专利名称：高耐磨性聚四氟乙烯复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于高分子材料改性领域技术，具体涉及聚四氟乙烯复合材料及制备方法。
背景技术：
聚四氟乙烯因其优异的化学稳定性、耐高温和低的摩擦系数而在众多领域得到广泛的应用，然而其耐磨性差以及成本高制约了其使用范围。我国《高分子材料科学与工程》(1999年第15卷第1期，第68页到72页)曾介绍过用金属填充改性聚四氟乙烯的摩擦磨损性能。增加金属填充物能提高聚四氟乙烯磨损性能1-2个数量级，但是由于与聚四氟乙烯缺乏相容性，容易产生相分离，而且这些金属粒子会使对磨面产生磨损，使材料的摩擦系数增加。中国《材料科学与工程学报》(2003年第21卷第6期，第851页到854页)也曾介绍过分别用聚苯酯、聚酰亚胺填充改性聚四氟乙烯摩擦磨损性能，取得了不错的成效，但是上述填料的加入使聚四氟乙烯复合材料的制备成本成倍的增加，这就限制了它的使用范围。
中国科学院化学研究所在CN85100880A专利中使用聚丙烯腈基碳纤维来增强聚四氟乙烯密封材料，这能提高聚四氟乙烯材料的耐高温性能和使用寿命。但是这种聚丙烯腈基碳纤维编织物对提高聚四氟乙烯材料的耐磨损性的作用有限，只有在添加金属元素情况下才能明显提高其耐磨损性能。而且由于聚丙烯腈基碳纤维加工过程复杂，其编织物与聚四氟乙烯复合后不利于产品成型。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种高耐磨性聚四氟乙烯复合材料，其制备方法简单，生产成本低、而且适用范围广。
本发明的目的通过以下方式实现。
本发明的高耐磨性聚四氟乙烯复合材料，其特征在于，它是由聚四氟乙烯和聚丙烯腈粉末混合后，经压制成型、高温烧结形成，其中，聚四氟乙烯粉末的粒度为30m-200m，含量为50％-70％(重量百分含量)；聚丙烯腈粉末的粒度为30m-100m，含量为30％-50％(重量百分含量)；在其组分中也可以增加金属及金属氧化物粉末，其粒度为10m-50m，含量为0％-5％(重量百分含量)例如铜、铜合金、铁粉末、Al2O3、TiO2、ZnO粉末等；也可以增加非金属氧化物、碳化物，粒度为粒度10m-50m，含量为0％-5％(重量百分含量)，例如SiO2、SiC粉末；还可以增加其他纤维类的填充物，其直径为8m-15m，含量为0％-5％(重量百分含量)，例如玻璃纤维、碳纤维等。
其具体生产工艺如下(1)将按计算量的各组份混合并搅拌均匀；(2)将混合料在40MPa压强下冷压成型或在低于250C条件下热压成型，并在40MPa压强下保持5-10分钟；(3)将压制成型的样品置入高温烧结炉中，以30C-100C/小时的升温速率加热至375C±5C，保温2小时；最好在加热到270C-315C范围内保温1-2次，每次保温20-30分钟；(4)自然冷却到室温；最好在冷却到315C时保温20-30分钟，然后再自然冷却到室温。所述的聚丙烯腈也可以是先在370C温度下预氧化处理2小时后再与聚四氟乙烯粉末混合。
本发明的高耐磨性聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，其制备过程为(1)首先按以下计算量(均为重量百分含量)的各组份混合并搅拌均匀聚四氟乙烯粉末(粒度30m-200m)， 50％-70％，聚丙烯腈粉末(粒度30m-100m)， 30％-50％，非金属氧化物、碳化物(粒度10m-50m)， 0％-5％，金属及金属氧化物粉末(粒度10m-50m)， 0％-5％，其他纤维类的填充物(直径8m-15m) 0％-5％(2)将混合料在40MPa压强下冷压成型或在低于250C条件下热压成型，并在40MPa压强下保持5-10分钟；(3)将压制成型的样品置入高温烧结炉中，以30C-100C/小时的升温速率加热至375C±5C，保温2小时；最好在加热到270C-315C范围内保温1-2次，每次20-30分钟；(4)自然冷却到室温，最好在冷却到315C时保温20-30分钟，然后再自然冷却到室温，得成品。
所述的聚丙烯腈也可以是先在370C温度下预氧化处理2小时后再与聚四氟乙烯粉末混合，这将有利于减小聚丙烯腈在烧结过程因发生化学反应而对材料的负面影响，在实际使用中，可根据实际产品需要选择添加金属及金属氧化物，例如铜、铜合金、铁粉末、Al2O3、TiO2、ZnO粉末等；选择添加非金属氧化物、碳化物和其他纤维类的填充物等粒子，例如SiO2、SiC粉末、玻璃纤维、碳纤维等以增强其相应的性能，满足实际使用要求。
本发明的高耐磨性聚四氟乙烯复合材料，聚丙烯腈与聚四氟乙烯混合材料高温烧结成型过程中，聚丙烯腈会发生预氧化反应，经环化形成梯型结构，这些梯状结构形成骨架，增强了复合材料的摩擦转移膜在对摩面表面的附着力，减少了新的摩擦转移膜的生成，从而大大提高其耐磨性。实测表明，本发明的复合材料相比未使用聚丙烯腈改性的，其耐磨性大幅提高，有的提高了超过100倍，而且还提高了耐热性和高温力学性能，因此采用本发明的复合材料制成的产品可以在比原聚四氟乙烯更高的温度下使用。特别是，本发明的复合材料在熔融状态还保持很高的储能模量，具有较好的高温使用性能。本发明材料可作为防腐材料、密封材料和耐磨材料，适合要求耐磨性好、摩擦系数小、耐高温、耐化学药品的密封圈、轴承衬套、阀门、管道、泵等。
本发明的高耐磨性聚四氟乙烯复合材料的制备方法，由于聚四氟乙烯与聚丙烯腈具有良好的相容性，因此聚丙烯腈粉末与聚四氟乙烯粉末可以直接采用机械混合，对生产设备要求不高，工艺简单，生产成本低。
下面通过实施例作进一步的说明。
具体实施例方式实施例1将40％(重量百分含量)聚丙烯腈粉末(粒度30m)与60％聚四氟乙烯粉末(粒度50m)放入高速搅拌器里面搅拌10分钟使其混合均匀。再将混合物在40MPa压强、室温下压制成型，然后将压制成型件放入烧结炉中，在空气环境下以100C/小时的升温速率加热至150C，再以50C/小时的升温速率加热至270C，保温30分钟，再以40C/小时的升温速率加热至315C，保温30分钟，再以30C/小时的升温速率加热至375C±5C，保温2小时。降温过程中先以50C/小时的降温速率降温至315C，保温30分钟，再自然冷却至室温，得成品。该实施例适用于厚度小于1厘米的各种形状的材料。
实施例2聚丙烯腈粉末(粒度50m)在空气环境中加热到370C，并保温2小时。将30％(重量百分含量)经过加热处理的聚丙烯腈粉末与70％聚四氟乙烯粉末(粒度80m)放入高速搅拌器里面搅拌10分钟使其混合均匀。再将混合物在40MPa压强、室温下压制成型，然后将压制成型件放入烧结炉中，在空气环境下以40C/小时的升温速率加热至375C±5C，保温2小时；然后自然冷却至室温，得成品。该实例适用于各种尺寸的产品。
实施例3将聚丙烯腈粉末(粒度80m)在空气环境中加热到370C保温2小时。将50％(重量百分含量)经过加热处理的聚丙烯腈粉末与50％聚四氟乙烯粉末(粒度120m)放入高速搅拌器里面搅拌10分钟使其混合均匀。再将混合物在40MPa压强、200C下压制成型，然后将压制成型件放入烧结炉中，空气环境下以50C/小时的升温速率加热至315C，保温30分钟，再以30C/小时的升温速率加热至375C±5C，保温2小时。降温过程中先以50C/小时的降温速率降温至315C，保温30分钟，再自然冷却至室温，得成品。该实例适用于各种尺寸的产品。
实施例4将45％(重量百分含量)的聚丙烯腈粉末(粒度40m)与50％聚四氟乙烯粉末(粒度150m)及2％SiO2(粒度20m)和3％Al2O3(粒度20m)粉末放入高速搅拌器里面搅拌10分钟使其混合均匀。再将混合物在40MPa压强、250C下压制成型，然后将压制成型件放入烧结炉中，在空气环境下以30C/小时的升温速率加热至270C，保温30分钟，再以40C/小时的升温速率加热至315C，保温30分钟，再以30C/小时的升温速率加热至375C±5C，保温2小时。最后自然冷却至室温，得成品。该实例适用于厚度小于1厘米的产品。
实施例5聚丙烯腈粉末(粒度80m)在空气环境中加热到370C保温2小时。将35％(重量百分含量)经过加热处理的聚丙烯腈粉末与55％聚四氟乙烯粉末(粒度200m)及5％SiC(粒度40m)和5％ZnO(粒度40m)粉末放入高速搅拌器里面搅拌10分钟使其混合均匀。再将混合物在40MPa压强、250C下压制成型，然后将压制成型件放入烧结炉中，在空气环境下下以50C/小时的升温速率加热至375C±5C，保温2小时。降温过程中先以50C/小时的降温速率降温至315C，保温30分钟，再自然冷却至室温，得成品。该实例适用于各种尺寸的产品。
实施例6将40％(重量百分含量)的聚丙烯腈粉末(粒度60m)与58％聚四氟乙烯粉末(粒度100m)及2％的Cu粉或Fe粉(粒度10m)放入高速搅拌器里面搅拌10分钟使其混合均匀。再将混合物在40MPa压强、250C下压制成型，然后将压制成型件放入烧结炉中，在空气环境下以100C/小时的升温速率加热至270C，保温20分钟，再以40C/小时的升温速率加热至315C，保温30分钟，再以30C/小时的升温速率加热至375C±5C，保温2小时。降温过程中先以30C/小时的降温速率降温至315C，保温30分钟，再自然冷却至室温，得成品。该实例适用于厚度小于1厘米的产品。
实施例7聚丙烯腈粉末(粒度30m)在空气环境中加热到370C保温2小时。将46％(重量百分含量)经过加热处理的聚丙烯腈粉末与50％聚四氟乙烯粉末(粒度70m)及填充物4％玻璃纤维(粒度10m)放入高速搅拌器里面搅拌10分钟使其混合均匀。再将混合物在40MPa压强、250C下压制成型，然后将压制成型件放入烧结炉中，在空气环境下以100C/小时的升温速率加热至315C，保温30分钟，再以50C/小时的升温速率加热至375C±5C，保温2小时。降温过程中先以50C/小时的降温速率降温至315C，保温30分钟，再自然冷却至室温，得成品。该实例适用于各种尺寸的产品。
经检测，以上7例实例所得材料与纯聚四氟乙烯相比，其耐磨性能大幅提高，有的提高了超过100倍，耐温可高达300C以上，同时使产品成本降低30％-40％。
权利要求
1.一种高耐磨性聚四氟乙烯复合材料，其特征在于，它是由聚四氟乙烯和聚丙烯腈粉末混合后，经压制成型、高温烧结形成，其中，聚四氟乙烯粉末的粒度为30m-200m，含量为50％-70％；聚丙烯腈粉末的粒度为30m-100m，含量为30％-50％。
2.如权利要求1所述的聚四氟乙烯复合材料，其特征在于，在其组分中增加有金属及金属氧化物粉末，其粒度为10m-50m，含量为0％-5％。
3.如权利要求1所述的聚四氟乙烯复合材料，其特征在于，在其组分中增加有非金属氧化物、碳化物粉末，粒度为粒度10m-50m，含量为0％-5％。
4.如权利要求1所述的聚四氟乙烯复合材料，其特征在于，在其组分中还增加有其他纤维类的填充物，其直径为8m-15m，含量为0％-5％。
5.如权利要求1所述的高耐磨性聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，其制备过程为(1)首先按以下计算量(均为重量百分含量)的各组份混合并搅拌均匀聚四氟乙烯粉末(粒度30m-200m)， 50％-70％，聚丙烯腈粉末(粒度30m-100m)， 30％-50％，非金属氧化物、碳化物(粒度10m-50m)， 0％-5％，金属及金属氧化物粉末(粒度10m-50m)， 0％-5％，其他纤维类的填充物(直径8m-15m) 0％-5％。(2)将混合料在40MPa压强下冷压成型或在低于250C条件下热压成型，并在40MPa压强下保持5-10分钟；(3)将压制成型的样品置入高温烧结炉中，以30C-100C/小时的升温速率加热至375C±5C，保温2小时(4)自然冷却到室温，得成品。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述将压制成型的样品置入高温烧结炉中升温时，在加热到270C-315C范围内保温1-2次，每次20-30分钟，然后再继续升温。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述将完成烧结的产品冷却时，在冷却到315C时保温20-30分钟，然后再自然冷却到室温。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的聚丙烯腈是先在370C温度下预氧化处理2小时后再与聚四氟乙烯粉末混合。
全文摘要
本发明属于高分子材料改性领域技术，具体涉及聚四氟乙烯复合材料及制备方法。所述高耐磨性聚四氟乙烯复合材料由聚四氟乙烯和聚丙烯腈粉末混合后，经压制成型、高温烧结形成，其中聚四氟乙烯粉末的粒度为30m－200m，含量为50％－70％；聚丙烯腈粉末的粒度为30m－100m，含量为30％－50％。其组分中可选择添加金属及金属氧化物、非金属氧化物、碳化物和其他纤维类填充物等，以增强其相应的性能。本复合材料相比未使用聚丙烯腈改性的，其耐磨性大幅提高，有的提高了超过100倍，还提高了耐热性和高温力学性能，适合加工耐磨、摩擦系数小、耐高温、耐化学药品的密封圈、轴承衬套、阀门、管道、泵等。本制备方法直接采用机械混合，工艺简单，生产成本低。
文档编号C08K3/00GK1786070SQ200510095700
公开日2006年6月14日 申请日期2005年11月24日 优先权日2005年11月24日
发明者黄文浩, 宋明斌 申请人:中国科学技术大学