一种高导热聚四氟乙烯复合膜材料的制备方法技术

本发明专利技术是一种制备高导热聚四氟乙烯复合膜材料的方法，其主要内容是通过填料改性、高速混合、冷压成坯、烧结成型、车削成膜、压延定向的方法制备一种导热填料填充改性聚四氟乙烯的复合膜材料，并通过提高导热填料的含量，对多种兼具不同功能导热填料进行化学结构设计和成型工艺调控制备出填料分散形态和膜结构可控、力学性能、导电性能、耐腐蚀和耐磨损性能优良的高导热聚四氟乙烯基复合膜材料。本发明专利技术的高导热聚四氟乙烯复合膜材料具有膜结构可控、力学性能优良、功能性灵活可调、设备工艺简单、适合产业化的优点，在高性能化、功能化的PTFE复合膜材料领域具有显著的研究价值和应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高导热聚四氟乙烯复合膜材料的制备方法
本专利技术涉及一种高导热聚四氟乙烯复合膜材料的制备方法，更具体的说是涉及一种导热填料分散形态及复合膜结构可控，力学性能优良、低线性热膨胀系数、优良导热功能、设备工艺简单、可产业化的高导热聚四氟乙烯复合膜材料的制备方法，属于高性能聚四氟乙烯复合膜材料

技术介绍
聚四氟乙烯（PTFE）是一种特殊的工程塑料，由于其独特的化学分子结构，具有使用温度范围宽广、介电性能、耐腐蚀和耐化学性能优异的优点，能耐“王水”，因此有“塑料王”之称[1]。目前，PTFE的制品主要有管材、棒材、板材和薄膜等，其中PTFE薄膜可广泛应用于密封衬垫、电容器介质等，也可制成胶带应用于轻工、军工、油田等领域。然而PTFE的导热性较差，热导率仅为0.19~0.27W/(m·K)，不能满足其作为高效换热器和断路器等的导热散热要求，同时，其线性热膨胀系数大，导致材料的稳定性和收缩性较差。因此，如何制备高导热、低线性热膨胀系数PTFE薄膜是当今材料学科与工程领域关注的热点之一。研究指出，要实现PTFE材料的高导热性，必须添加高导热系数的金属材料或无机材料，如铝粉、铜粉、炭黑和石墨等对PTFE进行填充改性。谢文谦[2]等将PTFE和石墨烯共混，通过粉末冶金的工艺制备了石墨烯/PTFE复合材料，当石墨烯含量为2.0wt%时，其导热系数为0.48W/(m·K)，提高了1倍左右。ChenPan[3]等加入氮化硼对PTFE进行改性，当氮化硼含量为30vol%时，其导热系数提高至0.722W/(m·K)以上，但其介电性能却大幅度下降。解挺[4]等，通过混料﹑压制﹑烧结的工艺制备了含5%~60%铜粉颗粒的PTFE基复合材料，结果表明，加入重量百分比为20%铜粉的PTFE基复合材料的导热系数为纯PTFE的2倍，而铜粉加入量为60%时，复合材料的导热系数为PTFE的5倍多。这些方法虽能提高PTFE的导热性能，然而却并未涉及到PTFE薄膜材料的制备，且填料形态、种类单一，当填料量较少时，无法形成有效的网络搭接，PTFE复合材料导热性能提升有限，热导率多低于1W/(m·K)，而提高填料含量后，复合材料的其他性能却会变差，难以满足实际应用需求。因此，发展具有多种不同功能和形态的导热填料填充改性PTFE，并通过设计调控化学结构和成型工艺以获得性能满足要求的高导热PTFE复合膜材料具有广阔的应用前景。国内制备PTFE复合膜材料的方法主要为车削法。ShiXue-bo[5]等采用冷压烧结制坯后车削的方法制备了填充量为0.5~2wt%，厚度为0.05~0.15mm的SiO2/PTFE复合薄膜，研究了不同含量SiO2填充PTFE对复合材料耐蠕变性能的影响。赵晖[6]等将PTFE悬浮细粉和2~20wt%的纳米级的高纯超细硅微粉或钛白粉进行捣碎、混合、搅拌、过筛、压制成型,再经烧结、车削获得了一系列介电常数可调，厚度为0.02~0.5mm的PTFE复合薄膜。以上研究虽能成功制备填料/PTFE复合薄膜，但均未涉及到导热PTFE复合膜材料的制备，且填料含量低，即使采用相应的导热填料，也不能达到理想的导热性能，难以满足其在密封衬垫、电容器介质和高效换热器等领域的应用。为解决这一问题，发展高含量导热填料填充改性PTFE复合膜材料制备新技术，以期使导热填料在PTFE中均匀分布并形成导热网络，同时提高复合膜材料的致密度，实现PTFE复合膜材料结构灵活可控并兼具优良的力学性能、低线性热膨胀系数、耐腐蚀性能等，在提高PTFE复合材料附加值和拓宽PTFE功能膜材料应用领域方面具有重要意义。参考文献[1]E.Dhanumalayan,GirishM.Joshi.Performancepropertiesandapplicationsofpolytetrafluoroethylene(PTFE)—areview[J].AdvancedCompositesandHybridMaterials,2018.[2]谢文谦.石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料制备及性能研究[D].华东理工大学,2016.[3]ChenPan,KaichangKou,QianJia,etal.ImprovedthermalconductivityanddielectricpropertiesofhBN/PTFEcompositesviasurfacetreatmentbysilanecouplingagent[J].CompositesPartB,2017(111):83-90.[4]解挺,林子钧,陈刚等.Cu粉含量对PTFE基复合材料导热性能影响的数值分析[J].金属功能材料,2010,17(2):52-56.[5]Xue-boShi,Chun-leiWu,Min-zhiRong,etal.IMPROVEMENTOFCREEPRESISTANCEOFPOLYTETRAFLUOROETHYLENEFILMSBYNANO-INCLUSIONS[J].ChineseJournalofPolymerScience,2013,31(3):377-387.[6]赵晖,赵文杰,侯金国.一种高介电常数宽幅聚四氟乙烯功能薄膜及其制造工艺[P].中国专利,CN107775975A,2018-03-09。
技术实现思路
针对现有研究制备高导热聚四氟乙烯（PTFE）复合材料的缺点和车削法制备复合膜材料的不足，本专利技术的目的旨在提出一种将导热填料与PTFE复配，导热填料添加量为20wt%以上、填料分散形态及复合膜结构可控、功能可调、力学性能优异、线性热膨胀系数低，且设备工艺简单、可产业化高导热PTFE复合膜材料的制备方法。该方法能通过提高导热填料的含量来实现导热网络的搭接，选择不同种类和形态的导热填料，设计改进成型工艺以改善无机填料在PTFE基体中的分散情况和取向状态，调控PTFE复合膜材料的形态结构，提高复合膜材料的致密度，实现高导热PTFE复合膜材料线性热膨胀性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能和力学性能的同步提高。该方法同时具有设备工艺简单、可连续化生产、适宜大规模工业化生产的优点。本专利技术的基本原理是，鉴于导热填料的添加量、分散形态，导热填料与PTFE的界面相容性以及导热填料/PTFE复合材料的致密度对导热网络的搭接和复合膜材料的力学性能等有较大影响，所以通过提高导热填料的添加量，从而增加搭接点使导热网络有效建立；选用具有不同形态导热填料并进行化学结构设计，使其在PTFE中的流动性及团聚效应得到优化，从而能更好地调控设计导热填料在PTFE中的分散形态及其与PTFE的界面相容性；同时通过在成型工艺中引入高压预成型和压延定向的步骤也能改变导热填料在PTFE中的分散形态及复合薄膜的厚度和致密度，其中高压预成型可以有效排出毛坯中的残留空气，提高毛坯致密度，其采用的逐级加压、缓慢卸压和上下等压的压制方法可以保证毛坯不开裂和密度均一，提高最终产品质量，压延定向可以迫使填料取向，提高PTFE结晶度，实现复合膜材料力学性能增强和致密度的进一步提高；并进而通过选择兼具不同优异性能的导热填料与PTFE复配，如兼具导电性能的石墨、耐磨损性能的铝粉等，从而使所制备高导热PTFE复合膜材料具有不同功能和性能，可适用于多个领域。本专利技术从这本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高导热聚四氟乙烯复合膜材料的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：（1）填料改性：对填料进行干燥处理，冷却至室温后，采用硅烷偶联剂进行改性，干燥粉碎后得改性后填料；（2）原料混合：将改性后填料与聚四氟乙烯树脂分别过60目以上不锈钢筛，采用高速搅拌机混合均匀后，再次过筛得高导热的聚四氟乙烯混合料；（3）压制毛坯：在10~35℃条件下，将混合料置于带芯棒的圆柱形模具中，采用逐级加压、缓慢卸压的方式对混合料进行上下等压压制，压制压力为10~25MPa，压制好的毛坯在60~120℃温度下放置24h以上；（4）烧结成型：将上述毛坯放入可程序控温的烧结炉中进行烧结，设置烧结程序为：以10~60℃/h的升温速率，将炉内温度由室温升温至360~400℃，在360~400℃烧结4~15h后，再以5~30℃/h的降温速率将温度降至300~350℃，之后随炉冷却；（5）二次压制：将上述烧结后的型坯预热至160~250℃，置于液压机上进行二次压制、定型；（6）车削成膜：将冷却后的型坯在烘箱中于60~120℃预热后，固定于车床上，采用硬质合金刀按设定厚度进行车削，控制车削所得复合材料厚度为0.05~0.5毫米；（7）压延定向：将车削膜置于预热到160~200℃以上的双辊之间，调整双辊间距，通过在线监测控制所得高导热聚四氟乙烯复合薄膜厚度为0.03~0.2毫米。...

【技术特征摘要】
1.一种高导热聚四氟乙烯复合膜材料的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：（1）填料改性：对填料进行干燥处理，冷却至室温后，采用硅烷偶联剂进行改性，干燥粉碎后得改性后填料；（2）原料混合：将改性后填料与聚四氟乙烯树脂分别过60目以上不锈钢筛，采用高速搅拌机混合均匀后，再次过筛得高导热的聚四氟乙烯混合料；（3）压制毛坯：在10~35℃条件下，将混合料置于带芯棒的圆柱形模具中，采用逐级加压、缓慢卸压的方式对混合料进行上下等压压制，压制压力为10~25MPa，压制好的毛坯在60~120℃温度下放置24h以上；（4）烧结成型：将上述毛坯放入可程序控温的烧结炉中进行烧结，设置烧结程序为：以10~60℃/h的升温速率，将炉内温度由室温升温至360~400℃，在360~400℃烧结4~15h后，再以5~30℃/h的降温速率将温度降至300~350℃，之后随炉冷却；（5）二次压制：将上述烧结后的型坯预热至160~250℃，置于液压机上进行二次压制、定型；（6）车削成膜：将冷却后的型坯在烘箱中于60~120℃预热后，固定于车床上，采用硬质合金刀按设定厚度进行车削，控制车削所得复合材料厚度为0.05~0.5毫米；（7）压延定向：将车削膜置于预热到160~200℃以上的双辊之间，调整双辊间距，通过在线监测控制所得高导热聚四氟乙烯复合薄膜厚度为0.03~0.2毫米。2.根据权利要求1所述的一种高导热聚四氟乙烯复合膜材料的制备方法，其特征在于上述步骤（1）中所述硅烷偶联剂为苯基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、氨基硅烷偶联剂、...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈蓉，张瑶，郭少云，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51