CN104818648A - 一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，首先用浓度为8～10mol/L的高锰酸钾溶液浸泡碳纤维18～36h，然后将碳纤维反复洗涤直至pH达到7并烘干，将预处理的碳纤维与高锰酸钾在酸性pH＝2～5的水溶液中进行水热反应，反应完成后以改性后的碳纤维作为增强纤维，采用抄纸成型工艺制备纸基摩擦材料。本发明所制备的改性碳纤维增强纸基摩擦材料具有结合强度高，摩擦系数提高，磨损率降低的特点。
Description
技术领域
本发明属于湿式摩擦材料领域，具体涉及一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法。
背景技术
纸基摩擦材料是一种摩擦材料，是汽车液力传扭自动变速器中湿式离合器的关键材料，是保障车辆运行平稳性和安全性的重要材料。它具有摩擦系数高，接合平稳柔和，低噪声，对偶盘损伤小，成本低等优点，现已广泛应用于各种车辆。
申请号为200310460902.6.7的中国专利“一种碳纤维表面化学接枝改性的方法”采用将丙酮清洗后碳纤维放置于温度为350℃-370℃和压力为8MPa-14MPa的超临界丙酮—水体系中浸泡20-30min，来去除碳纤维的环氧涂层，这种方法虽然可以很好的去除环氧涂层，但是对实验条件要求较高，步骤繁琐、费时。
申请号为200310111216.7的中国专利“一种高分子复合纸基摩擦材料”采用在纸基摩擦材料中加入31-45％的酚醛树脂、20-30％的木纤维、5-15％的竹纤维、15-20％的碳纤维、5-10％的石墨、1-5％二氧化硅2-5％的硅藻土、1-3％的氧化铁改进通用纸基摩擦材料的耐温耐磨性能，在一定程度上弥补了通用纸基摩擦材料的某些缺陷。但是该技术并没有对碳纤维进行改性，碳纤维与基体的结合不够紧密容易造成脱离；在材料制备过程中引入了氧化铁，加大了材料在制动过程中对对偶片的磨损率，长时间使用可能会导致摩擦片与对偶片发生粘接，从而导致制动系统失效，这些缺点都限制了此类材料的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明通过利用二氧化锰改性后的碳纤维作为纤维增强体制备出摩擦系数高，磨损量降低等特点的纸基摩擦材料。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将碳纤维用高锰酸钾溶液浸泡，待去除碳纤维的上浆剂后，将碳纤维反复洗涤至中性并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合，其中每0.20～0.30g碳纤维中加入6～10mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至酸性，得到碳纤维混合体系，将碳纤维混合体系于150～200℃的条件下进行水热反应，反应时间为15～20h，水热反应完成后自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗后进行热处理即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、植物纤维、芳纶纤维及填料按照(9～13)﹕(2～3)﹕(2～3)﹕(1～2)的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为(2～4)﹕(9～13)。
进一步地，碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。
进一步地，步骤一中的高锰酸钾溶液浓度为8～10mol/L，步骤一中将碳纤维用高锰酸钾溶液浸泡18～36h。
进一步地，步骤二中加水调节pH至2～5。
进一步地，步骤二中水热反应是在均相反应器或微波反应器中进行。
进一步地，步骤二中将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次。
进一步地，步骤二中热处理的温度为80～120℃，热处理时间为6～12h。
进一步地，步骤三中的植物纤维为木纤维或竹纤维；芳纶纤维为短切芳纶纤维、沉析芳纶纤维或芳纶浆粕；填料为高岭土、硅藻土、石英粉或二氧化钛。
进一步地，步骤四中热压的温度为130～160℃；压力为5～10MPa。
一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将长度为0.1～10mm聚丙烯腈基碳纤维用浓度为10mol/L高锰酸钾溶液浸泡20h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合加入水热釜内衬，其中每0.24g碳纤维中加入6mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至3，得到碳纤维混合体系，将水热釜置于均相反应器中在170℃下水热反应18h，水热反应完成后水热釜自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于80℃的温度下热处理12h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、木纤维、短切芳纶纤维及二氧化钛按照11﹕2﹕3﹕2的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为300mm的纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在150℃的温度下，7MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为3﹕11，获得的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.14，磨损率为1.2×10-8cm3/J。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明中使用的高锰酸钾是二氧化锰的前躯体，在水热条件下可以生成二氧化锰，利用二氧化锰对碳纤维改性，得到高性能二氧化锰改性碳纤维，将其应用与湿式纸基摩擦材料，可以有效提高碳纤维与基体的界面结合性能，使摩擦材料具有更为优异的摩擦磨损性能，运用本发明方法二氧化锰改性后碳纤维制备的纸基摩擦材料拉伸强度是原始碳纤维制备的纸基摩擦材料的2倍左右，本发明方法制备的纸基摩擦材料具有优异的摩擦磨损性能，按照GB/T 13826-2008技术标准检测，其动摩擦系数达到0.13-0.16，摩擦材料磨损率为1.2×10-8cm3/J-1.3×10-8cm3/J，展现出了优异的摩擦磨损性能。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的二氧化锰改性碳纤维SEM照片；
图2是本发明实施例1采用二氧化锰改性后碳纤维制备的纸基摩擦材料与原始碳纤维制备的纸基摩擦材料拉伸强度对比图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将长度为0.1～10mm聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维用浓度为8～10mol/L高锰酸钾溶液浸泡18～36h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至中性并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合，其中每0.20～0.30g碳纤维中加入6～10mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至2～5，得到碳纤维混合体系，将碳纤维混合体系于150～200℃的条件下在均相反应器或微波反应器中进行水热反应，反应时间为15～20h，水热反应完成后自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于80～120℃的温度下热处理6～12h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、植物纤维、芳纶纤维及填料按照(9～13)﹕(2～3)﹕(2～3)﹕(1～2)的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得纸基材料，所述的植物纤维为木纤维或竹纤维；芳纶纤维为短切芳纶纤维、沉析芳纶纤维或芳纶浆粕；填料为高岭土、硅藻土、石英粉或二氧化钛；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后在130～160℃的温度下、5～10MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为(2～4)﹕(9～13)。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
步骤一：将长度为0.1～10mm聚丙烯腈基碳纤维用浓度为10mol/L高锰酸钾溶液浸泡20h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合加入水热釜内衬，其中每0.24g碳纤维中加入6mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至3，得到碳纤维混合体系，将水热釜置于均相反应器中在170℃下水热反应18h，水热反应完成后水热釜自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于80℃的温度下热处理12h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、木纤维、短切芳纶纤维及二氧化钛按照11﹕2﹕3﹕2的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为300mm的纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在150℃的温度下，7MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为3﹕11，获得的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.14，磨损率为1.2×10-8cm3/J。
图1是本实施例所制备改性碳纤维样品表面SEM照片，从图中可以看出纤维表面出现大量棒状二氧化锰，碳纤维表面活性得到改善，图2是原始碳纤维制备的纸基摩擦材料与二氧化锰改性后碳纤维制备的纸基摩擦材料拉伸强度对比，从图中可以看出改性后碳纤维增强试样拉伸强度大大提高，展现了纤维与基体良好的结合。
实施例2
步骤一：将长度为0.1～10mm沥青基碳纤维用浓度为9mol/L高锰酸钾溶液浸泡25h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合加入水热釜内衬，其中每0.27g碳纤维中加入7mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至2，得到碳纤维混合体系，将水热釜置于微波反应器中在150℃下水热反应15h，水热反应完成后水热釜自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于90℃的温度下热处理8h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、竹纤维、沉析芳纶纤维及高岭土按照9﹕2﹕2﹕1的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为300mm的纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在160℃的温度下、5MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为2﹕9，获得的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.13，磨损率为1.2×10-8cm3/J。
实施例3
步骤一：将长度为0.1～10mm聚丙烯腈基碳纤维用浓度为8mol/L高锰酸钾溶液浸泡30h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合加入水热釜内衬，其中每0.28g碳纤维中加入7mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至4，得到碳纤维混合体系，将水热釜置于微波反应器中在200℃下水热反应17h，水热反应完成后水热釜自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于120℃的温度下热处理6h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、木纤维、芳纶浆粕及硅藻土按照13﹕3﹕3﹕2的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为300mm的纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在130℃的温度下、10MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为4﹕13，获得的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.14，磨损率为1.2×10-8cm3/J。
实施例4
步骤一：将长度为0.1～10mm沥青基碳纤维用浓度为8mol/L高锰酸钾溶液浸泡33h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合加入水热釜内衬，其中每0.29g碳纤维中加入8mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至5，得到碳纤维混合体系，将水热釜置于均相反应器中在180℃下水热反应20h，水热反应完成后水热釜自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于110℃的温度下热处理10h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、木纤维、沉析芳纶纤维及石英粉按照12﹕2﹕3﹕1的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为300mm的纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在140℃的温度下、8MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为3﹕12，获得的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.15，磨损率为1.3×10-8cm3/J。
实施例5
步骤一：将长度为0.1～10mm聚丙烯腈基碳纤维用浓度为9mol/L高锰酸钾溶液浸泡25h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合加入水热釜内衬，其中每0.24g碳纤维中加入8mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至4，得到碳纤维混合体系，将水热釜置于均相反应器中在160℃下水热反应16h，水热反应完成后水热釜自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于100℃的温度下热处理10h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、竹纤维、短切芳纶纤维及二氧化钛按照10﹕2﹕3﹕2的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为300mm的纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在140℃的温度下、5MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为3﹕10，获得的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.16，磨损率为1.2×10-8cm3/J。
实施例6
步骤一：将长度为0.1～10mm沥青基碳纤维用浓度为9mol/L高锰酸钾溶液浸泡20h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合加入水热釜内衬，其中每0.27g碳纤维中加入10mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至3，得到碳纤维混合体系，将水热釜置于均相反应器中在190℃下水热反应19h，水热反应完成后水热釜自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于80℃的温度下热处理12h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、竹纤维、芳纶浆粕及硅藻土按照11﹕3﹕3﹕1的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为300mm的纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在150℃的温度下、6MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为2﹕11，获得的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.13，磨损率为1.2×10-8cm3/J。
实施例7
步骤一：将长度为0.1～10mm聚丙烯腈基碳纤维用浓度为9mol/L高锰酸钾溶液浸泡36h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合加入水热釜内衬，其中每0.30g碳纤维中加入7mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至4，得到碳纤维混合体系，将水热釜置于均相反应器中在160℃下水热反应20h，水热反应完成后水热釜自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于110℃的温度下热处理8h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、木纤维、芳纶浆粕及高岭土按照13﹕2﹕2﹕2的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为300mm的纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在160℃的温度下、7MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为4﹕13，获得的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.15，磨损率为1.3×10-8cm3/J。
实施例8
步骤一：将长度为0.1～10mm沥青基碳纤维用浓度为10mol/L高锰酸钾溶液浸泡18h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合加入水热釜内衬，其中每0.20g碳纤维中加入8mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至4，得到碳纤维混合体系，将水热釜置于均相反应器中在200℃下水热反应15h，水热反应完成后水热釜自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于90℃的温度下热处理11h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、木纤维、沉析芳纶纤维及石英粉按照12﹕3﹕3﹕2的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为300mm的纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在160℃的温度下、10MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为4﹕12，获得的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.14，磨损率为1.2×10-8cm3/J。
Claims (10)
1.一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将碳纤维用高锰酸钾溶液浸泡，待去除碳纤维的上浆剂后，将碳纤维反复洗涤至中性并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合，其中每0.20～0.30g碳纤维中加入6～10mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至酸性，得到碳纤维混合体系，将碳纤维混合体系于150～200℃的条件下进行水热反应，反应时间为15～20h，水热反应完成后自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗后进行热处理即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、植物纤维、芳纶纤维及填料按照(9～13)﹕(2～3)﹕(2～3)﹕(1～2)的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为(2～4)﹕(9～13)。
2.根据权利要求1所述的一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。
3.根据权利要求1所述的一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤一中的高锰酸钾溶液浓度为8～10mol/L，步骤一中将碳纤维用高锰酸钾溶液浸泡18～36h。
4.根据权利要求1所述的一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤二中加水调节pH至2～5。
5.根据权利要求1所述的一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤二中水热反应是在均相反应器或微波反应器中进行。
6.根据权利要求1所述的一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤二中将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次。
7.根据权利要求1所述的一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤二中热处理的温度为80～120℃，热处理时间为6～12h。
8.根据权利要求1所述的一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤三中的植物纤维为木纤维或竹纤维；芳纶纤维为短切芳纶纤维、沉析芳纶纤维或芳纶浆粕；填料为高岭土、硅藻土、石英粉或二氧化钛。
9.根据权利要求1所述的一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，步骤四中热压的温度为130～160℃；压力为5～10MPa。
10.一种利用二氧化锰改性的碳纤维制备纸基摩擦材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将长度为0.1～10mm聚丙烯腈基碳纤维用浓度为10mol/L高锰酸钾溶液浸泡20h，以去除碳纤维的上浆剂，将碳纤维反复洗涤至pH为7并烘干；
步骤二：将步骤一烘干的碳纤维与高锰酸钾混合加入水热釜内衬，其中每0.24g碳纤维中加入6mol高锰酸钾，然后加入水调节pH至3，得到碳纤维混合体系，将水热釜置于均相反应器中在170℃下水热反应18h，水热反应完成后水热釜自然冷却得到改性碳纤维粗产品，将改性碳纤维粗产品经去离子水清洗3～5次后于80℃的温度下热处理12h即得到改性碳纤维；
步骤三：采用湿法制浆工艺将改性碳纤维、木纤维、短切芳纶纤维及二氧化钛按照11﹕2﹕3﹕2的质量比分散于水中，然后利用抄纸成型工艺制得直径为300mm的纸基材料；
步骤四：将纸基材料利用改性酚醛树脂浸渍后用硫化机在150℃的温度下，7MPa的压力下热压固化即得到纸基摩擦材料，其中改性酚醛树脂与改性碳纤维的质量比为3﹕11，获得的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.14，磨损率为1.2×10-8cm3/J。
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