本發(fā)明涉及復(fù)合材料，具體涉及一種基于熱輥法的聚酰亞胺-聚四氟乙烯復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、聚四氟乙烯(ptfe)材料由于其全氟取代的碳鏈結(jié)構(gòu)和高度對(duì)稱的分子鏈結(jié)構(gòu)使得該材料具有良好的耐酸、耐堿以及良好的耐化學(xué)環(huán)境的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上ptfe的耐高溫性能良好，長(zhǎng)期使用溫度在260℃，分解溫度在400℃以上；同時(shí)其還具備自潤(rùn)滑的特點(diǎn)，其摩擦系數(shù)在0.12-0.07。高分子量的ptfe還具備良好的機(jī)械性能，高韌性，低介電常數(shù)，優(yōu)異的電化學(xué)特性，但ptfe的分子結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致ptfe加工困難的特點(diǎn)，常規(guī)化學(xué)溶劑無法溶解ptfe也無法使其溶脹且其熔融粘度非常高，這使得ptfe材料二次加工十分困難。

2、聚酰亞胺材料(pi)的分子結(jié)構(gòu)由苯環(huán)結(jié)構(gòu)和亞酰胺環(huán)結(jié)構(gòu)所組成，其分解溫度在450℃以上，長(zhǎng)期使用溫度在300℃，其剛性的苯環(huán)和亞酰胺環(huán)結(jié)構(gòu)賦予了pi的高機(jī)械性能，其拉伸強(qiáng)度在500mpa，在高溫條件下仍可保持較高強(qiáng)度。一般pi材料為黃色或棕色，這是由于pi分子鏈內(nèi)的大量剛性苯環(huán)和亞酰胺環(huán)結(jié)構(gòu)有利于電子在其上形成電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物(ctc)，這會(huì)使pi材料更易吸光，降低材料本身的透光率，但以氟原子取代部分pi分子鏈上的氫原子可有效阻止ctc的產(chǎn)生，提高pi的透光率并減少材料的黃度。

3、如何結(jié)合和兩種材料的優(yōu)異性能，獲得耐高溫性能好、機(jī)械強(qiáng)度高和耐化學(xué)性能優(yōu)秀且摩擦系數(shù)低可自潤(rùn)滑的材料成為近年來的研究重點(diǎn)。目前常用的技術(shù)利用聚全氟乙丙烯(fep)作為ptfe的粘合劑將其與其他材料進(jìn)行復(fù)合，但該方法的耐高溫性能差，260℃以上粘合層fep性能下降導(dǎo)致復(fù)合層整體性能降低。通過高溫?zé)釅旱姆绞綄tfe與pi進(jìn)行的復(fù)合方式二者結(jié)合強(qiáng)度低，長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性較差。

4、pi為熱固性材料，成型后難以再加工，但其前驅(qū)體聚酰胺酸(paa)材料可以溶于多種有機(jī)溶劑，且加工難度低，通過將ptfe與paa結(jié)合可以有效提高復(fù)合材料粘合強(qiáng)度，在次基礎(chǔ)上將paa材料亞酰胺化可以獲得結(jié)合強(qiáng)度高的ptfe/pi復(fù)合層。

5、因此，亟需一種基于熱輥法的聚酰亞胺-聚四氟乙烯復(fù)合材料及其制備方法，以開發(fā)出性能更加優(yōu)異且易于加工的ptfe/pi復(fù)合材料，滿足高性能應(yīng)用的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明提供一種基于熱輥法的聚酰亞胺-聚四氟乙烯復(fù)合材料及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中在制備ptfe/pi復(fù)合材料時(shí)存在粘結(jié)強(qiáng)度不足、加工難度大、難以制備較厚的ptfe層等問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種基于熱輥法的聚酰亞胺-聚四氟乙烯復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、s1.聚酰胺酸薄膜的制備：分別定量稱取pi的二胺和二酐，并溶解于有機(jī)溶劑中進(jìn)行聚合得到聚酰胺酸溶液，隨后將聚酰胺酸溶液鋪展成薄膜，并于烘箱中逐步升溫去除有機(jī)溶劑，得聚酰胺酸薄膜；

5、s2.ptfe材料的制備：選擇ptfe分散料或ptfe懸浮料，通過制坯、壓延、拉伸、熱定型制備出低密度ptfe薄膜，或通過燒結(jié)、旋切等工藝高密度ptfe板；

6、s3.復(fù)合處理：將s1和s2得到的聚酰胺酸薄膜和ptfe材料安置在復(fù)合加工設(shè)備中進(jìn)行復(fù)合處理，得到聚酰亞胺-聚四氟乙烯復(fù)合材料。

7、進(jìn)一步地，所述s2中ptfe分散料制備低密度ptfe薄膜的步驟如下：

8、選擇ptfe分散料經(jīng)過制坯，壓延，拉伸，熱定型操作后得到的得到低密度ptfe薄膜，其中，拉伸倍率在1-5倍，熱定型溫度在360-390℃的范圍內(nèi)。

9、進(jìn)一步地，所述s2中ptfe懸浮料制備高密度ptfe板材的步驟如下：

10、ptfe懸浮料經(jīng)制坯，燒結(jié)，旋切等操作后得到的高密度ptfe板材，其中制坯壓力在15-35mpa的范圍內(nèi)，燒結(jié)溫度在360-390℃的范圍內(nèi)。

11、進(jìn)一步地，所述s2中的懸浮型ptfe原料包括：可溶性聚四氟乙烯、改性ptfe、改性ptfe與純ptfe懸浮粒料共混得到的薄膜或板、ptfe懸浮料混合玻璃纖維、碳纖維和碳納米管增強(qiáng)填料的ptfe乙烯膜或板中的一種或多種。

12、進(jìn)一步地，所述s3包括以下具體步驟：

13、將s1和s2得到的聚酰胺酸薄膜與ptfe材料安置在復(fù)合加工設(shè)備的放卷端，并牽引ptfe材料和聚酰胺酸薄膜通過下壓預(yù)壓合輥使兩種材料預(yù)壓合，預(yù)壓合后牽引依次進(jìn)入第1加熱箱、第2加熱箱、第3加熱箱，進(jìn)行加熱固化和復(fù)合處理，然后依次穿過第1冷卻輥、第2冷卻輥、第3冷卻輥、第4冷卻輥進(jìn)行降溫，最后在收卷端進(jìn)行收卷得到ptfe/pi復(fù)合材料。

14、進(jìn)一步地，s3中聚酰胺酸薄膜和ptfe材料的復(fù)合處理包括脫水、脫除溶劑、預(yù)亞胺化、最終亞酰胺化和ptfe/pi復(fù)合，其中，

15、脫水操作的第1加熱箱溫度為100-180℃；

16、脫除溶劑的第2加熱箱溫度為180-220℃；

17、預(yù)亞胺化的第3熱箱溫度為240-290℃；

18、最終亞酰胺化和ptfe/pi復(fù)合的加熱輥的溫度為320-370℃。

19、進(jìn)一步地，所述復(fù)合材料的降溫過程包括兩種模式，其中：

20、冷卻模式1設(shè)定第1冷卻輥的溫度在300-320℃；第2冷卻輥溫度在260-300℃；第3冷卻輥溫度在150-200℃；第4冷卻輥溫度通過通冷卻水的方式控制其溫度在室溫；

21、冷卻模式2控制第1冷卻輥的溫度在150-200℃；第2冷卻輥溫度在80-150℃；第3冷卻輥溫度控制在25-50℃；第4冷卻輥溫度通過通冷卻水的方式在控制在25℃以下。

22、進(jìn)一步地，所述s3中聚酰胺酸薄膜的厚度范圍為0.01-2mm，ptfe材料的厚度范圍為0.01-4mm，復(fù)合速率為0.02-2m/min。

23、進(jìn)一步地，所述有機(jī)溶劑包括：n，n-二甲基甲酰胺、n，n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、乙醇、異丙醇中的一種或幾種。

24、進(jìn)一步地，所述s2中低密度ptfe薄膜為單軸拉伸或雙軸拉伸。

25、本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

26、1.本技術(shù)中將paa固化成型過程與ptfe復(fù)合過程的結(jié)合，顯著提升了復(fù)合材料的性能，實(shí)現(xiàn)了pi與ptfe之間的直接粘合，無需額外的粘合層，從而避免了高溫下粘合層性能下降的問題。通過使用成型的ptfe材料，確保ptfe層的密度高、厚度可選范圍廣，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。

27、2.本技術(shù)充分考慮了paa固化過程中所需的不同溫度條件和ptfe熔融的溫度條件，確保pi材料的強(qiáng)度和致密度以及pi材料本身的亞酰胺化程度；通過將預(yù)亞酰胺化的paa的最終亞酰胺化過程與ptfe材料的熔融過程相結(jié)合，提高了材料整體的一致性。此外，熱輥法的應(yīng)用不僅完成了paa的最終亞酰胺化，確保pi材料的耐高溫性能，還使ptfe/pi界面充分結(jié)合，ptfe一側(cè)超過其熔點(diǎn)，但pi可以承受復(fù)合過程中的張力，保證制備過程中的穩(wěn)定性。

28、3.本技術(shù)采用熱輥法完成預(yù)亞酰胺化的paa的最終亞酰胺化和ptfe/pi的結(jié)合，預(yù)亞酰胺化的paa先接觸熱輥進(jìn)行最終的亞酰胺化，此時(shí)paa轉(zhuǎn)變?yōu)閜i，其耐高溫性能進(jìn)一步增加，同時(shí)pi將熱量傳遞至ptfe一側(cè)使ptfe/pi界面充分結(jié)合，此時(shí)ptfe一側(cè)超過其熔點(diǎn)物理性能下降，但完成亞酰胺化的pi可以起到承受復(fù)合過程中張力的作用來保證制備過程中的穩(wěn)定。同時(shí)在此基礎(chǔ)之上進(jìn)一步考慮了復(fù)合層的降溫速率問題，通過調(diào)整第1冷卻輥-4號(hào)的溫度，可以控制ptfe和pi的結(jié)晶度與物理性能，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。