[發明專利]一種二氧化硅填充PTFE復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201610318668.X
• 申請日: 2016-05-13
• 公開（公告）號: CN106009428B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 李恩竹;李火軍;馮哲圣;陳亞偉;孫懷寶;周曉華
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C08L27/18
• 分類號: C08L27/18;C08K7/26
• 代理公司: 電子科技大學專利中心51203
• 代理人: 張楊

技術領域

本發明涉及一種二氧化硅填充PTFE復合材料及其制備方法，用以制備低介電常數、低密度的PTFE工程材料，尤其用于輕型復合材料領域。

背景技術

聚四氟乙烯(PTFE)樹脂是一種綜合性能優秀的聚合物材料，有極好的耐高低溫性和耐化學腐蝕性，且介電性能優良，摩擦系數極小。但由于其尺寸穩定性差、導熱性能差、蠕變大、硬度低等缺點限制了其應用，尤其是隨著對材料性能的要求越來越高，使PTFE的改性研究變得極為重要。

由于PTFE本身具有較大的熱膨脹系數(109×10^-6K^-1)，尺寸穩定性差，故常采用精細陶瓷粉體對PTFE進行填充，以降低PTFE過大的熱膨脹系數，同時根據應用要求調控PTFE基板的介電常數。用于填充PTFE的陶瓷粉體如二氧化鈦、氧化鋁、氮化硅、二氧化硅等，其粒徑、形貌等微觀結構對制備的PTFE復合材料的各項性能會產生很大的影響。處于納米尺寸的二氧化硅顆粒因其黏合力強、比表面積大、機械性能優良而得到廣泛應用，尤其是在低介常數的復合材料方面，二氧化硅發揮著重要作用。另一方面，當微納米尺寸的二氧化硅顆粒填充到PTFE中形成復合材料時，其微觀結構和形貌的不規則將導致形成的復合材料在低介電和低密度等性能方面受到限制，使此種復合材料在一些工業應用領域達不到應有的效果。

因此，為了滿足工業應用對于低介電、低密度的輕型PTFE復合材料的要求，尋找一種中空結構的二氧化硅球形納米微粒作為填充PTFE復合材料顯得尤為重要。

中空結構材料的制備包括硬模板法和軟模板法。軟模板法由于其在制備中空微球的過程中難以控制得到的中空微球的粒徑大小及均勻性，因此在制備過程中受到極大的限制。當前硬模板法中選用的硬模板有碳酸鈣、聚苯乙烯、CTAB、碳微球等，但這些模板在制備上或者中空微球的表征等方面存在著缺陷，例如，利用碳酸鈣作為模板難以得到高球形度的中空微球，選擇聚苯乙烯作為模板在去除模板的過程中會對環境產生一定的影響，利用碳微球作為模板單獨制備中空微球效率較低。

發明內容

針對上述存在的問題或不足，本發明提供了一種二氧化硅填充PTFE復合材料及其制備方法，通過改變中空二氧化硅球形納米微粒的粒徑、球殼厚度或填充百分比(二氧化硅與PTFE的質量比)來調控二氧化硅/PTFE的介電常數以及密度，獲得低介電常數、低密度的PTFE復合材料。

該中空二氧化硅球形納米微粒填充PTFE復合材料介電常數2.1～2.8，密度0.8～1.2g/cm³，其填充的中空二氧化硅球形納米微粒，比表面積為700～900m²/g，粒徑均勻且處于400nm～1μm，結構中空球殼厚度40～80nm，球形度高。

其制備方法，包括如下步驟：

步驟1、將純度大于85％的一水葡萄糖以及純度大于99％的尿素溶于去離子水，葡萄糖濃度為0.5mol/L～1.0mol/L，葡萄糖與尿素的質量比為330.25:1，將溶液體系轉移至水熱反應釜中，在160℃～180℃下保溫20h～24h。待反應結束后取出反應物，分別用無水乙醇和去離子水對其進行清洗，最后將產物置于100℃烘箱中干燥，制得膠體碳球模板，其粒徑處于400nm～1μm之間。

步驟2、將步驟1中所得膠體碳球模板溶于無水乙醇和去離子水中形成混合體系，無水乙醇與去離子水的質量比為1.58～2，攪拌、超聲使膠體碳球模板分散，向混合體系中加入純度大于99％的表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨CTAB，膠體碳球與CTAB的質量比為0.5～1，繼續攪拌使表面活性劑CTAB完全吸附于膠體碳球的表面。

步驟3、用濃度為25％～28％氨水調節體系pH至10～12，向步驟2所得的混合溶液體系中滴加正硅酸乙酯TEOS，該TEOS以SiO₂計時含量大于28％，滴加速率為2mL/min，TEOS與膠體碳球的質量比為5.57～9.30，在≥100rpm的速率下攪拌16h～24h后進行抽濾得到復合包覆結構的固體。

步驟4、將步驟3得到的固體置于500℃～600℃的馬弗爐中燒結4h～5h得到的白色粉末即為中空二氧化硅球形納米微粒。

步驟5、將步驟4所得中空二氧化硅球形納米微粒與質量分數為60％的聚四氟乙烯乳液混合均勻，中空二氧化硅球形納米微粒與聚四氟乙烯的質量比為0.053～1，將混合體系在80℃的恒溫水浴條件下加入無水乙醇并伴隨≥100rpm攪拌速率，中空二氧化硅球形納米顆粒與乙醇的質量比為0.23～0.31，最終得到白色固體。