CN111335045B - 一种自润滑织物复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自润滑织物复合材料及其制备方法，属于自润滑织物复合材料技术领域。本发明所用Nb2C‑MXenes具有类石墨烯结构的二维片层状结构，在摩擦过程中发生层间滑移，能够降低界面剪切强度、降低摩擦系数，且Nb2C‑MXenes硬度高、承载能力强，能够提高材料的载荷承载力，提高自润滑织物复合材料的耐磨性。聚四氟乙烯‑芳纶纤维混编的织物，在结构上具有高度有序性和紧密性，比单独的纤维具有更高的承载能力、耐磨性以及优异的比强度。本发明把Nb2C‑MXenes应用到自润滑织物复合材料中，能够改善其耐磨性，有效提高自润滑织物复合材料的摩擦学性能和使用寿命，为织物复合材料的设计提出指导思想。

Description

一种自润滑织物复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及自润滑织物复合材料技术领域，尤其涉及一种自润滑织物复合材料及其制备方法。
背景技术
织物增强复合材料因其易于制造、成本低以及优异的机械性能而广泛用于飞机、汽车、铁路装备、航空航天装备和国防工业。但是，差的耐磨性制约了其广泛应用。因此，提高织物复合材料的耐磨性是首要的工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自润滑织物复合材料及其制备方法，所述方法制备的自润滑织物复合材料具有优异的耐磨性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种自润滑织物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将酚醛树脂、乙酸乙酯和Nb2C-MXenes混合，进行分散，得到涂覆液；
将所述涂覆液涂覆于织物表面，将所得涂覆后织物进行固化成型，得到自润滑织物复合材料；
所述织物为聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物。
优选的，所述Nb2C-MXenes的粒径为50～100nm。
优选的，所述酚醛树脂、乙酸乙酯和Nb2C-MXenes的质量比为(20～30):(30～60):(0.2～0.4)。
优选的，所述分散在超声条件下进行，所述超声的功率为500W，所述分散的时间为25～35min。
优选的，所述织物的厚度为0.2～0.3mm，规格为40s/5×800D。
优选的，将所述涂覆液涂覆于织物表面的方式为多次重复涂覆，直至所述织物增重40～60％。
优选的，所述固化成型的压力为0.1～0.3MPa，温度为110～120℃，时间为8～10h；升温至所述固化成型的温度的升温速率为5～10℃/min。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的自润滑织物复合材料。
优选的，所述自润滑织物复合材料的摩擦系数为0.102～0.129，磨痕宽度≤331μm。
本发明提供了一种自润滑织物复合材料的制备方法，包括以下步骤：将酚醛树脂、乙酸乙酯和Nb2C-MXenes混合，进行分散，得到涂覆液；将所述涂覆液涂覆于织物表面，将所得涂覆后织物进行固化成型，得到自润滑织物复合材料；所述织物为聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物。Nb2C-MXenes具有类石墨烯结构的二维片层状结构，层状材料在摩擦过程中发生层间滑移，能够降低界面剪切强度、降低摩擦系数，且该结构的Nb2C-MXenes硬度高、承载能力强，能够提高材料的载荷承载力，提高自润滑织物复合材料的耐磨性。聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物，在结构上具有高度有序性和紧密性，比单独的纤维具有更高的承载能力、耐磨性以及优异的比强度。本发明把Nb2C-MXenes应用到自润滑织物复合材料中，能够改善其耐磨性，有效提高自润滑织物复合材料的摩擦学性能和使用寿命，为织物复合材料的设计提出指导思想。
附图说明
图1为本发明所用聚四氟乙烯-芳纶纤维混编织物的表面形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种自润滑织物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将酚醛树脂、乙酸乙酯和Nb2C-MXenes混合，进行分散，得到涂覆液；
将所述涂覆液涂覆于织物表面，将所得涂覆后织物进行固化成型，得到自润滑织物复合材料；
所述织物为聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将酚醛树脂、乙酸乙酯和Nb2C-MXenes混合，进行分散，得到涂覆液。在本发明中，所述乙酸乙酯优选来源于上海晖创化学仪器有限公司。在本发明中，所述酚醛树脂、乙酸乙酯和Nb2C-MXenes的质量比优选为(20～30):(30～60):(0.2～0.4)，更优选为(23～25):(40～50):(0.25～0.35)。本发明对所述混合的过程没有特殊的限定，选用本领域熟知的过程能够将原料混合均匀即可。本发明利用酚醛树脂作为粘结剂，利用乙酸乙酯作为溶剂，用于分散酚醛树脂和Nb2C-MXenes。
在本发明中，所述Nb2C-MXenes的粒径优选为50～100nm，更优选为60～80nm。在本发明中，所述Nb2C-MXenes优选为市售商品或者按照本领域熟知的方法制备而成，在本发明的实施例中，所述Nb2C-MXenes的制备方法优选包括以下步骤：将0.2～0.4g Nb2AlC粉加入到400～500mL氢氟酸中，在40～50℃恒温搅拌20～24h；反应结束后，将产物反复离心水洗，直至上清液pH接近中性，得到片层Nb2C悬浮液；使用液氮作为冷源，将所述片层Nb2C悬浮液冷冻，然后放入-40～-30℃的冷冻干燥机中干燥20～22h，得到Nb2C。在本发明中，所述Nb2AlC粉和氢氟酸均为本领域熟知的市售商品，所述Nb2AlC粉的粒径优选为25～35μm；所述氢氟酸的质量分数优选为99％。在上述反应过程中，Nb2AlC和氢氟酸反应生成AlF、H2和Nb2C，Al元素在反应过程中被刻蚀。
在本发明中，所述Nb2C-MXenes是由Nb2AlC刻蚀后得到的具有类石墨烯结构的二维片层纳米材料，在刻蚀过程中因溶液环境而表面连接了F-、OH-，从而使得Nb2C-MXenes与基体材料具有良好的界面结合性，良好的界面结合强度能更好的传递应力，提高复合材料的承载能力和摩擦学特性。
在本发明中，所述分散优选在超声条件下进行，所述超声的功率优选为500W，所述分散的时间优选为25～35min，更优选为30min。本发明通过超声条件下的分散得到混合均匀的涂覆液。
得到涂覆液后，本发明将所述涂覆液涂覆于织物表面，将所得涂覆后织物进行固化成型，得到自润滑织物复合材料。
在本发明中，所述织物为聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物；所述织物的厚度优选为0.2～0.3mm，更优选为0.25mm，规格优选为40s/5×800D。本发明对所述织物的来源没有特殊的限定，选用本领域熟知的满足上述规格的市售商品即可。本发明所用聚四氟乙烯-芳纶纤维混编织物的表面形貌图如图1所示，由图可知，所述织物在结构上具有高度有序性和紧密性，比单独的纤维具有更高的承载能力、耐磨性以及优异的比强度。
在本发明中，将所述涂覆液涂覆于织物表面的方式优选为多次重复涂覆，直至所述织物增重40～60％，更优选增重至45～55％，进一步优选增重至50％。在所述多次重复涂覆过程中，每完成一次涂覆，本发明优选将所涂覆的织物进行干燥20～30s，再进行下一次涂覆，直至达到目标增重；本发明对所述干燥的方式没有特殊的限定，具体可以为吹风机吹干。本发明对所述涂覆的方式没有特殊的限定，选用本领域熟知的方式即可，具体可以为刷涂。
完成所述涂覆后，本发明优选不进行任何处理，直接将所涂覆的织物进行固化成型。在本发明中，所述固化成型的压力优选为0.1～0.3MPa，更优选为0.15～0.25MPa，温度优选为110～120℃，更优选为115℃，时间优选为8～10h，更优选为8.5～9.5h；自室温升温至所述固化成型的温度的升温速率优选为5～10℃/min，更优选为6～8℃/min。本发明对所述固化成型的设备没有特殊的限定，选用本领域熟知的设备即可。
为了便于测试所述自润滑织物复合材料的性能，在本发明的实施例中，将所得涂覆后织物进行固化成型之前，本发明优选先使用环氧树脂将涂覆后的织物贴于金属铝表面，施加压力，自室温升温至固化成型的温度，将所得涂覆后织物进行固化成型。在所述固化成型过程中，环氧树脂发生固化，将织物与金属粘在一起。
在本发明中，完成所述固化成型后，无需进行后处理，即可得到自润滑织物复合材料。在所述自润滑织物复合材料中，涂覆液中的成分均匀分布于织物表面，即Nb2C-MXenes均匀分布于织物表面。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的自润滑织物复合材料。本发明制备的自润滑织物复合材料的摩擦系数为0.102～0.129；磨痕宽度≤331μm，具有优异的摩擦学性能，使用寿命长。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将0.2gNb2AlC粉(粒径为25～35μm)加入到500mL氢氟酸(质量分数为99％)中，在50℃恒温搅拌24h，反应结束后，将产物反复离心水洗，直至上清液pH接近中性，得到片层Nb2C悬浮液；使用液氮作为冷源，将所述片层Nb2C悬浮液冷冻，然后放入-30℃的冷冻干燥机中干燥22h，得到Nb2C-MXenes(粒径为50～100nm)。
将酚醛树脂、乙酸乙酯、Nb2C-MXenes按质量20g、60g、0.2g混合，进行超声(500W)分散25min，得到涂覆液；将所述涂覆液用刷子均匀涂覆于聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物(织物的厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D)表面，用吹风机干燥20s，多次重复涂覆使织物增重40％，将所得涂覆后织物用环氧树脂贴于金属铝表面，并施加0.3MPa的压力，以5℃/min的速度从室温升至110℃，固化8h后成型，得到自润滑织物复合材料。
实施例2
将0.4gNb2AlC粉(粒径为25～35μm)加入到400mL氢氟酸(质量分数为99％)中，在40℃恒温搅拌20h，反应结束后，将产物反复离心水洗，直至上清液pH接近中性，得到片层Nb2C悬浮液；使用液氮作为冷源，将所述片层Nb2C悬浮液冷冻，然后放入-35℃的冷冻干燥机中干燥21h，得到Nb2C-MXenes(粒径为50～100nm)。
将酚醛树脂、乙酸乙酯、Nb2C-MXenes按质量21g、55g、0.4g混合，进行超声(500W)分散35min，得到涂覆液；将所述涂覆液用刷子均匀涂覆于聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物(织物的厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D)表面，用吹风机干燥30s，多次重复涂覆使织物增重60％，将所得涂覆后织物用环氧树脂贴于金属铝表面，并施加0.3MPa的压力，以10℃/min的速度从室温升至120℃，固化10h后成型，得到自润滑织物复合材料。
实施例3
将0.2gNb2AlC粉(粒径为25～35μm)加入到450mL氢氟酸(质量分数为99％)中，在45℃恒温搅拌22h，反应结束后，将产物反复离心水洗，直至上清液pH接近中性，得到片层Nb2C悬浮液；使用液氮作为冷源，将所述片层Nb2C悬浮液冷冻，然后放入-40℃的冷冻干燥机中干燥20h，得到Nb2C-MXenes(粒径为50～100nm)。
将酚醛树脂、乙酸乙酯、Nb2C-MXenes按质量30g、45g、0.2g混合，进行超声(500W)分散30min，得到涂覆液；将所述涂覆液用刷子均匀涂覆于聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物(织物的厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D)表面，用吹风机干燥25s，多次重复涂覆使织物增重55％，将所得涂覆后织物用环氧树脂贴于金属铝表面，并施加0.2MPa的压力，以6℃/min的速度从室温升至115℃，固化8.5h后成型，得到自润滑织物复合材料。
实施例4
将0.4gNb2AlC粉(粒径为25～35μm)加入到480mL氢氟酸(质量分数为99％)中，在46℃恒温搅拌21h，反应结束后，将产物反复离心水洗，直至上清液pH接近中性，得到片层Nb2C悬浮液；使用液氮作为冷源，将所述片层Nb2C悬浮液冷冻，然后放入-37℃的冷冻干燥机中干燥22h，得到Nb2C-MXenes(粒径为50～100nm)。
将酚醛树脂、乙酸乙酯、Nb2C-MXenes按质量29g、39g、0.4g混合，进行超声(500W)分散28min，得到涂覆液；将所述涂覆液用刷子均匀涂覆于聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物(织物的厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D)表面，用吹风机干燥28s，多次重复涂覆使织物增重45％，将所得涂覆后织物用环氧树脂贴于金属铝表面，并施加0.25MPa的压力，以9℃/min的速度从室温升至117℃，固化9.5h后成型，得到自润滑织物复合材料。
实施例5
将0.21g Nb2AlC粉(粒径为25～35μm)加入到500mL氢氟酸(质量分数为99％)中，在48℃恒温搅拌23h，反应结束后，将产物反复离心水洗，直至上清液pH接近中性，得到片层Nb2C悬浮液；使用液氮作为冷源，将所述片层Nb2C悬浮液冷冻，然后放入-36℃的冷冻干燥机中干燥22h，得到Nb2C-MXenes(粒径为50～100nm)。
将酚醛树脂、乙酸乙酯、Nb2C-MXenes按质量25g、55g、0.21g混合，进行超声(500W)分散32min，得到涂覆液；将所述涂覆液用刷子均匀涂覆于聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物(织物的厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D)表面，用吹风机干燥30s，多次重复涂覆使织物增重52％，将所得涂覆后织物用环氧树脂贴于金属铝表面，并施加0.17MPa的压力，以7℃/min的速度从室温升至118℃，固化10h后成型，得到自润滑织物复合材料。
对比例1
将酚醛树脂20g和乙酸乙酯60g混合，在超声(功率为500W)条件下进行分散25min，得到涂覆液；将所述涂覆液用刷子均匀涂覆于聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物(织物的厚度为0.25mm，规格为40s/5×800D)表面，用吹风机干燥20s，多次重复涂覆使织物增重40％，将所得涂覆后织物用环氧树脂贴于金属铝表面，并施加0.3MPa的压力，以5℃/min的速度从室温升至110℃，固化8h后成型，得到自润滑织物复合材料。
性能测试
测试条件为：将实施例1～5和对比例1制备的自润滑织物复合材料与钢球对磨，试验加载力3N，转速5cm/s，运行时间0.5h，测定其摩擦系数和磨痕宽度，其中摩擦系数和磨痕宽度为3～5次测试的平均值，具体结果见表1。
表1实施例1～5和对比例1制备的织物复合材料的摩擦系数和磨痕宽度
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1
摩擦系数 0.102 0.129 0.119 0.121 0.113 0.194
磨痕宽度(μm) 221 331 269 294 244 958
由表1可知，对比例1未添加Nb2C-MXenes，制备的织物复合材料摩擦系数偏高，磨痕宽度较大，而本发明的实施例1～5添加Nb2C-MXenes后，复合材料的摩擦系数下降，磨痕宽度明显降低，说明本发明的Nb2C-MXenes改性织物复合材料在Nb2C-MXenes和织物的共同作用下具有优异的耐磨性，能够极大地提高自润滑织物复合材料的摩擦学性能和使用寿命。
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 (6)

1.一种自润滑织物复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将酚醛树脂、乙酸乙酯和Nb2C-MXenes混合，进行分散，得到涂覆液；
将所述涂覆液涂覆于织物表面，将所得涂覆后织物进行固化成型，得到自润滑织物复合材料；
所述织物为聚四氟乙烯-芳纶纤维混编的织物；
所述织物的厚度为0.2～0.3mm，规格为40s/5×800D；
所述酚醛树脂、乙酸乙酯和Nb2C-MXenes的质量比为(20～30):(30～60):(0.2～0.4)；
将所述涂覆液涂覆于织物表面的方式为多次重复涂覆，直至所述织物增重40～60％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Nb2C-MXenes的粒径为50～100nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散在超声条件下进行，所述超声的功率为500W，所述分散的时间为25～35min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固化成型的压力为0.1～0.3MPa，温度为110～120℃，时间为8～10h；升温至所述固化成型的温度的升温速率为5～10℃/min。
5.权利要求1～4任一项所述制备方法制备得到的自润滑织物复合材料。
6.根据权利要求5所述的自润滑织物复合材料，其特征在于，所述自润滑织物复合材料的摩擦系数为0.102～0.129，磨痕宽度≤331μm。
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