一种纳米颗粒浸渍增强的泡沫成型纸基摩擦材料及其制备方法与应用

本发明属于摩擦材料领域，具体涉及一种纳米颗粒浸渍增强的泡沫成型纸基摩擦材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、湿式纸基摩擦材料广泛应用于湿式离合器、制动器、同步器以及自动变速器等摩擦传动部件中，其通常由纤维、填料和树脂基体复合成型。随着汽车工业的高速发展与零部件的升级换代，对纸基摩擦材料也提出了更高的热性能、摩擦磨损性能要求。

2、泡沫成型技术是一种新兴的多孔纤维材料制备技术，其以含有大量气泡的泡沫体系作为纤维和填料的分散介质及成形载体。与传统水法成型技术相比，泡沫成型技术能够降低纤维絮聚，提高纤维和填料在浆料中的分散均匀性，并可在成形过程中构建更加疏松、均匀和连通的孔隙结构。由泡沫成型技术制备得到的纸基摩擦材料具有较高的松厚度和孔隙率，树脂浸渍渗透性较好，材料吸油储油能力和油液通透性得到改善，有利于湿式摩擦过程中油膜调控和摩擦热带出。因此，泡沫成型纸基摩擦材料区别于传统湿式纸基摩擦材料，是一种具有开放孔隙结构和高浸渍适应性的新型纸基摩擦材料。

3、然而，随着对泡沫成型纸基摩擦材料应用研究的深入，泡沫成型所带来的高孔隙率和大孔径结构也会在一定程度上降低材料固体骨架的连续性和致密性，使纤维、填料和树脂之间的有效接触点减少，材料内部传热路径不够连续，其热传导能力、对流换热、界面结合稳定性、摩擦系数稳定性以及耐磨性能仍难以满足严苛条件的应用需求。因此，如何在保持泡沫成型纸基摩擦材料高孔隙率和良好油液通透性的基础上，进一步增强其内部界面结构和传热耐磨性能，是该类新型纸基摩擦材料继续应用推广需要解决的技术问题。

4、现有技术中，为提高纸基摩擦材料的热学及摩擦综合性能，通常采用替换高耐热树脂、引入高性能增强纤维或改调整耐热填料占比等方式。然而，上述方法往往会改变纸基摩擦材料的主体配方构成，变量影响众多，难以针对纸基摩擦材料的界面结合、传热性能和摩擦磨损性能进行协同提升；此外，也有新型技术手段利用纳米材料的尺寸小、比表面积大、导热性能好和界面增强作用明显等特点，将其涂布于材料表面或局部功能化处理，但其对材料内部孔隙、孔壁以及厚度方向结构的整体增强作用有限，缺少整体化增强策略；从整体材料增强的角度来看，纳米颗粒本身容易团聚，且在树脂体系或溶剂体系中的稳定分散难度较大，现有技术难以通过浸渍的方法使纳米颗粒均匀地分布于材料内表面，就无法形成纸基摩擦材料内部稳定、连续的增强结构，尚无相应的纳米颗粒树脂体系分散技术及浸渍增强技术报道。

技术实现思路

1、为克服湿式纸基摩擦材料耐热耐久性能低、纳米颗粒难以引入传统纸基摩擦材料的难题，本发明首要目的是提出一种纳米颗粒浸渍增强的泡沫成型纸基摩擦材料的制备方法。

2、本发明的又一目的在于提供一种纳米颗粒浸渍增强的泡沫成型纸基摩擦材料。

3、本发明的再一目的在于提供一种纳米颗粒浸渍增强的泡沫成型纸基摩擦材料的应用。

4、为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

5、一种纳米颗粒浸渍增强的泡沫成型纸基摩擦材料制备方法，包括以下步骤：

6、（1）纳米颗粒/树脂浸渍液制备：将树脂溶于有机溶剂中，加入纳米颗粒并分散，得到纳米颗粒/树脂浸渍液；

7、（2）浸渍：将泡沫成型纸基摩擦材料原纸置于步骤（1）得到的纳米颗粒/树脂浸渍液中浸渍，取出后干燥，得到纳米颗粒浸渍原纸；

8、（3）固化：将步骤（2）得到的纳米颗粒浸渍原纸经预固化、热压、固化，得到纳米颗粒浸渍增强的泡沫成型纸基摩擦材料。

9、优选地，步骤（2）中，所述纳米颗粒为碳纳米管、气相生长碳纤维、碳纳米纤维、石墨烯、炭黑、富勒烯、纳米氧化铝、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化锆、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氧化铁、纳米氧化铜、纳米碳化硅、纳米碳化钛、纳米氮化硼、纳米氮化硅、纳米氮化铝、纳米蒙脱土、纳米高岭土的一种或两种以上。

10、优选地，所述纳米颗粒的粒径≤500nm。

11、优选地，步骤（1）中，所述有机溶剂为复配有机溶剂体系，为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、丙酮、丁酮、环己酮、甲基异丁基酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸甲酯、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、甲苯、二甲苯、二甲基亚砜的两种及以上；

12、优选地，所述有机溶剂为乙醇和n,n-二甲基甲酰，两者体积比为1:2~1:5；

13、或者为甲醇和丁基卡必醇，两者体积比为1:2~1:4。

14、优选地，步骤（2）中，所述树脂为酚醛树脂、改性酚醛树脂、环氧树脂、改性环氧树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、三聚氰胺树脂、呋喃树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂、聚酰胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚的一种或两种以上。

15、优选地，步骤（1）中，所述纳米颗粒/树脂浸渍液中树脂质量浓度为5~30 wt%，纳米颗粒质量浓度为0.02~3 wt%，优选为0.05~1.5 wt%。

16、步骤（1）中，所述分散包括均质分散和超声分散；所述均质分散的转速为1000~50000 r/min，时间为5~60 min；所述超声分散的功率为50~300w ，时间为10~60 min。

17、优选地，所述分散过程在配备水循环冷却系统的容器内完成。

18、优选地，步骤（2）中，所述浸渍为常压浸渍或真空浸渍，浸渍时间为1~60 min，浸渍次数为1~5次；

19、所述树脂的上胶量对泡沫成型纸基摩擦材料的质量分数为20~40%；所述纳米颗粒在纸基摩擦材料中的浸渍量为2~30 g/m²；

20、步骤（3）中，所述预固化温度为150~200℃，预固化时间为10~60 min；所述热压温度为150~200℃，热压压力为2~15 mpa，热压时间为1~30 min；所述固化温度为150~200℃，固化时间为30~120 min。

21、优选地，所述泡沫成型原纸的制备方法如下：将天然纤维、合成纤维、填料、分散剂加入水中，混合后倒入发泡桶中，加入表面活性剂进行发泡，得到泡沫浆料；将泡沫浆料进行真空脱水、干燥，得到泡沫成型纸基摩擦材料原纸。

22、优选地，所述步骤（1）中，以天然纤维、合成纤维和填料的总质量计，天然纤维为5~30%，合成纤维为15~50%，填料为30~70%。

23、优选地，所述天然纤维为剑麻纤维、棉纤维、竹纤维或纤维素纤维的一种或两种以上；所述合成纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或两种以上。

24、优选地，所述分散剂为聚氧化乙烯（peo）、聚乙烯醇（pva）、阴离子型聚丙烯酰胺（apam）中的一种或两种以上；

25、所述填料为石墨、氧化铝、硅藻土、二氧化硅、钛酸钾晶须、摩擦粉中的一种或两种以上；

26、所述表面活性剂为烷基糖苷、十二烷基硫酸钠、聚乙烯醇、吐温-80中的一种或两种以上。

27、所述分散剂添加量为纤维总质量的1%-3%。

28、优选地，所述发泡条件为：搅拌速度为1000~1500r/min，发泡时间为10-20min；所述发泡桶侧壁设置有挡板；所述泡沫浆料中空气含量为50~80%。

29、优选地，所述真空脱水条件为：真空度为0.01-0.06mpa，脱水5-20s，干燥温度为40-60℃，干燥时间为3~5h。

30、一种纳米颗粒浸渍增强的泡沫成型纸基摩擦材料，由上述制备方法制备得到。

31、上述纳米颗粒浸渍增强的泡沫成型纸基摩擦材料在重载工况下传动、制动部件中的应用。

32、优选地，所述纳米颗粒浸渍增强的泡沫成型纸基摩擦材料在重载工况下商用车辆、农用机械、工程机械、船舶等湿式离合器、湿式制动器、差速器传动、制动部件中的应用。

33、本发明的复配溶剂体系可改善纳米颗粒在树脂浸渍液中的分散稳定性，降低纳米颗粒团聚，提高其随浸渍液进入原纸内部的能力；另一方面，使纳米颗粒能够随树脂浸渍液进入材料内部孔隙，并在固化后分布于纤维、填料及孔壁表面，从而实现不同纳米材料对泡沫成型纸基摩擦材料界面、传热、摩擦和耐磨性能的整体增强。

34、与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

35、（1）本发明利用泡沫成型原纸孔隙率高、孔径较大、孔隙连通性好的结构特点，使纳米颗粒能够随树脂浸渍液成功进入纸基摩擦材料原纸内部，克服传统纸基摩擦材料中纳米颗粒难以通过浸渍方式有效进入内部孔隙的问题。

36、（2）本发明能够显著提高纸基摩擦材料的力学支撑能力。与传统水成型纸基摩擦材料相比，本发明实施例的剪切模量提高约19.1%～54.2%；与未浸渍纳米颗粒的泡沫成型纸基摩擦材料相比，本发明实施例的剪切模量提高约61.5%～109.0%。

37、（3）本发明能够显著提高纸基摩擦材料的传热性能。与传统水成型纸基摩擦材料相比，本发明实施例的z向导热系数提高约1.0%～17.4%、面向导热系数提高约8.9%～60.2%、对流换热系数提高约118.7%～519.3%；与未浸渍纳米颗粒的泡沫成型纸基摩擦材料相比，本发明实施例的z向导热系数提高约15.5%～72.9%、面向导热系数提高约31.6%～93.7%、对流换热系数提高约24.6%～81.1%。

38、（4）本发明能够提高纸基摩擦材料的摩擦稳定性及抗摩性能。与传统水成型纸基摩擦材料相比，本发明实施例的动摩擦系数方差降低约27.1%～68.2%、磨损率降低约38.9%～80.6%；与未浸渍纳米颗粒的泡沫成型纸基摩擦材料相比，本发明实施例的动摩擦系数方差降低约51.9%～79.0%、磨损率降低约9.4%～83.3%。

39、（5）本发明通过有机溶剂的复配，可将纳米颗粒高效分散于树脂分散液中。与单一溶剂纳米颗粒树脂分散液制备的纸基摩擦材料相比，本发明实施例的材料表面匀度更佳。