一种稀土改性纸基摩擦材料的制备方法
【专利摘要】一种稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，将腰果壳油改性酚醛树脂溶于无水乙醇中得A溶液；将多壁碳纳米管分散在十二烷基磺酸钠水溶液中得悬浮液B；将稀土元素的硝酸盐溶液加入到悬浮液B中得到悬浮液C；将短切碳纤维、竹纤维和硅藻土分散在水中再加入悬浮液C得D溶液；将D溶液疏解后抄片并干燥得到样片；将样片浸渍于A溶液后取出晾干，热压成型，即得到稀土改性纸基摩擦材料。本发明中稀土元素与碳纳米管充分结合，作为整体发挥作用，制备出单层纸基摩擦材料，工艺简单易控，克服了现有技术所制备的摩擦材料表面不平整、各组分界面结合不牢固以及摩擦性能不稳定的问题，大大提高了纸基摩擦材料的摩擦性能，有效降低磨损率。
【专利说明】一种稀土改性纸基摩擦材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于摩擦材料领域，涉及一种改性纸基摩擦材料的制备方法，特别涉及一种稀土改性纸基摩擦材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]湿式摩擦材料指工作于润滑介质(主要是润滑油)中的摩擦材料，主要应用于自动变速器、差速器、扭矩管理器和同步器等湿式传动系统中[P.Marklund, R.Larsson.Tribology International, 2008, 41:824 - 830.]。由于使用条件不同，传动系统的速度、压力和载荷差别很大，单一某种材料难以满足所有工况使用要求，从而发展出多种湿式摩擦材料,主要包括软木橡胶基摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、纸基摩擦材料和碳/碳复合材料
坐寸ο
[0003]纸基摩擦材料主要由纤维、粘结剂、填料、摩擦性能调节剂等组成，通常采用造纸的方式生产制造，故此称其为“纸基”摩擦材料[任刚，邓海金，李明.汽车技术，2004(11):1-4.]。由于其具有摩擦系数高、摩擦性能稳定、动静摩擦系数比可调、耐磨损性能良好、能量吸收能力高等诸多优良性能而被广泛应用各类重型车辆和工程机械的湿式离合器和制动器中，特别是作为汽车自动变速器中湿式离合器的摩擦片材料。随着车辆向高速、重载荷、轻污染等方向发展，对纸基材料的发展也提出了更高的要求，研究者们已经在纸基材料组成和结构设计方面做出了一些努力和成效[Kim S J，Cho M H，Lim D S，et al.Wear,2001，(251):1484?1491]。稀土元素电负性低，在摩擦表面易形成富集。稀土对碳氮共渗有催渗作用，使渗层表现出极好的耐磨抗蚀性[薛茂权，熊党生，闻杰.稀土润滑材料的摩擦学研究[J].稀有金属，2004，28 (I):248-251]。在聚合物中添加稀土化合物，可以显著改善其物理机械性能及耐磨性。熊党生等[熊党生，陈磊，王振中.La2O3填充PAlOlO复合材料的摩擦磨损性能[J].中国有色金属学报，2001，11(4):611-615]考察了含不同稀土化合物的尼龙1010复合材料的摩擦磨损性能，认为稀土化合物在摩擦过程中产生分解并发生摩擦化学反应，增强转移膜与偶件表面之间的结合力，从而改善复合材料的耐磨性。薛玉君、程先华[Xue Y J, Cheng X H.Tensile properties of glass fiber reinforcedPTFE using a rare-earth surface modifier[J].Journal of Materials ScienceLetters, 2001, 20(18): 1729-1731]研究了稀土表面改性对玻璃纤维增强PTFE复合材料摩擦学性能的影响，研究结果发现通过稀土改性的玻璃纤维填充PTFE复合材料的耐磨性能最好，摩擦系数和摩擦表面温度最低，主要以粘着和轻微的磨粒磨损为主；稀土处理增加了玻璃纤维与聚合物之间的粘合性能，改变了材料内部的相结构。目前，有关稀土化合物的特性及其在摩擦学中的应用研究已经开展了大量工作，并取得一定的进展，但也存在一些问题值得深入研究。例如，除了玻璃纤维之外，稀土对其他无机纤维进行表面改性处理的效果；稀土表面处理对无机纤维增强树脂基复合材料界面的作用机理；稀土改善复合材料摩擦学性能的机制等。同时稀土化合物还没有应用在纸基摩擦材料中。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，该方法工艺简单易控，能够通过添加稀土元素提高纸基摩擦材料的摩擦性能。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤:
[0006]步骤一:将每0.7g?3.0g的腰果壳油改性酚醛树脂溶解在每50?IOOmL的无水乙醇中，得酚醛树脂溶液，静置，封口保存，得到A溶液；
[0007]步骤二:将每0.5?8g的多壁碳纳米管分散在每100?500mL的十二烷基磺酸钠水溶液中，搅拌至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B ;再向每100?500mL的悬浮液B中加入50?IOOmL的质量浓度为1%?4%的稀土元素的硝酸盐溶液，得到悬浮液C ；
[0008]步骤三:向每50?IOOmL的水中加入6?14g的短切碳纤维、5?12g的竹纤维和I?5g的硅藻土，分散均匀，得混合溶液，再将悬浮液C加入到混合溶液中得D溶液，其中每加入6?14g短切碳纤维时加入80?400g悬浮液C ；
[0009]步骤四:将D溶液进行疏解，然后将疏解后的D溶液抄片并干燥，得到样片；或者将疏解后的D溶液进行抽滤，将滤饼干燥，得到样片；
[0010]步骤五:将样片浸溃于A溶液后取出晾干，然后热压成型，即得到稀土改性纸基摩擦材料。
[0011]所述步骤一中的静置时间为20h?30h。
[0012]所述步骤二中多壁碳纳米管的直径为30?50nm。
[0013]所述步骤二中十二烷基磺酸钠水溶液的质量浓度为0.1%?0.5%。
[0014]所述步骤二中的稀土元素的硝酸盐溶液是将硝酸铈、硝酸镧或硝酸钇溶解于水中，搅拌均匀后得到的。
[0015]所述步骤三中短切碳纤维的直径为8?15 μ m。
[0016]所述步骤三中竹纤维的打浆度为75?90。SR。
[0017]所述步骤四中疏解的为将D溶液倒入疏解机中分散800?2000r。
[0018]所述步骤五中热压成型的温度为150?180°C，时间为10?20min，压力为3?8MPa0
[0019]所述步骤五中使用硫化机进行热压成型操作。
[0020]相对于现有技术，本发明使得有益效果为:
[0021]本发明提供了一种通过添加稀土元素来有效提高湿式摩擦材料的摩擦性能的稀土改性纸基摩擦材料的制备方法。向由多壁碳纳米管得到的悬浮液B中加入稀土元素的硝酸盐溶液得到悬浮液C，然后将短切碳纤维、竹纤维以及硅藻土在水中分散均匀，再加入悬浮液C，采用造纸的工艺制备成样片，或采用抽滤操作制备成样片，再将样片浸溃由腰果壳油改性酚醛树脂得到的A溶液，待干燥后热压固化，最终制备成稀土改性纸基摩擦材料。并且通过控制各种组分的含量，可以获得不同摩擦系数和磨损率的稀土改性纸基摩擦材料。本发明工艺简单易控，将稀土元素作为原料与碳纳米管混合在一起，使其充分结合，作为一个整体发挥作用，制备出单层的稀土改性纸基摩擦材料。本发明一方面可以克服现有技术制备的摩擦材料表面不平整、各组分界面结合不牢固以及摩擦性能不稳定的问题，将稀土元素应用在纸基摩擦材料中，与碳纳米管共同作用能够大大改善纸基摩擦材料的平整度以及各组分之间的界面结合强度；而且当采用抽滤操作制备样片时，能够实现整个成片过程零水参与，克服现有技术中只能在水相中制备纸基摩擦材料的不足，使得在制备纸基摩擦材料时D溶液不易沉降和絮聚；另一方面能够大大提高纸基摩擦材料的摩擦性能，有效降低磨损率，制备出的稀土改性纸基摩擦材料各组分之间的界面结合非常牢固，其表面平整光滑、磨损率低、摩擦系数高、摩擦噪音小、摩擦性能稳定、材料热传导性好。通过QM1000-1I型摩擦实验机所测得的动摩擦系数可以由0.12提高到0.14，磨损率可以由5.0X 10_8降到
1.4 X 10_8，具有良好的大规模工业生产潜力。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为实施例3制备出的稀土改性纸基摩擦材料表面的扫描电镜图片。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
[0024]本发明中使用的腰果壳油改性酚醛树脂来自山东圣泉化工股份有限公司，型号为PF-6291A ;多壁碳纳米管来自清华大学化工系反应工程实验室；短切碳纤维来自鞍山塞诺达碳纤维有限公司。
[0025]实施例1:
[0026]步骤一:取0.7g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在60mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置20h，封口保存，得到A溶液；
[0027]步骤二:将0.5g直径为30?50nm的多壁碳纳米管分散在IOOmL质量浓度为0.1%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌4小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B，再将50mL的质量浓度为1%的稀土元素的硝酸盐溶液(将硝酸铈溶解于水中，搅拌均匀后得到的，硝酸铈的质量浓度为1%)加入到IOOmL的悬浮液B中，得到悬浮液C ;
[0028]步骤三:向每50mL的水中加入6g直径为8?15 μ m的短切碳纤维、5g打衆度为75。SR的竹纤维和Ig硅藻土，分散均匀，得混合溶液，再取80g悬浮液C倒入混合溶液中得D溶液；
[0029]步骤四:将D溶液倒入疏解机中分散800r，取出疏解后的D溶液，在抄片机上抄片并干燥，得到样片；
[0030]步骤五:将样片浸溃于A溶液中IOmin后取出自然晾干，于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为150°C，热压时间为lOmin，热压压力为3MPa，即得到摩擦性能稳定的稀土改性纸基摩擦材料。
[0031]实施例2:
[0032]步骤一:取1.2g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在70mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置24h，封口保存，得到A溶液；
[0033]步骤二:将Ig直径为30?50nm的多壁碳纳米管分散在170mL质量浓度为0.2%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌5小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B，再将60mL的质量浓度为2%的稀土元素的硝酸盐溶液(将硝酸镧溶解于水中，搅拌均匀后得到的，硝酸镧的质量浓度为1%)加入到170mL的悬浮液B中，得到悬浮液C ；
[0034]步骤三:向每60mL的水中加入8g直径为8?15 μ m的短切碳纤维、7g打浆度为78。SR的竹纤维和1.5g硅藻土，分散均匀，得混合溶液，再取IOOg悬浮液C倒入混合溶液中得D溶液；
[0035]步骤四:将D溶液倒入疏解机中分散lOOOr，取出疏解后的D溶液，在抄片机上抄片并干燥，得到样片；
[0036]步骤五:将样片浸溃于A溶液中15min后取出自然晾干，于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为155°C，热压时间为12min，热压压力为4MPa，即得到摩擦性能稳定的稀土改性纸基摩擦材料。
[0037]实施例3:
[0038]步骤一:取2.25g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在80mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置26h，封口保存，得到A溶液；
[0039]步骤二:将2.5g直径为30?50nm的多壁碳纳米管分散在250mL质量浓度为0.3%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌5.5小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B，再将70mL的质量浓度为3%的稀土元素的硝酸盐溶液(将硝酸铈溶解于水中，搅拌均匀后得到的，硝酸铈的质量浓度为1%)加入到250mL的悬浮液B中，得到悬浮液C ；
[0040]步骤三:向每70mL的水中加入IOg直径为8?15 μ m的短切碳纤维、9g打浆度为80。SR的竹纤维和2.5g硅藻土，分散均匀，得混合溶液，再取200g悬浮液C倒入混合溶液中得D溶液；
[0041]步骤四:将D溶液倒入疏解机中分散1500r，取出疏解后的D溶液，在抄片机上抄片并干燥，得到样片；
[0042]步骤五:将样片浸溃于A溶液中20min后取出自然晾干，于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为160°C，热压时间为15min，热压压力为5MPa，即得到摩擦性能稳定的稀土改性纸基摩擦材料。
[0043]图1为本实施例制备出的稀土改性纸基摩擦材料表面的扫描电镜图片。从图1中可以看到，所制备的稀土改性纸基摩擦材料界面结合紧密，表面相当平整，多壁碳纳米管以及竹纤维紧密包裹在短切碳纤维表面。
[0044]实施例4:
[0045]步骤一:取3g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在90mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置30h，封口保存，得到A溶液；
[0046]步骤二:将4.8g直径为30?50nm的多壁碳纳米管分散在500mL质量浓度为0.5%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌6小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B，再将SOmL的质量浓度为3.5%的稀土元素的硝酸盐溶液(将硝酸镧溶解于水中，搅拌均匀后得到的，硝酸镧的质量浓度为1%)加入到500mL的悬浮液B中，得到悬浮液C ;
[0047]步骤三:向每80mL的水中加入13g直径为8?15 μ m的短切碳纤维、Ilg打浆度为85。SR的竹纤维和3g硅藻土，分散均匀，得混合溶液，再取300g悬浮液C倒入混合溶液中得D溶液；
[0048]步骤四:将D溶液倒入疏解机中分散2000r，取出疏解后的D溶液，在抄片机上抄片并干燥，得到样片；
[0049]步骤五:将样片浸溃于A溶液中25min后取出自然晾干，于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为170°C，热压时间为18min，热压压力为6MPa，即得到摩擦性能稳定的稀土改性纸基摩擦材料。[0050]实施例5:
[0051]步骤一:取2g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在120mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置22h，封口保存，得到A溶液；
[0052]步骤二:将8g直径为30~50nm的多壁碳纳米管分散在300ml质量浓度为0.4%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌5小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B，再将90mL的质量浓度为4%的稀土元素的硝酸盐溶液(将硝酸钇溶解于水中，搅拌均匀后得到的，硝酸钇的质量浓度为1%)加入到300mL的悬浮液B中，得到悬浮液C ；
[0053]步骤三:向每90mL的水中加入14g直径为8~15 μ m的短切碳纤维、12g打浆度为90。SR的竹纤维和5g硅藻土，分散均匀，得混合溶液，再取400g悬浮液C倒入混合溶液中得D溶液；
[0054]步骤四:将D溶液倒入疏解机中分散1200r，取出疏解后的D溶液，在抄片机上抄片并干燥，得到样片；
[0055]步骤五:将样片浸溃于A溶液中30min后取出自然晾干，于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为180°C，热压时间为20min，热压压力为8MPa，即得到摩擦性能稳定的稀土改性纸基摩擦材料。
[0056]实施例6:
[0057]步骤一:取2.7g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在50mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置28h，封口保存，得到A溶液；
[0058]步骤二:将6g直径为30~50nm的多壁碳纳米管分散在400ml质量浓度为0.25%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌5小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B，再将IOOmL的质量浓度为2.5%的稀土元素的硝酸盐溶液(将硝酸钇溶解于水中，搅拌均匀后得到的，硝酸钇的质量浓度为1%)加入到400mL的悬浮液B中，得到悬浮液C ；
[0059]步骤三:向每IOOmL的水中加入11.5g直径为8~15 μ m的短切碳纤维、8g打浆度为82。SR的竹纤维和4g硅藻土，分散均匀，得混合溶液，再取250g悬浮液C倒入混合溶液中得D溶液；
[0060]步骤四:将D溶液倒入疏解机中分散1800r，取出疏解后的D溶液，将漏斗、抽滤瓶、循环水泵三者密封连接，将滤纸贴紧漏斗底部，开启水泵，再将疏解好的配料倒入漏斗中进行抽滤，抽滤结束后将滤饼进行干燥，得到样片；
[0061]步骤五:将样片浸溃于A溶液中30min后取出自然晾干，于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为175°C，热压时间为13min，热压压力为7MPa，即得到摩擦性能稳定的稀土改性纸基摩擦材料。
[0062]本发明制备出的稀土改性纸基摩擦材料各组分之间的界面结合非常牢固，其表面平整光滑、磨损率低、摩擦系数高、摩擦噪音小、摩擦性能稳定、材料热传导性好,通过QM1000-1I型摩擦实验机所测得的动摩擦系数可以由0.12提高到0.14，磨损率可以由5.0Χ10-8 降到 1.4Χ10Λ
【权利要求】
1.一种稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一:将每0.7g?3.0g的腰果壳油改性酚醛树脂溶解在每50?IOOmL的无水乙醇中，得酚醛树脂溶液，静置，封口保存，得到A溶液； 步骤二:将每0.5?8g的多壁碳纳米管分散在每100?500mL的十二烷基磺酸钠水溶液中，搅拌至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B ;再向每100?500mL的悬浮液B中加入50?IOOmL的质量浓度为1%?4%的稀土元素的硝酸盐溶液，得到悬浮液C ； 步骤三:向每50?IOOmL的水中加入6?14g的短切碳纤维、5?12g的竹纤维和I?5g的硅藻土，分散均匀，得混合溶液，再将悬浮液C加入到混合溶液中得D溶液，其中每加入6?14g短切碳纤维时加入80?400g悬浮液C ； 步骤四:将D溶液进行疏解，然后将疏解后的D溶液抄片并干燥，得到样片；或者将疏解后的D溶液进行抽滤，将滤饼干燥，得到样片； 步骤五:将样片浸溃于A溶液后取出晾干，然后热压成型，即得到稀土改性纸基摩擦材料。
2.根据权利要求1所述的稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤一中的静置时间为20h?30h。
3.根据权利要求1所述的稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤二中多壁碳纳米管的直径为30?50nm。
4.根据权利要求1或3所述的稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤二中十二烷基磺酸钠水溶液的质量浓度为0.1%?0.5%。
5.根据权利要求1或3所述的稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤二中的稀土元素的硝酸盐溶液是将硝酸铈、硝酸镧或硝酸钇溶解于水中，搅拌均匀后得到的。
6.根据权利要求1所述的稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤三中短切碳纤维的直径为8?15 μ m。
7.根据权利要求1或6所述的稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤三中竹纤维的打浆度为75?90。SR。
8.根据权利要求1所述的稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤四中疏解的为将D溶液倒入疏解机中分散800?2000r。
9.根据权利要求1所述的稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤五中热压成型的温度为150?180°C，时间为10?20min，压力为3?8MPa。
10.根据权利要求1或9所述的稀土改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤五中使用硫化机进行热压成型操作。
【文档编号】D21H17/66GK103541267SQ201310476291
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】黄剑锋, 李文斌, 杨朝, 王文静, 费杰, 曹丽云 申请人:陕西科技大学