本发明涉及一种高耐磨性纸基摩擦材料的制备方法，属于纸基摩擦材料制备技术领域。
背景技术
近年来，随着汽车产业以及航空工业的迅速发展，摩擦材料领域的研究也发生了急速的增长。摩擦材料在工作过程中应用摩擦力传递扭矩和制动，是保障汽车平稳运行和安全性能的重要材料。在过去很长一段时间内，最常应用于工业中的摩擦材料主要以金属、陶瓷以及水泥物质等传统摩擦材料为主。但随着工业对摩擦材料综合性能的要求愈渐提高，其自身性能上的不足（如半金属摩擦材料的高温热分解或者碳基摩擦材料的昂贵成本）制约了其应用范围，新型摩擦材料正在逐步取代传统摩擦材料受到更多制造商、加工企业的青睐。
纸基摩擦材料作为一类重要的湿式摩擦材料，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，被愈来愈多的应用于宇航、汽车、石油化工、机械电子以及医疗卫生等领域。
在纸基摩擦材料用增强纤维和粘结剂中，可选择的增强纤维和粘结剂种类较多，但它们的耐热性、柔韧性、物理力学性能、摩擦和磨损性能差异较大，采用不同的增强纤维和粘结剂会导致纸基摩擦材料在摩擦磨损性能和物理/力学性能上的差异。常见的纸基摩擦材料为芳纶纤维材料，添加芳纶纤维能够改善摩擦材料的摩擦性能，但是芳纶纤维的耐热性较差，使其在重载荷机械中的应用受到了一定限制。而且芳纶纤维表面惰性、结晶程度高，与基体结合不好，影响了芳纶的复合材料的性能。用稀土对碳纤维和竹纤维表面进行改性，提高了纤维的耐磨性和耐热性，但是稀土与纤维的结合并不牢固，摩擦后易分离，造成摩擦性能的改变。还需要改善摩擦材料的耐热性、摩擦稳定性、抗老化性、抗菌性、韧性、防静电性、耐磨性、防打滑、致密性、导热性等其他性能。以碳纤维为增强纤维制备出的纸基摩擦材料性能优异，可以满足湿式摩擦工况的特殊要求，但是碳纤维的结构具有一个显著的缺陷，表面惰性大、表面能低，缺乏有活性的官能团，与树脂基体的浸润性差，界面结合强度弱，界面处存在较多的缺陷，这大大的限制了碳纤维在湿式摩擦材料中的应用。
现有的纸基摩擦材料的摩擦性能受外界负荷影响变化大，耐久后衰退大，不能满足用于自适应自动变速器的中弹性锥套摩擦材料传递扭矩的要求。如何提高纸基摩擦材料的摩擦系数、摩擦稳定性、耐热性以及耐磨性仍然是目前纸基摩擦材料面临的主要问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题：针对目前纸基摩擦材料力学性能和耐磨性能差，使纸基摩擦材料的摩擦稳定性下降的缺陷，提供了一种高耐磨性纸基摩擦材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高耐磨性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，称取3～5份竹纤维、20～25份丙二醇、0.5～0.8份柠檬酸颗粒、7～8份硫酸亚铁溶液投入烧杯中，用搅拌器搅拌，搅拌完成后过滤得到滤饼，用蒸馏水清洗滤饼3～5次后放入烘箱中干燥，得到干燥产物；
（2）将上述干燥产物用蒸馏水浸渍于锥形瓶中，向锥形瓶中滴加干燥产物质量30～40%的硫酸铜溶液，将锥形瓶置于超声振荡仪中振荡，振荡结束后过滤得到滤渣，用蒸馏水清洗滤渣3～5次；
（3）将上述滤渣与正硅酸乙酯的乙醇溶液按质量比1:5投入烧杯中，将烧杯置于微波炉中微波加热，微波加热后过滤得到改性滤渣，用无水乙醇清洗改性滤渣3～5次，按重量份数计，称取7～9份改性滤渣、16～18份氨水、2～4份乙二醇和3～5份1，4-丁二醇投入单口烧瓶中，将单口烧瓶置于超声振荡仪中超声振荡，振荡后过滤得到反应固体，依次用无水乙醇和蒸馏水清洗3～5次后放入鼓风干燥机中干燥制得改性竹纤维；
（4）按重量份数计，称取7～9份上述改性竹纤维、2.0～2.5份碳化硅粉末、1.0～1.3份莫来石纤维和30～32份蒸馏水投入烧杯中磁力搅拌，制得混合悬浮液；
（5）将上述混合悬浮液倒入纸页成型器中，制得预制纸胚，将预制纸胚放入真空干燥箱中干燥制得干燥纸胚，将酚醛树脂溶液涂刷于干燥纸胚上，反复涂刷3～5次，刷完后于室温中晾干，晾干后置于硫化机中硫化制得高耐磨性纸基摩擦材料。
步骤（1）中所述的硫酸亚铁溶液的质量分数为5～8%，搅拌器的转速为300～350r/min，混合搅拌时间为3～4h，烘箱中干燥时间为100～120min。
步骤（2）中所述的硫酸铜溶液的质量分数为10～15%，超声振荡仪中的超声频率为40～45khz，振荡时间为3～4h。
步骤（3）中所述的正硅酸乙酯的乙醇溶液的质量分数为10～15%，微波炉中的功率为230～250w，微波加热时间为15～20min，氨水的质量分数为20～25%，超声振荡仪中的频率为35～40khz，超声振荡时间为3～5h，鼓风干燥机中的温度为80～85℃，干燥时间为5～6h。
步骤（4）中所述的磁力搅拌转速为1200～1400r/min，磁力搅拌时间为50～70min。
步骤（5）中所述的真空干燥箱中的温度为90～95℃，真空度为100～120pa，干燥时间为4～5h，硫化机中的温度为160～170℃，压力为7～8mpa，硫化时间为15～20min。
本发明的有益技术效果是：
（1）本发明首先将竹纤维与硫酸亚铁溶液混合，混合后过滤干燥制得干燥产物，再将干燥产物与硫酸铜溶液混合反应，反应后过滤得到滤渣，将滤渣与正硅酸乙酯混合并进行微波加热，加热后加入氨水和其它有机溶剂进行反应，反应后过滤制得改性竹纤维，本发明中将竹纤维与亚铁离子混合，利用离子键以及螯合作用使亚铁离子吸附于竹纤维上和竹纤维管中，加入铜离子对部分亚铁离子产生同晶取代，将亚铁离子从植物纤维中析出，通过微波加热高温反应使金属离子还原成纳米金属单质，利用金属单质本身的优异力学性能使改性的竹纤维表面力学性能得到提高，同时填充竹纤维中的孔隙，提高其致密性能，金属离子以及金属单质通过离子键、螯合作用以及其它化学键合力吸附周围其它分子，改善竹纤维微管结构紧密程度，使竹纤维的韧性、力学性能得到进一步提高；
（2）本发明中将引入金属的竹纤维与正硅酸乙酯混合，混合后加入氨气、有机溶剂与竹纤维进行反应，使竹纤维表面形成二氧化硅膜层，二氧化硅膜层包覆竹纤维、金属离子和纳米金属单质，使铁、铜元素得到保护，防止被空气、酸、碱以及其它物质腐蚀，保持金属离子和单质的活性，同时膜层中具有键能很大的si-o键，使膜层具有良好的力学性能，增强了竹纤维的韧性、耐磨性和耐冲击性，从而提高了纸基摩擦材料的强度，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
按重量份数计，称取3～5份竹纤维、20～25份丙二醇、0.5～0.8份柠檬酸颗粒、7～8份质量分数为5～8%的硫酸亚铁溶液投入烧杯中，用搅拌器以300～350r/min的转速混合搅拌3～4h，搅拌完成后过滤得到滤饼，用蒸馏水清洗滤饼3～5次后放入烘箱中干燥100～120min，得到干燥产物；将上述干燥产物用蒸馏水浸渍于锥形瓶中，向锥形瓶中滴加干燥产物质量30～40%的质量分数为10～15%的硫酸铜溶液，将锥形瓶置于超声振荡仪中，在超声频率为40～45khz的条件下振荡3～4h，振荡结束后过滤得到滤渣，用蒸馏水清洗滤渣3～5次；将上述滤渣与质量分数为10～15%的正硅酸乙酯的乙醇溶液按质量比1:5投入烧杯中，将烧杯置于微波炉中，在230～250w的功率下微波加热15～20min，微波加热后过滤得到改性滤渣，用无水乙醇清洗改性滤渣3～5次，按重量份数计，称取7～9份改性滤渣、16～18份质量分数为20～25%的氨水、2～4份乙二醇和3～5份1，4-丁二醇投入单口烧瓶中，将单口烧瓶置于超声振荡仪中，在频率为35～40khz的条件下超声振荡3～5h后过滤得到反应固体，依次用无水乙醇和蒸馏水清洗3～5次后放入鼓风干燥机中，在温度为80～85℃的条件下干燥5～6h制得改性竹纤维；按重量份数计，称取7～9份上述改性竹纤维、2.0～2.5份碳化硅粉末、1.0～1.3份莫来石纤维和30～32份蒸馏水投入烧杯中，在转速为1200～1400r/min的条件下进行磁力搅拌50～70min，制得混合悬浮液；将上述混合悬浮液倒入纸页成型器中，制得预制纸胚，将预制纸胚放入真空干燥箱中，在温度为90～95℃、真空度为100～120pa的条件下干燥4～5h，制得干燥纸胚，将酚醛树脂溶液涂刷于干燥纸胚上，反复涂刷3～5次，刷完后于室温中晾干，晾干后置于硫化机中，在温度为160～170℃、压力为7～8mpa的条件下硫化15～20min制得高耐磨性纸基摩擦材料。
按重量份数计，称取3份竹纤维、20份丙二醇、0.5份柠檬酸颗粒、7份质量分数为5%的硫酸亚铁溶液投入烧杯中，用搅拌器以300r/min的转速混合搅拌3h，搅拌完成后过滤得到滤饼，用蒸馏水清洗滤饼3次后放入烘箱中干燥100min，得到干燥产物；将上述干燥产物用蒸馏水浸渍于锥形瓶中，向锥形瓶中滴加干燥产物质量30%的质量分数为10%的硫酸铜溶液，将锥形瓶置于超声振荡仪中，在超声频率为40khz的条件下振荡3h，振荡结束后过滤得到滤渣，用蒸馏水清洗滤渣3次；将上述滤渣与质量分数为10%的正硅酸乙酯的乙醇溶液按质量比1:5投入烧杯中，将烧杯置于微波炉中，在230w的功率下微波加热15min，微波加热后过滤得到改性滤渣，用无水乙醇清洗改性滤渣3次，按重量份数计，称取7份改性滤渣、16份质量分数为20%的氨水、2份乙二醇和3份1，4-丁二醇投入单口烧瓶中，将单口烧瓶置于超声振荡仪中，在频率为35khz的条件下超声振荡3h后过滤得到反应固体，依次用无水乙醇和蒸馏水清洗3次后放入鼓风干燥机中，在温度为80℃的条件下干燥5h制得改性竹纤维；按重量份数计，称取7份上述改性竹纤维、2.0份碳化硅粉末、1.0份莫来石纤维和30份蒸馏水投入烧杯中，在转速为1200r/min的条件下进行磁力搅拌50min，制得混合悬浮液；将上述混合悬浮液倒入纸页成型器中，制得预制纸胚，将预制纸胚放入真空干燥箱中，在温度为90℃、真空度为100pa的条件下干燥4h，制得干燥纸胚，将酚醛树脂溶液涂刷于干燥纸胚上，反复涂刷3次，刷完后于室温中晾干，晾干后置于硫化机中，在温度为160℃、压力为7mpa的条件下硫化15min制得高耐磨性纸基摩擦材料。
按重量份数计，称取4份竹纤维、23份丙二醇、0.6份柠檬酸颗粒、7份质量分数为6%的硫酸亚铁溶液投入烧杯中，用搅拌器以325r/min的转速混合搅拌3h，搅拌完成后过滤得到滤饼，用蒸馏水清洗滤饼4次后放入烘箱中干燥110min，得到干燥产物；将上述干燥产物用蒸馏水浸渍于锥形瓶中，向锥形瓶中滴加干燥产物质量35%的质量分数为13%的硫酸铜溶液，将锥形瓶置于超声振荡仪中，在超声频率为43khz的条件下振荡3h，振荡结束后过滤得到滤渣，用蒸馏水清洗滤渣4次；将上述滤渣与质量分数为13%的正硅酸乙酯的乙醇溶液按质量比1:5投入烧杯中，将烧杯置于微波炉中，在240w的功率下微波加热17min，微波加热后过滤得到改性滤渣，用无水乙醇清洗改性滤渣4次，按重量份数计，称取8份改性滤渣、17份质量分数为23%的氨水、3份乙二醇和4份1，4-丁二醇投入单口烧瓶中，将单口烧瓶置于超声振荡仪中，在频率为34khz的条件下超声振荡4h后过滤得到反应固体，依次用无水乙醇和蒸馏水清洗4次后放入鼓风干燥机中，在温度为83℃的条件下干燥5h制得改性竹纤维；按重量份数计，称取8份上述改性竹纤维、2.2份碳化硅粉末、1.2份莫来石纤维和31份蒸馏水投入烧杯中，在转速为1300r/min的条件下进行磁力搅拌60min，制得混合悬浮液；将上述混合悬浮液倒入纸页成型器中，制得预制纸胚，将预制纸胚放入真空干燥箱中，在温度为93℃、真空度为110pa的条件下干燥4h，制得干燥纸胚，将酚醛树脂溶液涂刷于干燥纸胚上，反复涂刷4次，刷完后于室温中晾干，晾干后置于硫化机中，在温度为165℃、压力为7mpa的条件下硫化17min制得高耐磨性纸基摩擦材料。
按重量份数计，称取5份竹纤维、25份丙二醇、0.8份柠檬酸颗粒、8份质量分数为8%的硫酸亚铁溶液投入烧杯中，用搅拌器以350r/min的转速混合搅拌4h，搅拌完成后过滤得到滤饼，用蒸馏水清洗滤饼5次后放入烘箱中干燥120min，得到干燥产物；将上述干燥产物用蒸馏水浸渍于锥形瓶中，向锥形瓶中滴加干燥产物质量40%的质量分数为15%的硫酸铜溶液，将锥形瓶置于超声振荡仪中，在超声频率为45khz的条件下振荡4h，振荡结束后过滤得到滤渣，用蒸馏水清洗滤渣5次；将上述滤渣与质量分数为15%的正硅酸乙酯的乙醇溶液按质量比1:5投入烧杯中，将烧杯置于微波炉中，在250w的功率下微波加热20min，微波加热后过滤得到改性滤渣，用无水乙醇清洗改性滤渣5次，按重量份数计，称取9份改性滤渣、18份质量分数为25%的氨水、4份乙二醇和5份1，4-丁二醇投入单口烧瓶中，将单口烧瓶置于超声振荡仪中，在频率为40khz的条件下超声振荡5h后过滤得到反应固体，依次用无水乙醇和蒸馏水清洗5次后放入鼓风干燥机中，在温度为85℃的条件下干燥6h制得改性竹纤维；按重量份数计，称取9份上述改性竹纤维、2.5份碳化硅粉末、1.3份莫来石纤维和32份蒸馏水投入烧杯中，在转速为1400r/min的条件下进行磁力搅拌70min，制得混合悬浮液；将上述混合悬浮液倒入纸页成型器中，制得预制纸胚，将预制纸胚放入真空干燥箱中，在温度为95℃、真空度为120pa的条件下干燥5h，制得干燥纸胚，将酚醛树脂溶液涂刷于干燥纸胚上，反复涂刷5次，刷完后于室温中晾干，晾干后置于硫化机中，在温度为170℃、压力为8mpa的条件下硫化20min制得高耐磨性纸基摩擦材料。
对比例以黄山市某公司生产的纸基摩擦材料作为对比例对本发明制得的高耐磨性纸基摩擦材料和对比例中的纸基摩擦材料进行检测，检测结果如表1所示：
耐破度指数测定按照国家标准gb/t454-2002进行测试。
撕裂指数测定按照国家标准gb/t455-2002进行测试。
按照标准gb13826-2008《湿式（非金属类）摩擦材料》，采用摩擦性能试验机进行测试。
表1性能测定结果
根据表1中数据可知，本发明制得的高耐磨性纸基摩擦材料，具有力学强度高，摩擦性能好，磨损率低等特点，且制动噪音低，对环境污染极低，安全、可靠，具有广阔的使用前景。