CN112812496A - 一种Mxene-V2C改性的碳纤维织物自润滑材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Mxene‑V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料及其制备方法，属于摩擦材料技术领域。Mxene‑V₂C在摩擦切应力作用下，其片层极易滑移，能够降低界面剪切强度，从而降低摩擦系数；同时，Mxene‑V₂C表面具有大量F^‑、OH^‑官能团，可以提高其与碳纤维织物的界面结合特性，而良好的界面结合强度能够提高自润滑材料的应力传递和磨损寿命。本发明将Mxene‑V₂C引入碳纤维织物，所得碳纤维织物自润滑材料具有低摩擦系数。实施例结果表明，本发明提供的Mxene‑V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料在0.101～0.125之间，具有良好的摩擦学性能。

Description

一种Mxene-V2C改性的碳纤维织物自润滑材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及摩擦材料技术领域，特别涉及一种Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维织物增强复合材料因具有自润滑、低成本、易于加工、化学稳定和重量轻等突出优点，已被广泛用于飞机、汽车、铁路装备、航空航天装备和国防工业。目前，现有技术多使用石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等填料提高碳纤维织物的自润滑能力，但是，差的耐磨性仍然是制约其在复杂、苛刻工况下长期使用的瓶颈问题。Mxene(迈科烯)是一种新型过渡金属碳化物或氮化物二维晶体，通过选择性刻蚀MAX相中的A原子层而制得，其化学式为M_{n+ 1}X_n，其中n＝1、2或3，M为早期过渡金属元素，X为氮或碳元素。Mxene-V₂C作为Mxene中的重要一员，具有较高的体积比容量和较快的电子传输速率，使得它适用于电池和超级电容器电极材料；Mxene-V₂C具有极大的比表面积和较多的中空位点，使得它具有非常高的储氢能力，适合作为储氢材料；Mxene-V₂C具有良好的导电性、亲水性以及在水溶液中的稳定性，使得它可用作催化水分解制备氢气的催化剂。未见Mxene-V₂C在摩擦学方面的应用的相关报道。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料及其制备方法。本发明所得自润滑材料具有低摩擦系数。

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Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料，包括碳纤维织物以及负载于所述碳纤维织物碳纤维表面的Mxene-V₂C和酚醛树脂。

优选的，所述Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料中Mxene-V₂C的质量为碳纤维织物质量的0.5～3％。

优选的，所述Mxene-V₂C的片径为20～25μm。

优选的，所述碳纤维织物的纤维规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为120～130g/m²。

优选的，所述碳纤维织物的厚度为0.2～0.22mm。

本发明提供了上述的Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Mxene-V₂C、酚醛树脂和极性有机溶剂混合，进行超声，得到涂覆液；

(2)将碳纤维织物浸渍于所述涂覆液中，将得到的浸渍碳纤维织物干燥，得到Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料。

优选的，所述极性有机溶剂为乙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一种或几种。

优选的，所述Mxene-V₂C、酚醛树脂和极性有机溶剂的质量比为(0.01～0.06):(2～4):(4～8)。

优选的，所述超声的功率为450～550W，时间为25～35min。

优选的，所述浸渍的时间为10～20min；所述干燥的温度为70～80℃，时间为30～60min。

本发明提供了一种Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料，包括碳纤维织物和负载于所述碳纤维织物表面的Mxene-V₂C。Mxene-V₂C在摩擦切应力作用下，其片层极易滑移，能够降低界面剪切强度，从而降低摩擦系数；同时，Mxene-V₂C表面具有大量F^-、OH^-官能团，可以提高其与碳纤维织物的界面结合特性，而良好的界面结合强度能够提高自润滑材料的应力传递和磨损寿命。本发明将Mxene-V₂C引入碳纤维织物，所得碳纤维织物自润滑材料具有低摩擦系数。实施例结果表明，本发明提供的Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料在0.101～0.125之间，具有良好的摩擦学性能。

附图说明

图1是实施例1所得Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料的SEM图。

具体实施方式

本发明提供了一种Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料，包括碳纤维织物以及负载于所述碳纤维织物碳纤维表面的Mxene-V₂C和酚醛树脂。

在本发明中，所述Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料中Mxene-V₂C的质量优选为碳纤维织物质量的0.5～3％，更优选为1～2％；在本发明中，所述Mxene-V₂C的片径优选为20～25μm，更优选为22～24μm。本发明对所述Mxene-V₂C的来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售的Mxene-V₂C即可。作为本发明的一个具体实施例，所述Mxene-V₂C购自杭州纳猫科技有限公司。在本发明中，在摩擦切应力作用下，Mxene-V₂C片层极易滑移，能够降低界面剪切强度，从而降低摩擦系数；同时，Mxene-V₂C表面具有大量F^-、OH^-官能团，可以提高其与碳纤维织物的界面结合特性，而良好的界面结合强度能够提高自润滑材料的应力传递和磨损寿命。

在本发明中，所述碳纤维织物的纤维规格优选为1K，经向密度优选为10根/10mm，纬向密度优选为10根/10mm，单位面积质量优选为120～130g/m²，更优选为150g/m²；所述碳纤维织物的厚度优选为0.2～0.22mm，更优选为0.21mm。本发明对所述碳纤维织物的来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售的碳纤维织物即可。

本发明提供了上述Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Mxene-V₂C、酚醛树脂和极性有机溶剂混合，进行超声，得到涂覆液；

(2)将碳纤维织物浸渍于所述涂覆液中，将得到的浸渍碳纤维织物干燥，得到Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料。

本发明将Mxene-V₂C、酚醛树脂和极性有机溶剂混合，进行超声，得到涂覆液。本发明对所述酚醛树脂没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的酚醛树脂即可。作为本发明的一个具体实施例，所述酚醛树脂为上海新光化工有限公司生产的铁锚牌204酚醛树脂。在本发明中，所述极性有机溶剂优选为乙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一种或几种，更优选为乙酸乙酯。

本发明对所述混合的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的如搅拌混合。在本发明中，所述Mxene-V₂C、酚醛树脂和极性有机溶剂的质量比优选为(0.01～0.06):(2～4):(4～8)，更优选为(0.02～0.05):(2.5～3.5):(5～7)，进一步优选为(0.03～0.03):3:6。

在本发明中，所述超声的功率优选为500W，时间优选为25～35min，更优选为30min。

得到所述涂覆液后，本发明将碳纤维织物浸渍于所述涂覆液中，将得到的浸渍碳纤维织物干燥，得到Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料。在本发明中，所述浸渍的时间优选为10～20min，更优选为12～18min，进一步优选为15min；所述浸渍的温度优选为室温。在本发明中，所述干燥的温度优选为70～80℃，更优选为75℃；所述干燥的时间优选为30～60min，更优选为40～50min。

在本发明中，所述Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料相比碳纤维织物优选增重40～60％，更优选增重45～55％，进一步优选为50％。当复合材料的增重不能达到40～60％时，本发明优选重复进行上述浸渍和干燥的操作，直至增重达到要求即可。

在本发明中，所述Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料的使用方法优选包括以下步骤：

使用粘接剂将Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料粘贴于金属件表面，在施加压力的条件下进行固化。

在本发明中，所述粘接剂优选为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚醚醚酮树脂中的一种或几种。本发明对所述粘接剂的用量没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的用量即可。在本发明中，所述金属件的材质优选为钛合金、304钢、铝合金或轴承钢。

在本发明中，所述施加的压力优选为0.1～0.3MPa，更优选为0.2MPa。在本发明中，所述固化的温度优选为120～150℃，更优选为130～140℃；升温至所述固化温度的升温速率优选为5～10℃/min，更优选为6～8℃/min。在本发明中，所述固化的时间优选为2～5h，更优选为3～4h；本发明从升温至所述固化温度后开始计算固化时间。

在本发明中，在固化的过程中，Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料中的酚醛树脂与粘接剂发生交联，能够提高Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料在金属件表面的粘接强度。

下面结合实施例对本发明提供的Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑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。

实施例1

(1)将酚醛树脂、乙醇和片径为20μm的Mxene-V₂C按质量30g：60g：0.4g在500W超声条件下分散32min，得到涂覆液；

(2)将规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为125g/m²的碳纤维织物浸渍于上述涂覆液之中15min，然后移至75℃鼓风烘箱中干燥45min，重复该浸渍过程至混纺纤维布增重50％，得到Mxene-V₂C负载量为纤维布质量的2.5％的碳纤维织物自润滑材料；

(3)用酚醛树脂将上述自润滑材料贴于钛合金表面，并施加0.2MPa的压力，以7℃/min的速度从室温升至150℃，固化4h后成型，记为1#样品。

所得碳纤维织物自润滑材料的SEM图如图所示。由图1可以看出，Mxene-V₂C已成功负载于碳纤维织物表面。

实施例2

(1)将酚醛树脂、乙醇和丙酮等质量混合成的有机溶剂、片径为25μm的Mxene-V₂C按质量20g:40g:0.1g在550W超声条件下分散35min，得到涂覆液；

(2)将规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为120g/m²的碳纤维织物浸渍于上述涂覆液之中10min，然后移至70℃鼓风烘箱中干燥30min，重复该浸渍过程至混纺纤维布增重40％，得到Mxene-V₂C负载量为纤维布质量的0.8％的碳纤维织物自润滑材料；

(3)用酚醛树脂将上述自润滑材料贴于304钢表面，并施加0.1MPa的压力，以5℃/min的速度从室温升至120℃，固化2h后成型，记为2#样品。

实施例3

(1)将酚醛树脂、乙醇和乙酸乙酯等质量混合成的有机溶剂、片径为22μm的Mxene-V₂C按质量40g：80g：0.6g在450W超声条件下分散25min，得到涂覆液；

(2)将规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为130g/m²的碳纤维织物浸渍于上述涂覆液之中20min，然后移至80℃鼓风烘箱中干燥60min，重复该浸渍过程至混纺纤维布增重60％，得到Mxene-V₂C负载量为纤维布质量的3％的碳纤维织物自润滑材料；

(3)用酚醛树脂将上述自润滑材料贴于铝合金表面，并施加0.3MPa的压力，以10℃/min的速度从室温升至140℃，固化5h后成型，记为3#样品。

实施例4

(1)将酚醛树脂、乙酸乙酯和丙酮等质量混合得到的有机溶剂、片径为24μm的Mxene-V₂C按质量40g：40g：0.4g在500W超声条件下分散28min，得到涂覆液；

(2)将规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为125g/m²的碳纤维织物浸渍于上述涂覆液之中17min，然后移至74℃鼓风烘箱中干燥55min，重复该浸渍过程至混纺纤维布增重45％，得到Mxene-V₂C负载量为纤维布质量的1.7％的碳纤维织物自润滑材料；

(3)用酚醛树脂将上述自润滑材料贴于轴承钢表面，并施加0.1MPa的压力，以8℃/min的速度从室温升至135℃，固化3h后成型，记为4#样品。

实施例5

(1)将酚醛树脂、乙酸乙酯、片径为25μm的Mxene-V₂C按质量比30g：80g：0.2g在550W超声条件下分散30min得到涂覆液；

(2)将规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为120g/m²的碳纤维织物浸渍于上述涂覆液之中18min，然后移至71℃鼓风烘箱中干燥45min，重复该浸渍过程至混纺纤维布增重55％，得到Mxene-V₂C负载量为纤维布质量的1.4％的碳纤维织物自润滑材料；

(3)用酚醛树脂将上述自润滑材料贴于304钢表面，并施加0.3MPa的压力，以6℃/min的速度从室温升至120℃，固化4h后成型，记为5#样品。

对比例1

将酚醛树脂、乙醇按质量比30.4g：60g在500W超声条件下分散32min，得到涂覆液。其余部分与实施例1完全相同，得到6#样品。

对比例2

将实施例1中的Mxene-V₂C替换为石墨，其余操作完全相同，得到7#样品。

对比例3

将实施例1中的Mxene-V₂C替换为类石墨烯氮化碳，其余操作完全相同，得到8#样品。

性能测试

分别测试实施例1～5和对比例1～3所得样品的摩擦系数、磨痕宽度，将所得结果列于表1中。其中摩擦系数通过CSM摩擦机按照公式μ＝F/N测得，其中μ为摩擦系数，F为摩擦力，N为正压力。磨痕宽度由扫描电子显微镜测得。将实施例1～5和对比例1～3所得样品贴有纤维织物复合材料的一侧与直径为3mm的钢球对磨，试验加载力5N，转速5cm/s，运行时间1h，摩擦系数和磨痕宽度为5次测试的平均值。

表1实施例1～5和对比例1～3所得样品的摩擦性能

从实施例和对比例可以看出，碳纤维织物添加石墨这种常用润滑剂以后，摩擦系数降低但是磨损率仍然很高。而添加类石墨烯氮化碳这种新型功能化二维层状材料(结构与Mxene-V₂C相同)使碳纤维织物耐磨性得到了提高，但是摩擦系数降低不大。而从实施例和对比例中可以发现本发明添加的Mxene-V₂C能够在降低摩擦系数的同时极大地提高复合材料的耐磨性。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Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料，包括碳纤维织物以及负载于所述碳纤维织物碳纤维表面的Mxene-V₂C和酚醛树脂。

2.根据权利要求1所述的自润滑材料，其特征在于，所述Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料中Mxene-V₂C的质量为碳纤维织物质量的0.5～3％。

3.根据权利要求1或2所述的自润滑材料，其特征在于，所述Mxene-V₂C的片径为20～25μm。

4.根据权利要求1或2所述的自润滑材料，其特征在于，所述碳纤维织物的纤维规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为120～130g/m²。

5.根据权利要求1所述的自润滑材料，其特征在于，所述碳纤维织物的厚度为0.2～0.22mm。

6.权利要求1～5任意一项所述的Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Mxene-V₂C、酚醛树脂和极性有机溶剂混合，进行超声，得到涂覆液；

(2)将碳纤维织物浸渍于所述涂覆液中，将得到的浸渍碳纤维织物干燥，得到Mxene-V₂C改性的碳纤维织物自润滑材料。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述极性有机溶剂为乙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一种或几种。

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述Mxene-V₂C、酚醛树脂和极性有机溶剂的质量比为(0.01～0.06):(2～4):(4～8)。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述超声的功率为450～550W，时间为25～35min。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍的时间为10～20min；所述干燥的温度为70～80℃，时间为30～60min。

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