一种番麻纤维增强环保型摩擦材料及其制备方法
【专利摘要】一种番麻纤维增强环保型摩擦材料及其制备方法，其组分包括作为材料骨架的番麻纤维，高强高模聚乙烯纤维，玄武岩纤维，摩擦性能调节剂偶联剂和填料；所述各组分的重量分数：增强纤维20～30份，粘合剂9～16份，摩擦性能调节剂8～14份，填料40～50份。经过超声波和化学方法联合预处理后的番麻纤维，具有耐热性好，分解温度高，纤维较长，细度不匀率较低，断裂伸长率较大等多种优良性能。经微纤化处理后，能够改善纤维与聚合物界面结构，提高纤维增强聚合物的机械性能。所制备的番麻纤维增强摩擦材料，化学稳定性好，热衰退性能好，并具有较高的摩擦稳定性，且对环境友好，是绿色环保型摩擦材料。
【专利说明】 一种番麻纤维增强环保型摩擦材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及汽车制动用摩擦材料，具体涉及一种番麻纤维增强环保型摩擦材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]摩擦材料是一种多元复合材料，其主要是由增强纤维、粘结剂(树脂与橡胶)和摩擦性能调节剂三大类组分及其他填料经一系列制造加工工艺制成的，其制品不仅要具有一定良好摩擦因数和耐磨性，同时还具备一定的耐热性和机械强度。
[0003]随着国内外制动摩擦材料行业的生产、技术和市场情况发生了重要变化，使制动材料面临着严峻的形势，对其性能要求也越来越高:要有足够而稳定的摩擦系数；动、静摩擦系数之差小；要有良好的导热性，较大的热容量和一定的高温机械强度；要有良好的耐磨性和抗粘着性，不易擦伤对偶件，无噪声；低成本，对环境无污染等。目前，国外摩擦材料的研究、应用工作仍是从材料成分、制取方法、工艺路线、结构设计和试验分析手段等方面出发进行全面改革，各国采用的方法虽然多种多样，但其目的仍是为了全面提高新型无石棉摩擦材料的性能，以满足汽车工业高速度发展的需求和社会对环境保护的要求
[0004]作为制动摩擦材料增强纤维的主要有玻璃纤维和有机合成纤维，如碳纤维、芳纶纤维等，这些纤维材料性能均一，是较为理想的增强材料。然而它们的原材料石油资源却日益枯竭，同时纤维的制造过程也会消耗大量能源，磨损产物污染环境。而天然纤维来源广泛，可再生，绿色无毒以其无毒害、生态环保、可降解、轻质价廉、比强度和比模量高、耐摩擦磨损及可再生等优良特性，在增强聚合物基复合材料的应用中越来越受到人们的重视。
[0005]番麻又叫龙舌兰麻，叶纤维作物，一张成熟的叶片含有1000?1200根纤维束，纤维硬长，质地优良，每个纤维束中含有60?150个纤维细胞。番麻纤维具有强力高、耐磨、耐腐蚀、伸长率低等特点是一种良好的纺织原料，适于制作产业用纺织品，如绳索、抛轮、钢丝绳芯纱等。亦适合于纺制室内装饰用布，如地毯、墙布等产品。目前番麻多为野生状态，对其纤维的综合利用水平低，没有充分挖掘其潜在价值。同有机纤维相比，番麻纤维可以降低材料的密度、减小其磨损量，但同时也会降低材料的摩擦系数。番麻纤维如果用于增强适当的基体则可以制成完全降解的摩擦材料，这种材料将获得巨大的市场空间。
[0006]由于摩擦材料的强度及其耐磨性与番麻纤维/粘结剂界面结合的状况有很大的关系，聚合物与纤维相之间的亲合力来源于纤维表面的孔隙浸入树脂而形成的机械作用力、物理吸附力及纤维表面的化学基团与树脂相中的活性基团反应形成的化学键。本专利根据摩擦制动材料的性能要求,研究了番麻纤维的改性处理工艺,将其应用摩擦材料，并对制备出的摩擦材料的摩擦性能进行了实验研究。如果对番麻纤维进行适当的处理，并与增强适当的基体混合可以制成力学性能优良的环保摩擦材料，这种材料将获得巨大的市场空间。
【发明内容】
士配方研究专用热压机，型号了穴50，吉林大)0,南通奥普机械工程有限公司生产，每次匕海齐新科学有限公司生产。
〔入自制搅拌器中搅拌10?15111111，转速为勺比例将物料在自动配料系统中进行配料，统能自动实现加料，计量，排料，混料。然后上，在35?501？3压力下初步预压成型，将3次放气、温控固化的工艺制备摩擦材料。
三更高，将热压好的摩擦材料送到保温炉中后随炉温冷却，得到试件。热处理后的摩擦办处理后的摩擦材料进行磨削处理，磨削设泡于质量分数为10%的NaOH溶液中，常温下浸泡处理4h，再放置到超声波发生器中，功率为40kHz，温度控制范围60?80°C，然后用去离子水冲洗呈中性。
[0021]为了改善纤维与聚合物界面结构，提高纤维增强聚合物的机械性能，对番麻进行适当的微纤维处理，使番麻短纤维增强摩擦材料具有比强度高、耐磨性高及易成型等优点。微纤维化前，番麻纤维在水中浸泡24h，番麻纤维的微纤维化在盘磨机(ZSP-300)上进行，然后将番麻短纤放置于80°C的烘箱中烘干备用；经过正交试验分析表明:质量分数为9%的番麻纤维增强的轿车制动块具有较好的机械性能。
[0022]其中的有机增强纤维采用高强高模聚乙烯纤维，突出的特性是与其极高的分子量，平均分子量大于170万，其抗冲击性比对位芳酰胺纤维高近一倍，耐磨性好。比强度是同等截面钢丝的十多倍，是玻璃纤维和芳纶的2倍多，比模量仅次于特级碳纤维。纤维密度低，密度是0.97g/cm3。断裂伸长低，断裂功大，具有很强的吸收能量的能力，而且耐化学腐蚀、耐磨性、有较长的挠曲寿命。它用于摩擦材料具有以下作用:可以使摩擦材料具有突出的抗冲击性，耐久性好，并具有较高的摩擦稳定性。本发明中加入3%的高强高模聚乙烯纤维作为增强材料。
[0023]本发明中采用的无机增强纤维是荷兰莱佩纳斯纤维公司生产的玄武岩纤维。玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成的。直径范围3?15 μ m,纤维平均长度125?650 μ m,密度2.75Kg/dm3,抗拉强度800GPa,断裂伸长率I?2%。玄武岩连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能。本发明中加入16%的优质玄武岩纤维作为增强材料。
[0024]本发明专利中使用的粘合剂选用耐高温型聚酰亚胺改性环氧胶粘剂。普通环氧树脂系胶结剂的粘附性好，内聚强度高，掺混性好，但耐热性差，长期使用温度仅为_60°C?150°C。而聚酰亚胺(PI)在_200°C?260°C之间有优良的力学性能和绝缘性能，还具有优良的耐磨性、尺寸稳定性。用聚酰亚胺对环氧树脂进行改性可以综合两者的优点，粘结力提高1.4倍，剪切强度提高1.7倍，经受住300°C以上的温度，得到具有良好机械性能和粘结强度的耐高温环氧胶粘剂。经过改性的环氧树脂可以将各种原料很好地加以粘合，生产出的刹车片不但各项理化性能指标优良，作为摩擦材料基体树脂可以明显提高刹车片的抗热衰退能力，使其具有良好的热稳定性。本发明中加入12%的聚酰亚胺改性环氧树脂作为粘合剂。
[0025]本发明专利中使用的摩擦性能调节剂为棕刚玉增摩材料，紫铜粉，人工石墨。
[0026]棕刚玉以优质耐磨材料高铝含量的钒土为原料，于电弧中经2000度以上高温熔炼而成，经自磨机粉碎整形，、筛分成多种粒度，其质地致密、硬度高，其突出的特点是晶体尺寸小耐冲击，表面干洁，易于与粘合剂结合，高温性能特别稳定，能有效的降低摩擦材料高温制动的衰退性。
[0027]紫铜粉是采用优质的黄铜为原料经过特殊工艺专门加工而成，外观呈不规则形状，有一定的韧性，质地柔软。用于摩擦材料中，具有很好的粘结力，能很好的与其他原料均匀混合，具有减摩擦作用，能减少摩擦材料对盘和轱的磨损。另外，紫铜粉耐高温，在高温软化时吸收大量的热量，且散热快，有助于降低摩擦材料制动时表面的温度。其粒度为40目-80目，纯度大于96%，比重8.7g/cm3。[0028]所采用的人工石墨是由瑞士物密高集团(HMCAL GROUP)公司生产。由于石墨作为碳质原料，具有很高的热容和导热系数，所以能较多地吸收由摩擦功转化的热量，并顺利地散发出去，有助于提高摩擦材料的耐温性能。人工石墨为鳞片层叠结构，硬度又很低，可以作为减磨材料以调整摩擦系数，可减小磨损；石墨颗粒富含微孔，且具弹性恢复作用，所以被赋予良好的阻尼功能，在摩擦材料中起到减小震动、遏制噪音、减小震动的效果。此外，人工石墨很容易被有机粘结剂浸润，而且其颗粒与粘结剂的粘结强度很高。
[0029]锆铝酸盐偶联剂能够能够无机矿物填料与有机聚合物间的界面，从而使玄武岩纤维、树脂胶黏剂和矿物填料形成较好的结合，从而提高矿物的填充量而降低成本，并改进最终广品的性能。
[0030]本发明专利中使用填料为沉淀硫酸钡填料，片状蛙石，FM-1陶瓷空心微粉。
[0031 ] 沉淀硫酸钡由淄博雍滨微粉厂生产，熔点1580°C，相对密度:4.50 (15°C )。沉淀硫酸钡具有硬度适中、比重大及无毒、耐高温的特点，因而在摩擦密封材料中得到了普遍应用，特别在摩擦材料中它已是不可或缺的无机填料。使用沉淀硫酸钡，有利于稳定摩擦系数，降低磨损率，而且摩擦面光滑、洁净，不易攻击对偶。本发明中加入5%沉淀硫酸钡作为摩擦性能调节剂
[0032]蛭石是一种化学成分复杂的含水铝硅酸盐矿物，化学分子式为(Mg，Fe, Al)(SiAl)4(OH)2.4Η20，常变化不定。单斜晶系，颜色为褐色、黄褐色和古铜色，油脂光泽。硬度I~1.5，比重2.4~2.7，熔点1320°C~1350°C。蛭石外形常呈鳞片状、片状，鳞片重叠，在I英寸厚度内可叠100万片。抗压强度I~1.5t/cm2。蛭石具有隔热、耐冻、抗菌、防火、吸水、吸声等优异性能，是一种新型的高技术无机纤维结构和功能材料，用于摩擦材料具有力学性能佳，耐高温性能好等优点。
[0033]FM-1陶瓷空心微粉是由美国potters Industries Inc.生产的工业粉体材料,用于摩擦材料的低密度功能性添加剂。化学组成:Si025 5~60%，Al20325~30%，Fe2034~10%;粒径范围:10 ~50 μ m ;相对密度:0.60 ~0.80g/cm3 ;抗压强度:3950psi(27.2MPa)；莫氏硬度:5。它的密度很小，同体积重量只有硫酸钡的1/6，不仅可以减轻产品重量，而且可以降低生产成本。FM-1陶瓷空心微珠具有很好的抗压强度和很好的耐热筍，有利于提高摩擦材料的抗衰退性及降低磨损率。本发明中FM-1陶瓷空心微粉在摩擦材料中的加入量为 15%。
【具体实施方式】:
[0034]番麻纤维增强环保型的摩擦材料采用耐高温型聚酰亚胺改性环氧树脂作为粘结剂，以番麻纤维，高强高模聚乙烯纤维，玄武岩纤维三种纤维作为混杂增强纤维，并加入刚玉增摩材料、紫铜粉、人工石墨作为摩擦性能调节剂，来改善和提高摩擦材料的摩擦性能。为提高生产效率和摩擦材料的合格率，采用2步升温、3次放气、温控固化的工艺制备摩擦材料。该制品成型工艺简单、物理机械性能好，摩擦系数随温度升高发生的衰减很小、综合性能良好，制动安全、有效，乘坐舒适、平稳，符合当代汽车人性化设计要求。
[0035]本发明经过多次试验得到的的最佳配方比例为:
[0036]
【权利要求】
1.一种番麻纤维增强环保型摩擦材料，其特征在于:其组分包括作为材料骨架的番麻纤维，高强高模聚乙烯纤维，玄武岩纤维，摩擦性能调节剂偶联剂和填料；所述各组分的重量分数:增强纤维20~30份，粘合剂9~16份，摩擦性能调节剂8~14份，填料40~50份。
2.根据权利要求1所述的一种番麻纤维增强环保型摩擦材料，其特征在使用番麻纤维作为增强材料，经超声波和化学方法联合预处理后，分离出单根纤维，再经过微纤化处理后，改善纤维与聚合物界面结构，能提高增强纤维在摩擦材料中的混杂均匀程度，可改善摩擦材料的负荷能力。
3.根据权利要求1所述的一种番麻纤维增强环保型摩擦材料，其配方为番麻纤维9%、高强高模聚乙烯纤维3.5 %、玄武岩纤维16%、聚酰亚胺4.5%、环氧树脂9 %、棕刚玉增摩材料2.5%、人工石墨3.5 %、紫铜粉4%、锆铝酸盐偶联剂3%、片状蛙石18%、陶瓷空心微粉15%、沉淀硫酸钡10%。这个配方经过多次试验调整，表明9%番麻纤维、3.5%高强高模聚乙烯纤维、16%玄武岩纤维、13.5%聚酰亚胺改性环氧树脂的配方具有最优的化学稳定性好，热衰退性能好，摩擦性能稳定可靠。
4.根据权利要求1所述的一种番麻纤维增强环保型摩擦材料，其制备工艺为热压成型的温度为约1701，压力55~65腿^，热压时间为15~20分钟。经过多次试验调整表明，此工艺条件下生产的刹车片摩擦系数稳定，磨损率低，其物理机械性能达到最优。
【文档编号】C09K3/14GK103834363SQ201310496472
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】姜著川 申请人:姜著川