一种纳米颗粒改性碳布增强湿式摩擦材料的制备方法

摘要

本发明提供一种纳米颗粒改性碳布增强湿式摩擦材料的制备方法，以碳纤维布和改性酚醛树脂为原料，将碳布在水热条件下处理，然后采用微波水热法沉积纳米SiO

说明书

技术领域

本发明属于摩擦材料领域，涉及一种纳米颗粒改性碳布增强湿式摩擦材料 的制备方法。

背景技术

湿式摩擦材料是指工作于润滑油、润滑脂等润滑介质中的摩擦材料，用于 实现装置的传扭制动功能。主要应用于汽车自动变速器、差速器、同步器、扭 矩管理器以及其它湿式离合器中。

文献1“公开号为CN101671537A的中国专利”公开了一种碳纤维布复合摩 擦材料及在制造汽车粉末冶金同步器齿环摩擦层上的应用，它是以碳纤维布作 为增强材料，以FB耐高温树脂及双酚环氧树脂的混合液做粘接剂，添加各种 摩擦材料制成碳纤维布复合摩擦材料；以粉末冶金作汽车同步器齿环的基体， 在基体的表面设置碳纤维布复合摩擦材料作摩擦层，制造汽车粉末冶金同步器 齿环。文献2“公开号为CN102757621A的中国专利”公开了一种湿式复合摩擦 材料及其制备方法，摩擦材料的组分包括：作为材料骨架的炭纤维布、热固性 树脂、固化剂和摩擦性能调节剂。制备方法为将丙酮或无水乙醇作为溶剂、酚 醛树脂、乙二胺和陶瓷颗粒一次混合并进行超声波分散，制成混合均匀、粘度 适中的浸渍液，然后浸渍炭纤维布，干燥后对炭纤维布进行热压固化及后续固 化热处理。但是，其使用的炭纤维布未经任何处理，其碳纤维表面缺乏活性官 能团，表面能低，表面惰性大，与基体树脂间的界面结合性差，界面存在较多 缺陷，限制了碳纤维增强复合材料的优异性能的发挥。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米颗粒改性碳布增强湿式摩擦材料的制备 方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

在水热条件下利用浓硝酸对碳布进行氧化处理，采用微波水热法在氧化处 理后的碳布表面沉积纳米SiO₂颗粒，然后将碳布在改性酚醛树脂溶液中进行 浸渍，浸渍后再经过热压成型得到碳布增强湿式摩擦材料。

所述氧化处理前对碳布进行预处理，预处理的方法包括以下步骤：将碳布 浸泡于丙酮或乙醇中进行清洗，然后晾干。

所述氧化处理的条件为：控制温度为80-120℃，处理时间为1-4小时。

所述微波水热法的条件为：设定功率为300-500W，温度为160-220℃，反 应时间为60-150分钟。

所述改性酚醛树脂溶液为质量分数20-40%的改性酚醛树脂无水乙醇溶 液。

所述纳米颗粒改性碳布增强湿式摩擦材料的制备方法，具体包括以下步 骤：

步骤1：将75-200g改性酚醛树脂加入300mL无水乙醇中，然后搅拌1-3 小时，搅拌后静置24小时，获得溶液A；

步骤2：将碳布裁剪成5cm*7cm的长方形状，然后放于丙酮中浸泡24小 时后取出，然后晾干得样品A；

步骤3：将样品A和50mL浓硝酸放入水热反应釜中后将所述水热反应釜 放到均相反应器中，然后控制温度为80-120℃反应1-4小时，反应结束后取出 水热反应釜中的碳布，并用去离子水进行清洗，然后于60-100℃下烘干得样品 B；

步骤4：将样品B和50mL质量分数为3-12%的硅溶胶放入聚四氟乙烯内 衬的反应釜中，再将聚四氟乙烯内衬的反应釜放入微波水热反应仪中，然后在 设定功率为300-500W、温度为160-220℃的条件下保温反应60-150分钟，待 反应结束后自然冷却至室温，然后将碳布从所述聚四氟乙烯内衬的反应釜中取 出并用去离子水洗涤，然后在60-100℃下干燥，得到样品C；

步骤5：将样品C置于溶液A中8-10分钟后取出，然后晾干得样品D；

步骤6：将样品D置于硫化机上热压成型，得到碳布增强湿式摩擦材料。

所述热压成型的条件为：热压温度为160℃，热压时间为5-10分钟，热压 压力为5-8MPa。

所述碳布（即碳纤维布）的机织类型是平纹、斜纹或缎纹；碳布的规格是 1K、3K、6K或12K。

所述改性酚醛树脂是腰果壳油改性酚醛树脂、丁腈橡胶改性酚醛树脂或者 硼改性酚醛树脂。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过在水热条件下对碳布表面进行氧化处理后，采用微波水热法在 碳布表面沉积纳米SiO₂颗粒，其具有高效、纳米颗粒沉积均匀和制备的碳布 表面含氧量高等优点，解决了现有碳布增强湿式摩擦材料增强体与基体粘结强 度不足、力学性能有待提高的问题，大大改善了碳布与树脂基体的粘结强度和 拉伸强度，从而提高了硫化过程中线性高分子通过交联作用而形成网状高分子 的均匀性，使所制备的碳布湿式摩擦材料具有更优异的摩擦学性能。

附图说明

图1为碳纤维对比图，其中，（a）为未经氧化、沉积纳米SiO₂颗粒处理碳 纤维表面微观形貌，（b）为经氧化、沉积纳米二氧化硅颗粒后碳纤维表面微观 形貌（实施例4）；

图2为未经氧化、沉积纳米SiO₂颗粒处理碳布制备的碳布增强湿式摩擦 材料；

图3为微波水热条件下碳布表面经氧化以及沉积纳米二氧化硅颗粒制备的 碳布增强湿式摩擦材料（实施例4）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

实施例1：

步骤1：取75g丁腈橡胶改性酚醛树脂加入300mL无水乙醇中，然后磁 力搅拌1小时，磁力搅拌后静置24小时（改性酚醛树脂全部溶于无水乙醇中）， 获得溶液A；

步骤2：将碳布裁剪成5cm*7cm的长方形状，然后将一块裁剪成5cm*7cm 的长方形状碳布放于丙酮中浸泡24小时后取出，取出后自然条件下晾干得样 品A；

步骤3：将样品A和50mL浓硝酸（质量分数为65%-68%）放入水热反应 釜中，然后将水热反应釜放到均相反应器中，然后控制温度为80℃反应2小时， 反应结束后取出碳布，并用去离子水进行清洗，然后于80℃条件下烘干得样品 B；

步骤4：将样品B和50mL质量分数为3%的硅溶胶（纳米SiO₂颗粒分散 于水中形成硅溶胶）放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将聚四氟乙烯内衬的 反应釜放入微波水热反应仪中，然后设定功率为300W，并在温度为160℃下 保温反应60分钟，然后待温度自然降至室温（20℃）后将聚四氟乙烯内衬的 反应釜内的碳布取出，并用去离子水洗涤，然后在80℃下恒温干燥，得到样品 C；

步骤5：将样品C置于溶液A中8分钟后取出，然后在自然条件下晾干得 样品D；

步骤6：将样品D置于硫化机上热压成型，控制热压温度为160℃，热压 时间为5分钟，热压压力为5MPa，即得到碳布表面经过纳米SiO₂颗粒改性的 碳布增强湿式摩擦材料。经CFT-Ⅰ型多功能材料表面综合性能测试仪测试动 摩擦系数为0.1207。

实施例2：

步骤1：取125g腰果壳油改性酚醛树脂加入300mL无水乙醇中，然后磁 力搅拌2小时，磁力搅拌后静置24小时（改性酚醛树脂全部溶于无水乙醇中）， 获得溶液A；

步骤2：将碳布裁剪成5cm*7cm的长方形状，然后将一块裁剪成5cm*7cm 的长方形状碳布放于丙酮中浸泡24小时后取出，取出后自然条件下晾干得样 品A；

步骤3：将样品A和50mL浓硝酸（质量分数为65%-68%）放入水热反应 釜中，然后将水热反应釜放到均相反应器中，然后控制温度为100℃反应3小 时，反应结束后取出碳布，并用去离子水进行清洗，然后于80℃条件下烘干得 样品B；

步骤4：将样品B和50mL质量分数为6%的硅溶胶（纳米SiO₂颗粒分散 于水中形成硅溶胶）放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将聚四氟乙烯内衬的 反应釜放入微波水热反应仪中，然后设定功率为400W，并在温度为180℃下 保温反应90分钟，然后待温度自然降至室温后将聚四氟乙烯内衬的反应釜内 的碳布取出，并用去离子水洗涤，然后在80℃下恒温干燥，得到样品C；

步骤5：将样品C置于溶液A中9分钟后取出，然后在自然条件下晾干得 样品D；

步骤6：将样品D置于硫化机上热压成型，控制热压温度为160℃，热压 时间为8分钟，热压压力为6MPa，即得到碳布表面经过纳米SiO₂颗粒改性的 碳布增强湿式摩擦材料。经CFT-Ⅰ型多功能材料表面综合性能测试仪测试动 摩擦系数为0.1345。

实施例3：

步骤1：取150g硼改性酚醛树脂加入300mL无水乙醇中，然后磁力搅拌 2小时，磁力搅拌后静置24小时（改性酚醛树脂全部溶于无水乙醇中），获得 溶液A；

步骤2：将碳布裁剪成5cm*7cm的长方形状，然后将一块裁剪成5cm*7cm 的长方形状碳布放于丙酮中浸泡24小时后取出，取出后自然条件下晾干得样 品A；

步骤3：将样品A和50mL浓硝酸（质量分数为65%-68%）放入水热反应 釜中，然后将水热反应釜放到均相反应器中，然后控制温度为80℃反应4小时， 反应结束后取出碳布，并用去离子水进行清洗，然后于80℃条件下烘干得样品 B；

步骤4：将样品B和50mL质量分数为9%的硅溶胶（纳米SiO₂颗粒分散 于水中形成硅溶胶）放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将聚四氟乙烯内衬的 反应釜放入微波水热反应仪中，然后设定功率为400W，并在温度为200℃下 保温反应120分钟，然后待温度自然降至室温后将聚四氟乙烯内衬的反应釜内 的碳布取出，并用去离子水洗涤，然后在80℃下恒温干燥，得到样品C；

步骤5：将样品C置于溶液A中9分钟后取出，然后在自然条件下晾干得 样品D；

步骤6：将样品D置于硫化机上热压成型，控制热压温度为160℃，热压 时间为8分钟，热压压力为7MPa，即得到碳布表面经过纳米SiO₂颗粒改性的 碳布增强湿式摩擦材料。经CFT-Ⅰ型多功能材料表面综合性能测试仪测试动 摩擦系数为0.1411。

实施例4：

步骤1：取200g丁腈橡胶改性酚醛树脂加入300mL无水乙醇中，然后磁 力搅拌3小时，磁力搅拌后静置24小时（改性酚醛树脂全部溶于无水乙醇中）， 获得溶液A；

步骤2：将碳布裁剪成5cm*7cm的长方形状，然后将一块裁剪成5cm*7cm 的长方形状碳布放于丙酮中浸泡24小时后取出，取出后自然条件下晾干得样 品A；

步骤3：将样品A和50mL浓硝酸（质量分数为65%-68%）放入水热反应 釜中，然后将水热反应釜放到均相反应器中，然后控制温度为120℃反应1小 时，反应结束后取出碳布，并用去离子水进行清洗，然后于80℃条件下烘干得 样品B；

步骤4：将样品B和50mL质量分数为12%的硅溶胶（纳米SiO₂颗粒分散 于水中形成硅溶胶）放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将聚四氟乙烯内衬的 反应釜放入微波水热反应仪中，然后设定功率为500W，并在温度为220℃下 保温反应150分钟，然后待温度自然降至室温后将聚四氟乙烯内衬的反应釜内 的碳布取出，并用去离子水洗涤，然后在80℃下恒温干燥，得到样品C；

步骤5：将样品C置于溶液A中10分钟后取出，然后在自然条件下晾干 得样品D；

步骤6：将样品D置于硫化机上热压成型，控制热压温度为160℃，热压 时间为10分钟，热压压力为8MPa，即得到碳布表面经过纳米SiO₂颗粒改性 的碳布增强湿式摩擦材料。经CFT-Ⅰ型多功能材料表面综合性能测试仪测试 动摩擦系数为0.1287。

从图1中（a）可以看出未处理样表面较光滑，只有极少量颗粒状物质， 而采用微波水热法在碳布表面沉积纳米SiO₂颗粒后，可以清晰看到纳米SiO₂颗粒均匀沉积在碳纤维表面，参见图1中（b）,有利于提高碳布基体与改性酚 醛树脂的结合强度和拉伸强度，并优化摩擦学性能。从图3可以看出碳布表面 经氧化以及沉积纳米二氧化硅颗粒制备的碳布增强湿式摩擦材料的碳布基体 与丁腈橡胶改性酚醛树脂的结合效果明显，孔洞较少，优于图2所示摩擦材料。

上述实施例制备的摩擦材料与现有技术相比，动摩擦系数由0.0812-0.1143 提高到0.1207-0.1411。