CN109851962B - 一种类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用。本发明提供的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，按质量份数计，包括以下制备原料：聚四氟乙烯50～80份；聚酰亚胺5～15份；聚苯酯5～10份；芳纶浆粕5～20份；钛酸钾晶须5～15份；类石墨烯纳米氮化碳0.5～1.3份。本发明采用上述配比的原料制备得到的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料在具有稳定摩擦系数的基础上，还具有较低的质量磨损率和较高的转换效率，能够满足超声电机中对于摩擦材料的要求。

Description

一种类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料及其制备 方法和应用

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用。

背景技术

超声电机是20世纪八十年代迅速发展起来的一种全新概念的微特电机，具有重量轻、低速大扭矩、响应速度快的优点，加上其不受电磁干扰的特点，在生物医学、精密仪器仪表、机器人的关节驱动、微型机械技术、航空航天、火星探测器等高技术领域有广泛的应用前景。

由于超声电机通过摩擦界面输送动力，因而界面的摩擦特性对超声电机整体性能的发挥至关重要，通常要求摩擦材料具有：①合适且稳定的摩擦系数(0.15～0.3)，低速无蠕动、爬行现象；②较好的耐磨特性；③较高的堵转力矩，要求大于0.65Nm；④转速稳定，短时间内波动小，1min内转速波动小于空载转速的10％，长时间运转速度不下降；⑤摩擦噪声低(<45dB)；⑥适当的硬度(邵氏硬度HD为60～80)和弹性模量；⑦(常、高、低温条件下)稳定的物理和化学特性，耐低温和耐高温特性；⑧良好的导热性、耐振动和耐冲击特性；⑨与摩擦副之间较低的粘附力；⑩良好的机械加工性能。

聚四氟乙烯(PTFE)的动、静摩擦系数接近，热化学性质稳定、易加工等优点恰好满足超声电机用摩擦材料的要求；但纯PTFE硬度低，耐磨性能较差，机械强度低，在外力作用下会产生较大的粘弹性变形，易蠕变等，必须进行改性才能满足超声电机摩擦材料使用要求。改性聚四氟乙烯的填料主要包括碳纤维、石墨烯、铜粉等，不能满足超声电机中摩擦材料需具有高耐磨性和能量转换效率的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用，本发明提供的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料在具有稳定摩擦系数的基础上，还具有较低的质量磨损率和较高的转换效率。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，按质量份数计，包括以下制备原料：

聚四氟乙烯50～80份；

聚酰亚胺5～15份；

聚苯酯5～10份；

芳纶浆粕5～20份；

钛酸钾晶须5～15份；

类石墨烯纳米氮化碳0.5～1.3份。

优选地，所述聚四氟乙烯的粒径为50～100μm。

优选地，所述聚酰亚胺的粒径为25～35μm。

优选地，所述聚苯酯的粒径为35～50μm。

优选地，所述芳纶浆粕的长度为800～1350μm，比表面积为8～13m²。

优选地，所述钛酸钾晶须的直径为1～5μm，长度为10～60μm。

优选地，所述类石墨烯纳米氮化碳的粒径为150～300nm。

本发明提供了上述技术方案所述类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯酯、芳纶浆粕、钛酸钾晶须和类石墨烯纳米氮化碳混合后依次进行压制和烧结，得到类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料。

优选地，所述压制的压力为70～100MPa，时间为3～5min；

所述烧结的温度为365～375℃，保温时间为90～150min。

本发明提供了上述技术方案所述类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料在超声电机中的应用。

本发明提供了一种类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，按质量份数计，包括以下制备原料：聚四氟乙烯50～80份；聚酰亚胺5～15份；聚苯酯5～10份；芳纶浆粕5～20份；钛酸钾晶须5～15份；类石墨烯纳米氮化碳0.5～1.3份。本发明中聚四氟乙烯具有耐高低温、抗腐蚀性以及宽温域下摩擦系数稳定等特点；聚酰亚胺作为有机高分子填料，能够有效地增加聚四氟乙烯树脂基体的尺寸稳定性，降低线膨胀系数，与树脂基体之间有更好的结合强度，从而获得更小的应力集中和更强的抗冲击性，复合其它填料能够显著提高四氟乙烯摩擦材料的弹性模量；聚苯酯作为有机高分子填料，能够有效提高复合材料的耐磨性、导热性和摩擦系数；芳纶浆粕作为有机高分子填料，能够有效提高复合材料的耐磨性和耐温性；钛酸钾晶须作为无机填料，能够能够有效提高复合材料的承载能力和耐磨性；类石墨烯纳米氮化碳作为无机填料，能够有效提高复合材料的摩擦系数稳定性、磨损率和超声电机的转换效率。采用上述配比的原料制备得到的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料在具有稳定摩擦系数的基础上，还具有较低的质量磨损率和较高的转换效率，能够满足超声电机中对于摩擦材料的要求。

具体实施方式

本发明提供了一种类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，按质量份数计，包括以下制备原料：

聚四氟乙烯50～80份；

聚酰亚胺5～15份；

聚苯酯5～10份；

芳纶浆粕5～20份；

钛酸钾晶须5～15份；

类石墨烯纳米氮化碳0.5～1.3份。

按质量份数计，本发明提供的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括聚四氟乙烯50～80份，优选为60～70份。在本发明中，所述聚四氟乙烯的粒径优选为50～100μm。在本发明中，聚四氟乙烯具有耐高低温、抗腐蚀性以及宽温域下摩擦系数稳定等特点；采用上述粒径的聚四氟乙烯作为树脂基体，能够在保证材料强度的同时，与填料均匀混合，树脂基体与填料界面结合良好，而粒径过大会导致混料发热量大，聚四氟乙烯发粘，不容易混合均匀，粒径过小会导致材料强度下降。

以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括聚酰亚胺5～15份，优选为8～12份。在本发明中，所述聚酰亚胺的粒径优选为25～35μm。在本发明中，所述聚酰亚胺作为有机高分子填料，采用上述添加量能够有效地增加聚四氟乙烯的尺寸稳定性，降低线膨胀系数；本发明采用上述粒径的聚酰亚胺作为有机高分子填料，能够与聚四氟乙烯形成良好的界面结合，而粒径过大会引起内应力过大，界面结合差，容易引起摩擦系数波动，粒径过小会容易团聚，不利于分散。

以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括聚苯酯5～10份，优选为6～8份。在本发明中，所述聚苯酯的粒径优选为35～50μm。本发明采用上述添加量和粒径的聚苯酯作为有机高分子填料，复合其它填料能够有效提高复合材料的耐磨性、导热性和摩擦系数。

以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括芳纶浆粕5～20份，优选为10～15份。在本发明中，所述芳纶浆粕的长度优选为800～1350μm；比表面积优选为8～13m²。本发明采用上述添加量和尺寸的芳纶浆粕作为有机高分子填料，复合其它填料能够有效提高复合材料的耐磨性和耐温性。

以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括钛酸钾晶须5～15份，优选为8～12份。在本发明中，所述钛酸钾晶须的直径优选为1～5μm；长度优选为10～60μm。本发明采用上述添加量和尺寸的钛酸钾晶须作为无机填料，复合其它填料能够有效提高复合材料的承载能力和耐磨性。

以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括类石墨烯纳米氮化碳0.5～1.3份，优选为0.7～1.1份。在本发明中，所述类石墨烯纳米氮化碳的粒径优选为150～300nm。本发明对于所述类石墨烯纳米氮化碳的来源没有特殊的限定，根据本领域技术人员熟知的方法制备得到即可；在本发明中，所述类石墨烯纳米氮化碳在使用前优选采用多巴胺和硅烷偶联剂(优选为硅烷偶联剂KH550)进行改性，具体的制备方法优选包括以下步骤：

将尿素和三聚氰胺的混合物(尿素和三聚氰胺的摩尔比为(1.5～2.5)：(0.5～1.3))在500～600℃热处理3～5h，冷却研磨得到纳米g-C₃N₄粉末；

将0.5～2质量份的纳米g-C₃N₄粉末在无水乙醇(纳米g-C₃N₄粉末和无水乙醇的用量比为(0.5～2)g：300mL)中超声分散12～20min，加入2～4质量份的多巴胺，利用缓冲液将所得体系的pH值调节为7～9，在室温、搅拌条件下进行第一改性处理10～15h，离心、洗涤、在80～100℃条件下干燥，得到多巴胺改性的纳米g-C₃N₄粉末。

将0.5～2质量份的多巴胺改性的纳米g-C₃N₄粉末与硅烷偶联剂混合(其中，硅烷偶联剂的用量为多巴胺改性的纳米g-C₃N₄质量的0.5～3％)，在50～70℃恒温水浴中进行第二改性处理5～7h，使用氨水将所得体系的pH值调节为8～10，离心、洗涤、在80～100℃条件下干燥，得到硅烷偶联剂改性的纳米g-C₃N₄(即聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料类石墨烯纳米氮化碳)。

在本发明中，经多巴胺和硅烷偶联剂改性后，所述类石墨烯纳米氮化碳与基体具有较好的结合力，采用上述添加量和粒径的类石墨烯纳米氮化碳作为无机填料，复合其它填料能够有效提高复合材料的摩擦系数稳定性、磨损率和超声电机的转换效率；而粒径过大会降低与基体的结合力，粒径过小会发生团聚，不利于分散均匀。

本发明对于上述各制备原料的来源没有特殊的限定，采用符合上述粒径或尺寸要求的市售商品即可。

本发明提供了上述技术方案所述类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯酯、芳纶浆粕、钛酸钾晶须和类石墨烯纳米氮化碳混合后依次进行压制和烧结，得到类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料。

本发明将聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯酯、芳纶浆粕、钛酸钾晶须和类石墨烯纳米氮化碳混合，得到混合料。在本发明中，各制备原料的混合方式优选为湿法混料，具体是将各制备原料在无水乙醇中混合均匀，然后将所得湿料在80～100℃条件下将乙醇蒸干。本发明采用湿法混料能够保证各制备原料充分混合，有利于提高最终所得聚四氟乙烯摩擦材料的性能。

得到混合料后，本发明将所述混合料进行压制，得到压制料。在本发明中，所述压制的压力优选为70～100MPa，更优选为80～90MPa；时间优选为3～5min，更优选为3～4min。在本发明中，所述压制优选在室温条件下进行，即无需额外的加热或降温。本发明优选是将所述混合料放入模具中进行压制，压制完成后脱模，得到压制料。

得到压制料后，本发明将所述压制料进行烧结，得到类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料。在本发明中，所述烧结的温度优选为365～375℃，更优选为368～372℃；升温至烧结所需温度的升温速率优选为30～40℃/h，更优选为30～35℃/h；保温时间优选为90～150min，更优选为110～130min。本发明优选是将所述压制料置于烧结炉中，由室温匀速升温至烧结所需温度，保温进行烧结；烧结结束后自然降温，得到类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料。

本发明提供了上述技术方案所述类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料在超声电机中的应用。本发明提供的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料在具有稳定摩擦系数的基础上，还具有较低的质量磨损率和较高的转换效率，是很有价值的聚合物摩擦材料，能够满足超声电机中对于摩擦材料的要求。本发明对于所述应用的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1～3和对照例1～2

制备类石墨烯纳米氮化碳，包括以下步骤：

(1)将尿素和三聚氰胺的混合物进行热处理，冷却研磨得到纳米g-C₃N₄粉末；

(2)将纳米g-C₃N₄粉末在无水乙醇中超声分散，加入多巴胺，利用缓冲液调节所得体系的pH值，在室温、搅拌条件下进行第一改性处理，离心、洗涤、干燥，得到多巴胺改性的纳米g-C₃N₄粉末；

(3)将多巴胺改性的纳米g-C₃N₄粉末与硅烷偶联剂KH550混合，在恒温水浴中进行第二改性处理，使用氨水调节所得体系的pH值，离心、洗涤、干燥，得到硅烷偶联剂改性的纳米g-C₃N₄(即聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料类石墨烯纳米氮化碳)；

其中，步骤(1)～(3)中各制备原料配比列于表1中，操作参数列于表2中。

表1实施例1～3和对照例1～2中制备类石墨烯纳米氮化碳时各原料配比

表2实施例1～3和对照例1～2中制备类石墨烯纳米氮化碳时操作参数

制备述类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，包括以下步骤：

将聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯酯、芳纶浆粕、钛酸钾晶须和类石墨烯纳米氮化碳在无水乙醇中混合，将所得湿料在90℃条件下将乙醇蒸干，将所得混合料放入模具中进行压制，压制完成后脱模，将所得压制料置于烧结炉中，由室温匀速升温至烧结所需温度，保温进行烧结；烧结结束后自然降温，得到类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料；其中，各制备原料配比列于表3中，操作参数列于表4中。

表3实施例1～3和对照例1～2中制备

类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料时各原料的配比

表4实施例1～3和对照例1～2中制备

类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料时操作参数

将实施例1～3和对照例1～2中制备的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料进行性能测试，结果如表5所示。其中，测试条件为：类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料与磷青铜对磨，试验加载力200N，转速180r/min，运行时间2h；摩擦系数、质量磨损率和能量转换效率为三次测试的平均值。

表5实施例1～3和对照例1～2制备的

类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的性能测试结果

由表5可以看出，不加入类石墨烯纳米氮化碳或其加入量过多时，聚四氟乙烯摩擦材料的耐磨性和能量转换效率均有所降低，而实施例1～3制备的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的摩擦系数比较合适(通常要求在0.15～0.3之间)，且质量磨损率低，转换效率高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，按质量份数计，包括以下制备原料：

聚四氟乙烯50～80份；

聚酰亚胺5～15份；

聚苯酯5～10份；

芳纶浆粕5～20份；

钛酸钾晶须5～15份；

类石墨烯纳米氮化碳0.5～1.3份，所述类石墨烯纳米氮化碳的制备方法，包括以下步骤：

(1)将尿素和三聚氰胺的混合物进行热处理，冷却研磨得到纳米g-C₃N₄粉末；

(2)将纳米g-C₃N₄粉末在无水乙醇中超声分散，加入多巴胺，利用缓冲液调节所得体系的pH值，在室温、搅拌条件下进行第一改性处理，离心、洗涤、干燥，得到多巴胺改性的纳米g-C₃N₄粉末；

(3)将多巴胺改性的纳米g-C₃N₄粉末与硅烷偶联剂KH550混合，在恒温水浴中进行第二改性处理，使用氨水调节所得体系的pH值，离心、洗涤、干燥，得到类石墨烯纳米氮化碳；

其中，尿素和三聚氰胺的摩尔比为(1.5～2.5)：(0.5～1.3)；

纳米g-C₃N₄粉末和无水乙醇的用量比为(0.5～2)g：300mL；

纳米g-C₃N₄粉末与多巴胺的质量比为0.5～2：2～4；

硅烷偶联剂KH550的用量为多巴胺改性的纳米g-C₃N₄质量的0.5～3％。

2.根据权利要求1所述的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯的粒径为50～100μm。

3.根据权利要求1所述的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述聚酰亚胺的粒径为25～35μm。

4.根据权利要求1所述的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述聚苯酯的粒径为35～50μm。

5.根据权利要求1所述的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述芳纶浆粕的长度为800～1350μm，比表面积为8～13m²。

6.根据权利要求1所述的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述钛酸钾晶须的直径为1～5μm，长度为10～60μm。

7.根据权利要求1所述的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述类石墨烯纳米氮化碳的粒径为150～300nm。

8.权利要求1～7任一项所述类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯酯、芳纶浆粕、钛酸钾晶须和类石墨烯纳米氮化碳混合后依次进行压制和烧结，得到类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为70～100MPa，时间为3～5min；

所述烧结的温度为365～375℃，保温时间为90～150min。

10.权利要求1～7任一项所述类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料或权利要求8或9所述制备方法制备得到的类石墨烯纳米氮化碳改性聚四氟乙烯摩擦材料在超声电机中的应用。