤维中值长度为50-150μηι，氟橡胶胶粉粒度为80-200目。
[0013]所述的一种活化处理的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料的制备方法，其特征在于，由以下具体步骤制成:
a.将钠溶于四氢呋喃与萘的溶液中，在20-60°C下搅拌2-6h，直至溶液颜色呈现深褐色或黑色。
[0014]b.将30份的聚四氟乙烯加入到步骤a所得溶液中，搅拌3-5分钟，烘干，备用。
[0015]c.将碳纤维加入23份95%的乙醇溶剂中，超声分散均匀，加入乙酸调节pH为4-5，加入10份硅烷偶联剂KH550，搅拌8-15h，之后用去离子水洗涤，真空干燥；
d.在剩余的95%乙醇溶剂中，通过辉光放电等离子技术，将氧化石墨烯氧化成过氧化石墨稀；
e.将步骤d得到的过氧化石墨烯加入到二甲基甲酰胺(DMF)中，超声2?3h，搅拌，依次加入4- 二甲氨基吡啶(DMAP)、二环己基碳二亚胺(DCC)和步骤c所得的碳纤维，常温反应18-36h，之后用去离子水洗涤，真空干燥，得到过氧化石墨烯接枝后的碳纤维；
f.将氟橡胶胶粉加入到聚异氰酸酯JQ-1中，机械搅拌均匀后，加入干燥的钢纤维，持续机械搅拌1-3小时，水洗，干燥；
g.将步骤a所得聚四氟乙烯，步骤e所得过氧化石墨烯接枝后的碳纤维，步骤f所得混合物，与丙烯酸酯橡胶和硬脂酸钠一起于高速混合机中混合均匀，冷压成型后，空气气氛中360-390°C烧结成型，得到直径150-250 mm、厚度3?4mm的板状试样；
h.将步骤f所得的板状试样浸入浸涂液中，4-8分钟后取出，在80-100°C的烘箱中烘干后，放到马弗炉中在120-200 0C的温度下烧结10-30分钟，取出即可；
所述浸涂液的配制方法为:Si02经研磨机研磨后，与剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶联剂KH550—起分散在水中，超声分散均匀即得。
[0016]经测试:
拉伸强度27MPa ;
断裂伸长率213% ；
冲击强度29KJ/m ；
弯曲强度23MPa。
【主权项】
1.一种活化处理的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得: 金属钠0.2-0.5，四氢呋喃15-20，萘0.5-1，聚四氟乙烯40-50，碳纤维5_10，钢纤维5-10，氟橡胶胶粉5-10，丙烯酸酯橡胶5-10，氧化石墨烯1-3，S12 5_10，硅烷偶联剂KH55015-20，硬脂酸钠5-10，95%乙醇30-40，聚异氰酸酯JQ-1 5-10，二甲基甲酰胺(DMF) 15-20，4-二甲氨基吡啶(DMAP) 10-15，二环己基碳二亚胺(DCC) 15-20，水90-100份； 所述的碳纤维中值长度为75 — 150μηι，钢纤维中值长度为50-150μηι，氟橡胶胶粉粒度为80-200目。2.根据权利要求1所述的一种活化处理的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料的制备方法，其特征在于，由以下具体步骤制成: a.将钠溶于四氢呋喃与萘的溶液中，在20-60°C下搅拌2-6h，直至溶液颜色呈现深褐色或黑色； b.将30-35份的聚四氟乙烯加入到步骤a所得溶液中，搅拌3-5分钟，烘干，备用； c.将碳纤维加入20-25份95%的乙醇溶剂中，超声分散均匀，加入乙酸调节pH为4-5，加入8-12份硅烷偶联剂KH550，搅拌8-15h，之后用去离子水洗涤，真空干燥； d.在剩余的95%乙醇溶剂中，通过辉光放电等离子技术，将氧化石墨烯氧化成过氧化石墨稀； e.将步骤d得到的过氧化石墨烯加入到二甲基甲酰胺(DMF)中，超声2?3h，搅拌，依次加入4- 二甲氨基吡啶(DMAP)、二环己基碳二亚胺(DCC)和步骤c所得的碳纤维，常温反应18-36h，之后用去离子水洗涤，真空干燥，得到过氧化石墨烯接枝后的碳纤维； f.将氟橡胶胶粉加入到聚异氰酸酯JQ-1中，机械搅拌均匀后，加入干燥的钢纤维，持续机械搅拌1-3小时，水洗，干燥； g.将步骤a所得聚四氟乙烯，步骤e所得过氧化石墨烯接枝后的碳纤维，步骤f所得混合物，与丙烯酸酯橡胶和硬脂酸钠一起于高速混合机中混合均匀，冷压成型后，空气气氛中360-390°C烧结成型，得到直径150-250 mm、厚度3?4mm的板状试样； h.将步骤f所得的板状试样浸入浸涂液中，4-8分钟后取出，在80-100°C的烘箱中烘干后，放到马弗炉中在120-200 0C的温度下烧结10-30分钟，取出即可； 所述浸涂液的配制方法为:S12经研磨机研磨后，与剩余的聚四氟乙烯和剩余的硅烷偶联剂KH550—起分散在水中，超声分散均匀即得。
【文档编号】C08L33/04GK105907001SQ201610473110
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】胡光荣
【申请人】安徽荣达阀门有限公司