本發(fā)明屬于濕式摩擦材料領(lǐng)域，具體涉及一種片狀自組裝二氧化錳改性碳纖維增強樹脂基摩擦材料的制備方法。

背景技術(shù)：

樹脂基摩擦材料是一種由黏結(jié)劑(樹脂)、增強纖維和摩擦性能調(diào)節(jié)劑等經(jīng)充分混合均勻后熱壓成型的一種多元復(fù)合材料，具有摩擦磨損性能優(yōu)良、制備工藝簡單、性能可設(shè)計性強和成本低等優(yōu)點，其應(yīng)用越來越廣。

申請?zhí)枮镃N103450501A的中國專利“一種利用過硫酸鉀/硝酸銀體系對碳纖維表面改性的方法”將碳纖維放入索氏提取器提取管內(nèi),以丙酮為提取劑進行索氏提取除雜，即在溫度為75～85℃下冷凝回流反應(yīng)4h～8h，得到去除表面雜質(zhì)后的碳纖維，將丙酮清洗后碳纖維放置于溫度為350～380℃和壓力為7～15MPa的超臨界丙酮—水體系中浸泡15～30min，來去除碳纖維的環(huán)氧涂層，這種方法雖然可以很好的去除環(huán)氧涂層，但是對實驗條件要求較高，不利于工程應(yīng)用。

申請?zhí)枮镃N104195824A的中國專利“一種碳纖維表面改性方法”采用丙酮在60～100℃的條件下，對碳纖維表面的上漿劑及雜質(zhì)進行清除，清洗烘干后將碳纖維置于圓底燒瓶中，加入濃酸中，60～80℃下氧化2～5h，得到的氧化后的碳纖維在蒸餾水中浸泡5～10min，然后將經(jīng)蒸餾水中浸泡后的碳纖維取出，棄除蒸餾水，重復(fù)上述步驟5～10次才得到預(yù)處理的碳纖維。此法在實驗過程中重復(fù)步驟多、繁瑣耗時。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種片狀自組裝二氧化錳改性碳纖維增強樹脂基摩擦材料的制備方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明通過利用片狀自組裝二氧化錳改性后的碳纖維作為纖維增強體制備出摩擦系數(shù)高、磨損量低等特點的樹脂基摩擦材料。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種片狀自組裝二氧化錳改性碳纖維增強樹脂基摩擦材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：將碳纖維用丙酮溶液浸泡，待去除碳纖維的上漿劑后，將碳纖維反復(fù)洗滌至中性并烘干；

步驟二：將步驟一烘干的碳纖維和濃硝酸混合得到碳纖維混合體系，將碳纖維混合體系加熱至80～90℃反應(yīng)2～4h，反應(yīng)完成后冷卻至室溫將碳纖維用去離子水和乙醇反復(fù)交替洗滌至溶液為中性并烘干；

步驟三：取步驟二得到的碳纖維與固體高錳酸鉀混合研磨，將混合體放入蒸餾水中攪拌，然后加入濃硫酸后攪拌，然后將得到的混合溶液加熱，得到片狀自組裝二氧化錳改性的碳纖維粗產(chǎn)品，將改性碳纖維粗產(chǎn)品反復(fù)洗滌至中性并烘干即得到改性碳纖維；

步驟四：采用濕法制漿工藝將改性碳纖維、芳綸纖維、紙纖維分散于水中，然后利用抄紙成型工藝制得纖維增強材料；

步驟五：將纖維增強材料利用改性酚醛樹脂浸漬后進行熱壓固化即得到樹脂基摩擦材料。

進一步地，步驟一中將碳纖維用丙酮溶液浸泡36～48h。

進一步地，步驟二中將碳纖維和濃硝酸以1：50的質(zhì)量比相混合得到碳纖維混合體系。

進一步地，步驟三中碳纖維與高錳酸鉀的質(zhì)量比為1:10；步驟三中將碳纖維與高錳酸鉀混合在研缽中研磨8～15min。

進一步地，步驟三中將研磨好的混合體放入蒸餾水中攪拌10h，然后逐滴加入濃硫酸后攪拌1h，其中，每200mL蒸餾水中加入2.2g混合體，每200mL蒸餾水中加入0.5～1.5mL濃硫酸。

進一步地，步驟三中將混合溶液在80～160℃的溫度下加熱2～6h，得到片狀自組裝二氧化錳改性的碳纖維粗產(chǎn)品。

進一步地，步驟四中將改性碳纖維、芳綸纖維、紙纖維按照(9～13)﹕(2～3)﹕(2～3)的質(zhì)量比分散于水中，然后利用抄紙成型工藝制得纖維增強材料。

進一步地，步驟五中改性酚醛樹脂與改性碳纖維的質(zhì)量比為(6～8)﹕(3～5)。

進一步地，步驟五中熱壓固化溫度為150～180℃，時間為8～15min，壓力為5～10MPa。

進一步地，步驟一種碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維或瀝青基碳纖維；步驟四中的紙纖維為木纖維或竹纖維；芳綸纖維為短切芳綸纖維、沉析芳綸纖維或芳綸漿粕。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明中采用酸液氧化法對碳纖維進行預(yù)處理，然后使用高錳酸鉀和濃硫酸利用氧化還原反應(yīng)在碳纖維表面原位生長片狀自組裝二氧化錳，且其具有比表面積大、易與樹脂結(jié)合等諸多優(yōu)點，將其作為摩擦材料增強體，應(yīng)用于濕式樹脂基摩擦材料，可以有效增大纖維與樹脂結(jié)合的比表面積，進而提高碳纖維與基體的界面結(jié)合性能，使摩擦材料具有更為優(yōu)異的摩擦磨損性能。

進一步地，通過控制條件，本發(fā)明方法使片狀自組裝二氧化錳改性后碳纖維制備的樹脂基摩擦材料磨損率降低為原始碳纖維制備的樹脂基摩擦材料的1/9左右，本發(fā)明方法制備的樹脂基摩擦材料具有優(yōu)異的摩擦磨損性能，按照GB/T 13826-2008技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)檢測，其動摩擦系數(shù)達到0.09～0.16，摩擦材料磨損率為1.88×10^-9cm³/J～1.62×10^-8cm³/J，展現(xiàn)出了優(yōu)異的摩擦磨損性能及耐磨性能。

附圖說明

圖1為碳纖維表面生長片狀自組裝二氧化錳的SEM圖，其中(a)為放大5k倍的SEM圖；(b)為放大50k倍的SEM圖；

圖2為用片狀自組裝二氧化錳改性碳纖維制備的樹脂基摩擦材料與原始碳纖維制備的樹脂基摩擦材料磨損率對比圖，其中CF0：原始碳纖維增強樹脂基摩擦材料；CF1：片狀自組裝二氧化錳改性碳纖維增強樹脂基摩擦材料。

具體實施方式

下面對本發(fā)明做進一步詳細(xì)描述：

一種片狀自組裝二氧化錳改性碳纖維增強樹脂基摩擦材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：將長度為0.1～10mm的碳纖維(聚丙烯腈基碳纖維或瀝青基碳纖維)用丙酮溶液浸泡36～48h，待去除碳纖維的上漿劑后，將碳纖維反復(fù)洗滌至中性并在60～80℃下烘干12～24h；

步驟二：將步驟一烘干的碳纖維和濃硝酸以1：50的質(zhì)量比混合得到碳纖維混合體系，將碳纖維混合體系加熱至80～90℃反應(yīng)2～4h，反應(yīng)完成后冷卻至室溫將碳纖維用去離子水和乙醇反復(fù)交替洗滌3～5次至溶液為中性并在60～80℃下烘干12～24h；

步驟三：取步驟二得到的碳纖維與固體高錳酸鉀按1:10的質(zhì)量比混合研磨8～15min，將混合體放入蒸餾水中攪拌10h，然后加入濃硫酸后攪拌1h，其中，每200mL蒸餾水中加入2.2g混合體，每200mL蒸餾水中加入0.5～1.5mL濃硫酸，將得到的混合溶液在80～160℃的溫度下加熱2～6h，得到片狀自組裝二氧化錳改性的碳纖維粗產(chǎn)品，將改性碳纖維粗產(chǎn)品反復(fù)洗滌至中性并在60～80℃下烘干12～24h即得到改性碳纖維；

步驟四：采用濕法制漿工藝將改性碳纖維、芳綸纖維(短切芳綸纖維、沉析芳綸纖維或芳綸漿粕)、紙纖維(木纖維或竹纖維)按照(9～13)﹕(2～3)﹕(2～3)的質(zhì)量比分散于水中，然后利用抄紙成型工藝制得纖維增強材料；

步驟五：將纖維增強材料利用改性酚醛樹脂浸漬后在溫度為150～180℃，壓力為5～10MPa的條件下進行熱壓固化8～15min，其中，改性酚醛樹脂與改性碳纖維的質(zhì)量比為(6～8)﹕(3～5)，即得到樹脂基摩擦材料。

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)描述：

實施例1

步驟一：將長度為0.1～10mm聚丙烯腈基碳纖維用丙酮在室溫下浸48h，以去除碳纖維表面上漿劑和雜質(zhì)，將碳纖維反復(fù)洗滌至pH為7并烘干；

步驟二：稱取步驟一烘干的碳纖維2g放入圓底燒瓶中并加入100g濃硝酸，于90℃下反應(yīng)2h，反應(yīng)完成后冷卻至室溫將碳纖維反復(fù)去離子水和乙醇交替各洗滌3次至中性并烘干；

步驟三：將步驟二中的碳纖維稱取0.2g，另稱取高錳酸鉀2g，將兩者放入研缽中研磨10min，將研磨好的混合體放入裝有200mL蒸餾水的燒杯中攪拌10h，再逐滴加入1mL的濃硫酸并攪拌1h，將反應(yīng)好的溶液轉(zhuǎn)移到1000mL的容量瓶中，在120℃的條件下進行加熱，反應(yīng)時間為4h，得到片狀自組裝二氧化錳改性的碳纖維粗產(chǎn)品，將改性碳纖維粗產(chǎn)品反復(fù)洗滌至中性并烘干即得到改性碳纖維；

步驟四：采用濕法制漿工藝將改性碳纖維、短切芳綸纖維、木纖維按3﹕1﹕1的質(zhì)量比分散于水中，然后利用抄紙成型工藝制得直徑為30mm的纖維增強材料；

步驟五：將纖維增強材料利用改性酚醛樹脂浸漬后用硫化機在170℃的溫度下，5MPa的壓力下熱壓固化10min即得到片狀自組裝二氧化錳增強樹脂基摩擦材料，其中改性酚醛樹脂與改性碳纖維的質(zhì)量比為8﹕5，獲得片狀自組裝二氧化錳增強樹脂基摩擦材料。

圖1是本實施例所制備片狀自組裝二氧化錳改性碳纖維樣品表面SEM照片，從圖中可以看出纖維表面出現(xiàn)大量片狀自組裝二氧化錳顆粒，從而使碳纖維表面積增大、表面活性得到改善，圖2是原始碳纖維制備的樹脂基摩擦材料與片狀自組裝二氧化錳改性后碳纖維制備的樹脂基摩擦材料磨損率對比，從圖中可以看出改性后碳纖維增強試樣磨損率為1.88×10^-9cm³/J，大大降低至原始碳纖維的1/9，展現(xiàn)了纖維與基體良好的結(jié)合及其耐磨損性能。

實施例2

步驟一：將長度為0.1～10mm瀝青基碳纖維用丙酮在室溫下浸36h，以去除碳纖維表面上漿劑和雜質(zhì)，將碳纖維反復(fù)洗滌至pH為7并烘干；

步驟二：稱取步驟一烘干的碳纖維2g放入圓底燒瓶中并加入100g濃硝酸，于80℃下反應(yīng)4h，反應(yīng)完成后冷卻至室溫將碳纖維反復(fù)去離子水和乙醇交替各洗滌4次至中性并烘干；

步驟三：將步驟二中的碳纖維稱取0.2g，另稱取高錳酸鉀2g，將兩者放入研缽中研磨8min，將研磨好的混合體放入裝有200mL蒸餾水的燒杯中攪拌10h，再逐滴加入0.5mL的濃硫酸并攪拌1h，將反應(yīng)好的溶液轉(zhuǎn)移到1000mL的容量瓶中，在80℃的條件下進行加熱，反應(yīng)時間為2h，得到片狀自組裝二氧化錳改性的碳纖維粗產(chǎn)品，將改性碳纖維粗產(chǎn)品反復(fù)洗滌至中性并烘干即得到改性碳纖維；

步驟四：采用濕法制漿工藝將改性碳纖維、沉析芳綸纖維、竹纖維按13﹕2﹕2的質(zhì)量比分散于水中，然后利用抄紙成型工藝制得直徑為30mm的纖維增強材料；

步驟五：將纖維增強材料利用改性酚醛樹脂浸漬后用硫化機在180℃的溫度下，8MPa的壓力下熱壓固化15min即得到片狀自組裝二氧化錳增強樹脂基摩擦材料，其中改性酚醛樹脂與改性碳纖維的質(zhì)量比為6﹕3，獲得片狀自組裝二氧化錳增強樹脂基摩擦材料的動摩擦系數(shù)為0.12，磨損率為1.88×10^-9cm³/J。

實施例3

步驟一：將長度為0.1～10mm瀝青基碳纖維用丙酮在室溫下浸48h，以去除碳纖維表面上漿劑和雜質(zhì)，將碳纖維反復(fù)洗滌至pH為7并烘干；

步驟二：稱取步驟一烘干的碳纖維2g放入圓底燒瓶中并加入100g濃硝酸，于90℃下反應(yīng)2h，反應(yīng)完成后冷卻至室溫將碳纖維反復(fù)去離子水和乙醇交替各洗滌3次至中性并烘干；

步驟三：將步驟二中的碳纖維稱取0.2g，另稱取高錳酸鉀2g，將兩者放入研缽中研磨10min，將研磨好的混合體放入裝有200mL蒸餾水的燒杯中攪拌10h，再逐滴加入1mL的濃硫酸并攪拌1h，將反應(yīng)好的溶液轉(zhuǎn)移到1000mL的容量瓶中，在120℃的條件下進行加熱，反應(yīng)時間為6h，得到片狀自組裝二氧化錳改性的碳纖維粗產(chǎn)品，將改性碳纖維粗產(chǎn)品反復(fù)洗滌至中性并烘干即得到改性碳纖維；

步驟四：采用濕法制漿工藝將改性碳纖維、芳綸漿粕、木纖維按9﹕2﹕2的質(zhì)量比分散于水中，然后利用抄紙成型工藝制得直徑為30mm的纖維增強材料；

步驟五：將纖維增強材料利用改性酚醛樹脂浸漬后用硫化機在150℃的溫度下，10MPa的壓力下熱壓固化10min即得到片狀自組裝二氧化錳增強樹脂基摩擦材料，其中改性酚醛樹脂與改性碳纖維的質(zhì)量比為8﹕5，獲得片狀自組裝二氧化錳增強樹脂基摩擦材料的動摩擦系數(shù)為0.13，磨損率為5.73×10^-9cm³/J。

實施例4

步驟一：將長度為0.1～10mm聚丙烯腈基碳纖維用丙酮在室溫下浸42h，以去除碳纖維表面上漿劑和雜質(zhì)，將碳纖維反復(fù)洗滌至pH為7并烘干；

步驟二：稱取步驟一烘干的碳纖維2g放入圓底燒瓶中并加入100g濃硝酸，于85℃下反應(yīng)3h，反應(yīng)完成后冷卻至室溫將碳纖維反復(fù)去離子水和乙醇交替各洗滌5次至中性并烘干；

步驟三：將步驟二中的碳纖維稱取0.2g，另稱取高錳酸鉀2g，將兩者放入研缽中研磨15min，將研磨好的混合體放入裝有200mL蒸餾水的燒杯中攪拌10h，再逐滴加入1.5mL的濃硫酸并攪拌1h，將反應(yīng)好的溶液轉(zhuǎn)移到1000mL的容量瓶中，在160℃的條件下進行加熱，反應(yīng)時間為4h，得到片狀自組裝二氧化錳改性的碳纖維粗產(chǎn)品，將改性碳纖維粗產(chǎn)品反復(fù)洗滌至中性并烘干即得到改性碳纖維；

步驟四：采用濕法制漿工藝將改性碳纖維、短切芳綸纖維、竹纖維按13﹕3﹕3的質(zhì)量比分散于水中，然后利用抄紙成型工藝制得直徑為30mm的纖維增強材料；

步驟五：將纖維增強材料利用改性酚醛樹脂浸漬后用硫化機在160℃的溫度下，10MPa的壓力下熱壓固化8min即得到片狀自組裝二氧化錳增強樹脂基摩擦材料，其中改性酚醛樹脂與改性碳纖維的質(zhì)量比為7﹕4，獲得片狀自組裝二氧化錳增強樹脂基摩擦材料的動摩擦系數(shù)為0.11，磨損率為4.10×10^-9cm³/J。