聚四氟乙烯－－改性PTFE复合材料之纳米粒子

纳米材料是近年发展起来的具有优异性能的新材料，具有良好的塑性及韧性，其强度和硬度比普通粗晶材料高4~5倍。由于纳米粒子尺寸小、比表面积大，与聚合物问的界面面积及其相互作用大；因此可获得更理想的界面黏合。此外，二者热膨胀系数不匹配问题也得到了消除，纳米材料作为填料用于高分子材料改性，在力学性能方面取得了良好的效果，具有广阔的应用前景。 目前用于填充聚四氟乙烯的纳米材料主要有纳米Al2O3、SiO2、ZnO和CaCO3等，其中纳米Al2O3是金属氧化物中硬度最高的一种。 何春霞等人对纳米SiO2、TiO2、A12O3、ZrO2填充聚四氟乙烯复合材料进行了拉伸和硬度试验。 结果表明：在P T F E中填充纳米S i 0 2、T iO2、Al2O3、ZrO2后，其硬度增大，拉伸强度和断裂伸长率有不同程度的下降。对于纳米Al2O3填充的聚四氟乙烯，随着Al2O3用量的增加，拉伸强度及断裂伸长率先下降，随后有一定的回升；当纳米Al：O 的 质量分数为10%时，聚四氟乙烯复合材料的拉伸强度及断裂伸长率最大，磨损量最小，耐磨性最好，其综合力学性能达到最佳。另外，随着Al2O3用量的增加，聚四氟乙烯复合材料会从韧性材料转向脆性材料。即纳米SiO2的加入会使聚四氟乙烯从塑性材料变为典型的脆性材料，其硬度也显着增大。 王海宝等人对纳米A12O3改性聚四氟乙烯的研究结果表明：纳米A12O3粒子的加入提高了复合材料的拉伸强度和硬度，但降低了摩擦系数和断裂伸长率。随纳米Al2O3用量的增加，聚四氟乙烯复合材料的拉伸强度增加，而断裂伸长率则减小。 董高峰等人的研究表明，复合材料拉伸强度和断裂伸长率随SiO2(1O~30nm)、TiO2(15-30nm)和ZrO2(20～25 nm)含量的升高而降低；断裂伸长率随氧化硅含量的升高而急剧下降，导致材料由塑性转化为脆性；拉伸强度和断裂伸长率随氧化铝(20～ 30 nm)含量的升高呈波动变化，当氧化铝质量分数为1 0％ 时，材料的拉伸强度和断裂伸长率最大。张艳诚对纳米粒子SiO2、TiO2、AI203、ZrO2填充聚四氟乙烯的力学性能也进行了研究。聚四氟乙烯复合材料的拉伸强度和断裂延伸率随纳米粒子用量的增大而减小，硬度升高，这符合填充改性的一般规律；但纳米粒子使聚四氟乙烯复合材料的拉伸强度下降的程度比其他粗晶填料的影响要小，其中纳米Al2O3、ZrO2使复合材料拉伸强度和断裂延伸率随用量增加而下降的速率比填充纳米SiO2、TiO2的要小，这是因为纳米SiO2、TiO2的比表面积较大，表面能高，粒子之问的吸附力较强，容易聚集成粒子团。 赵正平等人的研究表明，纳米CaCO3显着提高了复合材料的弹性模量、断裂伸长率、沖击强度和硬度，其中断裂伸长率最高可达800％，沖击强度亦可提高到纯聚四氟乙烯的233％，但复合材料的拉伸强度有所降低。随着CaCO 含量的增加，弹性模量、断裂伸长率、沖击强度和硬度呈先增加后减小的趋势。在CaCO3填充量较少的情况下，经钛酸酯复合偶联剂表面改性纳米CaCO3复合材料的综合物理机械性能要优于未改性CaCO3复合材料。 纳米粒子是在非平衡、苛刻条件下制得的，其表面原子处于高度活化状态，表面能很高；因此，纳米粒子问的吸附作用很强，容易聚集，难以在聚合物基体中均匀分散。实际应用中，常用偶联剂对填料颗粒进行表面处理，增加粒子问的排斥力位能，促使粒子均匀、稳定的分散。