一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料及其制备方法

1.本发明属于功能材料技术领域，涉及摩擦材料及其制备方法，具体涉及一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料及其制备方法。


背景技术：

2.废弃的木材加工原料可以用于生产生物质木质纤维素树脂浆料，生产过程绿色环保，成本低廉，所制备的产品具有诸多优良性能。天然石墨在自然界中具有巨大储量，价格低廉，具有非常好的自润滑效果，通常被用作摩擦材料的改性填料。
3.现有技术公开了一种掺杂纤维的树脂基摩擦材料的制备方法，先取碳纤维、硅酸铝纤维、玻璃纤维、聚氧化乙烯烷基酚醚、大豆卵磷脂，混合，研磨，得混合粉末a；再将高岭土、氧化铝、硫酸钡、聚丁二烯二醇、2，2-二羟甲基丙酸加至球磨机中混合侯，加入丙烯酸树脂、酚醛树脂，混合，得混合粉末b；然后将混合粉末a、混合粉末b混合，室温冷压，得成型粗品；最后将成型粗品经一次加热、冷压、二次加热，得到摩擦材料。现有技术还公开了一种碳粉增强树脂基复合摩擦材料及其制备方法，该复合材料是由碳粉、腰果壳油改性酚醛树脂、丁腈橡胶、石墨和碳化硅粉组成，其中碳粉为55％，腰果壳油改性酚醛树脂为30％，丁腈橡胶、石墨和碳化硅粉都为5％，合计为100％。以上采用润滑材料填充树脂进行改性的制备摩擦材料的方法一般都需要各种类型的原料，其中大部分并不是生物质材料，并且如碳纤维或碳化硅可能具有昂贵的价格或者复杂的制备工艺。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料及其制备方法，制备出具有高的耐磨性、优异的水稳定性、良好的柔韧性、热传导性以及生物降解性的摩擦材料，而且整个过程成本低廉，绿色环保无污染。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤一：按质量比1：(2～5)称取润滑填料与对氨基苯磺酸钠混合，加入到按无水乙醇与异丙醇体积比1：(1～3)配制的混合溶剂中，形成浓度范围在0.02～0.05g/ml的有机混合液；
8.步骤二：对步骤一制备的有机混合液依次进行破碎处理和球磨剥离，结束后对混合液进行离心分离和洗涤，后在烘箱中烘干得到润滑填料改性剂；
9.步骤三：按摩尔比1：(1～3)称取氯化胆碱和草酸混合，按质量比1：(15～20)称取木粉与氯化胆碱和草酸混合物混合，后在80～110℃加热条件下充分搅拌溶解，直至形成粘稠液体后，按照润滑填料改性剂与木粉的质量比为1：(13～17)配比加入润滑填料改性剂并进行混合均匀；
10.步骤四：按照体积比1：(10～15)在混合液中加入蒸馏水后，再在磁力搅拌器上充分搅拌均匀后进行过滤、除杂、清洗和俊华处理，即可得到木质纤维素基体(lc)，再经过固化处理除去水分，便可得到木质纤维素基摩擦材料。
11.本发明还具有以下技术特征：
12.优选的，步骤一所述的润滑填料包括天然石墨、二硫化钼、六方氮化硼或碳纳米管中的任意一种。
13.优选的，步骤二所述的破碎处理为采用细胞破碎仪处理5～10min；
14.所述的球磨剥离为采用行星式球磨机球磨24～36h。
15.优选的，步骤二所述的离心分离为利用台式高速离心机在在8000rpm/min条件下分离5min。
16.优选的，步骤二和步骤四所述的洗涤为用蒸馏水清洗3～5次。
17.优选的，步骤二所述的烘干为在60℃烘箱中烘干3h。
18.优选的，步骤三和步骤四所述的搅拌为采用磁力搅拌器持续搅拌2～3h。
19.优选的，将步骤四制备的木质纤维素基摩擦材料架过量水后进行超声处理30min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，成型并在室温下烘干，即得到基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料。
20.优选的，所述的成型方法为抽滤成型、浇铸成型、流延成型、模压成型或热压成型。
21.本发明还保护一种如上所述的方法制备的基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料。
22.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
23.本发明将经过对氨基苯磺酸钠(spabs)修饰的润滑填料作为改性剂加入到木质纤维素树脂当中，木质素再生后，通过氢键和范德华力，与含羟基和羰基的微/纳米纤维素产生了相互作用，形成了稳定的木质素-纤维素超分子结构，通过均匀化处理将润滑填料均匀地分散到了整个树脂基体当中，制备了润滑填料修饰改性的木质纤维素基摩擦材料，在增强材料力学性能的同时又使其获得优异的摩擦学性能，提高了木质纤维素基树脂材料的耐磨性，使其具有稳定的摩擦系数和低的磨损率；润滑填料改性剂在基体中占有很大比重，它的存在使改性木质纤维素基树脂片具有了良好的热传导性能；固化成型后的制品显示出高的耐磨性、优异的水稳定性、良好的柔韧性、热传导性以及生物降解性；
24.本发明所制备的改性木质纤维素基树脂片具有木质素-纤维素超分子结构，可以对树脂片进行180
°
折叠而不会发生断裂，其表面致密交联结构使其具有良好的疏水性能，水分子很难侵入材料内部，所以其在水中具有良好的稳定性，即使在水中浸泡一个月，改性木质纤维素基树脂片也不会发生解构；
25.本发明所制备的改性木质纤维素基树脂片所采用的原料为废弃木料，废弃木料作为典型的生物质绿色天然材料，具有来源广泛，储量大，绿色环保，这使得改性木质纤维素基树脂片在自然环境下可以被微生物降解，转化为腐殖质并成为植物生长所需的天然肥料；
26.本发明采用来源广泛、储量大、廉价易得、绿色环保的废弃木料作为原料，采用简单的过滤清洗处理，无需使用毒溶剂，整个制备过程所使用的溶剂绿色环保无污染。
附图说明
27.图1是本发明所制备的石墨改性木质纤维素基树脂片的断面sem形貌图；
28.图2是本发明所制备的石墨改性木质纤维素基树脂片的红外光谱图；
29.图3是本发明所制备的石墨改性木质纤维素基树脂片的摩擦系数曲线图；
30.图4是优选比例时本发明所制备的石墨改性木质纤维素基树脂片的应力-应变曲线图。
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.实施例1
33.一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
34.步骤1：将25ml无水乙醇、50ml异丙醇和1gspabs和0.5g天然石墨进行混合，采用细胞破碎仪处理5min，后采用行星式球磨机进行球剥离处理24小时，结束后对混合液利用台式高速离心机在8000rpm/min条件下分离5min，用蒸馏水清洗5次，在60℃烘箱中烘干3小时后得到润滑改性剂spabs@g；
35.步骤2：将15g氯化胆碱、15g草酸和1.5g杨木粉混合后，在110℃条件下持续加热搅拌2.5小时，直到形成粘稠液体；
36.步骤3：将粘稠液体转移到干净的烧杯，加入0.115g的spabs@g和250ml蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌2小时后进行过滤、除杂和清洗。
37.步骤4：对得到的固体物质加水后进行超声处理30min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，然后以抽滤法制成圆片状，在室温下烘干，即得到lc/spabs@g树脂片。
38.实施例2
39.一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
40.步骤1：将40ml无水乙醇、40ml异丙醇和2gspabs和1g天然石墨进行混合，采用细胞破碎仪处理8min，后采用行星式球磨机进行球剥离处理36小时，结束后对混合液利用台式高速离心机在8000rpm/min条件下分离5min，用蒸馏水清洗4次，在60℃烘箱中烘干3小时后得到润滑改性剂spabs@g。
41.步骤2：将15g氯化胆碱、25g草酸和2.5g秸秆粉混合后，在110℃条件下持续加热搅拌2.5小时，直到形成粘稠液体。
42.步骤3：将粘稠液体转移到干净的烧杯，加入0.15g的spabs@g和300ml蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌2小时后进行过滤、除杂和清洗。
43.步骤4：对得到的固体物质加水后进行超声处理30min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，然后浇铸成型，在室温下烘干，即得到lc/spabs@g树脂。
44.实施例3
45.一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
46.步骤1：将20ml无水乙醇、60ml异丙醇和2gspabs和1ghbn进行混合，采用细胞破碎仪处理10min，后采用行星式球磨机进行球剥离处理32小时，结束后对混合液利用台式高速离心机在8000rpm/min条件下分离5min，用蒸馏水清洗3次，在60℃烘箱中烘干3小时后得到润滑改性剂spabs@hbn；
47.步骤2：将14g氯化胆碱、27g草酸和2.5g杨木粉混合后，在100℃条件下持续加热搅拌3小时，直到形成粘稠液体。
48.步骤3：将粘稠液体转移到干净的烧杯，加入0.17g的spabs@hbn和350ml蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌2.5小时后进行过滤、除杂和清洗。
49.步骤4：对得到的固体物质加水后进行超声处理30min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，然后以流延成型，在室温下烘干，即得到lc/spabs@hbn树脂。
50.实施例4
51.一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
52.步骤1：将40ml无水乙醇、80ml异丙醇和4gspabs和1gmos2进行混合，采用细胞破碎仪处理7min，后采用行星式球磨机进行球剥离处理28小时，结束后对混合液利用台式高速离心机在8000rpm/min条件下分离5min，用蒸馏水清洗3次，在60℃烘箱中烘干3小时后得到润滑改性剂spabs@mos2；
53.步骤2：将15g氯化胆碱、15g草酸和1.5g杨木粉混合后，在80℃条件下持续加热3小时，直到形成粘稠液体；
54.步骤3：将粘稠液体转移到干净的烧杯，加入0.115g的spabs@mos2和375ml蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌3小时后进行过滤、除杂和清洗；
55.步骤4：对得到的固体物质加水后进行超声处理30min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，然后以抽滤法制成圆片状，在室温下烘干，即得到lc/spabs@mos2树脂片。
56.实施例5
57.一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：
58.步骤1：将20ml无水乙醇、40ml异丙醇和1.5gspabs和0.5g碳纳米管进行混合，采用细胞破碎仪处理5min，后采用行星式球磨机进行球剥离处理24小时，结束后对混合液利用台式高速离心机在8000rpm/min条件下分离5min，用蒸馏水清洗3次，在60℃烘箱中烘干3小时后得到润滑改性剂spabs@cnt；
59.步骤2：将13.9g氯化胆碱、9g草酸和1.5g杨木粉混合后，在100℃条件下持续加热2小时，直到形成粘稠液体；
60.步骤3：将粘稠液体转移到干净的烧杯，加入0.1g的spabs@cnt和250ml蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌2小时后进行过滤、除杂和清洗；
61.步骤4：对得到的固体物质加水后进行超声处理30min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，然后模压成型，在室温下烘干，即得到lc/spabs@cnt树脂片。
62.实施例6
63.一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料制备方法，包括以下步
骤：
64.步骤1：将20ml无水乙醇、40ml异丙醇和2.5gspabs和0.5g天然石墨进行混合，采用细胞破碎仪处理8min，后采用行星式球磨机进行球剥离处理24小时，结束后对混合液利用台式高速离心机在8000rpm/min条件下分离5min，用蒸馏水清洗3次，在60℃烘箱中烘干3小时后得到润滑改性剂spabs@g；
65.步骤2：将13.9g氯化胆碱、9g草酸和1.5g粉碎树叶混合后，在90℃条件下持续加热2.5小时，直到形成粘稠液体；
66.步骤3：将粘稠液体转移到干净的烧杯，加入0.11g的spabs@g和250ml蒸馏水进行混合，在磁力搅拌器上充分搅拌2小时后进行过滤、除杂和清洗；
67.步骤4：对得到的固体物质加水后进行超声处理30min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，然后热压成型，在室温下烘干，即得到lc/spabs@g树脂片。
68.木质纤维素基复合材料可以采用浇铸成型、流延成型、模压成型以及热压成型等多种成型方法，可以赋予制件各种形状。
69.图是由实施例1所制备的lc/spabs@g树脂片的断面sem形貌图，从图1中可以明显看到其呈现非常致密的层状结构，向我们展示了纤维素和木质素的互锁交联结构，木质素和纤维素通过氢键和分子间作用力相互交联在一起，被剥离的片层石墨填充在其中，lc/spabs@g树脂片在受到拉伸应力时，石墨和微纳米纤维可以起到一定的承力作用。
70.图2是由实施例1所制备的lc/spabs@g树脂片与天然杨木的红外光谱图；从图2中可以明显看出，两者的出峰位置基本一致，官能团结构基本相同，主要成分都是以木质素-纤维素为主；lc/spabs@g树脂片由于使用改性石墨填充改性，还出现了s＝o键和n-h键。
71.图3是由实施例1备的lc/spabs@g树脂片在2n-200rpm-300min条件下的摩擦系数曲线图，其中的插图为光镜下的磨痕形貌图；lc/spabs@g树脂片在干摩擦条件下具有低的磨损率，这归因于其致密的表面结构和石墨的滑移自润滑效果，致密的表面结构在长时间磨损下依旧保持稳定，石墨的自润滑效果使其摩擦系数逐渐趋向于低和稳定，并使表面摩擦磨损极大降低。
72.图4是由实施例1备的lc/spabs@g树脂片在不同比例含量下的应力-应变曲线图；我们通过优选实验确定了spabs@g和再生木质纤维素固体的最佳比例范围在1﹕(13～17)，填料含量在次范围内所制备的lc/spabs@g树脂片具有良好的力学性能和优异的摩擦学性能。
73.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：
1.一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：按质量比1：(2～5)称取润滑填料与对氨基苯磺酸钠(spabs)混合，加入到按无水乙醇与异丙醇体积比1：(1～3)配制的混合溶剂中，形成浓度范围在0.02～0.05g/ml的有机混合液；步骤二：对步骤一制备的有机混合液依次进行破碎处理和球磨剥离，结束后对混合液进行离心分离和洗涤，后在烘箱中烘干得到润滑填料改性剂；步骤三：按摩尔比1：(1～3)称取氯化胆碱和草酸混合，按质量比1：(15～20)称取木粉与氯化胆碱和草酸混合物混合，然后在80～110℃加热条件下充分搅拌溶解，直至形成粘稠液体后，按照润滑填料改性剂与木粉的质量比为1：(13～17)配比加入润滑填料改性剂并进行混合均匀；步骤四：按照体积比1：(10～15)在混合液中加入蒸馏水后，在磁力搅拌器上充分搅拌均匀后进行过滤、除杂、清洗和均匀化处理，即可得到木质纤维素树脂(lc)，再经过固化处理除去水分，便可得到木质纤维素基摩擦材料。2.如权利要求1所述的基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述的润滑填料包括天然石墨、二硫化钼、六方氮化硼或碳纳米管中的任意一种。3.如权利要求1所述的基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述的破碎处理为采用细胞破碎仪处理5～10min；所述的球磨剥离为采用行星式球磨机球磨24～36h。4.如权利要求1所述的基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述的离心分离为利用台式高速离心机在8000rpm/min条件下分离5min。5.如权利要求1所述的基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤二和步骤四所述的洗涤为用蒸馏水清洗3～5次。6.如权利要求1所述的基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述的烘干为在60℃烘箱中烘干3h。7.如权利要求1所述的基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤三和步骤四所述的搅拌为采用磁力搅拌器持续搅拌2～3h。8.如权利要求1所述的基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，将步骤四制备的木质纤维素树脂基摩擦材料经过加水后进行超声处理30min直至均匀，即可得到粘稠的木质纤维素树脂基浆料，成型并在室温下烘干，即得到基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素树脂基摩擦材料。9.如权利要求8所述的基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述的成型方法为抽滤成型、浇铸成型、流延成型、模压成型或热压成型。10.一种如权利要求1至9中任一项所述的方法制备的基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料。

技术总结
本发明公开了一种基于润滑填料改性的高耐磨木质纤维素基摩擦材料的制备方法，首先采用对氨基苯磺酸钠对润滑填料进行改性处理，制备了改性润滑填料，然后采用氯化胆碱、草酸和经过机械破碎的木粉为原料，将木粉与氯化胆碱、草酸进行混合均匀后，持续加热直至形成粘稠液体；将改性润滑填料加入到粘稠液体中并与蒸馏水混合后在磁力搅拌器上充分搅拌，然后过滤清洗，去除大颗粒，再经过均匀化处理即可得到木质纤维素树脂，通过简单固化成型后便得到木质纤维素基摩擦材料，制备方法简单、环保；本发明所制备的改性木质纤维素树脂，固化成型后的木质纤维素基摩擦材料制品显示出高的耐磨性、优异的水稳定性、良好的柔韧性、热传导性以及生物降解性。及生物降解性。及生物降解性。


技术研发人员：贾晓华 陕志强 李川 宋浩杰 杨进 邵丹 王思哲 李永 冯雷
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/3/8