本發(fā)明涉及高分子材料，尤其涉及一種改性ptfe復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，ptfe），由于其優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性、耐高低溫性能、耐腐蝕性，卓越的自潤滑性和電絕緣性，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、石油化工等領(lǐng)域。然而，ptfe的主要缺點是機械性能不佳、耐磨性差、導(dǎo)熱性不佳、耐蠕變性差、線膨脹系數(shù)大等，在一定程度上限制了ptfe的應(yīng)用。為了改善這些性能，常見的方法是通過添加各種填料或增強體制備ptfe復(fù)合材料，然而，制備的這些ptfe復(fù)合材料可能存在力學(xué)性能較差、耐磨性改善不佳等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種改性ptfe復(fù)合材料及其制備方法，用以解決現(xiàn)有ptfe復(fù)合材料可能存在力學(xué)性能較差、耐磨性改善不佳等問題，實現(xiàn)ptfe復(fù)合材料的耐磨性和整體性能的提升。

2、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供一種改性ptfe復(fù)合材料，包括聚四氟乙烯樹脂和mxene材料，所述mxene材料占所述改性ptfe復(fù)合材料總質(zhì)量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%~15%。

3、可選地，所述mxene材料占所述改性ptfe復(fù)合材料總質(zhì)量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可以為5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%或15%等，當(dāng)然也可以是上述范圍內(nèi)的其他值，在此不做限定。

4、上述方案中，mxene材料的化學(xué)式為mn+1axn，其中（n=1~3），m代表早期過渡金屬，比如sc、ti、zr、v、nb、cr或者mo；a通常代表第三主族和第四主族元素；x代表c或n元素。mxene作為2d材料家族中的后起之秀，是一類具有二維層狀結(jié)構(gòu)的金屬碳化物和金屬氮化物材料，mxene優(yōu)異的力學(xué)性能能夠優(yōu)先提升高分子聚合物的力學(xué)性能，且mxene層間的作用力較弱，相鄰片層之間極易被剝離，使mxene材料具有優(yōu)異的自潤滑性能。與傳統(tǒng)的潤滑填料（碳納米管、石墨、石墨烯等）相比，mxene還具有較強的界面偶聯(lián)特性，能在摩擦接觸面形成牢固的自潤滑轉(zhuǎn)移膜，從而顯著降低摩擦系數(shù)和磨損率?；谏鲜鎏匦裕琺xene在摩擦潤滑方面有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明的改性ptfe復(fù)合材料通過將特定用量的mxene材料添加至聚四氟乙烯樹脂中，在有效提升改性ptfe復(fù)合材料的耐磨性的同時，還能提升改性ptfe復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能等性能，從而提升改性ptfe復(fù)合材料的整體性能，使得其具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

5、進(jìn)一步地，所述mxene材料占所述改性ptfe復(fù)合材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為7.5%~12.5%。

6、進(jìn)一步地，所述mxene材料是通過hcl和lif原位生成的hf刻蝕max相ti3alc2得到的單層ti3c2tx粉末。

7、需要說明的是，ti3c2tx中的“t”代表的是表面基團，這些基團通常包括-o、-oh、-f等，這些官能團的存在對材料的化學(xué)性質(zhì)、親水性、導(dǎo)電性等有重要影響。不同的官能團組合可以導(dǎo)致材料性質(zhì)的顯著差異，“x”代表的是材料表面可能存在的表面基團的數(shù)量，“x”可以變化，表示表面基團的多樣性和數(shù)量的變化。

8、上述方案中，通過hcl和lif原位生成的hf刻蝕max相ti3alc2得到的單層ti3c2tx粉末具有更優(yōu)異力學(xué)性能以及更好界面偶聯(lián)特性，能更有效地提升改性ptfe復(fù)合材料的整體性能。

9、此外，還可以對mxene材料的表面進(jìn)行功能化改性，以改善其與聚合物基體的相容性并賦予復(fù)合材料新的功能。例如，可以通過有機物、無機物或有機-無機雜化改性方法對mxene進(jìn)行表面改性，以提高其在ptfe復(fù)合材料中的應(yīng)用效果。

10、進(jìn)一步地，所述mxene材料的粒徑為300-500目。

11、進(jìn)一步地，所述聚四氟乙烯樹脂是平均粒徑為15~45μm的聚四氟乙烯懸浮樹脂。

12、上述方案中，聚四氟乙烯懸浮樹脂是一種特殊的ptfe形態(tài)，它在生產(chǎn)過程中以懸浮液的形式存在，通常用于制造ptfe粉末。這種粉末可以用于進(jìn)一步加工，如通過擠壓、模壓或燒結(jié)等工藝制成各種ptfe產(chǎn)品。懸浮樹脂在加工過程中提供了更好的均勻性和更精細(xì)的控制，從而能夠生產(chǎn)出具有一致性能的高質(zhì)量ptfe制品。通過選定合適粒徑和形態(tài)的聚四氟乙烯樹脂，更有利于制備性能優(yōu)異、質(zhì)量高的改性ptfe復(fù)合材料。

13、進(jìn)一步地，所述改性ptfe復(fù)合材料的硬度為55~65hd，壓縮模量為135~200mpa，壓縮屈服強度為20~45mpa，摩擦系數(shù)為0.06~0.15。具有這些性能的改性ptfe復(fù)合材料能廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海重工等高端裝備的關(guān)鍵密封件制造。

14、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明還提供上述的改性ptfe復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

15、步驟（1）：制備mxene材料；

16、步驟（2）：將制備得到的所述mxene材料和干燥后的聚四氟乙烯樹脂混合均勻后，壓制成型，得到ptfe基復(fù)合材料前驅(qū)體；

17、步驟（3）：將得到的所述ptfe基復(fù)合材料前驅(qū)體進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，得到改性ptfe復(fù)合材料。

18、上述方案中，本發(fā)明改性ptfe復(fù)合材料的制備方法先制備mxene材料，再與和干燥后的聚四氟乙烯樹脂混合后壓制成型，然后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，制備方法簡單，適用于廣泛應(yīng)用，在模塑過程中，mxene材料能夠耐受高溫?zé)Y(jié)，與ptfe不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有助于提升ptfe的多項物理化學(xué)特性。

19、進(jìn)一步地，聚四氟乙烯樹脂的干燥一般是在60-80℃環(huán)境下干燥12-36h。

20、進(jìn)一步地，在壓制成型之前，對mxene材料和干燥后的聚四氟乙烯樹脂采用濕混合干燥法進(jìn)行干燥，具體是：將兩種粉末置于無水乙醇中，用電動磁力攪拌器混合，攪拌速率為1000-1400r/min。隨后，將酒精抽濾掉，然后將樣品放入烘箱中，設(shè)置溫度50-70℃，放置時間12-36h。

21、進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述壓制成型采用的是冷壓成型；優(yōu)選地，冷壓成型的壓力為20-30mpa，保壓時間為1~2min。

22、在成型過程中，每個壓件的用料量應(yīng)該均勻地撒入模腔中，不得采用震動或敲擊等方法將料填實，以避免由于填料重量不一而導(dǎo)致的偏析現(xiàn)象。同時，不允許分次加料，以防止制品出現(xiàn)分層。模壓時應(yīng)確保單位壓力適當(dāng)，以確保制成的壓件密實無孔，具有較高的屈服強度和耐磨性。單位壓力的大小與填料種類、性能和含量有關(guān)。在模壓過程中，應(yīng)緩慢施加壓力，不得采用沖擊式加壓，同時需進(jìn)行2~4次泄壓放氣，以使樣品中的空氣及時排出。通過對壓力的限定，有助于確保成型后的坯體具有足夠的強度和密度。通過對保壓時間的限定，能確保壓力均勻傳遞，然后緩慢降壓。最后，使用脫模架將模具上下模緩慢脫出，并使用適當(dāng)工具將成型制品從模腔中取出。

23、進(jìn)一步地，步驟（3）中，所述高溫?zé)Y(jié)是以0.5-1.5℃/min的升溫速率升溫至350-400℃，在350-400℃下保溫1-3h；所述冷卻是以0.5-1.5℃/min的降溫速率降溫至300-340℃，在300-340℃下保溫1-3h，再冷卻至室溫。需要說明的是，室溫一般是指20-30℃。

24、上述方案中，通過對升溫速度進(jìn)行合理的限定，能保證ptfe在升溫過程中保持較小的內(nèi)外溫度差，防止ptfe制品內(nèi)外膨脹不一致導(dǎo)致開裂。保溫是將達(dá)到燒結(jié)固化溫度的預(yù)成型品在此溫度下保持一段時間。隨著溫度升高，ptfe大分子鏈開始無規(guī)則纏繞，保溫溫度和時間決定了分子纏繞的致密性，溫度低于350-400℃或者保溫時間低于1h，甚至50min，ptfe分子鏈活性不佳，制品致密性差，而燒結(jié)溫度過長又會導(dǎo)致ptfe過多的分解，造成制品起泡。保溫過程中，ptfe的分子運動加劇，顆粒間界面消失，成為密實的連續(xù)整體。因此本發(fā)明對于高溫?zé)Y(jié)的保溫溫度和時間進(jìn)行了特殊的限定。降溫冷卻是將已經(jīng)燒結(jié)好的預(yù)成型制品，從保溫溫度降至室溫的過程。在此過程中，ptfe樹脂由無定型轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相，制品體積收縮。本發(fā)明限定在冷卻過程中，先以0.5-1.5℃/min的降溫速率降溫至300-340℃，在300-340℃下保溫1-3h，使ptfe內(nèi)外溫度都降至再結(jié)晶溫度，利于ptfe降溫收縮提高性能，然后隨爐冷卻至室溫。

25、進(jìn)一步地，步驟（3）中，所述高溫?zé)Y(jié)是在惰性氣體下進(jìn)行，壓力處于正壓狀態(tài)?？蛇x地，惰性氣體包括氮氣、氬氣等。采用惰性氣體進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，保護材料免受氧化和其他有害反應(yīng)的影響，并確保燒結(jié)過程的穩(wěn)定性和可控性。

26、進(jìn)一步地，高溫?zé)Y(jié)使用n2氣氛保護，在升溫前用n2反復(fù)置換爐內(nèi)的空氣，直至空氣全被n2所置換，以后每隔一段時間補充n2，使?fàn)t內(nèi)壓力處于正壓狀態(tài)。

27、本發(fā)明提供一種改性ptfe復(fù)合材料，通過將特定用量的mxene材料添加至聚四氟乙烯樹脂中，在有效提升改性ptfe復(fù)合材料的耐磨性的同時，還能提升改性ptfe復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能等性能，從而提升改性ptfe復(fù)合材料的整體性能，使得其具有更廣泛的應(yīng)用范圍。