PTFE复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料领域，特别是涉及一种PTFE复合材料及其制备方法。
背景技术：
：聚四氟乙烯(PTFE)，是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料，这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。随着科学技术的发展，聚四氟乙烯在工程上的应用得到快速的增长，并已成为尖端科学和现代工业不可缺少的重要材料之一，在原子能、国防、航天、电子、电气、化工、机械、仪器、仪表、建筑、纺织、金属表面处理、制药、医疗、食品、冶金冶炼等工业中广泛用作耐高低温、耐腐蚀材料、绝缘材料等，显示出了光明的发展前景。然而，聚四氟乙烯的力学性能较差，这在一定程度上限制了其在实际中的应用。技术实现要素：基于此，有必要提供一种力学性能较好的PTFE复合材料。具体的技术方案如下：一种PTFE复合材料，包括如下质量百分比的原料制备而成：连续纤维2-20％PTFE粉体30-98％填料粉体0-50％。在其中一个实施例中，所述PTFE粉体为悬浮法聚四氟乙烯粉。在其中一个实施例中，所述连续纤维选自PBO纤维、芳纶纤维、碳纤维、SiC纤维或金属纤维。在其中一个实施例中，所述填料粉体为无机粉体或金属粉体，所述无机粉体选自金属或非金属的氧化物、碳化物、硅化物或硼化物；所述金属粉体选自Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Cu的金属粉或其金属合金粉。在其中一个实施例中，所述PTFE复合材料的形状为筒体，所述筒体上设有若干条环状加强筋。在其中一个实施例中，所述筒体的直径为50-1000mm，壁厚为1-20mm，相邻2条所述加强筋之间的距离为10-100mm。本发明的另一目的在于提供一种上述PTFE复合材料的制备方法，包括如下步骤：将所述PTFE粉体与所述填料粉体混合得复合材料粉体，使所述复合材料粉体包裹所述连续纤维，得纤维粉带；将所述纤维粉带进行缠绕形成纤维粉带筒体；将所述纤维粉带筒体进行烧结处理，即得所述PTFE复合材料。在其中一个实施例中，所述纤维粉带采用缠绕辊进行缠绕，所述缠绕辊的形状与所述纤维粉带筒体相配合，所述缠绕辊上设有环状凹槽，所述纤维粉带填充于所述环状凹槽(以形成加强筋)。在其中一个实施例中，所述连续纤维经过退捻机进行分散。在其中一个实施例中，所述烧结处理的条件为在380-400min内由15-30℃升温至320-400℃，保温0.5-1.5h后降温。本发明的原理和有益效果：上述PTFE复合材料利用一定比例的连续纤维和填料粉体对聚四氟乙烯进行改性，连续纤维作为骨架，减少了内部的应力集中点，当PTFE复合材料受到外部载荷时，力传递给连续纤维，连续纤维可起到承重作用，有效地提高了PTFE复合材料的力学性能，拉伸强度最高可达272.4MPa，大尺寸薄壁筒体形状的PTFE复合材料亦可获得十分优异的力学性能，在筒体形状的PTFE复合材料上设置环状加强筋还可进一步提高其径向刚度。附图说明图1为实施例22制备的PTFE复合材料的照片；图2为实施例22制备的PTFE复合材料的环向三个切片的应力-应变曲线图；图3为实施例22制备的PTFE复合材料的轴向三个切片的应力-应变曲线图；图4为实施例23制备的PTFE复合材料的照片。具体实施方式为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的
技术领域：
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。一种PTFE复合材料，包括如下质量百分比的原料制备而成：连续纤维2-20％PTFE粉体30-98％填料粉体0-50％。优选地，PTFE粉体为悬浮法聚四氟乙烯粉。优选地，连续纤维选自PBO纤维、芳纶纤维、碳纤维、SiC纤维或金属纤维，最优选为PBO纤维。优选地，填料粉体为无机粉体或金属粉体，无机粉体选自金属或非金属的氧化物、碳化物、硅化物或硼化物；金属粉体选自Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Cu的金属粉或其金属合金粉。优选地，PTFE复合材料的形状为筒体，筒体上设有若干条环状加强筋。优选地，筒体的直径为50-1000mm，壁厚为1-20mm，相邻2条加强筋之间的距离为10-100mm。一种上述PTFE复合材料的制备方法，包括如下步骤：S10、将PTFE粉体与填料粉体混合得复合材料粉体，使复合材料粉体包裹连续纤维，得纤维粉带。S20、将纤维粉带进行缠绕形成纤维粉带筒体。S30、将纤维粉带筒体进行烧结处理，即得上述PTFE复合材料。优选地，在烧结处理前将内壁附有脱模材料的金属裹板包裹在纤维粉带筒体表面，从而可对烧结过程中的PTFE复合材料提供支撑和保护，避免变形或受损。优选地，脱模材料为石墨粉或PTFE玻璃纤维布，具有耐高温、耐磨损、耐化学性和润滑性的特性，经历高温之后依然有较好的脱模效果。优选地，烧结处理的条件为在380-400min内由15-30℃升温至320-400℃，保温0.5-1.5h后降温。优选地，连续纤维经工具如退捻机进行分散使其蓬松，从而与复合材料粉体充分地接触。优选地，将复合材料粉体于50-200℃下真空干燥0.5-3h，冷却至室温后使用，或封存在干燥器中待用，避免复合材料粉体较长时间不用后受潮或结块，影响制得的PTFE复合材料的性能。优选地，纤维粉带采用缠绕辊进行缠绕，缠绕辊的形状与纤维粉带筒体相配合，缠绕辊上设有环状凹槽，纤维粉带填充于环状凹槽。优选地，将纤维粉带进行环向缠绕和纵向缠绕形成纤维粉带筒体。以下通过具体实施例对本发明作进一步的阐述。实施例1-19根据表1中的组分比例按照如下步骤制备PTFE复合材料：将PTFE粉体和Al金属粉装入搅拌机中充分搅拌均匀后得到复合材料粉体，其中实施例1-11和实施例14将连续纤维通过工具或手工进行分散使其蓬松，实施例14具体使用退捻机分散连续纤维。将复合材料粉体与连续纤维混合，使复合材料粉体包裹连续纤维然后收拢得到粉带。将脱模材料包覆在缠绕辊表面，调节压辊紧密接触缠绕辊，然后从两辊间的一个端面喂入纤维粉带，转动缠绕辊，压辊将纤维粉带压覆在缠绕辊上，无间隙环向缠绕纤维粉带，直至缠绕辊的另一端，然后使用压辊反复滚压，使纤维粉带紧紧贴附在缠绕辊上，完成一次环向缠绕。然后将纤维粉带沿轴向缠绕于缠绕辊上，当纤维粉带沿轴向覆满整个缠绕辊后，用压辊反复滚压，使纤维粉带紧紧贴附在缠绕辊上。重复进行缠绕，后续的环向缠绕从中间喂入粉带，向两侧环向缠绕，增加缠绕层厚度直至形成的纤维粉带筒体达到预定厚度。缠绕好后，卸下缠绕辊，将内壁附有脱模材料的金属裹板包裹在纤维粉带筒体表面，然后放入炉中进行烧结处理，在390min内由25℃升温至380℃，保温1h后降温，获得PTFE复合材料，过程中无需气氛保护。表1*：试样滑移**：退捻法实施例20PTFE粉、Al粉、PBO纤维的质量百分比分别为68.9％、24.8％、6.3％，按照实施例1的步骤制备PTFE复合材料，区别在于仅进行环向缠绕。制备的PTFE复合材料的高度为155mm，内直径为155mm，筒体质量为316g，不同测量位置的筒体厚度如表2所示，每隔60°测量一次距离边沿约10mm处的筒体厚度，筒体的两边都测，一端平均厚度为2.05mm，另一端平均厚度为2.08mm。切片取样进行拉伸强度测试，纤维方向(环向)拉伸强度为53.6MPa，纤维垂直方向(轴向)拉伸强度为6.56MPa。表2测量方位(°)一端厚度(mm)另一端厚度(mm)0°2.032.1260°2.052.13120°2.022.06180°2.082.04240°2.082.05平均2.052.08实施例21PTFE粉、Al粉、PBO纤维的质量百分比为66.5％、24.0％、9.5％，按照实施例1的步骤制备PTFE复合材料。制备的PTFE复合材料的高度为155mm，内直径为155mm，质量为224.7g，不同测量位置的筒体厚度如表3所示，每隔60°测量一次距离边沿约10mm处的筒体厚度，筒体的两边都测，一端平均厚度为1.98mm，另一端平均厚度为1.91mm。切片取样进行拉伸强度测试，纤维方向(环向)拉伸强度为95.49MPa，纤维垂直方向(轴向)拉伸强度为35.56MPa。表3测量方位(°)一端厚度(mm)另一端厚度(mm)0°1.801.7860°1.981.92120°1.981.98180°1.901.88240°2.262.00平均1.981.91实施例22PTFE粉、Al粉、PBO纤维的质量百分比为66.15％、23.85％、10％，按照实施例1的步骤制备PTFE复合材料。制备的PTFE复合材料如图1所示高度为179.5mm，内直径为300mm，质量为571g，不同测量位置的筒体厚度如表4所示，每隔60°测量一次距离边沿约10mm处的筒体厚度，筒体的两边都测，一端平均厚度为1.89mm，另一端平均厚度为2.01mm。切片取样进行拉伸强度测试，如图2所示为环向三个切片试样的应力-应变曲线，纤维方向(环向)平均拉伸强度为68.8MPa。如图3所示为轴向三个切片试样的应力-应变曲线，纤维垂直方向(轴向)平均拉伸强度为41.7MPa。测得该实施例的PTFE复合材料的径向刚度不足10N/mm。表4测量方位(°)一端厚度(mm)另一端厚度(mm)0°1.862.0260°1.672.23120°1.961.80180°1.862.16240°2.101.86平均1.892.01实施例23按照实施例1的步骤制备PTFE复合材料，区别在于使用表面有五个环向凹槽的缠绕辊，先将纤维粉带在环向凹槽内缠绕，直至纤维粉带填满环向凹槽，然后将纤维粉带进行缠绕形成纤维粉带筒体，从而可得带有环状加强筋的PTFE复合材料。制备的PTFE复合材料如图4所示高度为180mm，内直径为300mm，筒体质量为1020g，其中PBO纤维占11.75％，其余为复合材料粉体，组成壳体的复合材料粉体比例为PTFE/Al(73.5％/26.5％)，组成加强筋的复合材料粉体比例为PTFE/TiB2(60％/40％)。不同测量位置的筒体厚度如表5所示，每隔60°测量一次距离边沿约10mm处的筒体厚度，筒体的两端都测，一端平均厚度为2.71mm，另一端平均厚度为2.70mm，加强筋的平均厚度为2.62mm，宽度为3.57mm，筒体的平均计算密度为2.02g/cm3，该实施例的PTFE复合材料径向刚度为16.75N/mm。表5由实施例1-23可知，本发明的PTFE复合材料均有良好的力学性能，纤维方向拉伸强度最高可达272.4MPa，大尺寸薄壁筒体形状的PTFE复合材料亦可获得十分优异的力学性能，而且可以看出与其他纤维相比，PBO纤维增强的PTFE复合材料的力学性能显著优于其他纤维。实施例11在拉伸强度测试过程中发生试样滑移，实际强度高于241.3MPa。实施例12-13使用玻璃纤维，实施例15-19使用碳纤维或碳化硅纤维，连续纤维未经过分散，拉伸强度最高为24.1MPa，实施例12使用玻璃纤维但经过退捻法分散连续纤维，拉伸强度达到115MPa，获得了显著地提升，原因在于连续纤维未经过分散导致连续纤维与复合材料粉体混合效果不好，复合材料粉体无法充分包裹连续纤维，使PTFE复合材料的力学性能有所降低。由实施例22-23可知，通过在筒体形状的PTFE复合材料上设置环状加强筋，径向刚度提高幅度可达50％以上，支撑性明显提高，力学性能更佳。由实施例20-21可知，将纤维粉带通过环向缠绕和纵向缠绕的组合缠绕方式制成纤维粉带筒体可进一步提高PTFE复合材料的环向拉伸强度，同时使轴向拉伸强度也得到显著增强，PTFE复合材料的整体力学性能更为优秀。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页1 2 3