CN117207304A - 一种低摩擦系数材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生态材料技术领域，具体为一种低摩擦系数材料的制备方法，将原料在碱性溶液中浸泡后添加到混合液中进行水热反应去除木质素，随后添加粘结剂与具有润滑特性的添加剂，经处理后得到所述低摩擦系数材料；所述混合溶液为还原剂与碱性溶液的混合溶液；所述低摩擦系数材料中粘结剂的质量占比为0.1‑30％，添加剂的质量占比为0.1‑50％。得到的低摩擦系数材料具有更高的硬度和更低的摩擦系数。
Description
技术领域
本发明涉及生态材料技术领域，具体涉及一种低摩擦系数材料的制备方法。
背景技术
木材是当今世界四大材料(钢材、木材、塑料与水泥)中唯一具有可再生特性的材料，作为一种天然的聚合物基生物质，在漫长的岁月演化中，木材中进化出复杂的层级结构以适应严苛多变的环境，其层次结构跨越多个尺度数量级，各尺度结构分级有序排列，赋予其不同的性质与功能，因而，木材在运用于生产生活的场景中时，表现出良好的可视性(天然、美观的纹理)、出色的保温隔热性、优异的可加工性(可进行全部种类的机械加工)与环境友好等优点，展现出巨大的应用潜力。根据对木材分级多孔的微观结构的研究，许多木材改性手段被提出，如通过表面涂覆、热处理、密实化处理、浸渍处理等方法改善木材的力学、耐水、阻燃、耐磨、防腐等性能，以应用需求为导向，有的放矢地进行性能的强化，来得到质轻高强、综合性能优异的结构工程材料，应用于家居、土木工程、航空航天等领域，这对于经济发展与环境保护均具有重要意义。
在相互配合的机械体系中，零件间的摩擦调控十分重要，接触表面间的剧烈摩擦不但会造成能量的浪费，还会因磨损破坏构件的表面结构，从而导致配合体系失效，并造成整体生产效率降低。因此，在含有木材的机械配合体系中，木材与其他材料间的摩擦状况对体系构建至关重要，如何减少木材与其他材料间的摩擦磨损是其中的关键科学问题。目前，木材摩擦改性方法主要聚焦于表面构建，如在表面喷涂具有特定织构的纳米涂层以减少接触表面间的粘附，或在木材中浸渍具有润滑性质的液体以期其在摩擦过程中能渗入摩擦接触界面，发挥润滑作用。木材的表面改性常能达到立竿见影的效果，但却有性能下降快、长期使用稳定性差的弊端，因表面结构与木质基底间的界面连接相对脆弱，易在反复的高强度摩擦下被破坏而失效。随着人们对木材的需求越来越广泛，亟待开发一种低摩擦性和高硬度的木材改性手段。
发明内容
为提供低摩擦性和高硬度的木材的改性方法，本发明提供了一种低摩擦系数材料的制备方法。
一种低摩擦系数材料的制备方法，将原料在碱性溶液中浸泡后添加到混合液中进行水热反应去除木质素，随后添加粘结剂与具有润滑特性的添加剂，经处理后得到所述低摩擦系数材料；
所述混合溶液为还原剂与碱性溶液的混合溶液，所述碱性溶液的质量浓度为0.1％-30％；
所述低摩擦系数材料中粘结剂的质量占比为0.1-30％，添加剂的质量占比为0.1-50％。
优选的，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化锂溶液、氢氧化钙溶液、氨水、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或者多种的复合碱溶液。
优选的，所述混合液中还原剂和碱性溶液的质量比范围为1:1-5。
优选的，所述添加剂为聚四氟乙烯(PTFE)及其衍生物微粒、氧化锆陶瓷微粒、氮化硅陶瓷微粒、滑石粉、石墨烯、六方氮化硼中的一种或多种
优选的，所述粘结剂为海藻酸钠、环氧树脂、环糊精及其衍生物、氰基丙烯酸酯及其衍生物、酚醛低聚物、芳烃衍生物、聚合环醚衍生物、聚乙二醇、纤维素及其衍生物、多巴胺、聚偏氟乙烯中的一种或多种；
所述还原剂为水合肼、硼氢化钠、硼氢化钾、乙醇、亚硫酸铁、亚硫酸钾、亚硫酸氢钠、氯化锡、亚硫酸钠、镁、铝中的一种或多种。
优选的，所述原料包括天然木材、木头屑、干燥的草本植物。
优选的，当原料为天然木材时，制备的具体步骤为：
(7.1)将天然木材切片后加入碱性溶液中浸泡1-3日，浸泡后添加到所述混合液中，在50-200℃下进行反应2-10小时；
(7.2)反复冲洗完成步骤(7.1)的木材，直至溶液的pH值降至约7，得到多孔木材；
(7.3)将添加剂配置成0.1-30wt％的添加剂溶液，将粘结剂配置成0.1-10wt％的粘结剂溶液，将所述添加剂溶液和所述粘结剂溶液导入(7.2)的多孔木材中，得到复合木材；
(7.4)在常温下或40-150℃下在20-100MPa的压力为处理(7.3)的复合木材，使水分子沿压力方向被均匀地排出，得到所述低摩擦系数材料。
优选的，步骤(7.1)中天然木材与所述混合液的料液比为1:2-5。
优选的，步骤(5.3)中加压处理的压力为20-100MPa。
优选的，当原料为木头屑时，制备的具体步骤为：
(9.1)将木头屑粉碎得到木头屑粉末，木头屑粉末在碱性溶液中浸泡1-3日，浸泡后添加到所述混合液中，在50-200℃下进行反应2-10小时；
所述木头屑粉与所述混合液的料液比为1：2-5；
(9.2)反复冲洗完成步骤(9.1)的木头屑然后干燥得到前驱体粉末；
(9.3)将前驱体粉末与粘结剂和添加剂混匀并研磨，将混合粉末铺平，在常温高压条件或热压下得到所述低摩擦系数材料。
优选的，干燥时在30-100℃的条件下干燥或冷冻干燥。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明将原料置于碱性溶液中浸泡，表层的天然纤维素会发生碱化并生成易溶于碱液的碱纤维素，使纤维素网络结构发生溶胀而具有更疏松的结构而提升可及性，即反应性能的提升，为后续处理提供便利。将碱化处理后的木材浸泡于一定比例的亚硫酸钠碱性溶液中，在高温高压下进行水热反应，借助亚硫酸钠的磺化作用以及溶液、温度和压力的催化，使纤维素网络中难溶且具有更高强度的木质素转化为水溶性的木质素磺酸盐，从而在后续的漂洗中脱除木质素，使纤维素网络中成分更为干净均匀，便于在后续加压处理过程中，纤维素网络可以更加致密的贴合在一起形成块状结构，从而使得硬度得到提升，并且在摩擦过程中不会因夹杂在纤维素网络中的颗粒而使其摩擦系数增大。
2、本发明制备的低摩擦系数材料具有更高的硬度和更低的摩擦系数，木材的布氏硬度一般在18左右，而经过优化后的低摩擦系数材料布氏硬度接近30。此外，摩擦系数会有很大的变化，在5N载荷下木材的平均摩擦系数为0.25，且随着时间的延长摩擦系数有增长的趋势，而优化后的低摩擦系数材料在5N的载荷下，其平均摩擦系数为0.06且稳定性更高。
附图说明
图1为天然木材和本发明实施例1的低摩擦系数材料的布氏硬度值；
图2为天然木材和本发明实施例1的低摩擦系数材料的摩擦曲线。
注：图1-2中低摩擦系数复合木材代表是本发明的低摩擦系数材料。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的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。本发明各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
所述原料中的天然木材指的是成块的、非木头屑的木材。
实施例1
一种低摩擦系数材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将天然椴木切割成100×50×25mm大小的尺寸，在氢氧化钾溶液中浸泡1天，氢氧化钾溶液的质量浓度为0.1％，需将天然椴木完全浸泡在氢氧化钾溶液中，浸泡后将天然椴木添加到亚硫酸钾和氢氧化钾的混合液中，氢氧化钾的质量浓度为0.5％，在50℃下水热反应10小时，去除木质素；
混合液中亚硫酸钾与氢氧化钾的质量比为1:1，天然椴木与混合液的质量体积比为1:2。
(2)将水热反应完成后的椴木反复冲洗直至pH约为7，得到多孔木材。
(3)配制浓度为0.1wt％的PTFE溶液和浓度为0.1wt％的海藻酸钠溶液，将PTFE溶液和海藻酸钠溶液导入所述多孔木材中，得到复合木材。
(4)将复合木材放于压机中在常温下，在20MPa下压制除水，使水分子沿压力方向被均匀地排出，之后在60℃干燥得到所述低摩擦系数材料，所述低摩擦系数材料中PTFE的质量占比为30％，海藻酸钠的质量占比为10％。
实施例2
一种低摩擦系数材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将天然椴木切割成100×50×25mm大小的尺寸，在氢氧化钠溶液中浸泡2天，氢氧化钠溶液的质量浓度为5％，需将天然椴木完全浸泡在氢氧化钠溶液中，浸泡后将天然椴木添加到水合肼和氢氧化锂的混合液中，氢氧化锂的质量浓度为0.5％，在100℃下水热反应2小时，去除木质素；
混合液水合肼和氢氧化锂的质量比为1:3，天然椴木与混合液的质量体积比为1:3。
(2)将水热反应完成后的椴木反复冲洗直至pH约为7，得到多孔木材。
(3)配制浓度为10wt％的滑石粉溶液和浓度为5wt％的环氧树脂溶液，将滑石粉溶液和环氧树脂溶液导入所述多孔木材中，得到复合木材。
(4)将复合木材放于压机中在40℃下，在60MPa下压制除水，使水分子沿压力方向被均匀地排出，得到所述低摩擦系数材料，所述低摩擦系数材料中滑石粉的质量占比为0.1％，环氧树脂的质量占比为0.1％。
实施例3
一种低摩擦系数材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将天然椴木切割成100×50×25mm大小的尺寸，在氢氧化钙溶液中浸泡3天，氢氧化钙的质量浓度为10％，需将天然椴木完全浸泡在氢氧化钙溶液中，浸泡后将天然椴木添加到硼氢化钠和氨水的混合液中，氨水的质量浓度为10％，在200℃下水热反应5小时，去除木质素；
混合液中硼氢化钠与氨水的质量比为1:5，天然椴木与混合液的质量体积比为1:5。
(2)将水热反应完成后的椴木反复冲洗直至pH约为7，得到多孔木材。
(3)配制浓度为30wt％的氧化锆陶瓷微粒溶液和浓度为10wt％的聚乙二醇溶液，将氧化锆陶瓷微粒溶液和聚乙二醇溶液导入所述多孔木材中，得到复合木材。
(4)将复合木材放于压机中在150℃下，在100MPa下压制除水，使水分子沿压力方向被均匀地排出，得到所述低摩擦系数材料，所述低摩擦系数材料中氧化锆陶瓷微粒的质量占比为50％，聚乙二醇的质量占比为30％。
实施例4
一种低摩擦系数材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将天然椴木切割成100×50×25mm大小的尺寸，在氢氧化钾溶液中浸泡3天，氢氧化钾的质量浓度为20％，需将天然椴木完全浸泡在氢氧化钾溶液中，浸泡后将天然椴木添加到亚硫酸钾和氢氧化钾的混合液中，氢氧化钾的质量浓度为20％，在100℃下水热反应4小时，去除木质素；
混合液中亚硫酸钾与氢氧化钾的质量比为1:5，天然椴木与混合液的质量体积比为1:5。
(2)将水热反应完成后的椴木反复冲洗直至pH约为7，得到多孔木材。
(3)配制浓度为30wt％的PTFE溶液和浓度为10wt％的海藻酸钠溶液，将PTFE溶液和海藻酸钠溶液导入所述多孔木材中，得到复合木材。
(4)将复合木材放于压机中在100℃下，在60MPa下压制除水，使水分子沿压力方向被均匀地排出，得到所述低摩擦系数材料，所述低摩擦系数材料中PTFE的质量占比为30％，海藻酸钠的质量占比为10％。
实施例5
一种低摩擦系数材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将木头屑放入行星球磨机中球磨10min，然后将得到的木头屑粉末在氢氧化钾溶液中浸泡1天，氢氧化钾溶液的质量浓度为30％，浸泡后将木头屑粉末添加到氢氧化钾和亚硫酸钠的混合液中，氢氧化钾溶液的质量浓度为30％，超声混合并静置24h，并转移至水热釜内，在100℃的温度下反应4h。
(2)将完全反应后的含木头屑粉末溶液进行离心清洗直至pH约为7，将得到的粉末置于烘箱中在80℃干燥1h，得到前驱体粉末。
(3)称取石墨烯粉末10g同干燥完的前驱体粉末混合在一起，加入5mL的环氧树脂研磨10min，后迅速将其转移至特定的模具中，
(4)在压机中以室温和60MPa的压力下压制10h使其完全固化，最后进行脱模处理得到所述低摩擦系数材料，所述低摩擦系数材料中石墨烯的质量占比为30％，环氧树脂的质量占比为10％。
实施例6
实施例6与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中将天然竹子切割成100×50×25mm大小的尺寸，其余条件与步骤均匀实施例1相同。
对比例1
将天然椴木切割成100×50×25mm大小的尺寸，于真空烘箱中60℃真空烘制1天，尽可能除去木材中的水分，用以作为后续摩擦实验的对比样。
效果验证
将对比例1与实施例4的得到的材料进行摩擦性能测试，摩擦性能测试工作在通用摩擦磨损试验机上完成，使用的是往复模块，在空气、常温氛围下以球-盘模拟的点-面接触模式进行。测试前需要使用热熔胶将需测试的材料(下摩擦副)牢牢固定在底座上，用夹具将上摩擦副球夹紧，确保盘与球在往复运动过程中不会与底座或夹具发生相对运动，测试时以摩擦试验机记录的实时摩擦系数作为润滑性能的判据。
结果如图1和图2所示，对比例1的布氏硬度值和摩擦系数分别为18.56和0.25，实施例4的布氏硬度值为29.35和0.06。
由上述可知，本发明制备的低摩擦系数材料具有更高的硬度和更低的摩擦系数，未经改性的天然木材，其布氏硬度一般在18左右，而经过优化后的低摩擦系数材料布氏硬度接近30。此外，摩擦系数会有很大的变化，在5N载荷下木材的平均摩擦系数为0.25，且随着时间的延长摩擦系数有增长的趋势，而优化后的低摩擦系数材料在5N的载荷下，其平均摩擦系数为0.06且稳定性更高。
需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种低摩擦系数材料的制备方法，其特征在于，将原料在碱性溶液中浸泡后添加到混合液中进行加热反应去除木质素，随后添加粘结剂与具有润滑特性的添加剂，经压制处理后得到所述低摩擦系数材料；
所述混合溶液为还原剂与碱性溶液的混合溶液；
所述低摩擦系数材料中粘结剂的质量占比为0.1-30％，添加剂的质量占比为0.1-50％。
2.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数材料的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化锂溶液、氢氧化钙溶液、氨水、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或者多种的复合碱溶液。
3.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数材料的制备方法，其特征在于，所述混合液中还原剂和碱性溶液的质量比为1:1-5。
4.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数材料的制备方法，其特征在于，所述添加剂为聚四氟乙烯及其衍生物微粒、氧化锆陶瓷微粒、氮化硅陶瓷微粒、滑石粉、石墨烯、六方氮化硼中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种低摩擦系数材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为海藻酸钠、环氧树脂、环糊精及其衍生物、氰基丙烯酸酯及其衍生物、酚醛低聚物、芳烃衍生物、聚合环醚衍生物、聚乙二醇、纤维素及其衍生物、多巴胺、聚偏氟乙烯中的一种或多种；
所述还原剂为水合肼、硼氢化钠、硼氢化钾、乙醇、亚硫酸铁、亚硫酸钾、亚硫酸氢钠、氯化锡、亚硫酸钠、镁、铝中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的一种低摩擦系数材料的制备方法，其特征在于，所述原料包括天然木材、木头屑、干燥的草本植物。
7.根据权利要求6所述的一种低摩擦系数材料的制备方法，其特征在于，当原料为天然木材时，制备的具体步骤为：
(7.1)将天然木材切片后加入碱性溶液中浸泡1-3日，浸泡后添加到所述混合液中，在50-200℃下进行反应2-10小时；
(7.2)反复冲洗完成步骤(7.1)的木材，直至溶液的pH值降至约7，得到多孔木材；
(7.3)将添加剂配置成0.1-30wt％的添加剂溶液，将粘结剂配置成0.1-10wt％的粘结剂溶液，将所述添加剂溶液和所述粘结剂溶液导入(7.2)的多孔木材中，得到复合木材；
(7.4)在常温下或40-150℃下在20-100MPa的压力为处理(7.3)的复合木材，使水分子沿压力方向被均匀地排出，得到所述低摩擦系数材料。
8.根据权利要求7所述的一种低摩擦系数材料的制备方法，其特征在于，步骤(7.1)中天然木材与所述混合液的料液比为1:2-5。
9.根据权利要求6所述的一种低摩擦系数材料的制备方法，其特征在于，当原料为木头屑时，制备的具体步骤为：
(9.1)将木头屑粉碎得到木头屑粉末，木头屑粉末在碱性溶液中浸泡1-3日，浸泡后添加到所述混合液中，在50-200℃下进行反应2-10小时；
所述木头屑粉与所述混合液的料液比为1：2-5；
(9.2)反复冲洗完成步骤(9.1)的木头屑然后干燥得到前驱体粉末；
(9.3)将前驱体粉末与粘结剂和添加剂混匀并研磨，将混合粉末铺平，在常温高压条件或热压下得到所述低摩擦系数材料。
10.根据权利要求9所述的一种低摩擦系数材料的制备方法，其特征在于，干燥时在30-100℃的条件下干燥或冷冻干燥。
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