一种短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片及其制备方法

1.本发明属于摩擦材料技术领域，具体涉及一种短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片及其制备方法。


背景技术：

2.纸基摩擦材料是一种应用在动力机械上，在湿环境下(油润滑)实行制动或传动功能的关键性部件，纸基湿式摩擦材料主要由纤维、填料、摩擦性能调节剂和胶黏剂构成，其表面形貌。原纸的制备采用传统抄纸工艺，将纤维、填料和摩擦性能调节剂在水相介质中分散，并最终以脱水的方式成形，其材料品种、材料性能以及制备工艺决定着车辆运行的安全性和平稳性。由于以纤维为基础骨架材料用造纸的工艺成型，因而被称为“纸基摩擦材料”。石棉纤维的引入使纸基摩擦材料的性能得到了大幅度改善，性价比相应提高，这是纸基摩擦材料发展过程的重要里程碑。由于石棉纤维存在致癌风险，非石棉纤维的纸基摩擦材料得以被广泛研究。
3.随着各行业对材料轻量化和卓越性能的追求，碳纤维及其复合材料的应用越来越广泛。碳纤维与聚合物基体之间的界面是决定复合材料性能的重要因素之一，两者之间的界面强度一直是提升复合材料性能的瓶颈所在。纤维与树脂基体之间较好的润湿作用是形成优良界面的前提，良好的机械啮合、化学键合等相互作用是提高复合材料界面强度的保证。由于碳纤维的直径尺寸极为细小，表面活化技术的使用对于其界面结合强度的提升是有限的，因此必须采用其它改性方法，如在碳纤维表面生长氧化锌纳米片、mof金属过渡层、二氧化钛纳米棒、二氧化锰纳米颗粒等微纳米增强结构，可以有效促进碳纤维增强体与树脂基体之间的界面结合强度。然而，这种传统的树脂基复合材料在使用过程中表现出明显的缺陷，首先，其基体材料通常是来自于石油化工产业的各种热固性树脂，在制备过程中会产生大量温室气体；其次，大量酚醛树脂类粘合剂的使用使其废弃物难以寻找到合适的处理方法，醛类物质的处理成本高，需要消耗大量能源和资金。因此，急需要新的制备技术或替代方法来补全树脂基复合材料在可持续发展领域的缺口。
4.生物质大分子之间通过氢键耦合作用可以有效增强木质复合材料的机械强度，利用生物质材料来代替传统树脂粘合剂为“降碳减污”提供了一条可选之路。木质素磺酸的是一种天然高分子聚合物，属于阴离子型表面活性剂。具有很强的分散能力，适于将固体物质分散在水介质中。由于分子量和官能团的不同而具有不同程度的分散性，能吸附在各种固体质点的表面上，可进行金属离子交换作用，也因为其组织结构上存在各种活性基团，因而能产生缩合作用或与其他化合物发生氢键作用。天然木粉是木材加工过程产生的废弃产品，一般都会被直接丢弃或用作填埋处理，难以得到高效利用，而木粉在深共晶溶剂中处理之后，可以实现对木粉的有效解构，将木质素与纤维素的定向排列结构完全打开，经过进一步处理，可以形成粘稠木浆。通过合适的处理手段将天然生物质材料转化为树脂基复合材料的基体和粘合剂具有发展潜力。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片及其制备方法，制备出具有优异的减摩性能、低的磨损率、卓越的水稳定性、良好的机械性能、耐候性和可回收性的短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1：将3～8g经过活化处理的短碳纤维浸泡在200～500ml 40wt％的蔗糖溶液中并将容器置于微波反应器中进行微波处理20～60分钟，反应结束后分离烘干，得到蔗糖功能化短碳纤维；
9.步骤2：将废弃木材粉末、氯化胆碱和二水草酸按质量比1﹕(10～15)﹕(10～15)混合均匀后，在100℃下持续加热搅拌3～4小时，对混合液进行过滤洗涤后，将滤渣分散于蒸馏水中形成木质纤维素质量分数为15～20wt％的水系分散液；
10.步骤3：将10g水性环氧树脂和5～10g木质素磺酸钠依次分散于50～100ml浓度为1.0mol/l的碱性水溶液中，然后与50～100ml步骤2制备的木质纤维素分散体混合后加入3～8g步骤1制备的蔗糖功能化短碳纤维，经过持续搅拌2～5小时获得前驱体分散液，通过浇铸成型和200℃高温固化12～16小时后，脱模和切割，获得短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片。
11.本发明还具有以下技术特征：
12.优选的，步骤1中所述的短碳纤维的活化处理方法为将10g短碳纤维在200ml丙酮和乙醇等体积混合的溶液中超声处理6小时以上后分离，60℃烘干12h。
13.优选的，步骤1中所述的40wt％的蔗糖溶液的配置方法为将蔗糖固体粉末分散于乙酸乙酯和水等体积混合的溶液中配置成40wt％的蔗糖溶液。
14.优选的，步骤1中所述的微波处理的功率为500～800w。
15.优选的，步骤1中所述的烘干为60℃烘干12h。
16.优选的，步骤2中所述的废弃木材粉末包括杨木粉、樟子松木粉、柳木木粉、桃木粉、竹木粉、稻壳粉、秸秆粉、苹果木木粉、巴杉木木粉中的一种或多种混合物。
17.优选的，步骤2中所述的洗涤方法为蒸馏水洗涤3～5次。
18.优选的，步骤3中所述的碱性水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙中的一种或几种的混合物的水溶液。
19.本发明还保护一种如上所述的方法制备的短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片。
20.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
21.本发明所制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料中含有大量纤维素，木质素溶解成小分子后通过氢键与微纳米纤维素表面的亲水官能团结合，而后进一步与环氧分子发生氢键相互作用，并在木质素磺酸钠的活化作用下沉积在功能化短碳纤维表面，利用蔗糖分子对碳纤维表面进行功能化可以促进增强体和基体之间的界面相互作用，从而在复合材料界面处构建起具有强大氢键作用的木质素-纤维素-碳纤维多级增强结构；同时，环氧树脂进一步填充了复合材料的空隙，使其结构更加致密化，进一步提升了短碳纤维增强木质-环氧基复合料的机械强度，在起到增强作用的同时又使复合材料具有高的耐磨性和低的磨
损率；制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料固化成型后的制品显示出优异的减摩性能、低的磨损率、卓越的水稳定性、良好的机械性能、耐候性和可回收性，实现了树脂基复合材料在机械稳定性和可持续性之间的良好平衡；
22.本发明所使用的原料价格价廉，所使用的天然木质原料具有来源广泛、储量、大绿色、环保、无污染的优点，采用从木质原料提取的木质纤维素作为功能性填料，在无需使用任何有毒溶剂的同时增强了树脂基体的可持续性，形成了一种低碳环保的制备体系，所使用的生物质原料，降低人们对石油的过渡依赖并减少温室气体的排放。
附图说明
23.图1是实施例1制备的功能化短碳纤维的光镜形貌图；
24.图2是实施例1制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的撕裂面sem形貌图；
25.图3是实施例2制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的表面光镜形貌图；
26.图4是实施例2制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的表面sem图；
27.图5是实施例3制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的红外光谱图；
28.图6是实施例3制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的热稳定性能测试图；
29.图7是实施例3制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的摩擦系数曲线图；
30.图8是实施例4制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的磨损性能图。
具体实施方式
31.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。
32.在以下各实施例中，短碳纤维活化处理方法为将10g短碳纤维在200ml丙酮和乙醇等体积混合的溶液中超声处理6小时以上后取出，60℃烘干12h备用；蔗糖溶液的配置方法为将蔗糖固体粉末分散于乙酸乙酯和水等体积混合的溶液中配置40wt％的蔗糖溶液；
33.废弃木材粉末为杨木粉、樟子松木粉、柳木木粉、桃木粉、竹木粉、稻壳粉、秸秆粉、苹果木木粉、巴杉木木粉中的一种或多种混合物。
34.实施例1
35.一种短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，包括以下步骤：
36.步骤1：将3g经过活化的短碳纤维完全浸泡在200ml蔗糖溶液中并将容器置于微波反应器中进行微波处理(800w)20分钟后分离烘干(60℃，12h)，得到蔗糖功能化短碳纤维；
37.步骤2：将2g杨木粉、20g氯化胆碱和20g二水草酸混合均匀后，在100℃下持续加热搅拌3小时，对混合液进行过滤水洗3次后，将滤渣分散于蒸馏水中形成木质纤维素质量分数为15wt％的水系分散液；
38.步骤3：将10g水性环氧树脂和5g木质素磺酸钠分散于50ml 1.0mol/l的氢氧化钠水溶液中，然后与50ml木质纤维素分散体混合后加入3g功能化短碳纤维，经过持续搅拌2小时获得前驱体分散液，将其浇铸在模具中并在200℃下固化12小时，通过脱模和切割后获得短碳纤维增强木质-环氧基摩擦片。
39.实施例2
40.一种短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，包括以下步骤：
41.步骤1：将8g经过活化的短碳纤维完全浸泡在500ml蔗糖溶液中并将容器置于微波
反应器中进行微波处理(500w)60分钟分离烘干(60℃，12h)，得到蔗糖功能化短碳纤维；
42.步骤2：将2g竹木粉、30g氯化胆碱和30g二水草酸混合均匀后，在100℃下持续加热搅拌4小时，对混合液进行过滤水洗5次后，将滤渣分散于蒸馏水中形成木质纤维素质量分数为20wt％的水系分散液；
43.步骤3：将10g水性环氧树脂和10g木质素磺酸钠分散于100ml 1.0mol/l的氢氧化钾水溶液中，然后与100ml木质纤维素分散体混合后加入8g功能化短碳纤维，经过持续搅拌5小时获得前驱体分散液，将其浇铸在模具中并在200℃下固化16小时，通过脱模和切割后获得短碳纤维增强木质-环氧基摩擦片。
44.实施例3
45.一种短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，包括以下步骤：
46.步骤1：将5g经过活化的短碳纤维完全浸泡在300ml蔗糖溶液中并将容器置于微波反应器中进行微波处理(600w)40分钟分离烘干(60℃，12h)，得到蔗糖功能化短碳纤维；
47.步骤2：将2g秸秆粉、25g氯化胆碱和25g二水草酸混合均匀后，在100℃下持续加热搅拌3小时，对混合液进行过滤水洗4次后，将滤渣分散于蒸馏水中形成木质纤维素质量分数为18wt％的水系分散液；
48.步骤3：将10g水性环氧树脂和8g木质素磺酸钠分散于80ml 1.0mol/l的氢氧化钙水溶液中，然后与80ml木质纤维素分散体混合后加入5g功能化短碳纤维，经过持续搅拌4小时获得前驱体分散液，将其浇铸在模具中并在200℃下固化14小时，通过脱模和切割后获得短碳纤维增强木质-环氧基摩擦片。
49.实施例4
50.一种短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，包括以下步骤：
51.步骤1：将5g经过活化的短碳纤维完全浸泡在400ml蔗糖溶液中并将容器置于微波反应器中进行微波处理(700w)50分钟分离烘干(60℃，12h)，得到蔗糖功能化短碳纤维；
52.步骤2：将2g竹木粉和稻壳粉的混合粉体、20g氯化胆碱和20g二水草酸混合均匀后，在100℃下持续加热搅拌3.5小时，对混合液进行过滤水洗5次后，将滤渣分散于蒸馏水中形成木质纤维素质量分数为16wt％的水系分散液；
53.步骤3：将10g水性环氧树脂和6g木质素磺酸钠分散于50ml的氢氧化钠和氢氧化钾任意比例混合制备的1.0mol/l的水溶液中，然后与50ml木质纤维素分散体混合后加入5g功能化短碳纤维，经过持续搅拌4小时获得前驱体分散液，将其浇铸在模具中并在200℃下固化12小时，通过脱模和切割后获得短碳纤维增强木质-环氧基摩擦片。
54.请参照图1所示，是由实施例1所制备的功能化短碳纤维的光镜形貌图，我们可以明显地观察到碳纤维表面产生了大量附着物，这是因为碳纤维经过长时间的活化处理，表面已经携带大量羟基和含氧基团，有利于蔗糖功能化处理过程中蔗糖大分子与碳纤维表面的相互作用并发生团聚，产生了糖类聚集体；在对碳纤维进行蔗糖功能化处理的过程中，无需对功能化之后的碳纤维进行碳化处理，避免了大量能源的消耗和多余步骤。
55.请参照图2所示，是由实施例1所制备的碳纤维增强木质-环氧基复合料的撕裂面sem形貌图，可以发现碳纤维在纸基摩擦片基体中杂乱无序的分布，这将有助于碳纤维在木质-环氧树脂基体中的相互纠缠和间隙的消除，极大程度促进坯体的致密化，从而在高温固化处理后使其获得优异的机械稳定性和高耐磨性；在此过程中，木质素磺酸钠可以有效增
强环氧树脂和木质纤维素之间的相容性，增强其与碳纤维之间的粘结性，使得各组分之间形成了非常紧密的结构。
56.请参照图3和图4所示，是由实施例2所制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的表面光镜形貌图和表面sem图，可以发现本发明所制备的纸基摩擦片具有比较粗糙的表面，微观表面具有大量和凹凸不平的突起，这将极大促进纸基摩擦片的耐磨性。因为作为摩阻材料的纸基摩擦片必须具备足够的高耐磨性，才能发挥稳定的摩擦性能，表面突起可以作为良好的过渡层，提高摩擦力和动静摩擦系数。
57.请参照图5所示，是由实施例3所制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的红外光谱图，为了进一步检测环氧树脂在木质纤维素基体中的化学反应以及其与木质纤维素成分之间的相互作用，记录了纸基摩擦片的红外光谱。3390和2920cm-1
附近的峰归因于水性环氧树脂和木质纤维素中羟基的o-h拉伸和亚甲基的c-h拉伸，816cm-1
处的吸光度对应于环氧树脂中对位取代苯环的ch基团。此外，还有对应于木质纤维素部分的典型红外出峰，表明木质纤维素的沉积以及对短碳纤维的完全覆盖和保护作用。
58.请参照图6所示，是由实施例3所制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的耐热稳定性能测试图，利用氙灯模拟太阳光照射，在光功率密度为200mw/cm3(约2个太阳能量)，在持续照射的240分钟范围内，摩擦片的最终表面温度达到75℃，并且在持续的照射之下，其最终热质量损失小于0.7％，这主要是由于在高温固化的过程中，前驱体浆料中的各组分形成致密的一体化结构，水分几乎完全散失，获得了优异的机械稳定性和耐热性能。
59.请参照图7所示，是由实施例3所制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的摩擦系数曲线图，作为一种应用在轻型传动机械上实行制动和传动功能的关键性部件，对其摩擦性能的要求提出了较高要求。本发明采用木质纤维素作为纸基摩擦片的耐磨调料，通过木质素磺酸钠增强了环氧树脂和木质纤维素之间的相容性，促进了功能化短碳纤维与各组分之间的结合强度。木质纤维素在纸基摩擦片表面沉积，具有高的表面粗糙度，可以作为天然的耐磨层用以增强纸基摩擦片的耐磨性。最终，本发明所制备的纸基摩擦片具有足够高的摩擦系数(介于0.2～0.4之间)，满足纸基摩擦材料(作为摩阻材料)的性能要求。
60.请参照图8所示，是由实施例4所制备的短碳纤维增强木质-环氧基复合料的磨损性形貌图，纸基摩擦片的表面在经历摩擦试验后变得更加光滑，产生了较为清晰的磨损痕迹。然而，纸基摩擦片表面的耐磨层并没有发生明显的磨损，其表面的突起结构依旧保持完整，整体材料没有发生任何的疲劳断裂或裂纹产生，也没有产生明显的磨屑，说明本发明制备的纸基摩擦片具有较高的抗磨损性能。
61.尽管本发明的内容已经过上述优选实施例做了详细介绍，但是应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。

技术特征：
1.一种短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将3～8g经过活化处理的短碳纤维浸泡在200～500ml 40wt％的蔗糖溶液中并将容器置于微波反应器中进行微波处理20～60分钟，反应结束后分离烘干，得到蔗糖功能化短碳纤维；步骤2：将废弃木材粉末、氯化胆碱和二水草酸按质量比1﹕(10～15)﹕(10～15)混合均匀后，在100℃下持续加热搅拌3～4小时，对混合液进行过滤洗涤后，将滤渣分散于蒸馏水中形成木质纤维素质量分数为15～20wt％的水系分散液；步骤3：将10g水性环氧树脂和5～10g木质素磺酸钠依次分散于50～100ml浓度为1.0mol/l的碱性水溶液中，然后与50～100ml步骤2制备的木质纤维素分散体混合后加入3～8g步骤1制备的蔗糖功能化短碳纤维，经过持续搅拌2～5小时获得前驱体分散液，通过浇铸成型和200℃高温固化12～16小时后，脱模和切割，获得短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片。2.如权利要求1所述的短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的短碳纤维的活化处理方法为将10g短碳纤维在200ml丙酮和乙醇等体积混合的溶液中超声处理6小时以上后分离，60℃烘干12h。3.如权利要求1所述的短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的40wt％的蔗糖溶液的配置方法为将蔗糖固体粉末分散于乙酸乙酯和水等体积混合的溶液中配置成40wt％的蔗糖溶液。4.如权利要求1所述的短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的微波处理的功率为500～800w。5.如权利要求1所述的短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的烘干为60℃烘干12h。6.如权利要求1所述的短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的废弃木材粉末包括杨木粉、樟子松木粉、柳木木粉、桃木粉、竹木粉、稻壳粉、秸秆粉、苹果木木粉、巴杉木木粉中的一种或多种混合物。7.如权利要求1所述的短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的洗涤方法为蒸馏水洗涤3～5次。8.如权利要求1所述的短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的碱性水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙中的一种或几种的混合物的水溶液。9.一种如权利要求1至8中任一项所述的方法制备的短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片。

技术总结
本发明公开了一种短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片及其制备方法，制备方法包括：步骤1：制备功能化短碳纤维；步骤2：制备木质纤维素质量分数为15～20wt％的水系分散液；步骤3：将10g水性环氧树脂和5～10g木质素磺酸钠依次分散于50～100mL浓度为1.0mol/L的碱性水溶液中，然后与50～100mL步骤2制备的木质纤维素分散体混合后加入3～8g步骤1制备的蔗糖功能化短碳纤维，经过持续搅拌2～5小时获得前驱体分散液，通过浇铸成型和高温固化后，脱模和切割，获得短碳纤维增强木质-环氧树脂型纸基摩擦片，具有优异的减摩性能、低的磨损率、卓越的水稳定性、良好的机械性能、耐候性和可回收性。收性。收性。


技术研发人员：陕志强 贾晓华 宋浩杰 杨进
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/12