銅鎂鋁類水滑石插層改性及摩擦性能研究*

趙 維，李玉紅

（咸陽師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽712000）

銅鎂鋁類水滑石插層改性及摩擦性能研究*

趙 維，李玉紅

（咸陽師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽712000）

采用液相共沉淀法制備了銅鎂鋁類水滑石，選用十二烷酸（月桂酸）作為改性劑以離子交換法對(duì)類水滑石進(jìn)行插層改性。借助紅外光譜儀對(duì)改性前后類水滑石進(jìn)行成分、結(jié)構(gòu)、形貌分析與表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制得的類水滑石為Cu-Mg-Al-CO3、改性類水滑石為Cu-Mg-Al-月桂酸。將改性前后類水滑石以3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的比例添加到摩擦材料的基礎(chǔ)配方中制成摩擦片，利用XD-MSM定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)試添加改性前后類水滑石制得摩擦材料的摩擦系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，用靜水力學(xué)密度儀測(cè)試摩擦片的密度。結(jié)果表明，將未改性類水滑石加入摩擦材料中可以降低摩擦材料的摩擦系數(shù)，而加入改性類水滑石，因粒徑膨脹，使得摩擦材料的摩擦系數(shù)有所增大；改性的類水滑石可以降低摩擦片的密度。

類水滑石；插層改性；摩擦系數(shù)；月桂酸

近年中國的工業(yè)發(fā)展迅猛，特別是汽車行業(yè)的發(fā)展更是迅速，人們對(duì)汽車的安全性能越來越重視，對(duì)摩擦材料的關(guān)注度也逐漸提高。如何生產(chǎn)出性能優(yōu)良的摩擦制品，是摩擦行業(yè)持續(xù)關(guān)注的問題［1-2］。水滑石具有良好的潤滑功能和耐熱性能，而且不易老化［3］，因此改性的水滑石可以作為良好的減摩材料應(yīng)用于摩擦行業(yè)［4］，如空調(diào)、電梯、汽車、航空航天等設(shè)備的制動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)［5-6］。筆者采用共沉淀法合成銅鎂鋁類水滑石，并用月桂酸對(duì)其進(jìn)行插層改性，然后加入摩擦材料中研究其摩擦性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑:硝酸銅、硝酸鎂、硝酸鋁、氫氧化鈉、無水碳酸鈉、月桂酸，均為化學(xué)純。

儀器:SC-Ⅲ多頻聲化學(xué)發(fā)生器；D/max-2200PC型X射線衍射儀；IR Prestige-21X型紅外光譜儀；Q100差熱掃描量熱儀；XLB-D側(cè)板式平板硫化機(jī)；XDZ-B型摩擦材料制樣機(jī)；GH-300C靜水力學(xué)密度儀；XD-MSM定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)。

1.2 類水滑石制備

1.2.1 銅鎂鋁類水滑石制備

準(zhǔn)確稱取一定量Cu（NO3）2·3H2O、Mg（NO3）2· 6H2O、Al（NO3）3·9H2O分別溶于250 mL去離子水中配成鹽溶液，另稱取一定量NaOH和Na2CO3配成堿溶液250 mL。將鹽溶液和堿溶液逐滴加入盛有200 mL蒸餾水的三頸瓶中，維持反應(yīng)體系pH為8～9。滴加完畢后將三頸瓶置于70℃水浴中，采用多頻聲化學(xué)發(fā)生器攪拌反應(yīng)4 h。然后停止加熱，回流晶化6 h。冷卻至室溫，抽濾，洗滌至中性，產(chǎn)物于70℃烘干12 h，得到Cu-Mg-Al類水滑石。

1.2.2 改性類水滑石制備

將制得的類水滑石均勻分散于一定量去離子水中配成懸浮液并倒入三頸瓶中，將三頸瓶置于70℃水浴中。將月桂酸（插層改性劑）用適量無水乙醇溶解，在攪拌下緩慢倒入三頸瓶中。用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH至中性，在70℃持續(xù)攪拌反應(yīng)1 h。冷卻至室溫，抽濾，洗滌。將沉淀置于烘箱中在70℃干燥12 h，得到月桂酸改性Cu-Mg-Al類水滑石。

1.3 摩擦材料配方

表1為摩擦材料配方。以基礎(chǔ)配方為參考，將改性前后類水滑石添加到基礎(chǔ)配方中。配方1為基礎(chǔ)配方；配方2～4為加入改性類水滑石；配方5～7為加入未改性類水滑石。類水滑石加入量均以3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的比例加入到基礎(chǔ)配方中，混料均勻后將物料加入模具中制成摩擦片。

表1 摩擦材料配方

1.4 分析與檢測(cè)

1）類水滑石紅外光譜分析。分別取改性前后類水滑石壓制成薄片，將其放在紅外光譜儀中做紅外光譜分析。

2）類水滑石X射線衍射分析。實(shí)驗(yàn)條件:Cu Kα輻射帶石墨單色器，管電壓為40kV，管電流為40mA，DS=1°，SS=1°，RS=0.15 mm，步進(jìn)掃描，掃描速度為8（°）/min，采樣寬度為0.02°。

3）改性前后類水滑石摩擦性能測(cè)試。用XDZ-B型摩擦材料制樣機(jī)切割25 mm×25 mm×6 mm的樣品，通過XD-MSM定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)試摩擦性能。在100℃下初磨，直至接觸面達(dá)95%以上，用精度為0.01 mm的千分尺測(cè)量試片厚度。在試驗(yàn)溫度為100℃時(shí)測(cè)定圓盤旋轉(zhuǎn)5 000轉(zhuǎn)期間的摩擦力，并以50℃為升溫梯度，在同樣條件下測(cè)試150～300℃的摩擦力；然后進(jìn)行降溫處理，測(cè)試降溫過程中的摩擦力。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，作為對(duì)比分析的參考。記錄配方1～7在升溫和降溫過程中的摩擦系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖1為類水滑石改性前（a）和改性后（b）紅外光譜圖。從圖1可以看出，在425 cm-1處是類水滑石特征骨架振動(dòng)峰。由圖1a可以看出，在3 500 cm-1左右是物理吸附水或結(jié)晶水中—OH的伸縮振動(dòng)峰；由于類水滑石層間進(jìn)入了一定量水分子，在1 600～1750cm-1處出現(xiàn)了結(jié)晶水—OH的振動(dòng)峰；1250 cm-1處是層間陰離子CO32-中C—O不對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的。紅外光譜驗(yàn)證了產(chǎn)物具有類水滑石特征［7］，層間陰離子為CO32-并含有大量水分子。由圖1b可以看出，類水滑石用月桂酸插層改性后，由CO32-引起的伸縮振動(dòng)消失，而且在3 000 cm-1左右出現(xiàn)了明顯—CH2的伸縮振動(dòng)峰，在1 400 cm-1左右出現(xiàn)了CH2的彎曲振動(dòng)峰。

圖1 類水滑石改性前后紅外光譜圖

2.2 X射線衍射分析

圖2為類水滑石改性前（a）和改性后（b）的XRD譜圖。由圖2可以看出，兩譜線中均出現(xiàn)相對(duì)強(qiáng)度較大的（003）（006）（009）（110）面的特征衍射峰，未發(fā)現(xiàn)其他衍射峰，基線平穩(wěn)，結(jié)晶度較好，層間距分別為0.62 nm和0.76 nm。衍射峰窄小而尖銳，表明制備的LDHs晶相單一，晶體結(jié)構(gòu)一致，面生長有序程度較高。

圖2 類水滑石改性前后XRD譜圖

2.3 XD-MSM定速式摩擦試驗(yàn)

圖3為不同配方摩擦材料升溫過程（a）和降溫過程（b）的摩擦系數(shù)。從圖3可以看出:添加未改性類水滑石的摩擦材料其摩擦系數(shù)都較低，說明未改性類水滑石具有減摩功能；然而添加改性類水滑石的摩擦材料其摩擦系數(shù)均較高。這是由于，改性后類水滑石晶粒變膨脹，粒度增大，形態(tài)發(fā)生變化，使得摩擦材料的摩擦系數(shù)略有升高［8］。

圖3 不同配方摩擦材料升溫過程和降溫過程摩擦系數(shù)

2.4 密度實(shí)驗(yàn)

將加入改性類水滑石制成的摩擦片制成密度測(cè)試儀所要求的試樣后測(cè)試其密度，結(jié)果見表2。從表2可以看出，當(dāng)摩擦材料配方中加入改性類水滑石后，可以降低摩擦材料的密度。

表2 基礎(chǔ)配方及含改性類水滑石配方摩擦材料的密度

3 結(jié)論

采用共沉淀法制備了Cu-Mg-Al類水滑石，并用月桂酸為改性劑采用離子變換法對(duì)類水滑石進(jìn)行插層改性。實(shí)驗(yàn)制得的改性前后類水滑石產(chǎn)品結(jié)構(gòu)均勻、純度高，具有類水滑石的基本特征及性能。將未改性類水滑石應(yīng)用于摩擦材料中，不僅能夠降低摩擦系數(shù)，而且能夠延長摩擦制品的使用壽命。改性類水滑石可以降低摩擦材料的密度。改性類水滑石由于膨脹而粒度增大，使得摩擦系數(shù)略有提高。

［1］ 高惠民.礦物復(fù)合摩擦材料［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］ 徐任泉，胡慶.冷壓盤式剎車片摩擦磨損性能的研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18（3）:259-262.

［3］ 陳光明，李強(qiáng)，漆宗能，等.聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料研究進(jìn)展［J］.高分子通報(bào)，1999（4）:1-10.

［4］ 宋國君，孫良棟，李培耀，等.水滑石的合成、改性及其在功能復(fù)合材料中的應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（1）:54-56.

［5］ 楊晶，李華峰，陳國需，等.α-層狀硅酸鈉作為潤滑添加劑的減摩抗磨性能［J］.石油學(xué)報(bào):石油加工，2009，25（增刊）:22-26.

［6］ 員榮平，蔡黎明，齊士成，等.制動(dòng)摩擦材料的摩擦性能評(píng)價(jià)［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，27（2）:25-29.

［7］ 施燕琴，鐘明強(qiáng)，武艷輝.插層改性水滑石及其對(duì)聚丙烯力學(xué)和阻燃性的影響［J］.塑料助劑，2009，28（2）:37-42.

［8］ 曹娟，張振中，安少華，等.超細(xì)蛇紋石的表面修飾及其在基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36（9）:1210-1214.

Study on intercalating modification and friction performance of Cu-Mg-Al hydrotalcite-like compounds

Zhao Wei，Li yuhong
（College of Chemistry and Chemical Engineering，Xianyang Normal University，Xianyang 712000，China）

Cu-Mg-Al hydrotalcite-like compound was prepared by liquid phase co-precipitation method，and intercalating modification was also made by ion exchange method with lauric acid as the modifier.The composition，structure and morphology of hydrotalcite-like compound before and after the modification were characterized and analyzed by infrared spectrometer. Results showed that the product was Cu-Mg-Al-CO3hydrotalcite and the modified product was Cu-Mg-Al-lauric hydrotalcite.The modified and un-modified hydrotalcite were added in a proportion of 3%（mass fraction）respectively to the base formulation to prepare a friction lining materials.The law of friction coefficient of those prepared friction lining materials changed with temperature was tested by XD-MSM constant speed friction tester.The density of friction lining materials was also tested by hydrostatic densitometer.Results showed that un-modified hydrotalcite adding into the friction lining materials could reduce the friction coefficient，however，the modified one could increase the friction coefficient due to the expansion of particle size；and the modified one could also reduce the density of friction lining materials.

hydrotalcite-like compound；intercalating modification；friction factor；lauric acid

TQ132.2

A

1006-4990（2016）09-0023-03

2016-03-25

趙維（1971— ），女，博士，教授，主要從事功能材料研究。

陜西省科技廳科研基金資助項(xiàng)目（2013JM2016）；陜西省教育廳專項(xiàng)科研項(xiàng)目（2013JK0642）。

聯(lián)系方式：xysyzw@126.com