CN101942232A - 一种填料炭改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种填料炭改性方法，改性方法为将填料置于反应炉的反应区中，先在保护气气氛下开始第一次加热升温至400-500℃，升温结束后通入氢气，通氢气结束后开始第二次加热升温至600～1200℃，升温的同时通入氢气与碳源气体的混合气体，第二次升温至终点后保温反应0.1～5小时，反应后通入氮气并停止加热，冷却，得到炭改性填料。该法可得到较好的力学性能、优异的摩擦磨损性能、在高温阶段摩擦系数稳定、不产生热衰退、制动力好的摩擦材料。
Description
技术领域
本发明属于摩擦材料领域，具体涉及一种填料炭改性方法及其在摩擦材料中的应用。
背景技术
随着社会和科学技术的发展，汽车作为现在社会一种不可缺少的交通工具在人们的工作生活中扮演的作用也越来越重要。如今，高载、高速、环保已成为汽车行业的发展方向。但是汽车高速高载所带来的技术难题并没有得到解决，难题之一就是汽车制动问题。
汽车制动的根本其实就是把行驶中汽车的动能转换为热能的过程。而刹车片在高速高载情况所面临的主要问题就是材料在高温时的失效。为了解决这个难题，有人曾试图对在刹车片中起粘结剂作用的酚醛树脂进行改性提高酚醛树脂的耐热性能，以解决材料的高温失效问题，比如JP 11286676(A)公开了一种芳香类化合物改性酚醛树脂在刹车片中应用的方法。JP10007815(A)公开了一种橡胶改性酚醛树脂和普通酚醛树脂的混合体系在刹车片中应用的方法。JP2001247640(A)公开了一种用双马来酰亚胺改性酚醛树脂应用在刹车片中的方法。这三种方法制得的摩擦材料虽然性能上有一定的提高，但材料高温失效的问题并没有得到根本的解决。
如何避免刹车片材料的高温失效，采取有效的办法将制动产生的热量及时迅速地传导出去成为关键。在实际制动时，一方面希望制动系统能提供尽可能大的摩擦力，使汽车在最短的距离、最短的时间内完成制动，然而另一方面，如果制动时摩擦力过大，则非常容易导致抱死现象，且摩擦力越大，热能产生的速率也越快，制动时热量在摩擦表面的积聚也越严重，材料也越容易失效。
现在很多中高档轿车都使用了ABS防抱死系统，ABS防抱死系统以很高的频率实现“点刹”，这一点很好的防止了由于摩擦系数过高导致的抱死现象。另一方面，在点刹的间隙，能把摩擦热快速地散去，更好的保护刹车片材料，防止高温失效。而为了配合ABS点刹保护材料的作用，就需要一款高导热系数的刹车片。以便在点刹间隙，把刹车片表面的热量散失出去。
碳具有耐热性能优良、导热系数高以及化学惰性等优点，而被作为一种重要的结构材料和功能材料，广泛应用于冶金、化工、机械、电子、航空等领域。将碳材料应用于摩擦材料中能明显提高材料的导热系数，使制动热更好的传导出去，避免摩擦表面局部热积聚导致材料失效并能起到一定的增强作用。JP2008223781(A)公开了一种在摩擦材料中加入纳米碳纤维的方法。专利EP1357310-A采用碳纤维增强C/SiC材料，制得高导热系数的制动材料，使得该材料在高温下具有良好的摩擦性能；CN98105056.5公布了一种添加碳纤维半金属无石棉制动片，该发明的产品导热系数高、制动平稳、耐磨、使用寿命高。专利EP1028098-A通过碳纤维增强碳/碳复合材料制得适用于高速高载下的摩擦材料。KR100878945(B1)公布了一种在刹车片成品表面喷涂纳米碳管的方法，该方法制的的刹车片导热性能好、制动表面温度分布均匀，、附着力高、材料稳定性好。上述在摩擦材料中加入碳材料的方法，虽然能提高摩擦材料的导热系数，显著提高材料的摩擦磨损性能，但上述碳材料生产成本偏高，限于成本，实际使用时比较困难。
发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上，提供一种填料的炭化改性方法，并应用于摩擦材料。添加这种炭化改性填料的摩擦材料具有较高的导热系数，良好的抗热衰退性、抗震稳定性和机械强度，良好地解决了传统刹车片材料高温失效的问题。
本发明的另一目的是提供一种上述方法在摩擦材料中的应用。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种填料炭改性方法，将填料置于反应炉的反应区中，先在保护气气氛下开始第一次加热升温至400～500℃，升温结束后通入氢气，通氢气结束后开始第二次加热升温至600～1200℃，升温的同时通入氢气与碳源气体的混合气体，第二次升温至终点后保温反应0.1～5小时，反应后通入氮气并停止加热，冷却，得到炭改性填料；上述过程中气体从下部进入反应炉的反应区中，使反应炉内的物料呈流化状态；其中所述的填料选自矿物材料、金属氧化物、硫化锑、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、硅酸盐或金属单质中的一种或几种。
上述填料优选选自氧化锆、氧化铅、氧化铝、铁红、铁黑、铁黄、铬绿、铬黄、氧化钛、氧化铜、氧化锌、氧化镁、氧化锡、钛基晶须、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、硅酸锆、硅酸铝、硫酸钡、陶瓷纤维、玻璃纤维、矿物纤维、硼纤维、复合矿物纤维、海泡石纤维、膨胀蛭石、硫化锑、锆英石粉、金刚砂、碳酸钙、钛酸钾、钛酸钠、云母粉、铜粉、铜纤维、铁粉、钢纤维、棕刚玉、重晶石、方解石、石灰石、陶土、硅藻土、滑石、铬铁矿、金红石、白云石、石膏、菱镁矿、铝矾土、石英粉、刚玉、萤石、沸石、冰晶石、高岭土、岩棉、石英岩、长石、硅灰石、石榴石、凹凸棒石、陶瓷空心球、硼硅酸盐类化合物、镁铝硅酸盐类化合物中的一种或几种；本发明中的填料进一步优选选自氧化锆、氧化铝、铁红、铁黑、氧化钛、二氧化硅、氧化镁、氧化锌、锆英石、重晶石、硅灰石、钛酸钾晶须、云母粉、铜、铁中的一种或几种。填料的形态可以为多种，如微粒、粉末、颗粒、晶须等。
第一次加热升温的速率为10～30℃·min-1，优选15℃·min-1。第一次加热升温终点优选为500℃。
第一次升温结束后，通入氢气的速率为300～400mL·min-1，优选300mL·min-1。氢气通入至反应炉内无其他气体，随后停止通氢并开始第二次加热升温并通入混合气体。
第二次升温过程的升温速率为10～30℃·min-1，优选25℃·min-1。第二次加热升温的终点优选为1000℃。第二次升温至终点后可再保温反应0.1～5小时，优选1～5小时，如第二次升温终点温度为1000℃时该保温反应时间优选为2小时。
第二次升温过程中，通入的氢气与碳源气体的体积比为1～3∶4，优选为为1∶2。
碳源气体可采用碳氢化合物、一氧化碳或二氧化碳，其中所述的碳氢化合物是指小分子的碳氢化合物，如甲烷、乙烷、丙烷、苯、甲苯等。本发明中的保护气是指氦气、氖气、氩气或氮气等。
本方法所得的炭改性填料的表面覆盖有厚度为1nm～1000nm的炭层，其微观结构为纤维状结构覆盖在填料表面或者是交联网状结构包裹住填料，炭层在填料表面的覆盖率高于80％。本法的炭改性填料的平均导热系数高于未改性填料的0.2～100倍。
本发明还提供了一种摩擦材料，该材料中包含至少一种上述炭改性填料。该摩擦材料的制备中可以采用粘结剂，而粘结剂可以是酚醛树脂或改性酚醛树脂或者橡胶或者它们的组合。该摩擦材料与不含炭改性填料的摩擦材料相比，在250℃以上定速摩擦系数提高1％～10％，磨损率下降10％～70％，导热系数提高0.3～4倍。
上述摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
1)取粘结剂和至少含有一种本发明炭改性填料的添加料，搅拌混合4～6分钟后，加入热压模具中；
2)升温到155～185℃，压力为10～30MPa，保温保压热压5～10分钟。
3)将热压后的试样于185～200℃下保温4～6小时，然后降温，得到摩擦材料。
步骤1)中粘结剂与添加料的用量比例根据所需制备的摩擦材料的性能以及各添加料的性能决定。步骤3)中的保温过程可以在烧结炉中进行，降温也可采用自然降温的方式。
这里所述的添加料，除了炭改性填料外，是指现有技术中生产摩擦材料所需的各种无机或有机填料，如增强纤维、摩擦性能调节剂等材料。
增强纤维一般可以是玻璃纤维、陶瓷纤维、复合矿物纤维、硅酸盐纤维、木质素纤维、纤维素纤维、芳纶中的一种或几种的组合。摩擦性能调节剂及其他材料为铁黑、锆英石、铁红、氧化锆、氧化镁、云母粉、萤石粉、沸石、蛭石、锐钛矿、凹土、高岭土、立德粉、硫酸钡、摩擦粉、重质碳酸钙中的一种或几种的组合。
本发明的采用了炭改性填料的摩擦材料，其成品的导热系数是未采用炭改性填料的摩擦材料的1.2～10倍，在摩擦系数与磨损率方面，前者也具有优异的性能。
本发明的有益效果：
1、在刹车片中添加经过炭化处理的无机填料后，在达到同样的制动效果时，摩擦面表面温度下降，这导致当整车的载荷和要求的制动距离相同时，车辆的最高时速适当提高。当整车的速度和要求的制动距离相同时，车辆可以承受更大的载荷。当整车的载荷和速度相同时，刹车时制动距离会比不添加炭化改性填料的刹车片小。
2、在刹车片中添加经过炭化处理的无机填料后，刹车片材料的导热性能有明显改善，使摩擦热在材料表面分布的更均匀，不会因为导热性能不良导致局部热积聚，影响材料性能。
3、在刹车片中添加经过改性的无机填料后，材料的导热性能有明显的提高，配合现有高档车辆的ABS防抱死系统，摩擦表面的热量能更有效传递，降低摩擦表面的温度，保护刹车片材料，提高制动效果，延长材料使用寿命。
4、在刹车片中添加经过改性的无机填料后，摩擦系数有一定程度的提高，增加了制动力，且摩擦系数更加稳定，减小了磨损量延长了材料的使用寿命。
正是由于在刹车片中添加经过炭化处理的无机填料，使材料的性能优于同类产品，摩擦系数稳定，磨损率小，材料使用寿命更长。且导热性能好，制动距离变短。高温下工作时不会失效。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作一步具体的说明。为验证本发明的效果，按中国GB5763-1998国家标准进行实验。并与市场同类产品进行比较。实施例如下：
实施例1：
制作炭改性玻璃纤维，其过程为：
将需要改性的玻璃纤维放置于反应炉中，气体从下部进入反应炉的反应区中，使反应炉内的物料呈流化状态。反应器首先在氮气气氛下以30℃·min-1的升温速率开始第一次升温，升温至450℃停止加热并以300mL·min-1的速度通入氢气，通氢后开始第二次加热升温，并以1∶2的体积比通入氢气与一氧化碳的混合气。反应最终温度为800℃，在该温度下反应2h后将通入的气体切换为氮气，停止加热，自然冷却，卸出物料，得到炭改性的玻璃纤维。未改性玻璃纤维常温下导热系数为1.46W/(m.K)，改性后为47.87W/(m.K)，微观检测显示填料表面的炭层的平均厚度在80～100nm，炭层表面覆盖率高于85％。
按表1各物料的质量配比称取粘结剂和各种填料，搅拌混合5分钟后，加入热压模具中；
热压成型工艺为：升温到165℃，压力为20MPa，保温保压8分钟。
后处理工艺为：将热压后的试样放在烧结炉200℃下，保温5小时，然后自然降温，得到摩擦材料产品。
表1摩擦材料配比表
本表中的“其他”为：硫化锑11％、摩擦粉3％、丁晴橡胶5％。石墨3％，表2中的其他同表1。
实施例2
将需要改性的铁黑放置于反应炉中，气体从下部进入反应炉的反应区中，使反应炉内的物料呈流化状态。反应器首先在氦气气氛下以30℃·min-1的升温速率开始第一次升温，升温至470℃停止加热并以330mL·min-1的速度通入氢气，随后开始第二次加热升温，并以1∶2的体积比通入氢气与甲苯的混合气。反应最终温度为850℃，在该温度下反应3h后将通入的气体切换为氮气，停止加热，自然冷却，卸出物料，得到炭改性的铁黑。未改性铁黑常温下导热系数为6.88W/(m.K)，改性后铁黑的导热系数为23.4W/(m.K)。微观检测显示填料表面的炭层的平均厚度在100～150nm，炭层表面覆盖率高于85％。
按表2各物料的质量配比称取粘结剂和各种填料，搅拌混合5分钟后，加入热压模具中；
热压成型工艺为：升温到165℃，压力为20MPa，保温保压8分钟。
后处理工艺为：将热压后的试样放在烧结炉200℃下，保温5小时，然后自然降温，得到摩擦材料产品。
表2摩擦材料配比表
将按表1和表2的配比制备的摩擦材料制成刹车片并进行性能测试，结果如下：
表3实施例刹车片导热系数
表4实施例刹车片实验数据表
表5实施例刹车片实验数据表
对比实施例1，从表3可以看出，添加经过炭化改性的玻璃纤维后，材料的导热系数较添加未改性玻璃纤维的导热系数有明显提高，提高了一倍。从表4可以看出，添加经过炭化改性的玻璃纤维后，摩擦系数提高了0.01-0.02，效果较为明显，从表5的磨损率比较也可以看出，添加经过炭化改性的玻璃纤维对材料的磨损率的下降有明显的作用。对比实施例2可以看出，添加经过炭化改性的铁黑，材料的导热性能也有提高，而看表4和表5的摩擦实验数据可以得到结论，添加经过炭化改性的铁黑后，无论是高温还是低温，材料的摩擦系数都有一定程度的提高，且高温时更不容易出现热衰退现象，磨损率也明显低于添加未改性的铁黑的摩擦材料。
下面用实施例1的炭改性玻璃纤维制作的摩擦材料与市场进口同类产品进行比较：
表6市场同类商品实验数据比较
表7市场同类商品实验数据比较
表8市场同类产品实验数据比较
将经过炭化改性的玻璃纤维添加到摩擦材料中，并于市场上进口同类产品进行比较，从表6可以看出，该发明的材料具有更高的导热系数，表7可以看出，本发明的产品在低温和高温，摩擦系数的变化不大，非常稳定。从表8不难看出本发明的产品磨损率明显小于市场同类产品。
实施例3：
将需要改性的氧化钛放置于反应炉中，气体从下部进入反应炉的反应区中，使反应炉内的物料呈流化状态。反应器首先在氦气气氛下以30℃·min-1的升温速率开始第一次升温，升温至450℃停止加热并以320mL·min-1的速度通入氢气，随后开始第二次加热升温，并以1∶2的体积比通入氢气与一氧化碳的混合气。反应最终温度为850℃，在该温度下反应3h后将通入的气体切换为氮气，停止加热，自然冷却，卸出物料，得到炭改性的氧化钛。未改性氧化钛常温下导热系数为6.6W/(m.K)，改性后氧化钛导热系数为45W/(m.K)。
实施例4：
将需要改性的钛铁晶须放置于反应炉中，气体从下部进入反应炉的反应区中，使反应炉内的物料呈流化状态。反应器首先在氦气气氛下以30℃·min-1的升温速率开始第一次升温，升温至450℃停止加热并以360mL·min-1的速度通入氢气，随后开始第二次加热升温，并以1∶2的体积比通入氢气与一氧化碳的混合气。反应最终温度为850℃，在该温度下反应3h后将通入的气体切换为氮气，停止加热，自然冷却，卸出物料，得到炭改性的钛铁晶须。未改性钛铁晶须常温下导热系数为0.054W/(m.K)，改性后钛铁晶须导热系数为2.1W/(m.K)。
实施例5：
将需要改性的硅灰石放置于反应炉中，气体从下部进入反应炉的反应区中，使反应炉内的物料呈流化状态。反应器首先在氦气气氛下以30℃·min-1的升温速率开始第一次升温，升温至450℃停止加热并以300mL·min-1的速度通入氢气，随后开始第二次加热升温，并以1∶2的体积比通入氢气与乙炔的混合气。反应最终温度为850℃，在该温度下反应3h后将通入的气体切换为氮气，停止加热，自然冷却，卸出物料，得到炭改性的硅灰石。未改性硅灰石常温下导热系数为0.056W/(m.K)，改性后硅灰石导热系数为0.987W/(m.K)。
Claims (11)
1.一种填料炭改性方法，其特征在于将填料置于反应炉的反应区中，先在保护气气氛下开始第一次加热升温至400～500℃，升温结束后通入氢气，通氢气结束后开始第二次加热升温至600～1200℃，升温的同时通入氢气与碳源气体的混合气体，第二次升温至终点后保温反应0.1～5小时，反应后通入氮气并停止加热，冷却，得到炭改性填料；上述过程中气体从下部进入反应炉的反应区中，使反应炉内的物料呈流化状态；其中所述的填料选自矿物材料、金属氧化物、硫化锑、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、碳酸盐、钛酸盐、硅酸盐或金属单质中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于所述填料选自氧化锆、氧化铅、氧化铝、铁红、铁黑、铁黄、铬绿、铬黄、氧化钛、氧化铜、氧化锌、氧化镁、氧化锡、钛基晶须、二氧化硅、碳酸钙、钛酸钾、钛酸钠、碳化硅、氮化硅、硅酸锆、硫化锑、硅酸铝、硫酸钡、铜粉、铜纤维、铁粉、钢纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、矿物纤维、硼纤维、复合矿物纤维、膨胀蛭石、锆英石、金刚砂、云母粉、海泡石纤维、棕刚玉、重晶石、方解石、石灰石、陶土、硅藻土、滑石、铬铁矿、金红石、白云石、石膏、菱镁矿、铝矾土、石英粉、刚玉、萤石、沸石、冰晶石、高岭土、岩棉、石英岩、长石、硅灰石、石榴石、凹凸棒石、陶瓷空心球、硼硅酸盐类化合物、镁铝硅酸盐类化合物中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于第一次加热升温的速率为10～30℃·min-1，第一次加热升温终点为500℃，第一次升温结束后，通入氢气的速率为300～400mL·min-1。
4.根据权利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于第二次升温过程的升温速率为10～30℃·min-1，第二次加热升温的终点为1000℃。
5.根据权利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于第二次升温过程中，通入的氢气与碳源气体的体积比为1～3∶4。
6.根据权利要求1或5所述的填料炭改性方法，其特征在于所述的碳源气体为碳氢化合物、一氧化碳或二氧化碳。
7.根据权利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于所述炭改性填料的表面覆盖有厚度为1nm～1000nm的炭层，所述炭层在填料表面的覆盖率高于80％。
8.根据权利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于所述炭改性填料的平均导热系数高于未改性填料的0.2～100倍。
9.一种摩擦材料，其特征在于包含至少一种权利要求1所述的炭改性填料。
10.根据权利要求9所述的摩擦材料，其特征在于该摩擦材料与不含炭改性填料的摩擦材料相比，在250℃以上定速摩擦系数提高1％～10％，磨损率下降10％～70％，导热系数提高0.3～4倍。
11.一种权利要求9所述的摩擦材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)取粘结剂和至少含有一种权利要求1所述炭改性填料的添加料，搅拌混合4～6分钟后，加入热压模具中；
2)升温到155～185℃，压力为10～30MPa，保温保压热压5～10分钟。
3)将热压后的试样于185～200℃下保温4～6小时，然后降温，得到摩擦材料。
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