CN111364256A - 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。本发明所用单壁碳纳米管具有高的热导率，能够缓解摩擦热的产生，降低复合材料的磨损率，延长复合材料的使用寿命；本发明利用多巴胺对单壁碳纳米管进行改性，还能够提高界面粘结能力，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，进而提高其耐磨性以及寿命。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。本发明把碳纳米管引入织物复合材料，能够有效提高自润滑织物复合材料的摩擦学性能和使用寿命。

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
自润滑织物复合材料是混合织物复合材料的一种类型，广泛应用于工程机械、铁路装备、航空航天装备和其他军用设备。自润滑织物复合材料具有结构简单、体积小、适用载荷范围大和无需添加润滑剂等特点。但是，自润滑织物复合材料的摩擦学特性仍然是当前限制其应用的重点，其在摩擦过程中，产生大量摩擦热，加剧界面磨损，严重影响其使用寿命。
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摩擦学性能。
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：
将单壁碳纳米管、多巴胺水溶液和缓冲液混合，进行改性，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管；
将酚醛树脂、乙酸乙酯和多巴胺改性的单壁碳纳米管混合，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，所述单壁碳纳米管的直径为1～2nm，长度为5～30μm。
优选的，所述多巴胺水溶液的浓度为1.5～2.5g/L；所述单壁碳纳米管与多巴胺水溶液的用量比为0.1～0.3g:1～2L。
优选的，所述缓冲液为Tris缓冲液；所述缓冲液的浓度为1.0～1.2g/L；所述改性的pH值为8～10；所述改性的温度为室温，时间为3～5h。
优选的，所述酚醛树脂、乙酸乙酯和多巴胺改性的单壁碳纳米管的质量比为(10～20):(20～40):(0.1～0.3)。
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。
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：将单壁碳纳米管、多巴胺水溶液和缓冲液混合，进行改性，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管；将酚醛树脂、乙酸乙酯和多巴胺改性的单壁碳纳米管混合，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。
本发明所用单壁碳纳米管具有高的热导率，能够缓解摩擦热的产生，降低复合材料的磨损率，延长复合材料的使用寿命；本发明利用多巴胺对单壁碳纳米管进行改性，还能够提高界面粘结能力，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，进而提高其耐磨性以及寿命。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。本发明把碳纳米管引入织物复合材料，能够有效提高自润滑织物复合材料的摩擦学性能和使用寿命。
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：
将单壁碳纳米管、多巴胺水溶液和缓冲液混合，进行改性，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管；
将酚醛树脂、乙酸乙酯和多巴胺改性的单壁碳纳米管混合，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。
本发明将单壁碳纳米管、多巴胺水溶液和缓冲液混合，进行改性，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管。在本发明中，所述单壁碳纳米管的直径优选为1～2nm，长度优选为5～30μm，更优选为10～20μm；所述单壁碳纳米管优选来源于南京先丰纳米科技有限公司。本发明所用单壁碳纳米管具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口的一维量子材料)，可作为“滚动轴承”用于摩擦副之间，能够有效减小摩擦系数，降低磨损量。此外，单壁碳纳米管的层与层之间发生相对滑动，具有自润滑作用，能够进一步提高摩擦性能。本发明所用单壁碳纳米管能够极大地降低自润滑织物复合材料的摩擦系数以及磨损率，使其具有更长的使用寿命。
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2.0g/L；所述单壁碳纳米管与多巴胺水溶液的用量比优选为0.1～0.3g:1～2L。在本发明中，所述多巴胺水溶液中所用盐酸多巴胺优选来源于萨恩化学技术(上海)有限公司。
在本发明中，所述缓冲液优选为Tris缓冲液；所述缓冲液的浓度优选为1.0～1.2g/L；在本发明中，所述缓冲液(三羟甲基氨基甲烷，Tris)优选来源于萨恩化学技术(上海)有限公司。本发明通过缓冲液调整改性时的pH值。
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即可。在本发明中，所述改性的pH值优选为8～10，更优选为8.5～9.5，进一步优选为9.0；所述改性的温度优选为室温，时间优选为3～5h，更优选为3.5～4.5h。本发明优选在搅拌条件下进行所述改性，本发明对所述搅拌的过程没有特殊的限定，选用本领域熟知的搅拌过程即可。
完成所述改性后，本发明优选将所得物料依次经抽滤、洗涤，然后在90～100℃烘箱中干燥3～5h，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管。本发明利用多巴胺在单壁碳纳米管表面进行包覆，使得单壁碳纳米管表面产生大量羟基或者氨基，从而提高单壁碳纳米管与织物的结合强度。
得到多巴胺改性的单壁碳纳米管后，本发明将酚醛树脂、乙酸乙酯和多巴胺改性的单壁碳纳米管混合，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、乙酸乙酯和多巴胺改性的单壁碳纳米管的质量比优选为(10～20):(20～40):(0.1～0.3)，更优选为(15～16):(25～35):(0.15～0.25)。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多巴胺改性的单壁碳纳米管。
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0.23～0.25mm，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，自升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，即单壁碳纳米管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0.128～0.142；磨痕宽度≤461μm，具有优异的摩擦学性能且使用寿命长。
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0.1g单壁碳纳米管(直径为1～2nm，长度为5～30μm)加入到1000mL浓度为1.5g/L的多巴胺水溶液中，并加入Tris缓冲液(浓度为1.0g/L)调节pH值至8，在室温下搅拌3h，进行改性，将所得物料依次经抽滤、洗涤，然后在90℃烘箱中干燥3h，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管。
将酚醛树脂、乙酸乙酯、多巴胺改性的单壁碳纳米管按质量10g、20g、0.1g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0.1MPa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0.3g单壁碳纳米管(直径为1～2nm，长度为5～30μm)加入到2000mL浓度为2.5g/L的多巴胺水溶液中，并加入Tris缓冲液(浓度为1.2g/L)调节pH值至10，在室温下搅拌5h，进行改性，将所得物料依次经抽滤、洗涤，然后在100℃烘箱中干燥5h，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管。
将酚醛树脂、乙酸乙酯、多巴胺改性的单壁碳纳米管按质量20g、40g、0.3g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0.2g单壁碳纳米管(直径为1～2nm，长度为5～30μm)加入到1500mL浓度为2g/L的多巴胺水溶液中，并加入Tris缓冲液(浓度为1.1g/L)调节pH值至9，在室温下搅拌4h，进行改性，将所得物料依次经抽滤、洗涤，然后在95℃烘箱中干燥4h，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管。
将酚醛树脂、乙酸乙酯、多巴胺改性的单壁碳纳米管按质量15g、30g、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50％，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7℃/min的速度从室温升至115℃，固化9h后成型，得到自润滑织物复合材料。
实施例4
将0.1g单壁碳纳米管(直径为1～2nm，长度为5～30μm)加入到2000mL浓度为2.5g/L的多巴胺水溶液中，并加入Tris缓冲液(浓度为1.0g/L)调节pH值至9，在室温下搅拌4h，进行改性，将所得物料依次经抽滤、洗涤，然后在98℃烘箱中干燥3.5h，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管。
将酚醛树脂、乙酸乙酯、多巴胺改性的单壁碳纳米管按质量17g、24g、0.1g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24s，多次重复涂覆使织物增重46％，将所得涂覆后织物用环氧树脂贴于金属铝表面，并施加0.1MPa的压力，以9℃/min的速度从室温升至118℃，固化8.5h后成型，得到自润滑织物复合材料。
实施例5
将0.3g单壁碳纳米管(直径为1～2nm，长度为5～30μm)加入到1500mL浓度为2.5g/L的多巴胺水溶液中，并加入Tris缓冲液(浓度为1.2g/L)调节pH值至10，在室温下搅拌4.5h，进行改性，将所得物料依次经抽滤、洗涤，然后在94℃烘箱中干燥3h，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管。
将酚醛树脂、乙酸乙酯、多巴胺改性的单壁碳纳米管按质量11g、40g、0.3g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30s，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114℃，固化9.5h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40g混合，在超声(功率为500W)条件下进行分散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。
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 0.140 0.128 0.130 0.140 0.135 0.194
磨痕宽度(μm) 420 265 310 420 370 958
由表1可知，对比例1未添加单壁碳纳米管，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添加单壁碳纳米管后，复合材料的摩擦系数下降，磨痕宽度明显降低，说明本发明的单壁碳纳米管改性织物复合材料在单壁碳纳米管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 (10)

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：
将单壁碳纳米管、多巴胺水溶液和缓冲液混合，进行改性，得到多巴胺改性的单壁碳纳米管；
将酚醛树脂、乙酸乙酯和多巴胺改性的单壁碳纳米管混合，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。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单壁碳纳米管的直径为1～2nm，长度为5～30μm。
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；所述单壁碳纳米管与多巴胺水溶液的用量比为0.1～0.3g:1～2L。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲液为Tris缓冲液；所述缓冲液的浓度为1.0～1.2g/L；所述改性的pH值为8～10；所述改性的温度为室温，时间为3～5h。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述酚醛树脂、乙酸乙酯和多巴胺改性的单壁碳纳米管的质量比为(10～20):(20～40):(0.1～0.3)。
6.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。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述织物的厚度为0.2～0.3mm，规格为40s/5×800D。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，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％。
9.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。
10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的自润滑织物复合材料。
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