CN106007508A - 一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本专利提供了一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体及其制备方法。其组分质量百分比为：以无机高分子为基体，以石墨烯改性纤维网布，其中石墨烯含量占0.01%~10%，纤维网布含量占50%~80%，无机高分子含量占20%~50%。该制备方法制备包括制备石墨烯水溶液；预处理纤维网布；制备石墨烯纤维网布；最后经加热固化，最后冷却、脱模，即可制得一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体。本发明方法以石墨烯为增韧改性剂，以无机高分子为结合剂，获得一种新型磨盘基体材料可显著增加磨料与基体的界面结合强度，提高基体强度韧性、散热性及耐高温性，有效延长磨具磨盘的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯高分子材料领域，具体涉及一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体及其制备方法。
背景技术
磨削技术（包括研磨和抛光）是先进制造加工中实现精密与超精密加工最有效、最实用的加工方式。以砂轮、砂盘磨削技术为基础的精密加工和超精抛磨技术水平的提高，可以极大地促进汽车、航空航天和造船行业的快速发展。然而，磨具在加工过程中易产生局部高温、高压环境，传统磨盘使用的纤维树脂基体本身脆性较大，不耐高温，因此在高速磨削下暴露出与磨粒的结合强度不高、耐热性差、磨具损耗大、使用寿命短的问题，因此急需寻找一种新的机械性能更优异、使用寿命更长久的磨具材料。
石墨烯作为目前自然界中发现的最薄、强度最高、也是最强韧的材料，成为科学界新的研究热点。石墨烯是一种由碳原子构成的单层蜂窝状结构的纳米材料，具有很多独特的性质，如高电子迁移率、高导热系数、良好的弹性和刚度等，硬度超过钻石，同时又像橡胶一样可以伸展，断裂强度比钢材还要高200倍。因此考虑将石墨烯与传统纤维材料相结合，获得高导热性、高比模量和良好的高温断裂韧性的石墨烯改性纤维复合材料。
目前关于石墨烯纤维材料的报道已有不少。通常采用湿法纺丝法制备氧化石墨烯纤维[专利公布号：CN105256408A]，然后利用还原剂氢碘酸等还原为石墨烯纤维。然而这种方法制备过程繁琐，一般选用凝固浴，获得的石墨烯纤维缺陷较多，机械性能差，因此为了获得力学性能优良、制作简单且环境友好的石墨烯纤维，本专利提出采用浸渍涂敷法将传统纤维材料浸润在石墨烯溶液中，使石墨烯吸附包裹在纤维表面，制备成石墨烯复合纤维，既保留了原有无机、有机纤维优良的机械性能，又利用石墨烯提高纤维的散热性、耐高温性及韧性。该制备方法简便易行，适用于工业化生产。同时，加入无机高分子胶粘剂制备为无机高分子基纤维增强复合材料，并用于制造磨具、磨盘的基体材料，可进一步提高材料耐高温性和使用寿命，为无机高分子基复合材料的研究奠定良好的理论基础和实践基础。
一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体及其制备方法的技术难点：
（1）石墨烯在纤维表面的包裹、覆盖要均匀、充分，才能获得分散均匀的石墨烯纤维；（2）引入无机高分子胶粘剂，取代树脂基体制备纤维增强复合材料，选择合适的无机高分子及填料，调整组分、配方，提高复合材料耐高温性和使用寿命。
发明内容，
本发明的目的在于提供一种高强度、易散热、耐高温的石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体及其制备方法。该方法采用石墨烯浸渍涂敷法制备石墨烯改性纤维，并通过无机高分子胶粘剂固化反应进一步获得石墨烯纤维增强无机高分子基体材料，实现提高磨盘基体散热性、韧性和使用寿命的目的。
综上所述，为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案，
一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体，其组分质量百分比为：
石墨烯含量占0.01%~10%，纤维网布含量占50%~80%，无机高分子含量占20%~50%。
一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体的其制备方法，包括如下步骤：
步骤1、制备石墨烯水溶液：称量石墨烯加入去离子水中搅拌均匀，超声振荡1~10小时，配制成浓度为0.1g/l~10g/l的石墨烯溶液，备用；
步骤2、预处理纤维网布：将纤维网布放入丙酮溶液中浸渍0.1~1小时，再用无水乙醇、去离子水反复清洗干净，然后在50~80℃鼓风干燥6~24小时，备用；
步骤3、制备石墨烯纤维网布：将步骤2中的处理后纤维网布放入步骤1制备的石墨烯溶液中浸渍1~10小时，室温，持续磁力搅拌，使石墨烯充分包裹、吸附在纤维网布表面，形成一层均匀涂层，取出后，在50~80℃真空干燥6~48小时，获得石墨烯纤维网布；
步骤4、将步骤3中的石墨烯纤维网布用无机高分子胶粘剂浸渍，一层层叠放至所制的磨盘基体厚度为2~20mm；放置于层压机中，所加压力为1~50Mpa，加热温度为50~100℃，固化反应0.5~5小时，继续升温至100~120℃，保温时间0.5~5小时，升温至120~150℃，保温时间0.5~5小时，再升温至150~200℃，保温时间0.5~10小时，然而随炉缓慢冷却至室温；经固化处理后，脱模、修整、剪裁即可制得一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体。
进一步，所述步骤2中的纤维网布是玻璃纤维网布、碳纤维网布、聚酯纤维网布、聚酰胺纤维网布、粘胶纤维网布、棉纤维网布、聚乙烯醇纤维网布、聚丙烯腈纤维网布中的任一种。
进一步，所述步骤4中的无机高分子胶粘剂包括聚合铝硅酸盐、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铝、聚合氯化硫酸铁、聚磷氯化铁、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、硅溶胶、碱性激发剂中的一种或几种组合而成的无机聚合物材料。
有益效果：
本发明针对现有树脂基纤维网格磨盘的基体材料存在的不耐高温、高温断裂韧性差和使用寿命短的问题，将石墨烯强韧化技术和无机高分子胶粘技术应用于砂盘基体材料的制备技术中，获得机械性能、界面结合性能优良的石墨烯增韧无机高分子基复合材料。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）采用浸渍涂敷法在传统纤维网布表面吸附、包裹石墨烯颗粒，提高纤维网布的耐高温性、散热性和强度、韧性，能避免研磨、抛光过程产生高温影响磨具使用寿命，同时加入的石墨烯颗粒有高的比表面积及吸附性，能增强与磨料颗粒的界面结合力，达到石墨烯的二维多层结构与磨料颗粒的协同增韧效果。
（2）利用无机高分子胶粘剂作磨盘结合剂，取代传统树脂结合剂及陶瓷结合剂。无机高分子结合剂具有低成本、易成型、耐高温、强度高等优点，成型固化温度低，120℃左右即可成型。将其应用于网格砂盘基体材料，能有效提高石墨烯纤维基体的粘结性和高温抗氧化性，有利于使用寿命的进一步延长。
附图说明
图1是本发明的石墨烯纤维网布照片。
具体实施方案
下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述：
实施例 1：
步骤1、首先将石墨烯加入到去离子水中搅拌均匀，超声振荡1小时，配制成浓度为0.1g/l的石墨烯溶液，备用；
步骤2、将2cm×5cm大小的聚酯纤维网布放入丙酮溶液中浸渍0.1小时，再用无水乙醇、去离子水反复清洗干净，然后50℃鼓风干燥6小时，备用；
步骤3、将清洗后纤维网布放入上述石墨烯溶液中浸渍1小时，室温，持续磁力搅拌，使石墨烯充分包裹、吸附在纤维网布表面。取出后，在50℃真空干燥6小时，获得石墨烯纤维网布；
步骤4、将石墨烯纤维网布用无机高分子胶粘剂聚合铝硅酸钙浸渍或刷涂，取2层叠放至2mm，放置于层压机中，所加压力为1Mpa，加热温度为50℃，固化反应0.5小时，继续升温至80℃，保温时间0.5小时，再升温至100℃，保温时间0.5小时，继续升温至120℃，保温时间0.5小时，然而随炉缓慢冷却至室温。经固化处理后，脱模、修整、剪裁即可制得一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体。
经万能试验机测试结果表明，实施例1中的石墨烯磨盘基体与未添加石墨烯的磨盘基体相比，其拉伸强度由126 MPa增加到142MPa，断裂伸长率由13.1%增加到39.3%，说明石墨烯的加入可明显提高基体材料的强度和韧性。
实施例
2
：
步骤1、首先称量石墨烯加入去离子水中搅拌均匀，超声振荡5小时，配制成浓度为1g/L的石墨烯溶液，备用。；
步骤2、将2cm×5cm大小的聚酯纤维网布放入丙酮溶液中浸渍0.5小时，再用无水乙醇、去离子水反复清洗干净，然后60℃鼓风干燥12小时，备用；
步骤3、将清洗后纤维网布放入上述石墨烯溶液中浸渍5小时，室温，持续磁力搅拌，使石墨烯充分包裹、吸附在纤维网布表面。取出后，在60℃真空干燥12小时，获得石墨烯纤维网布；
步骤4、将石墨烯纤维网布在聚合硫酸铝和聚合硅酸铝钙的混合胶粘剂中提拉浸渍，取5层叠放至5mm左右，放置于层压机中，所加压力为5Mpa，加热温度为60℃，固化反应1小时，继续升温至80℃，保温1h，再加热至100℃，保温时间1小时，再升温至120℃，保温时间1小时，然而随炉缓慢冷却至室温。经固化处理后，脱模、修整、剪裁即可制得一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体。
实施例
3
：
步骤1、首先称量石墨烯加入去离子水中搅拌均匀，超声振荡5小时，配制成浓度为5g/l石墨烯溶液，备用；
步骤2、将2cm×5cm大小的聚酯纤维网布放入丙酮溶液中浸渍0.5小时，再用无水乙醇、去离子水反复清洗干净，然后70℃鼓风干燥18小时，备用；
步骤3、将清洗后纤维网布放入上述石墨烯溶液中浸渍5小时，室温，持续磁力搅拌，使石墨烯充分包裹、吸附在纤维网布表面。取出后，在70℃真空干燥24小时，获得石墨烯纤维网布；
步骤4、将石墨烯纤维网布用无机高分子胶粘剂聚合铝硅酸钙浸渍或刷涂，取10层叠放至1cm，放置于层压机中，所加压力为20Mpa，加热温度为80℃，固化反应2小时，继续升温至100℃，保温时间2小时，再升温至120℃，保温时间2小时，再升温至140℃，保温时间2小时，再升温至160℃，保温时间5小时，然而随炉缓慢冷却至室温。经固化处理后，脱模、修整、剪裁即可制得一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体。
实施例
4
：
步骤1、首先称量石墨烯加入去离子水中搅拌均匀，超声振荡10小时，配制成浓度为10g/l石墨烯溶液，备用；
步骤2、将2cm×5cm大小的聚酯纤维网布放入丙酮溶液中浸渍1小时，再用无水乙醇、去离子水反复清洗干净，然后80℃鼓风干燥24小时，备用；
步骤3、将清洗后纤维网布放入上述石墨烯溶液中浸渍10小时，室温，持续磁力搅拌，使石墨烯充分包裹、吸附在纤维网布表面。取出后，在80℃真空干燥48小时，获得石墨烯纤维网布；
步骤4、将石墨烯纤维网布用无机高分子胶粘剂聚合铝硅酸钙浸渍或刷涂，取20层叠放至20mm，放置于层压机中，所加压力为50Mpa，加热温度为100℃，固化反应5小时，继续升温至120℃，保温时间5小时，再升温至150℃，保温时间5小时，再升温至180℃，保温时间5小时，升温至200℃，保温时间10小时，然而随炉缓慢冷却至室温。经固化处理后，脱模、修整、剪裁即可制得一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体，其特征在于，其组分质量百分比为：石墨烯含量占0.01%~10%，纤维网布含量占50%~80%，无机高分子含量占20%~50%。
2.一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
步骤1、制备石墨烯水溶液：称量石墨烯加入去离子水中搅拌均匀，超声振荡1~10小时，配制成浓度为0.1g/l~10g/l的石墨烯溶液，备用；
步骤2、预处理纤维网布：将纤维网布放入丙酮溶液中浸渍0.1~1小时，再用无水乙醇、去离子水反复清洗干净，然后在50~80℃鼓风干燥6~24小时，备用；
步骤3、制备石墨烯纤维网布：将步骤2中的处理后纤维网布放入步骤1制备的石墨烯溶液中浸渍1~10小时，室温，持续磁力搅拌，使石墨烯充分包裹、吸附在纤维网布表面，形成一层均匀涂层，取出后，在50~80℃真空干燥6~48小时，获得石墨烯纤维网布；
步骤4、将步骤3中的石墨烯纤维网布用无机高分子胶粘剂浸渍，一层层叠放至所制的磨盘基体厚度为2~20mm；放置于层压机中，所加压力为1~50Mpa，加热温度为50~100℃，固化反应0.5~5小时，继续升温至100~120℃，保温时间0.5~5小时，升温至120~150℃，保温时间0.5~5小时，再升温至150~200℃，保温时间0.5~10小时，然而随炉缓慢冷却至室温；经固化处理后，脱模、修整、剪裁即可制得一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的纤维网布是玻璃纤维网布、碳纤维网布、聚酯纤维网布、聚酰胺纤维网布、粘胶纤维网布、棉纤维网布、聚乙烯醇纤维网布、聚丙烯腈纤维网布中的任一种。
4.根据权利要求2所述的一种石墨烯纤维增强无机高分子磨盘基体的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的无机高分子胶粘剂包括聚合铝硅酸盐、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铝、聚合氯化硫酸铁、聚磷氯化铁、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、硅溶胶、碱性激发剂中的一种或几种组合而成的无机聚合物材料。
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