CN111534095A - 一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料及其制备方法和应用，属于先进复合材料科学技术领域。本发明公开的制备方法，首先利用水热法在MXene表面原位生长ZnS量子点而得到的ZnS量子点/MXene复合粒子，然后将ZnS量子点/MXene复合粒子引入到聚合物基体中，制备出ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料。该制备方法提供了一种简单、高效的复合工艺方法，实现将ZnS量子点、MXene和聚合物三种组分均匀稳定复合，具有工艺简单、普适性强、便于放大生产的特点，能够很好的应用于工业化领域中。经该制备方法制得的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料具有摩擦系数低、耐磨性好且摩擦系数稳定的优点，在先进复合材料科学技术领域具有重要的应用和推广。

Description

一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料及其 制备方法和应用
技术领域
本发明属于先进复合材料科学技术领域，涉及一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
聚合物基复合材料因其质量轻、性能好、易加工等特点正逐渐取代金属材料成为最具发展潜力的复合材料。现今飞速发展的制造业对其性能的要求越来越高，其中在摩擦领域中，聚合物基体本身存在着摩擦系数大、耐磨性差的问题，从而极大地限制了应用范围。通常采用引进各种填料或增强体来改善聚合物基复合材料摩擦学性能。但是，还存在填料或增强体在聚合物基体中分散性差、在摩擦过程中和摩擦副的结合力弱且不能进入摩擦副表面微凹区的问题，从而难以有效发挥其优异性能。
MXene是一类新型的二维材料。其通式为Mn+1Xn(n＝1，2，3)，其中，M代表早期过渡金属，X代表碳元素或者氮元素。MXene具有自润滑优良、强界面偶联的特性，在摩擦学领域中，具有潜在的应用价值。但是，它本身存在片层易叠加和与聚合物基体相容性较差的问题。ZnS是一种重要的半导体材料。在摩擦学领域中，由于ZnS具有密排六方层状结构，层间剪切力较小，可以明显改善摩擦副间的摩擦行为，是有效的固体润滑剂之一。ZnS量子点是一种尺寸小、活性位点多的零维材料。但是，目前尚未有关于聚合物体系复合摩擦性能的尝试和相关研究报道。
因此，寻找能够综合发挥材料优势性能、改善聚合物在作为摩擦材料时暴露出的摩擦系数大、耐磨性差且摩擦系数不稳定的工艺方法，对于聚合物在先进复合材料科学技术领域的推广使用具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料及其制备方法和应用。本发明公开的制备方法，提供了一种简单、高效的复合工艺方法，通过该制备方法能够将ZnS量子点、MXene和聚合物三种组分均匀稳定复合；采用该制备方法制得的ZnS量子点/MXene/聚合物基复合材料具有超耐磨、自润滑的优点，能够在先进复合材料科学技术领域具有重要的应用和推广。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)ZnS量子点/MXene复合粒子的制备
先将MXene均匀分散于水中，然后加入锌源化合物，经超声处理1～3h后得到混合物，将该混合物pH值调至弱碱性，得到弱碱混合物；将硫源化合物均匀分散于水中得到硫源溶液，然后将硫源溶液与弱碱混合物均匀混合，得到反应体系；
将反应体系经水热法得到产物混合物，将产物混合物冷却后清洗，然后冷冻干燥，得到ZnS量子点/MXene复合粒子；
2)ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备
将ZnS量子点/MXene复合粒子添加到聚合物基体中均匀混合后，经成型加工，得到ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料。
优选地，步骤1)中，MXene包括Ti3C2MXene、Ti2C MXene、Mo2TiC2MXene、Mo2Ti2C3MXene、Mo2C MXene、Ta4C3MXene、TiNbC MXene、V2C MXene、Nb2C MXene、Nb4C3MXene、Ti4N3MXene、Ti3CN MXene和Cr2TiC2MXene中的一种或多种。
优选地，步骤1)中，锌源化合物包括醋酸锌、氯化锌或硝酸锌。
优选地，步骤1)中，硫源化合物包括硫化钠、硫代乙酰胺、硫脲或3-巯基丙酸。
优选地，步骤1)中，MXene、水和锌源化合物以质量份数计，其投料比为(0.1～0.3):(60～100):1.5，水和硫源化合物以质量份数计，其投料比为(10～20):3；水热法的反应温度为120～190℃，反应时间为6～16h。
优选地，步骤2)中，聚合物基体包括双马来酰亚胺树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯乙烯或聚醚醚酮。
优选地，步骤2)中，ZnS量子点/MXene复合粒子和聚合物基体以质量份数计，其投料比为(0.1～100):(40～1000)。
本发明还公开了采用上述制备方法制得的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料。
优选地，所述ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料相比聚合物基体材料，其摩擦系数能够降低45.2％～85.7％，磨损率能够降低62.7％～96.8％。
本发明还公开了所述ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料用于自润滑工业制件的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备方法，该制备方法先利用水热法在MXene表面原位生长ZnS量子点得到ZnS量子点/MXene粒子，通过将ZnS量子点/MXene复合粒子引入聚合物基体中，利用ZnS量子点防止MXene片层的叠加，提高MXene与聚合物基体的相容性；同时利用MXene的自润滑性和强界面偶联性及ZnS量子点的小尺寸效应，在摩擦过程中，MXene及ZnS量子点均可与摩擦副表面反应，从而形成牢固且自润滑的转移膜；此外，较小的ZnS量子点可以进入摩擦副表面微凹区，从而使形成的自润滑转移膜更加平整。ZnS量子点/MXene复合粒子表面带有大量的官能团，在聚合物基体中分散性好，能更好的发挥其自润滑性能。通过将ZnS量子点/MXene引入聚合物基体中，利用ZnS量子点和MXene的协同作用，可在摩擦副表面形成平整、牢固的自润滑转移膜，从而显著提高聚合物的耐磨性、降低其摩擦系数，并稳定其摩擦系数。在所述制备方法中，采用超声处理，能够使MXene的片层尽可能打开，利于硫化锌量子点的负载。因此，本发明公开的上述制备方法，工艺操作简单、高效，通过该制备方法能够将ZnS量子点、MXene和聚合物三种组分均匀稳定复合，具有工艺简单、普适性强、便于放大生产的特点，能够很好的应用于工业化领域中。
进一步地，通过将水热法的反应条件具体为120～190℃和6～16h，能够使制得的ZnS量子点尺寸大小均一，进而使得到ZnS量子点/MXene复合粒子保持均一性和稳定性。
本发明还公开了经上述制备方法制得的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料，具有超耐磨、自润滑的优点，解决了现有聚合物磨性差、摩擦系数大且不稳定的问题。通过将ZnS量子点/MXene复合粒子引入聚合物基体中，利用ZnS量子点和MXene的协同作用，在摩擦副表面形成平整、牢固的自润滑转移膜，从而显著提高聚合物的耐磨性、降低其摩擦系数，并稳定其摩擦系数。经实验验证，ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料相比聚合物基体材料，其摩擦系数能够降低45.2％～85.7％，磨损率能够降低62.7％～96.8％，，同时，其力学性能也得到明显加强，与纯聚合物相比在摩擦力学性能方面具有显著的提升。
本发明还公开了上述ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料用于自润滑工业制件的应用。本发明公开的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料，经相关实验测试可知，与原聚合物相比，与ZnS量子点/MXene复合后得到的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料，其摩擦学性能和力学强度均有明显提升，其摩擦系数能够达到0.05～0.25，体积磨损率能够达到3×10-8mm3/(N·m)～7.65×10-5mm3/(N·m)，因此，该材料可用于航空航天、化工机械、汽车家电等领域的自润滑轴承、齿轮、压缩机的滑片等零部件。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明公开了一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
1)首先，取0.1～0.3份的MXene分散到60～100份的去离子水中超声形成均匀分散溶液，再加入1.5份的锌源，超声处理处理1～3h后，并取一定量的氨水调节其pH值至弱碱性(pH值为8.5～9.5)，得到弱碱性分散液。同时，将3份硫源溶于10～20份去离子水中，磁力搅拌1h，加入上述弱碱性分散液中充分混合搅拌。其次，将混合好的溶液转移到反应釜中120～190℃反应6～16h。最后，待反应结束后待产物自然冷却至室温后，将其抽滤再用去离子水反复洗涤，然后冷冻干燥，即得到ZnS量子点/MXene复合粒子。
2)将0.1～100份ZnS量子点/MXene复合粒子添加到40～1000份聚合物基体中均匀混合，再按一定加工工艺，经固化、热塑、压制等工艺得到ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料。
步骤1)中，MXene的组成可以是Ti3C2MXene、Ti2C MXene、Mo2TiC2MXene、Mo2Ti2C3MXene、Mo2C MXene、Ta4C3MXene、TiNbC MXene、V2C MXene、Nb2C MXene、Nb4C3MXene、Ti4N3MXene、Ti3CN MXene和Cr2TiC2MXene等的一种或多种复合。
步骤1)中，锌源可以是醋酸锌(Zn(Ac)2·2H2O)、氯化锌、硝酸锌等。
步骤1)中，硫源可以是硫化钠(Na2S·9H2O)、硫代乙酰胺(TAA)、硫脲、3-巯基丙酸等。
步骤1)中，MXene、水和锌源化合物以质量份数计，其投料比为(0.1～0.3)：(60～100)：1.5，水和硫源化合物以质量份数计，其投料比为(10～20)：3。
步骤2)中，ZnS量子点/MXene复合粒子的用量为0.1～100份。
步骤2)中，聚合物的用量为40～1000份。
步骤2)中，聚合物基体可以是双马来酰亚胺树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯乙烯、聚醚醚酮等。
采用上述制备方法即可制得一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料，该超耐磨自润滑复合材料在航空航天、化工机械、汽车家电等领域的自润滑轴承、齿轮、压缩机的滑片等零部件中具有很高的应用价值。
实施例1：
1)首先，取0.1份的Ti3C2MXene分散到60份的去离子水中超声形成均匀分散溶液，再加入1.5份的醋酸锌(Zn(Ac)2·2H2O)，在150W的功率下超声处理3h，并取一定量的氨水调节其pH值至9。同时，将3份硫化钠(Na2S·9H2O)溶于10份去离子水中，磁力搅拌1h，加入上述分散液中充分混合搅拌。其次，将混合好的溶液转移到反应釜中120℃反应10h。最后，待反应结束后待产物自然冷却至室温后，将其抽滤再用去离子水反复洗涤，然后冷冻干燥，即得到ZnS量子点/Ti3C2MXene复合粒子。
2)将0.1份ZnS量子点/Ti3C2MXene复合粒子、30份二烯丙基双酚A、40份二苯甲烷型双马来酰亚胺，在135℃油浴锅中充分搅拌预聚合15～60min，得到均一分散的熔融液。
3)将上述熔融液倒入150℃提前预热好的模具中，放置于150℃真空干燥箱中，抽真空排除气泡，直至无气泡后取出，然后放在鼓风干燥箱进行阶段升温固化。固化工艺为150℃/2h+180℃/2h+220℃/2h，然后自然冷却，脱模后，再在250℃下后处理4h，即得到ZnS量子点/Ti3C2MXene/双马来酰亚胺树脂超耐磨自润滑复合材料。
经测试，所得到的ZnS量子点/Ti3C2MXene/双马来酰亚胺树脂超耐磨自润滑复合材料摩擦系数为0.05、体积磨损率为1.9×10-6mm3/(N·m)、冲击强度为21.1KJ/m2、弯曲强度为185.7MPa与纯双马来酰亚胺树脂的摩擦系数0.35、体积磨损率16.5×10-6mm3/(N·m)、冲击强度11.6KJ/m2、弯曲强度122.2MPa相比，其摩擦系数降低85.7％、磨损率降低88.5％、冲击强度提高81.9％、弯曲强度提高52.0％。
实施例2：
1)首先，取0.3份的Ta4C2MXene分散到100份的去离子水中超声形成均匀分散溶液，再加入1.5份的硝酸锌，在300W的功率下超声处理2h，并取一定量的氨水调节其pH值至9。同时，将3份硫脲溶于10份去离子水中，磁力搅拌1h，加入上述分散液中充分混合搅拌。其次，将混合好的溶液转移到反应釜中190℃反应12h。最后，待溶液自然冷却至室温后，将其抽滤再用去离子水反复洗涤，然后冷冻干燥，即得到ZnS量子点/Ta4C2MXene复合粒子。
2)将8份ZnS量子点/Ta4C2MXene复合粒子、60份E-51型环氧树脂、48份甲基四氢苯酐固化剂，磁力搅拌45min后加入0.6份2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚促进剂，继续搅拌5min后得到均一分散的熔融液。
3)将上述熔融液倒入模具中放置于60℃真空干燥箱中，抽真空排除气泡，直至无气泡后取出，然后放在鼓风干燥箱进行阶段升温固化。固化工艺为90℃/1.5h+100℃/0.5h+110℃/0.5h+120℃/0.5h+140℃/1.5h，然后自然冷却，脱模后，再在160℃下后处理2h，即得到ZnS量子点/Ta4C2MXene/环氧树脂超耐磨自润滑复合材料。
经测试，所得到的ZnS量子点/Ta4C2MXene/环氧树脂超耐磨自润滑复合材料摩擦系数为0.25，体积磨损率为7.65×10-5mm3/(N·m)、冲击强度为20.6KJ/m2、弯曲强度为125.6MPa与纯环氧树脂的摩擦系数0.60、体积磨损率2.05×10-4mm3/(N·m)、冲击强度11.2KJ/m2、弯曲强度109.4MPa相比，其摩擦系数降低58.3％、磨损率降低62.7％、冲击强度提高83.9％、弯曲强度提高14.8％。
实施例3：
1)首先，取0.3份的Ti3CN MXene分散到100份的去离子水中超声形成均匀分散溶液，再加入1.5份的氯化锌，在300W的功率下超声处理2h，并取一定量的氨水调节其pH值至9。同时，将3份硫脲溶于10份去离子水中，磁力搅拌1h，加入上述分散液中充分混合搅拌。其次，将混合好的溶液转移到反应釜中190℃反应12h。最后，待反应结束后待产物自然冷却至室温后，将其抽滤再用去离子水反复洗涤，然后冷冻干燥，即得到ZnS量子点/Ti3CN MXene复合粒子。
2)在无水乙醇中加入100份的ZnS量子点/Ti3CN MXene复合粒子和1000g聚酰亚胺，在每分钟100转、500W条件下超声搅拌，进行分散30min。然后，将所得混合物进行抽滤，将抽滤所得固体物料在100℃烘箱中进行干燥，将干燥物料进行粉碎，得到粉料。将所述粉料放入模具，在20Mpa的压力下以150℃/h的速率由室温逐步升温至370℃，模压200min，冷却至室温脱模，得到ZnS量子点/Ti3CN MXene/聚酰亚胺超耐磨自润滑复合材料。
经测试，所得到的ZnS量子点/Ti3CN MXene/聚酰亚胺超耐磨自润滑复合材料摩擦系数为0.13、体积磨损率为1.4×10-6mm3/(N·m)、冲击强度为23.6KJ/m2、弯曲强度为178MPa与纯聚酰亚胺树脂的摩擦系数0.45、体积磨损率5.5×10-6mm3/(N·m)、冲击强度18.1KJ/m2、弯曲强度153MPa相比，其摩擦系数降低71.1％、磨损率降低74.5％、冲击强度提高30.4％、弯曲强度提高16.3％。
实施例4：
1)首先，取0.2份的V2C MXene分散到80份的去离子水中超声形成均匀分散溶液，再加入1.5份的氯化锌，在400W的功率下超声处理1h，并取一定量的氨水调节其pH值至9。同时，将3份TAA溶于10份去离子水中，磁力搅拌1h，加入上述分散液中充分混合搅拌。其次，将混合好的溶液转移到反应釜中140℃反应10h。最后，待反应结束后待产物自然冷却至室温后，将其抽滤再用去离子水反复洗涤，然后冷冻干燥，即得到ZnS量子点/V2C MXene复合粒子。
2)将5份ZnS量子点/V2C MXene复合粒子、30份二烯丙基双酚A、40份二苯甲烷型双马来酰亚胺，在135℃油浴锅中充分搅拌预聚合15～60min，得到均一分散的熔融液。
3)将上述熔融液倒入150℃提前预热好的模具中，放置于150℃真空干燥箱中，抽真空排除气泡，直至无气泡后取出，然后放在鼓风干燥箱进行阶段升温固化。固化工艺为150℃/2h+180℃/2h+220℃/2h，然后自然冷却，脱模后，再在250℃下后处理4h，即得到ZnS量子点/V2C MXene/双马来酰亚胺树脂超耐磨自润滑复合材料。
经测试，所得到的ZnS量子点/V2C MXene/双马来酰亚胺树脂超耐磨自润滑复合材料摩擦系数为0.13、体积磨损率为2.3×10-6mm3/(N·m)、冲击强度为19.7KJ/m2、弯曲强度为179.7MPa与纯双马来酰亚胺树脂的摩擦系数0.35、体积磨损率16.5×10-6mm3/(N·m)、冲击强度11.6KJ/m2、弯曲强度122.2MPa相比，其摩擦系数降低62.9％、磨损率降低86.1％、冲击强度提高69.8％、弯曲强度提高47.1％。
实施例5：
1)首先，取0.3份的Ti3C2MXene和Ti3CN MXene分散到100份的去离子水中超声形成均匀分散溶液，再加入1.5份的醋酸锌(Zn(Ac)2·2H2O)，在300W的功率下超声处理2h，并取一定量的氨水调节其pH值至9。同时，将3份硫脲溶于10份去离子水中，磁力搅拌1h，加入上述分散液中充分混合搅拌。其次，将混合好的溶液转移到反应釜中190℃反应14h。最后，待反应结束后待产物自然冷却至室温后，将其抽滤再用去离子水反复洗涤，然后冷冻干燥，即得到ZnS量子点/Ti3C2MXene/Ti3CN MXene复合粒子。
2)将12份ZnS量子点/Ti3C2MXene/Ti3CN MXene复合粒子、60份E-51型环氧树脂、48份甲基四氢苯酐固化剂，磁力搅拌45min后加入0.6份2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚，继续搅拌5min后得到均一分散的熔融液。
3)将上述熔融液倒入倒入模具中放置于60℃真空干燥箱中，抽真空排除气泡，直至无气泡后取出，然后放在鼓风干燥箱进行阶段升温固化。固化工艺为90℃/1.5h+100℃/0.5h+110℃/0.5h+120℃/0.5h+140℃/1.5h，然后自然冷却，脱模后，再在160℃下后处理2h，即得到ZnS量子点/Ti3C2MXene/Ti3CN MXene/环氧树脂超耐磨自润滑复合材料。
经测试，所得到的ZnS量子点/Ti3C2MXene/Ti3CN MXene/环氧树脂超耐磨自润滑复合材料摩擦系数为0.24，体积磨损率为6.1×10-5mm3/(N·m)、冲击强度为20.9KJ/m2、弯曲强度为126.6MPa与纯环氧树脂的摩擦系数0.60、体积磨损率2.05×10-4mm3/(N·m)、冲击强度11.2KJ/m2、弯曲强度109.4MPa相比，其摩擦系数降低60.0％、磨损率降低70.2％、冲击强度提高86.6％、弯曲强度提高15.7％。
实施例6：
1)首先，取0.3份的Mo2C MXene分散到100份的去离子水中超声形成均匀分散溶液，再加入1.5份的硝酸锌，在300W的功率下超声处理2h，并取一定量的氨水调节其pH值至9。同时，将3份硫脲溶于10份去离子水中，磁力搅拌1h，加入上述分散液中充分混合搅拌。其次，将混合好的溶液转移到反应釜中190℃反应12h。最后，待反应结束后待产物自然冷却至室温后，将其抽滤再用去离子水反复洗涤，然后冷冻干燥，即得到ZnS量子点/Mo2C MXene复合粒子。
2)在无水乙醇中加入5份的ZnS量子点/Mo2C MXene复合粒子和500份聚酰亚胺，在每分钟100转、500W条件下超声搅拌，进行分散30min。然后，将所得混合物进行抽滤，将抽滤所得固体物料在100℃烘箱中进行干燥，将干燥物料进行粉碎，得到粉料。将所述粉料放入模具，在20Mpa的压力下以150℃/h的速率由室温逐步升温至370℃，模压200min，冷却至室温脱模，得到ZnS量子点/Mo2C MXene/聚酰亚胺超耐磨自润滑复合材料。
经测试，所得到的ZnS量子点/Mo2C MXene/聚酰亚胺超耐磨自润滑复合材料摩擦系数为0.21、体积磨损率为1.6×10-6mm3/(N·m)、冲击强度为21.4KJ/m2、弯曲强度为180MPa与纯聚酰亚胺树脂的摩擦系数0.45、体积磨损率5.5×10-6mm3/(N·m)、冲击强度18.1KJ/m2、弯曲强度153MPa相比，其摩擦系数降低53.3％、磨损率降低70.9％、冲击强度提高34.8％、弯曲强度提高17.6％。
实施例7：
1)首先，取0.3份的Ti3CN MXene分散到100份的去离子水中超声形成均匀分散溶液，再加入1.5份的氯化锌，在300W的功率下超声处理2h，并取一定量的氨水调节其pH值至9。同时，将3份硫脲溶于20份去离子水中，磁力搅拌1h，加入上述分散液中充分混合搅拌。其次，将混合好的溶液转移到反应釜中190℃反应12h。最后，待反应结束后待产物自然冷却至室温后，将其抽滤再用去离子水反复洗涤，然后冷冻干燥，即得到ZnS量子点/Ti3CN MXene复合粒子。
2)将60份苯乙烯和6份引发剂AIBN搅拌混合，聚合2h后加7份ZnS量子点/Ti3CNMXene复合粒子，搅拌并继续反应。然后混合好的原料粘度逐渐变大，在出现“爬杆”现象后换油浴，梯度升温的情况下继续聚合直到聚合完全。将所得复合材料粉碎后经乙醇提取6h，烘干备用，最后采用注塑机注塑成型，得到ZnS量子点/Ti3CN MXene/聚苯乙烯超耐磨自润滑复合材料。
经测试，所得到的ZnS量子点/Ti3CN MXene/聚苯乙烯超耐磨自润滑复合材料摩擦系数为0.22、体积磨损率为3×10-8mm3/(N·m)、冲击强度为1.3KJ/m2、弯曲强度为36MPa与纯聚苯乙烯树脂的摩擦系数0.67、体积磨损率94×10-8mm3/(N·m)、冲击强度1.0KJ/m2、弯曲强度40MPa相比，其摩擦系数降低67.2％、磨损率降低96.8％、冲击强度提高30％、弯曲强度降低10％。
实施例8：
1)首先，取0.2份的V2C MXene分散到80份的去离子水中超声形成均匀分散溶液，再加入1.5份的氯化锌，在400W的功率下超声处理1h，并取一定量的氨水调节其pH值至9。同时，将3份TAA溶于20份去离子水中，磁力搅拌1h，加入上述分散液中充分混合搅拌。其次，将混合好的溶液转移到反应釜中140℃反应10h。最后，待反应结束后待产物自然冷却至室温后，将其抽滤再用去离子水反复洗涤，然后冷冻干燥，即得到ZnS量子点/V2C MXene复合粒子。
2)将5份ZnS量子点/V2C MXene复合粒子、60份聚醚醚酮粉末、15份柠檬酸(纯度99.5％)和10份聚四氟乙烯，采用湿法混合15min得到混合物，然后置于150℃烘箱内干燥3h备用。将干燥后的混合粉末装入模具内，在压力35MPa压力预压2h，然后将压制预成型片材置于360℃烧结炉内烧结6h，自然冷却室温脱模，得到ZnS量子点/V2C MXene/聚醚醚酮超耐磨自润滑复合材料。
经测试，所得到的ZnS量子点/V2C MXene/聚醚醚酮超耐磨自润滑复合材料摩擦系数为0.23、体积磨损率为3.6×10-6mm3/(N·m)、冲击强度为6.8KJ/m2、弯曲强度为185MPa与纯聚醚醚酮树脂的摩擦系数0.42、体积磨损率5.5×10-5mm3/(N·m)、冲击强度4.44KJ/m2、弯曲强度142MPa相比，其摩擦系数降低45.2％、磨损率降低93.5％、冲击强度提高53.2％、弯曲强度提高30.1％。
表1各实施例中材料相关性能测试表
Figure BDA0002531437940000131
Figure BDA0002531437940000141
综上所述，本发明公开了本发明提供了ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料及其制备方法和应用，具体包括以下步骤：1)首先，取0.1～0.3份的MXene分散到60～100份的去离子水中超声形成均匀分散溶液，再加入1.5份的锌源，超声处理一定时间后，并取一定量的氨水调节其pH值至弱碱性。同时，将3份硫源溶于10～20份去离子水中，磁力搅拌1h，加入上述分散液中充分混合搅拌。其次，将混合好的溶液转移到反应釜中120～190℃反应6～16h。最后，待反应结束后待产物自然冷却至室温后，将其抽滤再用去离子水反复洗涤，然后冷冻干燥，即得到ZnS量子点/MXene复合粒子。2)将0.1～100份ZnS量子点/MXene复合粒子添加到40～1000份聚合物基体中均匀混合，再按一定加工工艺，经加工成型得到ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料。
本发明是将利用水热法在MXene表面原位生长ZnS量子点而得到的ZnS量子点/MXene复合粒子引入到聚合物基体中，协同改善其耐磨性差、摩擦系数高且不稳定的问题。在产品性能方面，本发明制备的MXene/ZnS量子点/聚合物基体超耐磨自润滑复合材料具有摩擦系数低、耐磨性好且摩擦系数稳定的优点。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)ZnS量子点/MXene复合粒子的制备
先将MXene均匀分散于水中，然后加入锌源化合物，经超声处理后得到混合物，将该混合物pH值调至弱碱性，得到弱碱混合物；将硫源化合物均匀分散于水中得到硫源溶液，然后将硫源溶液与弱碱混合物均匀混合，得到反应体系；
将反应体系经水热法得到产物混合物，将产物混合物冷却后清洗，然后冷冻干燥，得到ZnS量子点/MXene复合粒子；
2)ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备
将ZnS量子点/MXene复合粒子添加到聚合物基体中均匀混合后，经成型加工，得到ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料。
2.根据权利要求1所述的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，MXene包括Ti3C2 MXene、Ti2C MXene、Mo2TiC2 MXene、Mo2Ti2C3MXene、Mo2C MXene、Ta4C3 MXene、TiNbC MXene、V2C MXene、Nb2C MXene、Nb4C3 MXene、Ti4N3MXene、Ti3CN MXene和Cr2TiC2MXene中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，锌源化合物包括醋酸锌、氯化锌或硝酸锌。
4.根据权利要求1所述的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，硫源化合物包括硫化钠、硫代乙酰胺、硫脲或3-巯基丙酸。
5.根据权利要求1所述的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，MXene、水和锌源化合物以质量份数计，其投料比为(0.1～0.3):(60～100):1.5，水和硫源化合物以质量份数计，其投料比为(10～20):3；水热法的反应温度为120～190℃，反应时间为6～16h。
6.根据权利要求1所述的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，聚合物基体包括双马来酰亚胺树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯乙烯或聚醚醚酮。
7.根据权利要求1所述的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，ZnS量子点/MXene复合粒子和聚合物基体以质量份数计，其投料比为(0.1～100):(40～1000)。
8.采用权利要求1～7任意一项所述的制备方法制得的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料。
9.根据权利要求8所述的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料，其特征在于，所述ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料相比聚合物基体材料，其摩擦系数能够降低45.2％～85.7％，磨损率能够降低62.7％～96.8％。
10.权利要求8所述的ZnS量子点/MXene/聚合物基超耐磨自润滑复合材料用于自润滑工业制件的应用。
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