CN114015072B - 一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：称取氯化胆碱和二水草酸混合；步骤2：称取步骤1的混合物与木粉混合，后高温加热条件下充分搅拌使其溶解，直至形成粘稠液体；步骤3：将粘稠液体与蒸馏水混合，搅拌至混合均匀，后进行过滤并清洗；步骤4：步骤3得到的固体物质与蒸馏水混合，破碎处理直至均匀，得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，抽滤、成型，即得到木质纤维素基摩擦材料树脂片；本发明原料来源广泛，制备过程简单，成本低廉，无污染，所制备的源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料具有优异的摩擦学性能，柔韧性、水稳定性好，耐磨性高，可回收，可降解。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，涉及摩擦材料及其制备方法，具体涉及一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料及其制备方法。
背景技术
近年来，可降解树脂基摩擦材料成为研究其领域的热点，源于生物质材料的可生物降解树脂材料具有极大开发潜力。由生物质原料(如木质素、纤维素和半纤维素)合成的生物塑料可以降低人们对石油的过渡依赖并减少温室气体的排放。这种塑料的合成方法多样，如脱木质素法、化学交联和天然纤维改性法等，木质素被认为是最具有开发潜力的一类生物质原料。
现有技术公开了一种可重塑与降解生物质苯并噁嗪树脂及其制备方法，以生物质癸二胺、异丁香酚为原料，通过曼尼希反应合成全生物质苯并噁嗪单体；将其与席夫碱单体共聚，经过固化即可得到具有重塑、降解功能的生物质苯并噁嗪树脂；生物质可降解树脂基材料都有着繁琐的制备步骤，同时单一树脂固化后的性能得不到有效保证，必须进行各种改性和填充处理，无疑增加了制备成本，这些方法不仅加工步骤繁琐，还会用到一些有毒化学品，可能对人体产生危害，而且制造成本颇高。
现有技术还公开了一种可完全生物降解塑料树脂及其薄膜类制品的生产方法，其组成成分有薄膜级聚乙烯和薄膜级聚乳酸，薄膜级聚乙烯的重量百分数是50％～80％，薄膜级聚乳酸的重量百分数是20％～50％。薄膜级聚乙烯是不可被微生物降解的，而生物降解型塑料如聚乳酸具有较高的制造成本。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料及其制备方法，原料来源广泛，制备过程简单，成本低廉，环保无污染，所制备的材料具有优异的摩擦学性能，柔韧性及水稳定性好，耐磨性高，可回收，可降解。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按物质的量比(1～3)：1称取氯化胆碱和二水草酸混合；
步骤2：按质量比(15～20)：1称取步骤1的混合物与木粉混合，后在80～110℃高温加热条件下充分搅拌使其溶解，直至形成粘稠液体；
步骤3：按体积比1：(10～15)将粘稠液体与蒸馏水混合，搅拌至混合均匀，后进行抽滤并清洗；
步骤4：按质量比1：(80～100)将步骤3得到的固体物质与蒸馏水混合，破碎处理直至均匀，得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，抽滤、成型，即得到木质纤维素基摩擦材料树脂片。
本发明还具有以下技术特征：
优选的，所述的步骤2中的搅拌为使用磁力搅拌器搅拌2.5～3.5h。
优选的，所述的步骤3中的搅拌为使用磁力搅拌器搅拌2～3h。
优选的，所述的步骤3中的清洗方法为抽滤过程中用蒸馏水冲洗固体物质3～5次。
优选的，所述的步骤4中的破碎处理为超声处理30～60min。
优选的，所述的步骤4中的成型方法为抽滤成圆片状并在室温下烘干或用热压机和模具将其压制成板状。
优选的，将步骤4中木质纤维素树脂基浆料漂白处理至浆料呈乳白色，后进行破碎、成型。
进一步的，所述的漂白处理为向木质纤维素树脂基浆料中加入亚氯酸钠和乙酸，其中亚氯酸钠、乙酸以及木质纤维素树脂基浆料的含量取值为2g/0.5mL/(80～100)mL，并在100℃下持续加热搅拌3～6小时。
优选的，将得到木质纤维素基摩擦材料树脂片分别用硅油与葵花籽油浸泡处理72h。
本发明还保护一种采用如上所述的方法制备的源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明的制备方法非常简单，无需多余的除杂步骤，整个制备过程所使用的溶剂护色环保无污染，只需要通过简单地溶解木粉，木质素再生，漂白，成型，油性浸泡即可制备；
本发明制备的木质纤维素基摩擦材料显示出高机械强度、优异的水稳定性、和改善的热稳定性。木质纤维素基摩擦材料薄膜的拉伸强度高达50Mpa以上，树脂片在300min的磨损时间下任然保持着表面结构的稳定，其特征在于再生木质素和纤维素微/纳米纤维之间的纳米级缠结和氢键，由于相互纠缠的微/纳米纤维素自身起到增强相的作用，再生木质素通过氢键和范德华力与微/纳米纤维素产生了相互作用，形成了强大的交联结构，抽滤使其结构更加致密，赋予木质纤维素基摩擦材料优异的力学性能；由于片层木质纤维素的致密结构，水分子很难侵入材料内部，所以其在水中具有良好的稳定性；对木质纤维素摩擦材料进行热重分析后，发现其在300℃以下质量损失很小，具有良好热稳定性，只有在较高温度下，才能破坏材料的木质-纤维素交联结构，并快速使其发生碳化而造成质量的快速损失；
本发明所使用的原料为废弃木料，废弃木料作为典型的生物质绿色天然材料，具有来源广泛，储量大，绿色环保，价廉易得；
本发明由生物质原料(如木质素、纤维素和半纤维素)合成的生物塑料可以降低人们对石油的过渡依赖并减少温室气体的排放，从而达到国家提倡的可持续发展的目的以及环境保护的政策；
本发明所制备的材料具有极高的可持性，不仅可以使用实验室方法进行回收，而且由于其本身的物质组成为木质素，纤维素和半纤维素，在自然环境中可以被微生物降解，从而成为植物自身发生长的肥料。
附图说明
图1是本发明所制备的木质纤维素树脂薄片的红外光谱图；
图2是本发明所制备的木质纤维素树脂薄片的摩擦系数曲线图；
图3是本发明所制备的木质纤维素树脂薄片的摩擦系数/磨痕宽度汇总图；
图4是LCF树脂浆料的制备和回收实验展示图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。
实施例1
一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将13g的氯化胆碱、12g的二水草酸和1.5g杨木进行混合，并在100℃条件下持续加热搅拌2.5小时，直到形成粘稠液体；
步骤2：将粘稠液体转移到干净的烧杯，按体积比1：10加入250mL蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌2小时后进行抽滤、用蒸馏水冲洗固体物质3次；
步骤3：按质量比1：90对得到的固体物质加水后进行超声处理30min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，然后以抽滤法制成圆片状，在室温下烘干，即得到LCF树脂片。
实施例2
一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将13g的氯化胆碱、12g的二水草酸和1.25g杨木粉进行混合，并在110℃条件下持续加热3小时，直到形成粘稠液体；
步骤2：将粘稠液体转移到干净的烧杯，按体积比1：13加入300mL蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌3小时后进行抽滤、用蒸馏水冲洗固体物质5次；
步骤3：按质量比1：80对得到的固体物质加水后，每100ml加入2g亚氯酸钠和0.5mL乙酸，在100℃下持续加热搅拌3小时漂白至乳白色，然后在进行破碎处理40min，即可得到粘稠的乳白色树脂浆料，再以抽滤法制成片状，在室温下烘干，即可得到BLCF树脂片。
实施例3
一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将26g的氯化胆碱、26g的二水草酸和3g杨木进行混合，并在110℃条件下持续加热3时，直到形成粘稠液体；
步骤2：将粘稠液体转移到干净的烧杯，按体积比1：15加入500mL蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌2小时后进行抽滤、用蒸馏水冲洗固体物质4次；
步骤3：按质量比1：100对得到的固体物质加水后，每80ml加入2g亚氯酸钠和0.5mL乙酸为催化剂，在100℃下持续加热搅拌6小时漂白至乳白色，然后进行破碎处理60min，即可得到粘稠的乳白色树脂浆料，在以抽滤法制成片状，在室温下烘干，即可得到BLCF树脂片；
步骤4：对BLCF薄膜分别用硅油与葵花籽油浸泡处理72小时。
实施例4
一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将15g的氯化胆碱、15g的二水草酸和2g杨木粉进行混合，并在110℃条件下持续加热2.5小时，直到形成粘稠液体；
步骤2：将粘稠液体转移到干净的烧杯，按体积比1：12加入300mL蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌2.5小时后进行抽滤、用蒸馏水冲洗固体物质3次；
步骤3：按质量比1：80对得到的固体物质加水后进行破碎处理50min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，然后以抽滤法制成圆片状，在室温下烘干，即得到LCF树脂片；
步骤4：对LCF树脂片分别用硅油与葵花籽油浸泡处理72小时。
实施例5
一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将15g的氯化胆碱、5g的二水草酸和1.2g杨木粉进行混合，并在80℃条件下持续加热3.5小时，直到形成粘稠液体；
步骤2：将粘稠液体转移到干净的烧杯，按体积比1：10加入250mL蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌2.5小时后进行过滤用蒸馏水冲洗固体物质4次；
步骤3：按质量比1：90对得到的固体物质加水后进行破碎处理30min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，然后采用真空抽滤法抽取浆料中多余的水分，用热压机和相应模具将其压制成板状。
实施例6
一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将26g的氯化胆碱、13g的二水草酸和2g杨木进行混合，并在90℃条件下持续加热3.5时，直到形成粘稠液体；
步骤2：将粘稠液体转移到干净的烧杯，按体积比1：15加入500mL蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌3小时后进行抽滤、用蒸馏水冲洗固体物质4次；
步骤3：按质量比1：100对得到的固体物质加水后，每90ml加入2g亚氯酸钠和0.5mL乙酸为催化剂，在100℃下持续加热搅拌4小时漂白至乳白色，然后进行破碎处理50min，即可得到粘稠的乳白色树脂浆料，在以抽滤法制成片状，在室温下烘干，即可得到BLCF树脂片；
步骤4：对BLCF薄膜分别用硅油与葵花籽油浸泡处理72小时。
图1是实施例1和实施例2分别制备的木质纤维素基摩擦材料的红外光谱图，木质纤维素基摩擦材料的吸收峰位于1612、1518和4cm-1处，这归因于木质素的芳香骨架的振动，进一步表明木质纤维素生物塑料中存在木质素；木质纤维素基摩擦材料的一个新吸收峰也出现在1728cm-1，对应于羰基的C＝O拉伸，表明在DES处理过程中草酸部分酯化纤维素羟基，有利于其交联结构的形成。
图2是实施例1和实施例3所制备的木质纤维素基摩擦材料的摩擦系数曲线图，在300min的长时间摩擦磨损实验下，两个木质纤维素基摩擦材料的摩擦系数都相对稳定，其中的插图显示两个样品的宏观磨痕照片和光镜下的磨痕照片，可以明显看出木质纤维素基摩擦材料的表面磨痕形貌，在摩擦磨损实验结束后，其表面磨损较小。
图3是实施例1和实施例3摩擦磨损实验的平均摩擦系数-磨痕宽度汇总图，两种木质纤维素基摩擦材料的平均摩擦系数分别为0.35和0.21，磨痕宽度为0.42mm，说明所制备的木质纤维素基摩擦材料具有较大的表面硬度，这也是其高耐磨的基础。
图4从木粉到木质纤维素基摩擦材料的制备，再到废弃物材料的回收利用过程展示，通过简单的破碎处理和加水解构就可以对木质纤维素基摩擦材料进行回收。
需要说明的是，以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。
Claims (5)
1.一种源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按物质的量比（1～3）：1称取氯化胆碱和二水草酸混合；
步骤2：按质量比（15～20）：1称取步骤1的混合物与木粉混合，后在80～110℃高温加热条件下充分搅拌使其溶解，直至形成粘稠液体；
步骤3：按体积比1：（10～15）将粘稠液体与蒸馏水混合，搅拌至混合均匀，后进行抽滤并清洗；
步骤4：按质量比1：（80～100）将步骤3得到的固体物质与蒸馏水混合，加入亚氯酸钠和乙酸，其中亚氯酸钠、乙酸以及木质纤维素树脂基浆料的含量取值为2g/0.5mL/(80～100)mL，并在100℃下持续加热搅拌3～6小时漂白至乳白色，然后破碎处理直至均匀，得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，将浆料抽滤成圆片状并在室温下烘干或者将浆料用热压机和模具压制成板状；将得到的片状或者板状的产品分别用硅油与葵花籽油浸泡处理72h，即得到木质纤维素基摩擦材料；
所述的步骤4中的破碎处理为超声处理30～60min。
2.如权利要求1所述的源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中的搅拌为使用磁力搅拌器搅拌2.5～3.5h。
3.如权利要求1所述的源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中的搅拌为使用磁力搅拌器搅拌2～3h。
4.如权利要求1所述的源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中的清洗方法为抽滤过程中用蒸馏水冲洗固体物质3～5次。
5.一种采用权利要求1至4中任一项所述方法制备得到的源于废弃木材的高耐磨木质纤维素基摩擦材料。
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