修饰碳纳米管对树脂基摩擦材料力学性能的影响

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1、1402009年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集修饰碳纳米管对树脂基摩擦材料力学性能的影响刘琳叶紫平胡楠(同济大学材料科学与工程学院，上海200摘要通过超声以及表面化学修饰等手段提高多壁碳纳米管(MWNTs)在树脂基体中的分散性。研制了以酚醛树脂(PF)为基体的无金属摩擦制动材料。添加经过表面修饰的MWNTs对摩擦材料进行增强。系统分析了M'ⅥtFNT$的表面修饰、用量等对摩擦材料力学性能的影响。研究表明，经过氯基化修饰的MWNTs(MWNTs-NH：)对摩擦材料的改性效果比酸化修饰的MWNTs

2、(MWNTs-COOH)好。当修饰MWNTs的用量为PF质量的1％时。摩擦材料弯曲强度、冲击强度和硬度均达到最大。其中添加l％MWNTs-NH2时各性能分别提高82．1％、145．4％和86．5％。关键词碳纳米管纳米复合材料摩擦材料酚醛树脂摩擦材料广泛用于各种交通工具(如汽车、火车、飞机、舰船等)和各种机器设备的制动器、离合器及摩擦传动装置中的制动材料。2005年，国内摩擦材料行业总产量达到34万t，是2000年的3．1倍。2006年，全行业产值67．34亿元，出口交货值多达20．5亿元，连年以30

3、％以上的速度增长，比1999年增长了20多倍⋯。半金属摩擦材料目前在汽车刹车片市场上占的比重最大，达到了80％。它采用金属纤维替代已被禁用的石棉纤维。其主要优点是耐磨性和热衰退性良好，在400℃以下时摩擦系数非常稳定；但其中掺杂的金属纤维容易锈蚀，造成粘结树脂与纤维之间的粘结性降低，产生安全隐患；而且摩擦材料中金属纤维的比例不宜过高，否则会粘着或损伤对偶材料。目前，国外的研究热点之一就是如何逐步降低摩擦材料中的金属纤维用量‘21。玻璃纤维(GF)在摩擦材料中使用较广泛，它有较高的强度、良好的导热性能

4、。通过采用偶联剂对GF表面进行处理，能较大程度改善GF与树脂基体之间的粘结性。碳纤维(CF)是含碳量高于90％的无机高分子纤维，不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的GF相比，CF的拉伸弹性模量是GF的3倍多；而且它在有机溶剂、酸、碱中均不溶不胀，耐蚀性出众。用CF增强摩擦材料的突出优点是其耐热性能好，高温摩擦稳定性好以及具有良好的耐磨性。虽然现在CF的价格已经一降再降，但相对较高的价格仍然限制了其应用范围。因此笔者将GF与CF复合使用，一方面为摩擦材

5、料提供了性能保证，另一方面又有效控制了制造成本。碳纳米管是一种新型的一维纳米材料，为单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构，其超强的力学性能可极大改善聚合物基复合材料的强度和韧性。而大量的研究证明¨“J，通过对纯多壁碳纳米管(MWNTs)进行表面化学接枝修饰可以有效地改善其易团聚的情况，可以提高其分散性，更有利于它的优良性能的发挥。近年来，聚合物／MWNTs复合材料的研究也是MWNTs应用研究的一个新热点。笔者研制了以CF和GF复合使用代替金属纤维的摩擦材料，并在摩擦材料中添加经过表面修饰的

6、MWNTs，以期改善摩擦材料的力学性能、热性能及耐磨性能等。研究了不同基团修饰的MWNTs在树脂溶液中的分散性能，重点解决了MWNTs在树脂中的分散问题。系统分析了MWNTs的分散、含量等对摩擦材料力学性能的影响。1实验部分1．1原材料2123酚醛树脂：游离酚<5％，细度(74tun)>95％：河南邦得化工有限公司；短切GF：纤维长度2—6mill，3k，用前250℃高温处理，上海诚伊复合材料有限公司；短切CF：长度3-6mm，6k，使用前250℃高温处理，南京嘉汉复合材料有限公司。重晶石：白色粉末

7、，38岬，上海跃江钛白化工制品有限公司；石墨：4．5ttm，上海一帆石墨有限公司；MWNTs：直径8—15nm，最大长度50tun，纯度大于95％，中国科学院成都有机化学有限公司；浓硝酸(60％)、J『v，Ⅳ，．二环己基碳酰亚胺(DCC)、4，4’-二氨基二苯甲烷(DDM)、Ⅳ，Ⅳ-二甲基刘琳，等：修饰碳纳米管对树脂基摩擦材料力学性能的影响141乙酰胺(DMAC)、95％乙醇：AR，国药集团上海化学试剂公司；硅烷偶联剂：KH一570，上海耀华化工厂。1．2主要仪器、设备傅立叶变换红外光谱(FTIR)

8、仪：Nicolet470型，美国Nicolet公司；热失重(TG)分析仪：’NETZSCHSTA449C型，德国耐驰公司；冲击试验机：CharpyXCJ一50型，河北承德市试验机厂；微机控制电子万能试验机：CMT4210型，深圳市新三思材料检测有限公司；塑料球压痕硬度测定仪：TQY一96型，吉林省泰和试验机有限公司；热机械分析仪：TADMAQ800型，美国TA公司，50—8000C，升温速率为20K／rain，体系采用N2保护。1．3试样制备(1)MWNTs的修饰a．