CN113246245A - 一种木基减摩降振复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木基减摩降振复合材料及其制备方法，本发明首先将多孔木基材料切块得到合适尺寸的多孔木材，然后将多孔木材浸入制备好的自润滑二维纳米材料溶液中，自润滑二维纳米材料进入到木材内的多孔中，烘干后得到充分吸收自润滑二维纳米材料的多孔木材，将烘干后的多孔木材侵入制备好的环氧树脂固化剂溶液内，静置后烘干固化，通过环氧树脂将自润滑二维纳米材料封闭在木材的多孔结构内。本发明将自润滑二维纳米材料灌注于木材内的多孔结构内，增加木材基复合材料的自润滑性能，减小复合材料所遭受的摩擦振动激励力；采用环氧树脂固化溶液强化木材的机械性能，最终获得具有优异减摩降振性能和力学性能的木基减摩降振复合材料。

Description

一种木基减摩降振复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种减磨降振复合材料，具体涉及一种木基减摩降振复合材料及其制备方法。

背景技术

复合材料以其耐腐蚀、机械性能优异、廉价、易获取等特性获得广泛应用。然而，复合材料在苛刻条件下较差的摩擦学性能，容易因摩擦而诱发振动噪声，使其在关键机械设备运动部件的应用受到限制，例如船舶尾轴承、核反应堆内轴承、大型水利机械轴承以及航空轴承等。为了强化复合材料的摩擦学性能及其减振性能，效法多孔木头的导管结构，期待制备出具有木材导管结构的多孔复合材料，导管可实现储藏或者运输润滑介质的目的，提升复合材料的自润滑性能，减小复合材料在摩擦过程中遭受的激励力，从而减小摩擦振动。然而，由于技术限制以及高成本，目前难以复刻木材导管结构及类似功能的高分子多孔复合材料。木材本身具备天然的、现阶段难以复刻的均匀孔径、且贯穿的导管结构，兼具环境友好型、无污染、可完全降解、原料充足等特点，具备成为可开发新型木材基功能材料的基础。然而，木材本身的机械强度低，且自润滑性能较差，导致其在摩擦磨损过程中表现出较差的摩擦学性能，摩擦诱导振动行为极其显著，限制了其在机械设备运动部件的应用。目前，众多学者已经开发了许多木材基复合材料以满足特定功能要求。

孙庆丰等人发明了一种除甲醛的木材基复合材料(中国发明专利申请号201910904635.7)，由木材、镍盐、亚铁盐和氯贵金属酸溶液等组成，具有吸附甲醛并转化为二氧化碳和水的功效。姚晓林等人发明了一种金属改性木基复合材料(中国发明专利申请号201210387813.1)，通过将金属镍或铜填充在木材细胞壁空腔，赋予木材优异的力学性能、导电性以及电磁屏蔽性，发挥了金属改性木材基复合材料的优势。专利号为CN201410819942.2的中国发明专利公开了一种纳米氧化锌/木材复合材料，提高了木材的吸湿性、防水性和热稳定性能，防腐阻燃效果良好，可以作为建筑材料使用。李永丰等人发明了一种木材/有机/无机杂化纳米复合材料(中国发明专利申请号201210287368.1)，得到界面相容性良好的复合材料，同时兼具更高的力学性能、热稳定性能和防腐性能。

红柳木表皮呈红棕色，机械性能较好，内部存在着分布均匀、孔径大小合适且均匀、贯穿的导管结构，导管结构的孔径大约为30-100微米，是储藏自润滑二维纳米材料并改善其自润滑性能和摩擦振动性能的理想多孔木材；通过环氧树脂固化剂对灌注自润滑二维纳米材料的多孔红柳木基复合材料进行固化处理，增强其力学性能和机械性能。将红柳木木材、自润滑二维纳米材料以及环氧树脂固化剂相结合，在三者协同作用下，木材基复合材料的自润滑性能和机械性能得到极大的加强，赋予了木材良好的自润滑性能、力学性能、减摩性等，从而降低了摩擦诱导振动行为，使其可应用于船舶尾轴承、大型水利机械轴承以及其他轴承中，具有显著的实际应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对带有多孔结构的木材基材料，通过在导管中灌注具有优异自润滑性能的二维纳米材料，使用环氧树脂固化得到灌注有自润滑二维纳米材料和固化剂的强化多孔红柳木基复合材料，提供了一种木材基复合材料的改性方法。在干摩擦、水润滑工况下，新型木材基复合材料表现出优异的摩擦学性能，克服了纯木质材料自润滑性能、降振性能差和强度低的缺点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种木基减摩降振复合材料，其特征在于：包括多孔木基材料和通过固化材料封闭在多孔木基材料的微孔内的自润滑纳米材料。

优选的，所述多孔木材为红柳木材，所述自润滑纳米材料为自润滑二维纳米材料。

优选的，所述自润滑二维纳米材料是六方氮化硼纳米片、石墨烯及其衍生物、纳米二硫化钼以及黑鳞纳米片中的任意一种。材料本身具备极低的层间剪切应力，表现优异的自润滑性能。其尺寸远小于红柳木导管直径，广义上讲都可灌注于多孔红柳木导管内。

优选的，所述固化材料为环氧树脂固化剂，包括环氧树脂、固化剂和溶剂。

优选的，所述溶剂为无水乙醇，所述固化剂为胺类固化剂(如乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、二乙氨基丙胺等)或者酸酐类固化剂(如顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐)。

优选的，所述木基减摩降振复合材料中，红柳木段直径3～100cm，高1～20cm；具有优异自润滑性能的二维纳米材料0.5～20份，分散自润滑二维纳米材料的无水乙醇溶剂100～200份；环氧树脂3～10份，溶解环氧树脂固化剂的无水乙醇溶剂5～15份，固化剂2～9份。

本发明还提供一种木基减摩降振复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、多孔木基材料准备，将多孔木基材料切割成所需尺寸大小，将切割后的多孔木基材料依次置于蒸馏水和挥发性溶剂中超声清洗后抛光处理，再次蒸馏水洗后干燥得到多孔木材；

步骤2、取自润滑二维纳米材料溶解于挥发性溶剂中，搅拌均匀后得到自润滑二维纳米材料溶液；

步骤3、将步骤1中得到的多孔木材浸入步骤2中得到的自润滑二维纳米材料溶液中，待多孔木材充分吸收溶胀灌注自润滑二维纳米材料后，将其烘干，易挥发溶剂完全挥发，自润滑二维纳米材料则残留并吸附在多孔木材的微孔内，得到灌注自润滑二维纳米材料的多孔木材；

步骤4、配置固化剂溶液，将环氧树脂、固化剂与溶剂按照比例混合，得到环氧树脂固化剂溶液；

步骤5、将灌注自润滑二维纳米材料的多孔木材浸泡于环氧树脂固化剂溶液中，并抽真空处理，待环氧树脂固化完全后，取出多孔木材，得到灌注自润滑二维纳米材料和固化材料的多孔木材；

步骤6、将步骤5中得到的多孔木材进行抛光处理，抛去多孔木材表面环氧树脂，得到木基减摩降振复合材料。

优选的，步骤1中，蒸馏水和挥发性溶剂中清洗时间均为30～60min，所述挥发性溶剂为无水乙醇。

优选的，步骤2中，采用磁力搅拌得到自润滑二维纳米材料溶液，磁力搅拌时间为15～20min，搅拌速度为100～500r/min，搅拌温度为40℃～60℃。

优选的，步骤3中，对多孔木材重复多次灌注、烘干处理，以得到灌注大量自润滑二维纳米材料溶液的多孔木材。

优选的，步骤3中，对多孔木材的灌注次数为1-20次。

优选的，步骤3中，烘干的方式为放入35℃～60℃恒温烘箱4～8h。

优选的，步骤4中，所述环氧树脂固化剂溶液中，环氧树脂与溶剂质量比为3～10:5～15；固化剂质量为环氧树脂质量的60％～90％。

优选的，所述多孔木基材料为红柳木，步骤1中，沿垂直于导管结构方向将红柳木切割成厚度为1～20cm的红柳木段。红柳木内部微孔均匀分布的导管结构，导管的孔径大约在30-100微米左右，非常适合自润滑二维纳米材料的灌注。

优选的，所述步骤1和6中的抛光处理，将红柳木段在2000目的抛光纸上初步抛光5～15min，然后在4000目的抛光纸进行精抛5～10min处理，在抛光过程中不断喷洒蒸馏水，得到表面光滑的红柳木段。

优选的，所述自润滑二维纳米材料与溶剂的质量比为(0.5～20):(100～200)，环氧树脂与溶剂的质量比为(3～10):(5～15)，固化剂质量为环氧树脂质量的60％～90％，环氧树脂的黏度范围为9～15Pa·s，配制成为固化剂溶液后黏度范围为2.6～4.1Pa·s，保持了良好的流体性，能够浸入木制材料导管结构内。

其中所选用于分散自润滑二维纳米材料的易发挥、易浸润的挥发性溶剂，挥发性溶剂可以是无水乙醇、乙醚、丙酮等，具备易挥发、密度小、易浸润进入材料导管结构内的特点，使得自润滑二维纳米材料被带入导管结构内。

优选的，所述环氧树脂的环氧当量g/eq为185～200，环氧值eq/mg为0.48～0.54；固化剂的活泼氢当量为140，分子结构中含有极性酰胺基、氨基和羟基，性质比较活泼，在木材基复合材料中起到了增韧、强化红柳木机械性能的作用。

优选的，所述环氧树脂为E51(618)环氧树脂，是双酚A型液态环氧树脂，固化剂是H-4环氧固化剂，具体为低分子聚酰胺650固化剂。

优选的，所述实验器材均进行酒精清洗，高温消毒处理，在每次灌注自润滑二维纳米材料结束后，使用少量酒精冲洗灌注完成后的红柳木段抛光面，避免表面导管孔洞被聚集的自润滑二维纳米材料堵塞。

优选的，步骤5中抽真空处理，红柳木段导管结构内的空气因负压而溢出，使环氧树脂固化剂溶液易于渗入红柳木段导管结构，对其进行充分固化。

优选的，步骤5中，将灌注自润滑二维纳米材料的多孔木材浸泡于环氧树脂固化剂溶液中后静置1～2d，随后置于35℃～60℃的恒温烘箱中5～15d，静置过程中就开启真空设备抽真空。

优选的，步骤6中，对表面进行抛光处理，得到适宜检测力学性能和摩擦学性能的灌注自润滑二维纳米材料和固化剂的强化多孔红柳木基复合材料。

需要说明的是，本发明采用红柳木作为多孔木基材料，但是并不限于红柳木，其他木材均可。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的木基减摩降振复合材料，木头基体材料凭借天然易获取、绿色无污染、原料广泛、低成本等优势，适合作为基体材料使用。多孔木头材料独特的导管结构是自润滑二维纳米材料的优良储藏区域，极大的提升了红柳木的摩擦学性能。再借助环氧树脂固化剂进行固化处理，木纤维的机械强度也得到了加强。结果表明：纯环氧树脂材料拉伸强度和硬度最高分别为37.4MPa和86.5HSD，纯红柳木段的仅为20.3MPa和27.6HSD，然而灌注有自润滑二维纳米材料和固化处理的红柳木段拉伸强度和硬度达到29.9MPa和73.7HSD，分别提升了9.5MPa和46.1HSD，力学性能强化效果非常显著。

本发明灌注自润滑二维纳米材料和固化剂的强化多孔红柳木基减摩降振复合材料，在摩擦磨损过程中，具有优异自润滑性能的二维纳米材料被转移进入摩擦副摩擦界面，凭借其极低的层间剪切力改善了摩擦副工作环境，降低了摩擦系数，即有效降低了摩擦力。当增加灌注自润滑二维纳米材料溶液次数时，灌注于导管结构中的自润滑二维纳米材料含量增加，摩擦系数明显降低，表现出更优异的自润滑性能。

本发明通过灌注具有优异自润滑性能的二维纳米材料和固化处理，可以显著提高红柳木材的自润滑性能和力学性能，从而减小复合材料所遭受的摩擦激励力，实现减摩降振。

附图说明

图1是红柳木段扫描电镜照片；

图2是灌注自润滑二维纳米材料和固化剂的强化多孔红柳木基复合材料扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的阐释说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。

以下实施例所用预处理红柳木段(记作红柳木段)的制备过程：选择直径为3cm红柳木枝条，切割为高2cm的红柳木段，蒸馏水水域超声清洗60min，无水乙醇超声清洗60min，得到清洁干净的红柳木段。使用2000目的砂纸进行初步抛光15min，最后使用4000目的砂纸精抛10min，蒸馏水清洗后置于45℃的恒温烘箱中烘干，制得红柳木段，如图1所示。

实施例1至4和对比例1，木基减摩降振复合材料制备方法如下：

1、配制六方氮化硼纳米材料与无水乙醇质量比为3:150的溶液，磁力搅拌器混合均匀，磁力搅拌速度为200r/min，搅拌温度为40℃，搅拌时间为15min，即得混合均匀的六方氮化硼纳米材料溶液。无水乙醇溶剂室温下的密度为0.789g/ml，沸点为78℃，10ml的无水乙醇溶液质量为7.89g。

2、将红柳木段浸泡于分散有六方氮化硼纳米材料无水乙醇溶液中，无水乙醇溶液会携带六方氮化硼纳米材料浸润灌注于红柳木段导管结构；待红柳木充分吸收无水乙醇溶液，将其放置于50℃恒温烘箱8h，完全烘干，无水乙醇完全挥发，六方氮化硼纳米材料则残留在红柳木段导管结构内；

3、重复步骤2，分别进行灌注干燥处理5次、10次、15次和20次试验，制得红柳木段分组放置，依次记为实施例1至实施例4。

4、配制环氧树脂与无水乙醇质量比为5:7.9的固化溶液，其中固化剂质量为环氧树脂质量的80％。将环氧树脂加入到无水乙醇烧杯中，将烧杯置于50℃的恒温水域锅中进行充分水域磁力搅拌混合，在烧杯表面铺设一层保鲜膜，防止酒精挥发，设置磁力搅拌速度为300r/min，恒温搅拌时间为10min，即得充分溶解于无水乙醇的环氧树脂溶液。待溶液冷却到室温后，加入固化剂，并进行室温磁力搅拌，搅拌速度为250r/min，搅拌时间为10min，即得固化溶液。

5、将步骤3中的红柳木段放置于步骤4制得的固化溶液中，进行抽真空处理，红柳木段导管结构内的空气因负压而溢出，使得环氧树脂固化剂溶液易于渗入红柳木段导管结构；取出，常温静止2d，然后置于50℃的恒温烘箱8d，即得灌注六方氮化硼纳米材料和固化剂的强化多孔红柳木基复合材料。

6、依次使用2000目和4000目的砂纸对步骤5的灌注六方氮化硼纳米材料和固化剂的强化多孔红柳木基复合材料进行抛光处理，去除表面多余的环氧树脂固化剂，直至露出红柳木段的抛光面。

六方氮化硼纳米溶液不同灌注干燥处理次数如表1所示。在Rtec摩擦磨损试验机上进行往复行程为9mm的摩擦学试验，设置对磨副为氮化硅陶瓷球，试验载荷为15N，试验频率为2Hz，试验时间为30min，润滑工况为干摩擦和水润滑工况。

表1灌注六方氮化硼纳米材料溶液次数对红柳木基复合材料摩擦学性能的影响

经过30min的摩擦学试验，灌注六方氮化硼纳米材料溶液次数对红柳木段的摩擦学性能有着显著的影响。在干摩擦和水润滑工况下，不灌注六方氮化硼纳米材料的红柳木基复合材料均表现出大的摩擦系数。随着灌注次数的增加，红柳木基复合材料摩擦系数出现下降的趋势。实施例4中灌注六方氮化硼纳米材料溶液20次的红柳木基复合材料表现出最低的摩擦系数，在整个摩擦过程中表现出优异的摩擦学性能，摩擦诱导振动行为显著削弱。可以看出随着灌注六方氮化硼纳米材料溶液次数的增加，木材基复合材料的自润滑性能和力学性能得到了极大加强，从而减小了摩擦激励力，实现减摩降振。

对比例2至6

材料制备方法以及试验工况与实施例1至4相同，所不同的是本次试验材料为纯环氧树脂固化剂和不同处理的红柳木段：红柳木段、仅固化处理的红柳木段、仅浸泡1次六方氮化硼纳米材料溶液的红柳木段以及仅灌注20次六方氮化硼纳米材料溶液的红柳木段。对上述红柳木基复合材料进行摩擦学试验。

表2不同处理方法对红柳木基复合材料摩擦学性能的影响

经过30min的摩擦学试验，摩擦系数记录如表2所示，可以看出红柳木段和纯环氧树脂固化剂的摩擦系数在两种工况下均显著高于其它材料。对比例5中仅固化处理、仅浸泡1次六方氮化硼纳米材料溶液以及对比例6中仅灌注20次六方氮化硼纳米材料溶液，这些单一改性红柳木的方法，有限的提升了红柳木的减摩性能，一定程度降低了红柳木基复合材料的摩擦系数，但是相较灌注多次且固化处理的红柳木段则明显强化不足。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种木基减摩降振复合材料，其特征在于：包括多孔木基材料和通过固化材料封闭在多孔木基材料的微孔内的自润滑纳米材料。

2.根据权利要求1所述的木基减摩降振复合材料，其特征在于：所述多孔木材为红柳木材，所述自润滑纳米材料为自润滑二维纳米材料。

3.根据权利要求2所述的木基减摩降振复合材料，其特征在于：所述自润滑二维纳米材料是六方氮化硼纳米片、石墨烯及其衍生物、纳米二硫化钼以及黑鳞纳米片中的任意一种。

4.根据权利要求2所述的木基减摩降振复合材料，其特征在于：所述固化材料为环氧树脂固化剂，包括环氧树脂、固化剂和溶剂。

5.一种木基减摩降振复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、多孔木基材料准备，将多孔木基材料切割成所需尺寸大小，将切割后的多孔木基材料依次置于蒸馏水和挥发性溶剂中超声清洗后抛光处理，再次蒸馏水洗后干燥得到多孔木材；

步骤2、取自润滑二维纳米材料溶解于挥发性溶剂中，搅拌均匀后得到自润滑二维纳米材料溶液；

步骤3、将步骤1中得到的多孔木材浸入步骤2中得到的自润滑二维纳米材料溶液中，待多孔木材充分吸收溶胀灌注自润滑二维纳米材料后，将其烘干，得到灌注自润滑二维纳米材料的多孔木材；

步骤4、配置固化剂溶液，将环氧树脂、固化剂与溶剂按照比例混合，得到环氧树脂固化剂溶液；

步骤5、将灌注自润滑二维纳米材料的多孔木材浸泡于环氧树脂固化剂溶液中，并抽真空处理，待环氧树脂固化完全，取出多孔木材，得到灌注自润滑二维纳米材料和固化材料的多孔木材；

步骤6、将步骤5中得到的多孔木材进行抛光处理，抛去多孔木材表面环氧树脂，得到木基减摩降振复合材料。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，蒸馏水和挥发性溶剂中清洗时间均为30～60min，所述挥发性溶剂为无水乙醇。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，采用磁力搅拌得到自润滑二维纳米材料溶液，磁力搅拌时间为15～20min，搅拌速度为100～500r/min，搅拌温度为40℃～60℃。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，对多孔木材重复多次灌注、烘干处理，以得到灌注大量自润滑二维纳米材料溶液的多孔木材，烘干的方式为放入35℃～60℃恒温烘箱4～8h。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述环氧树脂固化剂溶液中，环氧树脂与溶剂质量比为3～10:5～15；固化剂质量为环氧树脂质量的60％～90％。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述多孔木基材料为红柳木，所述红柳木内部微孔为均匀分布的导管结构，步骤1中，沿垂直于导管结构方向将红柳木切割成厚度为1～20cm的红柳木段。

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