一种碳纳米管/树脂基摩擦材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料技术领域，涉及一种碳纳米管/树脂基摩擦材料，更具体涉及到 一种磺化多壁碳纳米管/酚醛树脂基摩擦材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 具有理想超级增强材料之称的碳纳米管，以其优异的力学、热学和电学性能，自 1991年发现以来一直受到国内外学者们的青睐。且进入21世纪后，随着纳米科技的快速 发展，批量工业化生产碳纳米管已基本实现，使碳纳米管在经济成本方面将由"高档"转变 成"普及"，从而进一步提升了研究者们的热情，带动着碳纳米管由理论研究逐步迈向实际 应用。其中碳纳米管/聚合物基复合材料是众多研究中的一个热点，将其应用于摩擦材料 领域有着独特的优势。碳纳米管优异的力学性能可有效地承载摩擦过程中的剪切力和外加 载荷压力；良好的耐热、导热性能可提高聚合物基复合材料的耐热性，同时可将摩擦过程中 产生的热量通过碳纳米管自身扩散、导出，降低对摩面的温度，抑制聚合物的老化，从而延 长复合材料的使用寿命；碳纳米管的中空管状结构使其在对摩接触面间可起到"微轴承"效 应，发挥出减摩降噪的作用。现有文献报道，碳纳米管可显著提高聚四氟乙烯、环氧树脂、双 马来酰亚胺树脂等聚合物的摩擦学性能。而碳纳米管要较好地发挥上述优势，均匀的分散 及与聚合物基体界面良好的结合是其重要前提。因为碳纳米管具有很大的长径比和比表面 积，导致其之间极易缠绕、团聚，分散困难；且纯碳纳米管表面呈惰性，使其不容易与基体的 界面相容，甚至对基体的连续性起到破坏作用。因此，本专利使用的多壁碳纳米管是经过磺 化改性后的，在其表面嫁接上具有苯环结构的磺酸基团，从而降低多壁碳纳米管的表面能， 提高其表面活性。
[0003] 酚醛树脂价格低、成型加工性能好，固化后具有较好的耐热、阻燃、绝缘等性能，使 其成为首选的摩擦材料粘结剂之一。但酚醛树脂的分子结构中含有过大的芳环密度以及存 在着易被氧化的酚羟基和亚甲基，致使其固化物的韧性差、耐热性下降。而碳纳米管良好的 柔性和耐热、导热性恰好可弥补上述酚醛树脂的缺点。
[0004] 将碳纳米管与酚醛树脂复合应用于摩擦材料领域，组合两者的优势，有望实现其 轻型、耐磨的特点，同时为碳纳米管的应用开辟新的方向。然而现有的传统热模压成型工艺 (原料在干粉状态下混合，然后热模压成型）不能很好地适用于碳纳米管/酚醛树脂基摩擦 材料的制备，韩国高丽大学的Hwang等采用热模压成型工艺制得碳纳米管/酚醛树脂基制 动摩擦材料时发现，碳纳米管大都以束状存在于基体中，表明其团聚现象较为严重。因此在 制备碳纳米管/酚醛树脂基摩擦材料时，如何实现碳纳米管的均匀分散是其关键。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种碳纳米管/树脂摩擦材料及其制备方法，通过在原传 统热模压工艺之前增加一道碳纳米管与酚醛树脂的溶液混合工序，将碳纳米管更加均匀地 分散于基体中，从而制备出具有良好综合摩擦性能的摩擦材料。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种碳纳米管/树脂基摩擦材料的原料质量份数为：多壁碳纳米管0. 2~2份，酚醛树 脂25~30份，镁盐晶须24~27份，硫酸钙晶须13~15份，竹纤维9~11份，铜粉17~ 20份。
[0007] 所述多壁碳纳米管是经过磺化改性后的。改性方法见文献：磺化碳纳米管/活性 炭复合微球的制备及其对低密度脂蛋白的吸附性能；卢月美、巩前明、卢方平、梁吉、聂庆 东、张秀梅；物理化学学报；2011-03。
[0008] 具体步骤如下： (a) 将多壁碳纳米管倒入烧杯，加入无水乙醇，超声震荡20min，然后再用超声细胞粉 碎机超声搅拌20min; (b) 将酚醛树脂粉末溶入步骤（a)得到的溶液中，并用超声细胞粉碎机超声搅拌10~ 15min，然后在80°C下油浴磁力搅拌； (c) 待步骤（b)的溶液搅拌至呈黏稠状时，将其转移到蒸发皿中，真空干燥并粉碎至 40~60目； (d) 取步骤（c)干燥并粉碎后的多壁碳纳米管与PF混合粉末，将其与干燥的镁盐晶须、 硫酸f丐晶须和铜粉一起倒入混料机中，在1000~2000rpm转速下高速搅拌5~10min,得 外观颜色均匀的混合物料； (e) 将步骤（d)搅拌后的混合物料与竹纤维一起放入带有刀片的搅拌机内，在1000~ 2000rpm转速下混合搅拌至竹纤维呈小团絮状且粉末物料均匀分布于竹纤维缝隙间； (f) 将步骤（e)搅拌后的混合原料材料倒入160~170°C的热压模具内，先1~2次加 压至2~5MPa内，保压20s，打开模腔排气，初步定型，然后在5~10MPa内同样加压、保 压、排气4~6次，最后在10~15MPa下加压1~2次，保压5~10min，最终成型； (g) 将步骤（f)热模压成型后的制品放进干燥箱，在180°C下后固化热处理10h，并随 炉冷却得到摩擦材料成品。
[0009] 步骤（a)的超声细胞粉碎机的超声工作时间参数为1S，超声间隙时间为2S，步 骤（b)的酚醛树脂粉末与无水乙醇的用量比为5g: 8~10mL，步骤（c)的真空干燥温度 为80°C、真空度小于0. 01MPa、干燥总时间4~5天。
[0010] 本发明的显著优点在于：与原传统的热模压法相比，本发明在其之前添加了一道 多壁碳纳米管与酚醛树脂的溶液混合工序，无水乙醇中的多壁碳纳米管在超声作用下分散 更均匀，然后溶入酚醛树脂对其进行"固定"，从而可达到多壁碳纳米管均匀分散于酚醛树 脂基体中的目的；且多壁碳纳米管经过磺化改性后，其与酚醛树脂的界面结合能力得到增 强，由此实现了多壁碳纳米管与酚醛树脂的较好复合。然后通过热模压成型，制备出综合摩 擦性能良好的多壁碳纳米管/酚醛树脂基摩擦材料。
【附图说明】
[0011] 图1为试样二和试样三的摩擦系数随温度变化的关系曲线图。
[0012] 图2为试样二和试样三的DSC曲线图。
【具体实施方式】
[0013] 摩擦材料的原料质量份数为：磺化改性多壁碳纳米管0. 2~2份，酚醛树脂25~ 30份，镁盐晶须24~27份，硫酸钙晶须13~15份，竹纤维9~11份，铜粉17~20份。
[0014] 制备方法的具体步骤： (a) 将磺化改性多壁碳纳米管倒入烧杯，加入无水乙醇，超声震荡20min，然后再用超 声细胞粉碎机超声搅拌20min; (b) 将酚醛树脂粉末溶入步骤（a)得到的溶液中，并用超声细胞粉碎机超声搅拌10~ 15min，然后在80°C下油浴磁力搅拌； (c) 待步骤（b)的溶液搅拌至呈黏稠状时，将其转移到蒸发皿中，真空干燥并粉碎至 40~60目； (d) 取步骤（c)干燥并粉碎后的磺化改性多壁碳纳米管与PF混合粉末，将其与干燥的 镁盐晶须、硫酸钙晶须和铜粉一起倒入混料机中，在1000~2000rpm转速下高速搅拌5~ 10min，得外观颜色均匀的混合物料； (e) 将步骤（d)搅拌后的混合物料与竹纤维一起放入带有刀片的搅拌机内，在1000~ 2000rpm转速下混合搅拌至竹纤维呈小团絮状且粉末物料均匀分布于竹纤维缝隙间； (f) 将步骤（e)搅拌后的混合原料材料倒入160~170°C的热压模具内，先1~2次加 压至2~5MPa内，保压20s，打开模腔排气，初步定型，然后在5~10MPa内同样加压、保 压、排气4~6次，最后在10~15MPa下加压1~2次，保压5~10min，最终成型； (g) 将步骤（f)热模压成型后的制品放进干燥箱，在180°C下后固化热处理10h，并随 炉冷却得到摩擦材料成品。
[0015] 步骤（a)的超声细胞粉碎机的超声工作时间参数为1s，超声间隙时间为2s，步 骤（b)的酚醛树脂粉末与无水乙醇的用量比为5g: 8~10mL，步骤（c)的真空干燥温度 为80°C、真空度小于0. 01MPa、干燥总时间4~5天。
[0016] 下面通过具体实施例和比较对本发明作进一步的说明，但本发明并不仅限于这些 例子。
[0017] 实施例1(较佳实施例） 取原料磺化改性多壁碳纳米管0. 4份、酚醛树脂29. 5份、镁盐晶须25. 7份、硫酸钙晶 须14份、竹纤维10. 7份和铜粉19. 7份，按下述步骤制备： (a) 将磺化改性多壁碳纳米管倒入烧杯中，加入35mL无水乙醇，超声震荡20min，然 后再用超声细胞粉碎机超声搅拌20min; (b) 将酚醛树脂粉末溶入步骤（a)得到的溶液中，并用超声细胞粉碎机超声搅拌15 min，然后在80°C下油浴磁力搅拌； (c) 待步骤（b)的溶液搅拌至呈黏稠状