一种片状自组装二氧化锰改性碳纤维增强树脂基摩擦材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种片状自组装二氧化锰改性碳纤维增强树脂基摩擦材料的制备方法，采用酸液氧化法对碳纤维进行预处理，然后使用高锰酸钾和浓硫酸利用氧化还原反应在碳纤维表面原位生长片状自组装二氧化锰，且其具有比表面积大、易与树脂结合等诸多优点，将其作为摩擦材料增强体，应用于湿式树脂基摩擦材料，可以有效增大纤维与树脂结合的比表面积，进而提高碳纤维与基体的界面结合性能，使摩擦材料具有更为优异的摩擦磨损性能。

说明书

技术领域

本发明属于湿式摩擦材料领域，具体涉及一种片状自组装二氧化锰改性碳纤维增强树脂基摩擦材料的制备方法。

背景技术

树脂基摩擦材料是一种由黏结剂(树脂)、增强纤维和摩擦性能调节剂等经充分混合均匀后热压成型的一种多元复合材料，具有摩擦磨损性能优良、制备工艺简单、性能可设计性强和成本低等优点，其应用越来越广。

申请号为CN103450501A的中国专利“一种利用过硫酸钾/硝酸银体系对碳纤维表面改性的方法”将碳纤维放入索氏提取器提取管内,以丙酮为提取剂进行索氏提取除杂，即在温度为75～85℃下冷凝回流反应4h～8h，得到去除表面杂质后的碳纤维，将丙酮清洗后碳纤维放置于温度为350～380℃和压力为7～15MPa的超临界丙酮—水体系中浸泡15～30min，来去除碳纤维的环氧涂层，这种方法虽然可以很好的去除环氧涂层，但是对实验条件要求较高，不利于工程应用。

申请号为CN104195824A的中国专利“一种碳纤维表面改性方法”采用丙酮在60～100℃的条件下，对碳纤维表面的上浆剂及杂质进行清除，清洗烘干后将碳纤维置于圆底烧瓶中，加入浓酸中，60～80℃下氧化2～5h，得到的氧化后的碳纤维在蒸馏水中浸泡5～10min，然后将经蒸馏水中浸泡后的碳纤维取出，弃除蒸馏水，重复上述步骤5～10次才得到预处理的碳纤维。此法在实验过程中重复步骤多、繁琐耗时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种片状自组装二氧化锰改性碳纤维增强树脂基摩擦材料的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明通过利用片状自组装二氧化锰改性后的碳纤维作为纤维增强体制备出摩擦系数高、磨损量低等特点的树脂基摩擦材料。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种片状自组装二氧化锰改性碳纤维增强树脂基摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将碳纤维用丙酮溶液浸泡，待去除碳纤维的上浆剂后，将碳纤维反复洗涤至中性并烘干；

步骤二：将步骤一烘干的碳纤维和浓硝酸混合得到碳纤维混合体系，将碳纤维混合体系加热至80～90℃反应2～4h，反应完成后冷却至室温将碳纤维用去离子水和乙醇反复交替洗涤至溶液为中性并烘干；

步骤三：取步骤二得到的碳纤维与固体高锰酸钾混合研磨，将混合体放入蒸馏水中搅拌，然后加入浓硫酸后搅拌，然后将得到的混合溶液加热，得到片状自组装二氧化锰改性的碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品反复洗涤至中性并烘干即得到改性碳纤维；

步骤四：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、芳纶纤维、纸纤维分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得纤维增强材料；

步骤五：将纤维增强材料利用改性酚醛树脂浸渍后进行热压固化即得到树脂基摩擦材料。

进一步地，步骤一中将碳纤维用丙酮溶液浸泡36～48h。

进一步地，步骤二中将碳纤维和浓硝酸以1：50的质量比相混合得到碳纤维混合体系。

进一步地，步骤三中碳纤维与高锰酸钾的质量比为1:10；步骤三中将碳纤维与高锰酸钾混合在研钵中研磨8～15min。

进一步地，步骤三中将研磨好的混合体放入蒸馏水中搅拌10h，然后逐滴加入浓硫酸后搅拌1h，其中，每200mL蒸馏水中加入2.2g混合体，每200mL蒸馏水中加入0.5～1.5mL浓硫酸。

进一步地，步骤三中将混合溶液在80～160℃的温度下加热2～6h，得到片状自组装二氧化锰改性的碳纤维粗产品。

进一步地，步骤四中将改性碳纤维、芳纶纤维、纸纤维按照(9～13)﹕(2～3)﹕(2～3)的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得纤维增强材料。

进一步地，步骤五中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为(6～8)﹕(3～5)。

进一步地，步骤五中热压固化温度为150～180℃，时间为8～15min，压力为5～10MPa。

进一步地，步骤一种碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维；步骤四中的纸纤维为木纤维或竹纤维；芳纶纤维为短切芳纶纤维、沉析芳纶纤维或芳纶浆粕。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明中采用酸液氧化法对碳纤维进行预处理，然后使用高锰酸钾和浓硫酸利用氧化还原反应在碳纤维表面原位生长片状自组装二氧化锰，且其具有比表面积大、易与树脂结合等诸多优点，将其作为摩擦材料增强体，应用于湿式树脂基摩擦材料，可以有效增大纤维与树脂结合的比表面积，进而提高碳纤维与基体的界面结合性能，使摩擦材料具有更为优异的摩擦磨损性能。

进一步地，通过控制条件，本发明方法使片状自组装二氧化锰改性后碳纤维制备的树脂基摩擦材料磨损率降低为原始碳纤维制备的树脂基摩擦材料的1/9左右，本发明方法制备的树脂基摩擦材料具有优异的摩擦磨损性能，按照GB/T 13826-2008技术标准检测，其动摩擦系数达到0.09～0.16，摩擦材料磨损率为1.88×10^-9cm³/J～1.62×10^-8cm³/J，展现出了优异的摩擦磨损性能及耐磨性能。

附图说明

图1为碳纤维表面生长片状自组装二氧化锰的SEM图，其中(a)为放大5k倍的SEM图；(b)为放大50k倍的SEM图；

图2为用片状自组装二氧化锰改性碳纤维制备的树脂基摩擦材料与原始碳纤维制备的树脂基摩擦材料磨损率对比图，其中CF0：原始碳纤维增强树脂基摩擦材料；CF1：片状自组装二氧化锰改性碳纤维增强树脂基摩擦材料。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细描述：

一种片状自组装二氧化锰改性碳纤维增强树脂基摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将长度为0.1～10mm的碳纤维(聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维)用丙酮溶液浸泡36～48h，待去除碳纤维的上浆剂后，将碳纤维反复洗涤至中性并在60～80℃下烘干12～24h；

步骤二：将步骤一烘干的碳纤维和浓硝酸以1：50的质量比混合得到碳纤维混合体系，将碳纤维混合体系加热至80～90℃反应2～4h，反应完成后冷却至室温将碳纤维用去离子水和乙醇反复交替洗涤3～5次至溶液为中性并在60～80℃下烘干12～24h；

步骤三：取步骤二得到的碳纤维与固体高锰酸钾按1:10的质量比混合研磨8～15min，将混合体放入蒸馏水中搅拌10h，然后加入浓硫酸后搅拌1h，其中，每200mL蒸馏水中加入2.2g混合体，每200mL蒸馏水中加入0.5～1.5mL浓硫酸，将得到的混合溶液在80～160℃的温度下加热2～6h，得到片状自组装二氧化锰改性的碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品反复洗涤至中性并在60～80℃下烘干12～24h即得到改性碳纤维；

步骤四：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、芳纶纤维(短切芳纶纤维、沉析芳纶纤维或芳纶浆粕)、纸纤维(木纤维或竹纤维)按照(9～13)﹕(2～3)﹕(2～3)的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得纤维增强材料；

步骤五：将纤维增强材料利用改性酚醛树脂浸渍后在温度为150～180℃，压力为5～10MPa的条件下进行热压固化8～15min，其中，改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为(6～8)﹕(3～5)，即得到树脂基摩擦材料。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

步骤一：将长度为0.1～10mm聚丙烯腈基碳纤维用丙酮在室温下浸48h，以去除碳纤维表面上浆剂和杂质，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；

步骤二：称取步骤一烘干的碳纤维2g放入圆底烧瓶中并加入100g浓硝酸，于90℃下反应2h，反应完成后冷却至室温将碳纤维反复去离子水和乙醇交替各洗涤3次至中性并烘干；

步骤三：将步骤二中的碳纤维称取0.2g，另称取高锰酸钾2g，将两者放入研钵中研磨10min，将研磨好的混合体放入装有200mL蒸馏水的烧杯中搅拌10h，再逐滴加入1mL的浓硫酸并搅拌1h，将反应好的溶液转移到1000mL的容量瓶中，在120℃的条件下进行加热，反应时间为4h，得到片状自组装二氧化锰改性的碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品反复洗涤至中性并烘干即得到改性碳纤维；

步骤四：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、短切芳纶纤维、木纤维按3﹕1﹕1的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为30mm的纤维增强材料；

步骤五：将纤维增强材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在170℃的温度下，5MPa的压力下热压固化10min即得到片状自组装二氧化锰增强树脂基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为8﹕5，获得片状自组装二氧化锰增强树脂基摩擦材料。

图1是本实施例所制备片状自组装二氧化锰改性碳纤维样品表面SEM照片，从图中可以看出纤维表面出现大量片状自组装二氧化锰颗粒，从而使碳纤维表面积增大、表面活性得到改善，图2是原始碳纤维制备的树脂基摩擦材料与片状自组装二氧化锰改性后碳纤维制备的树脂基摩擦材料磨损率对比，从图中可以看出改性后碳纤维增强试样磨损率为1.88×10^-9cm³/J，大大降低至原始碳纤维的1/9，展现了纤维与基体良好的结合及其耐磨损性能。

实施例2

步骤一：将长度为0.1～10mm沥青基碳纤维用丙酮在室温下浸36h，以去除碳纤维表面上浆剂和杂质，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；

步骤二：称取步骤一烘干的碳纤维2g放入圆底烧瓶中并加入100g浓硝酸，于80℃下反应4h，反应完成后冷却至室温将碳纤维反复去离子水和乙醇交替各洗涤4次至中性并烘干；

步骤三：将步骤二中的碳纤维称取0.2g，另称取高锰酸钾2g，将两者放入研钵中研磨8min，将研磨好的混合体放入装有200mL蒸馏水的烧杯中搅拌10h，再逐滴加入0.5mL的浓硫酸并搅拌1h，将反应好的溶液转移到1000mL的容量瓶中，在80℃的条件下进行加热，反应时间为2h，得到片状自组装二氧化锰改性的碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品反复洗涤至中性并烘干即得到改性碳纤维；

步骤四：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、沉析芳纶纤维、竹纤维按13﹕2﹕2的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为30mm的纤维增强材料；

步骤五：将纤维增强材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在180℃的温度下，8MPa的压力下热压固化15min即得到片状自组装二氧化锰增强树脂基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为6﹕3，获得片状自组装二氧化锰增强树脂基摩擦材料的动摩擦系数为0.12，磨损率为1.88×10^-9cm³/J。

实施例3

步骤一：将长度为0.1～10mm沥青基碳纤维用丙酮在室温下浸48h，以去除碳纤维表面上浆剂和杂质，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；

步骤二：称取步骤一烘干的碳纤维2g放入圆底烧瓶中并加入100g浓硝酸，于90℃下反应2h，反应完成后冷却至室温将碳纤维反复去离子水和乙醇交替各洗涤3次至中性并烘干；

步骤三：将步骤二中的碳纤维称取0.2g，另称取高锰酸钾2g，将两者放入研钵中研磨10min，将研磨好的混合体放入装有200mL蒸馏水的烧杯中搅拌10h，再逐滴加入1mL的浓硫酸并搅拌1h，将反应好的溶液转移到1000mL的容量瓶中，在120℃的条件下进行加热，反应时间为6h，得到片状自组装二氧化锰改性的碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品反复洗涤至中性并烘干即得到改性碳纤维；

步骤四：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、芳纶浆粕、木纤维按9﹕2﹕2的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为30mm的纤维增强材料；

步骤五：将纤维增强材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在150℃的温度下，10MPa的压力下热压固化10min即得到片状自组装二氧化锰增强树脂基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为8﹕5，获得片状自组装二氧化锰增强树脂基摩擦材料的动摩擦系数为0.13，磨损率为5.73×10^-9cm³/J。

实施例4

步骤一：将长度为0.1～10mm聚丙烯腈基碳纤维用丙酮在室温下浸42h，以去除碳纤维表面上浆剂和杂质，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；

步骤二：称取步骤一烘干的碳纤维2g放入圆底烧瓶中并加入100g浓硝酸，于85℃下反应3h，反应完成后冷却至室温将碳纤维反复去离子水和乙醇交替各洗涤5次至中性并烘干；

步骤三：将步骤二中的碳纤维称取0.2g，另称取高锰酸钾2g，将两者放入研钵中研磨15min，将研磨好的混合体放入装有200mL蒸馏水的烧杯中搅拌10h，再逐滴加入1.5mL的浓硫酸并搅拌1h，将反应好的溶液转移到1000mL的容量瓶中，在160℃的条件下进行加热，反应时间为4h，得到片状自组装二氧化锰改性的碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品反复洗涤至中性并烘干即得到改性碳纤维；

步骤四：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、短切芳纶纤维、竹纤维按13﹕3﹕3的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为30mm的纤维增强材料；

步骤五：将纤维增强材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在160℃的温度下，10MPa的压力下热压固化8min即得到片状自组装二氧化锰增强树脂基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为7﹕4，获得片状自组装二氧化锰增强树脂基摩擦材料的动摩擦系数为0.11，磨损率为4.10×10^-9cm³/J。