一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料制造技术

本发明专利技术属于聚合物纳米复合材料领域，具体涉及一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料及其制备方法，包括如下步骤：1）硬质纳米粒子官能化；2）湿法‑机械法联合混料；3）复合材料热压成型。本发明专利技术制备的石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料，既有优异的冲击强度和抗弯强度，又具有抗磨损、摩擦系数低等优点，在汽车、电子、航空、航天及国防工业等领域用途广泛，本发明专利技术制备工艺简单高效，具有工业化应用前景。

Synergistic modification of phenolic resin wear-resistant material with graphene / hard nanoparticles

The invention belongs to the field of polymer nano composite material, in particular to a kind of graphene / hard nanoparticle co modified phenolic resin wear-resistant material and the preparation method, including the following steps: 1) the functionalization of hard nanoparticles; 2) wet process mechanical method combined mixture; 3) hot pressing of the compound material. The co modified phenolic resin wear resistant material has excellent impact strength and bending strength, and has the advantages of anti wear and low friction coefficient, and is widely used in the fields of automobile, electronics, aviation, aerospace and national defense industry. The preparation process is simple and efficient. The application prospect of the industry.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料
本专利技术属于聚合物纳米复合材料
，具体涉及一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料及其制备方法。
技术介绍
酚醛树脂(PF)是传统的摩擦材料基体树脂，因其具有良好的耐温性、耐化学腐蚀性、良好的机械性能和加工工艺性而被广泛应用于汽车及运输业、航空领域、军事装备领域、建筑业等领域。但纯酚醛树脂存在脆性大、韧性差、导热性差和耐热性不足等缺陷，限制了高性能摩擦材料的开发。石墨烯的电学、力学、热学性能突出，并且具有比表面积大、自润滑等特点，被认为是一种有前途、多用途、多功能的制备复合材料的基础材料。石墨烯作为减摩剂具有良好的减摩效果，摩擦过程中，石墨烯超薄的片层结构使其极易嵌入对磨面的不平整处，使对磨面易于生成平整的转移膜，减少两粗糙表面的直接接触，并不断地抛光对磨的金属表面，减少对基体材料的刨削磨损，提高其摩擦和机械性能。硬质纳米粒子由于粒子尺寸小、表面活性大，少量添加即可改进高分子材料的摩擦磨损性能，在摩擦过程中，硬质纳米粒子在载荷的作用下容易被压入基体材料中，不易脱落，并且起到滚动轴承的作用，因而减少磨粒磨损的可能，同时在表面层硬质纳米粒子承担了大部分载荷，减轻了局部区域所受到的摩擦应力，从而有效减缓磨损。将石墨烯和硬质纳米粒子各自性能优势相结合，采用合适工艺控制纳米粒子在基体中均匀分散，所制备的石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂摩擦材料能够解决酚醛树脂摩擦学能不足的问题，可望开发出性能优异的新型摩擦材料。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料及其制备方法，制备的酚醛树脂复合材料的机械性能和摩擦性得到明显的提高。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料，是由1～20wt％的官能化的硬质纳米粒子、0.05～5wt％的石墨烯以及酚醛树脂构成的。作为本专利技术所述耐磨材料技术方案的进一步改进，硬质纳米粒子经硅烷偶联剂官能化形成官能化的硬质纳米粒子。作为本专利技术所述耐磨材料技术方案的进一步改进，所述硬质纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化锆、纳米三氧化二铝、纳米二氧化钛等高硬度纳米粒子中的任一一种。作为本专利技术所述耐磨材料技术方案的进一步改进，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)中的任一一种。本专利技术进一步提供了一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：1)硬质纳米粒子官能化：将硬质纳米粒子加入分散剂中，超声分散形成浓度为10～100mg/mL的硬质纳米粒子分散液，向其滴加硅烷偶联剂，搅拌1～24h后，离心、洗涤，随后烘干备用，得到官能化的硬质纳米粒子；2)湿法-机械联合混料：将官能化的硬质纳米粒子、石墨烯、酚醛树脂加入分散剂中搅拌0.5～2h后烘干，随后将烘干的混合原料放入高速混合机中搅拌5～30min，使其充分均匀分散；3)复合材料热压成型：将混合后的原料放入模具中，在压力20～60MPa、温度160℃条件下模压30min，随后将模压样条在60～160℃梯度升温分别热处理1～12h，得到石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料。作为本专利技术所述制备方法技术方案的进一步改进，所述硬质纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化锆、纳米三氧化二铝、纳米二氧化钛等高硬度纳米粒子中的任一一种。作为本专利技术所述制备方法技术方案的进一步改进，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的任一一种。作为本专利技术所述制备方法技术方案的进一步改进，所述石墨烯的含量为0.05～5wt％，硬质纳米粒子含量为1～20wt％，其余为酚醛树脂。作为本专利技术所述制备方法技术方案的进一步改进，所述分散剂为水、乙醇、丙酮、甲苯、四氢呋喃中的任一一种。本专利技术采用湿法共混和机械共混双重混合方法，先将石墨烯、硬质纳米粒子和酚醛树脂在分散剂中搅拌混合均匀，烘干后又在高速混合机中混合均匀，极大的提高了石墨烯和硬质纳米粒子在酚醛树脂中的均匀性和分散性，可以有效缓解应力集中，抑制耐磨材料破坏，从而提高耐磨材料的综合性能。本专利技术提供的制备方法简单高效，成本低廉，适合于工业化生产。本专利技术制备的石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料，既有优异的冲击强度和抗弯强度，又具有抗磨损、摩擦系数低等优点，在汽车、电子、航空、航天及国防工业等领域用途广泛，本专利技术制备工艺简单高效，具有工业化应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1中经硅烷偶联剂KH550功能化的纳米二氧化锆红外图。从图1中可以看出功能化后的二氧化锆在1725cm-1处出现了N-H的弯曲振动峰，在1397cm-1与1085cm-1处出现了Si-O-CH2CH3基团的特征峰。图2为本专利技术实施例1中得到的复合材料的拉伸强度和弯曲强度图。从图2中可以看出石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂复合材料的的冲击强度和弯曲强度跟未改性的酚醛树脂相比分别提高了65％、14.8％。图3为本专利技术实施例1中得到的复合材料的摩擦系数和磨损率图。从图2中可以看出石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂复合材料的的摩擦系数和磨损率都比未改性的酚醛树脂低，耐磨性能提高了56％。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本专利技术所保护的范围。下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细的说明。一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料，是由1～20wt％的官能化的硬质纳米粒子、0.05～5wt％的石墨烯以及酚醛树脂构成的。具体的，硬质纳米粒子经硅烷偶联剂官能化形成官能化的硬质纳米粒子。优选的，所述硬质纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化锆、纳米三氧化二铝、纳米二氧化钛等高硬度纳米粒子中的任一一种。优选的，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的任一一种。在本专利技术中，官能化的硬质纳米粒子与石墨烯能够发生协同作用，制备出耐磨性能更加优异的耐磨材料。为了证明官能化的硬质纳米粒子与石墨烯的协同作用，本专利技术进一步提供了一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：1)硬质纳米粒子官能化：将硬质纳米粒子加入分散剂中，超声分散形成浓度为10～100mg/mL的硬质纳米粒子分散液，向其滴加硅烷偶联剂，搅拌1～24h后，离心、洗涤，随后烘干备用，得到官能化的硬质纳米粒子；2)湿法-机械联合混料：将官能化的硬质纳米粒子、石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料，其特征在于，是由1~20wt%的官能化的硬质纳米粒子、0.05~5wt%的石墨烯以及酚醛树脂构成的。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料，其特征在于，是由1~20wt%的官能化的硬质纳米粒子、0.05~5wt%的石墨烯以及酚醛树脂构成的。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料，其特征在于，硬质纳米粒子经硅烷偶联剂官能化形成官能化的硬质纳米粒子。3.根据权利要求2所述的一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料，其特征在于，所述硬质纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化锆、纳米三氧化二铝、纳米二氧化钛等高硬度纳米粒子中的任一一种。4.根据权利要求2所述的一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的任一一种。5.一种石墨烯/硬质纳米粒子协同改性酚醛树脂耐磨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）硬质纳米粒子官能化：将硬质纳米粒子加入分散剂中，超声分散形成浓度为10~100mg/mL的硬质纳米粒子分散液，向其滴加硅烷偶联剂，搅拌1~24h后，离心、洗涤，随后烘干备用，得到官能化的硬质纳米粒子；2）湿法-机械联合混料：将官能化的硬质纳米粒子、石墨烯、酚醛树脂加入分散剂中...

【专利技术属性】
技术研发人员：周少锋，王军杰，刘亚青，王书展，赵贵哲，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14