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石墨烯改性聚四氟乙烯的生产工艺流程与可行性研究

发布时间:2019-11-04 09:57:05   浏览次数:103次

  石墨烯改性聚四氟乙烯的生产工艺

  1、改性复合材料制备方法

  石墨烯作为一种新型的纳米材料,因其具备十分优异的物理化学性能而有着巨大的应用潜力,将石墨烯纳米片与其他高分子聚合物复合可以制得综合性能优异的复合材料。如何使石墨烯维持纳米结构并均匀的分散在基体材料中,是制备聚合基石墨烯的复合材料的关键因素。目前主要通过选择合适的复合材料制备工艺、对石墨烯表面进行修饰和功能化来解决石墨烯在基体材料中的分散问题。目前制备石墨烯填充改性复合材料的主要方法有以下三种:

  (1)原位插层聚合反应

  原位插层聚合反应是将石墨烯和聚合物单体混合均匀后在一定条件下发生单体聚合反应,该方法一定程度上可以使石墨烯在基体材料中均匀的分布。因为石墨烯参与聚合反应,所以促进了其在聚合物基质中的均匀分散,并且增强石墨烯与聚合物基体之间的界面结合力,从而改善复合材料的机械性能。然而,因为石墨烯具有很大的比表面积,发生聚合反应时会导致反应的速率过慢。Verdejo等研究表明,在二甲基硅氧烷中添加石墨烯后,聚合反应的速率比没添加石墨烯大大的下降了。

  (2)溶液插层聚合反应

  溶液插层聚合反应是将石墨烯、聚合物分散在溶剂中混合均匀制得复合材料。一般通过超声分散先将石墨烯分散在可溶性聚合物试剂中,并且通过超声震荡将聚合物溶解使其混合均匀,最后通过干燥除去溶剂。该方法简单有效,可应用于合成低极性或非极性聚合物插层复合材料,最大的不足之处在于溶剂的去除难以解决,易产生较大的污染。Barroso-Bujans等采用溶液插层聚合反应制得了石墨烯,然后利用一些表征手段对石墨烯表面进行微观分析,发现在经过多次溶剂去除和干燥后,仍然有部分溶剂残存在石墨烯表面。

  (3)烧融插层聚合反应

  烙融插层聚合反应是通过高温加热使聚合物处于烙融的状态,然后在其中加入石墨烯,经过烙融混合后制得复合材料。该工艺简单,不需要添加溶剂,适和大规模工业化生产,但是该方法有一定的局限性,仅适用于制备热塑性复合材料而并不适用于其他复合材料制备。

  2、选用原料

  因为容易产生烙体破裂,所以PTFE—般不能使用加工热塑性塑料的方法来加工,大多数都是采用的金属粉末冶金的方法来加工成型,这种方法主要由三个步骤组成,即将PTFE粉末放入模具中加压预成型、预成型的制品放入烧结炉中进行烧结成型以及最后的随炉冷却后处理。而聚四氟乙烯的模压成型工艺简单、容易操作、设备简单、投资少、产品质量有保证,是目前国内生产聚四氟乙烯制品普遍采用的制备工艺。因此结合溶液插层聚合反应和烧融插层聚合反应的优势选用PTFE树脂和石墨烯材料。

  用于模压成型的PTFE树脂主要是通过悬浮法聚合而成,其颗粒粒径一般在20~600μm。要求介电性能好的部件、不泄漏的隔膜、密封件、厚度小于2mm的板、薄膜毛坯、填充PTFE、孔隙分布均匀的小孔径多孔PTFE制品进行模压时,选用平均粒径为25~50μm的PTFE树脂。采用自动模压的大批量小型制品应选用流动性好的树脂;PTFE乳液一般用于湿法混合工艺或者挤塑成型;制品性能要求特别高,如电气性能、力学性能高的制品,应采用平均粒子细的原料,一般控制在颗粒直径为100~300μm的粉末。

  石墨烯是由单层碳原子排列而成的二维六边形点阵结构,是组成其他石墨材料的基本单元,具有良好的导电、导热等性能,将石墨烯纳米片作为填料是高性能聚合物复合材料的理想选择。

  3、工艺流程

  结合当前聚四氟乙烯复合材料生产工艺和石墨烯改性高分子聚合物制备方法,制定的复合材料制备方案可以如下:称取一定量的PTFE细粉加入高速混合机中,搅拌0.5~1min,使树脂松动,停止搅拌,按一定的配比加入石墨稀纳米片搅拌2~8min,搅拌混合效果与搅拌的速度、时间、配方量和物性有关;将搅拌好的物料放在自制模具中压制成型,脱模静置后,再对预成型品放在烧结炉中烧结成型,制得石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料。复合材料流程图如图。


图表1:石墨烯改性聚四氟乙烯制备工艺流程图

  石墨烯改性聚四氟乙烯可行性研究

  1、技术可行性

  纳米材料具有一系列的优异性能,将其作为填料填充到PTFE材料中可以有效的改善PTFE不足之处,并且纳米材料作为填料较其他材料最大的优势就是在填充含量较低时仍能取得理想的增强效果,对PTFE基体材料其他性能影响较小。而石墨烯因其独特的结构使其具有各项优异性能,大量学者的研究表明少量的石墨烯作为填充料添加到聚合物中制得复合材料在不影响基体材料性能的情况下可以有效的增强聚合物各项性能。

  比如王永虎,王玲娟等将不同含量的氧化石墨稀添加到聚四氟乙烯材料中制得PTFE复合材料,通过对复合材料性能测试得出,氧化石墨烯可以改善复合材料的硬度、耐磨损性、摩擦系数。见雪珍,李华等通过石墨烯填充改性聚四氣石稀制得复合材料,通过性能测试发现,石墨烯在含量较低的情况下都能有效的增强复合材料的耐磨损性能。Louis Johann van Rooyen等制备了石墨烯纳米片填充聚四氟乙烯复合材料,通过干燥和溶剂辅助的共混将石墨烯渗入总PTFE体系。研究证实了溶剂混合改善了分散性,这也降低了空隙含量。

  2、应用可行性

  石墨烯突出的力学、电学、热学及光学等特性使其具有巨大的应用前景,在太阳能电池、超级电容器、锂离子电池、传感器、复合材料等方面都有所应用。而且随着批量化生产和大尺寸难题逐步突破,石墨烯的产业化步伐正在加快。聚四氟乙烯还具有诸多不足之处,如较大的膨胀系数、成型加工困难、抵抗变形的能力差、有接触时磨损量大等这些不足使得PTFE的应用在很多方面受到了限制。由于石墨烯技术的较为成熟,可通过改性PTFE大幅度提高和改善传统PTFE在某些应用方面的不足,从而进一步的扩大了其应用领域。

  3、经济可行性

  从聚四氟乙烯行业来看,我国PTFE产能以注塑级中低端品为主,近年来聚四氟乙烯进口量一直保持5000-6000吨的稳定规模,其中70%-80%的进口聚四氟乙烯为高性能的改性产品,以此来满足下游行业对于高端聚四氟乙烯产品的需求。随下游应用领域的发展,对PTFE相关材料性能提出更高、更细的要求,产品高端定制化成为聚四氟乙烯行业未来发展趋势。因此在技术可行、应用可行的基础上,通过石墨烯改性聚四氟乙烯研发生产可以在实现进口替代、开辟新的市场大有可为,通过技术升级产品升级对接市场需求,能够有效帮助企业实现较好的经济效应。

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