[发明专利]石墨烯/PTFE纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚四氟乙烯复合材料技术领域，特别涉及一种聚四氟乙烯纳米复合材料。

背景技术

聚四氟乙烯(PTFE)具有自润滑、摩擦系数低、耐高低温等优点，是当今机械工业重要的耐磨材料。尽管PTFE性能优异，但也存在一些缺点，如耐磨性能较差，其制品在长时间连续载荷下发生磨损。通常需要利用石墨、玻纤、二硫化钼、聚苯硫醚等无机和(或)有机材料进行改性，提高其耐磨性，该方法已获得大规模的应用。

纳米材料具有高比表面、高表面能、高活性等特点，在提高PTFE耐磨性能方面具有良好的功效。利用纳米氧化铝、纳米氧化硅、纳米氧化锌、纳米碳化硅、纳米金刚石、纳米碳管等纳米材料，可以有效提高PTFE的耐磨性能。

石墨烯是2004年新发现的一类二维纳米材料(其结构式如式1所示)，强度最高、硬度最大、厚度最薄的，具有优异的耐磨性能。石墨烯薄膜，具有较低的摩擦系数和优异的抗磨损性能，有望用于微纳机电系统(Langmuir，2010，26(20)：15830-15836)。在润滑油添加0.075wt％含量的功能化石墨烯即可显著降低润滑油的摩擦系数，并极大地提高其抗磨损性能和承载能力(Tribol.Lett.，2011，41(1)：209-215)。这些研究表明，石墨烯具有良好的摩擦学特性，是一类具有研究价值和应用前景的前瞻性减摩耐磨材料。现有技术中，石墨、玻纤和PTFE是的比例通常为1～5∶5～25∶75～90。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种耐磨性能优异的石墨烯/PTFE纳米复合材料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种石墨烯/PTFE纳米复合材料，其由以下重量份的成分组成：石墨烯或石墨烯衍生物0.1～25份、聚四氟乙烯(PTFE)60～100份和玻璃纤维0～30份(优选10～30份)。

作为本发明的石墨烯/PTFE纳米复合材料的改进：石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

作为本发明的石墨烯/PTFE纳米复合材料的另一种改进：石墨烯衍生物为石墨烯键接有以下至少一种官能团：烯羟基、羰基、氨基、酰胺基、环氧基、巯基、硅原子和氟原子。

作为本发明的石墨烯/PTFE纳米复合材料的进一步改进：聚四氟乙烯(PTFE)为高流动PTFE粉末、PTFE微粉或PTFE悬浮树脂。

本发明还同时公开上述石墨烯/PTFE纳米复合材料的制备方法：将上述成分按所述比例混合后在高速搅拌机中分散，再经过模压、烧结，得石墨烯/PTFE纳米复合材料。

作为本发明的石墨烯/PTFE纳米复合材料的制备方法的改进：

分散为：于1200～1300r/min下分散8～12min或者于2300～2800r/min下分散4～6min；

模压为：在8～12MPa的压力下模压3～7min；

烧结为：在350～400℃的温度下烧结25～50min。

本发明中所用到的石墨烯或石墨烯衍生物均为现有技术，即能通过市购的方式获得或者其制备方法已经被公开发表。

本发明中所用到的氧化石墨烯例如可利用石墨按照如下方法制备而得：

在1000ml三口烧瓶中，加入200ml的98％(体积浓度)的浓硫酸，0℃下搅拌中加入10g石墨和5g硝酸钠，0℃保温搅拌15min。再加入30g高锰酸钾，继续0℃保温搅拌反应20min，接着将温度调整至38℃继续搅拌20min。在三口烧瓶中缓慢加入700ml去离子水，38℃继续搅拌15min后移入2000ml烧杯中，用去离子水将反应液稀释至1500ml，加入20ml 5％(体积浓度)的H₂O₂，使反应液变成金黄色。趁热过滤，并用预先配制好的5％(体积浓度)HCl溶液和去离子水充分洗涤滤饼，直至滤液中无硫酸根离子，将滤饼置于60℃的干燥箱中干燥48小时，研磨，密封保存。

采用本发明方法制备得到的石墨烯/PTFE纳米复合材料，其拉伸强度为28.3～37.4MPa、断裂伸长率为204.3～351.0％、磨耗量2～15×10^-7g/Nm。因此，本发明的石墨烯/PTFE纳米复合材料可以应用于机械密封和润滑等领域。

综上所述，本发明将石墨烯与PTFE共混，再通过模压、烧结，可以获得耐磨性能优异的纳米复合材料。

具体实施方式

以下实施例中所用的玻纤(玻璃纤维)均为长约37.5微米、直径约10.5微米的玻纤。