CN107936916B - 一种改性碳纤维摩擦颗粒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性碳纤维摩擦颗粒的制备方法，由沥青粉、环氧树脂、丁苯橡胶、丁腈橡胶、椰壳、苯酚、聚乙烯醇等原料制成，本发明以椰壳制备多孔碳纤维，经多次改性工艺处理，得到高机械强度、高抗磨损性的多孔碳纤维，再与丁腈橡胶上浆后捏炼，内部具有稳定的中空结构，兼顾了较高的弹性，较高的气孔率和高温性能的稳定性，较传统摩擦材料拥有更广泛的应用范围，同时本发明原料来源广，制备方法简单，得到的摩擦颗粒耐磨损、耐高温，具有很好的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及摩阻材料技术领域，尤其涉及一种改性碳纤维摩擦颗粒的制备方法。
背景技术
摩阻材料作为现代工业的产物，在国民经济和人们社会生活中发挥着越来越重要的作用。随着汽车工业高速发展，摩阻材料在汽车制造中的应用也越来越广泛，不断提高的安全、舒适和环保需要也对汽车摩阻材料的开发提出了新要求。汽车刹车片在工作时通过承受外来压力，产生摩擦制动作用，从而使车辆达到制动的目的。
目前摩擦材料制造为各种原料在干燥状态下称重后混合得到混合料，其中添加的颗粒物分三类：第一类类多为1-3mm 左右的焦炭，石墨、轮胎粉、废片粉碎颗粒等物质，这类物质基本性能单一，对摩擦材料的整体性能影响有限；第二类为经液体树脂与普通摩擦材料混合物高速搅拌而成的颗粒物，这类物质在摩擦材料后续加工过程中经过高温压制后固化缺乏弹性；第三类是普通的橡胶混炼物，橡胶混炼物有足够的弹性，但气孔率低，高温性能较差。以上这些颗粒物往往受到材料或工艺的限制，导致性能单一，无法兼顾到气孔率，弹性和高温的摩擦性能稳定性。
多孔碳纤维是一种新型的多孔纤维状吸附材料，因其独特的孔隙结构和形态而具有较一般多孔炭更大的比表面积、更高的孔容、更快的吸附速率和更强的再生能力。自从上世纪七十年代问世以来，就被广泛应用于空气净化、废气废水处理、军事防护、金属回收、电子器材等方面，而其在摩阻材料制备方面，也表现出了优异的性能。目前，市场上的多孔碳纤维主要有聚丙烯腈基多孔碳纤维、沥青基多孔碳纤维、粘胶基多孔碳纤维和酚醛基多孔碳纤维等，不同碳纤维在碳化速度、产碳率、孔隙率以及碳化后的韧性均不一样。因此，需要结合传统碳纤维制备方法，通过优化改进工艺，提供孔径小、孔隙率高、纤维均一性好以及结合力强的多孔碳纤维。
与此同时，由于碳纤维的制备工艺包括碳化或石墨化，使得碳纤维表面的碳原子堆叠取向更一致，原子层间距更小，所以纤维表面表现为非极性和化学惰性，另外碳纤维表面有疏水、光滑、吸附性能低等缺点，导致碳纤维与其复合的材料间界面粘结性差。因此，需要对碳纤维表面进行改性，提高其与复合材料的界面粘结强度。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种改性碳纤维摩擦颗粒的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种改性碳纤维摩擦颗粒的制备方法，包括以下步骤：
（1）将纺丝液置于静电纺丝仪中，使用铝箔纸包裹接收器，使初纺纤维收集在铝箔纸上，纺丝过程工艺参数为正压15-16kV，负压1.5-2kV，推进速率0.04-0.05mm/min，接收速率30-32r/min，针头与接收器之间距离为15-18cm，环境温度30-40℃，纺丝完成后在室温下静置一天，得到初纺纤维，再将其置于烘箱中，升温至160-170℃固化60-70分钟，取出后再送入管式炉中，在氮气气氛下以5-10℃/min的升温速率从室温升至750-850℃，保温1-2小时，自然冷却后得到碳纤维备用；
（2）以步骤1所得碳纤维作为阳极，石墨为阴极，在质量分数为8-10%的磷酸铵电解质中，控制电流密度为0.3-0.35A/m2，阳极氧化处理1.5-2分钟，收集碳纤维用清水冲洗净，得到改性碳纤维备用；
（3）将步骤2所得改性碳纤维送入剪切机中短切至2-5mm，再放入偶联剂溶液中浸渍30-40分钟后取出晾干备用；
（4）向步骤3所得偶联剂预处理碳纤维均匀喷洒浓度为15-20%的环氧树脂，其中环氧树脂用量为偶联剂预处理碳纤维质量的20-40%，待环氧树脂吸附完全后，再加入160-200目沥青粉，混匀后在180-220℃下固化5-6小时备用；
（5）将步骤4所得产物送入到液体丁腈橡胶中打浆，其中液体丁腈橡胶用量为改性碳纤维的15-25%，打浆浓度为6-8%，打浆度为40-42°SR，完成后搅拌至物料分散均匀的浆料；
（6）将步骤5所得浆料与液体丁苯橡胶按质量比（5-7）：1共同投入捏炼机中进行捏炼，完成后将所得混合料投入造粒机中进行造粒，筛选粒度为40-60目的颗粒，即得本发明摩擦颗粒。
所述步骤1中纺丝液的制备方法为将椰壳粉碎过100-120目筛，烘干后与苯酚、浓硫酸按质量比（5-7）：（20-25）：（0.6-0.9）混合并搅拌均匀，置于140-160℃油浴锅中反应100-120分钟，之后降至室温，加入氢氧化钠中和pH至中性，将产物与80%二恶烷水溶液按体积比1：（9-11）混合搅拌60-80分钟，离心并过滤，除去残渣后将滤液经旋转蒸发仪在60-70℃下浓缩，除去二恶烷，得纯液化物，再与聚乙烯醇按质量比（45-46）：（4-5）混合后用氢氧化钠调节pH至10-11，之后加入甲醛溶液，升温至80-85℃，反应2-3小时后冷却至室温，得到纺丝液。
所述步骤3中偶联剂溶液为质量分数为20-30%的铝钛复合偶联剂的水溶液。
所述步骤4中偶联剂预处理碳纤维、环氧树脂、沥青粉的质量比为100：（20-40）：（0.5-2）。
所述步骤6中捏炼温度为35-45℃，捏炼时间为7-8分钟。
所述的纺丝液的制备方法，加入的甲醛和苯酚物质的量之比为n（甲醛）：n（苯酚）=（1.4-1.5）：1。
本发明的优点是：
本发明采用苯酚液化的方法，将椰壳液化为多活性小分子，避免传统木质素因结构复杂且含大量杂质，直接用于纺丝效果不理想的缺陷，再以酚醛为单元连接为高聚物，具有更快的碳化速度、更高的产碳率和孔隙率，并且酚醛树脂由于形成交联结构，所以碳化后仍可保持一定韧性，再结合静电纺丝优化的工艺参数处理，较传统的熔融纺丝，使纤维直径更细，达到纳米级，从而具有更大的比表面积和更强的抗磨损性能，得到的碳纤维经与丁腈橡胶上浆后捏炼，内部具有稳定的中空结构，兼顾了较高的弹性，较高的气孔率和高温性能的稳定性，较传统摩擦材料拥有更广泛的应用范围，同时本发明原料来源广，制备方法简单，得到的摩擦颗粒耐磨损、耐高温，具有很好的市场前景。
具体实施方式
一种改性碳纤维摩擦颗粒的制备方法，包括以下步骤：
（1）将纺丝液置于静电纺丝仪中，使用铝箔纸包裹接收器，使初纺纤维收集在铝箔纸上，纺丝过程工艺参数为正压15kV，负压1.5kV，推进速率0.04mm/min，接收速率30r/min，针头与接收器之间距离为15cm，环境温度30℃，纺丝完成后在室温下静置一天，得到初纺纤维，再将其置于烘箱中，升温至160℃固化60分钟，取出后再送入管式炉中，在氮气气氛下以5℃/min的升温速率从室温升至750℃，保温1小时，自然冷却后得到碳纤维备用；
（2）以步骤1所得碳纤维作为阳极，石墨为阴极，在质量分数为8%的磷酸铵电解质中，控制电流密度为0.3A/m2，阳极氧化处理1.5分钟，收集碳纤维用清水冲洗净，得到改性碳纤维备用；
（3）将步骤2所得改性碳纤维送入剪切机中短切至2mm，再放入偶联剂溶液中浸渍30分钟后取出晾干备用，其中偶联剂溶液为质量分数为20%的铝钛复合偶联剂的水溶液；
（4）向步骤3所得偶联剂预处理碳纤维均匀喷洒浓度为15%的环氧树脂，其中环氧树脂用量为偶联剂预处理碳纤维质量的20%，待环氧树脂吸附完全后，再加入160目沥青粉，混匀后在180℃下固化5小时备用，其中偶联剂预处理碳纤维、环氧树脂、沥青粉的质量比为100：30：1；
（5）将步骤4所得产物送入到液体丁腈橡胶中打浆，其中液体丁腈橡胶用量为改性碳纤维的15%，打浆浓度为6%，打浆度为40°SR，完成后搅拌至物料分散均匀的浆料；
（6）将步骤5所得浆料与液体丁苯橡胶按质量比6：1共同投入捏炼机中进行捏炼，捏炼温度为35℃，捏炼时间为7分钟，完成后将所得混合料投入造粒机中进行造粒，筛选粒度为40目的颗粒，即得本发明摩擦颗粒。
所述纺丝液的制备方法为将椰壳粉碎过100目筛，烘干后与苯酚、浓硫酸按质量比6：22：0.8混合并搅拌均匀，置于140℃油浴锅中反应100分钟，之后降至室温，加入氢氧化钠中和pH至中性，将产物与80%二恶烷水溶液按体积比1：10混合搅拌60分钟，离心并过滤，除去残渣后将滤液经旋转蒸发仪在60℃下浓缩，除去二恶烷，得纯液化物，再与聚乙烯醇按质量比45：4混合后用氢氧化钠调节pH至10，之后加入甲醛溶液，加入的甲醛和苯酚物质的量之比为n（甲醛）：n（苯酚）=1.5：1，升温至80℃，反应2小时后冷却至室温，得到纺丝液。
Claims (1)
1.一种改性碳纤维摩擦颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将纺丝液置于静电纺丝仪中，使用铝箔纸包裹接收器，使初纺纤维收集在铝箔纸上，纺丝过程工艺参数为正压15-16kV，负压1.5-2kV，推进速率0.04-0.05mm/min，接收速率30-32r/min，针头与接收器之间距离为15-18cm，环境温度30-40℃，纺丝完成后在室温下静置一天，得到初纺纤维，再将其置于烘箱中，升温至160-170℃固化60-70分钟，取出后再送入管式炉中，在氮气气氛下以5-10℃/min的升温速率从室温升至750-850℃，保温1-2小时，自然冷却后得到碳纤维备用；
（2）以步骤1所得碳纤维作为阳极，石墨为阴极，在质量分数为8-10%的磷酸铵电解质中，控制电流密度为0.3-0.35A/m2，阳极氧化处理1.5-2分钟，收集碳纤维用清水冲洗净，得到改性碳纤维备用；
（3）将步骤2所得改性碳纤维送入剪切机中短切至2-5mm，再放入偶联剂溶液中浸渍30-40分钟后取出晾干备用；
（4）向步骤3所得偶联剂预处理碳纤维均匀喷洒浓度为15-20%的环氧树脂，其中环氧树脂用量为偶联剂预处理碳纤维质量的20-40%，待环氧树脂吸附完全后，再加入160-200目沥青粉，混匀后在180-220℃下固化5-6小时备用；
（5）将步骤4所得产物送入到液体丁腈橡胶中打浆，其中液体丁腈橡胶用量为改性碳纤维的15-25%，打浆浓度为6-8%，打浆度为40-42°SR，完成后搅拌至物料分散均匀的浆料；
（6）将步骤5所得浆料与液体丁苯橡胶按质量比（5-7）：1共同投入捏炼机中进行捏炼，完成后将所得混合料投入造粒机中进行造粒，筛选粒度为40-60目的颗粒，即得摩擦颗粒；
所述步骤1中纺丝液的制备方法为将椰壳粉碎过100-120目筛，烘干后与苯酚、浓硫酸按质量比（5-7）：（20-25）：（0.6-0.9）混合并搅拌均匀，置于140-160℃油浴锅中反应100-120分钟，之后降至室温，加入氢氧化钠中和pH至中性，将产物与80%二恶烷水溶液按体积比1：（9-11）混合搅拌60-80分钟，离心并过滤，除去残渣后将滤液经旋转蒸发仪在60-70℃下浓缩，除去二恶烷，得纯液化物，再与聚乙烯醇按质量比（45-46）：（4-5）混合后用氢氧化钠调节pH至10-11，之后加入甲醛溶液，升温至80-85℃，反应2-3小时后冷却至室温，得到纺丝液；
所述步骤3中偶联剂溶液为质量分数为20-30%的铝钛复合偶联剂的水溶液；
所述步骤4中偶联剂预处理碳纤维、环氧树脂、沥青粉的质量比为100：（20-40）：（0.5-2）；
所述步骤6中捏炼温度为35-45℃，捏炼时间为7-8分钟；
加入的甲醛和苯酚物质的量之比为n（甲醛）：n（苯酚）=（1.4-1.5）：1。
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