CN102329475A - 掺有罗布麻纤维的高环保型陶瓷轿车刹车片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷轿车刹车片，其配料组分包括改性酚醛树脂，陶瓷纤维，喷胶硅酸铝纤维，芳纶纤维，罗布麻纤维，紫铜纤维，石墨，六钛酸钾晶须和BaSO4。罗布麻在使用前要经过以下改性处理，将水浸泡过的罗布麻纤维放入NaOH溶液中碱处理，然后放入高压容器中保压处理，最后对罗布麻纤维的表面进行阻燃处理。本发明还提供一种陶瓷轿车刹车片的制备方法。掺有罗布麻纤维的轿车刹车片具有稳定的摩擦系数，耐高温，对偶磨损小，耐磨性好，耐腐蚀，热衰退性小，噪音小，舒适性好，对环境友好，是无石棉有机基刹车片理想的替代材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷轿车刹车片，特别是涉及一种掺有罗布麻纤维的高环保型陶瓷轿车刹车片及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展，汽车的普及率也越来越高，汽车作为一种主要的交通工具，一直以来给人们带来很多方便，在给人们带来便利的同时，我们不得不警惕交通事故给我们带来的危害，每年至少有两成的交通事故是因为刹车片失灵而造成的，这不得不使我们提高对刹车片质量的重视。当汽车在连续制动或紧急制动时，会因摩擦而产生大量的热，使刹车片温度高达600℃，甚至更高，这就对刹车片提出来更高的要求。
石棉刹车片是第一代汽车刹车片，主要采用石棉纤维作为摩擦材料，但是这种材料并不是一种环保的摩擦材料，医学界发现石棉材料是一种致癌物质，每一次刹车都会有数百万之多的石棉纤维散发到空气中，石棉纤维飘浮在空中，随着呼吸进入到肺部，并在肺部沉积，最终可能导致肺癌，这给人们的生命安全带来了很大的威胁，另一方面，石棉纤维的导热性差，刹车片升温快，这会导致刹车片性能的改变，同时会出现“刹车萎缩”的现象，当到达一定的温度后，就会导致刹车失灵。
半金属刹车片是继石棉刹车片后的第二代汽车刹车片，主要采用粗糙的钢纤维作为摩擦材料，半金属刹车片较石棉刹车片有了不少改进，但还是存在不少问题，在低温环境中，摩擦增大，刹车片对对偶的磨损加剧，同时会产生噪音。由于金属材料的导热性好，刹车片在刹车过程中产生的热量会较快的传导到刹车钳，活塞密封圈等零件上，会加速零件的老化，并且会使制动管路内的刹车油温度升高，甚至沸腾，严重影响制动的安全性，刹车片一直暴露在空气中，会接触到不同的行车环境，金属材料很容易被腐蚀，生锈。
无石棉有机基刹车片是第三代汽车刹车片，主要是使用混杂纤维(玻璃纤维，碳纤维，钢纤维，硅酸纤维，陶瓷纤维等)作为增强材料，不可否认无石棉有机基刹车片在诸多方面已经超越了石棉纤维刹车片，在使用时对对偶的磨损小，但是由于无石棉有机基刹车片采用树脂作为粘结剂，在长时间连续制动或者紧急制动时，产生的高温会使树脂产生热分解，使其粘结作用降低，磨损加剧，导致刹车片的使用寿命降低，在高速制动时，轮子容易抖动，甚至发生制动失效的情况。在我国九十年代开始，纤维素纤维就应用于摩擦材料，但是当时所有的设备和原材料都是从国外进口，价格昂贵。
罗布麻分布在中国淮河、秦岭、昆仑山以北各省(自治区)，资源丰富。罗布麻属于天然织物纤维，成本较低，热分解时不产生有害气体，对环境友好。
发明内容
本发明的第一个目的是，针对现有刹车片的缺点而提供的一种耐腐蚀，热衰退性小，对偶磨损小，噪音小，舒适性好的掺有罗布麻纤维的环保型陶瓷轿车刹车片。
本发明的第二个目的是提供一种效率高，产品质量稳定，生产周期短的掺有罗布麻纤维的环保型陶瓷轿车刹车片的制备工艺。
本发明提供一种陶瓷轿车刹车片，其配料组分包括改性酚醛树脂，陶瓷纤维，喷胶硅酸铝纤维，芳纶纤维，罗布麻纤维，紫铜纤维，石墨，六钛酸钾晶须和BaSO4。
掺有罗布麻纤维的环保型陶瓷轿车刹车片基体的选用，在过去的刹车片生产中，大都选用耐热性和耐磨性都不高的普通酚醛树脂(如2123#)作为基体，生产石棉材质的刹车片，随着汽车工业的飞速发展，车速也随着提高，对刹车片的要求也就更高，普通酚醛树脂已经不能满足制动要求，普通酚醛树脂在200℃以下可以保持稳定状态，当温度超过200℃，酚醛树脂就会发生氧化，性能变得不稳定，温度超过350℃时，酚醛树脂就会发生热分解，就会失去原有的性能，并且普通的酚醛树脂脆性大，韧性差，，强度低，刹车时容易发出较大的噪音。
本发明专利选用的是桐油改性酚醛树脂，经过桐油改性的酚醛树脂，硬度降低，韧性提高，耐热性也有所提高，热分解活性较未改性提升约70％，普通酚醛树脂和改性后的酚醛树脂的力学性能对照表如表1所示。
表1
| 力学性能 | 剪切强度(MPa) | 冲击强度(KJ·m-2) | 洛氏硬度(HRR) |
| 普通酚醛树脂 | 9.7 | 73.4 | 118.2 |
| 桐油改性酚醛树脂 | 14.8 | 108.3 | 121.5 |
增强纤维对刹车片起着至关重要的作用，是刹车片的骨架，增强刹车片的机械性能，刹车片在生产加工过程中，要承受产品在磨削和铆接的加工负荷，以及在汽车制动过程中产生的冲击力，压力，剪切力等。传统的刹车片的增强纤维材料大都采用金属纤维，有机增强纤维，无机矿物增强纤维。
金属增强纤维，最常添加的金属纤维材料是钢纤维，虽然钢纤维具有优良的抗热衰退性，但是钢纤维存在着很多缺点，如易锈蚀，在制动过程中产生噪音，容易伤对偶，所以本刹车片中没有选用钢纤维作为增强材料。紫铜纤维具有金属单质铜的硬度，耐磨损，导热性好等优点，在刹车片中添加紫铜纤维可以提高摩擦系数的稳定性，降低磨损率的作用，经试验表明，高温软化的紫铜纤维可以对在刹车过程中损失的粘合剂起到一定的补偿作用。
有机增强纤维，本发明选用的有机纤维是芳纶纤维，芳纶纤维的突出优点在于气具有很好的热稳定性，当温度达到500℃时，才发生热分解，并且芳纶纤维的密度比石棉纤维的小，将芳纶纤维切断成短纤维，经过研磨原纤化，使其表面呈蓬松的毛羽状，纤维表面积增大，经过处理后的纤维具有很好的吸附性。在使用过程中，芳纶纤维呈现出摩擦系数稳定，磨损率低，强度好的特性，但是由于芳纶纤维的价格昂贵，本发明中加入2％的芳纶纤维作为增强材料。
无机矿物质增强纤维，本发明中采用的无机矿物质增强纤维有陶瓷纤维和喷胶硅酸铝纤维，陶瓷纤维具有低导热率、热稳定性好、熔点高、密度低等优点，试验表明在刹车片中加入陶瓷纤维，刹车片的抗热衰退性能明显增强，即使在温度较高的情况下，也能保持良好的摩擦系数。喷胶硅酸铝纤维是由硅酸铝矿物质经过粉碎、高温熔化、喷丝、涂胶和短切等加工而成的短纤维，喷胶硅酸铝纤维较玻璃纤维的价格低，节约成本，加入后可以降低摩擦噪音，由于经过喷胶处理，所以刹车片的耐磨性得以提高，硅酸铝纤维具有较高的熔点，高温是仍能保持自身的摩擦性能，从而提高刹车片的热稳定性。
本发明采用的有机增强纤维还包括罗布麻纤维，罗布麻在使用前要经过以下改性处理，将水浸泡过的罗布麻纤维放入NaOH溶液中碱处理，然后放入高压容器中保压处理，最后对罗布麻纤维的表面进行阻燃处理。
具体为：
(1)将罗布麻纤维放入水温26℃的容器中浸泡15h，取出后对罗布麻纤维脱水处理；
(2)将水处理后的罗布麻纤维放到质量浓度为16％的NaOH碱溶液中，在26℃的温度下搅拌4小时，然后将罗布麻纤维放入质量浓度为4％的醋酸溶液中对残留在纤维表面的碱液进行中和；
(3)将碱处理后的罗布麻纤维放入密封的保温保压容器中进行保压处理，保压压力为2.5～3MPa，保压时间为80～180s；
(4)向冷却缸中通入液氮，使保温保压容器迅速降温，然后迅速打开保温保压容器，依靠温度的剧变和容器内外的压力差实现罗布麻纤维的改性处理；
(5)进行罗布麻纤维表面的阻燃处理。
步骤(1)中，水位刚没过罗布麻纤维为宜；步骤(2)中，碱溶液刚没过罗布麻纤维为宜。
罗布麻纤维经过加压和瞬间释压的改性处理后，由于纤维受到膨胀作用，纤维内部结晶区遭到破坏，纤维的非结晶区域有所增加，进而使纤维抗拉强度增加，硬度降低，另一方面，经过处理的纤维内部结构发生变化，纤维大分子链上游离出更多的亲水性基团，提高了纤维的耐磨性，耐热性，杨氏模量也在一定程度上得到改善，杨氏模量是表征纤维材料在弹性变形阶段，其应力和应变的比值，比表面积增大，吸附性得到改善。通过改性后的罗布麻纤维基本符合了作为刹车片纤维增强材料的要求。
摩擦性能调节剂，通过添加摩擦性能调节剂，可以改善刹车片的摩擦性能，机械性能、物理性能和制动噪音，能有效的提高摩擦系数的稳定性，增强摩擦材料的抗热衰退性，可以减少对对偶的磨损，同时提高刹车片的安全性和舒适性。摩擦性能调节剂又称为填料，主要有两大类，一类是无机填料，另一类是有机填料。摩擦性能调节剂按照作用不同又可分为润滑剂和研磨剂两类，润滑剂的莫氏硬度一般低于2，研磨剂的莫氏硬度一般在3～9之间。增加润滑剂的含量可以提高刹车片摩擦材料摩擦系数的稳定性，增加研磨剂的含量可以提高刹车片摩擦材料摩擦系数，但同时也会增加对对偶的磨损。
本发明专利中使用的摩擦性能调节剂为石墨，六钛酸钾晶须，BaSO4。
石墨属于润滑剂，本发明选用的为80目和200目的石墨按照5∶2比例混合，若单独使用80目的石墨会加大对对偶的磨损，所以采用两种不同规格的石墨混合来调节，但细石墨加入也不宜过多，否则会导致刹车片自身磨损加剧。
六钛酸钾晶须具有高温吸音性能、反射红外线、优良的防腐性能，导热系数较低，具有负温度系数，与无机和有机类材料都有很好的相容性，并且无毒，不会对环境和人类造成危害，在刹车片的材料中添加六钛酸钾晶须，能够提高摩擦系数的稳定性，由于六钛酸钾晶须具有红外反射和低热传导率的性能，在制动过程中产生的热量多以红外形式释放，所以六钛酸钾晶须可以保证刹车片大部分被刹车片不会因为温度过高而造成刹车失效。同时，由于六钛酸钾晶须具有高温吸音性能，可以在一定程度上减少制动噪音。
BaSO4化学性质稳定，熔点高，在刹车片材料中加入BaSO4可以提高摩擦材料的热稳定性，增强刹车片的抗热衰退性，同时可以提高材料密度。
上述配料组分的质量百分比为：
改性酚醛树脂：9-12％，
陶瓷纤维：15-16％，
喷胶硅酸铝纤维：13-16％，
芳纶纤维：2％，
罗布麻纤维：8-9％，
紫铜纤维：8-9％，
石墨：11-13％，
六钛酸钾晶须：15-16％，
BaSO4：12-14％。
所述酚醛树脂经过桐油改性。
所述石墨由80目和200目的石墨按5∶2的质量比例混合而成。
本发明还提供一种陶瓷轿车刹车片的制备方法，包括以下步骤，
(1)配料混料：按照上述所述比例将各组分在自动配料系统中进行配料，选用计算机控制系统自动实现加料，计量，排料，混料；
(2)热压，采用的是一次成型工艺，设备是四柱压机，压力设定值为200～500kg/cm2，热压温度为150～170℃，热压时间为8～10分钟；
(3)热处理，将热压好的刹车片送到保温炉中进行热处理，炉温保持在140～200℃，保温时间10h，然后随炉温冷却；
(4)将热处理后的刹车片进行磨削处理，磨削设备采用圆盘磨，磨削设备的转速为30～40转/分；
(5)喷码包装，将加工好的刹车片进行喷码，喷码完成后进行包装入库。
掺有罗布麻纤维的轿车刹车片具有稳定的摩擦系数，耐高温，对偶磨损小，耐磨性好，耐腐蚀，热衰退性小，噪音小，舒适性好，对环境友好，是无石棉有机基刹车片理想的替代材料。
具体实施方式
掺有罗布麻纤维的环保型陶瓷轿车刹车片的主要组分如下：桐油改性酚醛树脂，陶瓷纤维，喷胶硅酸铝纤维，芳纶纤维，罗布麻纤维，紫铜纤维，石墨，六钛酸钾晶须，BaSO4。
实施例1：
配方1：
| 名称 | 比例 |
| 桐油改性酚醛树脂 | 9％ |
| 陶瓷纤维 | 15％ |
| 喷胶硅酸铝纤维 | 16％ |
| 芳纶纤维 | 2％ |
| 罗布麻纤维 | 9％ |
| 紫铜纤维 | 9％ |
| 石墨 | 13％ |
| 六钛酸钾晶须 | 15％ |
| BaSO4 | 12％ |
使用配方1的工艺流程：
(1)配料，混料，按照配方1的比例，采用无锡协力自动化设备有限公司摩擦材料全自动配料计算机控制系统进行配料和混料；
(2)热压，本发明采用的是一次成型工艺，设备是四柱压机，压力设定值为500kg/cm2，热压温度为160℃，热压时间为8分钟；
(3)热处理，将热压好的刹车片送到保温炉中进行热处理，炉温保持在190℃，保温时间10h，然后随炉温冷却；
(4)将热处理后的刹车片进行磨削处理，磨削设备采用圆盘磨，磨削设备的转速为40转/分；
(5)喷码包装，将加工好的刹车片进行喷码，喷码完成后进行包装入库。
实施例2：
配方2：
| 名称 | 比例 |
| 桐油改性酚醛树脂 | 12％ |
| 陶瓷纤维 | 16％ |
| 喷胶硅酸铝纤维 | 13％ |
| 芳纶纤维 | 2％ |
| 罗布麻纤维 | 8％ |
| 紫铜纤维 | 8％ |
| 石墨 | 11％ |
| 六钛酸钾晶须 | 16％ |
| BaSO4 | 14％ |
使用配方2的工艺流程：
(1)配料，混料，按照配方2的比例，采用无锡协力自动化设备有限公司摩擦材料全自动配料计算机控制系统进行配料和混料；
(2)热压，本发明采用的是一次成型工艺，设备是四柱压机，压力设定值为400kg/cm2，热压温度为170℃，热压时间为9分钟；
(3)热处理，将热压好的刹车片送到保温炉中进行热处理，炉温保持在180℃，保温时间10h，然后随炉温冷却；
(4)将热处理后的刹车片进行磨削处理，磨削设备采用圆盘磨，磨削设备的转速为30转/分；
(5)喷码包装，将加工好的刹车片进行喷码，喷码完成后进行包装入库。
Claims (6)
1.一种陶瓷轿车刹车片，其特征在于，所述刹车片的配料组分包括改性酚醛树脂，陶瓷纤维，喷胶硅酸铝纤维，芳纶纤维，罗布麻纤维，紫铜纤维，石墨，六钛酸钾晶须和BaSO4，其中，罗布麻纤维经过改性处理，步骤为：
(1)将罗布麻纤维放入水温26℃的容器中浸泡15h，取出后对罗布麻纤维脱水处理；
(2)将水处理后的罗布麻纤维放到质量浓度为16％的NaOH碱溶液中，在26℃的温度下搅拌4小时，然后将罗布麻纤维放入质量浓度为4％的醋酸溶液中对残留在纤维表面的碱液进行中和；
(3)将碱处理后的罗布麻纤维放入密封的保温保压容器中进行保压处理，保压压力为2.5～3MPa，保压时间为80～180s；
(4)向冷却缸中通入液氮，使保温保压容器迅速降温，然后迅速打开保温保压容器，依靠温度的剧变和容器内外的压力差实现罗布麻纤维的改性处理；
(5)进行罗布麻纤维表面的阻燃处理。
2.如权利要求1所述的陶瓷轿车刹车片，其特征在于，步骤(1)中，水位刚没过罗布麻纤维；步骤(2)中，碱溶液刚没过罗布麻纤维。
3.如权利要求1-2任一所述的陶瓷轿车刹车片，其特征在于，上述配料组分的质量百分比为：
改性酚醛树脂：9-12％，
陶瓷纤维：15-16％，
喷胶硅酸铝纤维：13-16％，
芳纶纤维：2％，
罗布麻纤维：8-9％，
紫铜纤维：8-9％，
石墨：11-13％，
六钛酸钾晶须：15-16％，
BaSO4：12-14％。
4.如权利要求3所述的陶瓷轿车刹车片，其特征在于，所述酚醛树脂经过桐油改性。
5.如权利要求4所述的陶瓷轿车刹车片，其特征在于，所述石墨由80目和200目的石墨按5∶2的质量比例混合而成。
6.如权利要求1-5所述的陶瓷轿车刹车片的制备方法，包括以下步骤，
(1)配料混料：按照权利要求4所述比例将各组分在自动配料系统中进行配料，选用计算机控制系统自动实现加料，计量，排料，混料；
(2)热压，采用的是一次成型工艺，设备是四柱压机，压力设定值为200～500kg/cm2，热压温度为150～170℃，热压时间为8～10分钟；
(3)热处理，将热压好的刹车片送到保温炉中进行热处理，炉温保持在140～200℃，保温时间10h，然后随炉温冷却；
(4)将热处理后的刹车片进行磨削处理，磨削设备采用圆盘磨，磨削设备的转速为30～40转/分；
(5)喷码包装，将加工好的刹车片进行喷码，喷码完成后进行包装入库。
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