纳米β-二氧化锰-氧化石墨-聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料的制备方法

摘要

一种纳米β-二氧化锰-氧化石墨-聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料的制备方法，其主要是首先制备了氧化石墨粉末，并对聚四氟乙烯粉末的进行紫外辐照和胺化处理，之后应用水热合成技术制备了纳米β-二氧化锰-氧化石墨复合材料，然后制得了制备纳米β-二氧化锰-氧化石墨-聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料所用的混合粉末，最后对混合粉末相继进行冷模压成型和系列热处理，制备了纳米β-二氧化锰-氧化石墨-聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料。本发明具有摩擦系数小、磨损率低、热稳定性高、机械强度大、使用寿命长的优点，其可应广泛用于化工、机械、航空航天等领域。

主权项

一种纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：(1)纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨复合材料的制备：①所用化学原料：质量浓度为98％的浓硫酸、硫酸锰、高锰酸钾、硝酸钠、粒径为30μm石墨超细粉末以及质量浓度为30％的过氧化氢，其用量有如下质量比例关系：浓硫酸：硫酸锰：高锰酸钾：硝酸钠：石墨粉末：过氧化氢＝80～90：2～4：7～11：1～2：2～4：20～30；②氧化石墨粉末的制备：a、将浓硫酸放入容器中，采用冰水浴冷却使其温度保持在0～5℃之间；然后将硝酸钠加入到盛有浓硫酸的容器中，磁力搅拌，使加入的硝酸钠完全溶解；再将石墨粉末加入到上述容器中，采用冰水浴控制容器内混合溶液温度不高于5℃，磁力搅拌混合溶液90min；然后将质量分数为16‑18％的高锰酸钾固体粉末缓慢加入混合溶液中，采用冰水浴冷却容器，确保容器内混合溶液的温度不高于10℃，将混合溶液搅拌30min；之后在1h内，再将质量分数为65‑68％的高锰酸钾固体粉末按等质量分为3份，分3批次缓慢地将其加入到混合溶液中，每批次高锰酸钾固体粉末加入的时间为5～8min；最后，待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℃，并搅拌混合溶液30min；b、将步骤a的容器从低温恒温槽中取出，用数控恒温水浴锅控制容器内混合溶液的温度为27～33℃，此温度下混合溶液搅拌反应2h，得到颜色为褐色的悬浮浑浊液，然后按去离子水与悬浮浑浊液的体积比1.9～2.0：1的比例，将去离子水缓慢滴加入到褐色的悬浮浑浊液中；将悬浮浑浊液在27～33℃温度下搅拌反应20～30min，之后向悬浮浑浊液中缓慢加入过氧化氢，此时得到溶液颜色为亮黄色的氧化石墨分散液，将氧化石墨分散液置于超声波处理器中进行超声波处理5～8min，超声波频率为40kHz，超声波水浴的温度为20～30℃；c、对步骤b的氧化石墨分散液进行透析处理，首先将石墨分散液转移至截留分子量为8000～14000的透析袋中，然后将透析袋置于盛有去离子水的容器中，将容器置于恒温水浴槽中，控制容器中去离子水的温度为58～62℃，透析过程中每隔12h更换一次容器中的去离子水，直至容器内的去离子水pH值不低于5.5，此时得到凝胶状的氧化石墨；将凝胶状氧化石墨从透析袋中取出，并将其置于烘箱中干燥处理，烘箱烘干温度为60℃，烘干24h后将其从烘箱中取出，自然冷却至室温，得到块状的凝胶态氧化石墨；d、将步骤c干燥后的凝胶态氧化石墨置于高能量球磨机中进行研磨，球磨机的转速为1425rpm/min，研磨时间为10～15min；即得到平均粒径为0.5μm的氧化石墨粉末；③纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨复合材料的制备：将硫酸锰固体粉末放入容器中，按硫酸锰与去离子水的质量比＝1‑2：10的比例，将去离子水加入到容器中，室温下磁力搅拌器使硫酸锰固体粉末充分溶解，将步骤②制得的氧化石墨粉末加入硫酸锰溶液中，进行超声波处理30～60min，超声波频率为40kHz，超声波水浴的温度为20～30℃；然后将质量分数为14～19％的高锰酸钾固体粉末加入到超声波处理的硫酸锰溶液中，室温搅拌使高锰酸钾固体粉末全部溶解，再将混合溶液转入到不锈钢反应釜中，拧紧不锈钢反应釜的密封盖并将其置于电炉中，控制电炉炉堂内的温度为150℃，使不锈钢反应釜中的混合溶液在此温度下水热反应24h后，关闭电炉使其自然冷却至室温，将不锈钢反应釜从电炉中取出，打开不锈钢反应釜的密封盖，将反应釜内的混合溶液进行离心分离处理，离心机转速为4000rpm/min，离心时间为10min，并用去离子水多次离心洗涤所得到的沉淀物至中性；之后将去离子水洗涤后的沉淀物置于真空干燥箱中，控制真空干燥箱的温度为60℃，对沉淀物干燥处理12h，再将沉淀物从真空干燥箱中取出并用玛瑙研钵将其研碎为超细粉末，即得到平均粒径为0.5μm的纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨复合材料；(2)聚四氟乙烯粉末的胺化处理：在通风橱内，将质量浓度为98％的水合肼加入到无水乙醇中，磁力搅拌15min，配制质量浓度为25～33％的水合肼乙醇溶液；然后按水合肼与平均粒径为0.15μm的聚四氟乙烯粉末质量比为63～42：1的比例，将聚四氟乙烯粉末加入到上述水合肼乙醇溶液中，并用保鲜膜密封盛有水合肼乙醇溶液的容器，室温磁力搅拌45～60min；之后在通风橱内将聚四氟乙烯粉末从水合肼乙醇溶液中分离出来并平铺于洁净的网眼尺寸为200目的不锈钢滤网上，同时将不锈钢滤网置于盛有水合肼乙醇溶液、并用保鲜膜密封上部的容器上；为保证容器中的水合肼乙醇溶液能够挥发与聚四氟乙烯粉末接触，不锈钢滤网与容器接触处的保鲜膜留有直径为1.5cm的孔洞；之后迅速将平铺有水合肼浸渍处理的聚四氟乙烯粉末的不锈钢滤网连同盛有水合肼乙醇溶液的容器置于温度为70～80℃的烘箱中进行紫外辐照24～30h，烘箱顶部安装有紫外灯，紫外灯的功率为40W，紫外灯辐照出的紫外线波长为254nm，紫外灯与不锈钢滤网的垂直距离为15cm，同时烘箱顶部留有一直径为1cm的小孔，由此孔挥发出的蒸气用另外单独配制的质量浓度为5％的过氧化氢水溶液吸收；之后将上述紫外辐照后的聚四氟乙烯粉末从烘箱中取出并置于真空干燥箱中，于80℃温度下烘干6h，即得胺化处理的聚四氟乙烯粉末；(3)纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料的制备过程：①所用原料：步骤(1)中制得的纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨的复合材料、步骤(2)中胺化处理的聚四氟乙烯粉末和无水乙醇；上述各原料用量有如下质量比例关系：纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨的复合材料：胺化处理的聚四氟乙烯粉末：无水乙醇＝5～20：80～95：240；②纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚四氟乙烯混合粉末的制备：a、首先将纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨的复合材料粉末加入到无水乙醇中超声振荡60～90min，超声波频率为40kHz，超声波水浴的温度为25～35℃，使纳米二氧化锰‑氧化石墨的粉末在无水乙醇中均匀分散；b、然后将胺化处理的聚四氟乙烯粉末加入到上述纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨粉末的乙醇溶液中，室温下磁力搅拌120～150min，确保胺化处理的聚四氟乙烯粉末与纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨粉末在乙醇溶剂中均匀分散，制得纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚四氟乙烯乙醇混合溶液；d、将制备的纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚四氟乙烯乙醇混合溶液置干燥箱中，于100℃温度下干燥处理24h，即制得纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚四氟乙烯混合粉末；③纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料的成型处理：a、首先将步骤②制备的纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚四氟乙烯混合粉末装入冷模压模具中进行压制成型，压制压力为30～45Mpa，压制时间为10～20min；混合粉末压制处理后，将其从冷模压模具中取出，对其进行修整去除毛刺，使其光滑平整，制得纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料薄片；b、将修整后的纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑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，首先将电炉温度自室温以1℃/min的升温速率升至375℃，并在375℃保温30min；然后将电炉温度由375℃降温到200℃，此降温过程所需时间为30min，电炉在200℃保温20～35min；关闭电炉电源，使其温度由200℃自然冷却室温，将热处理后的薄片取出，即得到纳米β‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚四氟乙烯耐磨减摩复合材料。