一種碳納米管/樹脂基摩擦材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳納米管/樹脂基摩擦材料，更具體涉及到 一種磺化多壁碳納米管/酚醛樹脂基摩擦材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 具有理想超級增強(qiáng)材料之稱的碳納米管，以其優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能，自 1991年發(fā)現(xiàn)以來一直受到國內(nèi)外學(xué)者們的青睞。且進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著納米科技的快速 發(fā)展，批量工業(yè)化生產(chǎn)碳納米管已基本實現(xiàn)，使碳納米管在經(jīng)濟(jì)成本方面將由"高檔"轉(zhuǎn)變 成"普及"，從而進(jìn)一步提升了研究者們的熱情，帶動著碳納米管由理論研究逐步邁向?qū)嶋H 應(yīng)用。其中碳納米管/聚合物基復(fù)合材料是眾多研究中的一個熱點(diǎn)，將其應(yīng)用于摩擦材料 領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢。碳納米管優(yōu)異的力學(xué)性能可有效地承載摩擦過程中的剪切力和外加 載荷壓力；良好的耐熱、導(dǎo)熱性能可提高聚合物基復(fù)合材料的耐熱性，同時可將摩擦過程中 產(chǎn)生的熱量通過碳納米管自身擴(kuò)散、導(dǎo)出，降低對摩面的溫度，抑制聚合物的老化，從而延 長復(fù)合材料的使用壽命；碳納米管的中空管狀結(jié)構(gòu)使其在對摩接觸面間可起到"微軸承"效 應(yīng)，發(fā)揮出減摩降噪的作用?，F(xiàn)有文獻(xiàn)報道，碳納米管可顯著提高聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂、雙 馬來酰亞胺樹脂等聚合物的摩擦學(xué)性能。而碳納米管要較好地發(fā)揮上述優(yōu)勢，均勻的分散 及與聚合物基體界面良好的結(jié)合是其重要前提。因為碳納米管具有很大的長徑比和比表面 積，導(dǎo)致其之間極易纏繞、團(tuán)聚，分散困難；且純碳納米管表面呈惰性，使其不容易與基體的 界面相容，甚至對基體的連續(xù)性起到破壞作用。因此，本專利使用的多壁碳納米管是經(jīng)過磺 化改性后的，在其表面嫁接上具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的磺酸基團(tuán)，從而降低多壁碳納米管的表面能， 提高其表面活性。
[0003] 酚醛樹脂價格低、成型加工性能好，固化后具有較好的耐熱、阻燃、絕緣等性能，使 其成為首選的摩擦材料粘結(jié)劑之一。但酚醛樹脂的分子結(jié)構(gòu)中含有過大的芳環(huán)密度以及存 在著易被氧化的酚羥基和亞甲基，致使其固化物的韌性差、耐熱性下降。而碳納米管良好的 柔性和耐熱、導(dǎo)熱性恰好可彌補(bǔ)上述酚醛樹脂的缺點(diǎn)。
[0004] 將碳納米管與酚醛樹脂復(fù)合應(yīng)用于摩擦材料領(lǐng)域，組合兩者的優(yōu)勢，有望實現(xiàn)其 輕型、耐磨的特點(diǎn)，同時為碳納米管的應(yīng)用開辟新的方向。然而現(xiàn)有的傳統(tǒng)熱模壓成型工藝 (原料在干粉狀態(tài)下混合，然后熱模壓成型）不能很好地適用于碳納米管/酚醛樹脂基摩擦 材料的制備，韓國高麗大學(xué)的Hwang等采用熱模壓成型工藝制得碳納米管/酚醛樹脂基制 動摩擦材料時發(fā)現(xiàn)，碳納米管大都以束狀存在于基體中，表明其團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重。因此在 制備碳納米管/酚醛樹脂基摩擦材料時，如何實現(xiàn)碳納米管的均勻分散是其關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米管/樹脂摩擦材料及其制備方法，通過在原傳 統(tǒng)熱模壓工藝之前增加一道碳納米管與酚醛樹脂的溶液混合工序，將碳納米管更加均勻地 分散于基體中，從而制備出具有良好綜合摩擦性能的摩擦材料。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種碳納米管/樹脂基摩擦材料的原料質(zhì)量份數(shù)為：多壁碳納米管0. 2~2份，酚醛樹 脂25~30份，鎂鹽晶須24~27份，硫酸鈣晶須13~15份，竹纖維9~11份，銅粉17~ 20份。
[0007] 所述多壁碳納米管是經(jīng)過磺化改性后的。改性方法見文獻(xiàn)：磺化碳納米管/活性 炭復(fù)合微球的制備及其對低密度脂蛋白的吸附性能；盧月美、鞏前明、盧方平、梁吉、聶慶 東、張秀梅；物理化學(xué)學(xué)報；2011-03。
[0008] 具體步驟如下： (a) 將多壁碳納米管倒入燒杯，加入無水乙醇，超聲震蕩20min，然后再用超聲細(xì)胞粉 碎機(jī)超聲攪拌20min; (b) 將酚醛樹脂粉末溶入步驟（a)得到的溶液中，并用超聲細(xì)胞粉碎機(jī)超聲攪拌10~ 15min，然后在80°C下油浴磁力攪拌； (c) 待步驟（b)的溶液攪拌至呈黏稠狀時，將其轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中，真空干燥并粉碎至 40~60目； (d) 取步驟（c)干燥并粉碎后的多壁碳納米管與PF混合粉末，將其與干燥的鎂鹽晶須、 硫酸f丐晶須和銅粉一起倒入混料機(jī)中，在1000~2000rpm轉(zhuǎn)速下高速攪拌5~10min,得 外觀顏色均勻的混合物料； (e) 將步驟（d)攪拌后的混合物料與竹纖維一起放入帶有刀片的攪拌機(jī)內(nèi)，在1000~ 2000rpm轉(zhuǎn)速下混合攪拌至竹纖維呈小團(tuán)絮狀且粉末物料均勻分布于竹纖維縫隙間； (f) 將步驟（e)攪拌后的混合原料材料倒入160~170°C的熱壓模具內(nèi)，先1~2次加 壓至2~5MPa內(nèi)，保壓20s，打開模腔排氣，初步定型，然后在5~10MPa內(nèi)同樣加壓、保 壓、排氣4~6次，最后在10~15MPa下加壓1~2次，保壓5~10min，最終成型； (g) 將步驟（f)熱模壓成型后的制品放進(jìn)干燥箱，在180°C下后固化熱處理10h，并隨 爐冷卻得到摩擦材料成品。
[0009] 步驟（a)的超聲細(xì)胞粉碎機(jī)的超聲工作時間參數(shù)為1S，超聲間隙時間為2S，步 驟（b)的酚醛樹脂粉末與無水乙醇的用量比為5g: 8~10mL，步驟（c)的真空干燥溫度 為80°C、真空度小于0. 01MPa、干燥總時間4~5天。
[0010] 本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于：與原傳統(tǒng)的熱模壓法相比，本發(fā)明在其之前添加了一道 多壁碳納米管與酚醛樹脂的溶液混合工序，無水乙醇中的多壁碳納米管在超聲作用下分散 更均勻，然后溶入酚醛樹脂對其進(jìn)行"固定"，從而可達(dá)到多壁碳納米管均勻分散于酚醛樹 脂基體中的目的；且多壁碳納米管經(jīng)過磺化改性后，其與酚醛樹脂的界面結(jié)合能力得到增 強(qiáng)，由此實現(xiàn)了多壁碳納米管與酚醛樹脂的較好復(fù)合。然后通過熱模壓成型，制備出綜合摩 擦性能良好的多壁碳納米管/酚醛樹脂基摩擦材料。
【附圖說明】
[0011] 圖1為試樣二和試樣三的摩擦系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系曲線圖。
[0012] 圖2為試樣二和試樣三的DSC曲線圖。
【具體實施方式】
[0013] 摩擦材料的原料質(zhì)量份數(shù)為：磺化改性多壁碳納米管0. 2~2份，酚醛樹脂25~ 30份，鎂鹽晶須24~27份，硫酸鈣晶須13~15份，竹纖維9~11份，銅粉17~20份。
[0014] 制備方法的具體步驟： (a) 將磺化改性多壁碳納米管倒入燒杯，加入無水乙醇，超聲震蕩20min，然后再用超 聲細(xì)胞粉碎機(jī)超聲攪拌20min; (b) 將酚醛樹脂粉末溶入步驟（a)得到的溶液中，并用超聲細(xì)胞粉碎機(jī)超聲攪拌10~ 15min，然后在80°C下油浴磁力攪拌； (c) 待步驟（b)的溶液攪拌至呈黏稠狀時，將其轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中，真空干燥并粉碎至 40~60目； (d) 取步驟（c)干燥并粉碎后的磺化改性多壁碳納米管與PF混合粉末，將其與干燥的 鎂鹽晶須、硫酸鈣晶須和銅粉一起倒入混料機(jī)中，在1000~2000rpm轉(zhuǎn)速下高速攪拌5~ 10min，得外觀顏色均勻的混合物料； (e) 將步驟（d)攪拌后的混合物料與竹纖維一起放入帶有刀片的攪拌機(jī)內(nèi)，在1000~ 2000rpm轉(zhuǎn)速下混合攪拌至竹纖維呈小團(tuán)絮狀且粉末物料均勻分布于竹纖維縫隙間； (f) 將步驟（e)攪拌后的混合原料材料倒入160~170°C的熱壓模具內(nèi)，先1~2次加 壓至2~5MPa內(nèi)，保壓20s，打開模腔排氣，初步定型，然后在5~10MPa內(nèi)同樣加壓、保 壓、排氣4~6次，最后在10~15MPa下加壓1~2次，保壓5~10min，最終成型； (g) 將步驟（f)熱模壓成型后的制品放進(jìn)干燥箱，在180°C下后固化熱處理10h，并隨 爐冷卻得到摩擦材料成品。
[0015] 步驟（a)的超聲細(xì)胞粉碎機(jī)的超聲工作時間參數(shù)為1s，超聲間隙時間為2s，步 驟（b)的酚醛樹脂粉末與無水乙醇的用量比為5g: 8~10mL，步驟（c)的真空干燥溫度 為80°C、真空度小于0. 01MPa、干燥總時間4~5天。
[0016] 下面通過具體實施例和比較對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明并不僅限于這些 例子。
[0017] 實施例1(較佳實施例） 取原料磺化改性多壁碳納米管0. 4份、酚醛樹脂29. 5份、鎂鹽晶須25. 7份、硫酸鈣晶 須14份、竹纖維10. 7份和銅粉19. 7份，按下述步驟制備： (a) 將磺化改性多壁碳納米管倒入燒杯中，加入35mL無水乙醇，超聲震蕩20min，然 后再用超聲細(xì)胞粉碎機(jī)超聲攪拌20min; (b) 將酚醛樹脂粉末溶入步驟（a)得到的溶液中，并用超聲細(xì)胞粉碎機(jī)超聲攪拌15 min，然后在80°C下油浴磁力攪拌； (c) 待步驟（b)的溶液攪拌至呈黏稠狀