专利名称：一种无机盐晶须增强树脂基汽车制动复合材料及制备方法
技术领域：
本发明属于材料技术领域，涉及一种新型无机盐晶须增强树脂基复合摩擦材料， 更具体涉及到作为汽车摩擦制动装置中的制动片材料及其制备方法。
背景技术：
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。2009年3月20日，国务院办公厅发布《汽车产业调整和振兴规划》，其中的规划目标之一就是汽车制动系统在内的关键零部件技术要实现自主化，并把突破整车设计开发中的NVH(振动、噪声、平顺性)等关键技术做为主要任务来抓。根据国家汽车行业权威机构分析，未来5年内，中国汽车零部件市场需求的平均增长率将在15%以上。 这给刹车片行业的发展带来了前所未有的机遇。同时，国家“十一五”规划中提出，“十一五” 末力争将摩擦材料行业的集中度再提高20%以上，通过国际质量管理体系认证的企业比例达到70%以上。制定发布等同采用国际标准IS01M84的摩擦材料新标准，并使超过30%的摩擦材料企业直接执行国际标准和国外先进标准。因此，开发高性能环保型汽车用制动器衬片非常迫切。传统的石棉制动材料，由于摩擦过程石棉受热分解产生热衰退以及石棉毒害性而被许多国家严格限制生产和使用。其后出现的半金属制动片，因金属易锈蚀、高发热以及造价高、摩擦噪声等缺点，并未能完全取代石棉式制动材料。新型的混杂纤维增强制动摩擦材料因其性能调控余地大、工艺简单、原材料获取方便而受到肯定，其中晶须增强复合材料已成为复合材料研究领域内极为活跃的一个方面。晶须增强复合材料表现出的优异性能也大大推动了各种晶须的研制和开发，现己问世的晶须类型有一百多种，但大部分高品质晶须价格昂贵，极大限制了它们的应用。以钙、镁盐为代表的低成本的无机盐晶须的合成为树脂基复合材料增强相的选材研究提供更广阔的领域。无机盐晶须作为一种新型的增强材料， 具有十分优异的物理力学性能，还有阻燃、防腐、绝缘、减振、吸波等许多特殊的功能。同时无机盐本身是土壤、海湖盐的成分，与自然环境协调性好，从生物分解性和环境安全性方面与玻纤等相比危害要小得多。和其它晶须相比，生产成本大幅度降低，在聚合物改性中具有更高的性价比，极具发展前途。本专利中所涉及的硫酸钙晶须于20世纪70年代由日、美、德等国着手研究，20世纪80年代开始逐步应用。我国也紧随其后，并在21世纪初进行了工业化生产，其中沈阳立昂新材料有限责任公司为国内最早工业化生产的企业，洛阳亮东非金属材料科技开发有限公司为国内工业化生产产能最大的企业。无水硫酸钙晶须，又称石膏晶须，是无水硫酸钙的纤维状单晶体，可微溶于水且其水溶液呈中性，同时具有优良的增强功能和阻燃性。因此和其他无机晶须相比，无水硫酸钙晶须是无毒的绿色环保材料，可用于树脂、塑料、橡胶、涂料、油漆、造纸、浙青、摩擦和密封材料中作补强增韧剂或功能型填料；又可直接作为过滤材料、保温材料、耐火隔热材料、红外线反射材料和包覆电线的高绝缘材料。总之，无水硫酸钙晶须具有极好的性能价格比，是一种应用领域较广、市场前景极为广阔的新型材料，也是目前国际上备受关注、极有发展前途的无机盐晶须材料。
发明内容
本发明提供一种无机盐晶须增强树脂基汽车制动复合摩擦材料及其制备方法。利用价格极为低廉的无水硫酸钙晶须(分子式为CaSO4)增强酚醛树脂，并选用叶蜡石{分子式为Al4 [Si8O20] (OH) 4}作为混杂纤维制动摩擦材料的填料，再配以适当的增摩、抗磨剂， 发挥基体、晶须、填料之间的协同耦合作用，从而获得耐热性好，摩擦系数稳定性好，磨损率小，制动效果好，成本低的新型汽车制动复合材料。本发明是通过如下技术手段实施的
一种无机盐晶须增强汽车制动复合摩擦材料的原料包括无水硫酸钙晶须、叶蜡石粉、 酚醛树脂、铜粉、石墨粉和氧化铝粉。原料的质量份数为无水硫酸钙晶须20 60份，叶蜡石粉5 30份，酚醛树脂 10 30份，铜粉5 15份，石墨粉5 20份，氧化铝粉2 30份。原料最佳配方按照重量份数为无水硫酸钙晶须40 50份、叶蜡石粉8 15份、 酚醛树脂18 25份、铜粉7 12份、石墨粉5 10份和氧化铝粉8 15份。本发明的无机盐晶须增强汽车制动复合摩擦材料的制备方法，按照所述的原料重量配比，制备步骤为
a)原料预处理将无水硫酸钙晶须放置在烘箱内在189°C 195°C温度下烘干2小时， 酚醛树脂放置烘箱内在50°C 60°C温度下烘干0. 5小时，其他原料放置烘箱内在100°C温度下烘干2小时；
b)取步骤a)干燥后的无水硫酸钙晶须、叶蜡石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉和氧化铝粉依次加入混料机中的容器内一起搅拌3 5分钟，得到的物料外观均勻一致，晶须、填料和树脂均勻分散；
c)将步骤b)搅拌后的材料放入150°C 160°C热压模具模腔内，在10 15兆帕压力下热压成型，热压保温时间3 5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；在热压开始的20 60秒内，必须打开模腔，排气4 6次；
d)将步骤c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到160 200°C，保温4 12 小时，然后随炉降温冷却，得到成品。步骤b)的搅拌机为装有叶片和横筋的搅拌机，主轴旋转速度为1000 2000转/分钟。较之已有技术而言，本发明以无水硫酸钙晶须为增强剂，基于复合材料设计方法， 使用具有层状结构叶蜡石粉体作为填料，目的是提供一种耐热性好，摩擦因数稳定性好，磨损率小，制动效果良好，成本低的新型无机盐晶须增强树脂基汽车制动摩擦材料及其制备方法。因此具有下述优点
1)无水硫酸钙晶须具有高强度、高模量、高韧性、高绝缘性、耐磨耗、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀、易于表面处理、易与聚合物复合、无毒等诸多优良的理化性能。其尺度界于纤维和纳米颗粒之间，兼有类似纤维的增强作用以及小尺寸颗粒的活性效应，集增强纤维和超细无机填料二者的优势于一体。因此，无水硫酸钙晶须的加入发挥了晶须对酚醛树脂的显微增强作用，提高了复合材料的承载能力，在摩擦过程中起承载主要作用，减少了摩擦副表面粘
4着，阻止了基体树脂的热变形。2)无水硫酸钙晶须尺寸细微(平均直径1 4mm，平均长度50 200mm，平均长径比10 200)，其取向没有长纤维和短切纤维有规则，在微观上增强材料的同时保证其各向同性，能保证制品尺寸和外观的精密度。再加上其他配料均为粉末，相比其他纤维类增强材料，无水硫酸钙晶须更容易和酚醛树脂以及填料按合适比例均勻混合，有效减少纤维和粉末材料搅拌过程的结团现象。有利于各组分均勻分布，从而得到性质相对均一的材料。有助于提高复合材料摩擦学性能。3)无水硫酸钙晶须原料丰富、合成工艺简单、成本极为低廉。同时和玻璃纤维等增强材料相比，无水硫酸钙晶须因较低的表面硬度、细微的结构和良好的流动性，大大减少了对设备(尤其是混料装备)的磨损。采用其制备的新型汽车制动复合材料具有极高的性价比，大大降低了生产成本和设备损耗，其应用潜力巨大。4)叶蜡石粉是福建丰产的一种特殊填料，其分子结构呈不完全层片状，具有良好的润滑性和摩擦系数的稳定性，且价格极为低廉，适于作制动材料。无水硫酸钙晶须与叶蜡石粉两者协同作用有利于复合材料在高温摩擦过程中抗热衰退，保持有效的摩擦系数并降低磨损率。
图1为本发明制备的复合摩擦材料CHASE试验结果摘要，其中a 常温时的平均值必须大于0. 25 ；b 高温时的平均值必须大于0. 15。
具体实施例方式
复合摩擦材料的原料配方按照重量份数为无水硫酸钙晶须20 60份，叶蜡石粉5 30份，酚醛树脂10 30份，铜粉5 15份，石墨粉5 20份，氧化铝粉2 30份。最佳原料配比为无水硫酸钙晶须40 50份、叶蜡石粉8 15份、酚醛树脂18 25份、铜粉7 12份、石墨粉5 10份和氧化铝粉8 15份。按照所述的原料重量配比，制备步骤为
a)原料预处理将无水硫酸钙晶须放置在烘箱内在189°C 195°C温度下烘干2小时， 酚醛树脂放置烘箱内在50°C 60°C温度下烘干0. 5小时，其他原料放置烘箱内在100°C温度下烘干2小时；
b)取步骤a)干燥后的无水硫酸钙晶须、叶蜡石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉和氧化铝粉依次加入混料机中的容器内一起搅拌3 5分钟，得到的物料外观均勻一致，晶须、填料和树脂均勻分散；
c)将步骤b)搅拌后的材料放入150°C 160°C热压模具模腔内，在10 15兆帕压力下热压成型，热压保温时间3 5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；在热压开始的20 60秒内，必须打开模腔，排气4 6次；
d)将步骤c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到160 200°C，保温4 12 小时，然后随炉降温冷却，得到成品。步骤b)的搅拌机为装有叶片和横筋的搅拌机，主轴旋转速度为1000 2000转/分钟。下面通过实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不仅限于这些例子。
实施例1
取如下成分配比无水硫酸钙晶须30份、叶蜡石粉10份、酚醛树脂20份、铜粉12份、 石墨粉8份和氧化铝粉10份。按下述工艺步骤制备摩擦材料
a)原料预处理将无水硫酸钙晶须放置在烘箱内在189°C温度下烘干2小时，酚醛树脂放置烘箱内在60°C温度下烘干0. 5小时，其他原料放置烘箱内在100°C温度下烘干2小时；
b)取步骤a)干燥后的无水硫酸钙晶须、叶蜡石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉和氧化铝粉依次加入混料机中的容器内一起搅拌，主轴旋转速度为1000转/分钟，搅拌时间为5分钟， 得到组分均勻的物料；
c)将步骤b)搅拌后的材料放入160°C热压模具模腔内，在10兆帕压力下热压成型，热压保温时间5分钟；在热压开始的50秒内打开模腔排气4次；
d)将步骤c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到160°C，保温12小时，然后随炉降温冷却，得到成品。实施例2
取如下成分配比无水硫酸钙晶须40份、叶蜡石粉8份、酚醛树脂22份、铜粉12份、石墨粉10份和氧化铝粉10份。按下述工艺步骤制备摩擦材料
a)原料预处理将无水硫酸钙晶须放置在烘箱内在190°C温度下烘干2小时，酚醛树脂放置烘箱内在50°C温度下烘干0. 5小时，叶腊石粉、铜粉、石墨粉、氧化铝粉放置烘箱内在 100°C温度下烘干2小时；
b)取步骤a)干燥后的无水硫酸钙晶须、叶蜡石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉和氧化铝粉依次加入混料机中的容器内一起搅拌，主轴旋转速度为1500转/分钟，搅拌时间为4分钟， 得到组分均勻的物料；
c)将步骤b)搅拌后的材料放入155°C热压模具模腔内，在14兆帕压力下热压成型，热压保温时间3分钟；在热压开始的60秒内打开模腔排气5次；
d)将步骤c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到180°C，保温8小时，然后随炉降温冷却，得到成品。实施例3
取如下成分配比无水硫酸钙晶须50份、叶蜡石粉15份、酚醛树脂25份、铜粉12份、 石墨粉5份和氧化铝粉14份。按下述工艺步骤制备摩擦材料
a)原料预处理将无水硫酸钙晶须放置在烘箱内在195°C温度下烘干2小时，酚醛树脂放置烘箱内在50°C温度下烘干0. 5小时，其他原料放置烘箱内在100°C温度下烘干2小时；
b)取步骤a)干燥后的无水硫酸钙晶须、叶蜡石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉和氧化铝粉依次加入混料机中的容器内一起搅拌，主轴旋转速度为2000转/分钟，搅拌时间为3分钟， 得到组分均勻的物料；
c)将步骤b)搅拌后的材料放入150°C热压模具模腔内，在15兆帕压力下热压成型，热压保温时间4分钟；在热压开始的60秒内打开模腔排气5次；
d)将步骤c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到200°C，保温4小时，然后随炉降温冷却，得到成品。实施例4
取如下成分配比无水硫酸钙晶须20份、叶蜡石粉5份、酚醛树脂10份、铜粉15份、石墨粉5份和氧化铝粉2份。其制备方法与实施例1相同。实施例5
取如下成分配比无水硫酸钙晶须60份、叶蜡石粉30份、酚醛树脂30份、铜粉15份、 石墨粉20份和氧化铝粉30份。其制备方法与实施例2相同。摩擦学性能测试
采用工业化应用最广泛的美国Link公司生产的CHASE试验机对以上制成的复合材料试样进行测试，实验过程严格按照美国国家标准SAE J661测试规程操作。国际标准化组织的摩擦材料性能评价标准ISO 15484根据刹车片的摩擦系数对其进行分级C表示0. 15 0. 25之间，E表示摩擦系数是0. 25 0. 35，F表示摩擦系数是0. 35 0. 45，G表示在0. 45 0.55之间。根据高温时与低温时的分级，评定刹车片的级别，如普通半金属的刹车片为EF 或EE级，卧车刹车片大部分为FF级。CHASE试验的主要结果如图1所示。从图1中可以看出，本发明所研制的复合摩擦材料试样的实验结果均符合美国 VESCR V-3标准的规定。常温摩擦系数和高温的摩擦系数平均值表征了摩擦系数的整体水平，测试结果都处于F级以上，可以被评定为FF级及以上，即达到卧车刹车片的等级，性能超过普通半金属刹车片。同时在CHASE试验中通过对试样进行两次热衰退与两次恢复试验，结果表明试样中的两次衰退与恢复实验表现均较为理想，稳度均在90%以上，这更加全面的反映复合摩擦材料具有优良的抗衰退性能与正常恢复性能；同时磨损方式较为稳定，磨损率在6. 5 9. 5%之间，显微形貌分析表明材料主要以粘着磨损为主。综上所述，本发明所研制的复合摩擦材料具有优良的摩擦学性能，能完全满足实际使用要求，具有较高的性价比。此外，本发明并不局限于上述的组配与制备方法，同样适用于其他的组配与制备方法，只要利用无水硫酸钙晶须作为树脂基汽车制动摩擦材料的增强纤维并且使用叶蜡石粉作为汽车制动摩擦材料的填料组分来组配和制备，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种无机盐晶须增强树脂基汽车制动复合材料，其特征在于所述制动复合材料的原料包括无水硫酸钙晶须、叶蜡石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉和氧化铝粉组成。
2.根据权利要求1所述的无机盐晶须增强树脂基汽车制动复合材料，其特征在于所述复合摩擦材料的原料配方按照重量份数为无水硫酸钙晶须20 60份，叶蜡石粉5 30 份，酚醛树脂10 30份，铜粉5 15份，石墨粉5 20份和氧化铝粉2 30份。
3.根据权利要求2所述的无机盐晶须增强树脂基汽车制动复合材料，其特征在于所述复合摩擦材料的原料最佳配方按照重量份数为无水硫酸钙晶须40 50份、叶蜡石粉 8 15份、酚醛树脂18 25份、铜粉7 12份、石墨粉5 10份和氧化铝粉8 15份。
4.一种如权利要求1、2或3所述的无机盐晶须增强汽车制动复合摩擦材料的制备方法，其特征在于按照所述的原料重量配比，制备步骤为a)原料预处理将无水硫酸钙晶须在189°C 195°C温度下烘干2小时，酚醛树脂在 50°C 60°C温度下烘干0. 5小时，其他原料在100°C温度下烘干2小时；b)取步骤a)干燥后的无水硫酸钙晶须、叶蜡石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉和氧化铝粉依次加入混料机中的容器内一起搅拌3 5分钟，得到的物料外观均勻一致，晶须、填料和树脂均勻分散；c)将步骤b)搅拌后的材料放入150°C 160°C热压模具模腔内，在10 15兆帕压力下热压成型，热压保温时间3 5分钟，在热压开始的20 60秒内打开模腔排气4 6次；将步骤c)热压成型后的制品在半小时内升温到160 200°C，保温4 12小时，然后随炉降温冷却，得到成品。
5.根据权利要求4所述的无机盐晶须增强汽车制动复合摩擦材料的制备方法，其特征在于所述步骤b)的混料机为装有叶片和横筋的混料机，主轴转速为1000 2000转/分钟。
全文摘要
本发明提供一种无机盐晶须增强树脂基汽车制动复合材料及其制备方法，复合摩擦材料的原料包括无水硫酸钙晶须、叶蜡石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉和氧化铝粉组成；制备步骤包括原料预处理、原料混合搅拌、热压成型和冷却制得到成品。本发明利用价格极为低廉的无水硫酸钙晶须(分子式为CaSO4)增强酚醛树脂，并选用叶蜡石｛分子式为Al4［Si8O20］(OH)4｝作为混杂纤维制动摩擦材料的填料，再配以适当的增摩、抗磨剂，发挥基体、晶须、填料之间的协同耦合作用，从而获得耐热性好，摩擦系数稳定性好，磨损率小，制动效果好，成本低的新型汽车制动复合材料。
文档编号C08K13/04GK102304269SQ20111020208
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月19日 优先权日2011年7月19日
发明者何福善, 林有希, 洪臻超, 高诚辉 申请人:福州大学