[发明专利]一种碳纤维改性聚四氟乙烯耐磨疏水复合涂层制备方法

说明书

本发明公开一种碳纤维改性聚四氟乙烯耐磨疏水复合涂层制备方法。所述方法对钻头钢基体进行喷砂处理以去除表面氧化层，使基体表面获得一定的清洁度和粗糙度，改善机械性能并提高与涂层之间的附着力；将10‑40份磨碎碳纤维和占碳纤维份数1%的硅烷偶联剂加入到60‑90份聚四氟乙烯乳液中，利用表面工程技术在PDC钻头的钢体表面制备耐磨性和疏水性优异的聚四氟乙烯/碳纤维复合涂层。本发明制备出的聚四氟乙烯复合涂层具有较大的接触角和较低的磨损率，具有优良的疏水性和耐磨性，可以有效解决钻头泥包问题和服役持久性问题。

技术领域

本发明属于高分子化学材料技术领域，具体涉及一种碳纤维改性聚四氟乙烯耐磨疏水复合涂层制备方法。

背景技术

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact，PDC)钻头作为应用于石油矿产勘探开发中的破岩工具，是目前应用最多的一种钻头。然而PDC钻头在泥页岩中钻进时容易产生“泥包”现象——即在钻进过程中切削出的泥质岩屑遇水后不能及时排离孔底而粘附于钻头上，便形成钻头泥包。聚四氟乙烯（Poly tetra fluoroethylene，简写为PTFE）具有优良的疏水性，不易润湿，可有效抑制PDC钻头在泥页岩等特殊地层中钻进时的泥包现象。但是，该涂层的硬度偏低，在较短时间内就几乎被磨光，因此耐磨性成为制约聚四氟乙烯涂层应用的瓶颈。目前现有的工艺鲜有能够制备出耐磨性和疏水性均优良的聚四氟乙烯复合涂层。

表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程。

填充改性是一种有效的方法。利用表面工程技术提高纯PTFE涂层的硬度和耐磨性，可以引入碳纤维、石墨烯或碳纳米管制备疏水抗磨复合涂层。碳纤维(Carbon Fiber，CF)具有高比强度、高模量、优异的耐磨性和抗蠕变性能，可有效地增强聚四氟乙烯(PTFE)，克服其缺点。但由于CF的化学惯性，CF与PTFE的亲和力差，界面结合强度低，大大限制了CF在复合涂层中的性能。

所以在本发明中对聚四氟乙烯进行复合化处理，使用碳纤维改性聚四氟乙烯，利用表面工程技术制备成复合涂层，可以提高其硬度和耐磨性，在PDC钻头的钢体表面制备耐磨性和疏水性优异的聚四氟乙烯/碳纤维复合涂层可以有效解决钻头泥包问题和服役持久性问题。

发明内容

为了有效解决钻头泥包问题和服役持久性问题，本发明一种碳纤维改性聚四氟乙烯耐磨疏水复合涂层制备方法，所述方法对聚四氟乙烯进行复合化处理，使用碳纤维改性聚四氟乙烯，利用表面工程技术在PDC钻头的钢体表面制备耐磨性和疏水性优异的聚四氟乙烯/碳纤维复合涂层。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种碳纤维改性聚四氟乙烯耐磨疏水复合涂层制备方法，所述方法对钻头钢基体进行喷砂处理以去除表面氧化层，使基体表面获得一定的清洁度和粗糙度，改善机械性能并提高与涂层之间的附着力；将10-40份磨碎碳纤维和占碳纤维份数1%的硅烷偶联剂加入到60-90份聚四氟乙烯乳液中，利用表面工程技术在PDC钻头的钢体表面制备耐磨性和疏水性优异的聚四氟乙烯/碳纤维复合涂层。

一种碳纤维改性聚四氟乙烯耐磨疏水复合涂层制备方法，包括以下步骤：

1、涂料制备

将60-90份聚四氟乙烯乳液、10-40份磨碎碳纤维和占碳纤维份数1%的硅烷偶联剂使用磁力搅拌器分散15min-30min至均匀。硅烷偶联剂为双性分子，它的一部分官能团与碳纤维表面反应生成化学键，另一部分官能团与树脂反应形成化学键。这样偶联剂就在树脂与碳纤维表面起到一个化学媒介的作用，将两者牢固连在一起，从而达到提高界面强度的目的。

2、工件表面预处理