一种SiO2纳米球/PTFE复合材料的制备方法技术

一种SiO2纳米球/PTFE复合材料的制备方法，涉及纳米摩擦学技术领域。本发明专利技术以PTFE作为基体材料，以正硅酸四乙酯和水作为反应原料，乙醇为溶剂，以全氟辛基磺酸钾为阴离子表面活性剂，氨水为催化剂制得SiO2纳米球/PTFE复合材料。本发明专利技术将原位合成得到的SiO2纳米球可均匀地填充到PTFE中，本发明专利技术的制备条件温和、生成的SiO2纳米球球形度高，尺寸分布集中，在基体材料PTFE中分散均匀，可大大提高PTFE的摩擦学等性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米摩擦学

技术介绍
由于PTFE独特的分子结构，使其具有许多优异的性能，有“塑料王”之称，其主要优点主要有：①较宽的温度使用范围，可以在-200～260℃的范围内长期连续使用，当温度到达400℃时才显著分解；②优异的化学稳定性，不与有机溶剂（醇、醚、酮等）、强酸、强碱、强氧化剂等发生作用，甚至在王水中也不受浸蚀；③优异的电绝缘性能，PTFE大分子链上的F原子比聚乙烯上的H原子大，F原子带负电对主链C原子上的正电荷起有效的屏蔽作用，因而具有优良的介电性；④突出的不粘性，由于其表面能极低，表面张力仅为0.019N/m，几乎不与所有的物质发生粘附；⑤摩擦系数小，由于PTFE大分子间的相互引力小，因此其摩擦系数非常小，静摩擦系数仅为0.03，是已知固体工程材料中最低的；⑥极小的吸水率（仅为0.001%～0.005%）等其它优点。因此使其被广泛应用于航空航天、化工、电气、建筑、医疗等其他领域。但是，PTFE存在机械性能差、耐蠕变性能差、线膨胀系数大等缺点在一定程度上限制了它的使用。尤其是PTFE属于典型的非极性分子链，分子链间的相互作用很弱，其晶片之间的无定型区域具有较低的剪切弹性模量及剪切强度，在外力作用下大分子链易发生滑移和断裂，从而使材料被拉出结晶区，造成其磨耗巨大。目前，国内外都在积极寻求适当的改性方式，以满足PTFE在各个领域的使用要求，扩展其应用范围。纳米材料作为近年来发展起来的一种新材料，拥有许多传统材料所不具备的特殊性能，如表面和界面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等。同时，纳米材料具有良好的硬度和强度是普通无机材料的4倍左右，添加到聚合物材料中具有其它复合材料无法比拟的综合性质，在力学、摩擦学等方面取得了良好的改性效果。此外，由于纳米粒子巨大的比表面积，因此只要很少的添加量即可满足所需的性能要求，且不会明显影响基体材料的基本性能。这使得纳米粒子填充改性PTFE的研究得到了广泛的重视。纳米SiO2粒子对PTFE填充改性后，能在整体上提高复合材料的性能，增加材料的刚度和强度。同时，纳米SiO2粒子还可以束缚PTFE大分子链间的运动，阻止大面积的带状磨损。此外，在材料表面发生磨损时，脱粘的纳米SiO2粒子因具有较强的表面活性，易与对偶件结合形成致密的转移膜，有利于降低复合材料的摩擦系数。但在制备纳米复合材料的过程中，由于纳米粒子存在着团聚现象，解决纳米粒子的分散问题一直备受关注，已成为制备高性能纳米复合材料的瓶颈。如果纳米粒子不能较好地分散于高分子基体材料中，其复合材料的摩擦磨损性能与微米级粒子填充的复合材料相近。因此，只有达到均匀分散，纳米复合材料才能表现出优于其它复合材料的性能。何春霞等（《工程塑料应用》，2000年12月）采用机械混合法制备的纳米SiO2/PTFE复合材料，结果表明：纳米SiO2的加入会使PTFE从塑性材料变为典型的脆性材料，虽然硬度有所上升，但拉伸强度和断裂伸长率急剧降低。这是由于PTFE属于典型的非极性材料，纳米SiO2属于极性粉体，两种粉体间的界面作用能不同，仅受机械搅拌力的作用，纳米SiO2会团聚而不能均匀地分散在PTFE树脂中。黄岳元等（《机械科学与技术，2004年9月》）采用偶联剂法处理纳米SiO2，然后用共混烧结工艺制备了PTFE复合材料，结果表明：拉伸强度和断裂强度均呈现降低趋势，复合材料摩擦系数增大但仍保持较低值，在纳米SiO2质量含量为15%时磨损量降低。研究采用的纳米SiO2虽经偶联剂表面改性，但报道中缺少纳米SiO2在PTFE基体树脂中分散情况的表征，很保证纳米SiO2在PTFE中的充分分散，难以发挥纳米粒子小尺寸效应。索进平等（《润滑与密封》，2006年9月）采用溶剂蒸发法，将硅溶胶和PTFE分散乳液在60℃水浴中搅拌加热，当转变成较粘稠的溶胶后烘干并碾细，结果表明：在相同填充量时，该法制备的复合材料硬度比机械混合法制备的PTFE复合材料高，且在含量为50%时达到最高，但在含量为60%时团聚现象比较严重。由于未能保证纳米粒子的充分分散，报道中使用的纳米SiO2的含量远远超过其理论用量，几乎接近微米粒子的用量。鉴于上述缺陷，开发一种能使纳米SiO2均匀分散在PTFE基体树脂中的方法是必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中纳米SiO2不能均匀地分散在PTFE基体树脂中的现象，提供了一种便于操控纳米SiO2粒径，并且能使纳米SiO2在PTFE中高度分散，此外综合性能良好的SiO2纳米球/PTFE复合材料的制备方法。本专利技术包括以下步骤：1）将全氟辛基磺酸钾加入到正硅酸四乙酯和乙醇的混合液中，在混合体的温度为30～50℃的条件下机械搅拌后，得到正硅酸四乙酯混合液；2）在搅拌条件下，将PTFE粉料与正硅酸四乙酯混合液混合，得到PTFE糊状物；3）在搅拌条件下，将氨水溶液滴加于所述PTFE糊状物中进行反应；4）反应结束后，将反应取得的混合物经旋蒸脱除残余的液相，取固相然后在100℃环境中干燥，得到复合粉料；5）将所述复合粉料热压后得毛坯；6）将毛坯烧结后冷压，取得SiO2纳米球/PTFE复合材料。本专利技术以PTFE作为基体材料，以正硅酸四乙酯和水作为反应原料，乙醇为溶剂，以全氟辛基磺酸钾为阴离子表面活性剂，氨水为催化剂制得SiO2纳米球/PTFE复合材料。其中以正硅酸四乙酯和水为原料生成的SiO2纳米粒径，是根据Stöber溶胶-凝胶技术的原理控制合成的。本专利技术将原位合成得到的SiO2纳米球可均匀地填充到PTFE中，本专利技术的制备条件温和、生成的SiO2纳米球球形度高，尺寸分布集中，在基体材料PTFE中分散均匀，可大大提高PTFE的摩擦学等性能。进一步地，本专利技术采用的所述PTFE粉料的平均粒径为20～30μm。该PTFE粉料粒径小、成型品物性好，且粉末表观密度较高，混合方式的分散性好。本专利技术所述全氟辛基磺酸钾、正硅酸四乙酯、乙醇和PTFE粉料的混合质量比为0.005～0.05∶2～18∶180∶100。所述SiO2纳米球的理论含量为PTFE单体质量的0.5%～5%。因为只要SiO2纳米球能均匀地分散在PTFE基体树脂中，只需极少的用量就能显著改善PTFE的力学和摩擦学等其它性能。为了使制成的SiO2纳米球/PTFE复合材料中SiO2纳米球的含量为PTFE的0.5%～5%，是在工艺过程中通过调节正硅酸四乙酯的浓度来控制的，即正硅酸四乙酯与PTFE的质量比控制在2～18∶100。作为阴离子表面活性剂的全氟辛基磺酸钾，可以有效地降低SiO2纳米球的表面能、抑制其团聚。如加入量过少起不到有效地分散作用，如加入量过多易增加混合液的粘度，同样起不到分散作用。因此控制全氟辛基磺酸钾的质量为SiO2纳米球质量的1%～2%，即全氟辛基磺酸钾与正硅酸四乙酯的质量比为0.005～0.05∶2～18。乙醇作为共溶剂，既与水互溶又与正硅酸四乙酯互溶，使反应物正硅酸四乙酯和水充分接触，获得均一的溶液。乙醇的加入量太少会使二者混合不均匀，如果加入量太多，乙醇作为正硅酸四乙酯缩合反应的产物，会对反应起抑制作用，所以固定乙醇与PTFE的质量比为180∶100。另外，为了使制成的SiO2纳米球/PTFE复合材料中SiO2纳米球本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SiO2纳米球/PTFE复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将全氟辛基磺酸钾加入到正硅酸四乙酯和乙醇的混合液中，在混合体的温度为30～50℃的条件下机械搅拌后，得到正硅酸四乙酯混合液；2）在搅拌条件下，将PTFE粉料与正硅酸四乙酯混合液混合，得到PTFE糊状物；3）在搅拌条件下，将氨水溶液滴加于所述PTFE糊状物中进行反应；4）反应结束后，将反应取得的混合物经旋蒸脱除残余的液相，取固相然后在100℃环境中干燥，得到复合粉料；5）将所述复合粉料热压后得毛坯；6）将毛坯烧结后冷压，取得SiO2纳米球/PTFE复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种SiO2纳米球/PTFE复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将全氟辛基磺酸钾加入到正硅酸四乙酯和乙醇的混合液中，在混合体的温度为30～50℃的条件下机械搅拌后，得到正硅酸四乙酯混合液；2）在搅拌条件下，将PTFE粉料与正硅酸四乙酯混合液混合，得到PTFE糊状物；3）在搅拌条件下，将氨水溶液滴加于所述PTFE糊状物中进行反应；4）反应结束后，将反应取得的混合物经旋蒸脱除残余的液相，取固相然后在100℃环境中干燥，得到复合粉料；5）将所述复合粉料热压后得毛坯；6）将毛坯烧结后冷压，取得SiO2纳米球/PTFE复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述PTFE粉料的平均粒径为20～30μm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述全氟辛基磺酸钾、正硅酸四乙酯、乙醇和PTFE粉料的混合质量比为0.005～0.05∶2～18∶180...

【专利技术属性】
技术研发人员：石国军，孙桃，冯春亮，曹臻，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32