一种应用于高碳摩擦材料制备的碳化稀土催化剂及其制备方法与流程

本发明属于催化剂材料领域，具体涉及一种应用于高碳摩擦材料制备的碳化稀土催化剂及其制备方法。
背景技术：
：摩擦材料，是一种应用在动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材料，最主要的功能是通过摩擦来吸收或传递动力，在汽车、火车及各类工程机械设备中均有广泛应用。摩擦材料属于高分子三元复合材料，是由高分子粘结剂、增强纤维和摩擦性能调节剂三大类组成及其他配合剂构成，经一系列生产加工而制成的制品。目前的摩擦材料有在其中加入铜粉、纤维进行制备的，铜不可降解，容易进入水体、土壤中富集，破坏生态环境。而采用的纤维不同，制成的摩擦材料的摩擦系数、硬度、热稳定性等均不同，原料的品质、配比和制备方法对摩擦材料的性能影响较大，使得摩擦材料的品质参差不齐，在实际应用时其安全性则得不到保证。公开号为cn108587052a的专利文件公开了一种碳复合摩擦材料，其是以含硅陶瓷粉改性含碳物质为摩擦材料基体，以碳化纳米级物质为润滑材料制作而成，其中，摩擦材料基体的组成包括：腰果壳油、树脂、橡胶和含硅陶瓷粉。但由于材料活性低使得摩擦材料的碳化效率低，进而影响生产效率及摩擦材料的含碳量，并且配方中包括铜粉、铝粉等金属粉末，在摩擦材料使用过程中金属粉末容易进入土壤或水体中富集，不够环保。因而，在此基础上对提高共渗速度的催化材料进行研究，以达到高碳摩擦材料性能及产业化生产发展的要求。公开号为cn105330763a的专利文件公开了一种稀土催化剂用组合物和稀土催化剂及其制备方法和应用和烯烃聚合方法，该组合物包括：钕化合物、卤化物、烷基铝化合物、含羟基和/或羧基的c6-c18的有机化合物、水。其是应用于共轭二烯烃如异戊二烯聚合时，采用此钕系稀土催化剂合成得到的聚异戊二烯产品不含蛋白质等人体易过敏的物质，不仅可用于轮胎行业，还可以应用于医用制品方面。但这种材料的热传导性能较差，不能应用于摩擦材料的制备。技术实现要素：本发明为解决上述问题，提供了一种应用于高碳摩擦材料制备的碳化稀土催化剂及其制备方法。具体是通过以下技术方案来实现的：1、一种应用于高碳摩擦材料制备的碳化稀土催化剂，其是在催化载体上负载稀土氧化物后进行碳化活化制成，其中，稀土氧化物的负载量为载体的10-16％。进一步，所述的催化载体，是将tio2进行煅烧处理后与石墨烯以2-3：0.8-1.2的质量比混合研磨得到。进一步，所述的稀土氧化物，是在足量的氯化氢溶液中加入氧化镧和氧化钇的混合物，氧化镧和氧化钇的质量百分比为30-37％：63-70％，待反应结束后过滤取滤渣，将滤渣烘干后即为稀土氧化物。2、制备碳化稀土催化剂：a.将催化载体放置于50-70℃下保温，再加入稀土氧化物在60-90℃条件下共混研磨，粉碎，得到初混催化剂；b.碳化：将步骤a中得到的初混催化剂在惰性气体保护下进行分次煅烧，冷却后粉碎碳化催化剂；进一步，所述的分次煅烧，是在60-80℃下煅烧5-7min，再升温至320-330℃煅烧14-20min，再升温至800-1200℃煅烧30-40min，降温至500-550℃煅烧10-15min，自然冷却即可。c.活化：将步骤b中得到的碳化催化剂采用磷酸浸泡，同时通入二氧化碳，持续40-70min，用去离子水冲洗后抽滤，取滤饼烘干粉碎，即得到碳化稀土催化剂。3、应用上述碳化稀土催化剂制备高碳摩擦材料：将碳化稀土催化剂、氧化锌、轮胎粉、瓷粉、树脂、钢棉以5-6：1-3：12-18：20-24：15-19：6-14的质量比混合后以频率为15-25khz的超声波进行处理10-12s，压制成坯后在真空条件下加氢定型10-15min，进行热处理后，以浓度为40-50％的盐酸蒸汽处理一遍，降温后清洗晾干即得到高碳摩擦材料。进一步，所述的真空条件，还需使温度保持在1200-1400℃。进一步，所述的热处理，是将定型后的摩擦材料以220-240℃的温度继续定型20-30min。综上所述，本发明的有益效果在于：通过采用稀土材料的碳化活化工艺进行碳化稀土催化剂的制备，使其应用至摩擦材料的制备中时，能达到渗碳催化的作用，提高渗速，提高摩擦材料的生产效率，同时使摩擦材料的剪切强度达到5.28mpa，材料中无铜、无石棉、无金属，使制动片实现高性能摩擦材料环保的特点，有效的改善热传导性，从而改善高温摩擦性能的衰退,材料还具备摩擦系数稳定、热稳定性好、耐磨损、不伤摩擦对偶的优点。摩擦系数稳定，热稳定性好。采用本发明的催化剂进行制备的摩擦材料，其生产品质稳定，且方法简单，可进行大规模的工厂化生产。其中，采用tio2煅烧处理后与石墨烯混合研磨作为催化载体，煅烧去除tio2中杂质的同时增大了其比表面积，煅烧后利用余温将与石墨烯混合研磨，利用石墨烯的层状结构插层到二氧化钛的晶体结构中，将二者紧密连接，且比表面积大，可负载较多量的稀土氧化物，并且提高了催化剂的耐磨、耐高温性。对于稀土催化剂的制备多采用la33％，ce66％的配比进行制备，但采用镧和铈进行制备的稀土催化剂通常会产生较大量的稀土残渣，且稀土利用率较低，对渗氮前期排气工艺时间敏感，容易造成催化剂失效。且铈容易变价，容易生成稀土氯氧化物，挥发点增高，且物化性能趋于稳定，同样会导致稀土催化剂失效。本发明在对催化载体进行处理后可提高其负载能力，进而提高稀土利用率，再将催化剂进行碳化活化处理，提高其耐温性，避免在使用过程中由于温度原因造成催化剂失效。在催化剂的制备过程中，采用分次煅烧的方式进行碳化处理，在不同的温度段可将载体与稀土氧化物的晶体进一步排序整理，使催化剂的整体结构更加稳定。在制备高碳摩擦材料时采用碳化稀土催化剂、氧化锌、轮胎粉、瓷粉、树脂、钢棉为原材料，避免重金属在水体、土壤中的富集，减少污染，在对摩擦材料进行热处理后立即采用浓度为40-50％的盐酸蒸汽处理表面，可将摩擦材料表面腐蚀出细小的纹路，进一步提高安全性能。附图说明图1、图2、图3为制备的高碳摩擦材料制动片形式检验报告；图4、图5为国家3c认证证书。具体实施方式下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。实施例11、一种应用于高碳摩擦材料制备的碳化稀土催化剂，其是在催化载体上负载稀土氧化物后进行碳化活化制成，其中，稀土氧化物的负载量为载体的13％。进一步，所述的催化载体，是将tio2进行煅烧处理后与石墨烯以2：1的质量比混合研磨得到。进一步，所述的稀土氧化物，是在足量的氯化氢溶液中加入氧化镧和氧化钇的混合物，氧化镧和氧化钇的质量百分比为37％：63％，待反应结束后过滤取滤渣，将滤渣烘干后即为稀土氧化物。2、制备碳化稀土催化剂：a.将催化载体放置于60℃下保温，再加入稀土氧化物在75℃条件下共混研磨，粉碎，得到初混催化剂；b.碳化：将步骤a中得到的初混催化剂在惰性气体保护下进行分次煅烧，冷却后粉碎碳化催化剂；进一步，所述的分次煅烧，是在70℃下煅烧6min，再升温至325℃煅烧17min，再升温至1000℃煅烧35min，降温至525℃煅烧12min，自然冷却即可。c.活化：将步骤b中得到的碳化催化剂采用磷酸浸泡，同时通入二氧化碳，持续55min，用去离子水冲洗后抽滤，取滤饼烘干粉碎，即得到碳化稀土催化剂。3、应用上述碳化稀土催化剂制备高碳摩擦材料：将碳化稀土催化剂、氧化锌、轮胎粉、瓷粉、树脂、钢棉以6：2：14：22：17：10的质量比混合后以频率为20khz的超声波进行处理12s，压制成坯后在真空条件下加氢定型15min，进行热处理后，以浓度为45％的盐酸蒸汽处理一遍，降温后清洗晾干即得到高碳摩擦材料。进一步，所述的真空条件，还需使温度保持在1300℃。进一步，所述的热处理，是将定型后的摩擦材料以230℃的温度继续定型25min。实施例21、一种应用于高碳摩擦材料制备的碳化稀土催化剂，其是在催化载体上负载稀土氧化物后进行碳化活化制成，其中，稀土氧化物的负载量为载体的10％。进一步，所述的催化载体，是将tio2进行煅烧处理后与石墨烯以2：0.8的质量比混合研磨得到。进一步，所述的稀土氧化物，是在足量的氯化氢溶液中加入氧化镧和氧化钇的混合物，氧化镧和氧化钇的质量百分比为30％：70％，待反应结束后过滤取滤渣，将滤渣烘干后即为稀土氧化物。2、制备碳化稀土催化剂：a.将催化载体放置于50℃下保温，再加入稀土氧化物在60℃条件下共混研磨，粉碎，得到初混催化剂；b.碳化：将步骤a中得到的初混催化剂在惰性气体保护下进行分次煅烧，冷却后粉碎碳化催化剂；进一步，所述的分次煅烧，是在60℃下煅烧5min，再升温至320℃煅烧14min，再升温至800℃煅烧40min，降温至500℃煅烧15min，自然冷却即可。c.活化：将步骤b中得到的碳化催化剂采用磷酸浸泡，同时通入二氧化碳，持续40min，用去离子水冲洗后抽滤，取滤饼烘干粉碎，即得到碳化稀土催化剂。3、应用上述碳化稀土催化剂制备高碳摩擦材料：将碳化稀土催化剂、氧化锌、轮胎粉、瓷粉、树脂、钢棉以5：1：12：20：15：6的质量比混合后以频率为15khz的超声波进行处理12s，压制成坯后在真空条件下加氢定型10min，进行热处理后，以浓度为40％的盐酸蒸汽处理一遍，降温后清洗晾干即得到高碳摩擦材料。进一步，所述的真空条件，还需使温度保持在1400℃。进一步，所述的热处理，是将定型后的摩擦材料以220℃的温度继续定型20min。实施例31、一种应用于高碳摩擦材料制备的碳化稀土催化剂，其是在催化载体上负载稀土氧化物后进行碳化活化制成，其中，稀土氧化物的负载量为载体的16％。进一步，所述的催化载体，是将tio2进行煅烧处理后与石墨烯以3：1.2的质量比混合研磨得到。进一步，所述的稀土氧化物，是在足量的氯化氢溶液中加入氧化镧和氧化钇的混合物，氧化镧和氧化钇的质量百分比为34％：66％，待反应结束后过滤取滤渣，将滤渣烘干后即为稀土氧化物。2、制备碳化稀土催化剂：a.将催化载体放置于70℃下保温，再加入稀土氧化物在90℃条件下共混研磨，粉碎，得到初混催化剂；b.碳化：将步骤a中得到的初混催化剂在惰性气体保护下进行分次煅烧，冷却后粉碎碳化催化剂；进一步，所述的分次煅烧，是在80℃下煅烧7min，再升温至330℃煅烧14min，再升温至1200℃煅烧30min，降温至550℃煅烧10min，自然冷却即可。c.活化：将步骤b中得到的碳化催化剂采用磷酸浸泡，同时通入二氧化碳，持续70min，用去离子水冲洗后抽滤，取滤饼烘干粉碎，即得到碳化稀土催化剂。3、应用上述碳化稀土催化剂制备高碳摩擦材料：将碳化稀土催化剂、氧化锌、轮胎粉、瓷粉、树脂、钢棉以6：3：18：24：19：14的质量比混合后以频率为25khz的超声波进行处理10s，压制成坯后在真空条件下加氢定型15min，进行热处理后，以浓度为50％的盐酸蒸汽处理一遍，降温后清洗晾干即得到高碳摩擦材料。进一步，所述的真空条件，还需使温度保持在1200℃。进一步，所述的热处理，是将定型后的摩擦材料以240℃的温度继续定型30min。一、摩擦材料性能测试1.1测试样品实施例1的方法所制备的摩擦材料。1.2测试方法根据gb5763-2018“汽车用制动器衬片”的方法，测试摩擦材料样品的常温摩擦系数、高温摩擦系数和剪切强度；测试摩擦材料的硬度，测试三次取平均值。测试结果如表1所示。1.3测试结果表1项目常温摩擦系数μ高温摩擦系数μ剪切强度平均硬度实施例10.410.445.28mpa52由实验结果可知，常温摩擦系数和高温摩擦系数相近，所制备的摩擦材料具有较稳定的摩擦系数，且平均硬度较高，磨损率小，耐磨耐用。二、碳化稀土催化剂筛选实验2.1实验材料样品1：以tio2为催化载体，不添加石墨烯，采用实施例1的方法制备摩擦材料；样品2：以石墨烯催化载体，不添加tio2，采用实施例1的方法制备摩擦材料；样品3：不对tio2进行煅烧处理，直接将tio2与石墨烯混合研磨制备催化载体，再采用实施例1的方法制备摩擦材料；样品4：不采用磷酸进行活化处理，再采用实施例1的方法制备摩擦材料；样品5：以氧化铈替换氧化钇进行催化剂的制备，再采用实施例1的方法制备摩擦材料；样品6：将氧化镧和氧化钇的质量百分比更换为50％：50％，再采用实施例1的方法制备摩擦材料；样品7：将氧化镧和氧化钇的质量百分比更换为70％：30％，再采用实施例1的方法制备摩擦材料。2.2实验方法对样品1-7制备的摩擦材料采用1.1的方法进行常温摩擦系数、高温摩擦系数、剪切强度和平均硬度的测试，结果如表2所示。2.3实验结果表2项目常温摩擦系数μ高温摩擦系数μ剪切强度平均硬度样品10.420.462.5mpa47样品20.360.471.7mpa41样品30.390.482.4mpa43样品40.280.411.5mpa46样品50.260.401.8mpa42样品60.290.412.1mpa44样品70.210.442.1mpa50由实验结果可知，催化剂对摩擦材料的性能影响较大，样品7所制备的摩擦材料硬度较高，但摩擦系数受温度影响较大，且在制备过程中产生了较大量的稀土残渣，对稀土的利用率较低。综合来看，实施例1的方案为最优选。当前第1页12