CN111319322B - 一种高导热自润滑织物复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高导热自润滑织物复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。本发明提供的高导热自润滑织物复合材料的制备方法，包括如下步骤：将纳米银片、纳米金刚石和多巴胺水溶液混合，得到悬浊液；使用缓冲液将所述悬浊液调节至碱性，然后进行表面改性，得到功能填料；将所述功能填料与酚醛树脂、乙酸乙酯混合，得到织物涂覆液；将所述织物涂覆液涂覆在织物上，经干燥后，进行热压成型，得到高导热自润滑织物复合材料。本发明所提供的制备方法所得复合材料不仅具有优异的摩擦性能，同时还具有优异的导热性，其摩擦系数为0.138～0.158，磨痕宽度为285～462μm，导热系数为0.512～0.612W·m‑1·K‑1。

Description

一种高导热自润滑织物复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及织物复合材料技术领域，尤其涉及一种高导热自润滑织物复合材料及其制备方法。
背景技术
织物增强的聚合物基复合材料由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性优异和具有自润滑性等优点，而被制作成自润滑织物复合材料，广泛用于航空航天、汽车和国防工业中，如作为自润滑关节轴承衬垫使用。
现有技术通常通过在织物中添加功能材料(如陶瓷颗粒、纤维粉等)、化学改性以及优化织物的编织类型三种方法提高自润滑织物复合材料的摩擦性能。但是现有技术中的自润滑织物复合材料的导热性能普遍较差，在摩擦过程中，产生的热量无法快速释放，会加剧磨损。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高导热自润滑织物复合材料及其制备方法，本发明所提供的高导热自润滑织物复合材料具有相对较高的导热性，能够降低磨损。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高导热自润滑织物复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将纳米银片、纳米金刚石和多巴胺水溶液混合，得到悬浊液；所述纳米银片和纳米金刚石的质量比为1～3:1～3；
使用缓冲液将所述悬浊液调节至碱性，然后进行表面改性，得到功能填料；
将所述功能填料与酚醛树脂、乙酸乙酯混合，得到织物涂覆液；所述酚醛树脂与功能填料中的纳米金刚石的质量比为20～40:0.1～0.3；
将所述织物涂覆液涂覆在织物上，经干燥后，进行热压成型，得到高导热自润滑织物复合材料。
优选地，所述表面改性在室温进行，所述表面改性的时间为3～5h。
优选地，所述多巴胺水溶液的浓度为1.5～2.5g/L。
优选地，所述缓冲液为浓度为1.0～1.2g/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液。
优选地，所述碱性的程度以所述悬浊液的pH值为8～10为准。
优选地，所述热压成型的温度为110～120℃，压力为0.1～0.3MPa，保温保压的时间为8～10h。
优选地，从室温升温至所述热压成型所需温度的升温速率为5～10℃/min。
优选地，所述涂覆液的涂覆量以涂覆后的织物的干重增重量计为40～60％。
优选地，所述纳米银片的片径为1～3μm，厚度为80～100nm；所述纳米金刚石的粒径为80～100nm。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的高导热自润滑织物复合材料，包括织物、功能填料和固化的酚醛树脂；所述功能填料和固化的酚醛树脂粘附在织物表面；所述功能填料为多巴胺改性的纳米银片和纳米金刚石；所述纳米银片和纳米金刚石的质量比为1～3:1～3，所述固化的酚醛树脂固化前与功能填料中的纳米金刚石的质量比为20～40:0.1～0.3。
本发明提供的高导热自润滑织物复合材料的制备方法，包括如下步骤：将纳米银片、纳米金刚石和多巴胺水溶液混合，得到悬浊液；所述纳米银片和纳米金刚石的质量比为1～3:1～3；使用缓冲液将所述悬浊液调节至碱性，然后进行表面改性，得到功能填料；将所述功能填料与酚醛树脂、乙酸乙酯混合，得到织物涂覆液；所述酚醛树脂与功能填料中的纳米金刚石的质量比为20～40:0.1～0.3；将所述织物涂覆液涂覆在织物上，经干燥后，进行热压成型，得到高导热自润滑织物复合材料。本发明使用多巴胺对纳米银片和纳米金刚石进行表面改性，以提高纳米银片和纳米金刚石与基体织物的界面结合强度；然后将功能填料与酚醛树脂和乙酸乙酯混合后涂覆在织物上，再经热压成型将纳米银片和纳米金刚石固定在织物上；纳米银片作为一种金属填料，导热系数高，并且化学性质稳定不容易氧化，与此同时，纳米银片还具有降低摩擦系数的作用，而纳米金刚石具有优异的导热性能，同时具有较高的耐磨性，两者共同作用既能够提高织物的耐磨性又能够降低摩擦系数；且纳米银片为片层结构，纳米金刚石为颗粒结构，两者结合，更有利于提高导热性；两者结合使用时，所得复合材料的摩擦系数和导热性能均优于单独使用时的性能，说明两者具有协同作用。本发明所提供的制备方法所得复合材料不仅具有优异的摩擦性能，同时还具有优异的导热性，其摩擦系数为0.138～0.158，磨痕宽度为285～462μm，导热系数为0.512～0.612W·m-1·K-1。
附图说明
图1为聚四氟乙烯/芳纶混编物的表面形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种高导热自润滑织物复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将纳米银片、纳米金刚石和多巴胺水溶液混合，得到悬浊液；所述纳米银片和纳米金刚石的质量比为1～3:1～3；
使用缓冲液将所述悬浊液调节至碱性，然后进行表面改性，得到功能填料；
将所述功能填料与酚醛树脂、乙酸乙酯混合，得到织物涂覆液；所述酚醛树脂与功能填料中的纳米金刚石的质量比为20～40:0.1～0.3；
将所述织物涂覆液涂覆在织物上，经干燥后，进行热压成型，得到高导热自润滑织物复合材料。
本发明将纳米银片、纳米金刚石和多巴胺水溶液混合，得到悬浊液。
在本发明中，所述多巴胺水溶液的浓度优选为1.5～2.5g/L，更优选为1.5～2.2g/L。
在本发明中，所述纳米银片的片径优选为1～3μm，厚度优选为80～100nm。
在本发明中，所述纳米金刚石的粒径优选为80～100nm。
在本发明中，所述纳米银片和纳米金刚石的质量比为1～3:1～3，优选为1:1或2:3。
在本发明中，所述纳米银片和纳米金刚石的总质量与多巴胺水溶液的体积比优选为0.2～0.6g:1～2L，具体可优选为0.2g:1L、0.5g:1L、0.6g:1.2L或0.6g:2L。
得到悬浊液后，本发明使用缓冲液将所述悬浊液调节至碱性，然后进行表面改性，得到功能填料。
在本发明中，所述缓冲液优选为浓度为1.0～1.2g/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液。
在本发明中，所述碱性的程度优选以所述悬浊液的pH值为8～10为准，更优选为pH值为8～9。在本发明中，上述pH值的范围有利于后续步骤中多巴胺更好的对纳米银片和纳米金刚石的改性。
在本发明中，所述表面改性优选在室温(即不需要额外的加热或冷却)进行，所述表面改性的时间优选为3～5h，所述表面改性过程优选维持搅拌。本发明对所述搅拌的转速没有特殊限定，能够维持体系混合均匀即可。在本发明中，所述表面改性过程中多巴胺聚合得到聚多巴胺沉积在纳米银片和纳米金刚石的表面，有利于提高纳米银片和纳米金刚石与基体织物的界面结合强度，且该改性方法简单、方便，无污染产生，具有成本低的优势。
表面改性完成后，本发明优选将所述表面改性所得反应液进行过滤，将过滤所得固体水洗后干燥，得到功能填料。
本发明对所述干燥没有特殊限定，能够得到恒重的产品即可，在本发明实施例中，所述干燥的温度优选为90～100℃，时间优选为3～5h。本发明对所述干燥的方式没有特殊限定，可以为真空干燥，也可以为烘箱干燥。
得到功能填料后，本发明将所述功能填料与酚醛树脂、乙酸乙酯混合，得到织物涂覆液。
本发明对所述酚醛树脂的种类没有特殊限定，采用市售的酚醛树脂均可，在本发明实施例中，所述酚醛树脂优选为优选为上海新光化工有限公司生产的铁锚牌204胶。在本发明中，所述酚醛树脂作为固定纳米银片和纳米金刚石的胶黏剂使用，经后续的热压成型过程中，将纳米银片和纳米金刚石固定在织物上。
在本发明中，所述酚醛树脂与功能填料中的纳米金刚石的质量比优选为20～40:0.1～0.3，更优选为20～40:0.3。
在本发明中，所述酚醛树脂与乙酸乙酯的质量比优选为20～40:40～60，更优选为20～40:40～50。在本发明中，所述乙酸乙酯作为溶剂，分散酚醛树脂和功能填料，易于干燥。
本发明对所述功能填料与酚醛树脂、乙酸乙酯混合的方式没有特殊限定，能够得到均匀的织物涂覆液即可，在本发明实施例中，所述混合的方式优选为超声分散，所述超声分散的功率优选为500W，时间优选为25～35min。
得到织物涂覆液后，本发明将所述织物涂覆液涂覆在织物上，经干燥后，进行热压成型，得到高导热自润滑织物复合材料。
本发明对所述织物没有特殊限定，任意用于制备自润滑织物复合材料的织物均可。在本发明实施例中，所述织物的厚度优选为0.25mm，规格优选为40s/5×800D，材质优选为聚四氟乙烯和芳纶的混编物。本发明对所述织物的编织方式没有特殊限定，任意编织方式均可，如图1所示为本实施例中所用织物的编织方式，即平纹编织。
在本发明中，所述涂覆液的涂覆量以涂覆后的织物的干重增重量计优选为40～60％，更优选为40～55％。在本发明中，当所述涂覆不能一次达到上述增重量时，优选重复涂覆-干燥的步骤，直至达到上述增重量。本发明对所述干燥的方式没有特殊限定，能够得到恒重的产品即可，在本发明实施例中，所述干燥优选为吹风机干燥，时间优选为20～30s。
在本发明中，所述热压成型的温度优选为110～120℃，更优选为110～115℃，压力优选为1～3MPa，保温保压的时间优选为8～10h，更优选为8h；从室温升温至所述热压成型所需温度的升温速率优选为5～10℃/min，更优选为5～9℃/min。在本发明中，所述热压成型过程中酚醛树脂固化，从而将纳米银片和纳米金刚石固定在织物上。
在本发明中，为了直接得到自润滑结构件(如自润滑关节轴承)，优选将涂覆织物涂覆液的织物干燥后，粘附在自润滑结构件基体上，直接在自润滑结构件基体上进行热压成型；所述自润滑结构件基体的材质优选为金属材质；所述粘附所用胶黏剂优选为环氧树脂，本发明对所述环氧树脂的来源没有特殊限定，任意市售产品即可，在本发明实施例中，所述环氧树脂优选为江西赛恒实业有限公司公司型号为E51的环氧树脂。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的高导热自润滑织物复合材料，包括织物、功能填料和固化的酚醛树脂；所述功能填料和固化的酚醛树脂粘附在织物表面；所述功能填料为多巴胺改性的纳米银片和纳米金刚石；所述纳米银片和纳米金刚石的质量比为1～3:1～3，所述固化的酚醛树脂固化前与功能填料中的纳米金刚石的质量比为20～40:0.1～0.3。
下面结合实施例对本发明提供的一种高导热自润滑织物复合材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
本发明实施例中的酚醛树脂均为上海新光化工有限公司生产的铁锚牌204胶；所用环氧树脂均为江西赛恒实业有限公司公司型号为E51的环氧树脂。
实施例1
将0.1g纳米银片(片径为1～3μm，厚度为80～100nm)和0.1g纳米金刚石(粒径为80～100nm)与1000mL浓度为1.5g/L的多巴胺水溶液混合，得到悬浮液；使用浓度为1.0g/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液将所述悬浮液的pH值调节至8，在室温下搅拌3h，然后抽滤，将所得固体进行水洗后，在90℃的烘箱中干燥3h，得到功能材料；
将所述功能材料与20g酚醛树脂、40g乙酸乙酯混合，在500W的功率下超声分散30min，得到织物涂覆液；
将所述织物涂覆液涂覆在织物(厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D，材质为聚四氟乙烯和芳纶的混编物，平纹编织)上，然后吹风机干燥20s，重复上述涂覆-干燥的步骤，直至织物的干重增重量达到40％，得到负载功能填料的织物；使用环氧树脂将所述负载功能填料的织物粘附在金属铝基体表面，并施加0.1MPa的压力，以5℃/min的速度从室温升温至110℃保温保压8h，得到高导热自润滑织物复合材料。
实施例2
将0.3g纳米银片(片径为1～3μm，厚度为80～100nm)和0.3g纳米金刚石(粒径为80～100nm)与2000mL浓度为2.5g/L的多巴胺水溶液混合，得到悬浮液；使用浓度为1.2g/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液将所述悬浮液的pH值调节至10，在室温下搅拌5h，然后抽滤，将所得固体进行水洗后，在100℃的烘箱中干燥5h，得到功能材料；
将所述功能材料与22g酚醛树脂、60g乙酸乙酯混合，在500W的功率下超声分散35min，得到织物涂覆液；
将所述织物涂覆液涂覆在织物(厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D，材质为聚四氟乙烯和芳纶的混编物，平纹编织)上，然后吹风机干燥30s，重复上述涂覆-干燥的步骤，直至织物的干重增重量达到60％，得到负载功能填料的织物；使用环氧树脂将所述负载功能填料的织物粘附在金属铝基体表面，并施加0.3MPa的压力，以10℃/min的速度从室温升温至120℃保温保压10h，得到高导热自润滑织物复合材料。
实施例3
将0.2g纳米银片(片径为1～3μm，厚度为80～100nm)和0.3g纳米金刚石(粒径为80～100nm)与1500mL浓度为2g/L的多巴胺水溶液混合，得到悬浮液；使用浓度为1.1g/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液将所述悬浮液的pH值调节至9，在室温下搅拌4h，然后抽滤，将所得固体进行水洗后，在95℃的烘箱中干燥4h，得到功能材料；
将所述功能材料与40g酚醛树脂、50g乙酸乙酯混合，在500W的功率下超声分散25min，得到织物涂覆液；
将所述织物涂覆液涂覆在织物(厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D，材质为聚四氟乙烯和芳纶的混编物，平纹编织)上，然后吹风机干燥25s，重复上述涂覆-干燥的步骤，直至织物的干重增重量达到50％，得到负载功能填料的织物；使用环氧树脂将所述负载功能填料的织物粘附在金属铝基体表面，并施加0.2MPa的压力，以7℃/min的速度从室温升温至115℃保温保压9h，得到高导热自润滑织物复合材料。
实施例4
将0.3g纳米银片(片径为1～3μm，厚度为80～100nm)和0.3g纳米金刚石(粒径为80～100nm)与1200mL浓度为2.2g/L的多巴胺水溶液混合，得到悬浮液；使用浓度为1.2g/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液将所述悬浮液的pH值调节至9，在室温下搅拌3.5h，然后抽滤，将所得固体进行水洗后，在98℃的烘箱中干燥3h，得到功能材料；
将所述功能材料与30g酚醛树脂、60g乙酸乙酯混合，在500W的功率下超声分散28min，得到织物涂覆液；
将所述织物涂覆液涂覆在织物(厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D，材质为聚四氟乙烯和芳纶的混编物，平纹编织)上，然后吹风机干燥29s，重复上述涂覆-干燥的步骤，直至织物的干重增重量达到55％，得到负载功能填料的织物；使用环氧树脂将所述负载功能填料的织物粘附在金属铝基体表面，并施加0.2MPa的压力，以9℃/min的速度从室温升温至115℃保温保压8h，得到高导热自润滑织物复合材料。
对比例1
将30g酚醛树脂和60g乙酸乙酯混合，在500W的功率下超声分散28min，得到织物涂覆液；
将所述织物涂覆液涂覆在织物(厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D，材质为聚四氟乙烯和芳纶的混编物，平纹编织)上，然后吹风机干燥29s，重复上述涂覆-干燥的步骤，直至织物的干重增重量达到55％，得到负载功能填料的织物；使用环氧树脂将所述负载功能填料的织物粘附在金属铝基体表面，并施加0.2MPa的压力，以9℃/min的速度从室温升温至115℃保温保压8h，得到自润滑织物复合材料。
对比例2
将0.6g纳米银片(片径为1～3μm，厚度为80～100nm)与1200mL浓度为2.2g/L的多巴胺水溶液混合，得到悬浮液；使用浓度为1.2g/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液将所述悬浮液的pH值调节至9，在室温下搅拌3.5h，然后抽滤，将所得固体进行水洗后，在98℃的烘箱中干燥3h，得到功能材料；
将所述功能材料与30g酚醛树脂、60g乙酸乙酯混合，在500W的功率下超声分散28min，得到织物涂覆液；
将所述织物涂覆液涂覆在织物(厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D，材质为聚四氟乙烯和芳纶的混编物，平纹编织)上，然后吹风机干燥29s，重复上述涂覆-干燥的步骤，直至织物的干重增重量达到55％，得到负载功能填料的织物；使用环氧树脂将所述负载功能填料的织物粘附在金属铝基体表面，并施加0.2MPa的压力，以9℃/min的速度从室温升温至115℃保温保压8h，得到自润滑织物复合材料。
对比例3
将0.6g纳米金刚石(粒径为80～100nm)与1200mL浓度为2.2g/L的多巴胺水溶液混合，得到悬浮液；使用浓度为1.2g/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液将所述悬浮液的pH值调节至9，在室温下搅拌3.5h，然后抽滤，将所得固体进行水洗后，在98℃的烘箱中干燥3h，得到功能材料；
将所述功能材料与30g酚醛树脂、60g乙酸乙酯混合，在500W的功率下超声分散28min，得到织物涂覆液；
将所述织物涂覆液涂覆在织物(厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D，材质为聚四氟乙烯和芳纶的混编物，平纹编织)上，然后吹风机干燥29s，重复上述涂覆-干燥的步骤，直至织物的干重增重量达到55％，得到负载功能填料的织物；使用环氧树脂将所述负载功能填料的织物粘附在金属铝基体表面，并施加0.2MPa的压力，以9℃/min的速度从室温升温至115℃保温保压8h，得到自润滑织物复合材料。
测试实施例1～4和对比例1～3所得复合材料的摩擦性能，具体为：将复合材料与钢球对磨，试验加载力为3N，转速为5cm/s，运行时间为0.5h，测试摩擦系数和磨痕宽度，每个样品测试3～5次，取平均值。结果如表1所示。此外，测试复合材料的导热系数，结果如表1所示。由表1可知，实施例1～4所得复合材料的摩擦系数低于对比例1～3，磨痕宽度远小于对比例1～3，且导热系数均高于对比例1～3，说明本发明所提供的方法所得自润滑织物复合材料不仅具有优异的润滑性，同时还具有较高的导热系数。此外，根据实施例4和对比例1～3的记载可知，使用纳米银片和纳米金刚石复合得到的功能填料的摩擦性能和导热性能均优于单独使用等量的纳米银片或纳米金刚石作为功能填料，说明具有纳米银片和纳米金刚石协同作用。
表1实施例1～4和对比例1～3所得复合材料的摩擦性能和导热性能
Figure BDA0002412590440000091
Figure BDA0002412590440000101
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高导热自润滑织物复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将纳米银片、纳米金刚石和多巴胺水溶液混合，得到悬浊液；所述纳米银片和纳米金刚石的质量比为1～3:1～3；所述纳米银片的片径为1～3μm，厚度为80～100nm；所述纳米金刚石的粒径为80～100nm；
使用缓冲液将所述悬浊液调节至碱性，然后进行表面改性，得到功能填料；
将所述功能填料与酚醛树脂、乙酸乙酯混合，得到织物涂覆液；所述酚醛树脂与功能填料中的纳米金刚石的质量比为20～40:0.1～0.3；
将所述织物涂覆液涂覆在织物上，经干燥后，进行热压成型，得到高导热自润滑织物复合材料；所述织物为聚四氟乙烯和芳纶的混编物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面改性在室温进行，所述表面改性的时间为3～5h。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述多巴胺水溶液的浓度为1.5～2.5g/L。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲液为浓度为1.0～1.2g/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱性的程度以所述悬浊液的pH值为8～10为准。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压成型的温度为110～120℃，压力为0.1～0.3MPa，保温保压的时间为8～10h。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，从室温升温至所述热压成型所需温度的升温速率为5～10℃/min。
8.根据权利要求1和6～7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述涂覆液的涂覆量以涂覆后的织物的干重增重量计为40～60％。
9.权利要求1～8任一项所述的制备方法得到的高导热自润滑织物复合材料，包括织物、功能填料和固化的酚醛树脂；所述功能填料和固化的酚醛树脂粘附在织物表面；所述功能填料为多巴胺改性的纳米银片和纳米金刚石；所述纳米银片和纳米金刚石的质量比为1～3:1～3，所述固化的酚醛树脂固化前与功能填料中的纳米金刚石的质量比为20～40:0.1～0.3。
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