一种石墨烯改性纸基摩擦材料及制备方法与流程

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种石墨烯改性纸基摩擦材料及制备方法。

背景技术：

纸基摩擦材料是采用造纸制浆和抄造的工艺将增强纤维、摩擦性能调节剂、填料、制成预制体，再通过浸渍树脂、热压固化形成的摩擦材料。纸基摩擦材料具有生产成本低、动摩擦系数稳定、动/静摩擦系数比接近、贴合性能平稳、磨损率低、使用寿命长等优点，已经逐渐替代树脂基摩擦材料和金属基摩擦材料。随着机动车辆向高速、重载方向发展，对纸基摩擦材料的性能提出了更高的要求，如适中的摩擦因数、较低的磨损率、优异的耐热性能等。为了满足不同的工况条件，许多学者在纸基摩材料组分配方和制备工艺方面做了大量研究。在纸基摩擦材料的组分中，摩擦性能调节剂对纸基摩擦材料的摩擦磨损性能具有重要影响。

文献1“石墨含量对纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响[j].摩擦学学报,2007,(05):451-455.”发现了随着石墨含量增加，摩擦力矩曲线尾部翘起程度减小，趋于平整，磨损率减小，但是摩擦表面变得较为光滑，更容易形成润滑性能良好的固体润滑膜，减弱了微凸体之间的啮合力，动摩擦系数降低。

文献2“al2o3含量对碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响[j].润滑与密封,2008,(04):70-73.”研究了al2o3含量对碳纤维增强纸基摩擦材料湿态摩擦磨损性能的影响。结果表明：随着al2o3含量的增大，摩擦力矩曲线趋于平稳，摩擦因数升高，但是磨损表面磨粒增多，尺寸变大，进而加速颗粒磨损和脱落，使材料磨损率增大。

文献3“云母表面改性纸基摩擦材料的摩擦学性能[j].润滑与密封,2013,(07):16-21.”研究了云母含量对摩擦力矩曲线和动、静摩擦因数及磨损率的影响；证明了随着云母含量的增加，摩擦表面易形成润滑性能良好的固体润滑膜，有效抑制了磨粒和微裂纹的产生，有利于降低磨损率。但是云母与对偶盘的接触面积增加，更多的层片状云母开始承载剪切力并发生剥分，使摩擦表面更容易形成固体润滑膜，在混合表面接触阶段固体润滑膜润滑作用增强，微凸体之间的机械啮合力减小，降低了动摩擦因数。

目前，常用的摩擦性能调节剂主要有氧化铝、氧化铁、碳化硅、氧化锆、二硫化钼以及石墨等，但是这些摩擦性能调节剂只能改善纸基摩擦材料摩擦或者磨损单一方面的性能。例如二硫化钼和石墨虽然可以起到润滑作用，但是会降低材料的摩擦系数。因此，探寻一种新型摩擦性能调节剂，实现纸基摩擦材料摩擦性能和磨损性能的同步提升，是该领域亟待解决的关键问题。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种石墨烯改性纸基摩擦材料及制备方法，通过添加石墨烯能够有效提高纸基摩擦材料综合性能，与传统方法相比，石墨烯改性纸基摩擦材料能够使动摩擦系数由0.08-0.12提高到0.15-0.17，磨损率由现有技术的≤6×10^-8cm³/j降低到≤3×10^-8cm³/j。

技术方案

一种石墨烯改性纸基摩擦材料，其特征在于各组分质量分数分别为：增强纤维15-35％、填料10-20％、摩擦性能调节剂15-25％、粘结剂25-45％、石墨烯1-3％。

所述的增强纤维是木纤维、碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维或陶瓷纤维一种或任几种。

所述的填料是矿粉、铬铁矿、萤石粉、硫酸钡、氧化铝或腰果壳油树脂粉体的任一种或任几种。

所述的粘结剂是酚醛树脂、腰果壳油改性的酚醛树脂或丁腈橡胶改性的酚醛树脂任一种或任几种。

所述的摩擦性能调节剂是硬脂酸锌、黑胶粉或二硫化钼的任一种或任几种。

所述石墨烯的层数为10-30。

一种制备所述石墨烯改性纸基摩擦材料的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将粘结剂溶于无水乙醇配制成质量分数为20-40％的粘结剂溶液，静置树脂溶液24-48小时使其充分溶解，得到溶液a；

步骤2：将一种或多种填料加入到高速混料机中混和，得到混料b；

步骤3：将石墨烯、增强纤维、摩擦性能调节剂与混料b分散在水中得混合浆液c；

步骤4：将混合浆液c倒入高速搅拌器中分散得到分散后的浆液，在抄纸机上成型为摩擦片原纸，然后将摩擦片原纸放置在温度为80-100℃干燥箱中4-8h；

步骤5：再浸渍于溶液a后取出自然晾干得到预制体，其中所含的粘结剂质量分数为25-45％；

步骤6：将浸渍晾干后的预制体在平板型热压设备上热压成型，热压条件为温度为150-180℃，时间为100-400s，压力为1-4mp，获得石墨烯改性的纸基摩擦材料。

所述步骤6的热压成型厚度为0.5-0.8mm。

有益效果

本发明提出的一种石墨烯改性纸基摩擦材料及制备方法，在配方体系中以摩擦性能调节剂的方式引入石墨烯，石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的片层状二维晶体。石墨烯纳米片层具有较大的比表面积和表面丰富的官能团能够使其与树脂基体更好的界面结合，从而提高材料的动摩擦系数；石墨烯表面的褶皱有利于石墨烯纳米片与基体之间的负荷转移，具有润滑接触面的作用，石墨烯平面几何结构可以减小复合材料细小裂纹的蔓延，降低摩擦材料的磨损率。本发明可以避免传统摩擦材料由于在磨损过程中润滑效果差产生严重的纤维断裂或拔出和基体剥落的现象，实现纸基摩擦材料的摩擦和磨损性能的同步提升，为高性能纸基摩擦材料的制备奠定基础。

附图说明

图1为本发明实例2制备出的石墨烯改性纸基摩擦材料动摩擦系数随制动次数的变化曲线；

图2为本发明实例2制备出的石墨烯改性纸基摩擦材料磨损后的微观扫描电镜图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1：

步骤一、将树脂溶于无水乙醇配制成质量分数为25％的树脂溶液，再静置树脂溶液24小时使其充分溶解，封口保存，得到溶液a。

步骤二、称取填料共12.9g，分别为矿粉3.25g、铬铁矿粉3.97g、萤石粉0.72g、硫酸钡0.72g、氧化铝2.17g、酚醛树脂颗粒2g、炭黑0.07g；将所称取的粉状原料依次加入到高速混料机中，混料3-5min，得到混合均匀的混料b。

步骤三、称取石墨烯0.89g；称取增强纤维共22.9g，分别为碳纤维6.5g、芳纶纤维6.5g、木纤维9.9g；称取摩擦性能调节剂共16.5g，分别为硬脂酸锌0.5g、黑胶粉16g；将石墨烯、增强纤维、摩擦性能调节剂和混料b均匀地分散在水中得混合悬浮液c。

步骤四、将溶液c倒入搅拌器中分散5-10min，取出分散后的溶液，在抄纸成型机上抄造，然后在温度为80℃鼓风干燥箱中干燥5h，得到样片。

步骤五、将样片浸渍于溶液a后取出自然晾干得到预制体，其中样品中所含的腰果壳改性的酚醛树脂质量分数为40％。

步骤六、将浸渍晾干后的预制体在平板型热压设备上热压成型使其厚度为0.63mm，热压条件为温度为160℃，时间为300s，压力为2.5mp，最终获得石墨烯改性的纸基摩擦材料动摩擦系数为0.170，磨损率为3×10^-8cm³/j。

实施例2：

步骤一、将树脂溶于无水乙醇配制成质量分数为25％的树脂溶液，再静置树脂溶液24小时使其充分溶解，封口保存，得到溶液a。

步骤二、称取填料共12.9g，分别为矿粉3.25g、铬铁矿粉3.97g、萤石粉0.72g、硫酸钡0.72g、氧化铝2.17g、酚醛树脂颗粒2g、炭黑0.07g；将所称取的粉状原料依次加入到高速混料机中，混料3-5min，得到混合均匀的混料b。

步骤三、称取石墨烯1.8g；称取增强纤维共22.9g，分别为碳纤维6.5g、芳纶纤维6.5g、木纤维9.9g；称取摩擦性能调节剂共16.5g，分别为硬脂酸锌0.5g、黑胶粉16g；将石墨烯、增强纤维、摩擦性能调节剂和混料b均匀地分散在水中得混合悬浮液c。

步骤四、将溶液c倒入搅拌器中分散5-10min，取出分散后的溶液，在抄纸成型机上抄造，然后在温度为80℃鼓风干燥箱中干燥5h，得到样片。

步骤五、将样片浸渍于溶液a后取出自然晾干得到预制体，其中样品中所含的腰果壳改性的酚醛树脂质量分数为40％。

步骤六、将浸渍晾干后的预制体在平板型热压设备上热压成型使其厚度为0.63mm，热压条件为温度为160℃，时间为300s，压力为2.5mp，最终获得石墨烯改性的纸基摩擦材料动摩擦系数为0.165，磨损率为1.99×10^-8cm³/j。

实施例3：

步骤一、将树脂溶于无水乙醇配制成质量分数为25％的树脂溶液，再静置树脂溶液24小时使其充分溶解，封口保存，得到溶液a。

步骤二、称取填料共12.9g，分别为矿粉3.25g、铬铁矿粉3.97g、萤石粉0.72g、硫酸钡0.72g、氧化铝2.17g、酚醛树脂颗粒2g、炭黑0.07g；将所称取的粉状原料依次加入到高速混料机中，混料3-5min，得到混合均匀的混料b。

步骤三、称取石墨烯2.75g；称取增强纤维共22.9g，分别为碳纤维6.5g、芳纶纤维6.5g、木纤维9.9g；称取摩擦性能调节剂共16.5g，分别为硬脂酸锌0.5g、黑胶粉16g；将石墨烯、增强纤维、摩擦性能调节剂和混料b均匀地分散在水中得混合悬浮液c。

步骤四、将溶液c倒入搅拌器中分散5-10min，取出分散后的溶液，在抄纸成型机上抄造，然后在温度为80℃鼓风干燥箱中干燥5h，得到样片。

步骤五、将样片浸渍于溶液a后取出自然晾干得到预制体，其中样品中所含的腰果壳改性的酚醛树脂质量分数为40％。

步骤六、将浸渍晾干后的预制体在平板型热压设备上热压成型使其厚度为0.63mm，热压条件为温度为160℃，时间为300s，压力为2.5mp，最终获得石墨烯改性的纸基摩擦材料动摩擦系数为0.153，磨损率为1.2×10^-8cm³/j。