纳米SiO2原位改性高性能纤维及其纸基摩擦材料性能研究

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1、学校代码：１０７０８论文分类号：２２学号：１５０１０１ｍ＾ＡＡＡＡｌＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文’ＴｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ纳米ＳｉＯ２原位改性高性能纤维及其纸基摩擦材料性能研究胡文静指导教师姓名：陆赵情教授谢璠副教授学科名称：轻工技术与工程论文提交日期：２０１８年３月论文答辩日期：２０１８年５月学位授予单位：陕西科技大学申请工学硕士学位论文论文题目：纳米SiO2原位改性高性能纤维及其纸基摩擦材料性能研究学科门类：工学一

2、级学科：轻工技术与工程培养单位：轻工科学与工程学院硕士生：胡文静导师：陆赵情教授谢璠副教授2018年5月StudyonIn-SituModificationofHigh-performanceFiberwithNanosilicaandthePropertiesofItsPaper-basedFrictionMaterialsAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEn

3、gineeringScienceByWenjingHuSupervisor:Prof.ZhaoqingLuandFanXieMay2018纳米SiO2原位改性高性能纤维及其纸基摩擦材料性能研究摘要纸基摩擦材料因其摩擦系数稳定、运行性能平稳和材料寿命长等卓越的性能，广泛应用于现代汽车自动变速器和湿式离合装置中，引起了国内外学者的广泛关注。纸基摩擦材料通常采用湿法成型技术，由增强纤维、填料和摩擦性能调节剂等组分，经树脂浸渍加工而成。然而，纸基摩擦材料的摩擦磨损性能不佳，严重制约了其材料的应用领域。其中，增强纤维（芳纶纤维和碳纤维）具有高强高模、耐化学腐蚀、热稳定

4、性好、耐磨性高等优点，是纸基摩擦材料的新型高性能增强纤维，对其摩擦学性能具有重要的影响。但纤维表面光洁圆滑，缺乏活性反应基团，与树脂基体粘结性差，存在较多界面缺陷，很大程度上影响了材料的摩擦学行为。因此，寻找一种改善纤维表面缺陷并提高界面性能的方法，是纸基摩擦材料领域亟待解决的问题。由于纳米SiO2具有耐热、抗磨性好、比表面积大、表面吸附作用强以及表面带有羟基结构等诸多优异性能，可用于改性高分子化合物或纤维等。因此，本论文针对芳纶纤维和碳纤维的表面缺陷，通过溶胶凝胶法对纤维进行纳米SiO2原位改性，通过改善材料界面性能来提高纸基摩擦材料的摩擦磨损性能和力学性

5、能。首先通过溶胶凝胶法在芳纶纤维表面原位沉积纳米SiO2粒子，然后利用响应面法建立二次多项式回归模型，对芳纶纤维表面沉积的纳米SiO2的粒径尺寸及分布进行最佳工艺探究。结果表明，纯水的影响最为显著，TEOS的用量对纳米SiO2粒径影响显著性最小，纳米SiO2粒子最佳生长工艺配比为：乙醇276.42g，纯水43.2g，氨水18.75g，TEOS为62.5g，各因素如乙醇、纯水、氨水、TEOS之间的工艺配比为20:8:0.3:1（质量比）。在该条件下得到的纳米SiO2粒径为298.4nm，此时粒径较小，且纤维表面的纳米SiO2生长良好，致密均匀。采用上述纳米Si

6、O2的最佳生长工艺条件，通过在磷酸预处理的芳纶纤维表面原位沉积纳米SiO2来改性芳纶纤维，分别对改性前后芳纶纤维的表观形貌、化学结构、润湿性能和耐热性能，以及对纸基摩擦材料的摩擦磨损I性能和力学性能进行表征和分析。结果表明，纳米SiO2原位改性的芳纶纤维表面，以C-O-Si化学键的连接方式，原位生长出纳米SiO2粒子层。纳米SiO2改性后，纤维的润湿性能得到改善，接触角由88.2°降低至59.1°；芳纶o纤维的热稳定性有所增强，热分解速率最大点对应的温度由529.5C提升至o543C，但纤维的初始热降解温度有所下降。改性后纸基摩擦材料的抗张强2度从40.5N

7、·m/g提升到44.4N·m/g，层间结合强度从602.9J/m提高到1077.52J/m，分别增加了9%和44%，其动摩擦系数稳定性显著提高，材料的磨损率降低了27%。因此，纳米SiO2改性芳纶纤维可提高纸基摩擦材料的摩擦磨损性能。最后采用纳米SiO2原位改性碳纤维，在多巴胺预处理的碳纤维表面原位沉积纳米SiO2，对纤维结构和纸基摩擦材料进行微观表征及性能研究。结果表明，碳纤维表面通过化学键的连接，沉积了一层致密的纳米SiO2，改性后碳纤维的结晶度有所增大，晶粒尺寸也随之增加，沿纤维轴排列更有序，纤维的取向度更高。改性后纸基摩擦材料的抗张强度从46.8N·

8、m/g增2加到55.6N·m/g，提高了19%，层间