CN101148330B - 纤维状坡缕石的改性方法及其产品和应用 - Google Patents
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本发明公开了纤维状坡缕石的改性方法及其产品和应用，用无水乙醇将纤维状坡缕石重量2～6％的铝锆偶联剂稀释成无水乙醇∶铝锆偶联剂＝3∶1的溶液，将稀释液均匀喷洒到纤维状坡缕石样品中，在水浴锅中75℃加热搅拌20分钟，再在室温下缓慢晾干1.5小时，即得改性纤维状坡缕石。与现有技术相比，本发明采用铝锆偶联剂对纤维状坡缕石进行改性，然后用改性纤维状坡缕石作为增强纤维制备增强摩擦材料，所得摩擦材料密度小、重量轻、摩擦系数稳定、磨损率小、硬度适中、价格较低，而且其耐磨性和热衰退性有显著改善。
Description
技术领域：本发明涉及纤维状坡缕石的改性方法及其产品和应用，属于摩擦制动材料技术领域。
背景技术：随着汽车、火车、飞机等运输工具向大功率、高速、重载方向发展，对其舒适度和安全性要求不断提高，相应对摩擦制动材料的性能也提出了更加苛刻的要求。在传统的摩擦材料制造技术中，石棉是摩擦材料的主要增强成分，但石棉已被公认是致癌物质，对人体的危害极大，并且石棉粉尘还对环境造成严重污染。因此，研制开发无石棉摩擦材料成为当前摩擦材料的重要发展趋势。从无石棉摩擦材料的组成成分角度来进行划分，摩擦材料可分为有机型和无机型两大类。目前研究和使用较多的是有机型摩擦材料，无石棉有机型摩擦材料按所含纤维的种类和数量可划分为：天然及合成无石棉纤维材料、混杂纤维增强摩擦材料、无纤维摩擦材料。混杂纤维是综合考虑各种纤维的物理化学特性，利用纤维之间的混杂机理，使其性能达到石棉在摩擦材料中的增强效果。研究表明，现有任何单一纤维的综合性能都无法和石棉相比，因此混杂纤维增强摩擦材料是当今无石棉有机型摩擦材料研究的重要方向。
美国Engelhard公司于1983年2月8日获得授权的US4,373,037号美国专利公开了一种含有绿坡缕石(坡缕石)粘土并和钢纤维或其他非石棉纤维组成的无石棉摩擦材料，其组分中也包括常规的填充物、润滑剂和磨损改良剂等。该专利公开的无石棉摩擦材料存在的问题是在该摩擦材料中钢纤维的重量比范围为10％～50％，含量过高，因为钢纤维代替石棉纤维作为摩擦材料的增强纤维存在着价格昂贵，比重大、硬度高，容易损伤对偶件的缺点，并且该专利虽然是第一次提出将坡缕石作为摩擦材料中的增强纤维，但采用绿坡缕石(坡缕石)作为增强纤维必须对其进行严格的高温热处理，使绿坡缕石的吸附水的重量比低于5％，在此基础上碳酸盐中CO2的重量比不超过5％，导致生产工艺烦琐。中国专利CN02119506.6公开了一种采用海泡石纤维、植物纤维代替石棉的无石棉摩擦材料，但该无石棉摩擦材料中使用的植物纤维高温摩擦时容易发生炭化，影响摩擦材料性能。中国专利CN97112643.7公开了一种采用毛发纤维和钢纤维作为增强纤维的无石棉摩擦材料，从公开文件中提供的数据来看存在冲击强度不够理想，而且存在摩擦系数不够稳定的缺点。
本申请人已向国家知识产权局申请的发明专利(申请号为200610200405.5)提供了纤维状坡缕石在制备制动器衬片材料中的应用及其产品和制法。经过进一步的试验研究，申请人发现将纤维状坡缕石改性后所制备的增强摩擦材料性能更好。
发明内容：
本发明的目的在于：提供一种纤维状坡缕石的改性方法及其产品和应用。本发明针对现有技术的不足，采用改性后的纤维状坡缕石作为增强纤维，用干法热压成形工艺制得的增强摩擦材料密度小、重量轻、摩擦系数稳定、磨损率小、硬度适中、价格较低。
本发明是这样实现的：纤维状坡缕石的改性方法为：用无水乙醇将纤维状坡缕石重量2～6％的铝锆偶联剂稀释成无水乙醇∶铝锆偶联剂＝3∶1的溶液，将稀释液均匀喷洒到纤维状坡缕石样品中，在水浴锅中75℃加热搅拌20分钟，再在室温下缓慢晾干1.5小时，即得改性纤维状坡缕石。
所述纤维状坡缕石样品的粒度为40目；铝锆偶联剂的最佳用量为纤维状坡缕石重量的6％。
所述纤维状坡缕石样品的制备过程为：将原矿坡缕石进行水洗，除去杂质和残渣，干燥后，再用振动磨矿机粉碎1～3min，最后用标准检验筛分级，即得40目纤维状坡缕石样品。
如上所述纤维状坡缕石的改性方法改性得到的改性纤维状坡缕石。
上述改性纤维状坡缕石在制备增强摩擦材料中的应用。
改性纤维状坡缕石在增强摩擦材料中的重量百分比为5～85％。
具体的说，将25～55％重量的改性纤维状坡缕石、13～20％重量的粘接剂、20～45％重量的填料和余量的其它增强纤维制成增强摩擦材料。
更具体的说，采用干法热压成形工艺，按以下四个步骤制备增强摩擦材料：
(1)原材料的预处理：将其它增强纤维和填料放置在120℃烘箱内烘1小时，粘接剂放置在60～70℃烘箱内烘0.5小时；
(2)混料：先将改性纤维状坡缕石放进搅拌机中在1250r/min下搅拌3～4min，然后加入其它增强纤维和填料、粘接剂在800r/min下搅拌5min，使其分散、混匀；
(3)热压：混合后的原料放入模具中，在温度160±5℃、压力25±3MPa、保温保压时间60s/mm的条件下进行热压，热压的开始阶段每隔10s打开模腔排气3～5次；
(4)热处理：在20～100℃温度段，等速升温1h，保温1h；在100～120℃温度段，等速升温1h，保温1h；在120～140℃温度段，等速升温40min，保温140min；在140～170℃温度段，等速升温30min，保温4h。
以上所述的粘接剂为改性酚醛树脂，如丁腈改性酚醛树脂、腰果壳油改性酚醛树脂或硼改性酚醛树脂；所述的填料选自蛭石、钾长石、重晶石、云母、蓝晶石、氧化铝、铬铁矿粉、鳞片状石墨等中的一种或多种；所述的其它增强纤维选自钢纤维、铜纤维、芳纶纤维、针状硅灰石等中的一种或多种。
申请人通过对铝锆偶联剂改性坡缕石粉体以及铝锆偶联剂和丁晴改性酚醛树脂的生成物进行红外光谱分析发现，铝锆偶联剂和坡缕石粉体与丁晴改性酚醛树脂发生了较为强烈的化学键合，说明铝锆偶联剂较好地改善了酚醛树脂和坡缕石纤维的界面粘接状况，起到了很好的“桥”界面结合作用，从而使摩擦材料的耐磨性和热衰退性得到较为显著的改善。
与现有技术相比，本发明采用铝锆偶联剂对纤维状坡缕石进行改性，然后用改性纤维状坡缕石作为增强纤维制备增强摩擦材料，所得摩擦材料密度小、重量轻、摩擦系数稳定、磨损率小、硬度适中、价格较低，而且其耐磨性和热衰退性有显著改善。
具体实施方式：
本发明的实施例1：纤维状坡缕石的改性：
将原矿坡缕石进行水洗，除去杂质和残渣，干燥后，再用振动磨矿机粉碎1～3min，最后用标准检验筛分级，得40目纤维状坡缕石样品。用无水乙醇将纤维状坡缕石重量6％的铝锆偶联剂稀释成无水乙醇∶铝锆偶联剂＝3∶1的溶液，将铝锆偶联剂稀释液均匀喷洒到纤维状坡缕石样品中，在水浴锅中75℃加热搅拌20分钟，再在室温下缓慢晾干1.5小时，即得改性纤维状坡缕石。
本发明的实施例2：增强摩擦材料的组成配比(重量比)：改性纤维状坡缕石85％、丁腈改性酚醛树脂15％
摩擦材料的制备工艺：(1)原材料的预处理：将丁腈改性酚醛树脂放置在60～70℃烘箱内烘0.5小时；
(2)混料：先将改性纤维状坡缕石放进搅拌机中在1250r/min下搅拌3～4min，然后加入丁腈改性酚醛树脂在800r/min下搅拌5min，使其分散、混匀；
(3)热压：混合后的原料放入模具中，在温度160±5℃、压力25±3MPa、保温保压时间60s/mm的条件下进行热压，热压的开始阶段每隔10s打开模腔排气3～5次；
(4)热处理：在20～100℃温度段，等速升温1h，保温1h；在100～120℃温度段，等速升温1h，保温1h；在120～140℃温度段，等速升温40min，保温140min；在140～170℃温度段，等速升温30min，保温4h。
本发明的实施例3：增强摩擦材料的组成配比(重量比)：改性纤维状坡缕石55％、丁腈改性酚醛树脂15％、蛭石15％、钾长石15％
摩擦材料的制备工艺：(1)原材料的预处理：将蛭石和钾长石放置在120℃烘箱内烘1小时，丁腈改性酚醛树脂放置在60～70℃烘箱内烘0.5小时；
(2)混料：先将改性纤维状坡缕石放进搅拌机中在1250r/min下搅拌3～4min，然后加入蛭石、钾长石和丁腈改性酚醛树脂在800r/min下搅拌5min，使其分散、混匀；
(3)热压：混合后的原料放入模具中，在温度160±5℃、压力25±3MPa、保温保压时间60s/mm的条件下进行热压，热压的开始阶段每隔10s打开模腔排气3～5次；
(4)热处理：在20～100℃温度段，等速升温1h，保温1h；在100～120℃温度段，等速升温1h，保温1h；在120～140℃温度段，等速升温40min，保温140min；在140～170℃温度段，等速升温30min，保温4h。
本发明的实施例4：增强摩擦材料的组成配比(重量比)：改性纤维状坡缕石25％、针状硅灰石10％、丁腈改性酚醛树脂20％、蛭石20％、钾长石15％、蓝晶石10％
摩擦材料的制备工艺：(1)原材料的预处理：将针状硅灰石、蛭石、钾长石和蓝晶石放置在120℃烘箱内烘1小时，丁腈改性酚醛树脂放置在60～70℃烘箱内烘0.5小时；
(2)混料：先将改性纤维状坡缕石放进搅拌机中在1250r/min下搅拌3～4min，然后加入针状硅灰石、蛭石、钾长石、蓝晶石和丁腈改性酚醛树脂在800r/min下搅拌5min，使其分散、混匀；
(3)热压：混合后的原料放入模具中，在温度160±5℃、压力25±3MPa、保温保压时间60s/mm的条件下进行热压，热压的开始阶段每隔10s打开模腔排气3～5次；
(4)热处理：在20～100℃温度段，等速升温1h，保温1h；在100～120℃温度段，等速升温1h，保温1h；在120～140℃温度段，等速升温40min，保温140min；在140～170℃温度段，等速升温30min，保温4h。
发明人参照GB5763-1998规定，采用GB5763-1998《汽车用制动器衬片》中规定的测试方法，对实施例2、实施例3所制备的摩擦材料与对照组摩擦材料的摩擦磨损性能采用咸阳新益摩擦密封材料设备研究所生产的XD-MSM型定速式摩擦试验机进行测试。其摩擦磨损性能结果见表1所示。
表1摩擦磨损性能表
注：对照组摩擦材料的组成配比(重量比)为：纤维状坡缕石85％、丁腈改性酚醛树脂15％
由表1中的检测结果可见，本发明改性纤维状坡缕石所制备的摩擦材料较没有改性的纤维状坡缕石制备的增强摩擦材料的耐磨性、热衰退性等性能指标均有显著性改善，是一种更好的石棉矿物纤维替代品。
Claims (3)
1.以改性纤维状坡缕石为原料制成的增强摩擦材料，其特征在于：它是用25～55%重量的改性纤维状坡缕石、13～20%重量的粘接剂、20～45%重量的填料和余量的其它增强纤维采用干法热压成形工艺，按以下四个步骤制成的：
（1）原材料的预处理：将其它增强纤维和填料放置在120℃烘箱内烘1小时，粘接剂放置在60～70℃烘箱内烘0.5小时；
（2）混料：先将改性纤维状坡缕石放进搅拌机中在1250r/min下搅拌3～4min，然后加入其它增强纤维和填料、粘接剂在800r/min下搅拌5min，使其分散、混匀；
（3）热压：混合后的原料放入模具中，在温度160±5℃、压力25±3MPa、保温保压时间60s/mm的条件下进行热压，热压的开始阶段每隔10s打开模腔排气3～5次；
（4）热处理：在20～100℃温度段，等速升温1h，保温1h；在100～120℃温度段，等速升温1h，保温1h；在120～140℃温度段，等速升温40min，保温140min；在140～170℃温度段，等速升温30min，保温4h；
所述改性纤维状坡缕石的制备方法为：用无水乙醇将纤维状坡缕石重量6%的铝锆偶联剂稀释成无水乙醇∶铝锆偶联剂=3∶1的溶液，将稀释液均匀喷洒到粒度为40目的纤维状坡缕石样品中，在水浴锅中75℃加热搅拌20分钟，再在室温下缓慢晾干1.5小时，即得；
所述纤维状坡缕石样品的制备过程为：将原矿坡缕石进行水洗，除去杂质和残渣，干燥后，再用振动磨矿机粉碎1～3min，最后用标准检验筛分级，即得40目纤维状坡缕石样品。
2.按照权利要求1所述以改性纤维状坡缕石为原料制成的增强摩擦材料，其特征在于：它是用55%重量的改性纤维状坡缕石、15%重量的粘接剂和30%重量的填料制成的；所述粘接剂为丁腈改性酚醛树脂；所述填料为等量的蛭石和钾长石。
3.按照权利要求1所述以改性纤维状坡缕石为原料制成的增强摩擦材料，其特征在于：它是用25%重量的改性纤维状坡缕石、20%重量的粘接剂、45%重量的填料和10%重量的其它增强纤维制成的；所述粘接剂为丁腈改性酚醛树脂；所述填料为重量比20∶15∶10的蛭石、钾长石和蓝晶石；所述其它增强纤维为针状硅灰石。
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