PTFE-纳米粒子复合材料的制备及性能研究

黄玉萍 汪海风 杨 辉 罗仲宽 王文理 王海连

（1.浙江加州国际纳米技术研究院，杭州 310029；2.巨化集团技术中心，浙江 衢州 324004）

氟化工

PTFE-纳米粒子复合材料的制备及性能研究

黄玉萍1汪海风1杨 辉1罗仲宽1王文理2王海连2

（1.浙江加州国际纳米技术研究院，杭州 310029；2.巨化集团技术中心，浙江 衢州 324004）

使用硅烷偶联剂KH560对纳米Si3N4和Al2O3进行了改性，随后将其分别填充到PTFE树脂中制备了PTFE-纳米粒子复合材料，研究了不同KH560含量对复合材料密度、硬度，力学性能及摩擦磨损性能的影响。结果表明，纳米Si3N4经质量分数6%的KH560改性后，填充制备的PTFE复合材料其拉伸强度、断裂伸长率与未经改性纳米Si3N4填充复合材料相比，磨耗量高、硬度低，但密度、摩擦系数等相差不大；纳米Al2O3分别经质量分数4%的KH560改性后，对应复合材料的拉伸强度和断裂伸长率大于未改性纳米Al2O3填充复合材料，但密度、硬度、磨耗量及摩擦系数等相差不大。

聚四氟乙烯；复合材料；Si3N4；Al2O3；硅烷偶联剂KH560

聚四氟乙烯（PTFE）树脂具有优异的耐高低温、耐腐蚀、耐老化、高绝缘和不粘等性能，但由于其尺寸稳定性差、导热性能差、蠕变大、硬度低，尤其是在载荷下易磨损，使它在机械承载、摩擦磨损和密封润滑等领域的应用受到限制。因此，为了拓展PTFE的应用领域，需要对其填充改性，即利用填充粒子硬度大、耐磨、尺寸稳定和导热性好等优点来改善PTFE的缺陷。常用的填充粒子包括玻璃纤维、碳纤维、青铜粉、石墨、炭黑、陶瓷粉以及一些耐高温有机物等[1]。

目前，纳米粒子具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，正逐渐引起人们的注意，被用来填充PTFE树脂，制备高性能PTFE复合材料[2-9]。但纳米粒子活性高，容易团聚，并与PTFE相容性不好，限制了其纳米效应的发挥。为了解决这个问题，人们常使用偶联剂对纳米粒子表面进行改性，来减少其团聚并增加其与PTFE的相容性[10-11]。目前，比较常用的有机偶联剂有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂等。而本研究中使用硅烷偶联剂KH560，对纳米Si3N4、Al2O3分别进行表面改性，然后将它们各自填充到PTFE中制备复合材料，并对复合材料的密度、硬度、力学性能及摩擦磨损等性能进行详细表征。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

PTFE，平均粒径 50 μm；Si3N4：平均粒径 20 nm；Al2O3：平均粒径 60 nm；KH560，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷；无水乙醇，分析纯。

1.2 KH560改性纳米粒子

称取一定量KH560溶入200 mL乙醇中，搅拌10 min后，往其中加入10 g纳米Si3N4或纳米Al2O3，25～35℃超声搅拌4 h，过滤除去溶剂，接着100℃干燥4 h。其中，对纳米Si3N4，KH560的用量质量分数分别为 1%、2%、4%、6%； 而对于纳米 Al2O3，KH560的用量质量分数分别为1%、2%、4%。

1.3 PTFE-纳米粒子制备

称取一定量的纳米粒子加入到PTFE中，手搅10 min后，往其中加入无水乙醇，超声搅拌30 min，接着过滤回收乙醇，固体则经100℃干燥4 h。纳米粒子在复合材料中的质量比均为3%。制备好的复合材料又经冷压成型、烧结成型、毛坯制品、锯割、打磨等过程，制备成测试样品。

1.4 性能测试

用电子万能试验机，按照HG/T 2902—1997测定试样的拉伸强度和断裂伸长率，拉伸速度10 mm/min；用M-2000型摩擦磨损试验机按GB/T 3960—83进行磨损实验，转速为200 r/min，干摩擦，对偶件硬度为HRC的45#钢环，摩擦表面粗糙度为Ra0.08～0.12 μm，磨损时间为 120 min，载荷 200 N，用万分之一天平测量试样磨损前后的重量，通过摩擦磨损过程中记录的摩擦力矩来计算试样的摩擦系数；用TH210邵氏硬度计，按照国标GB/T 2411—2008测试试样的硬度；用GF-300D密度天平，按照国标GB 1033.1—2008测定试样的密度[12-15]。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

纳米Si3N4经不同质量分数的KH560改性后，填充制备的PTFE复合材料其拉伸强度和断裂伸长率与KH560质量分数的关系见表1。

表1 PTFE-纳米粒子复合材料的性能与KH560质量分数的关系Tab 1 Relationship of performances of PTFE-nanoparticle composite material and mass fraction of KH560

由表1可知，随着KH560用量的逐渐增加，复合材料拉伸强度和断裂伸长率均呈逐渐上升趋势，当KH560的质量分数为6%时，复合材料的拉伸强度、断裂伸长率分别比未用KH560改性纳米Si3N4填充PTFE的增加了41%和61%，效果显著，这说明纳米Si3N4经高含量的KH560改性后，表面包覆有更多有机小分子，其团聚效应和表面能降低得更多，从而在PTFE树脂中分散更加均匀，力学性能也就更高。

而对于KH560改性后纳米Al2O3填充的复合材料，KH560的质量分数为1%和2%时，对应复合材料的拉伸强度和断裂伸长率小于未改性材料的性能；当KH560的质量分数增加到4%时，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率也增加，并超过了未改性材料的性能。

2.2 其他物理性能

质量分数6%的KH560改性纳米Si3N4填充和质量分数4%的KH560改性纳米Al2O3填充的复合材料，与未改性纳米Si3N4或Al2O3填充的复合材料的部分物理性能见表2，其中摩擦系数随磨损时间的变化见图1。

表2 PTFE-纳米粒子复合材料的部分物理性能Tab 2 Part of the physical properties of PTFE-nano particle composite material

从表2可以看出，当纳米Si3N4经质量分数6%的KH560改性后，其填充复合材料的密度、摩擦系数与未改性纳米Si3N4填充复合材料的大小相近，而它的磨耗量却比后者大了1倍多，其高的磨耗量与它的硬度偏低有很大的关系；纳米Al2O3经质量分数4%的KH560改性后，其填充复合材料的密度、硬度、磨耗量及摩擦系数与未改性Al2O3填充复合材料的相差不大。

从图1可以看出，纳米Si3N4填充的2种复合材料其摩擦系数随磨损时间的持续波动不大，即它们从磨损一开始就达到了稳定；而对于纳米Al2O3填充的2种复合材料，磨损开始时，它们的摩擦系数都较大，但随着磨损的进行，逐渐减小，当磨损时间为40 min左右时，摩擦系数才趋于稳定。

3 结论

纳米Si3N4经质量分数6%的KH560改性后，填充制备的PTFE复合材料其拉伸强度、断裂伸长率与未经改性纳米Si3N4填充复合材料相比，磨耗量高、硬度低，但密度、摩擦系数等相差不大。

纳米Al2O3分别经质量分数4%的KH560改性后，对应复合材料的拉伸强度和断裂伸长率大于未改性纳米Al2O3填充复合材料，但密度、硬度、磨耗量及摩擦系数等相差不大。

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[13]GB/T 3960—83塑料滑动摩擦磨损试验方法[S].

[14]GB/T 2411—2008塑料邵氏硬度试验方法[S].

[15]GB/T 1033.1—2008塑料 非泡沫塑料密度的测定 第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法[S].

Preparation and Performance Research on Nanometer Particles Filled PTFE Complex Materials

Huang Yuping1,Wang Haifeng1,Yang Hui1,Luo Zhongkuan1,Wang Wenli2,Wang Hailian2
(1.Zhejiang California International Nano Systems Institute,Hangzhou 310029;2.Juhua Group Corporation,Quzhou,Zhejiang 324004)

Nanometer Si3N4and Al2O3,modified with silane coupling agent KH560 in different content,were filled into PTFE resin to prepare PTFE complex materials respectively.Then,the relationship between the properties of the complex materials(density,hardness,mechanical and griding properties)and the KH560 contents were researched.The results showed:as nanometer Si3N4were modified with KH560 in the content from 0%to 6%,the tensile strength and the elongation at break of the resulted PTFE/Si3N4complex materials increased with the increase of the KH560 contents;as nanometer Si3N4were modified with KH560 in the content of 6%,the resulted complex materials had higher wear mass loss and lower hardness than that of non-modified Si3N4filled PTFE complex materials;as nanometer Al2O3were modified with KH560 in the content of 1%,2%or 4%,the tensile strength and the elongation at break of the resulted PTFE-Al2O3complex materials increased with the increase of the KH560 contents;as nanometer Al2O3were modified with KH560 in the content of 4%,the tensile strength and the elongation at break of the resulted materials were higher than that of non-modified Al2O3filled PTFE complex materials,however,the density,hardness,wear mass loss and friction coefficient between the two materials are almost the same.

PTFE;complex materials;Si3N4;Al2O3;silane coupling agentKH560

TQ325.4

ADOI10.3969/j.issn.1006-6829.2012.02.001

国际合作项目（2011 DFR50150）

2012-02-08