一种PTFE/氮化硼复合材料及其制备方法

[0001] 本发明涉及一种PTFE/氮化硼复合材料及其制备方法，特别是提供了一种用液相混合结合冷压烧结制备PTFE/氮化硼复合材料的方法。

[0002] 聚四氟乙烯( PTFE) 具有优异的化学稳定性、抗辐射性、介电性，以及极低的摩擦系数和自润滑性，成为氟塑料中最先进、运用最广泛的树脂之一。它不仅在机械、化学化工和电子电气等方面有着广泛应用，而且在宇航、军事领域也有巨大的应用价值。然而由于PTFE分子的结构特点，大分子间吸引力较小，带状晶体易被片状剥离，因而表现为力学性能差、抗蠕变性差、易冷流、回弹性差、不耐磨、不导电、不导热、线膨胀系数大等缺点，这极大限制了它在某些行业的广泛应用。因此，深入研究聚四氟乙烯的结构和物化特性，特别是通过化学、物理改性以研制开发综合性能优异的新型PTFE材料，已成为目前聚四氟乙烯研究和发展的主要方向。无机纳米填料填充改性是聚四氟乙烯最常用的改性方法之一。

[0003] 目前用于填充改性PTFE的无机纳米填料主要有纳米级的金刚石、CaCO3、CaTiO3、碳纳米管以及石墨烯等。Marcus等用玻璃纤维填充PTFE，复合材料摩擦和磨损性能获得了较高的提升，然而Lim等向PTFE中加入2%的纳米金刚石就获得了最小的摩擦系数及磨损伤害。蔡雄等采用改性的CaCO3填充聚四氟乙烯以期改善其力学性能。但是这些报道都存在填料与PTFE基体混合不够均匀的问题。宋永要等通过添加偶联剂改善填料与基体的混合均匀性，但是偶联剂的加入导致制备工艺的复杂化以及加重环境污染，而且在后续的PTFE烧结过程中，高温条件可能导致偶联剂的分解。见雪珍等采用石墨烯填充PTFE，首先对石墨烯进行羧基化和氨基化，再与PTFE复合，供电基团表面电子云会偏向氟原子，即偏向于PTFE。在范德华力作用下，诱导效应产生的电子云流动，加强了石墨烯和PTFE之间的界面粘合力，可在一定程度上改善PTFE的性能。但是这种分子间作用力相对较小，因此性能改善有限。

[0004] 作为与石墨烯类似结构的二维材料，六方氮化硼纳米片（n-BN）是一种非常有前景的填充材料，具有很好的导热性，其热导率优于大多数金属和陶瓷材料。并且随着片层厚度的减小，热导率的值会增大，单层BN纳米片的热导率大于多层和块体的BN。此外，与石墨烯一样，n-BN也是机械强度非常好的纳米材料。正是由于其具备极高的导热性和良好的机械性能，n-BN已被广泛作为有机聚合物的二维无机填料，用来改善有机聚合物的热导性和力学性能。

[0005] 六方氮化硼可以对 PTFE 起到良好的改性效果，但是目前主要采用的是块体BN，容易造成复合材料的组织不均反而成为应力集中点，降低了材料的使用性能。此外，目前所报道的BN填充改性PTFE基本都是采用高速机械混合两种原料，再对混合粉体进行冷压烧结。机械混合很难均匀，而且在烧结过程中，PTFE分子链会发生热运动，很可能造成BN的聚集，导致复合材料结构的不均匀性，影响复合材料的性能。

[0006] 根据现有技术中存在的问题，为了改善PTFE的力学性能、摩擦磨损性能以及导热性能，本项目拟采用BN纳米片对PTFE进行改性：（1）采用熔融柠檬酸热处理块体BN，可将其B-N 键断开造成了大量的B、N空位缺陷，这有利于在氮化硼纳米片层的缺陷和边缘处形成-OH和-NH-官能团，将氮化硼层间距撑开，进而得到纳米片。（2）PTFE中氟原子与硅油中氢原子的大电负性差，引起强烈的偶极相互作用，使PTFE粉末可以分散于硅油中形成稳定乳液。而氮化硼也可以分散于硅油中形成乳液，采用液相混合，较固相混合更有利于均匀分散。另外，剥离的n-BN表面B原子具有空轨道，PTFE的氟原子则具有未成对电子，因此两者可以产生配位作用，也有利于PTFE与n-BN的均匀混合。（3）PTFE由于熔融时粘度非常大，因此采用冷压烧结的成型工艺制备复合材料。如此得到的复合材料中PTFE与n-BN分散效果更好，可得到性能优异的复合材料。

[0007] 本发明的目的是提供一种用液相混合结合冷压烧结制备PTFE/氮化硼复合材料的方法，按质量百分比由以下组分构成：PTFE：90-99 wt%；
氮化硼：1-10 wt%。

[0008] 其特征在于，所述PTFE/氮化硼复合材料的制备方法包括：（1）氮化硼（BN）的剥离
将六方氮化硼粉末用熔融柠檬酸处理24h后水洗至中性，再进行过滤、干燥得到氮化硼纳米片（n-BN）；
（2）PTFE和n-BN的液相混合
将PTFE和n-BN按比例称取，分别将PTFE粉末、氮化硼纳米片（n-BN）各自分散于硅油中形成稳定乳液，再均匀混合后过滤，用二氯甲烷洗涤，干燥后得到混合粉末；
（3）冷压成型与烧结
将混合粉末放入模具中，在压力下进行冷压成型，保压一段时间；再将形坯放入烧结炉中，按一定温度控制程序进行烧结，烧结完成后随炉冷却即得产品。

[0009] 上述所述PTFE/氮化硼复合材料，其特征在于：所述六方氮化硼粒径为1-10 μm。

[0010] 上述所述PTFE/氮化硼复合材料，其特征在于：所述聚四氟乙烯为粒径20 μm-80 μm的悬浮细粉。

[0011] 上述所述PTFE/氮化硼复合材料，其特征在于：所述步骤1）中，反应温度为160-180℃。

[0012] 上述所述PTFE/氮化硼复合材料，其特征在于：所述步骤2）中，n-BN的质量分数为1-10 wt%。

[0013] 上述所述PTFE/氮化硼复合材料，其特征在于：所述步骤3）中，冷压压力为100-140 MPa。

[0014] 上述所述PTFE/氮化硼复合材料，其特征在于：所述步骤3）中，烧结过程中，温度控制程序如下：I.升温速率1.5℃/min，目标温度130℃，保温1h；
II.升温速率1.4℃/min，目标温度250℃，保温1h；
III.升温速率1.1℃/min，目标温度327℃，保温2h；
IV.升温速率1℃/min，目标温度345℃，保温1h；
V.升温速率0.4℃/min，目标温度375℃，保温1-5h；
Ⅵ.随炉冷却。

[0015] 下面结合具体实施例对本发明进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

[0016] 实施例1-4，其组分及工艺参数见表1。

[0017] 本复合材料的制备方法为：（1）氮化硼（BN）的剥离
将六方氮化硼粉末用熔融柠檬酸处理24h后水洗至中性，再进行过滤、干燥得到六方氮化硼纳米片（n-BN）；
（2）PTFE和n-BN的液相混合
称取一定量的PTFE粉末，将其与硅油混合，机械搅拌约1h使得PTFE在硅油中均匀分散；
同样称取一定量的n-BN粉末，以硅油为介质在机械搅拌作用下形成良好的分散液。最后，将两种分散体混合在一起以形成均匀分散的混合液体。将搅拌均匀的分散液进行抽滤，抽滤至一定程度后，用二氯甲烷洗涤粉末中残余的硅油，待混合粉末基本抽滤干燥后，再将其放入铁盘中进行进一步烘干，在150 ℃烘箱中烘至4-5小时；
（3）冷压成型与烧结
称取一定量完全烘干的混合粉末，均匀地铺在模具内，目的是希望样品在压制过程中受力均匀，坯体密度均匀，然后在平板硫化机上以一定压力进行压制。模压结束后，取出模具中样品。作为在整个样品制备过程中最关键的一步就是烧结，烧结工艺是复合材料性能最直接的影响因素。经过多次实验后的总结归纳，采取以下烧结工艺较为合适：
1）由于烧结炉的铁盘上圆孔较大，为避免对样品烧结过程中产生影响，在样品下面垫上孔径为0.8 mm，厚度为0.8 mm的铁片。开启烧结炉并同时打开转盘和鼓风以保证样品在烧结炉中受热均匀；
2）因为PTFE的热导性较差，如果烧结过程中的升温速率没有严格控制，将会对样品产生较大的影响。因此，在整个实验烧结过程中，温度控制程序如下：
I.升温速率1.5℃/min，目标温度130℃，保温1h；
II.升温速率1.4℃/min，目标温度250℃，保温1h；
III.升温速率1.1℃/min，目标温度327℃，保温2h；
IV.升温速率1℃/min，目标温度345℃，保温1h；
V.升温速率0.4℃/min，目标温度375℃，保温1-5h；
Ⅵ.随炉冷却。

[0018] （4）对制得的成品进行性能测试，测试结果见表2。可以得出所制得的PTFE/氮化硼复合材料具有优异的耐磨性能和导热性能。

[0019] 表1 实施案例的组分及工艺参数表项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例3
PTFE（wt%） 99 90 92 95
n-BN（wt%） 1 10 8 5
模压压力（MPa） 130 140 130 120
375℃保温时间（h） 2 2 2 5
表2 实施案例产品性能测试
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
拉伸强度（MPa） 24.75 22.75 23.25 24.50
冲击强度（MPa） 15.1 14.5 14.8 15.8
磨损性能（g） 0.0253 0.0059 0.0136 0.0150
导热系数（W·m-1·K-1） 0.4277 0.4478 0.4413 0.4436