铜镁铝类水滑石插层改性及摩擦性能研究*

赵 维，李玉红

（咸阳师范学院化学与化工学院，陕西咸阳712000）

铜镁铝类水滑石插层改性及摩擦性能研究*

赵 维，李玉红

（咸阳师范学院化学与化工学院，陕西咸阳712000）

采用液相共沉淀法制备了铜镁铝类水滑石，选用十二烷酸（月桂酸）作为改性剂以离子交换法对类水滑石进行插层改性。借助红外光谱仪对改性前后类水滑石进行成分、结构、形貌分析与表征。实验结果表明，制得的类水滑石为Cu-Mg-Al-CO3、改性类水滑石为Cu-Mg-Al-月桂酸。将改性前后类水滑石以3%（质量分数）的比例添加到摩擦材料的基础配方中制成摩擦片，利用XD-MSM定速式摩擦试验机测试添加改性前后类水滑石制得摩擦材料的摩擦系数随温度的变化规律，用静水力学密度仪测试摩擦片的密度。结果表明，将未改性类水滑石加入摩擦材料中可以降低摩擦材料的摩擦系数，而加入改性类水滑石，因粒径膨胀，使得摩擦材料的摩擦系数有所增大；改性的类水滑石可以降低摩擦片的密度。

类水滑石；插层改性；摩擦系数；月桂酸

近年中国的工业发展迅猛，特别是汽车行业的发展更是迅速，人们对汽车的安全性能越来越重视，对摩擦材料的关注度也逐渐提高。如何生产出性能优良的摩擦制品，是摩擦行业持续关注的问题［1-2］。水滑石具有良好的润滑功能和耐热性能，而且不易老化［3］，因此改性的水滑石可以作为良好的减摩材料应用于摩擦行业［4］，如空调、电梯、汽车、航空航天等设备的制动与传动系统［5-6］。笔者采用共沉淀法合成铜镁铝类水滑石，并用月桂酸对其进行插层改性，然后加入摩擦材料中研究其摩擦性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂:硝酸铜、硝酸镁、硝酸铝、氢氧化钠、无水碳酸钠、月桂酸，均为化学纯。

仪器:SC-Ⅲ多频声化学发生器；D/max-2200PC型X射线衍射仪；IR Prestige-21X型红外光谱仪；Q100差热扫描量热仪；XLB-D侧板式平板硫化机；XDZ-B型摩擦材料制样机；GH-300C静水力学密度仪；XD-MSM定速式摩擦试验机。

1.2 类水滑石制备

1.2.1 铜镁铝类水滑石制备

准确称取一定量Cu（NO3）2·3H2O、Mg（NO3）2· 6H2O、Al（NO3）3·9H2O分别溶于250 mL去离子水中配成盐溶液，另称取一定量NaOH和Na2CO3配成碱溶液250 mL。将盐溶液和碱溶液逐滴加入盛有200 mL蒸馏水的三颈瓶中，维持反应体系pH为8～9。滴加完毕后将三颈瓶置于70℃水浴中，采用多频声化学发生器搅拌反应4 h。然后停止加热，回流晶化6 h。冷却至室温，抽滤，洗涤至中性，产物于70℃烘干12 h，得到Cu-Mg-Al类水滑石。

1.2.2 改性类水滑石制备

将制得的类水滑石均匀分散于一定量去离子水中配成悬浮液并倒入三颈瓶中，将三颈瓶置于70℃水浴中。将月桂酸（插层改性剂）用适量无水乙醇溶解，在搅拌下缓慢倒入三颈瓶中。用稀盐酸调节pH至中性，在70℃持续搅拌反应1 h。冷却至室温，抽滤，洗涤。将沉淀置于烘箱中在70℃干燥12 h，得到月桂酸改性Cu-Mg-Al类水滑石。

1.3 摩擦材料配方

表1为摩擦材料配方。以基础配方为参考，将改性前后类水滑石添加到基础配方中。配方1为基础配方；配方2～4为加入改性类水滑石；配方5～7为加入未改性类水滑石。类水滑石加入量均以3%（质量分数）的比例加入到基础配方中，混料均匀后将物料加入模具中制成摩擦片。

表1 摩擦材料配方

1.4 分析与检测

1）类水滑石红外光谱分析。分别取改性前后类水滑石压制成薄片，将其放在红外光谱仪中做红外光谱分析。

2）类水滑石X射线衍射分析。实验条件:Cu Kα辐射带石墨单色器，管电压为40kV，管电流为40mA，DS=1°，SS=1°，RS=0.15 mm，步进扫描，扫描速度为8（°）/min，采样宽度为0.02°。

3）改性前后类水滑石摩擦性能测试。用XDZ-B型摩擦材料制样机切割25 mm×25 mm×6 mm的样品，通过XD-MSM定速式摩擦试验机测试摩擦性能。在100℃下初磨，直至接触面达95%以上，用精度为0.01 mm的千分尺测量试片厚度。在试验温度为100℃时测定圆盘旋转5 000转期间的摩擦力，并以50℃为升温梯度，在同样条件下测试150～300℃的摩擦力；然后进行降温处理，测试降温过程中的摩擦力。实验结束后对数据进行处理，作为对比分析的参考。记录配方1～7在升温和降温过程中的摩擦系数。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

图1为类水滑石改性前（a）和改性后（b）红外光谱图。从图1可以看出，在425 cm-1处是类水滑石特征骨架振动峰。由图1a可以看出，在3 500 cm-1左右是物理吸附水或结晶水中—OH的伸缩振动峰；由于类水滑石层间进入了一定量水分子，在1 600～1750cm-1处出现了结晶水—OH的振动峰；1250 cm-1处是层间阴离子CO32-中C—O不对称伸缩振动引起的。红外光谱验证了产物具有类水滑石特征［7］，层间阴离子为CO32-并含有大量水分子。由图1b可以看出，类水滑石用月桂酸插层改性后，由CO32-引起的伸缩振动消失，而且在3 000 cm-1左右出现了明显—CH2的伸缩振动峰，在1 400 cm-1左右出现了CH2的弯曲振动峰。

图1 类水滑石改性前后红外光谱图

2.2 X射线衍射分析

图2为类水滑石改性前（a）和改性后（b）的XRD谱图。由图2可以看出，两谱线中均出现相对强度较大的（003）（006）（009）（110）面的特征衍射峰，未发现其他衍射峰，基线平稳，结晶度较好，层间距分别为0.62 nm和0.76 nm。衍射峰窄小而尖锐，表明制备的LDHs晶相单一，晶体结构一致，面生长有序程度较高。

图2 类水滑石改性前后XRD谱图

2.3 XD-MSM定速式摩擦试验

图3为不同配方摩擦材料升温过程（a）和降温过程（b）的摩擦系数。从图3可以看出:添加未改性类水滑石的摩擦材料其摩擦系数都较低，说明未改性类水滑石具有减摩功能；然而添加改性类水滑石的摩擦材料其摩擦系数均较高。这是由于，改性后类水滑石晶粒变膨胀，粒度增大，形态发生变化，使得摩擦材料的摩擦系数略有升高［8］。

图3 不同配方摩擦材料升温过程和降温过程摩擦系数

2.4 密度实验

将加入改性类水滑石制成的摩擦片制成密度测试仪所要求的试样后测试其密度，结果见表2。从表2可以看出，当摩擦材料配方中加入改性类水滑石后，可以降低摩擦材料的密度。

表2 基础配方及含改性类水滑石配方摩擦材料的密度

3 结论

采用共沉淀法制备了Cu-Mg-Al类水滑石，并用月桂酸为改性剂采用离子变换法对类水滑石进行插层改性。实验制得的改性前后类水滑石产品结构均匀、纯度高，具有类水滑石的基本特征及性能。将未改性类水滑石应用于摩擦材料中，不仅能够降低摩擦系数，而且能够延长摩擦制品的使用寿命。改性类水滑石可以降低摩擦材料的密度。改性类水滑石由于膨胀而粒度增大，使得摩擦系数略有提高。

［1］ 高惠民.矿物复合摩擦材料［M］.北京:化学工业出版社，2007.

［2］ 徐任泉，胡庆.冷压盘式刹车片摩擦磨损性能的研究［J］.摩擦学学报，1998，18（3）:259-262.

［3］ 陈光明，李强，漆宗能，等.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料研究进展［J］.高分子通报，1999（4）:1-10.

［4］ 宋国君，孙良栋，李培耀，等.水滑石的合成、改性及其在功能复合材料中的应用［J］.材料导报，2008，22（1）:54-56.

［5］ 杨晶，李华峰，陈国需，等.α-层状硅酸钠作为润滑添加剂的减摩抗磨性能［J］.石油学报:石油加工，2009，25（增刊）:22-26.

［6］ 员荣平，蔡黎明，齐士成，等.制动摩擦材料的摩擦性能评价［J］.徐州工程学院学报:自然科学版，2012，27（2）:25-29.

［7］ 施燕琴，钟明强，武艳辉.插层改性水滑石及其对聚丙烯力学和阻燃性的影响［J］.塑料助剂，2009，28（2）:37-42.

［8］ 曹娟，张振中，安少华，等.超细蛇纹石的表面修饰及其在基础油中的摩擦学性能［J］.硅酸盐学报，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

赵维（1971— ），女，博士，教授，主要从事功能材料研究。

陕西省科技厅科研基金资助项目（2013JM2016）；陕西省教育厅专项科研项目（2013JK0642）。

联系方式：xysyzw@126.com