CN104693677B - 一种碳纳米管/树脂基摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纳米管/树脂基摩擦材料及其制备方法，原料为改性多壁碳纳米管、酚醛树脂、镁盐晶须、硫酸钙晶须、竹纤维和铜粉。其主要制备步骤如下：在无水乙醇溶液中将改性多壁碳纳米管超声分散于酚醛树脂基体内，随后对其进行真空干燥，并与其他原料混合，最后经由热模压成型制得成品。本发明通过在原传统的热模压法工艺之前增加了一道碳纳米管与酚醛树脂的溶液混合工序，使碳纳米管更均匀地分散于基体中，从而制得摩擦系数较高、磨损率小，且抗热衰退性能更好的碳纳米管/树脂基摩擦材料。

Description

一种碳纳米管/树脂基摩擦材料及其制备方法

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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。

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。

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20 min，然后再用超声细胞粉碎机超声搅拌20 min；

（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10～15 min，然后在80℃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、硫酸钙晶须和铜粉一起倒入混料机中，在1000～2000 rpm转速下高速搅拌5～10 min，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1000～2000 rpm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℃的热压模具内，先1～2次加压至2～5 MPa内，保压20 s，打开模腔排气，初步定型，然后在5～10 MPa内同样加压、保压、排气4～6次，最后在10～15 MPa下加压1～2次，保压5～10 min，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℃下后固化热处理10 h，并随炉冷却得到摩擦材料成品。

步骤（a）的超声细胞粉碎机的超声工作时间参数为1 s，超声间隙时间为2 s，步骤（b）的酚醛树脂粉末与无水乙醇的用量比为5 g : 8～10 mL，步骤（c）的真空干燥温度为80℃、真空度小于0.01 MPa、干燥总时间4～5天。

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

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。

图2为试样二和试样三的DSC曲线图。

具体实施方式

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。

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20 min，然后再用超声细胞粉碎机超声搅拌20 min；

（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10～15 min，然后在80℃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1000～2000 rpm转速下高速搅拌5～10 min，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1000～2000 rpm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℃的热压模具内，先1～2次加压至2～5 MPa内，保压20 s，打开模腔排气，初步定型，然后在5～10 MPa内同样加压、保压、排气4～6次，最后在10～15 MPa下加压1～2次，保压5～10 min，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℃下后固化热处理10 h，并随炉冷却得到摩擦材料成品。

步骤（a）的超声细胞粉碎机的超声工作时间参数为1 s，超声间隙时间为2 s，步骤（b）的酚醛树脂粉末与无水乙醇的用量比为5 g : 8～10 mL，步骤（c）的真空干燥温度为80℃、真空度小于0.01 MPa、干燥总时间4～5天。

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。

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35 mL无水乙醇，超声震荡20 min，然后再用超声细胞粉碎机超声搅拌20 min；

（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15min，然后在80℃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，在80℃、小于0.01MPa的条件下真空干燥4天，并将其粉碎至40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 rpm转速下高速搅拌5 min，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℃的热压模具内，先2次分别加压至2、4 MPa，保压20 s，打开模腔排气，初步定型，然后在5、6、7、9、10 MPa下加压、保压20 s、排气5次，最后分别在10、15 MPa下加压2次，保压5 min，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℃下后固化热处理10 h，并随炉冷却得到摩擦材料成品。

实施例2（较佳实施例）

取原料磺化改性多壁碳纳米管0.8份、酚醛树脂29.1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35 mL无水乙醇，超声震荡20 min，然后再用超声细胞粉碎机超声搅拌20 min；

（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13min，然后在80℃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，在80℃、小于0.01MPa的条件下真空干燥4天，并将其粉碎至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 rpm转速下高速搅拌5 min，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1000rpm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上模160℃、下模170℃的热压模具内，先2次分别加压至2、4 MPa，保压20 s，打开模腔排气，初步定型，然后在5、6、7、9、10、10 MPa下加压、保压20 s、排气6次，最后加压至15 MPa，保压10 min，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℃下后固化热处理10 h，并随炉冷却得到摩擦材料成品。

实施例3（较佳实施例）

取原料磺化改性多壁碳纳米管1.2份、酚醛树脂28.7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35 mL无水乙醇，超声震荡20 min，然后再用超声细胞粉碎机超声搅拌20 min；

（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10min，然后放入磁力搅拌器中，在80℃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，在80℃、小于0.01MPa的条件下真空干燥5天，并将其粉碎至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 rpm转速下高速搅拌5 min，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170℃的热压模具内，先2次分别加压至2、4 MPa，保压20 s，打开模腔排气，初步定型，然后在5、7、9、10 MPa下加压、保压20 s、排气4次，最后分别在10、15 MPa下加压2次，保压8 min，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℃下后固化热处理10 h，并随炉冷却得到摩擦材料成品。

实施例4（较佳实施例）

取原料磺化改性多壁碳纳米管1.6份、酚醛树脂28.3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。其制备方法与实施例2相同。

对比实验

取原料磺化改性多壁碳纳米管为0份、酚醛树脂29.9份，其它成分配比及其制备方法与实施例1相同时，所制得的酚醛树脂基摩擦材料即空白试样为试样一。原料成分配比与实施例1相同，制备方法采用传统热模压法成型的磺化改性多壁碳纳米管/酚醛树脂基摩擦材料，即对比试样为试样二。实施例1的样品为试样三，实施例2的样品为试样四，实施例3的样品为试样五，实施例4的样品为试样六。由于酚醛树脂基摩擦材料容易在200℃左右出现热衰退，所以以上试样的摩擦磨损试验在XYC-A型卡斯（chase）摩擦试验机上，参照SAEJ661制动衬片质量测试程序的“磨损试验”阶段进行，偶件为内径277 mm的灰口铸铁摩擦鼓，摩擦副接触形式为面-面接触，转速411 rpm，法向载荷660 N。摩擦系数（）的计算公式为：，其中为摩擦力，为法向载荷，在摩擦试验过程中通过两个传感器测得和值。磨损率按GB 5763-2008计算得到。6个试样的摩擦磨损试验的结果如表1所示。

表1 试样的摩擦系数和磨损率

由表1可知，采用本发明所制得的磺化多壁碳纳米管/酚醛树脂基摩擦材料试样的摩擦系数均较高（> 0.3），磨损率也很小，远低于GB 5763-2008规定的上限值（1.00×10^-7cm³/(N•m)），因此其摩擦磨损性能良好。对比空白试样一和试样三可发现，试样三的摩擦系数更高，磨损率有显著减小，其摩擦磨损性能明显好于试样一。对比试样二和试样三得出，试样三的摩擦系数略高于试样二，磨损率相对于试样二减小了88.6%，即采用本发明所制得的磺化改性多壁碳纳米管/酚醛树脂基摩擦材料的耐磨性要比传统热模压法制得的好。

为了进一步对比本发明的制备方法与传统热模压法对磺化改性多壁碳纳米管/酚醛树脂基摩擦材料的摩擦学性能影响，仍采用卡斯（chase）摩擦试验机，参照SAE J661制动衬片质量测试程序的“衰退试验”阶段对试样二和试样三进行热衰退性能测试，测试的温度范围为93～343℃，偶件、转速和法向载荷与“磨损试验”一样，测得的结果如图1所示。

从图1可以看出，与试样二相比，试样三的摩擦系数曲线上下波动幅度较小，即试样三在“衰退试验”过程中的摩擦系数稳定性要好于试样二。试样二在234℃后摩擦系数急剧下降，出现热衰退现象，而试样三发生热衰退的起始温度为261℃，比试样二高27℃。因此综合可知，试样三的抗热衰退性能好于试样二，即采用本发明所制得的磺化改性多壁碳纳米管/酚醛树脂基摩擦材料的抗热衰退性能比传统热模压法制得的要好。

采用STA449C型同步热分析仪在氩气（Ar）保护环境中对试样二和试样三做示差扫描量热（DSC）分析，升温速度为10℃/min，结果如图2所示。

图2中试样三的DSC曲线在试样二的DSC曲线之下，且在250～300℃间，试样三的吸热峰值温度大于试样二，分别为273.5℃和270.6℃，说明与试样二相比，试样三的吸热量更大，耐热性能更好。这也正是试样三的抗热衰退性能好于试样二的主要原因。由此得出，采用本发明所制得的磺化改性多壁碳纳米管/酚醛树脂基摩擦材料的耐热性能比传统热模压法制得的要好。

综上可知，采用本发明所制得的磺化改性多壁碳纳米管/酚醛树脂基摩擦材料具有良好的综合摩擦性能——摩擦系数较高，磨损率小。相对于传统热模压法制得的摩擦材料，采用本发明所制得的摩擦材料的摩擦磨损性能更好，且由于耐热性能的提高，使其抗热衰退性能也更好。

除上述实施例外，本专利还包括其他采用权利要求书中说明的原料配比及与制备工艺参数组合制得的摩擦材料。同时凡采用在溶液中将碳纳米管（包括纯碳纳米管和修饰改性后的碳纳米管）超声分散于树脂内，随后真空干燥并热模压成型制得的碳纳米管/树脂基摩擦材料及其制备方法都应属于本发明专利保护的范围。

Claims (3)

1.一种碳纳米管/树脂基摩擦材料的制备方法，其特征在于：原料按重量份数计：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；所述的多壁碳纳米管是经过磺化改性的；其是通过多壁碳纳米管与酚醛树脂在无水乙醇中混合均匀制备而成的，酚醛树脂与无水乙醇的用量比为5 g：8～10mL，具体步骤如下：

（a）在多壁碳纳米管中加入无水乙醇，超声震荡20 min，再超声搅拌20 min；

（b）加入酚醛树脂粉末，超声搅拌10～15 min，80℃油浴磁力搅拌；

（c）待溶液搅拌至黏稠状后，真空干燥并粉碎至40～60目；

（d）将步骤（c）所得物料与镁盐晶须、硫酸钙晶须和铜粉在1000～2000 rpm转速下高速搅拌5～10 min；

（e）将步骤（d）所得物料与竹纤维在1000～2000 rpm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）所得物料在160～170℃下，2～5 MPa加压1～2次，每次保压20 s，排气，初步定型，然后在5～10 MPa下加压、保压、排气4～6次，最后在10～15 MPa下加压1～2次，保压5～10 min，最终成型；

（g）180℃下后固化热处理10 h，并随炉冷却得到所述的碳纳米管/树脂基摩擦材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（a）中超声搅拌时的超声工作时间为1s，超声间隙时间为2 s。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（c）中真空干燥温度为80℃、压力小于0.01 MPa、干燥总时间为4～5天。