低温耐磨损抗粘连碳纤维增强树脂基摩擦材料及制备方法

有机化合物处理,合成应用技术1.本发明属于摩擦材料的技术领域，涉及一种低温耐磨损抗粘连碳纤维增强树脂基摩擦材料及制备方法。背景技术：2.碳纤维增强树脂基摩擦材料是以摩擦为主要功能的聚合物基复合材料，在机械设备中传递动力或制动。碳纤维增强树脂基摩擦材料由碳纤维、热固性树脂、摩擦性能调节剂和润滑剂等组成，具有较好的热稳定性、较高的机械强度、优异的摩擦磨损性能以及简单的制备工艺等优点而被广泛用作汽车制动材料。随着工业的发展，碳纤维增强树脂基摩擦材料的应用日益广泛，性能要求也越来越高。为了适应苛刻的服役环境，碳纤维增强树脂基摩擦材料需要具有更优异的耐磨性，可适应更宽的服役温度范围。3.由于季节的差异与地域的不同，碳纤维增强摩擦材料的使用温度有时低至-60℃，低温导致摩擦材料的脆性增大，服役过程中表面易剥落，导致摩擦材料的磨损率大幅度增加；此外，由于摩擦副间冰霜的形成或油脂粘度的提升，摩擦材料与金属对偶之间易产生粘连现象，导致摩擦材料的启动扭矩增大，影响设备正常运行。因此，需优化碳纤维增强树脂基摩擦材料体系，改善低温耐磨性和抗粘连性，以适应低温苛刻服役环境。4.文献1“专利公开号是cn102093812a的中国专利”公开了一种防腐耐磨防冻粘底面合一涂料及其制备方法。该方法先将端氨基聚醚、含氟硅氧烷等物质在不同条件下，逐步反应混合制得组分a，随后将纳米防冻粘材料、位阻型脂肪族仲胺等物质进行反应和混合制得组分b，最后采用无气喷涂工艺制得双组分防腐耐磨防冻粘涂料。虽然该方法制备的功能性涂层具有防腐效果好、耐磨、防冻粘的特点，但这些特性随涂层的破坏而消失，需对材料整体进行改性设计；且复合涂层制备繁琐，不宜批量工业化生产。5.文献2“专利公开号是cn105524406a的中国专利”公开了一种耐低温耐磨peek/ptfe复合材料及其制备方法。该方法先利用peek将纳米al2o3进行磺化处理，接着按照一定比例将peek、pctfe以及ptfe进行高速混合、热压成型制得成品。该方法制得的复合材料能在-100～-60℃的低温环境中保持韧性，且耐磨性显著提升。该技术从材料整体的角度改善了低温磨损较大的问题，但未关注复合材料的低温粘连问题。技术实现要素：6.要解决的技术问题7.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种低温耐磨损抗粘连碳纤维增强树脂基摩擦材料及制备方法，通过对碳纤维低表面自由能接枝改性，改善碳纤维增强树脂基摩擦材料低温磨损严重、易粘连的问题，以适应低温服役环境。依本发明制备出的碳纤维增强树脂基摩擦材料，在低温服役环境下磨损率低、抗粘连性能好。8.技术方案9.一种低温耐磨损抗粘连碳纤维增强树脂基摩擦材料，其特征在于包含以下组分：热固性树脂15-21％，表面接枝纳米颗粒与氟硅树脂的改性碳纤维19-26％，炭黑1-3％，摩擦性能调节剂50-60％以及固体润滑剂5-9％；氟硅树脂和纳米颗粒对碳纤维接枝改性，纳米颗粒在碳纤维表面构筑微纳尺度的粗糙结构，与树脂基体的机械啮合，提升碳纤维增强树脂基摩擦材料的耐磨性。10.所述的热固性树脂选自腰果壳油改性酚醛树脂、硼改性酚醛树脂、双酚a型环氧树脂、聚酰亚胺树脂、古马隆树脂、苯并噁嗪树脂中的一种或其任意组合。11.所述的纳米颗粒选自纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化铜中的一种或任意组合。12.所述的氟硅树脂选自十七氟癸基三乙氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷、七氟庚基三甲氧基硅烷中的一种或其任意组合。13.所述的摩擦性能调节剂选自煅烧氧化铝、萤石、钾长石、石灰石、矿粉、硫酸钙、铬铁矿、高岭土、硅藻土中的一种或任意组合。14.所述的固体润滑剂选自二硫化钼、二硫化钨、六方氮化硼、聚四氟乙烯、石墨中的一种或任意组合。15.所述的纳米颗粒的粒径为150-200nm。16.一种所述低温耐磨损抗粘连碳纤维增强树脂基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤如下：17.步骤1：将碳纤维浸没在浓硝酸溶液中，除去溶液并清洗至中性后烘干，得到活化碳纤维；18.步骤2：将纳米颗粒分散于无水乙醇中，将活化碳纤维浸没于上述分散液中，加热静置后除去溶剂得到纳米颗粒改性碳纤维；19.步骤3：将氟硅树脂溶解于乙醇的水溶液中，将步骤2中的碳纤维浸没于上述溶液中，加热静置后除去溶剂即可获得改性碳纤维；20.步骤4：按照比例称取热固性树脂、改性碳纤维、炭黑、摩擦性能调节剂及固体润滑剂，并置于高速混料机中进行混合；21.步骤5：将步骤4中得到的混合料置于模具中，经过热压固化和热处理后，即得改性碳纤维增强树脂基摩擦材料。22.所述步骤2加热40℃处理6h。23.所述步骤3调节溶液ph为3.9，70℃处理2h。24.有益效果25.本发明提出的一种低温耐磨损抗粘连碳纤维增强树脂基摩擦材料及制备方法，利用氟硅树脂和纳米颗粒对碳纤维接枝改性，制备碳纤维增强摩擦材料。有益效果是：氟硅树脂富含表面自由能极低的官能团，纳米颗粒在碳纤维表面构筑微纳尺度的粗糙结构，赋予材料良好的低温抗粘连特性。纳米颗粒与树脂基体的机械啮合，氟硅树脂的粘附协同提升了碳纤维与基体的界面结合，大幅度提升碳纤维增强树脂基摩擦材料的耐磨性。26.将氟硅树脂与纳米颗粒作为碳纤维接枝体，发明了一种低温性能提升明显的碳纤维增强树脂基摩擦材料，拓宽了摩擦材料的服役温度范围。纳米颗粒的粒径小，接枝在碳纤维表面后，形成微纳复合尺度的粗糙结构。氟硅树脂表面富含表面自由能极低的官能团-cf2与-cf3，具有良好的疏水疏油特性，水解形成的si-oh与碳纤维表面的-cooh或-oh发生酯化反应或醚化反应，形成牢固的化学键，接枝过程中形成的si-o-si也具有极佳的疏水性。在纳米颗粒微纳复合尺度粗糙结构和低表面自由能氟硅树脂的包覆下，碳纤维表面形成类荷叶表面的“低表面自由能复合结构”，见附图。提升了材料表面的液体接触角，大幅度降低表面自由能，赋予材料良好的低温抗粘连特性。同时，纳米颗粒改善了碳纤维与树脂基体之间的机械啮合，同时氟硅树脂的黏附性也辅助增强了界面结合。在纳米颗粒和氟硅树脂的协同作用下，低温制动过程中摩擦材料的剥落大幅度下降，耐磨性明显提升。以本发明制备的碳纤维增强树脂基摩擦材料，低温磨损率最低降至1.34×10-8cm3/j，降幅达83.3％，表面自由能最小降至16.0mn/m，降幅达55.1％，低温启动扭矩最小降至0.65n·m，降幅达39.8％，展现出极佳的耐低温磨损性能和良好的低温抗粘连特性，为低温耐磨损抗粘连摩擦材料的设计提供新思路。附图说明27.图1：电子显微镜下碳纤维表面“低表面自由能复合结构”具体实施方式28.现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：29.实施例1：30.步骤1，将20g碳纤维浸没在1000ml 50％硝酸溶液中，70℃条件下处理3h，除去溶液并利用去离子水清洗至中性，将碳纤维置于电热鼓风干燥箱中烘干，得到活化碳纤维；31.步骤2，将6g纳米sio2颗粒均匀分散于1000ml无水乙醇中，并将20g活化碳纤维浸没于上述分散液中，40℃处理6h得到纳米sio2改性碳纤维；32.步骤3，将10g十七氟癸基三乙氧基硅烷溶解于990g无水乙醇中，加入20g去离子水，调节溶液ph为3.9，将纳米sio2改性碳纤维浸没于上述溶液中，70℃处理2h。除去溶剂并干燥后得到改性碳纤维；33.步骤4，准确称取腰果壳油改性酚醛树脂15g，改性碳纤维20g，炭黑1g，煅烧氧化铝5g，萤石15g，石灰石8g，硫酸钙10g，硅藻土20g以及聚四氟乙烯6g。将上述原料置于高速混料机中，2000rpm下混合5次，每次持续3s，两次混合间隔5min，得到混合料；34.步骤5，称取步骤4中得到的混合料15.44g置于模具中，并放于热压机上板与中板间，压力设置为7.5mpa，温度160℃，热压时间10min，其间每50s放气一次，经过热压固化得到半成品；将半成品置于电热鼓风干燥箱中进行热处理，程序为：从室温开始升温15min，升温至120℃，保温60min；然后继续升温15min，升温至160℃，保温95min；然后再升温20min，升温至180℃；再升温10min，升温至200℃，保温60min，随鼓风干燥箱冷却至室温，制得改性碳纤维增强树脂基摩擦材料。35.本实施例制备的碳纤维增强树脂基摩擦材料，其低温磨损率降为8.37×10-9cm3/j，降幅83.3％，表面自由能降为16.0mn/m，降幅55.1％，低温启动扭矩降为0.65n·m，降幅39.8％。36.实施例2：37.步骤1，将20g碳纤维浸没在1000ml 50％硝酸溶液中，70℃条件下处理3h，除去溶液并利用去离子水清洗至中性，将碳纤维置于电热鼓风干燥箱中烘干，得到活化碳纤维；38.步骤2，将6g纳米sio2颗粒均匀分散于1000ml无水乙醇中，并将20g活化碳纤维浸没于上述分散液中，40℃处理6h得到纳米sio2改性碳纤维；39.步骤3，将10g十七氟癸基三乙氧基硅烷溶解于990g无水乙醇中，加入20g去离子水，调节溶液ph为3.9，将纳米sio2改性碳纤维浸没于上述溶液中，70℃处理2h。除去溶剂并干燥后得到改性碳纤维；40.步骤4，准确称取腰果壳油改性酚醛树脂15g，改性碳纤维20g，炭黑1g，煅烧氧化铝8g，萤石15g，石灰石8g，硫酸钙10g，硅藻土17g以及石墨6g。将上述原料置于高速混料机中，2000rpm下混合5次，每次持续3s，两次混合间隔5min，得到混合料；41.步骤5，称取步骤4中得到的混合料15.44g置于模具中，并放于热压机上板与中板间，压力设置为7.5mpa，温度160℃，热压时间10min，其间每50s放气一次，经过热压固化得到半成品；将半成品置于电热鼓风干燥箱中进行热处理，程序为：从室温开始升温15min，升温至120℃，保温60min；然后继续升温15min，升温至160℃，保温95min；然后再升温20min，升温至180℃；再升温10min，升温至200℃，保温60min，随鼓风干燥箱冷却至室温，制得改性碳纤维增强树脂基摩擦材料。42.本实施例制备的碳纤维增强树脂基摩擦材料，其低温磨损率降为1.34×10-8cm3/j，降幅73.4％，表面自由能降为23.0mn/m，降幅36.1％，低温启动扭矩降为0.71n·m，降幅34.3％。43.对比例：44.步骤1，准确称取腰果壳油改性酚醛树脂15g，改性碳纤维20g，炭黑1g，煅烧氧化铝5g，萤石15g，石灰石8g，硫酸钙10g，硅藻土20g以及石墨6g。将上述原料置于高速混料机中，2000rpm下混合5次，每次持续3s，两次混合间隔5min，得到混合料；45.步骤2，称取上述混合料15.44g置于模具中，并放于热压机上板与中板间，压力设置为7.5mpa，温度160℃，热压时间10min，其间每50s放气一次，经过热压固化得到半成品；将半成品置于电热鼓风干燥箱中进行热处理，程序为：从室温开始升温15min，升温至120℃，保温60min；然后继续升温15min，升温至160℃，保温95min；然后再升温20min，升温至180℃；再升温10min，升温至200℃，保温60min，随鼓风干燥箱冷却至室温，制得碳纤维增强树脂基摩擦材料。46.本对比例制备的碳纤维增强树脂基摩擦材料，其低温磨损率为5.03×10-8cm3/j，表面自由能为37.0mn/m，低温启动扭矩为1.08n·m。









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