一種玻璃纖維/碳酸鈣/聚四氟乙烯三元復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于復合材料技術領域，具體涉及一種玻璃纖維/碳酸鈣/聚四氟乙烯三元 復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 聚四氟乙烯(PTFE)具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、抗輻射性、介電性能、極低摩擦系數(shù)和 自潤滑性，在化工、機械、電子、電器、軍工、航天、環(huán)保和橋梁等國民經濟領域都有重要的應 用。由于PTFE分子的結構特點，大分子間吸引力較小，帶狀晶體易被片狀剝離，因而其表現(xiàn) 出力學性能差、線膨脹系數(shù)和承載變形大等缺點?，F(xiàn)有技術通常采用微米級石墨、二硫化 鉬、銅粉、玻璃纖維等無機粒子填充改性PTFE來克服這些缺點。
[0003] 無機填料具有高模量、易制備等優(yōu)點，使用其填充改性高分子是一種簡單有效改 善高分子性能的方法。碳酸鈣(包括重鈣和輕鈣)作為無機填料的一種，具有原料易得、價格 低廉、穩(wěn)定性好、色澤單純、無毒等諸多優(yōu)點，經常被用來填充改性高分子材料，廣泛用于塑 料、橡膠、造紙、油墨、建材、電線電纜等領域。相對于PTFE合成樹脂，碳酸鈣的價格要低得 多，將碳酸鈣加入到PTFE中既可以提高PTFE的模量及耐磨性等性能，也可以明顯降低PTFE 制品的價格。此外，相較于使用二硫化鉬、銅粉等無機粒子的高成本填充改性，碳酸鈣的成 本顯然要低不少。
[0004] 然而由于碳酸鈣屬于無機粉體，粒子表面是親水疏油的，呈現(xiàn)較強的極性，與PTFE 基體之間結合力低。當碳酸鈣在PTFE基體中的填充量較高時，形成的復合材料在受外力沖 擊時易造成界面缺陷，導致材料性能急劇下降。因此，只有對碳酸鈣進行適當?shù)谋砻娓男圆?能滿足其在PTFE基體中有較大的填充量同時又不會大幅度降低PTFE的力學強度。
[0005] 纖維復合材料在有些方面表現(xiàn)出比單純的無機納米復合材料更佳的性能，可提高 材料剛性、壓縮強度、彎曲強度、耐蠕變性。玻纖填充PTFE形成的復合材料彈性模量提高，材 料剛性和脆性增加，斷裂伸長率降低。碳酸鈣填充對復合材料塑性影響不大，但彈性模量增 加，斷裂伸長率比玻纖填充的復合材料高出許多倍。因此，采用碳酸鈣、玻璃纖維填充聚四 氟乙烯制得的復合材料應當具有不錯的力學性能。
[0006] -般而言，碳酸鈣粉體和玻璃纖維大多選用鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯類偶聯(lián)劑，同時 復配其它表面活性劑、分散劑及助劑等進行表面改性。然而鑒于聚四氟乙烯比較高的成型 工藝要求，大多數(shù)上述改性劑都不能滿足低成本、高效率改性碳酸鈣和玻璃纖維的效果。
[0007] 綜上在摒棄高成本改性劑和不選用昂貴填料的前提下，能否低成本改性無機填料 (碳酸鈣、玻璃纖維)并大量填充，制備出低成本、高性能的玻璃纖維/碳酸鈣/聚四氟乙烯三 元復合材料顯得十分迫切。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有PTFE復合材料成本高、無機填料改性難、填充量高時 性能差等不足，提供一種玻璃纖維/碳酸鈣/聚四氟乙烯三元復合材料及其制備方法。該復 合材料成本低，無機填料填充量較大時性能依然十分優(yōu)異。
[0009] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0010] 一種玻璃纖維/碳酸鈣/聚四氟乙烯三元復合材料，由以下按重量份數(shù)計的原料制 成:聚四氟乙烯粉體80-95份，碳酸鈣粉體5-20份，玻璃纖維1-3份，固體石蠟0.09-0.30份以 及抗氧劑0.004-0.016份。
[0011]所述玻璃纖維/碳酸鈣/聚四氟乙烯三元復合材料的制備方法，包括以下步驟:a) 向燒瓶中加入碳酸鈣粉體、乙醇水溶液、固體石蠟，攪拌并加熱至一定溫度后冷凝回流，之 后停止加熱使溶液自然冷卻至室溫，停止攪拌將溶液取出烘干得改性碳酸鈣粉體備用;b) 按照步驟a)所述方法制備改性玻璃纖維備用；c)將制備好的改性碳酸鈣粉體、改性玻璃纖 維、聚四氟乙烯粉體以及抗氧劑按比例混合均勻得混合粉體，將混合粉體放入模具中冷壓 成型得坯體，坯體經干燥、燒結即得。
[0012] 步驟a)和步驟b)中碳酸鈣粉體或玻璃纖維與固體石蠟的重量份數(shù)比為100:1.5， 加熱升溫至90-92Γ后冷凝回流，溶液烘干溫度為40-55Γ。
[0013] 步驟c)中改性碳酸鈣粉體、改性玻璃纖維、聚四氟乙烯粉體、抗氧劑的重量份數(shù)比 為5-20:1-3:80-95:0·004-0·016。
[0014] 優(yōu)選的，所述碳酸鈣粉體為3000目重質碳酸鈣粉體，所述玻璃纖維為l-3mm短切玻 璃纖維，所述抗氧劑為抗氧劑1010。
[0015] 本發(fā)明的有益效果為：（1)無機填料碳酸鈣、玻璃纖維表面改性工藝簡單，成本低； (2)碳酸鈣填充量較大時復合材料性能依然較好；（3)制得的某些復合材料接近純聚四氟乙 烯的力學性能，部分性能甚至有超越。
【具體實施方式】
[0016] 為使本領域普通技術人員充分理解本發(fā)明的技術方案和有益效果，下面結合具體 實施例進行進一步說明。
[0017] 本發(fā)明使用的碳酸鈣粉體為3000目重質碳酸鈣粉體，使用的玻璃纖維為3mm短切 玻璃纖維。
[0018] 實施例1
[0019]以重量份數(shù)計向燒瓶中加入13份碳酸鈣粉體，再加入0.195份固體石蠟和適量乙 醇水溶液。將燒瓶置于油浴或水浴條件下邊攪拌邊加熱升溫至92°C，接著冷凝回流一段時 間?；亓魍瓿珊笸Ｖ辜訜崾篃恐腥芤鹤匀焕鋮s至室溫，停止攪拌取出燒瓶內溶液，50 °C下 烘干得13份改性碳酸鈣粉體。采用前述方法以2份玻璃纖維、0.03份固體石蠟以及乙醇水溶 液制備濕法改性玻璃纖維2份。將85份純聚四氟乙烯粉體烘干，將其與上述制備好的改性碳 酸鈣粉體、改性玻璃纖維以及0.016份抗氧劑1010置于高速攪拌器中混合均勻。將混合料放 入特制模具中，在平板硫化機上冷壓成型，將壓制好的復合板材置于烘箱中烘干備用。用鋁 箱包裹好復合板材，將其置于馬弗爐中采用程序分段升溫燒結即得。
[0020] 實施例2
[0021]以重量份數(shù)計向燒瓶中加入20份碳酸鈣粉體，再加入0.3份固體石蠟和適量乙醇 水溶液。將燒瓶置于油浴或水浴條件下邊攪拌邊加熱升溫至90°C，接著冷凝回流一段時間。 回流完成后停止加熱使燒瓶中溶液自然冷卻至室溫，停止攪拌取出燒瓶內溶液，40 °C下烘 干取得20份改性碳酸鈣粉體。采用前述方法以3份玻璃纖維、0.045份固體石蠟以及乙醇水 溶液制備濕法改性玻璃纖維3份。將95份純聚四氟乙烯粉體烘干，將其與上述制備好的改性 碳酸鈣粉體、改性玻璃纖維以及0.012份抗氧劑1010置于高速攪拌器中混合均勻。將混合料 放入特制模具中，在平板硫化機上冷壓成型，將壓制好的復合板材置于烘箱中烘干備用。用 鋁箱包裹好復合板材，將其置于馬弗爐中采用程序分段升溫燒結即得。
[0022] 實施例3
[0023]以重量份數(shù)計向燒瓶中加入5份碳酸鈣粉體，0.075份固體石蠟和適量乙醇水溶 液。將燒瓶置于油浴或水浴條件下邊攪拌邊加熱升溫至92°C，接著冷凝回流一段時間。回流 完成后停止加熱使燒瓶中溶液自然冷卻至室溫，停止攪拌取出燒瓶內溶液，55 °C下烘干即 得5份改性碳酸鈣粉體。采用前述方法以1份玻璃纖維、0.015份固體石蠟以及乙醇水溶液制 備濕法改性玻璃纖維1份。將80份純聚四氟乙烯粉體烘干，將其與上述制備好的改性碳酸鈣 粉體、改性玻璃纖維以及0.004份抗氧劑1010置于高速攪拌器中混合均勻。將混合料放入特 制模具中，在平板硫化機上冷壓成型，將壓制好的復合板材置于烘箱中烘干備用。用鋁箱包 裹好復合板材，將其置于馬弗爐中采用程序分段升溫燒結即得。
[0024]為了解本發(fā)明制備的玻璃纖維/碳酸鈣/聚四氟乙烯三元復合材料性能，我們對其 進行了力學性能測試，并與相同尺寸的15wt%未改性碳酸鈣填充的聚四氟乙烯復合板材 (對照組1)和純聚四氟乙烯板材(對照組2)進行了對比，結果如表1所示。
[0025] 表1不同PTFE材料的性能比較表
[0026]
[0027]~測試結果表明：①與15wt%未改性碳酸鈣填充聚四氟乙烯復合材料(對照組1)甚 至純聚四氟乙烯材料(對照組2)相比，實施例1制備的改性碳酸鈣/改性玻璃纖維/聚四氟乙 烯三元復合材料的拉伸強度略低于純聚四氟乙烯，斷裂伸長率甚至超過純聚四氟乙烯。② 實施例2制備的改性碳酸鈣/改性玻璃纖維/聚四氟乙烯三元復合材料的性能均已接近純聚 四氟乙烯，拉伸強度甚至有所超越。綜上可知，采用本發(fā)明方法制備的性碳酸鈣/玻璃纖維/ 聚四氟乙烯三元復合材料，在大幅度降低材料成本的同時保證了各項力學性能，甚至在部 分性能上有所超越。
【主權項】
1. 一種玻璃纖維/碳酸鈣/聚四氟乙烯三元復合材料，其特征在于由以下按重量份數(shù)計 的原料制成:聚四氟乙烯粉體80-95份，碳酸鈣粉體5-20份，玻璃纖維1-3份，固體石蠟0.09-〇. 30份以及抗氧劑0.004-0.016份。2. 權利要求1所述玻璃纖維/碳酸鈣/聚四氟乙烯三元復合材料的制備方法，其特征在 于包括以下步驟:a)向燒瓶中加入碳酸鈣粉體、乙醇水溶液、固體石蠟，攪拌并加熱至一定 溫度后冷凝回流，之后停止加熱使溶液自然冷卻至室溫，停止攪拌將溶液取出烘干得改性 碳酸鈣粉體備用;b)按照步驟a)所述方法制備改性玻璃纖維備用；c)將制備好的改性碳酸 鈣粉體、改性玻璃纖維、聚四氟乙烯粉體以及抗氧劑按比例混合均勻得混合粉體，將混合粉 體放入模具中冷壓成型得坯體，坯體經干燥、燒結即得。3. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于:步驟a)和步驟b)中碳酸鈣粉體或玻璃纖 維與固體石蠟的重量份數(shù)比為100:1.5,加熱升溫至90-92Γ后冷凝回流，溶液烘干溫度為 40-55。。。4. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于：步驟c)中改性碳酸鈣粉體、改性玻璃纖 維、聚四氟乙烯粉體、抗氧劑的重量份數(shù)比為5-20:1-3:80-95:0.004-0.016。5. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述碳酸鈣粉體為3000目重質碳酸鈣粉 體，所述玻璃纖維為l-3mm短切玻璃纖維，所述抗氧劑為抗氧劑1010。
【專利摘要】本發(fā)明屬于復合材料技術領域，具體公開了一種玻璃纖維/碳酸鈣/聚四氟乙烯三元復合材料及其制備方法。該復合材料由80-95份聚四氟乙烯粉體，5-20份碳酸鈣粉體，1-3份短切玻璃纖維，0.09-0.3份固體石蠟以及0.004-0.016份抗氧劑1010制備而成，其制備方法包括以下步驟：a)將碳酸鈣粉體、乙醇水溶液、固體石蠟混合，攪拌加熱至90-92℃冷凝回流，之后自然冷卻至室溫，停止攪拌烘干得改性碳酸鈣粉體；b)按照步驟a)所述方法制備改性玻璃纖維；c)將改性碳酸鈣粉體、改性玻璃纖維以及聚四氟乙烯粉體混合均勻，冷壓成型后經干燥、燒結即得。該三元復合材料填料表面改性工藝簡單、成本低，碳酸鈣填充量較大時，性能依然較好，接近純聚四氟乙烯的力學性能。
【IPC分類】C08K7/14, C08K3/26, C08L91/06, C08L27/18
【公開號】CN105623161
【申請?zhí)枴緾N201610203421
【發(fā)明人】劉治田, 蔡雄, 游峰, 張旗, 高翔, 李超, 代夢琴
【申請人】武漢工程大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年4月1日