一种耐磨防火的碳纤维、钢纤维改性聚四氟乙烯材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种耐磨防火的纤维、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，配合添加炭黑、棕刚玉等原料，使复合材料具有更优异的耐高温、高耐磨、防火的特性。
【专利说明】
一种耐磨防火的碳纤维、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，尤其涉及一种耐磨防火的碳纤维、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。
[0005]棕刚玉具有纯度高、结晶好、流动性强、线膨胀系数低的特点，并且耐高温、强度高、导热系数小，在应用过程中具有不起爆、不粉化、不开裂的特点，可作为耐火材料的最佳填充料，扩宽复合材料的应用领域。
【发明内容】
[0006]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，并且具有耐磨防火。
[0007]本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现:1.一种耐磨防火的碳纤维、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:棕刚玉18-20,聚四氟乙烯80-90,碳纤维10-15,钢纤维5-10,氟橡胶胶粉5-10,莫来石 3-5，氧化石墨烯1-3，Si02 5-10，硅烷偶联剂KH550 15-20，炭黑5-10，95%乙醇30-40，乙酸适量，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 — 1 50mi，钢纤维中值长度为50-1 50mi，氟橡胶胶粉粒度为 80-200 目。[〇〇〇8] 2.所述的一种耐磨防火的碳纤维、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；b.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；c.将步骤b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a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；d.将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、棕刚玉、莫来石和炭黑，持续机械搅拌1-3小时，水洗，干燥；e.将步骤c所得过氧化石墨烯接枝后的碳纤维、步骤d所得混合物与70-75份的聚四氟乙烯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；f.将步骤e所得的板状试样浸入浸涂液中，4-8分钟后取出，在80-KKTC的烘箱中烘干后，放到马弗炉中在120-200 °C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。
[0009]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PTFE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。并且，配合添加配合添加炭黑、棕刚玉等原料，使复合材料具有更优异的耐高温、高耐磨、防火的特性。【具体实施方式】
[0010]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
[0011]—种耐磨防火的碳纤维、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:棕刚玉18，聚四氟乙烯80，碳纤维10，钢纤维5，氟橡胶胶粉5，莫来石3，氧化石墨烯1， Si02 5,硅烷偶联剂KH550 15,炭黑5,95%乙醇30,乙酸适量，聚异氰酸酯JQ-1 5,二甲基甲酰胺(DMF)15,4-二甲氨基吡啶(DMAP) 10,二环己基碳二亚胺(DCC) 15,水100份；所述的碳纤维中值长度为75 — 1 50mi，钢纤维中值长度为50-1 50mi，氟橡胶胶粉粒度为 80-200 目。[〇〇12]所述的一种保温的碳纤维、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.将碳纤维加入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 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；b.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；c.将步骤b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a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；d.将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、棕刚玉、莫来石和炭黑，持续机械搅拌1-3小时，水洗，干燥；e.将步骤c所得过氧化石墨烯接枝后的碳纤维、步骤d所得混合物与70份的聚四氟乙烯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；f.将步骤e所得的板状试样浸入浸涂液中，4-8分钟后取出，在80-KKTC的烘箱中烘干后，放到马弗炉中在120-200 °C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。
[0013]经测试:拉伸强度19MPa ;断裂伸长率200% ;冲击强度27KJ/m ;弯曲强度30MPa。
【主权项】
1.一种耐磨防火的碳纤维、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:棕刚玉18-20,聚四氟乙烯80-90,碳纤维10-15,钢纤维5-10,氟橡胶胶粉5-10,莫来石 3-5，氧化石墨烯1-3，Si02 5-10，硅烷偶联剂KH550 15-20，炭黑5-10，95%乙醇30-40，乙酸 适量，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 — 150WH，钢纤维中值长度为50-1 50mi，氟橡胶胶粉粒度为 80-200 目。2.根据权利要求1所述的一种耐磨防火的碳纤维、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；b.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；c.将步骤b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a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；d.将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、棕刚玉、莫 来石和炭黑，持续机械搅拌1-3小时，水洗，干燥；e.将步骤c所得过氧化石墨烯接枝后的碳纤维、步骤d所得混合物与70-75份的聚四氟 乙烯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；f.将步骤e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 °C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。
【文档编号】C08K13/06GK106009433SQ201610452804
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】苗则波
【申请人】芜湖市长江起重设备制造有限公司