一种碳化硼增强纸基摩擦材料及其制备方法
【专利摘要】一种碳化硼增强纸基摩擦材料及其制备方法，将腰果壳油改性酚醛树脂溶于无水乙醇中得A溶液；将多壁碳纳米管分散在十二烷基磺酸钠水溶液中得悬浮液B；将短切碳纤维、竹纤维和碳化硼分散在水中再加入悬乳液B得C溶液；将C溶液疏解后抄片并干燥得到样片D；将A溶液喷涂在样片D上并晾干，热压成型，即得到碳化硼增强纸基摩擦材料，其动摩擦系数为0.139～0.147；磨损率为4.5×10-8。本发明将碳化硼作为增强相添加到纸基摩擦材料的原料中，制备出纸基摩擦材料，工艺简单易控，可以改善纸基摩擦材料的制动稳定性和摩擦系数，大大提高其摩擦性能，并且可以有效降低磨损率。
【专利说明】一种碳化硼增强纸基摩擦材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于摩擦材料领域，具体涉及一种碳化硼增强纸基摩擦材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]摩擦材料在工作过程中应用摩擦力传递扭矩和制动，是保障车辆运行平稳性、安全性的重要材料，其研究工作受到国内外学者的广泛关注[H.J.Hwang，S.L.Jung，K.H.Cho, Y.J.Kim and H.Jang2010Tribological performance of brake frictionmaterials containing carbon nanotubes wear.268519-525]。
[0003]纸基摩擦材料作为最重要的湿式摩擦材料，具有动摩擦系数高、摩擦力矩平稳、动/静摩擦系数接近于1、成本低、贴合性能平稳、磨损率低、使用寿命长、噪音小及可保护对偶材料等突出特点，在当今自动变速和湿式刹车装置中得到了广泛的应用[YoshitsuguKimura and Chikashi 0tani2005Contact and wear of paper-based friction materialsfor oil-1mmersed clutches—wear model for composite materials TribologyInternational.38943-950]。
[0004]随着车辆向高速、重载荷、轻污染等方向发展，对纸基材料的发展也提出了更高的要求。陶瓷的力学强度很高且在高温下热衰退很小，它具有抗氧化和耐腐蚀性能，因此近年来陶瓷材料作为减磨和耐磨材料在摩擦材料领域中得到了广泛的应用。中国专利CN101671193公开了一种碳纤维/碳化硼复合陶瓷及其制备方法，通过该方法制备的复合陶瓷具有较高的硬度和断裂韧性，使碳化硼陶瓷的应用领域更为广泛。目前，碳化硼陶瓷以其独特的结构和性能广泛应用于诸多工业领域，对其的研究也取得一定的进展，但也存在一些问题值得深入研究。例如碳化硼的性能受温度的影响较大，因此其高温稳定性较差。然而到目前为止，对于碳化硼增强纸基摩擦材料的研究鲜有报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种碳化硼增强纸基摩擦材料及其制备方法，通过在纸基摩擦材料中引入增强相b4c来有效提高其摩擦性能，能够制备出摩擦系数高、摩擦性能稳定、耐磨性良好的纸基摩擦材料。
[0006]为达到上述目的，本发明采用技术方案是:
[0007]—种碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，包括以下步骤:
[0008]步骤一:将每0.7g?3.2g的腰果壳油改性酚醛树脂溶解在每60?140mL的无水乙醇中，得酚醛树脂溶液，静置，封口保存，得到A溶液；
[0009]步骤二:将每0.5?7.8g的多壁碳纳米管分散在每150?450mL的十二烷基磺酸钠水溶液中，搅拌至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B ；
[0010]步骤三:向每60?120mL的水中加入6?15g的短切碳纤维、5?13g的竹纤维、以及1?5g的碳化硼，分散均匀，得混合溶液，再将悬浮液B加入到混合溶液中得C溶液，其中每加入6?15g短切碳纤维时加入100?420g悬浮液B ；
[0011]步骤四:将C溶液进行疏解，然后将疏解后的C溶液抄片后干燥，得到样片D ；
[0012]步骤五:将A溶液雾化后均匀喷涂在样片D上并自然晾干，然后热压成型，即得到碳化硼增强纸基摩擦材料。
[0013]所述步骤一中的静置时间为15h?35h。
[0014]所述步骤二中多壁碳纳米管的直径为20?60nm，搅拌均匀所需的时间为5?7小时。
[0015]所述步骤二中十二烷基磺酸钠水溶液的质量浓度为0.2%?0.6%。
[0016]所述步骤三中短切碳纤维的直径为6?18 μ m ;竹纤维的打浆度为70?85° SR。
[0017]所述步骤四中的疏解为将C溶液倒入疏解机中分散1000?2500r。
[0018]所述步骤四中的抄片后干燥的具体操作是:先分别进行两次抄片，然后在湿式状态下将两次抄得的片进行叠加，再进行干燥。
[0019]所述步骤五中将A溶液雾化后分多次均匀喷涂在样片D的正反面上，并且每次喷涂后留有30?60s的渗透时间，使每含有6?15g短切碳纤维的样片D喷涂上0.7g?3.2g腰果壳油改性酚醛树脂。
[0020]所述步骤五中热压成型的温度为150?200°C，时间为10?15min，压力为3?1OMPaο
[0021]所述的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法制得的碳化硼增强纸基摩擦材料，在主轴惯量为0.lkg.m2，制动压力为1.0MPa，转速为2000r/min条件下，其动摩擦系数为0.139 ?0.147 ;磨损率为 4.5X 1θΛ
[0022]相对于现有技术，本发明的有益效果为:
[0023]本发明提供的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，能够通过碳化硼来有效提高纸基摩擦材料的摩擦性能。先将短切碳纤维、竹纤维以及碳化硼在水中分散均匀，再加入由多壁碳纳米管得到的悬浮液Β，采用造纸的工艺制备成样片D，然后喷涂由腰果壳油改性酚醛树脂得到的Α溶液，待晾干后热压固化，最终制得碳化硼增强纸基摩擦材料。并且通过控制各种组分的含量，可以获得不同摩擦系数和磨损率的纸基摩擦材料。由于碳化硼具有优良的耐磨性、导热性、耐腐蚀性、高硬度、质轻、耐压等特性，因此，碳化硼大量应用于基体增强、增磨材料。但由于其在一定温度下容易被氧化生成氧化硼，从而影响其性能，因此也限制了其在某些领域的发展。而纸基摩擦片是一种湿式摩擦材料，其工作环境为润滑低温，工作温度低于100°C，这样的温度和条件规避了碳化硼材料的缺点，碳化硼基本不会被氧化，所以其可以稳定存在于纸基摩擦材料中，发挥其增强摩擦材料性能的作用。碳化硼相对于其他氧化物和硼化物具有较好的耐化学腐蚀和良好的热性能，在纸基摩擦材料中其附着于竹纤维上，被树脂紧紧包裹，从而起到提高摩擦性能的作用。因此本发明将碳化硼作为增强相添加到纸基摩擦材料的原料中，制备出的纸基摩擦材料，能够改善纸基摩擦材料的制动稳定性和导热性，大大提高其摩擦性能，并且可以有效降低磨损率。而且利用腰果壳油改性酚醛树脂作为粘接剂可以将碳化硼与其他组分很好的结合起来共同作用，最大程度地提高纸基摩擦材料的摩擦性能，有效降低磨损率。克服了现有技术制备的摩擦材料动摩擦系数较低、以及摩擦性能不稳定的问题。本发明工艺控制简单，具有良好的大规模工业生产潜力。[0024]本发明制备的碳化硼增强纸基摩擦材料具有摩擦系数高、磨损率低、摩擦性能稳定、耐磨性良好、耐热震性良好以及材料的热传导性好等优点。通过QM1000-1I型湿式摩擦材料性能试验机所测得的动摩擦系数可以由不加入碳化硼时的0.10提高到加入碳化硼之后的0.139?0.147，并稳定在0.145左右，稳定性较好，且磨损率可由不加入碳化硼时的
6.5X 10_8降到加入碳化硼之后的4.5X 10_8，具有良好的应用前景。
[0025]进一步的，本发明中在抄片时采用了叠片工艺，即分别进行两次抄片，再在湿式状态下进行叠加，制备出叠层的碳化硼增强纸基摩擦材料，能够使制得的纸基摩擦材料的性能更加稳定。这是因为在使用抄片机进行超片时，由于重力、抽力等因素，会使得到的片存在正反面，从而影响制得的纸基摩擦材料的性能。但是采用分两次抄片然后再叠片的工艺后，可以大大降低这种正反面的影响，从而使制得的纸基摩擦材料的性能更加稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明制备出的碳化硼增强纸基摩擦材料制动500次的动摩擦系数曲线图，其中1#为在实施例1的配方中不加碳化硼后制备出的纸基摩擦材料制动500次的动摩擦系数曲线，2#为实施例1制备出的碳化硼增强纸基摩擦材料制动500次的动摩擦系数曲线，3#为将实施例1中的碳化硼换成等量的碳化硅后制备出的碳化硼增强纸基摩擦材料制动500次的动摩擦系数曲线。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
[0028]本发明中使用的腰果壳油改性酚醛树脂来自山东圣泉化工股份有限公司，型号为PF-6291A ;多壁碳纳米管来自清华大学化工系反应工程实验室；短切碳纤维来自鞍山塞诺达碳纤维有限公司；碳化硼来自牡丹江磨料磨具厂，批号为88-04-29。
[0029]实施例1:
[0030]步骤一:取0.7g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在60mL无水乙醇中，得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置20h，封口保存，得到60mL的A溶液；
[0031]步骤二:将0.5g直径为20?60nm的多壁碳纳米管分散在150mL质量浓度为0.2%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌5小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B ；
[0032]步骤三:向每60mL的水中加入6g直径为6?18 μ m的短切碳纤维、5g打衆度为75° SR的竹纤维和lg碳化硼，分散均匀，得混合溶液，再取100g悬浮液B倒入混合溶液中得C溶液；
[0033]步骤四:将C溶液倒入疏解机中分散1000r，取出疏解后的C溶液，在抄片机上先分别进行两次抄片，然后在湿式状态下将两次抄得的片进行叠加，再进行干燥，得到样片D ；
[0034]步骤五:将60mL的A溶液雾化后分多次均匀喷涂在样片D的正反面上，并且每次喷涂后留有30s的渗透时间使其自然晾干，使每含有6g短切碳纤维的样片D喷涂上0.7g腰果壳油改性酚醛树脂，然后将喷涂后的样片D置于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为150°C，热压时间为lOmin，热压压力为3MPa，即得到摩擦性能稳定的碳化硼增强纸基摩擦材料。
[0035]采用QM1000-1I型湿式摩擦材料性能试验机，在主轴惯量为0.lkg.m2，制动压力为1.0MPa，转速为2000r/min条件下，连续循环制动500次测得的动摩擦系数如图1所示，其中1#为在实施例1的配方中不加碳化硼后制备出的纸基摩擦材料制动500次的动摩擦系数曲线，2#为实施例1制备出的碳化硼增强纸基摩擦材料制动500次的动摩擦系数曲线，3#为将实施例1中的碳化硼换成等量的碳化硅后制备出的碳化硼增强纸基摩擦材料制动500次的动摩擦系数曲线。从图1中可以看出，碳化物(包括碳化硼和碳化硅)的加入都可以使纸基摩擦材料的动摩擦系数大大提高并保持稳定，并且加入碳化硼可以使动摩擦系数由不加入碳化硼时的0.10提高到加入碳化硼之后的0.139?0.147，并稳定在0.145左右，稳定性好，使动摩擦系数提高约40.7%，远远超过碳化硅的14.6%。且加入碳化硼可以使磨损率可由不加入碳化硼时的6.5X 10_8降到加入碳化硼之后的4.5X 10_8。
[0036]实施例2:
[0037]步骤一:取1.2g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在70mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置15h，封口保存，得到70mL的A溶液；
[0038]步骤二:将lg直径为20?60nm的多壁碳纳米管分散在170mL质量浓度为0.25%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌5.5小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B ；
[0039]步骤三:向每70mL的水中加入8g直径为6?18 μ m的短切碳纤维、7g打浆度为78° SR的竹纤维和1.5g碳化硼，分散均匀，得混合溶液，再取420g悬浮液B倒入混合溶液中得C溶液；
[0040]步骤四:将C溶液倒入疏解机中分散1200r，取出疏解后的C溶液，在抄片机上先分别进行两次抄片，然后在湿式状态下将两次抄得的片进行叠加，再进行干燥，得到样片D ；
[0041]步骤五:将70mL的A溶液雾化后分多次均匀喷涂在样片D的正反面上，并且每次喷涂后留有40s的渗透时间使其自然晾干，使每含有8g短切碳纤维的样片D喷涂上1.2g腰果壳油改性酚醛树脂，然后将喷涂后的样片D置于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为155°C，热压时间为12min，热压压力为4MPa，即得到摩擦性能稳定的碳化硼增强纸基摩擦材料。
[0042]实施例3:
[0043]步骤一:取2.25g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在80mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置26h，封口保存，得到80mL的A溶液；
[0044]步骤二:将2.5g直径为20?60nm的多壁碳纳米管分散在250mL质量浓度为0.3%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌6小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B ；
[0045]步骤三:向每80mL的水中加入10g直径为6?18 μ m的短切碳纤维、9g打浆度为80° SR的竹纤维和2.5g碳化硼，分散均匀，得混合溶液，再取200g悬浮液B倒入混合溶液中得C溶液；
[0046]步骤四:将C溶液倒入疏解机中分散1500r，取出疏解后的C溶液，在抄片机上先分别进行两次抄片，然后在湿式状态下将两次抄得的片进行叠加，再进行干燥，得到样片D ；
[0047]步骤五:将80mL的A溶液雾化后分多次均匀喷涂在样片D的正反面上，并且每次喷涂后留有50s的渗透时间使其自然晾干，使每含有10g短切碳纤维的样片D喷涂上2.25g腰果壳油改性酚醛树脂，然后将喷涂后的样片D置于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为160°C，热压时间为15min，热压压力为5MPa，即得到摩擦性能稳定的碳化硼增强纸基摩擦材料。
[0048]实施例4:
[0049]步骤一:取3g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在90mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置30h，封口保存，得到90mL的A溶液；
[0050]步骤二:将4.8g直径为20?60nm的多壁碳纳米管分散在450mL质量浓度为0.5%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌6.5小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B ；
[0051]步骤三:向每90mL的水中加入12g直径为6?18 μ m的短切碳纤维、llg打浆度为85。SR的竹纤维和3g碳化硼，分散均匀，得混合溶液，再取300g悬浮液B倒入混合溶液中得C溶液；
[0052]步骤四:将C溶液倒入疏解机中分散2000r，取出疏解后的C溶液，在抄片机上先分别进行两次抄片，然后在湿式状态下将两次抄得的片进行叠加，再进行干燥，得到样片D ；
[0053]步骤五:将90mL的A溶液雾化后分多次均匀喷涂在样片D的正反面上，并且每次喷涂后留有60s的渗透时间使其自然晾干，使每含有12g短切碳纤维的样片D喷涂上3g腰果壳油改性酚醛树脂，然后将喷涂后的样片D置于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为170°C，热压时间为13min，热压压力为6MPa，即得到摩擦性能稳定的碳化硼增强纸基摩擦材料。
[0054]实施例5:
[0055]步骤一:取2g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在120mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置22h，封口保存，得到120mL的A溶液；
[0056]步骤二:将7.8g直径为20?60nm的多壁碳纳米管分散在300mL质量浓度为0.4%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌5小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B ；
[0057]步骤三:向每100mL的水中加入14g直径为6?18 μ m的短切碳纤维、12g打浆度为70° SR的竹纤维和5g碳化硼，分散均匀，得混合溶液，再取400g悬浮液B倒入混合溶液中得C溶液；
[0058]步骤四:将C溶液倒入疏解机中分散1800r，取出疏解后的C溶液，在抄片机上先分别进行两次抄片，然后在湿式状态下将两次抄得的片进行叠加，再进行干燥，得到样片D ；
[0059]步骤五:将120mL的A溶液雾化后分多次均匀喷涂在样片D的正反面上，并且每次喷涂后留有35s的渗透时间使其自然晾干，使每含有14g短切碳纤维的样片D喷涂上2g腰果壳油改性酚醛树脂，然后将喷涂后的样片D置于硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为180°C，热压时间为llmin，热压压力为8MPa，即得到摩擦性能稳定的碳化硼增强纸基摩擦材料。
[0060]实施例6:
[0061]步骤一:取3.2g腰果壳油改性酚醛树脂，溶解在140mL无水乙醇中得酚醛树脂溶液，待酚醛树脂充分溶解后静置35h，封口保存，得到140mL的A溶液；
[0062]步骤二:将6g直径为20?60nm的多壁碳纳米管分散在400mL质量浓度为0.6%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中，磁力搅拌7小时至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B ；
[0063]步骤三:向每120mL的水中加入15g直径为6?18 μ m的短切碳纤维、13g打浆度为82° SR的竹纤维和4g碳化硼，分散均匀，得混合溶液，再取250g悬浮液B倒入混合溶液中得C溶液；
[0064]步骤四:将C溶液倒入疏解机中分散2500r，取出疏解后的C溶液，在抄片机上先分别进行两次抄片，然后在湿式状态下将两次抄得的片进行叠加，再进行干燥，得到样片D ；
[0065]步骤五:将140mL的A溶液雾化后分多次均匀喷涂在样片D的正反面上，并且每次喷涂后留有45s的渗透时间使其自然晾干，于使每含有15g短切碳纤维的样片D喷涂上
3.2g腰果壳油改性酚醛树脂，然后将喷涂后的样片D置硫化机上热压成型，控制硫化机的热压温度为200°C，热压时间为14min，热压压力为lOMPa，即得到摩擦性能稳定的碳化硼增强纸基摩擦材料。
【权利要求】
1.一种碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:包括以下步骤:步骤一:将每0.7g?3.2g的腰果壳油改性酚醛树脂溶解在每60?140mL的无水乙醇中，得酚醛树脂溶液，静置，封口保存，得到A溶液；步骤二:将每0.5?7.8g的多壁碳纳米管分散在每150?450mL的十二烷基磺酸钠水溶液中，搅拌至多壁碳纳米管分散均匀，得悬浮液B ;步骤三:向每60?120mL的水中加入6?15g的短切碳纤维、5?13g的竹纤维、以及1?5g的碳化硼，分散均匀，得混合溶液，再将悬浮液B加入到混合溶液中得C溶液，其中每加入6?15g短切碳纤维时加入100?420g悬浮液B ；步骤四:将C溶液进行疏解，然后将疏解后的C溶液抄片后干燥，得到样片D ；步骤五:将A溶液雾化后均匀喷涂在样片D上并自然晾干，然后热压成型，即得到碳化硼增强纸基摩擦材料。
2.根据权利要求1所述的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤一中的静置时间为15h?35h。
3.根据权利要求1所述的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤二中多壁碳纳米管的直径为20?60nm，搅拌均匀所需的时间为5?7小时。
4.根据权利要求1或3所述的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤二中十二烷基磺酸钠水溶液的质量浓度为0.2%?0.6%。
5.根据权利要求1或3所述的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤三中短切碳纤维的直径为6?18 μ m ;竹纤维的打浆度为70?85° SR。
6.根据权利要求1所述的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤四中的疏解为将c溶液倒入疏解机中分散1000?2500r。
7.根据权利要求1或6所述的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤四中的抄片后干燥的具体操作是:先分别进行两次抄片，然后在湿式状态下将两次抄得的片进行叠加，再进行干燥。
8.根据权利要求1所述的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤五中将A溶液雾化后分多次均匀喷涂在样片D的正反面上，并且每次喷涂后留有30?60s的渗透时间，使每含有6?15g短切碳纤维的样片D喷涂上0.7g?3.2g腰果壳油改性酚醛树脂。
9.根据权利要求1或8所述的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于:所述步骤五中热压成型的温度为150?200°C，时间为10?15min，压力为3?lOMPa。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的碳化硼增强纸基摩擦材料的制备方法制得的碳化硼增强纸基摩擦材料，其特征在于:在主轴惯量为0.lkg.πι2，制动压力为1.0MPa，转速为2000r/min条件下，其动摩擦系数为0.139?0.147 ;磨损率为4.5Χ10Λ
【文档编号】D21H13/50GK103741542SQ201310712559
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】黄剑锋, 李文斌, 费杰, 王文静, 曹丽云, 刘艳云, 李瑞梓, 罗威, 杨朝 申请人:陕西科技大学