[发明专利]一种石墨烯-纳米聚四氟乙烯复合填料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于摩擦材料技术领域，具体涉及一种具有降磨减摩功能的石墨烯-纳米聚四氟乙烯复合填料及其制备方法和应用。

背景技术

固体润滑剂是材料摩擦学领域的重点研究对象，对于节约能源、降低损耗、清洁环境、保护机械等具有重要意义。目前，固体润滑剂在聚合物材料中的应用，主要局限于一些传统填料，如石墨、聚四氟乙烯、二硫化钼等。这些传统填料能在一定程度上改善聚合物材料的某些摩擦学性能，然而往往会造成机械性能的显著降低。

同传统填料相比，石墨烯作为一种由sp²杂化的碳原子组成的二维薄层材料，具有优异的力学和热力学性能，能显著地提高材料的耐磨性。然而，石墨烯由于不具备类似石墨的层状结构，无法进行层间滑移，从而不能起到很好的润滑效果。相对较高的摩擦系数会使得材料在摩擦过程中产生大量摩擦热，一定程度上加剧了磨损，故需要对石墨烯加以进一步改性，使之具备一定的润滑功能。

聚四氟乙烯具有很好的润滑性能，将纳米聚四氟乙烯加入到聚合物中能使复合材料具有较好的自润滑特性，这是因为纳米聚四氟乙烯的尺寸小，粒子表面原子多，表面活性能大，在同聚合物复合后能起到分散载荷的作用，减轻摩擦表面的局部应力。摩擦过程中，纳米聚四氟乙烯能嵌入摩擦表面不平整处，有利于转移膜的形成，起到润滑效果。

由于石墨烯和纳米聚四氟乙烯均为纳米尺度材料，用机械混合法加入到聚合物材料中，容易团聚，难以实现均匀稳定分散，故需要对石墨烯和纳米聚四氟乙烯进行表面修饰，制备出改性石墨烯-纳米聚四氟乙烯复合填料，从而提高与基体树脂的相容性。

发明内容

本发明的目的是利用石墨烯的降磨功能和纳米聚四氟乙烯的润滑功能，解决石墨烯和纳米聚四氟乙烯的结合以及与基体树脂的相容性问题，设计一种兼具降磨减摩功能的改性石墨烯-纳米聚四氟乙烯复合填料，及其制备方法和在制备降磨减摩材料和器件中的应用。

为实现上述目的，本发明通过在石墨烯上修饰氨基，再与改性纳米聚四氟乙烯上的羧基进行反应，使得这两种高性能添加剂间形成化学键合，有效避免了石墨烯和纳米聚四氟乙烯的自聚集。改性石墨烯和改性纳米聚四氟乙烯表面的官能团使得石墨烯-纳米聚四氟乙烯复合填料能均匀分散在聚合物基体中，从而获得高性能降磨减摩材料。石墨烯-纳米聚四氟乙烯复合填料在提高基体树脂材料摩擦学性能的同时，还能起到增强力学、热力学性能的作用。

本发明所提供的具有降磨减摩功能的石墨烯-纳米聚四氟乙烯复合填料，其主要组分按重量计为：

改性石墨烯            1份

改性纳米聚四氟乙烯    1份~20份；

所述改性石墨烯为石墨烯与氨基化试剂反应得到的氨基化石墨烯；

所述改性纳米聚四氟乙烯为羧基化的纳米聚四氟乙烯，平均粒径为10~100nm。

本发明中，所述石墨烯为还原氧化石墨烯、氧化石墨烯或功能化石墨烯中任一种或其多种组合；所述氨基化试剂为乙二胺、1,2-丙二胺、1,3-丙二胺、1,2-丁二胺、1,3-丁二胺、1,6-己二胺、对苯二胺、环己二胺、间苯二胺、间苯二甲胺、二氨基二苯基甲烷、二苯醚二胺、三乙胺、丁三胺、双氰胺和己二酸二酰肼中任一种或其多种组合。

本发明中，具有降磨减摩功能的石墨烯-纳米聚四氟乙烯复合填料的制备方法，其具体步骤如下：

（1）将石墨烯溶解在分散剂中，超声分散0.5~2小时后，得到稳定且分散均匀的石墨烯分散液；将氨基化试剂加入到上述分散液中，60~90℃下反应12~18小时；其中，按重量计，石墨烯：分散剂：氨基化试剂=1:1000-10000:10-100；将反应后的分散液真空抽滤，用分散剂和去离子水洗净杂质，将产物置于50~100℃的真空烘箱中烘干，制得改性石墨烯；

把纳米聚四氟乙烯在辐照下同丙烯酸反应，得到改性纳米聚四氟乙烯。

（2）将步骤（1）所得的改性石墨烯和改性纳米聚四氟乙烯按重量比1:1-20混合溶解在分散剂中，超声分散0.5~2小时后，加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、1-羟基苯并三唑和三乙胺，30~50℃下反应12~24小时；其中，按摩尔量比例计，改性石墨烯：1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐：1-羟基苯并三唑：三乙胺=1:0.8-1.5:0.8-1.5:15-30；将反应后的分散液真空抽滤，用分散剂和去离子水洗净杂质，将产物置于50~100℃的真空烘箱中烘干，即得到具有降磨减摩功能的石墨烯-纳米聚四氟乙烯复合填料。