一种生物质碳量子点/聚酰亚胺润滑复合材料的制备方法

1.本发明涉及润滑材料制备技术领域，具体是涉及一种生物质碳量子点/聚酰亚胺润滑复合材料的制备方法。


背景技术：

2.目前，随着现代经济的迅猛发展，海洋工业装备的发展对于国家开发海洋资源和海洋设备越来越重要，但对于海洋工业机械装备来说摩擦磨损成为其损失的主要因素之一。机械零件的损坏大部分是由摩擦磨损引起的，这直接导致机械设备的使用寿命。在大气环境下干摩擦摩擦滑动部件越来越多，润滑复合材料也因此成为海洋工业装备的一大发展趋势，具有硬度高、耐磨润滑材料的研究为解决此类问题提供了新的技术思路。
3.聚酰亚胺(pi)其复合材料具有耐高温、抗腐蚀性﹑摩擦性能好等优异性能。而单独的聚酰亚胺其摩擦性能相对较差，材料的摩擦磨损相对较高，导致装备使用寿命不长，需要时常更换。因此，为了减少摩擦，降低装备的磨损，提高机械零件的使用寿命，已有学者在聚酰亚胺反应体系中引入其他润滑材料来改善其摩擦学性能。
4.中国专利cn 104927354a通过机械混合的方式将碳纤维、石墨以及纳米碳纤维引入聚酰亚胺基体中，通过热压烧结得到聚酰亚胺复合材料。通过摩擦实验测得在大气环境中复合材料的摩擦系数在0.2以上，复合材料磨损率在5.0-6.5
×
10-6
mm3/nm；在水环境下摩擦系数在0.1-0.13，复合材料磨损率在5.0-7.1
×
10-7
mm3/nm。中国专利cn110423466a通过聚酰亚胺反应体系原位引入多壁碳纳米管(mwcnt)，实验结果表明其摩擦系数降低至0.051，复合材料磨损率为0.085
×
10-7
mm3/nm。
5.本发明加入生物质碳量子点(cqds)因其粒径很小具有较好的润滑性能，可作为润滑添加剂，填充聚酰亚胺基体改善复合材料的耐磨性和润滑性。目前未见该技术方面的报道。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提出一种生物质碳量子点/聚酰亚胺润滑复合材料的制备方法，能够制备具有较好的减摩、抗磨的润滑复合材料。
7.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
8.一种生物质碳量子点/聚酰亚胺润滑复合材料的制备方法，步骤如下：
9.1)、称取溶剂、二胺单体与生物质碳量子点，加入反应容器中，超声至溶液混合均匀分散；
10.2)、将二酐单体加入到步骤l)所得的混合溶液中，在冰水浴、氮气条件下搅拌反应，得到聚酰胺酸-碳量子点paa-cqds粘稠溶液；
11.3)、将步骤2)得到的paa-cqds粘稠溶液均匀涂抹到载体表面，放入真空干燥箱恒温干燥除去溶剂；之后放入干燥箱中使得paa-cqds亚胺化为pi-cqds，即可得到生物质碳量子点/聚酰亚胺润滑复合材料。
12.作为本发明的优选技术方案，生物质碳量子点/聚酰亚胺润滑复合材料的制备方法中：
13.步骤1)中所述的溶剂选自n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺中的一种。所述的碳量子点选自粒径为2～7nm的柠檬酸碳量子点。所述的二胺单体选自4,4'-二氨基-2,2'-甲基联苯、4,4'-二氨基二苯醚、对苯二胺、3,5-二氨基苯甲酸中的一种。
14.步骤2)中所述的二酐单体选自3,3',4,4'-联苯四甲酸二酐、2,3,3',4'-联苯四甲酸二酐、均苯四甲酸二酐中的一种。
15.所述二胺单体与二酐单体的摩尔比为1∶1～1.8，步骤2)中反应时间为12～30h。
16.步骤3)中所述的载体选自轴承钢钢板、不锈钢钢板、陶瓷片、玻璃板中的一种。放入真空干燥箱恒温60～100℃处理4～10h除去溶剂，然后之后放入干燥箱中使得paa-cqds亚胺化为pi-cqds，亚胺化条件为依次在80～120℃，180～220℃，280～320℃以及320～350℃下保温2h。步骤3)制备的复合材料中所述碳量子点所占质量分数为0～1.0％。
17.生物质碳量子点具有很小的粒径和改善润滑的性能，因此，本发明在制备前驱体paa过程中引入了生物质碳量子点为润滑添加剂，从而提高其机械性能和抗磨性能，获得高性能润滑生物质碳量子点/聚酰亚胺复合材料。所制备的复合材料具有较好的减摩﹑耐磨性能，摩擦过程中转移膜的形成，有效的地降低了复合材料的摩擦系数和磨损率。通过摩擦反应释放到摩擦界面的转移膜可有效的降低界面摩擦力，提高转移膜的承载性和剪切性。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
19.1、本发明在合成前驱体paa反应中，引入生物质碳量子点，可提高生物质碳量子点在聚酰亚胺中的分散性。
20.2、本发明的关键在于前驱体paa中引入生物质碳量子点，可促进高承载性、易剪切性能转移膜的形成。
21.3、本发明所述的生物质碳量子点/聚酰亚胺润滑复合材料在大气环境具有较好的抗魔性能。
具体实施方式
22.实施例1-5
23.一种生物质碳量子点/聚酰亚胺润滑复合材料的制备方法，步骤如下：
24.1)、量取30ml kh792，30ml超纯水，称取1.0g柠檬酸，超声使其混合均匀，后将溶液转移至聚四氟乙烯内衬水热反应釜中，于180℃恒温加热5h，反应完成后自然冷却至温，将所得溶液先通过0.22μm滤膜过滤，再通过1000～5000da透析袋透析36h，旋转蒸发至10ml，最后经冷冻干燥得到柠檬酸碳量子点成品。
25.2)、按照表1给出的原料及配比，称取溶剂、二胺单体与柠檬酸碳量子点，加入反应容器中，超声1h至溶液混合均匀分散。
26.3)、将二酐单体加入到步骤2)所得的混合溶液中，在冰水浴、氮气条件下搅拌反应24h，得到聚酰胺酸-碳量子点paa-cqds粘稠溶液。
27.4)、将步骤3)得到的paa-cqds粘稠溶液均匀涂抹到轴承钢钢板表面，放入真空干燥箱恒温80℃处理8h除去溶剂；之后放入干燥箱中，分别于100℃，200℃、300℃以及340℃下保温2h，使得paa-cqds亚胺化为pi-cqds，即可得到生物质碳量子点/聚酰亚胺润滑复合
材料。
28.表1实施例1-5所采用的原料及配比
[0029][0030][0031]
采用umt-2摩擦磨损试验机对实施例1-5进行摩擦实验。聚酰亚胺复合材料为下式样圆盘，陶瓷为上式样对偶球。下式样体积磨损率通过3d激光扫描显微镜(vk-x100k/x200k型)得出。所得结果见表2-4。测试条件为：大气环境，摩擦试验0.5h，加载力为15n，25n，35n，速度为10mm/s，冲程为5mm。
[0032]
表2载荷15n下不同生物质碳量子点含量的聚酰亚胺复合材料的摩擦系数以及磨损率
[0033]
名称摩擦系数(大气下)磨损率(大气下10-8
mm3/nm)实施例10.322.9实施例20.342.6实施例30.312.1实施例40.281.9实施例50.394.6
[0034]
表3载荷25n下不同生物质碳量子点含量的聚酰亚胺复合材料的摩擦系数以及磨损率
[0035]
名称摩擦系数(大气下)磨损率(大气下10-8
mm3/nm)实施例10.355.1实施例20.334.7实施例30.244.4实施例40.312.9实施例50.377.9
[0036]
表4载荷35n下不同生物质碳量子点含量的聚酰亚胺复合材料的摩擦系数以及磨损率
[0037][0038][0039]
从表2、3可以看出，在载荷低于25n下，实施例4制备生物质碳量子点/聚酰亚胺复合材料的磨损率最低。实施例5没有加入生物质量子点的摩擦系数和磨损率是最高的。此外，在低载荷下实施例1、2、3所得到的复合材料的摩擦性能均优于实施例5得到的纯聚酰亚胺的摩擦性能。
[0040]
从表4可以看出在高载荷35n下，实施例1制备生物质碳量子点/聚酰亚胺复合材料的磨损率最低。实施例5没有加入生物质量子点的摩擦系数和磨损率是最高的。此外，实施例2、3、4所得到的复合材料的摩擦性能均优于实施例5得到的纯聚酰亚胺的摩擦性能。
[0041]
本发明所制备的生物质碳量子点/聚酰亚胺润滑复合材料与纯聚酰亚胺相比，由于生物质碳量子点具有较好的润滑性能，使转移膜拥有较高的承载性和剪切性，证实了生物质碳量子点/聚酰业胺复合材料较好的减摩、耐磨性能。
[0042]
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。