CN105238072A - 一种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，将无机粉末与树脂均匀混合后于无水乙醇中溶解，采用反复抽滤、烘干等方法将无机粉末和树脂混合物均匀分散于碳布中，然后将碳布于硫化机上热压成型，即得到具有优异力学和摩擦学性能的无机粉末增强碳布/树脂复合材料。本发明将无机粉末作为原料添加到碳布/树脂复合材料中，制备出碳布湿式摩擦材料。将无机粉末的高硬度、耐磨以及优异的热性能等特性很好地融入到碳布/树脂复合材料中，同时又能增加各组分之间的界面交互和机械齿合，大大提高了碳布摩擦材料的机械性能和摩擦磨损性能。

Description

一种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法。

背景技术

碳布增强聚合物基复合材料已经被广泛应用于如热保护系统、轻质结构件、超级电容器以及汽车材料等许多领域。由于其具有优异的摩擦学和热稳定性，它们也越来越多地在工业上被用作重要的摩擦工程材料[RattanR,BijweJ,FahimM.Wear.2007；262(5-6):727-35]。目前，许多研究者已经从复合材料中高分子含量的选择、碳布的制备及编织方法等方面开展了大量的研究工作。然而，由于碳纤维低的比表面积和差的浸润性，使其与聚合物的结合性较差。为了解决碳纤维与树脂基体的界面结合问题，研究者从化学处理和物理处理两个角度对碳布复合材料进行了改性。

在化学处理方面，ZhangX等人利用溶胶凝胶法将纳米SiO₂长到了碳纤维上，并用浸涂法制备了碳布复合材料[ZhangX,PeiX,ZhangJ,WangQ.ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects.2009；339(1-3):7-12]。DekaBK等人通过水热法在碳纤维表面生长了纳米线ZnO[KongK,DekaBK,KwakSK,OhA,KimH,ParkY-B,etal.CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing.2013；55:152-60]和纳米线CuO[DekaBK,KongK,SeoJ,KimD,ParkY-B,ParkHW.CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing.2015；69:56-63]，并采用真空辅助树脂模塑法制备了碳布复合材料。上述经过化学处理的碳布复合材料的结合性能都得到了不同程度的提升。对于物理处理，一些研究者通过辐射的方法提高了碳纤维表面的活性，从而改善了界面结合。更多的研究主要集中在纳米和微米颗粒的添加，其中纳米颗粒包括碳黑、Al₂O₃,Si₃N₄,SiO₂,TiO₂,ZnO以及CaCO₃等，微米颗粒包括SiC和MoS₂等。上述经过物理处理的碳布复合材料的力学性能也都得到了不同程度的提升。

然而，化学处理存在成本高和工艺复杂的缺点，物理处理所选用添加剂的大多为化学纯，也存在成本高的问题。此外，上述研究大都集中在讨论碳布复合材料的干式摩擦性能，对于能够应用于湿式摩擦环境的碳布复合材料的报道较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，该方法制备工艺简单、生产成本低，并且通过添加无机粉末使制得的无机粉末增强碳布/树脂复合材料具有良好的力学和摩擦学性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将无机粉末与树脂以1:(2.5～20)的质量比混合均匀，得到混合物A，然后将混合物A加入无水乙醇中使其完全溶解，得溶液B，其中溶液B中无机粉末的浓度为0.2～20g/L；

步骤二：将碳布清洁干净后干燥，备用；

步骤三：将溶液B中的混合物A添加到经步骤二处理过的碳布中，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为20～25％；

步骤四：对预制体C进行热压固化，其中热压温度为150～180℃、热压时间为5～15min、热压压力为3～8MPa，即得到无机粉末增强碳布/树脂复合材料。

所述步骤一中的无机粉末为玻璃粉、陶瓷粉、水泥粉、耐火材料粉末以及碳粉中的一种或几种任意比例的混合物。

所述步骤一中无机粉末的粒径为100nm～10μm。

所述步骤一中的无机粉末在使用前先经过表面处理，使其表面富含含氧官能团。

所述步骤一中的树脂为丁腈改性树脂、腰果壳油改性酚醛树脂、橡胶改性树脂、硼改性树脂或环氧树脂。

所述步骤一中通过混料机、球磨机或人工搅拌的方式将无机粉末和树脂混合均匀。

所述步骤二中对碳布进行清洁的具体步骤为：将碳布先在丙酮中浸泡12～40h，再在乙醇中超声清洗30～60min。

所述步骤二中的碳布的编织密度为1K、3K、6K或12K，编织结构为平纹、斜纹、缎纹或单向布。

所述步骤三中通过抽滤、浸渍、或溶解的方式将混合物A添加到碳布中；

其中抽滤的具体操作为：以碳布为滤纸，将溶液B倒入漏斗中进行抽滤，然后烘干，再重复抽滤、烘干，直至碳布中混合物A的含量达到要求；

浸渍的具体操作为：将碳布浸渍到溶液B中，然后烘干，再重复浸渍、烘干，直至碳布中混合物A的含量达到要求；

溶解的具体操作为：将混合物A平铺于碳布表面，然后加入无水乙醇使混合物A完全溶解，然后烘干。

所述抽滤采用砂芯漏斗抽滤装置或布氏漏斗抽滤装置进行。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，将无机粉末与树脂均匀混合后于无水乙醇中溶解，然后将无机粉末和树脂的混合物均匀分散于碳布中，再将碳布热压成型，即得到具有优异力学和摩擦学性能的无机粉末增强碳布/树脂复合材料。本发明将无机粉末作为原料添加到碳布/树脂复合材料中，制备出碳布湿式摩擦材料。将无机粉末的高硬度、耐磨以及优异的热性能等特性很好地融入到碳布/树脂复合材料中，同时又能增加各组分之间的界面交互和机械齿合，大大提高了碳布摩擦材料的机械性能和摩擦磨损性能。本发明制备工艺简单，生产成本低，将无机粉末作为增强体添加到碳布摩擦材料中，通过控制加入无机粉末的含量，可以获得具有不同力学和摩擦学性能的无机粉末增强碳布/树脂复合材料。本发明将碳布的高自润滑性、无机粉末高的硬度和与树脂良好的相容性有机地结合在了一起，使制得的无机粉末增强碳布/树度脂复合材料具有高致密性、高强度、高摩擦系数、摩擦性能稳定、摩擦噪音小、耐磨性良好的优点，并且其抗剪切、抗折、抗拉等力学性能也得到了改善，具有良好的应用前景。

本发明的优点具体表现在以下四个方面：

(1)本发明将粒径较小、强度较高的无机粉末均匀分散于碳布摩擦材料中，改善了碳布与树脂基体的界面结合，使其具有优异的力学性能；

(2)无机粉末增加了碳布表面的粗糙度，提高了复合材料的摩擦系数；

(3)无机粉末的加入增加了各组分之间的界面交互和机械齿合，降低了碳布/树脂复合材料的磨损，大大了提高了其寿命；

(4)无机粉末可以来源于工业及建筑废弃物，实现了变废为宝，更加环保。

附图说明

图1为本发明实施例1制备出的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料表面的扫描电镜图，其中(b)为(a)的局部放大图。

具体实施方式

下面结合本发明较优的实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

步骤一：通过混料机将0.3g粒径为100～200nm的玻璃粉与3g腰果壳油改性酚醛树脂以1:10的质量比混合均匀，得到混合物A，然后将混合物A加入100ml无水乙醇中使其完全溶解，得溶液B，其中溶液B中玻璃粉的浓度为3g/L；玻璃粉在使用前先浸泡在硅烷偶联剂中，使其表面富含含氧官能团；

步骤二：将碳布在丙酮中浸泡24h后取出，然后在乙醇中超声清洗45min，最后干燥，备用；其中碳布的编织密度为12K，编织结构为平纹；

步骤三：采用砂芯漏斗抽滤装置，以碳布为滤纸，将溶液B缓慢倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布烘干称量。然后以烘干后的碳布为滤纸，将滤瓶中的滤液缓慢倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布继续烘干称量。如此反复直至足够的混合物A被添加到碳布中，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为22％；

步骤四：将步骤三中得到的预制体C于硫化机上进行热压固化，其中热压温度为170℃、热压时间为5min、热压压力为5MPa，即得到玻璃粉含量为2wt％、腰果壳油改性酚醛树脂含量为20wt％的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料。

图1为实施例1制备出的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料表面的扫描电镜图，其中(b)为(a)的局部放大图。由图1(a)可以看出，玻璃粉被均匀地添加到了碳布上，使得碳布复合材料变得更加致密。由图1(b)可以看出，一部分玻璃粉被树脂粘结到了碳纤维上，另一部分玻璃粉均匀地分散到了树脂基体中，显著地改善了碳布与树脂的界面结合。

将实施例1制得的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料进行力学及摩擦磨损性能测试，结果如表1所示。

表1复合材料的摩擦性能

其中未添加玻璃粉的样品，是按照实施例1的方法，直接将清洗后的碳布浸渍树脂制得的。由表1可知，实施例1添加2wt％玻璃粉的碳布复合材料的摩擦系数、磨损率、密度、抗折强度、弹性模量以及剪切强度都得到了明显改善。说明采用本发明的方法制得的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料与未加玻璃粉制得的复合材料相比，其力学性能和摩擦性能得到明显提高。

实施例2：

步骤一：通过球磨机将0.2g粒径为200～400nm的陶瓷粉与4g丁腈改性树脂以1:20的质量比混合均匀，得到混合物A，然后将混合物A加入120ml无水乙醇中使其完全溶解，得溶液B，其中溶液B中陶瓷粉的浓度为1.67g/L；陶瓷粉在使用前先浸泡在硅烷偶联剂中，使其表面富含含氧官能团；

步骤二：将碳布在丙酮中浸泡30h后取出，然后在乙醇中超声清洗35min，最后干燥，备用；其中碳布的编织密度为6K，编织结构为斜纹；

步骤三：将碳布浸渍到溶液B中，然后烘干，再重复浸渍、烘干，如此反复直至足够的混合物A被添加到碳布中，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为21％；

步骤四：将步骤三中得到的预制体C于硫化机上进行热压固化，其中热压温度为160℃、热压时间为8min、热压压力为6MPa，即得到陶瓷粉含量为1wt％、丁腈改性树脂含量为20wt％的陶瓷粉增强碳布/树脂复合材料。

实施例3：

步骤一：通过人工搅拌的方式将0.3g粒径为5～10μm的水泥粉与2g橡胶改性树脂以3:20的质量比混合均匀，得到混合物A，水泥粉在使用前先浸泡在硅烷偶联剂中，使其表面富含含氧官能团；

步骤二：将碳布在丙酮中浸泡32h后取出，然后在乙醇中超声清洗40min，最后干燥，备用；其中碳布的编织密度为3K，编织结构为缎纹；

步骤三：将混合物A平铺于碳布表面，然后加入无水乙醇使混合物A完全溶解，然后烘干，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为23％；

步骤四：将步骤三中得到的预制体C于硫化机上进行热压固化，其中热压温度为165℃、热压时间为6min、热压压力为4MPa，即得到水泥粉含量为3wt％、腰果壳油改性酚醛树脂含量为20wt％的水泥粉增强碳布/树脂复合材料。

实施例4：

步骤一：通过球磨机将0.4g粒径为400～600nm的碳粉与2g硼改性树脂以1:5的质量比混合均匀，得到混合物A，然后将混合物A加入160ml无水乙醇中使其完全溶解，得溶液B，其中溶液B中碳粉的浓度为2.5g/L；碳粉在使用前先浸泡在硅烷偶联剂中，使其表面富含含氧官能团；

步骤二：将碳布在丙酮中浸泡20h后取出，然后在乙醇中超声清洗30min，最后干燥，备用；其中碳布的编织密度为1K，编织结构为单向布；

步骤三：采用砂芯漏斗抽滤装置，以碳布为滤纸，将溶液B缓慢倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布烘干称量。然后以烘干后的碳布为滤纸，将滤瓶中的滤液缓慢倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布继续烘干称量。如此反复直至足够的混合物A被添加到碳布中，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为24％；

步骤四：将步骤三中得到的预制体C于硫化机上进行热压固化，其中热压温度为155℃、热压时间为7min、热压压力为7MPa，即得到碳粉含量为4wt％、硼改性树脂含量为20wt％的碳粉增强碳布/树脂复合材料。

实施例5：

步骤一：通过混料机将1g粒径为600～800nm的耐火材料粉末与4g环氧树脂以1:4的质量比混合均匀，得到混合物A，然后将混合物A加入200ml无水乙醇中使其完全溶解，得溶液B，其中溶液B中耐火材料粉末的浓度为5g/L；耐火材料粉末在使用前先浸泡在硅烷偶联剂中，使其表面富含含氧官能团；

步骤二：将碳布在丙酮中浸泡40h后取出，然后在乙醇中超声清洗50min，最后干燥，备用；其中碳布的编织密度为12K，编织结构为斜纹；

步骤三：采用布氏漏斗抽滤装置，以碳布为滤纸，将溶液B缓慢倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布烘干称量。然后以烘干后的碳布为滤纸，将滤瓶中的滤液缓慢倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布继续烘干称量。如此反复直至足够的混合物A被添加到碳布中，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为25％；

步骤四：将步骤三中得到的预制体C于硫化机上进行热压固化，其中热压温度为175℃、热压时间为8min、热压压力为8MPa，即得到耐火材料粉末含量为5wt％、环氧树脂含量为20wt％的耐火材料粉末增强碳布/树脂复合材料。

实施例6

步骤一：通过混料机将2g粒径为800～1000nm的玻璃粉与5g腰果壳油改性酚醛树脂以1:2.5的质量比混合均匀，得到混合物A，然后将混合物A加入100ml无水乙醇中使其完全溶解，得溶液B，其中溶液B中玻璃粉的浓度为20g/L；玻璃粉在使用前先浸泡在硅烷偶联剂中，使其表面富含含氧官能团；

步骤二：将碳布在丙酮中浸泡12h后取出，然后在乙醇中超声清洗55min，最后干燥，备用；其中碳布的编织密度为6K，编织结构为平纹；

步骤三：采用布氏漏斗抽滤装置，以碳布为滤纸，将溶液B缓慢倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布烘干称量。然后以烘干后的碳布为滤纸，将滤瓶中的滤液缓慢倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布继续烘干称量。如此反复直至足够的混合物A被添加到碳布中，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为21％；

步骤四：将步骤三中得到的预制体C于硫化机上进行热压固化，其中热压温度为150℃、热压时间为15min、热压压力为3MPa，即得到玻璃粉含量为6wt％、腰果壳油改性酚醛树脂含量为20wt％的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料。

实施例7

步骤一：通过混料机将0.1g粒径为1～5μm的玻璃粉与1g腰果壳油改性酚醛树脂以1:10的质量比混合均匀，得到混合物A，然后将混合物A加入500ml无水乙醇中使其完全溶解，得溶液B，其中溶液B中玻璃粉的浓度为0.2g/L；玻璃粉在使用前用丙烯酸对齐进行表面处理，使其表面富含含氧官能团；

步骤二：将碳布在丙酮中浸泡16h后取出，然后在乙醇中超声清洗60min，最后干燥，备用；其中碳布的编织密度为3K，编织结构为平纹；

步骤三：采用砂芯漏斗抽滤装置，以碳布为滤纸，将溶液B缓慢倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布烘干称量。然后以烘干后的碳布为滤纸，将滤瓶中的滤液缓慢倒入漏斗中进行抽滤，待溶液被抽完后取出碳布继续烘干称量。如此反复直至足够的混合物A被添加到碳布中，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为20％；

步骤四：将步骤三中得到的预制体C于硫化机上进行热压固化，其中热压温度为180℃、热压时间为12min、热压压力为5.5MPa，即得到玻璃粉含量为1.82wt％、腰果壳油改性酚醛树脂含量为18.18wt％的玻璃粉增强碳布/树脂复合材料。

考虑到环保和变废为宝的理念，本专利中的无机粉末可以来源于工业和建筑废弃物，比如玻璃粉可以由废弃碎玻璃通过球磨获得，陶瓷粉可以来源于陶瓷抛光废料，水泥粉和耐火材料粉可以由建筑废弃物通过球磨获得。这些无机粉末在使用之前都要经过一定的表面处理(例如用硅烷偶联剂或者丙烯酸进行处理)，使其表面富含含氧官能团。

Claims (10)

1.一种无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将无机粉末与树脂以1:(2.5～20)的质量比混合均匀，得到混合物A，然后将混合物A加入无水乙醇中使其完全溶解，得溶液B，其中溶液B中无机粉末的浓度为0.2～20g/L；

步骤二：将碳布清洁干净后干燥，备用；

步骤三：将溶液B中的混合物A添加到经步骤二处理过的碳布中，得到预制体C，其中预制体C中所含的混合物A的质量分数为20～25％；

步骤四：对预制体C进行热压固化，其中热压温度为150～180℃、热压时间为5～15min、热压压力为3～8MPa，即得到无机粉末增强碳布/树脂复合材料。

2.根据权利要求1所述的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的无机粉末为玻璃粉、陶瓷粉、水泥粉、耐火材料粉末以及碳粉中的一种或几种任意比例的混合物。

3.根据权利要求1所述的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中无机粉末的粒径为100nm～10μm。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的无机粉末在使用前先经过表面处理，使其表面富含含氧官能团。

5.根据权利要求1所述的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的树脂为丁腈改性树脂、腰果壳油改性酚醛树脂、橡胶改性树脂、硼改性树脂或环氧树脂。

6.根据权利要求1所述的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中通过混料机、球磨机或人工搅拌的方式将无机粉末和树脂混合均匀。

7.根据权利要求1所述的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中对碳布进行清洁的具体步骤为：将碳布先在丙酮中浸泡12～40h，再在乙醇中超声清洗30～60min。

8.根据权利要求1所述的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中的碳布的编织密度为1K、3K、6K或12K，编织结构为平纹、斜纹、缎纹或单向布。

9.根据权利要求1所述的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中通过抽滤、浸渍、或溶解的方式将混合物A添加到碳布中；

其中抽滤的具体操作为：以碳布为滤纸，将溶液B倒入漏斗中进行抽滤，然后烘干，再重复抽滤、烘干，直至碳布中混合物A的含量达到要求；

浸渍的具体操作为：将碳布浸渍到溶液B中，然后烘干，再重复浸渍、烘干，直至碳布中混合物A的含量达到要求；

溶解的具体操作为：将混合物A平铺于碳布表面，然后加入无水乙醇使混合物A完全溶解，然后烘干。

10.根据权利要求9所述的无机粉末增强碳布/树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述抽滤采用砂芯漏斗抽滤装置或布氏漏斗抽滤装置进行。