本发明属于聚四氟乙烯材料技术领域，尤其涉及一种填充改性聚四氟乙烯材料及其应用和制备方法。

  聚四氟乙烯是一种由单体四氟乙烯经自由基聚合得到的全氟化聚合物，由于其特殊的结构特点使其具有高度的化学稳定性，耐高低温性，突出的不粘性，良好的润滑性，优异的电绝缘性及耐老化性能等。聚四氟乙烯在原子能、国防、航天、电子、电气、化工、机械、仪器、仪表、建筑、制药、医疗、冶金炼金等工业中广泛用作耐高低温、耐腐蚀材料、绝缘材料、防粘涂层等。

  但是，聚四氟乙烯也存在着一定的不足，如机械性能较差，耐蠕变性差，耐磨损性差，硬度低，导热性差等，使得其在密封材料方面的应用场景范围受到一定的限制。目前，为了改善和克服纯聚四氟乙烯密封材料的缺陷，常采用表面改性、填充改性和共混改性等手段来提高其综合性能，其中填充改性具有操作简单便捷，效果好的优点，得到了更广泛的应用。

  目前，国内外常用的机械零部件用的填充改性聚四氟乙烯密封材料的配方主要有两种，一种是聚四氟乙烯为基料的基础上，填充锡青铜粉；另一种是聚四氟乙烯为基料的基础上，填充玻璃纤维粉和二硫化钼粉。然而，现有的配方中仍存在尺寸稳定性差，耐磨性差，导热性较差、对在动密封摩擦所产生热量的散失较慢，不利于密封等缺点。尤其是填充玻璃纤维粉和二硫化钼粉的配方，应用的较为普遍，但也存在着诸多不足之处：第一，由于玻璃纤维粉比较硬，对于对磨件的设备磨损较严重；第二，由于填充玻璃纤维粉以后会造成填充聚四氟乙烯加工件表面粗糙，不易加工出具有较好光洁度的产品；第三，用于加工填充玻璃纤维粉的聚四氟乙烯件，对车刀磨损严重，即会造成以下几种状况：一是对刀具磨损极快，用于停车磨刀频率较高，影响生产效率；二是刀具昂贵，特别是进口车刀，造成生产所带来的成本较高；三是由于对车削刀具的磨损，加工尺寸误差较大，特别是高筒材的产品，起刀尺寸与产品最末端尺寸误差较大，造成尺寸超差不合格；第四，填充玻璃纤维粉后的聚四氟乙烯件稳定性差，容易形变，产品脆性提高，常规使用的寿命短。

  本发明的第一目的是提供一种填充改性聚四氟乙烯材料，采用以不锈钢粉为填充剂的方式，使得该材料具备良好的耐磨性、自润滑性和尺寸稳定性，并且耐腐蚀性优良，导热性良好，机械强度高，使用寿命长。

  本发明的第二目的在于提供一种利用上述填充改性聚四氟乙烯材料在制备密封件方面的应用。

  本发明的第三目的在于提供一种利用上述填充改性聚四氟乙烯材料制备密封件的方法，该制备方法工艺简单，操作方便，重复操作性强，通过该方法制得的密封件产品性能稳定可靠，拥有非常良好的机械性能。

  根据本发明的一个方面，本发明提供一种填充改性聚四氟乙烯材料，以不锈钢粉为填充剂，所述材料由包括以下重量百分比的原料制成：

  作为进一步优选技术方案，所述聚四氟乙烯为悬浮聚四氟乙烯细颗粒，悬浮聚四氟乙烯细颗粒的粒径为20μm～65μm；

  优选地，所述不锈钢粉包含质量分数为16％～20％的cr、10％～15％的ni和0～3％的mo；

  根据本发明的另一个方面，本发明提供一种利用以上所述的填充改性聚四氟乙烯材料在制备密封件方面的应用。

  根据本发明的另一个方面，本发明提供一种利用以上所述的填充改性聚四氟乙烯材料制备密封件的方法，将聚四氟乙烯、不锈钢粉和二硫化钼粉按照配方比例加入至高速混料机中进行充分混合；

  作为进一步优选技术方案，所述高速混料机的混合转速为2000～3000转/分钟，混合温度为18℃～32℃，混合次数为2～4次，混合时间为每次15～30秒。

  优选地，烧结温度为370℃～385℃，烧结时间为4～15小时，保温90～240分钟后降温至100℃～150℃取出，冷却至室温经24～48小时后进行机械加工，得到密封件成品。

  作为进一步优选技术方案，所述充分混合后的原料，或者聚四氟乙烯、不锈钢粉和二硫化钼粉各原料中的干基含水率均小于等于0.04％；

  优选地，在进行充分混合前还包括对各原料干燥的步骤，干燥的方式为电热烘干干燥、冷风干燥、热风干燥或除湿机干燥中的任意一种或多种组合。

  优选地，在将充分混合后的原料加入至模具中之前，还包括将充分混合后的原料干燥的步骤，干燥的方式为电热烘干干燥、冷风干燥、热风干燥或除湿机干燥中的任意一种或多种组合。

  本发明的填充改性聚四氟乙烯材料主要包括聚四氟乙烯、不锈钢粉和二硫化钼粉，还可以包括其他原料，例如还包括固体添加剂、耐热聚合物和偶联剂。

  可选地，所述材料包括重量百分比为0.1％～10％的固体添加剂、重量百分比为0.1％～10％的耐热聚合物以及重量百分比为0.5％～10％的偶联剂。

  可选地，所述固体添加剂、耐热聚合物和偶联剂均为干燥后的粉体，含水量均小于0.04％。

  可选地，所述固体添加剂的重量百分比为0.5％～8％，所述耐热聚合物的重量百分比为2％～8％，所述偶联剂的重量百分比为0.5％～7％；所述固体添加剂、耐热聚合物和偶联剂的总的重量百分比不超过20％。

  可选地，所述固体添加剂为碳纤维、磁粉、云母粉、碳酸钙粉、纳米陶瓷粉或纳米钛白粉中的一种或两种以上的混合物。

  1、本发明提供的填充改性聚四氟乙烯材料，在以聚四氟乙烯为基体材料的基础上添加不锈钢粉和二硫化钼粉，其中的不锈钢粉不仅在填充材料中起到骨架和支撑作用，同时具有良好的耐化学腐蚀性，良好的延展性和中等硬度，又不伤对磨件，且可保证产品的硬度；而二硫化钼粉具有极好的润滑作用，使得产品具有无油自润滑的特性，同时具有耐高温和很高的抗压性能，对黑色金属有较强的附着性，可以降低摩擦系数。通过该三种原料的配合使用，使得该材料具有极佳的减摩耐磨性、抵抗腐蚀能力、自润滑性、尺寸稳定性和热稳定性。

  2、本发明的填充改性聚四氟乙烯材料，具有良好的自润滑性，耐磨性和尺寸稳定性；具有较好的光洁度且易于加工；并且，耐腐蚀性优良，机械强度高，耐高低温性能优越，使用温度范围广，导热性良好，特别在高温工作状况下，热量极易传递出去，能保持产品尺寸稳定不易变形，进而极大提高产品的减摩耐磨性和常规使用的寿命。

  3、与现有的填充玻璃纤维粉的聚四氟乙烯配方相比，本发明的填充改性聚四氟乙烯材料，综合性能优越，具有良好的耐高低温性、导热性、耐腐蚀性、耐磨性、自润滑性和尺寸稳定性，同时还具有耐高压密封不变型、不伤害对磨件、不伤车削刀具、加工效率高、节约刀具费用、降低生产成本、车削加工速度快、产品光洁度好、产品合格率高等优点，可在众多的机械设备及关键设备的基础件、密封件中广泛推广应用。

  4、利用本发明提供的填充改性聚四氟乙烯材料制备密封件的方法，具有工艺简单，操作便捷，重复操作性强的优点，同时通过该方法制得的密封件产品稳定性很高可靠，拥有非常良好的耐磨性和导热性，耐腐蚀性和自润滑性以及尺寸稳定性，可应用于各种介质中工作的衬垫密封环、耐磨环、耐腐蚀密封环、斯特封、格莱圈、无油润滑活塞环和轴承等，可在－180℃～+250℃温度范围内使用。

  下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

  第一方面，本实施方式提供一种填充改性聚四氟乙烯材料，以不锈钢粉为填充剂，所述材料由包括以下重量百分比的原料制成：

  鉴于现有技术中的填充聚四氟乙烯多以玻璃纤维粉为填充剂，存在着对于对磨件的设备磨损严重，加工件表面粗糙、光洁度较差，对于车刀磨损严重，产品尺寸不稳定的缺陷，本发明提供一种填充改性聚四氟乙烯材料，以不锈钢粉为填充剂，且在以聚四氟乙烯为基体材料的基础上添加不锈钢粉和二硫化钼粉。其中，不锈钢粉不仅在填充材料中起到骨架和支撑作用，同时拥有非常良好的耐化学腐蚀和耐久力，良好的延展性和中等硬度，不伤害对磨件，且可保证产品的硬度；而二硫化钼粉具有极好的润滑作用，使得产品具有无油自润滑的特性，并且二硫化钼粉能够更好的降低摩擦系数，能提高产品的耐磨性，减小设备的磨损。进而使得该材料具备极佳的耐磨性、自润滑性和尺寸稳定性。同时，抵抗腐蚀能力优良，机械强度高，耐高低温性能优越，导热性良好，产品光洁度高、合格率高，不伤害对磨件，不伤车削刀具，生产效率高，成本低。

  需要说明的的是，本发明的填充改性聚四氟乙烯材料的优异综合性能是由其特定的原料组分及配比共同决定的，若组分及其配比不相互协调，单个组分所带来的有益效果，很可能会被其他组分消减甚至消除，起不到整体综合作用。本发明通过大量的研究和反复验证，得到了填充改性聚四氟乙烯材料的最优组合及配比，使得上述原料组分综合在一起，相互协调，进而产生积极的协同作用。

  可选地，上述聚四氟乙烯典型但非限制性的重量百分比为：70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％或95％。

  可选地，上述不锈钢粉典型但非限制性的重量百分比为：3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％。

  可选地，上述二硫化钼粉典型但非限制性的重量百分比为：2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％。

  本实施方式通过对填充改性聚四氟乙烯材料中各原料用量比例的进一步调整和优化，能够进一步提高聚四氟乙烯材料的耐磨性、自润滑性、尺寸稳定性等优异的性能，满足使用要求，延长使用寿命。

  在一种可选的实施方式中，所述聚四氟乙烯为悬浮聚四氟乙烯细颗粒，悬浮聚四氟乙烯细颗粒的粒径为20μm～65μm；

  本实施方式中的聚四氟乙烯采用的是悬浮级的高分子量的细粒料，即在聚四氟乙烯的颗粒的粒径极小的同时，聚四氟乙烯的分子量高，因而具有较高的物理机械强度和稳定性，且该聚四氟乙烯的熔体流动速率较低，在较高温度下仍不流动。

  不同的聚四氟乙烯分子量制备出的产品的性能差异较大，在本发明所限定的聚四氟乙烯分子量以及粒径范围内，并结合特定的不锈钢粉和二硫化钼粉，能够制备出综合性能更为优异的密封件产品。

  可选地，上述悬浮聚四氟乙烯细颗粒的粒径典型但非限制性可以为：20μm、22μm、24μm、25μm、26μm、28μm、30μm、33μm、35μm、38μm、40μm、43μm、46μm、48μm、50μm、53μm、55μm、58μm、60μm、63μm或65μm。

  可选地，上述聚四氟乙烯的数均分子量典型但非限制性可以为：500万、600万、700万、800万、900万、1000万、1100万、1200万、1300万、1400万或1500万。

  优选地，所述不锈钢粉包含质量分数为16％～20％的cr、10％～15％的ni和0～3％的mo；

  本实施方式中的不锈钢粉采用的是超细的粉剂，上述特定的不锈钢粉表面和耐腐蚀性能好，拥有非常良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性。在本发明所限定的不锈钢粉的粒度以及牌号范围内，能够进一步提高产品的抵抗腐蚀能力、自润滑性、耐磨性和尺寸稳定性。

  可选地，上述不锈钢粉的粒度典型但非限制性可以为：300目、350目、400目、450目、500目、550目或600目。

  本实施方式中的二硫化钼粉采用的超细的粉剂，具有优良的热稳定性、润滑性和耐磨性，与悬浮级的聚四氟乙烯细粒料及不锈钢细粉配合使用，粒径越小，越有利于物料之间的相互混合，进而更有利于制得成品。三者之间的混合性能好，能够进一步提升产品的耐腐蚀性、自润滑性、耐磨性和尺寸稳定性。

  可选地，上述二硫化钼粉的粒度典型但非限制性可以为：6000目、6500目、7000目、7500目或8000目。

  可选地，上述二硫化钼粉的纯度典型但非限制性可以为：98％、98.5％、99％、99.5％或100％。

  为进一步提升材料的整体综合性能，可在材料中添加一定量的固体添加剂、耐热聚合物和偶联剂。

  可选地，所述材料包括重量百分比为0.1％～10％的固体添加剂、重量百分比为0.1％～10％的耐热聚合物以及重量百分比为0.5％～10％的偶联剂。

  上述固体添加剂的重量百分比典型但非限制性可以为：0.1％、0.2％、0.5％、0.8％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％。

  上述耐热聚合物的重量百分比典型但非限制性可以为：0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％。

  上述偶联剂的重量百分比典型但非限制性可以为：0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％。

  进一步地，所述固体添加剂的重量百分比为0.5％～8％，所述耐热聚合物的重量百分比为2％～8％，所述偶联剂的重量百分比为0.5％～7％；所述固体添加剂、耐热聚合物和偶联剂的总的重量百分比不超过20％。

  通过对固体添加剂、耐热聚合物和偶联剂的用量比例的进一步调整和优化，能够进一步提高聚四氟乙烯材料的拉伸强度、耐磨性、耐高温、热稳定性耐腐蚀以及自润滑性等优异的性能。

  可选地，所述固体添加剂、耐热聚合物和偶联剂均为干燥后的粉体，含水量均小于0.04％。

  可选地，所述固体添加剂为碳纤维、磁粉、云母粉、碳酸钙粉、纳米陶瓷粉或纳米钛白粉中的一种或两种以上的混合物。

  上述固体添加剂中，云母粉拥有非常良好的弹性、韧性、绝缘性、耐高温、耐酸碱、耐腐蚀、附着力强等特点，能够进一步提高材料的耐温、耐腐蚀、抗冲击性能等；纳米陶瓷粉、纳米钛白粉等均能进一步提高材料的抵抗腐蚀能力、耐高温和抗氧化能力等。固体添加剂的添加可以使得产品具有更好的耐磨性、耐腐蚀性、自润滑性、尺寸稳定性以及较高的光洁度，提高了产品的耐高温和抗氧化能力，并易于加工。对位聚苯具有耐高温、热稳定性好、耐腐蚀、自润滑性能优越等特点，能够进一步提高材料的整体综合性能。此外，在上述填充改性聚四氟乙烯材料中，还可以加入一定量的偶联剂，一方面，可以促使半成品毛坯在烧结时充分交联，另一方面，还可以提高聚合度，从而提升材料的拉伸强度和耐磨性。

  第二方面，本实施方式提供一种利用以上所述的填充改性聚四氟乙烯材料在制备密封件方面的应用。

  采用本发明提供的填充改性聚四氟乙烯材料，可用于生产各种介质中工作的衬垫密封环、耐磨环、耐腐蚀密封环、斯特封、格莱圈、无油润滑活塞环和轴承等，可在－180℃～+250℃温度范围内使用。制得的产品具有良好的耐磨性和导热性，耐腐蚀性和自润滑性以及尺寸稳定性。

  第三方面，本实施方式提供一种利用以上所述的填充改性聚四氟乙烯材料制备密封件的方法，将原料聚四氟乙烯、不锈钢粉和二硫化钼粉按照配方比例加入至高速混料机中进行充分混合；

  本发明的制备方法工艺简单，操作便捷，效率高，成本低，制备过程有效保证了各原料组分充分混合，能够有效保证产品质量，保证均一性和稳定性。

  在一种可选的实施方式中，所述高速混料机的混合转速为2000～3000转/分钟，混合温度为18℃～32℃，混合次数为2～4次，混合时间为每次15～30秒；

  优选地，所述模压的压力为20mpa～65mpa；所述的模压为冷模压工艺。

  优选地，烧结温度为370℃～385℃，烧结时间为4～15小时，保温90～240分钟后降温至100℃～150℃取出，冷却至室温经24～48小时后进行机械加工，得到密封件成品。

  在一种可选的实施方式中，所述充分混合后的原料，或者聚四氟乙烯、不锈钢粉和二硫化钼粉各原料中的干基含水率均小于等于0.04％；

  优选地，在进行充分混合前还包括对各原料干燥的步骤，干燥的方式为电热烘干干燥、冷风干燥、热风干燥或除湿机干燥中的任意一种或多种组合。

  优选地，在将充分混合后的原料加入至模具中之前，还包括将充分混合后的原料干燥的步骤，干燥的方式为电热烘干干燥、冷风干燥、热风干燥或除湿机干燥中的任意一种或多种组合。

  通过上述干燥方式，能够有效控制原料的含水量，使得其含水量在0.04％以下，进而使得产品具有良好的耐磨性和导热性，耐腐蚀性和自润滑性以及尺寸稳定性。

  在上述混合条件下，能够使得原料充分混合，达到均匀；有效控制原料的含水量能够防止所制得产品开裂，并能获得更优异的综合性能；其模压和烧结两项操作参数对产品的力学性能和使用寿命也有一定的影响，实际生产中可根据具体应用情况确定具体的操作参数。

  如表1所示，一种填充改性聚四氟乙烯材料，由包括以下重量百分比的原料制成。

  其中，聚四氟乙烯为悬浮聚四氟乙烯细颗粒，粒径为20μm，聚四氟乙烯的数均分子量为1000万。

  如表2所示，一种填充改性聚四氟乙烯材料，由包括以下重量百分比的原料制成。

  其中，聚四氟乙烯为悬浮聚四氟乙烯细颗粒，粒径为60μm，聚四氟乙烯的数均分子量为600万。

  实施例5和6的固体添加剂为云母粉，实施例7和8的固体添加剂为纳米陶瓷粉。

  按照表1所示的填充改性聚四氟乙烯材料的配方加入至高速混料机中进行充分混合；

  其中，混合转速为3000转/分钟，混合温度为25℃，混合次数为2次，混合时间为每次30秒；将充分混合后的原料加入至模具中，采用模压烧结法成形；模压压力为30mpa，烧结温度为370℃，烧结时间为6小时，保温100分钟后降温至120℃取出，冷却至室温经24小时后，进行机械加工，得到密封件成品。

  按照表2所示的填充改性聚四氟乙烯材料的配方加入至高速混料机中进行充分混合；混合转速为2000转/分钟，混合温度为20℃，混合次数为3次，混合时间为每次15秒；充分混合后的原料的干基含水率为0.02％；

  将充分混合后的原料加入至模具中，采用模压烧结法成形；模压压力为20mpa，烧结温度为380℃，烧结时间为5小时，保温90分钟后降温至100℃取出，冷却至室温经48小时后，进行机械加工，得到密封件成品。

  如表3所示，一种填充改性聚四氟乙烯材料，由包括以下重量百分比的原料制成。

  其中，对比例1和对比例2中的聚四氟乙烯、不锈钢粉和二硫化钼粉的性质与实施例3均相同，不同的只是具体用量。

  而对比例3中，聚四氟乙烯的粒径为100μm，聚四氟乙烯的数均分子量为400万；不锈钢粉与二硫化钼粉的性质与实施例3相同。

  对比例4中，不锈钢粉为06cr20ni8，不锈钢粉的粒度为100目。聚四氟乙烯和二硫化钼粉的性质与实施例3相同。

  如表4所示，一种填充改性聚四氟乙烯材料，由包括以下重量百分比的原料制成。

  其中，对聚四氟乙烯和二硫化钼粉的性质与实施例3均相同，玻璃纤维粉和碳纤维的粒度为400目。

  对实施例9－10和对比例1－8所制得的密封件，进行材料性能测试，测试结果如表5所示。其中，实施例9－1、9－2、9－3、9－4分别代表实施例1、2、3、4所采用的材料配方，实施例10－5、10－6、10－7、10－8分别代表实施例5、6、7、8所采用的材料配方。

  其中，相对密度的测试标准为gb/t1033.1－2008，硬度的测试标准为gb/t2411－2008，拉伸强度的测试标准为hg/t2902－1997，塑料滑动摩擦磨损(磨耗量以及摩擦系数)的测试标准为gb/t3960－2016，线膨胀系数的测试标准为gjb332a－2004。

  由表5可以看出，实施例1－4所得到的填充改性聚四氟乙烯密封件硬度适中，拉伸强度明显提高，磨损量和摩擦系数及线膨胀系数均有所降低，产品的综合性能得到了大大提高。实施例5－6又添加了一定量的固体添加剂、耐热聚合物，实施例7－8又添加了一定量的偶联剂，产品的综合性能也较好。由此说明，采用本发明所限定的填充改性聚四氟乙烯材料的配方制备得到的密封件的抗拉强度、摩擦系数、线膨胀系数等方面都有良好的性能。

  而对比例1－2的原料配方不在本发明限定的范围内，对比例3－4分别采用了不同性质的聚四氟乙烯和不锈钢粉，影响了材料的性能，效果不好，经济性不高；对比例5－8则采用了现有技术中常用的玻璃纤维粉或碳纤维或玻璃纤维粉与碳纤维的混合物为填充剂，产品的各项性能均不如本发明所提供的填充改性聚四氟乙烯材料。

  因此，本发明的填充改性聚四氟乙烯密封件，产品稳定性很高可靠，机械强度高，拥有非常良好的耐磨性和导热性，抵抗腐蚀能力和自润滑性以及尺寸稳定性。

  最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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