[发明专利]石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯复合材料的制备方法

权利要求书

1.一种石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：

步骤一：对聚四氟乙烯粉末进行等离子处理；

步骤二：将聚四氟乙烯粉末的无水乙醇浸润处理后，配制氯化亚锡敏化液和氯化钯活化液，对聚四氟乙烯粉末进行敏化处理和活化处理；

为改善聚四氟乙烯粉末的浸润性，对其进行无水乙醇的浸润处理，其具体步骤如下：

S1:将经等离子辐照处理后的聚四氟乙烯粉末加入到盛有无水乙醇的容器中，聚四氟乙烯粉末与无水乙醇的质量比为1:10；

S2:将聚四氟乙烯粉末和无水乙醇的混合溶液进行磁力搅拌，磁力搅拌的时间为20～30min，磁力搅拌的转子速度控制在150～200r/min，以便使聚四氟乙烯粉末在无水乙醇中均匀分散，之后过滤收集截留的固体颗粒即得到了浸润处理的聚四氟乙烯粉末；

氯化亚锡敏化液配制具体步骤如下：

S1:室温下将氯化亚锡加入到质量浓度为37％浓盐酸中，氯化亚锡与浓盐酸的质量比为1:1；

S2:将溶液进行搅拌后，静置6～8h，使氯化亚锡完全溶解；

S3:待氯化亚锡完全溶解后，将去离子水加入到氯化亚锡和浓盐酸的混合溶液中，在加入去离子水的同时，对混合溶液进行搅拌，去离子水与浓盐酸的质量比为100:1；

S4:将完成S3步骤后的溶液进行磁力搅拌，进行磁力搅拌的时间为30min，得到了氯化亚锡敏化液；

氯化钯活化液配制的具体步骤如下：

S1:通过移液枪量取质量浓度为37％浓盐酸并将其加入到去离子水中，浓盐酸与去离子水的质量比为1:1000；

S2:去离子水和浓盐酸混合后，将混合溶液进行磁力搅拌10min，然后将氯化钯加入到混合溶液中，其中氯化钯与混合溶液的质量比为1:5000，磁力搅拌溶液使加入的氯化钯充分溶解；

S3:将S2中得到的溶液进行磁力搅拌30min，得到氯化钯活化液；

对聚四氟乙烯粉末进行敏化处理，其具体步骤如下：

S1:在室温下将无水乙醇浸润处理的聚四氟乙烯粉末加入到盛有氯化亚锡敏化液的容器中，聚四氟乙烯粉末与氯化亚锡敏化液的质量比为1:100；

S2:将装有聚四氟乙烯粉末和氯化亚锡敏化液的容器置于超声环境中进行超声处理；超声处理时间为5～10min，超声波频率为40kHz，超声水浴温度为50～60℃；

S3:对经过S2步骤后的混合溶液进行过滤，收集经过敏化处理后的聚四氟乙烯粉末，采用去离子水对所收集的聚四氟乙烯粉末进行至少一次洗涤；

S4:直至洗涤所用的去离子水的pH为中性，得 到了敏化的聚四氟乙烯粉末；

对聚四氟乙烯粉末进行活化处理，其具体步骤如下：

S1:将敏化处理后的聚四氟乙烯粉末加入到盛有氯化钯活化液的烧杯中，聚四氟乙烯粉末与氯化钯活化液的质量比为1:50；

S2:将添加有聚四氟乙烯粉末的氯化钯活化液置于超声波环境中进行超声处理；超声处理时间为5～10min，超声波频率为40kHz，超声水浴温度为50～60℃；

S3:经过超声处理后，对混合溶液进行过滤并收集进行活化处理后的聚四氟乙烯粉末；

S4：采用去离子水对S3中所收集的聚四氟乙烯粉末进行至少一次洗涤；

S5:直至洗涤用的去离子水的pH为中性，得到先后经敏化和活化处理的聚四氟乙烯粉末；

步骤三：配制制备镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末所用化学镀镍磷镀液，制备镍磷-聚四氟乙烯复合材料，并对其进行胺化处理；

配制制备镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末所用化学镀镍磷镀液的具体步骤如下：

S1:室温下将次亚磷酸钠加入到盛有去离子水的容器中，次亚磷酸钠与去离子水的质量比为1.5～2:200；

S2:设定加热温度为50～60℃，进行加热水浴的同时进行磁力搅拌，转子速度控制在300～400r/min；

S3:当S2中的溶液温度升至50～60℃且次亚磷酸钠完全溶解后，依次将硫酸镍、柠檬酸、醋酸钠、丁二酸、氟化氢铵加入到溶液中，搅拌溶液使加入的各试剂溶解；

S4:待所加试剂皆充分溶解后，将溶液温度降至室温，并用质量浓度为25％的氨水将溶液的pH值调至4.4～5.4，得到化学镀镍磷镀液；

制备镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末的具体步骤如下：

S1:将化学镀镍磷镀液温度以2℃/min的升温速率由室温升至80～85℃；

S2:将经敏化和活化处理并清洗干净后的聚四氟乙烯粉末加入到温度已升至80～85℃的化学镀镍磷镀液中并进行搅拌，聚四氟乙烯粉末与化学镀镍磷镀液的质量比为1:200；

其中S2中的搅拌从聚四氟乙烯粉末加入的开始直至施镀结束的整个过程，需要持续进行搅拌；搅拌时转子速度控制在300～400r/min；控制化学镀镍磷镀液的温度为80～85℃，在搅拌的同时对聚四氟乙烯粉末施镀，所述施镀的时间为60～90min；

S3:施镀结束后先停止搅拌，然后关闭电源温控系统，待镀液冷却至室温后对施镀液进行过滤收集固体颗粒，采用去离子水多次洗涤所收集的固体颗粒；

S4:直至等离子洗涤液的pH为中性，将洗涤干净的固体颗粒置于烘箱中干燥处理，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末；

镍磷-聚四氟乙烯复合材料的胺化处理的具体步骤如下：

S1：在通风环境下，将质量浓度为98％的水合肼加入到无水乙醇中，得到水合肼乙醇混合溶液，水合肼与无水乙醇的质量比为1:2～3，进行磁力搅拌持续时间为15min，转子速度控制在150～200r/min；

S2:将经化学镀镍磷后制备的镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末加入到水合肼乙醇溶液中，镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末与水合肼乙醇溶液的质量比为3～5:200；

S3:对S2中的镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末和水合肼乙醇溶液的混合物进行密封，并在室温下磁力搅拌混合溶液45～60min，搅拌时的转子速度控制在150～200r/min；

S4：在通风环境下，对水合肼乙醇溶液进行过滤，将镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末过滤出来，再次对水合肼乙醇溶液滤液进行密封；

S5:将过滤后的镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末平铺于洁净的不锈钢滤网上；不锈钢滤网置于S4中再次密封后的水合肼乙醇溶液上；

S6:将顶部置有平铺有水合肼浸渍处理的镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末的不锈钢滤网、以及水合肼乙醇溶液进行紫外辐照处理；

步骤四：制备石墨烯超细粉末，并对其进行乙二胺改性处理；

制备石墨烯粉末的具体步骤如下：

S1:将浓硫酸加入到容器中，采用冰水浴冷却使其温度保持在0～5℃之间；然后向容器中加入石墨粉末；

S2:采用冰水浴控制容器内混合溶液温度不高于5℃，对混合溶液进行磁力搅拌，磁力搅拌的时间为90min，以使石墨粉末与硫酸溶液混合均匀；

S3:将质量分数为82～86％的高锰酸钾固体粉末按等质量分为3份、在1h内将其分3批次加入到混合溶液中，每批次高锰酸钾固体粉末加入的时间为5～10min；

S4:待3份高锰酸钾固体粉末全部加入后，将容器置于低温恒温槽内，控制容器内混合溶液的温度为12～15℃，对混合溶液进行持续搅拌30min；

S5:将混合溶液从低温恒温槽中取出，置于数控恒温水浴槽内，保持烧杯内混合溶液的温度在27～33℃、搅拌混合溶液反应2h，得到颜色为褐色的悬浮浑浊液；

S6:采用滴液漏斗将去离子水加入到褐色悬浮浑浊液中，去离子水与悬浮浑浊液的体积比为2:1；

S7:待去离子水加入完毕，S6中的混合溶液的温度升高至87～92℃之间，维持该温度进行搅拌反应，搅拌反应的时间为20～30min；

S8:向完成S7的搅拌反应的混合溶液中加入质量浓度为30％的过氧化氢，使溶液颜色变为亮黄色；

S9:对亮黄色溶液进行过滤，收集固体状态的滤饼，用质量浓度为5％的稀盐酸溶液对滤饼进行洗涤，得到金黄色的滤饼，用去离子水洗涤滤饼，直至去离子水洗涤液的pH为中性，将收集并洗净的滤饼固体置于干燥箱中在80℃下烘干；

S10:将烘干后的滤饼置于盛有去离子水的容器中，去离子水与滤饼的质量比为33～50:1，并将加有滤饼的去离子水混合溶液进行超声处理，得到均匀、颜色呈淡黄色的胶态溶液；

S11:混合溶液经过超声处理后，将质量浓度为50％的水合肼和质量浓度为25％的氨水加入到经过超声处理的混合溶液中，直至淡黄色胶态溶液变为黑色悬浮溶液，在室温下搅拌黑色悬浮溶液45～60min，之后进行离心处理以收集悬浮固体；

S12:用去离子水将悬浮固体洗涤至中性后，之后将其置于冰箱中冷冻干燥12h，得到凝胶态石墨烯；

S13:将干燥后的凝胶态石墨烯进行研磨，得到平均粒径为0.5μm的石墨烯超细粉末；

对石墨烯粉末的乙二胺改性处理的具体步骤如下：

将研磨处理后的石墨烯粉末超声分散于N,N-二甲基乙酰胺溶液中，石墨烯粉末与N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比为1～2:250～400，超声处理时间为60～90min，超声波频率为40kHz；然后向超声处理后的溶液中加入乙二胺，并在80℃下将混合溶液磁力搅拌反应12～18h；混合溶液反应12～18h后，将混合溶液真空抽滤收集截留的固体，并用去离子水将收集的固体洗涤至中性，最后将洗净的固体在60℃下干燥10h，得到乙二胺改性石墨烯；

步骤五：制备石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料，并对石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料进行成型处理；

S1:将乙二胺改性处理的石墨烯粉末加入到无水乙醇中，乙二胺改性处理的石墨烯粉末与无水乙醇的质量比为1～2:40，并进行超声振荡60～90min，超声波频率为40kHz，超声波水浴温度为25～35℃，使乙二胺改性石墨烯粉末在无水乙醇中均匀分散；

S2:将胺化处理的镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末加入到分散有乙二胺改性石墨烯粉末的乙醇溶液中，并在室温下磁力搅拌混合溶液120～150min，使胺化镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末与乙二胺改性石墨烯粉末在乙醇溶液中均匀分散，制得石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯乙醇混合溶液；

S3:将所制石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯乙醇混合溶液置于干燥箱中，与100℃温度下干燥处理48h，得到石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯混合粉末；

S4:石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料的成型处理：

a、首先将石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯复合材料粉末装入冷模压模具中进行压制成型，模具材质为304不锈钢、内腔直径为5cm，压制压强为45MPa，压制时间为20min；混合粉末压制处理后，将压制处理后的薄片从冷模压模具中取出，对其进行修整去毛刺，使其光滑平整，即制得了石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料薄片；

b、将修整后的石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料薄片置于温控电炉中进行热处理，首先将电炉炉膛温度自室温以1℃/min的升温速率升至327℃，并在327℃保温60min；然后以1℃/min的升温速率将电炉炉膛温度升至375℃，并在375℃保温90min；随后将炉膛温度由375℃降至327℃，降温所需时间为90min，并在327℃保温60min；然后再将炉膛温度由327℃降至200℃，降温所需时间为150min，并在200℃保温30～40min；最后关闭电炉电源，待电炉炉膛温度由200℃自然冷却至室温后将热处理后的薄片取出，制得了石墨烯-镍磷-聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料。