专利名称：一种耐热改性竹纤维及其用于汽车制动摩擦材料的方法
技术领域：
本发明涉及材料学领域，更具体涉及一种耐热改性竹纤维及其用于汽车制动摩擦材料的方法。
背景技术：
天然纤维如麻、竹、木材、稻草、麻秸、椰壳纤维等具有较高的强度、模量和比较小的密度，能被生物降解，适合作为聚合物基复合材料的增强体，在非结构件和半结构件应用领域具有较强的竞争力。天然纤维增强复合材料产品是近年来所有复合材料中需求增长最快的产品之一，年均增长率高达25%。国外对高性能天然纤维增强复合材料的应用始于 10多年前，德国、比利时、日本、美国、加拿大等国家纷纷开展天然纤维增强复合材料的研究、开发和应用工作，并在麻纤维表面处理、合成专用树脂、成型工艺等方面取得了显著的成就。我国近年来在天然纤维复合材料方面的研究也有所进展。其中北京化工大学、四川大学、中国科学院广州纤维素化学研究所、广东工业大学、国防科技大学等与企业合作对天然纤维复合材料制备及工业化应用进行了全面攻关研究，部分研究成果处于国内外先进水平。但天然纤维增强复合材料作为一类环保材料，仍有很多问题有待进一步研究。尤其是天然纤维的耐热性较差，具有热降解性，及其与聚合物基体的不相容性等问题。这些问题的解决是天然纤维进一步工业化应用的前提。竹纤维是近年来由我国自行开发研制并产业化的新型再生纤维素纤维，被称为 “生态纤维”、“天然玻璃纤维”。我国竹林资源丰富，竹子成长期短，繁殖力强，生长过程没有任何污染源，制成的竹纤维可自然降解，是一种典型的可持续发展的天然资源。竹纤维具有良好的透气性，独特的回弹性，瞬间吸水性，优良的耐磨性、抗菌性及较强的纵向和横向强度等性能特点；同时竹纤维合成工艺也在日益改善，成本不断降低。更重要的是竹纤维和其它植物纤维相比具备较高的耐热性和耐磨性能，且由于密度较低使得其高的比强度和比模量也成为后续加工过程中节能降耗的亮点，是比较理想的新型树脂基复合材料增强材料。 目前竹纤维在水泥复合材料、复合板材、增强塑料及纺织业等领域中已有应用。同时为了改善竹纤维本身力学性能及其与聚合物基体的界面结合性能，人们也致力于竹纤维的表面改性处理，如碱处理和偶联剂改性处理等的相关研究，取得一定的成果。但对于天然竹纤维的耐热改性技术的研究，尤其是将其应用于制动摩擦材料方面的工作仍未见报道。随着全球汽车工业的高速发展和产品的快速更新，人们越来越致力于安全、舒适和环保性能等方面的研究，这对制动摩擦材料提出更高的要求。我国汽车摩擦材料行业近几年通过引进国际上先进的配方、工艺、生产线、试验检测设备和自主研发能力的提高，实现了为国际著名、高端主机厂的配套，促进了全行业生产技术水平的提高。但就技术而言整个行业仍然存在着不少亟待解决的问题，如噪声、尖叫、可靠性、刹车抱死、划伤对偶、摩擦片断裂、高温衰退及恢复性差等一系列问题，同时摩擦材料也自发地向着无石棉、无金属、 少纤维、少树脂和纳米材料等节能环保方向发展。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种耐热改性竹纤维及其用于汽车制动摩擦材料的方法，通过运用国内工艺成熟，产量丰富、价格低廉、可降解的天然竹纤维作为树脂基制动摩擦材料的增强相，通过对其进行表面改性处理来提高竹纤维的耐热性及其与基体材料的界面结合力，制备出具有优良摩擦学性能的低成本新型环保汽车制动摩擦材料。本发明是通过如下技术方案实施的
一种耐热改性竹纤维，是竹纤维经硼砂改性制成。所述竹纤维经硼砂改性的具体方法包括将竹纤维浸泡于硼砂水溶液中10 30 分钟，将其取出，烘干，即制得所述耐热改性竹纤维。所述硼砂水溶液的质量浓度为1 20%。所述烘干的温度为60 120°C，烘干的时间为20 60分钟。将所述的耐热改性竹纤维用于汽车制动摩擦材料的方法，是将耐热改性竹纤维与无机盐晶须、酚醛树脂、摩擦性能调节剂通过热压的方法，制备成用于汽车制动的摩擦材料，其质量份数为耐热改性竹纤维4 13份、无机盐晶须10 40份、酚醛树脂10 25 份、摩擦性能调节剂35 60份。所述无机盐晶须包括硫酸钙晶须、碱式硫酸镁晶须、氧化镁晶须、硼酸镁晶须、碳酸钙晶须中的一种或几种。所述摩擦性能调节剂包括铜粉、铜纤维、石墨粉、重晶石粉、氧化铝粉、铸铁粉、长石粉、轮胎粉、叶蜡石粉中的一种或几种。本发明所制备的改性竹纤维增强树脂基制动复合材料与国内外同类产品相比，具有以下优点(1)生产成本大大降低。天然竹纤维属于近年来开发利用较为成熟的产品，来源丰富，价格低廉，能较大范围内降低生产成本；(2)更易于生物降解。竹纤维属于天然高分子有机材料，采用天然竹纤维来增强制动摩擦材料，在大气环境下服役过程中可完全降解，对人体无害，具有绿色环保的特点；(3)具有较稳定的制动性能。天然竹纤维具有较稳定的室温摩擦性能，通过表面改性处理并与其它相混杂增强，可使制动材料的摩擦磨损性能满足国标要求并在同类产品中处于领先水平。
图1为四种样品摩擦系数测试结果； 图2为四种样品磨损率测试结果；
图3为盘式制动器用衬片国家标准(GB5763-2008)； 图4为热失重(TG)测试结果。
具体实施例方式首先将竹纤维进行硼砂耐热改性处理，其方法为将硼砂溶于30 100°C热水中， 搅拌使之完全溶解，配制1 20%的硼砂水溶液；将竹纤维浸泡于硼砂水溶液10 30分钟， 使其表面均勻包覆一层硼砂；取出竹纤维并在80 120°C下烘干20 60分钟，即得到耐热改性的竹纤维；其中所述的硼砂可以是白中带灰或带浅色调的黄、蓝、绿等颜色的块状粗硼砂，也可以是无色半透明晶体或白色结晶粉末的硼砂。竹纤维与硼砂的质量比为1:2 3。
接着将经耐热改性的竹纤维与酚醛树脂、摩擦性能调节剂等组分采用热压法制备成制动摩擦材料，其方法为先将复合摩擦材料的原料配比按照重量份数进行称重，其中耐热改性竹纤维4 13份、无机盐晶须10 40份、酚醛树脂10 25份、摩擦性能调节剂 35 60份；然后将树脂放在50 60°C烘干0. 5 1小时，耐热改性竹纤维除外的其他原料放置烘箱内在100 140°C烘干0. 5 2小时；接着将耐热改性竹纤维除外的其它原料置于旋转速度为100(Γ2000转/分钟的叶片搅拌机内高速搅拌共混2 5分钟，再投入改性竹纤维，搅拌3 4分钟后出料；将搅拌混合物放入150 160°C热压模具模腔内，在25 30兆帕压力下热压成型，热压保温时间7 10分钟或者根据制品的厚度按1 1. 5分钟 /毫米确定热压保温时间，并在热压开始的20 60秒打开模腔放气2 3次；随模降温至 100°C时脱模冷却至室温；最后于160 200°C保温4 13小时，随炉降温冷却得到成品。实施例一(较佳实施例)
在500毫升烧杯中加入290毫升的水溶液，加入10克的硼砂，开始搅拌并加热至80°C， 使硼砂完全溶解。将5克竹纤维浸入硼砂溶液中，20分钟后取出，在80°C下烘干1小时，即得到耐热改性的竹纤维。取如下成分配比制作摩擦材料耐热改性竹纤维7份、无水硫酸钙晶须7份、碱式硫酸镁晶须13份、酚醛树脂17份、铜粉10份、石墨粉3份、重晶石粉15份、 氧化铝粉10份、铸铁粉8份、长石粉12份、轮胎粉3份。然后将酚醛树脂放在60°C烘干0. 5 小时，改性竹纤维除外的其他原料放置烘箱内在120°C烘干1小时；接着将耐热改性竹纤维除外的其它原料置于旋转速度1000转/分钟的叶片搅拌机内高速搅拌共混5分钟，再投入耐热改性竹纤维，搅拌4分钟后出料；将搅拌混合物放入160°C热压模具模腔内，在25兆帕压力下热压成型，热压保温时间8分钟，并在热压开始的20 60秒打开模腔放气3次；随模降温至100°C时脱模冷却至室温；最后于180°C保温8小时，随炉降温冷却得到成品。实施例二 (较佳实施例)
在500毫升烧杯中加入300毫升的水溶液，加入12克的硼砂，开始搅拌并加热至 100°C，使硼砂完全溶解。将5克竹纤维浸入硼砂溶液中，沈分钟后取出，在100°C下烘干40 分钟，即得到耐热改性的竹纤维。取如下成分配比并根据上述工艺步骤制作摩擦材料耐热改性竹纤维13份、无水硫酸钙晶须8份、碱式硫酸镁晶须10份、酚醛树脂20份、铜粉8份、 石墨粉3份、重晶石粉15份、氧化铝粉10份、铸铁粉10份、叶蜡石粉12份、轮胎粉4份。然后将酚醛树脂放在50°C烘干1小时，耐热改性竹纤维除外的其他原料放置烘箱内在140°C 烘干0. 5小时；接着将耐热改性竹纤维除外的其它原料置于旋转速度2000转/分钟的叶片搅拌机内高速搅拌共混2分钟，再投入耐热改性竹纤维，搅拌3分钟后出料；将搅拌混合物放入150°C热压模具模腔内，在30兆帕压力下热压成型，热压保温时间7分钟，并在热压开始的20 60秒打开模腔放气3次；随模降温至100°C时脱模冷却至室温；最后于200°C保温4小时，随炉降温冷却得到成品。实施例三(较佳实施例)
在500毫升烧杯中加入250毫升的水溶液，加入9克的硼砂，开始搅拌并加热至40°C， 使硼砂完全溶解。将4. 5克竹纤维浸入硼砂溶液中，12分钟后取出，在120°C下烘干20分钟，即得到耐热改性的竹纤维。取如下成分配比并根据上述工艺步骤制作摩擦材料。耐热改性竹纤维4份、无水硫酸钙晶须16份、碱式硫酸镁晶须10份、酚醛树脂16份、铜粉10份、石墨粉2份、重晶石粉12份、氧化铝粉15份、铸铁粉9份、长石粉14份、轮胎粉2份。然后将树脂放在55°C烘干40分钟，耐热改性竹纤维除外的其他原料放置烘箱内在100°C烘干2小时；接着将耐热改性竹纤维除外的其它原料置于旋转速度1500转/分钟的叶片搅拌机内高速搅拌共混3分钟，再投入耐热改性竹纤维，搅拌3分钟后出料；将搅拌混合物放入155°C 热压模具模腔内，在27兆帕压力下热压成型，热压保温时间9分钟，并在热压开始的20 60秒打开模腔放气3次；随模降温至100°C时脱模冷却至室温；最后于160°C保温12小时， 随炉降温冷却得到成品。对比实验
取实施例一的样品为试样一，实施例二的样品为试样二，实施例三的样品为试样三。另取竹纤维不经过硼砂耐热改性处理，仅放置在烘箱内在100°C下烘干1小时，然后根据实施例一中的成分配比及制备工艺步骤，制得的比较例的样品为试样四。以上制成的复合材料试样，在JF150D- II型定速摩擦实验机上进行摩擦学性能测试，对偶摩擦盘为HT250，珠光体组织，硬度为HB180 220，转速480士 10转/分钟。试样尺寸25毫米X 25毫米X (5 7)毫米，承载压力1兆帕。按照盘式制动器用衬片国家标准(GB5763-2008)，分别测定升温和降温过程中盘温100°C，150°C，2000C，250°C，300°C，350°C时对磨5000转的摩擦系数、磨损率。四种样品测试结果以及盘式制动器用衬片国家标准许用值分列见图1、图2、图3。测试结果
采用本专利技术改性的竹纤维制成的复合摩擦材料与未改性的竹纤维制成的摩擦材料相比，在100°C 350°C温度范围内，摩擦系数均有不同程度的提高，特别是300°C以上的高温摩擦系数还保持在0. 36 0. 38的水平，比未改性处理的竹纤维增强复合材料试样高出20%以上，实施例样品都没有出现热衰退现象。且在从100°C至350°C的变温过程中摩擦系数的波动值很小，均远低于国标GB5763-2008允许摩擦系数的波动值，稳定性极佳。同时改性处理试样的高温磨损率较未处理试样也有明显的下降，300°C和350°C下磨损率均值为 0. 75 Cm7(N*m)Xl(T和1.23 cm3/(N ·πι) X 10_7，也显著低于国标要求，说明其在磨损过程中热衰退现象较小，磨损性能稳定。为进一步说明改性处理对竹纤维耐热性的影响，将实施例一中的耐热改性竹纤维与对比例中未经改性的竹纤维分别取1克，采用珀金埃尔默公司的Pyrisi- I型差示扫描量热仪分别进行热失重(TG)测试，升温速度10°C /min, N2介质保护。结果如图4所示。由图4可知，采用本技术改性的竹纤维，与未改性的竹纤维相比，未经处理的竹纤维在260°C开始发生第一次热分解失重，在370°C左右开始发生第二次热分解失重，此时其剩余质量约为原来的25% ；经硼砂改性后的竹纤维在290°C开始发生第一次热分解失重，在 400°C左右开始发生第二次热分解失重，此时其剩余质量约为原来的60%，在超过500°C之后仍有50%剩余质量，较未处理高出一倍。这为竹纤维经硼砂改性后耐热性提高提供了重要的实验依据，也说明了改性竹纤维增强树脂基制动摩擦材料在高温摩擦磨损性能得到改善的原因。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种耐热改性竹纤维，其特征在于所述耐热改性竹纤维是竹纤维经硼砂改性制成。
2.根据权利要求1所述的耐热改性竹纤维，其特征在于所述竹纤维经硼砂改性的具体方法包括将竹纤维浸泡于硼砂水溶液中10 30分钟，将其取出，烘干，即制得所述耐热改性竹纤维。
3.根据权利要求1所述的耐热改性竹纤维，其特征在于所述硼砂水溶液的质量浓度为1 20%ο
4.根据权利要求1所述的耐热改性竹纤维，其特征在于所述烘干的温度为60 120°C，烘干的时间为20 60分钟。
5.一种如权利要求1所述的耐热改性竹纤维用于汽车制动摩擦材料的方法，其特征在于将耐热改性竹纤维与无机盐晶须、酚醛树脂、摩擦性能调节剂通过热压的方法，制备成用于汽车制动的摩擦材料，其质量份数为耐热改性竹纤维4 13份、无机盐晶须10 40 份、酚醛树脂10 25份、摩擦性能调节剂35 60份。
6.根据权利要求5所述的耐热改性竹纤维用于汽车制动摩擦材料的方法，其特征在于所述无机盐晶须包括硫酸钙晶须、碱式硫酸镁晶须、氧化镁晶须、硼酸镁晶须、碳酸钙晶须中的一种或几种。
7.根据权利要求5所述的耐热改性竹纤维用于汽车制动摩擦材料的方法，其特征在于所述摩擦性能调节剂包括铜粉、铜纤维、石墨粉、重晶石粉、氧化铝粉、铸铁粉、长石粉、 轮胎粉、叶蜡石粉中的一种或几种。
8.根据权利要求5、6或7所述的耐热改性竹纤维用于汽车制动摩擦材料的方法，其特征在于所述方法的具体过程包括将酚醛树脂，无机盐晶须、酚醛树脂、摩擦性能调节剂烘干后，置于搅拌机内高速搅拌共混2 5分钟，再投入耐热改性竹纤维，搅拌3 4分钟后出料；将搅拌混合物放入150 160°C热压模具模腔内，在25 30兆帕压力下热压成型， 热压保温时间7 10分钟，随模具降温至100°C时脱模冷却至室温；最后于160 200°C保温4 13小时，而后随炉降温冷却得到成品。
9.根据权利要求8所述的耐热改性竹纤维用于汽车制动摩擦材料的方法，其特征在于所述酚醛树脂的烘干条件为烘干温度50 60°C，烘干时间0. 5 1小时；所述无机盐晶须、酚醛树脂、摩擦性能调节剂的烘干条件为烘干温度为100 140°C，烘干时间0. 5 2小时。
10.根据权利要求8所述的耐热改性竹纤维用于汽车制动摩擦材料的方法，其特征在于所述搅拌机高速搅拌的速度为1000 2000转/分钟。
全文摘要
本发明涉及一种耐热改性竹纤维及其用于汽车制动摩擦材料的方法，所述耐热改性竹纤维是竹纤维经硼砂改性制成。再将经耐热改性的竹纤维与酚醛树脂、无机盐晶须及摩擦性能调节剂等制成复合摩擦材料，从而获得具有优良摩擦系数及其稳定性、磨损率小、抗热衰退性好的环保型汽车制动复合材料。采用本发明进行耐热改性的竹纤维，与未改性的竹纤维相比，竹纤维的耐热性得到显著提高，其制成的复合摩擦材料的高温摩擦磨损性能也得到明显改善。
文档编号C09K3/14GK102295783SQ20111019292
公开日2011年12月28日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者何福善, 林有希, 郑开魁, 高诚辉 申请人:福州大学