一種電化學改性碳布增強摩擦材料及其制備方法
【專利說明】一種電化學改性碳布増強摩擦材料及其制備方法 【技術領域】
[0001] 本發明屬于摩擦材料領域，特別涉及一種電化學改性碳布增強摩擦材料及其制備 方法。 【【背景技術】】
[0002] 復合材料是指以一種材料為基體，另一種材料為增強體組合而成的材料。碳纖維 具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優點，碳纖維布在橫向與縱向均具有很 好的強度、具有高承載壓力和優異的摩擦學性能，在復合材料中是性能優異的增強體材料。 碳布增強樹脂復合材料主要應用于汽車自動變速器、差速器、同步器、扭矩管理器以及其他 濕式離合器中。文獻1 "公開號為CN102757621A的中國專利中"公開了一種濕式復合摩擦 材料及其制備方法，摩擦材料的組分包括：作為材料骨架的碳纖維、熱固性樹脂、固化劑和 摩擦性能調節劑。制備的方法為將丙酮或無水乙醇作為溶劑，酚醛樹脂、乙二胺和陶瓷顆粒 一次混合并進行超聲輔助分散，制成混合均勻、粘度適中的浸漬液，然后浸漬碳纖維布，干 燥后對碳纖維表面進行熱壓固化熱處理。但其使用的碳纖維布未經任何處理，其碳纖維表 面缺乏活性官能團，表面能低，表面惰性大，與基體間的界面結合性能不夠理想，界面存在 較多缺陷，限制了碳纖維增強復合材料優異性能的發揮。文獻2 "公開號為CN103897334A 的中國專利"公開了一種碳布增強濕式摩擦材料的制備方法。制備方法為在水熱條件下利 用濃硝酸對碳布進行氧化處理，將氧化處理的碳布在改性酚醛樹脂溶液中進行浸漬，浸漬 后再經過熱壓成型得到碳布增強濕式摩擦材料。采用水熱氧化的方法對碳纖維布進行改性 處理，增加了活性基團，有利于與樹脂基體結合。使用的碳纖維布是經過氧化處理的，但其 氧化需要高溫高壓環境，條件苛刻且處理時間長。 【
【發明內容】
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[0003] 為克服上述技術存在的問題，本發明提供了一種電化學改性碳布增強摩擦材料及 其制備方法，本方法處理過程時間短只需幾分鐘，具有效率高，反應條件溫和無需高溫高 壓，反應過程可精確控制，設備簡單，成本低，適合大規模生產等優點。
[0004] 為達到上述目的，本發明采用以下技術手段：
[0005] -種電化學改性碳布增強摩擦材料的制備方法，包括以下步驟：
[0006] 1)將鎳源、輔助劑和緩沖劑加入去離子水中攪拌得復合鎳源電解質溶液A;
[0007] 2)將溶液A加入電解槽中，將碳布樣品固定于石墨電極的陰陽兩極，電流為1~ 5A，處理時間為1~5min，進行電化學處理，將處理后的碳布在60~100°C的烘箱烘干得到 樣品B;
[0008] 3)在樣品B上噴涂或浸漬改性的酚醛樹脂溶液，自然晾干，得樣品C，稱樣品C的 質量，保證樹脂含量在18-25 %，對其進行熱壓成型得到碳布增強樹脂摩擦材料。
[0009] 作為本發明的進一步改進，在步驟1)之前還包括對碳布的預處理步驟，具體為將 碳布先用去離子水浸泡30min，再將碳布置于丙酮溶液中超聲輔助12h，然后烘干得碳布樣 品，所述的碳布規格是3K、9K、12K。
[0010] 作為本發明的進一步改進，步驟2)中，電化學改性碳布的裝置為自制的電解槽， 體積為640cm3,長為12cm，寬和高都為10cm，壁厚lcm，陰陽兩極相距2~7cm，電極材料均 為惰性電極材料。
[0011] 作為本發明的進一步改進，電解槽的材質為聚四氟乙烯，惰性電極材料為石墨板 或鉑板。
[0012] 作為本發明的進一步改進，電化學改性碳布的處理過程具體為：將碳布樣品固定 于石墨板的陽極，然后控制電流強度1~5A反應時間1~5min，交換陰陽極，再次反應相同 時間，烘干；或者將碳布樣品兩塊，分別固定于石墨電極的陰極和陽極，然后控制電流1~ 5A，反應時間1~5min，從電化學反應裝置中取出碳布，烘干。
[0013] 作為本發明的進一步改進，改性酚醛樹脂溶液為質量分數為10~20%的改性酚 醛樹脂無水乙醇溶液，所述的改性酚醛樹脂為丁腈橡膠或腰果殼改性的酚醛樹脂。
[0014] 作為本發明的進一步改進，熱壓成型的工藝為：熱壓溫度170°C，熱壓時間8~ 12min，熱壓壓力為8~12MPa，熱壓厚度為0? 6mm。
[0015] 作為本發明的進一步改進，復合鎳源電解質配方為：
[0016] 銀源：NiS04.7H20 0.05~0.5mol/L 導電鹽：（NH4)2S〇4 或MgS〇4 5~20g/L 緩沖劑：H3B04 10~50g/L 去離子水 500ml
[0017] 室溫下pH控制為2. 2~2. 7。
[0018] 作為本發明的進一步改進，所述的電化學處理的處理電流2A，處理時間為3min。
[0019] -種電化學改性碳布增強摩擦材料，其特征在于：由以上所述的制備方法制得； 制得的摩擦材料的動摩擦系數為〇. 134-0. 139,磨損量為9. 3-12. 6mm3。
[0020] 與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：
[0021 ] 本發明通過在復合鎳源為電解質的電化學條件下，對碳布進行陽極氧化和陰極沉 積處理，使碳布表面含氧官能團增加并均勻沉積金屬鎳，可雙效提高碳布增強樹脂復合材 料的摩擦磨損性能，有效改善碳纖維的表面活性和提高復合材料的摩擦學性能。并且電化 學改性碳布可使碳纖維表面含氧官能團增加，處理過程時間短只需幾分鐘，效率高，反應條 件溫和無需高溫高壓，反應過程可精確控制，具有設備簡單、高效等優點，將處理后的碳布 浸漬改性酚醛樹脂，然后熱壓成型，使金屬鎳沉積均勻，減少了碳布與樹脂基體間縫隙，從 而改善了碳布與樹脂基體的結合，金屬鎳具有硬度大、耐磨和催化活性，大大改善了碳布和 樹脂之間的粘結強度，從而提高了硫化過程中線性高分子通過交聯作用而形成網狀高分子 的均勻性，使其具有更優的摩擦學性能。制得的材料動摩擦系數為〇. 139,磨損量為9. 3mm3。
[0022] 進一步，電解槽的材質為聚四氟乙烯，具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、密封性、 電絕緣性和良好的抗老化耐力。
[0023] 進一步，復合鎳源電解質保證室溫下pH= 2. 2~2. 7可防止生成Ni(011)2沉淀， 影響后續制備材料的性能。
[0024] 本發明制備的電化學改性碳布增強摩擦材料，動摩擦系數為0. 139,相比之下動摩 擦系數增加了 9% ;磨損量為9. 3mm3,相比之下經過電化學改性的碳布增強摩擦材料的磨損 率下降了 30%。所制備的復合材料有著優異的摩擦磨損性能，適合大規模生產。 【【附圖說明】】
[0025] 圖1為實施例1未改性碳纖維與電化學處理后的碳纖維SEM照片對比圖，其中圖 1(a)為未經電化學處理的碳纖維表面微觀形貌，圖1(b)為電化學處理條件：處理電流2A， 處理時間180s下先陽極氧化后陰極沉積鎳的碳纖維表面微觀形貌；
[0026] 圖2為實施例1電化學條件下先陽極氧化后陰極沉積金屬鎳的碳布增強樹脂摩擦 材料的動摩擦系數圖；
[0027] 圖3為實施例1電化學條件下先陽極氧化后陰極沉積金屬鎳的碳布增強樹脂摩擦 材料的磨損量圖。 【【具體實施方式】】
[0028] 下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。
[0029] 為了使碳纖維表面活性增加，使用前需進行表面處理。本發明在電化學條件下對 碳布進行陽極氧化和陰極沉積金屬鎳處理能有效改善碳纖維的表面活性和提高復合材料 的摩擦學性能。
[0030] 實施例1 :
[0031] 步驟一：將碳布裁剪為7cm*8cm的長方形狀，先用去離子水浸泡30min，再將碳布 置于丙酮溶液中超聲輔助12h，然后烘干得樣品P。
[0032] 步驟二：將硫酸鎳（NiS04 ? 7H20) 0?lmol/L，硫酸銨（(NH4) 2S04) 10g/L，硼酸 (H3B04) 20g/L，加入500ml去離子水中攪拌2小時得復合鎳源電解質溶液A，室溫下pH控制 為 2. 2 ~2. 7〇
[0033] 步驟三：將溶液A加入電解槽中，將樣品P固定于石墨電極的陽極，處理電流為 2A，處理時間為3min，待反應結束，交換陰陽極，再次處理3min，將碳布從電解槽中取出置 于80°C烘箱烘干得到樣品B。
[0034] 步驟四：將樣品B放入改性的酚醛樹脂（30%的腰果殼改性的酚醛樹脂無水乙醇 溶液）中浸漬l〇min，自然晾干，得樣品C，稱樣品C的質量，保證樹脂含量的質量百分數在 18~25%，熱壓溫度170°C，熱壓時間lOmin，熱壓壓力為lOMPa，熱壓厚度為0. 6mm。對其 進行熱壓得到碳布增強樹脂摩擦材料。
[0035] 從圖1中（a)可以看出未經處理樣纖維軸向分布著深淺不一的溝槽，這些溝槽是 由于纖維在生產過程中采用了濕法紡織的工藝造成的。圖1(b)中經過電化學處理的纖 維表面溝槽均勻加深且有鎳沉積在纖維上，是陽極氧化和陰極沉積共同作用的效果。圖2 和圖3為樣品的動摩