一种无石棉制动摩擦片材料及其制备方法与流程

本发明涉及摩擦片材料，具体涉及一种无石棉制动摩擦片材料及其制备方法。

背景技术：

1、制动摩擦片又叫制动片，刹车片，在汽车的制动系统中，制动摩擦片是很重要的安全部件，制动摩擦片的磨损产生的威力对环境及人体产生很多危害。制动摩擦片决定了刹车效果的好坏，与汽车的安全性密切相关。

2、汽车制动摩擦片分为盘式制动摩擦片和鼓式制动摩擦片，摩擦片材料由粘结剂、增强剂和填料等组成。汽车传统制动摩擦片大多采用石棉基摩擦材料，主要基于其摩擦因数大、磨损量小、价格低廉等优点。但是石棉及其高温下的分解产物具有致癌作用，严重污染环境，许多国家已经禁止使用，目前可替代石棉的增强剂有陶瓷纤维、碳纤维及玻璃纤维等，其中陶瓷具有较好的热稳定性和较低的热传导率，良好的耐磨性，因此被广泛用于制备成摩擦片，但是陶瓷制动摩擦片配方工艺复杂，原料昂贵等问题限制了其广泛使用。

3、玄武岩纤维在摩擦磨损性能和热稳定性能方面接近碳纤维，而且价格低廉，可以代替陶瓷、碳纤维等用于制备制动摩擦片，从而降低成本。但是在制备过程中存在玄武岩纤维不易与树脂粘结，且会产生较大的应力集中，在使用过程中容易被拉出和剥落的问题，为了提高与树脂之间的粘结性，缓解应力集中，需要对玄武岩纤维进行改性后使用。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明目的在于提供一种无石棉制动摩擦片材料的制备方法。通过对玄武岩纤维的改性，增强了玄武岩纤维和其他成分的结合强度，有效提高了摩擦片材料的机械性能和耐摩擦性能，制备的摩擦片材料适用于盘式制动或鼓式制动器。

2、本发明另一目的在于提供一种改性玄武岩纤维。

3、本发明第三个目的在于提供上述改性玄武岩纤维基汽车制动摩擦片。

4、本发明目的通过如下技术方案实现：

5、一种无石棉制动摩擦片材料的制备方法，其特征在于：是以酚醛树脂、改性玄武岩纤维、高苯乙烯、丁腈橡胶、其他纤维和填料为原料进行混合，热压成型得摩擦片粗品，后对摩擦片粗品进行热处理，所述改性玄武岩纤维是采用n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷改性的玄武岩纤维，所述其他纤维是钢纤维和碳纤维按照质量比为2:1组成，填料是由三氧化钼、萤石粉和硅灰棉按照质量比例为3:1:1组成。

6、进一步，所述原料按照重量百分比是酚醛树脂为8~12%、改性玄武岩纤维28~35%、高苯乙烯10~14%、丁腈橡胶为4~7%、其他纤维为6~9%，填料为32~36%。

7、进一步优选地，所述原料按照重量百分比是酚醛树脂为10%、改性玄武岩纤维32%、高苯乙烯12%、丁腈橡胶为5%、其他纤维为5%，填料为36%。

8、进一步，所述热压成型是将混合后的原料置于模具中，在温度为180~190℃、压力为12~15mpa下保持5~7min。

9、进一步，所述改性玄武岩纤维是采用n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷改性的玄武岩纤维，具体是以水和乙醇的混合液作为溶剂，依次加入n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷形成偶联剂溶液，再加入玄武岩纤维搅拌30~50min，过滤后常温下放置2~3h，然后喷洒对甲苯磺酸的乙醇溶液，再进行加热处理。

10、由于n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷水解生成的偶联剂n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷含有氨基，会有效提高改性后的玄武岩纤维与树脂等材料之间的粘接性能，但是在改性过程中发现，n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷与玄武岩纤维之间的改性比较困难，改性后的玄武岩纤维并没有达到预期的效果，改性后的玄武岩纤维与其他材料之间的粘接性能提升效果并不理想。

11、本发明在改性过程中采用了对甲苯磺酸的乙醇溶液进行喷洒湿润玄武岩纤维，在烘干热处理过程中起到了催化作用，通过逐步升温的加热方式，增强了对甲苯磺酸催化作用，提高了n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷与玄武岩纤维表面的硅羟基的反应速率，增加了改性剂（偶联剂）的接入量，其次对甲苯磺酸的引入，在后续改性玄武岩下纤维与丁腈橡胶、高苯乙烯等反应时也起到了共催化作用，同时逐步升温热处理作用下，降低了玄武岩纤维表面能，提高了改性玄武岩纤维与其他纤维、酚醛树脂、橡胶等高分子之间的相容性，使得混料均匀，从而提高了材料的机械性能和耐磨性。

12、进一步，所述溶剂中水和乙醇的体积比为4:6，偶联剂溶液中n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的质量百分浓度为0.8~1.0%，玄武岩纤维和偶联剂溶液的质量比为1:3。

13、进一步，所述喷洒对甲苯磺酸的乙醇溶液是采用对甲苯磺酸与乙醇按照质量比为5~10:100配制成溶液，喷洒在静置后的玄武岩纤维表面，使其表面处于湿润状态。

14、进一步，所述加热处理是将湿润后的玄武岩纤维平铺后进行分段加热处理，具体是先在30~40℃下保温1h，然后升温至60~70℃下保温1h，再升温至90~100℃下保温1h。

15、进一步，所述对摩擦片粗品进行热处理分为四个阶段，第一阶段是以1~1.5℃/min从室温升温至120℃，保温1~1.5h；第二阶段是以0.5~1.5℃/min从120℃继续升温至190℃，保温2~3h，第三阶段是以0.5~1.0℃/min从190℃继续升温至260℃，保温1~2h，第四阶段是以2~5℃/min降温至30~50min。

16、最具体地，一种无石棉制动摩擦片材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

17、s1.制备改性玄武岩纤维

18、（1）将水和乙醇按照体积比为4:6混合配置成溶剂，在溶剂中加入n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌溶解，形成质量百分浓度为0.8~1.0%的偶联剂水解溶液，在水解液中加入玄武岩纤维，搅拌30~50min，过滤后常温静置2~3h，玄武岩纤维和偶联剂溶液的质量比为1:3；

19、（2）采用对甲苯磺酸与乙醇按照质量比为5~10:100配制成溶液，喷洒在静置后的玄武岩纤维表面，使其表面处于湿润状态即可；

20、（3）将湿润后的玄武岩纤维平铺后进行分段加热处理，具体是先在30~40℃下保温1h，然后升温至60~70℃下保温1h，再升温至90~100℃下保温1h；

21、s2.混料热压

22、将步骤s1制备的改性玄武岩纤维粉碎成粉末，按照重量百分比计，将8~12%的酚醛树脂、28~35%的改性玄武岩纤维、10~14%的高苯乙烯、4~7%的丁腈橡胶、6~9%的其他纤维和32~36%填料混合置于制动摩擦片模具中进行热压成型，热压温度为180~190℃、压力为12~15mpa，热压时间为5~7min，然后冷却脱模的制动摩擦片粗品，所述其他纤维是钢纤维和碳纤维按照质量比为2:1组成，填料是由三氧化钼、萤石粉和硅灰棉按照质量比例为3:1:1组成；

23、s3.热处理

24、热压成型的制动摩擦片粗品进行热处理，具体分为四个阶段，第一阶段是以1~1.5℃/min从室温升温至120℃，保温1~1.5h；第二阶段是以0.5~1.5℃/min从120℃继续升温至190℃，保温2~3h，第三阶段是以0.5~1.0℃/min从190℃继续升温至260℃，保温1~2h，第四阶段是以2~5℃/min降温至30~50min，热处理结束后进行打磨加工处理，得汽车制动摩擦片材料。

25、酚醛树脂中含有大量的羟基，羟基与改性玄武岩纤维表面偶联剂上的氨基反应，形成稳定的n-c化学键，这样就从化学角度增强了玄武岩纤维与酚醛树脂的粘结作用；丁腈橡胶中含有腈基，腈基也会与酚醛树脂、玄武岩纤维表面的羟基反应，形成稳定的化学键；玄武岩纤维表面上的偶联剂上的氨基与高苯乙烯反应，形成c-n化学键。本发明中通过n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷改性玄武岩纤维后，再与其他组分分别形成有效的化学键，实现了良好的应力传递，缓解了应力集中，从而有效提高了材料的弯曲强度、拉伸强度、压缩强度和冲击强度等性能。

26、一种改性玄武岩纤维，其特征在于：是采用n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷改性玄武岩纤维，具体是以水和乙醇的混合液作为溶剂，依次加入n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷形成偶联剂溶液，再加入玄武岩纤维搅拌30~50min，过滤后常温下放置2~3h，然后喷洒对甲苯磺酸的乙醇溶液，最后进行加热处理。

27、进一步，所述溶剂中水和乙醇的体积比为4:6，偶联剂溶液中n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的质量百分浓度为0.8~1.0%，玄武岩纤维和偶联剂溶液的质量比为1:3。

28、偶联剂溶液中，n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷会发生水解生成n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷，形成带大量羟基的偶联剂。

29、进一步，所述喷洒对甲苯磺酸的乙醇溶液是采用对甲苯磺酸与乙醇按照质量比为5~10:100配制成溶液，喷洒在静置后的玄武岩纤维表面，使其表面处于湿润状态。

30、进一步，所述加热处理是将湿润后的玄武岩纤维平铺后进行分段加热处理，具体是先在30~40℃下保温1h，然后升温至60~70℃下保温1h，再升温至90~100℃下保温1h。

31、上述改性玄武岩纤维中，n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷与玄武岩纤维上的羟基形成si-o-si键，增加纤维表面的粗糙度，提高玄武岩纤维和其他组分之间的粘结性，改性后的玄武岩纤维作为增强材料可以用于制备车辆用的钢化玻璃、夹层玻璃、高温隔热材料以及制动摩擦片材料等。

32、一种改性玄武岩纤维基汽车制动摩擦片，其特征在于：是以酚醛树脂、改性玄武岩纤维、高苯乙烯、丁腈橡胶、其他纤维和填料为原料进行混合，热压成型得摩擦片粗品，然后对摩擦片进行热处理制得，所述改性玄武岩纤维是采用n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷改性的玄武岩纤维，所述其他纤维是钢纤维和碳纤维按照质量比为2:1组成，填料是由三氧化钼、萤石粉和硅灰棉按照质量比例为3:1:1组成。

33、进一步，所述原料按照重量百分比是酚醛树脂为8~12%、改性玄武岩纤维为28~35%、高苯乙烯为10~14%、丁腈橡胶为4~7%、其他纤维为6~9%，填料为32~36%。

34、进一步优选地，所述原料按照重量百分比是酚醛树脂为10%、改性玄武岩纤维32%、高苯乙烯12%、丁腈橡胶为5%、其他纤维为5%，填料为36%。

35、进一步，所述热压成型是将混合后的原料置于模具中，在温度为180~190℃、压力为12~15mpa下保持5~7min。

36、进一步，所述改性玄武岩纤维是采用n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷改性的玄武岩纤维，具体是以水和乙醇的混合液作为溶剂，依次加入n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷形成偶联剂溶液，再加入玄武岩纤维搅拌30~50min，过滤后常温下放置2~3h，然后喷洒对甲苯磺酸的乙醇溶液，再进行加热处理。

37、进一步，所述溶剂中水和乙醇的体积比为4:6，偶联剂溶液中n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的质量百分浓度为0.8~1.0%，玄武岩纤维和偶联剂溶液的质量比为1:3。

38、进一步，所述喷洒对甲苯磺酸的乙醇溶液是采用对甲苯磺酸与乙醇按照质量比为5~10:100配制成溶液，喷洒在静置后的玄武岩纤维表面，使其表面处于湿润状态即可。

39、进一步，所述加热处理是将湿润后的玄武岩纤维平铺后进行分段加热处理，具体是先在30~40℃下保温1h，然后升温至60~70℃下保温1h，再升温至90~100℃下保温1h。

40、进一步，所述对摩擦片粗品进行热处理分为四个阶段，第一阶段是以1~1.5℃/min从室温升温至120℃，保温1~1.5h；第二阶段是以0.5~1.5℃/min从120℃继续升温至190℃，保温2~3h，第三阶段是以0.5~1.0℃/min从190℃继续升温至260℃，保温1~2h，第四阶段是以2~5℃/min降温至30~50min。

41、本发明具有如下技术效果：

42、本发明采用的制动摩擦片材料的制备工艺中，通过具有氨基的n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三羟基硅烷成功改性玄武岩纤维，促进了玄武岩纤维和树脂等成分高效粘结，解决了玄武岩纤维容易脱落的技术问题，并有效提高了制备的摩擦片在高温下的耐摩擦性能，300℃温度下的磨损率仅为0.24；具有优异的力学性能，有效提高了摩擦片的弯曲强度、拉伸强度、压缩强度及冲击强度性能。