氟树脂/纳米复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氟树脂/纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)制备氟树脂乳液：氟树脂10～70％，表面活性剂I?0.5～5％，余量为水；2)制备纳米材料分散液：纳米材料1～10％，表面活性剂II?0.1～1％，余量为水；3)配制复合乳液：由氟树脂乳液和纳米材料分散液按照100∶10～100重量比混合而得；4)上述复合乳液先进行共沉淀，得到的沉淀物经干燥处理，得复合粉体；复合粉体再经过加工处理，得氟树脂/纳米复合材料。采用该方法制备而得的氟树脂/纳米复合材料具有分散均匀、性能良好等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于聚合物/纳米复合材料
，特别涉及一种氟树脂纳米复合材料制备方法。
技术介绍
氟树脂具有十分优异的化学惰性、耐高低温、摩擦系数小、介电性能优异等特点， 是当今以化学、机械等工业为中心的几乎所有产业部门不可缺少的重要材料。而通过纳米改性制备聚合物/纳米复合材料是显著提高各类树脂性能的可行办法，并且取得了广泛的应用和巨大的成就。尽管氟树脂性能优异，但也存在一些缺点。如聚四氟乙烯的耐磨性能较差，其制品在长时间连续载荷下发生磨损，从而限制了其应用范围。另外，聚全氟乙丙烯和聚偏氟乙烯的导热性能和导电性能较差，也限制它们的应用。为克服上述缺点，扩大氟树脂的应用范围，国内外的科研工作者对氟树脂进行大量的研究，其中包括纳米材料改性氟树脂。报道利用纳米氧化铝和纳米氧化锌提高聚四氟乙烯的耐磨性。另外，还可以利用纳米氮化铝提高聚全氟乙丙烯的导热性能，利用纳米碳管提高聚偏氟乙烯的导电性能。上述的氟树脂纳米复合材料均能不同程度的提高制品的性能，但是氟树脂极低的表面张力导致其中的纳米材料不易均勻分散，使得复合材料的性能稳定性和批次稳定性难以保证，阻碍了相关材料的产业化应用。纳米材料在树脂中必须能达到均勻分散，并保持分散稳定性，是聚合物/纳米复合材料的前提要求。而纳米粒子由于高表面能而易二次团聚，将导致无法有效发挥复合材料的性能。尽管众多研究者对纳米材料进行表面修饰，降低其表面张力，从而提高其分散性；但是目前氟树脂/纳米材料复合粉体的主要制备方法是干法共混，难以取得良好的分散效果。而采用气流磨等先进的加工工艺可以显著提高纳米材料的分散性，但是该方法受专用设备的制约，实施难度较大。另外，研究者也开展湿法共混制备氟树脂/纳米材料复合粉体的研究，可以部分提高纳米材料的分散性能，然而与实际要求还存在一定的差距。湿法共混工艺如下将PTFE树脂与纳米材料在碾磨机中混合，再往共混料里添加水、有机溶剂和表面活性剂，在加热的情况下施加一定的剪切力，形成结团料并干燥即可。 由于湿法共混不利于纳米材料的分散，以至于所得氟树脂纳米复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、耐磨性能均不尽如人意。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种工艺简洁、成本低的，采用该方法制备而得的氟树脂/纳米复合材料具有分散均勻、性能良好等特点ο为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种，包括以下步骤1)、制备氟树脂乳液氟树脂乳液由以下重量含量的成分组合而成氟树脂10 70% (较佳为2O 60% )；表面活性剂I :0· 5 5% (较佳为1 3% )；余量为水；2)、制备纳米材料分散液纳米材料分散液由以下重量含量的成分组合而成纳米材料1 10% (较佳为2 5% )；表面活性剂II :0. 1 (较佳为0. 1 0. 5)；余量为水；3)、配制复合乳液复合乳液由氟树脂乳液和纳米材料分散液按照100 10 100(较佳为 100 10 40)重量比混合而得；4)、上述复合乳液先进行共沉淀，得到的沉淀物经干燥处理，得复合粉体；所述复合粉体再经过加工处理，得氟树脂/纳米复合材料。作为本专利技术的的改进氟树脂为聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚偏氟乙烯或乙烯-四氟乙烯共聚物；表面活性剂I和表面活性剂II均为全氟磺酸、全氟辛酸、全氟磺酸铵、全氟辛酸铵或壬基酚聚氧乙烯醚；纳米材料为纳米氧化铝、纳米氮化硅、纳米氧化硅、纳米氧化钛、纳米碳化硅、纳米石墨、纳米二硫化钼、纳米氮化硼、纳米氧化锌、纳米碳管、氧化石墨烯或石墨烯；上述纳米材料的粒径为0. 1 lOOnm。作为本专利技术的的进一步改进步骤4)中共沉淀为将复合乳液在300 6000r/min的搅拌速度下搅拌10 120分钟，从而实现破乳，然后沉淀完全后；得沉淀物。干燥处理为于100 120°C干燥5 M小时。加工处理为模压-烧结、挤出或注塑。在本专利技术中，表面活性剂I和表面活性剂II选用同一材质为最佳。在本专利技术中，表面活性剂(即，表面活性剂I和表面活性剂II)可以提高氟树脂在水中的分散性，是实施共沉淀的前提条件。表面活性剂还可以提高纳米材料与氟树脂的亲和力，从而获得综合性能良好的氟树脂复合材料。在本专利技术中，破乳时的搅拌速度为300 6000r/min。过低的搅拌速度不易达到破乳条件，无法获得氟树脂粉体；过高的搅拌速度则导致快速破乳沉淀，难以获得纳米材料均勻分散的复合粉体。因此，最佳破乳工艺参数为500 600r/min的搅拌速度下搅拌1 2 小时。技术背景中告知的湿法共混与本专利技术的主要技术区别点在于除了材料的选择和配料的不同外，还包括(1)湿法共混首先将PTFE树脂与纳米材料混合，而本专利技术的共沉淀法则将PTFE树脂与纳米材料分步混合；(2)湿法共混利用水和有机溶剂，而共沉淀法仅利用水。采用本专利技术方法制备而得的氟树脂/纳米复合材料，其拉伸强度能高达35. 3MPa、断裂伸长率高达323%、耐磨性能高达0.013g。因此，本专利技术的氟树脂/纳米复合材料可以保持氟树脂的基本特性(即耐化学品性、耐沾污性等)，同时赋予氟树脂耐磨、耐蠕变、 导电、导热等功能，适用于机械、化工、电子、航空等领域。综上所述，本专利技术将采用乳液共混方法制备氟树脂/纳米材料复合乳液，再通过共沉淀技术，制备出纳米材料分散均勻的复合粉体；之后对复合粉体进行加工应用，可以大幅度提高氟树脂产品的性能(拉伸强度、断裂伸长率和耐磨性能)。具体实施方式下面结合实施案例对本专利技术进行进一步说明。以下所有实施例中的％均为重量％。氟树脂乳液和纳米材料分散液分别配置。氟树脂乳液配置时，按氟树脂乳液的配方中各组分的比例，分别称量氟树脂、表面活性剂I和水的重量；再将氟树脂和表面活性剂I添加到水中，按一定的搅拌速度(100 400r/min)和搅拌时间(0. 5 7小时)，获得均勻稳定的氟树脂乳液。也可以将市售的氟树脂乳液按一定的比例稀释配置，从而获得一定浓度的氟树脂乳液。纳米材料分散液配置时，按纳米材料分散液的配方中各组分的比例，分别称量纳米材料、表面活性剂II和水的重量；再将纳米材料和表面活性剂II添加到水中，按一定的搅拌速度(100 500r/min)和搅拌时间G 10小时)，获得均勻稳定的纳米材料分散液。共沉淀过程是在低速搅拌的同时，将按一定比例称量好的纳米材料分散液添加到氟树脂乳液中，之后按一定的搅拌速度(300 6000r/min的搅拌速度)将氟树脂和纳米材料破乳，获得沉淀物和上层清液，过滤得到沉淀物。将沉淀物在100 120°C (例如为110°C )下真空干燥5 M小时(例如为8h)， 得到氟树脂/纳米材料复合粉体。复合粉体经过模压-烧结、挤出、注塑等工艺，获得多种氟树脂纳米复合材料。实施例1、一种，依次进行以下步骤在lOOr/min速度搅拌的同时，将60g聚四氟乙烯、1. 5g全氟磺酸铵缓慢加入38. 5 克水中，并将搅拌速度提高到200r/min，搅拌证，获得均勻分散且稳定的聚四氟乙烯乳液。另外，在lOOr/min速度搅拌的同时，将5g纳米氧化铝(粒径为20nm)、0. 5g全氟磺酸铵缓慢加入94. 5克水中，并将搅拌速度提高到300r/min，搅拌证，获得均勻分散且稳定的纳米氧化铝分散液。接着，在lOOr/min速度搅拌的同时，将20g纳米氧化铝分散液缓慢加入到IOOg聚四氟乙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐意，杨辉，汪海风，罗仲宽，樊先平，吴周安，王树华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：