CN102191015A

CN102191015A - 列车制动用混杂纤维增强摩擦材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102191015A
Application number: CN2011100877895A
Authority: CN
Inventors: 丛培红; 李同生; 刘旭军; 吕仁国
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明属于材料技术领域，具体为是一种列车制动用混杂纤维增强摩擦材料及其制备方法。本发明采用复合改性酚醛树脂为粘结剂，选用包括炭纤维、金属纤维、无机矿物纤维等的混杂纤维作为增强纤维。与现有技术相比，本发明改善了列车制动用有机合成闸片的成型加工性能，材料的成品率高；闸片在不同制动速度下摩擦性能稳定，高速下无明显摩擦性能衰退现象，制动试验后工作表面无掉渣和龟裂现象。本发明摩擦材料可广泛用于制造客货运列车、城市轨道交通、地铁等制动系统中的刹车片、闸片、闸瓦等。

Description

列车制动用混杂纤维增强摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种列车制动用摩擦材料及其制备方法。

背景技术

我国铁路目前正朝着旅客运输高速化、快速化，货物运输重载化、快捷化的技术方向发展，要保证列车提速，制动系统必须具备高可靠性。

长期以来，我国采用的列车制动材料主要有含磷铸铁材料、粉末冶金材料和有机合成材料等三大类。其中铸铁材料的摩擦系数不受气候的影响且价格低廉，但其瞬时摩擦系数较低且受制动初速度影响较大，制造时的性能离散性也较大。粉末冶金材料具有瞬时摩擦系数不随列车行进速度和天气状况改变而变化的优点，其耐磨性和导热性都较好，但是粉末冶金材料对对摩制动盘的攻击性大，成本较高。有机合成材料具有化学结构可设计性强、易加工、成本低、密度小、制动噪音低、对制动盘攻击性小等诸多优点，是性价比最为优异的摩擦材料。

中国专利CN1206080A披露了一种列车制动用无石棉盘形闸片及其制造工艺，其组分为热固性树脂、热塑性树脂、无机粘合剂、铁粉、金属氧化物、有机填料、无机填料、金属纤维等，上述组分通过混料机的混合、搅拌、然后经干燥处理再模压成型成制品。该摩擦材料具有摩擦系数高，性能稳定等特点，在高速制动下具有良好的耐热性和耐磨性，且对偶材料没有损伤现象。世界专利W08909889、DE4135389等所报道的列车用摩擦材料的增强剂也为各种纤维，其基体为热塑性/热固性酚醛树脂、橡胶或橡塑共混体系，并添加有硅酸盐等多种无机填料。上述摩擦材料的适用速度一般为时速160公里以内。

张东方（《铁道机车车辆》2004，24：64）报道了一种高速动车轮盘制动材料，这种材料的粘接剂为耐高温改性树脂和橡胶，含有合成铜粉、还原铁粉、三氧化二铝、碳化硅、石墨和钢纤维等；孙振亚（《非金属矿》2004，27：51）研究了纳米材料改性酚醛树脂合成闸片的摩擦性能，并报道了一种可用于时速160~200公里客车的高性能合成闸片（《铁道车辆》，2006，44：9），其组分主要有：纳米改性酚醛树脂、钢纤维和铁粉等金属材料、矿物增强纤维、石墨、重晶石、铝矾土等。

目前无论国内还是国外，列车制动用合成闸片的有机粘结剂均采用酚醛树脂或改性酚醛树脂。众所周知，酚醛树脂的固化反应为缩合反应，加工过程中会放出很多挥发性物质，制品中易于出现空洞，制动过程中闸片易于产生热衰退和热裂纹，存在灾难性的危险隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种品质优良、可避免产生热衰退和热裂纹的列车制动用摩擦材料及其制备方法。

本发明提供的列车制动用摩擦材料，由如下重量份数比例的原料制备而成：

改性酚醛树脂：20~24份；

乳胶粒改性剂：2~6份；

混杂纤维：16~38份；

摩擦性能调整剂：20~39份。

本发明中，所述的改性酚醛树脂可为双氰胺改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂、双马来酰胺改性酚醛树脂中的一种。

本发明中，所述的乳胶粒改性剂可为氯丁胶乳、丁苯胶乳、羧基丁腈胶乳、丁腈乳胶中的一种。

本发明中，所述的混杂纤维包括炭纤维、金属纤维和无机矿物纤维。其中金属纤维为纲纤维、铜纤维、紫铜纤维中的至少一种；无机矿物纤维为硅灰石纤维、海泡石纤维、岩棉、硅酸铝纤维中的至少一种。

本发明中，所述的摩擦性能调整剂由石墨、云母、炭黑、三氧化二铝、碳化硅、氧化亚铜、氧化钡、硅灰石、二氧化硅、氧化钙、硫化铜、二氧化锰、氟化钙中、硫酸钡、碳酸钙、铬铁矿粉、陶土、三氧化二铁、二氧化钛、还原铁粉、稀土矿粉、膨胀蛭石中的5~8种组成。

本发明还提供上述列车制动用摩擦材料的制备方法，具体步骤如下：

1）按上述重量份数比例称取原材料；

2）湿法混料：将称量好的乳胶粒改性剂加入改性酚醛树脂制备出复合改性酚醛树脂乳胶液，再将称量好的混杂纤维和摩擦性能调整剂加入复合改性酚醛树脂中，采用混料机，混合20~30min，得粉状混合物，在100±5℃下干燥1~2小时，得模压料；

3）模压成型：将上述模压料和金属附件（如钢背）放入模具中，在155±5℃温度和20~50MPa压力下保温保压2~3min/mm，模压成型，并趁热出模；

4）后处理：将模压成型制品在170±10℃下进行热处理40~120min，即得到混杂纤维增强摩擦材料制品。

上述制备方法得到的制品可应用于客货运列车、城市轨道交通或地铁制动系统中的刹车片、闸片、闸瓦中。

本发明克服现有酚醛树脂粘结剂的不足，采用含反应性基团的聚合物和乳胶粒复合改性的酚醛树脂为粘结剂，大分子链中的乳胶粒可提高酚醛树脂的韧性，含反应性基团聚合物使酚醛树脂的固化反应从缩合反应变成加成反应，可有效降低材料制备过程中挥发性物质的放出。本发明与现有技术相比，采用反应性聚合物和乳胶粒复合改性酚醛树脂为粘结剂，选用包括炭纤维、金属纤维、无机矿物纤维等的混杂纤维作为增强纤维，改善了闸片材料的成型加工性能，材料的成品率高，制品中无空洞，制动试验后工作表面无掉渣和龟裂现象。摩擦材料在不同制动速度下摩擦性能稳定，高速下无明显摩擦性能衰退现象，高温摩擦性能优异，对制动盘损伤小，制动盘表面无热裂纹。另外，该摩擦材料基体－复合改性酚醛树脂为水溶性乳液，采用湿法共混工艺混料制备模压料，混料过程中无粉尘污染，干燥过程中无有害挥发物产生，生产工艺为绿色环保工艺。

附图说明

图1. 瞬时摩擦系数－速度曲线（干燥条件，闸片压力：21 kN×2）。

图2. 瞬时摩擦系数－速度曲线（干，闸片压力：10.5 kN×2）。

图3. 瞬时摩擦系数－速度曲线（加水试验，闸片压力：21 kN×2）。

图4. (a) 瞬时摩擦系数－速度曲线（平均速度：60 km/h，闸片压力：6.0 kN×2），(b) 瞬时摩擦系数－速度曲线（平均速度：60 km/h，闸片压力：10.5 kN×2），(c) 静摩擦系数。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

1、称取原料，原料的重量份数比为：

环氧改性酚醛树脂：	22份
		羧基丁腈胶乳：	6份
混杂纤维：	炭纤维（12份）、海泡石纤维（10份）、钢纤维（15份）
		摩擦性能调整剂：	石墨（2份）、陶土（3份）、硫酸钡（10份）、硅灰石（5份）、三氧化二铝（2份）、铬铁矿粉（5份）、膨胀蛭石（3份）、二氧化硅（5份）

2、模压料的制备：将处理后的料加入复合改性酚醛树脂中，采用混料机，经过20~30min混合得粉状混合物，在100℃下干燥1小时，得模压料；

3、模压成型：将模压料和金属附件放入模具中，在155℃和压力30MPa下保温保压2.5min/mm，趁热出模；

4、后处理：将模压成型制品在170℃下进行热处理60min后，即可生产出列车制动用混杂纤维增强摩擦材料。

实施例2：

1、称取如下重量份数比的原料：

双马来酰胺改性酚醛树脂：	20份
		氯丁乳胶：	5份
混杂纤维：	炭纤维（10份）、硅酸铝纤维（8份）、海泡石纤维（8份）、钢纤维（12份）
		摩擦性能调整剂：	云母（3份）、炭黑（2份）、氧化钙（3份）、三氧化二铝（3份）、二氧化硅（8份）、硫酸钡（10份）、硅灰石（3份）、铬铁矿粉（3份）、膨胀蛭石（2份）

2、模压料的制备：将处理后的料加入改性酚醛树脂中，采用混料机，经过20~30min混合得粉状混合物，在95℃下干燥2小时，得模压料；

3、模压成型：将模压料和金属附件放入模具中，在160℃和压力30MPa下保温保压2.0 min/mm，趁热出模；

4、后处理：将模压成型制品在175℃下处理40 min后，即可生产出列车制动用混杂纤维增强摩擦材料。

经铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站测试，试制产品的制动距离、制动停车时间、表面温升、洒水试验、坡道调速试验、静摩擦试验等结果达到了铁道部《铁道车辆用合成闸片》（TB/T 3118-2005）规定的有关技术要求。

表1、表2给出了本发明制备的列车制动用混杂纤维增强复合改性树脂摩擦材料的性能与TB/T 3118-2005的指标要求对比，图1~4示出了实施例1试制产品的惯性力矩试验曲线。

表1. 试制产品的物理机械性能

	实施例1	实施例2	指标值
				密度, g/cm³	2.07	2.08	-
压缩强度, MPa	32	35	≥ 20
				压缩模量, GPa	0.5	0.6	< 1.0
冲击强度, kJ/m²	4.5	5.6	≥ 3.0
				洛式硬度 HRR	65	63	HRL 50-90
吸油率, %	0.5	0.5	≤ 1
				吸水率, %	0.5	0.8	≤ 2

表2. 1：1试制产品的惯性力矩试验结果

Figure 2011100877895100002DEST_PATH_IMAGE001

。

Claims

1.一种列车制动用混杂纤维增强摩擦材料，其特征在于由如下重量份数的原料制备而成：

改性酚醛树脂：20~24份；乳胶粒改性剂：2~6份；混杂纤维：16~38份；摩擦性能调整剂：20~39份。

2.如权利要求1所述的列车制动用混杂纤维增强摩擦材料，其特征在于：所述的改性酚醛树脂为双氰胺改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂、双马来酰胺改性酚醛树脂中的一种。

3.如权利要求1所述的列车制动用混杂纤维增强摩擦材料，其特征在于：所述的乳胶粒改性剂为氯丁胶乳、丁苯胶乳、丁腈乳胶、羧基丁腈胶乳中的一种。

4.如权利要求1所述的列车制动用混杂纤维增强摩擦材料，其特征在于：所述的混杂纤维包括炭纤维、金属纤维和无机矿物纤维，所述金属纤维为纲纤维、铜纤维、紫铜纤维中的至少一种，无机矿物纤维为硅灰石纤维、海泡石纤维、岩棉、硅酸铝纤维中的至少一种。

5.如权利要求1所述的列车制动用混杂纤维增强摩擦材料，其特征在于：所述的摩擦性能调整剂由石墨、云母、炭黑、三氧化二铝、碳化硅、氧化亚铜、氧化钡、硅灰石、二氧化硅、氧化钙、硫化铜、二氧化锰、氟化钙中、硫酸钡、碳酸钙、铬铁矿粉、陶土、三氧化二铁、二氧化钛、还原铁粉、稀土矿粉、膨胀蛭石中的5~8种组成。

6.如权利要求1所述的列车制动用混杂纤维增强摩擦材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

1）按权利要求1中所述重量份数称量原材料；

3）模压成型：将上述模压料和金属附件放入模具中，在155±5℃温度和20~50MPa压力下保温保压2~3min/mm，模压成型，并趁热出模；

4）后处理：将模压成型制品在170±10℃下热处理40~120min。