一种木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法

本发明属于材料制备，具体涉及一种木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法。

背景技术：

1、木质原料在自然界中具有巨大储量，价格低廉，是制备高强度复合材料的有潜力的替代品。然而，加工产生的木粉材料通常被用作废料处理，造成资源的浪费的同时又额外增加了处理成本。将天然木粉在深共晶溶剂中处理之后，可以实现对木粉的有效解构，将木质素与纤维素的定向排列结构完全打开，经过进一步处理，可以形成粘稠木浆，此类填料可以被加入到树脂当中以制备高耐磨树脂基摩擦材料。木质基复合材料逐渐发展成为不可降解树脂基材料的有潜力的替代品，源于生物质材料的可生物降解树脂材料具有极大开发潜力。

2、二维石墨烯作为一种潜在的润滑材料，近年来在摩擦学领域引起了极大的兴趣，其制备方法一直是研究的重点。机械剥离因其制造成本低、操作简单、能够保证石墨烯的内在特性而被认为是大规模制造二维石墨烯的一种有前途的方法。这种机械剥落策略主要包括低能耗纯剪切法、三辊磨法和球磨。这些方法的原理可以概括为在机械剪切应力下将堆积的石墨晶体变为单层石墨烯的过程。在剥落过程中，石墨层状结构受到剪切力，抵消范德华力使石墨层状剥落(石墨晶体厚度变薄)，同时石墨层状晶体破裂形成更小的结构。然而，由于石墨片通过研磨球挤压、碰撞和垂直冲击断裂而转化为碎片，使平面层中的共价键断裂(平面结构断裂)，甚至将晶体结构粉碎成无定形或不平衡相。因此，传统的机械剥离策略不适合制备大尺寸二维石墨烯，特别是在增强聚合物基复合材料的力学性能方面，晶粒尺寸的减小和比表面积的增加使石墨烯容易团聚和分散不均匀，增加了冗余制备步骤和额外成本。

3、采用润滑材料填充树脂进行改性的制备方法一般都需要各种类型的原料，其中大部分并不是生物质材料，并且如碳纤维或碳化硅可能具有昂贵的价格或者复杂的制备工艺，但此类以共混改性方法制备的摩擦材料不具备可回收的特点。传统纸基摩擦材料采用的酚醛树脂及其改性产品(一般被用作基体和粘合剂)，属于热固性树脂，此类产品具有高的交联密度，难以被回收或在自然环境中被降解，报废后会对自然环境造成污染，而额外的废弃物处理步骤则需要消耗更多的能源和成本，与目前国家提出的低碳生产策略背道而驰。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法，制备具有高耐磨性、优异的水稳定性、良好的柔韧性、热传导性、可回收性以及生物降解性的纸基摩擦材料。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法，包括以下步骤：

4、步骤一、按木粉与氯化胆碱和草酸质量之和的比为1﹕(15～20)在木粉中加入氯化胆碱和草酸，其中氯化胆碱与草酸的摩尔比为1﹕(1～3)，混合后在80～110℃温度下充分搅拌溶解，直至形成粘稠液体；

5、步骤二、取100～150ml步骤一所得粘稠液体，加入2～5g对氨基苯磺酸钠、10～20ml异丙醇、10～20ml无水乙醇和1g二维材料后，对混合液依次进行破碎处理和球磨剥离；

6、步骤三、待球磨结束后收集粘稠液体并按体积比为1﹕(1～2)加入蒸馏水稀释，经过过滤、洗涤、分离，取滤渣进行成型处理，然后在室温下蒸发水分即可得到可回收的木质基复合材料。

7、优选的，步骤一中所述的搅拌时间为2～4小时。

8、优选的，步骤二中所述的二维材料包括天然石墨、鳞片石墨、氮化硼和二硫化钼中的任意一种。

9、优选的，步骤二中所述的破碎处理为超声震荡破碎，处理时间为30～60min。

10、优选的，步骤二中所述的球磨转速为500rpm、每小时间隔时间为20min、总球磨时间为24～36小时。

11、优选的，步骤三中所述的洗涤方法为蒸馏水洗涤3～5次。

12、优选的，步骤三中所述的成型方式包括浇铸成型、热压成型、模压成型、流延成型、抽滤成型或冷冻干燥成型中的任意一种。

13、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

14、本发明的纸基摩擦材料的制备过程与湿造纸工艺类似，将制浆步骤与石墨烯的机械剥离相结合，有助于促进大尺寸二维石墨烯的获取及其在基浆中的分散，而木质素具有一定的塑性，可以减少强冲击下石墨烯的破碎，有助于获得大尺寸二维石墨烯；进一步地，木质素经des溶解，通过水分子诱导的氢键与微纳米纤维素重组，作为天然粘合剂和基质，同时以微/纳米纤维素为增强纤维，spabs改性石墨烯(spabs@g)为抗磨助剂，形成具有高耐磨性、显著的水稳定性、可回收性能以及低加工成本的薄膜；

15、本发明采用木粉废料制备木质纤维素浆料，木质纤维素浆料中含有大量纤维素，木质素溶解成小分子后通过氢键与微纳米纤维素表面的亲水官能团结合，与含羟基和羰基的微/纳米纤维素产生了相互作用，形成了稳定的木质素-纤维素超分子结构，固化成型后的制品获得了良好的力学性和摩擦性能、优异的水稳定性、良好的柔韧性、热传导性、可回收性以及生物降解性，可以有效实现废弃木材的高值化利用；

16、石墨被剥离后形成石墨烯，基于其在剪切应力下的层间滑移效应，可以形成自润滑转移膜，具有较好的减摩抗磨效果，是一种良好的润滑填料；此外，石墨烯可以在树脂基体内形成导热网络，有助于摩擦热的有效传递，保证复合材料在使用过程中的稳定性；本发明中对氨基苯磺酸钠可以有效改善剥离后二维材料的表面性能，使其易与木质纤维素通过次级氢键结合，其均匀地负载在了木质纤维素的致密层状结构中并进一步提升木质基复合材料的机械强度，在起到增强作用的同时又使其获得具有高的耐磨性和低的磨损率；

17、本发明所制备本发明所制备的木质基复合材料的表面致密交联结构使其具有良好的疏水性能，由于将木质素完全保留，基于木质素的两亲性，木质素上的亲水性支链基团与相互纠缠的纤维素表面羟基通过氢键相结合，其疏水性主链则抵御水分子的入侵，使水分子很难侵入材料内部，所以其在水中具有良好的稳定性，在水稳定性实验中，即使在水中浸泡一个月也不会发生解构；

18、本发明所使用的原料价格价廉，制备方法采用简单的过滤清洗处理，无需多余的除杂步骤，也无需使用任何有毒溶剂，整个制备过程所使用的溶剂绿色环保无污染，废弃木料作为典型的生物质绿色天然材料，具有来源广泛，储量大，绿色环保；

19、本发明所制备的树脂基复合材料在产品报废后不仅可以使用实验室方法进行回收，而且由于其本身的物质组成为木质素和纤维素，因此在自然环境中可以被微生物降解，转化为腐殖质并成为植物生长所需的天然肥料从而达到“取之于自然，归之于自然”的目的。

技术特征：

1.一种木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤一中所述的搅拌时间为2～4小时。

3.如权利要求1所述的木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤二中所述的二维材料包括天然石墨、鳞片石墨、氮化硼和二硫化钼中的任意一种。

4.如权利要求1所述的木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤二中所述的破碎处理为超声震荡破碎，处理时间为30～60min。

5.如权利要求1所述的木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤二中所述的球磨转速为500rpm、每小时间隔时间为20min、总球磨时间为24～36小时。

6.如权利要求1所述的木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤三中所述的洗涤方法为蒸馏水洗涤3～5次。

7.如权利要求1所述的木质素-纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤三中所述的成型方式包括浇铸成型、热压成型、模压成型、流延成型、抽滤成型或冷冻干燥成型中的任意一种。

技术总结
本发明公开了一种木质素‑纤维素辅助剥离二维材料制备纸基摩擦材料的方法，包括：在木粉中加入氯化胆碱和草酸，混合后在80～110℃温度下充分搅拌溶解，直至形成粘稠液体；取100～150mL步骤一所得粘稠液体，加入2～5g对氨基苯磺酸钠、10～20mL异丙醇、10～20mL无水乙醇和1g二维材料后，对混合液依次进行破碎处理和球磨剥离；待球磨结束后收集粘稠液体并加入蒸馏水稀释，经过过滤、洗涤、分离和成型固化后即可得到可回收的木质基复合材料，该材料具有高耐磨性、优异的水稳定性、良好的柔韧性、热传导性、可回收性以及生物降解性的纸基摩擦材料。

技术研发人员：宋浩杰,陕志强,贾晓华,杨进,邵丹,王思哲,李永,冯雷
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13