CN102408671A - 一种渗入汉麻纤维的轿车刹车片及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渗入了改性汉麻纤维的无石棉有机基的轿车刹车片，该刹车片具有摩擦系数稳定、抗热衰退性强、磨损率小、振动噪音小、成本低、环境友好等特点。所述汉麻纤维经过微波-超声波-激光联合处理，微波处理前还经过了碱处理，在保持汉麻纤维优点的基础上增大其柔韧性，提高摩擦性能和耐热性，改善其粘结性。本发明还提供了轿车刹车片的制备工艺。

Description

一种渗入汉麻纤维的轿车刹车片及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种轿车刹车片及其制备工艺，特别是涉及一种渗入改性汉麻纤维的无石棉有机基的轿车刹车片及其制备工艺。

背景技术

目前开发出的新型汽车刹车片摩擦材料主要有半金属摩擦材料、复合纤维材料以及粉末冶金材料等。由于石棉刹车片在制动过程中产生的磨削微粒和石棉粉尘有很强的致癌作用，因此，20世纪70年代开始许多国家开始禁止生产和使用石棉纤维制品。我国于2003年10月1日起全面禁用石棉刹车片。开发无石棉摩擦材料是当务之急。石棉纤维的替代材料包括钢纤维、玻璃纤维、芳纶、矿物纤维、陶瓷纤维、碳纤维、植物纤维等。

钢纤维增强摩擦材料虽然具有摩擦系数平稳、300～500℃时摩擦系数衰退较小、高温磨损小、可压缩性低等优点，但其含量过高时会引发锈蚀，导致摩擦性能变差，同时会损伤对偶件，引起制动尖叫和振颤。玻璃纤维增强摩擦材料对载荷、滑动速度及制动温度等因素反应较敏感，在重载、高速及高温下，摩擦系数变化明显、不稳定。玻璃纤维硬度过高(HB50以上)，磨损比石棉摩擦材料大一倍以上，易损伤对偶件。当温度在800℃以上时玻璃纤维易形成玻璃珠，导致摩擦性能不稳定。陶瓷纤维成本太高，混合时易损坏，纤维长短不匀。复合纤维材料成本高。

近几年随着自然资源的日益紧张、人们消费观念的转变和科技的不断进步，人们越来越重视对自然资源的综合利用，更加关注天然植物纤维的开发。采用天然纤维作为汽车刹车片的增强纤维是诸多发明创造中最显著的技术。

汉麻，又称大麻，是人类最早利用的纺织纤维之一。我国是世界上最早种植汉麻的国家，汉麻的产量约占世界总产量的三分之一，居世界首位。汉麻是一种生态环保、可再生的多用途植物。汉麻纤维，素有“天然纤维之王”的美誉，具有吸湿快、耐日晒牢度高、耐热性好、防霉、抑菌、防紫外线、吸波、吸音、绝缘性好等性能。因此，利用汉麻纤维作为增强材料来开发摩擦材料是新的研究方向。

然而所有天然纤维，包括汉麻纤维在内都或多或少存在诸多缺陷，比如纤维硬脆、摩擦性能差、耐热性不好、相容性差等，直接影响到替代石棉的进度。因此，天然纤维要作为良好的石棉替代品，必须经过改性预处理克服其缺陷，使其在摩擦性、热稳定性、柔韧性等方面都具有超越石棉的特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种渗入了改性汉麻纤维的无石棉有机基的轿车刹车片，该刹车片具有摩擦系数稳定、抗热衰退性强、磨损率小、振动噪音小、成本低、环境友好等特点。

本发明提供的轿车刹车片的配料组分包括改性酚醛树脂，汉麻纤维，碳纤维，玄武岩纤维，云母，石墨，二硫化钼，氧化铝，氧化铁，硫酸钡和碳酸钙。

所述汉麻纤维经过微波-超声波-激光联合处理，其中，

微波处理：在自动流水线的传送带上方间隔放置多个微波管，传送带以36m/h的速率传送汉麻纤维，使汉麻纤维受到热处理；

超声波处理：将经过微波处理的汉麻纤维置于超声波浴槽中，先在频率为28kHz时处理3h，再将频率转换为38kHz处理2h；

激光处理：将经超声波处理的汉麻纤维烘干，置于固定导轨上，采用准分子激光器进行照射，增大纤维表面的粗糙度，每间隔一定时间翻动汉麻纤维，使汉麻纤维表面受到均匀的激光作用。

在微波处理前，优选将汉麻纤维置于6％的NaOH溶液中，恒温浸泡3h，温度为70℃，并进行搅拌，搅拌器每间隔2s变换一次旋转方向。

所述刹车片的配料组分的最佳质量百分比为：

改性酚醛树脂：10％，

汉麻纤维：8％，

碳纤维：10％，

玄武岩纤维：10％，

云母：10％，

石墨：12％，

二硫化钼：7％，

氧化铝：4％，

氧化铁：5％，

硫酸钡：10％，以及

碳酸钙：14％。

所述酚醛树脂经过腰果壳油和丁腈橡胶改性，细度为200目，游离酚含量低于2.5％，150℃下的固化时间为30-50s。

本发明还提供轿车刹车片的制备工艺，包括以下步骤：

配料：根据权利要求1-5所述的配料组分按比例进行称量；

混料：将称量好的各组分投入混料机，不超过混料机容积的二分之一，混料时间为30min；

热压：压制压力200-250kg/cm²，模具温度为150-170℃，上模温度高于下模温度5～10℃，并在模具接触原料的部位喷洒脱模剂，合模加压，在50～65s内排气3～5次，然后闭模保压，保压时间根据刹车片的厚度而定；

热处理：将压制好的刹车片送入温度为150-160℃的热处理炉中进行热处理，保温6-8h，然后在炉内冷却至室温。

热处理后的刹车片用刀具对周边的溢料和毛刺进行处理，并根据技术要求进行钻孔，磨削内弧、外弧及倒角。

本发明采用的汉麻纤维具备环保、消音、摩擦性能稳定、成本低等优点，还通过物理法处理以改善其硬脆、摩擦系数低、相容性差等缺点，因此，采用微波-超声波-激光联合处理正是为了在保持汉麻纤维优点的基础上增大其柔韧性，提高摩擦性能和耐热性，改善其粘结性。

附图说明

图1为处理改性汉麻纤维的搅拌器；

图2为处理改性汉麻纤维的微波自动流水线；

图3为处理改性汉麻纤维的超声波装置；

图4为处理改性汉麻纤维的激光处理装置；

其中，1、搅拌电动机；2、搅拌叶片；3、容器；4、微波管；5、微波支撑架；6、汉麻纤维；7、传送带；8、超声波发生器；9、超声波发生器电路；10、程控可移动支撑架；11、激光器；12、固定导轨；13、激光器控制电路。

具体实施方式

本发明所用的汉麻纤维应具备环保、消音、摩擦性能稳定、成本低等优点，还需要通过物理法处理以改善其硬脆、摩擦系数低、相容性差等缺点，因此，采用微波-超声波-激光联合处理正是为了在保持汉麻纤维优点的基础上增大其柔韧性，提高摩擦性能和耐热性，改善其粘结性。

微波-超声波-激光联合处理法的工艺流程及参数如下：

碱处理：首先将汉麻纤维置于6％的NaOH溶液中在温度为70℃时恒温浸泡3h，浴比为1∶20，并用搅拌器搅拌，搅拌器每间隔2s变换一次旋转方向。其装置如图1所示。搅拌电动机1为附有变频器为2KW的交流电动机，搅拌叶片选用一个铝合金框架，容器3每次可处理5Kg汉麻纤维。

微波处理：在微波自动流水线上每间隔2m放置一台功率为1KW的微波管4，频率为2450MHz，微波管4距液面15cm，传送带4的速率36m/h，处理时间20min，浴比1∶20，11.25Kg汉麻纤维，225Kg水。设备型号：FT-100S；电源输入：三相380±10％，50Hz；输出微波功率：100KW，功率可调；频率：2450MHz±50MHz；传输速度：1～10m/min(变频调速)。本发明中采用的微波处理器产地为广州福滔微波设备有限公司。微波自动流水线结构简图见图2所示。

超声波处理：将经过微波处理后的汉麻纤维置于超声波浴槽中，水温为60℃，浴比1∶30，16.67Kg汉麻纤维，500Kg水，超声波功率为500W，先在频率为28KHZ时处理3h，再将频率转换为38KHZ处理2h。超声波发生器如图3所示。

激光处理：将经超声波处理后的汉麻纤维烘干，置于固定导轨3上，采用中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的准分子激光器进行处理，增大纤维表面的粗糙度，每间隔一定的时间翻动纤维，使纤维表面受到均匀的激光作用。工作气体为波长193nm的ArF，激光单脉冲能量范围：100mJ～500mJ；输出功率范围：100W；重复频率：0～300Hz。准分子激光属于冷激光，无热效应，方向性强，波长纯度高，输出功率大，波长越短越易被吸收。激光处理装置结构简图见图4所示。

以上三种物理改性的作用分别如下：

1.微波处理是利用微波技术加热汉麻纤维，纤维吸收微波能量转化为热能，在微波电磁场高速变化作用下，纤维中的极性分子随着交变的微波场不断改变排列方向，克服分子原有的热运动与分子间相互作用力的干扰和阻碍，产生类似摩擦的效应使纤维内部发热，从而可以在较短的时间内均匀有效地加热物质，为汉麻纤维脱胶做准备。然而，热效应并不是微波处理汉麻纤维的最为追求的目的。最重要的是，微波处理可以使汉麻纤维的表层跟内部高度一致，可以对汉麻纤维束中单纤维集合处的胶体进行深入细致地热处理。胶体受到热的作用后，发生膨胀、松动等物理变化，并伴随着诸多化学反应，提高了汉麻纤维的柔韧性及耐热性。热效应引发的系列物理化学反应使汉麻纤维初步被整理，对下一步的物理处理是有益的。

2.超声波处理是利用超声波在液体中所特有的一系列效应，将胶质从汉麻纤维中剥离，达到去除胶质，提取纤维的目的。

纤维表面有很多类型的胶体、粘结物，凸出在纤维表面，这些附着物在碱处理的过程中已被除去大半，但是碱处理是化学处理法，其去除胶体的过程是由胶体的最外层逐渐向内反应的，对于紧贴在纤维上的胶体无能为力，对于单纤维之间的胶体更是难以触及。然而，高强度超声波在液体中传播时，能够产生能量的激化和突发，即超声空化效应，超声波空化泡在破裂瞬间产生强大的冲击波，对浸在液体内部的固体物质表面形成强大的冲击与破坏。根据超声波的空化效应理论，空化泡可以轰击每一丝缝隙，使粘附在纤维表面的胶体能被完全去除，应用超声波的空化效应除去汉麻纤维表面的胶体是十分有效的。然而，由于不同频率的超声波产生不同微尺寸的空化泡，在更狭窄的缝隙中需要相应尺寸的空化泡，这就是为什么首先采用28KHz的超声波处理再采用38KHz的超声波处理的原因所在。由于28KHz的超声波要担当去除绝大部分的胶体的重任，所以处理时间要长于38KHz的超声波的作用时间。脱胶之后的汉麻纤维具有较高的杨氏模量，表现出优异的耐磨性、耐热性。

3.激光处理是利用准分子激光无热效应、方向性强、波长纯度高的特点，在汉麻纤维表面形成有序排列的深浅不同的剥蚀，增大纤维表面的粗糙度，进而增加摩擦材料的耐磨性，同时也增加了汉麻纤维的抱合力和粘结性。

刹车片最佳配方组合见表1所示。

表1刹车片最佳配方

配方中所用的粘结剂为改性酚醛树脂，增强纤维为汉麻纤维、碳纤维、玄武岩纤维，调节剂为氧化铝、氧化铁、石墨、云母、二硫化钼，填料为硫酸钡、碳酸钙。

改性酚醛树脂经腰果壳油和丁腈橡胶改性，细度为200目，游离酚含量低于2.5％，固化时间为30～50s(150℃)，流动距离(125℃)为35～70mm。

汉麻纤维聚合度较小，中腔大，纵向有裂隙和孔洞，并与中腔相连，吸湿透气性好，消音吸波。汉麻纤维在温度不大于240℃，时间小于5min条件下进行热处理，其强力保持率在80％以上，热衰退性较好。汉麻纤维强度较苎麻、亚麻、棉纤维高，杨氏模量较苎麻低较亚麻高，摩擦系数较苎麻低较亚麻、棉高。

玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)等高技术纤维相比，除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外，玄武岩纤维还具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料。

制备步骤如下：

1.配料：根据配方所设计的原料规格、型号和比例进行称量，可由人工完成也可通过自动配料完成。重量小于5Kg的原料用5Kg/1g的电子称称量，各组分的称量精度为±30g。

2.混料：选用犁耙式混料机，将称量好的各组分依次投入混料机，不超过混料机容积的二分之一为宜。混料时间为30min。混料机带有冷却夹层，是否需要冷却视混料机的温升情况而定。

3.热压：压制压力200～250Kg/cm2，模具温度为150～170℃，上模温度高于下模温度5～10℃，并在模具接触原料的部位喷洒脱模剂，合模加压，在50～65s内排气3～5次，然后闭模保压，保压时间根据刹车片的厚度而定。

4.热处理：将压制好的刹车片送入温度为150～160℃的热处理炉中进行热处理，保温6～8h，然后在炉内冷却至室温。

5.将热处理后的刹车片用刀具对周边的溢料和毛刺进行处理，根据技术要求进行钻孔，磨削内弧、外弧及倒角，喷漆，印标，检验。

我国有着丰富的汉麻纤维资源，将汉麻纤维充分应用于刹车片中是经过多年试验的重要项目。应用物理法对汉麻纤维进行改性，使其达到理想的性能是本发明的设计要点。

与汉麻纤维适配的刹车片配方组分也是经过多种不同组合，上实验台试验而得出的一个与汉麻纤维最为适配的配方组分。

Claims (6)

1.一种轿车刹车片，其特征在于，所述刹车片的配料组分包括改性酚醛树脂，汉麻纤维，碳纤维，玄武岩纤维，云母，石墨，二硫化钼，氧化铝，氧化铁，硫酸钡和碳酸钙，所述汉麻纤维经过微波-超声波-激光联合处理，其中，

微波处理：在自动流水线的传送带上方间隔放置多个微波管，传送带以36m/h的速率传送汉麻纤维，使汉麻纤维受到热处理；

超声波处理：将经过微波处理的汉麻纤维置于超声波浴槽中，先在频率为28kHz时处理3h，再将频率转换为38kHz处理2h；

激光处理：将经超声波处理的汉麻纤维烘干，置于固定导轨上，采用准分子激光器进行照射，增大纤维表面的粗糙度，每间隔一定时间翻动汉麻纤维，使汉麻纤维表面受到均匀的激光作用。

2.如权利要求1所述的轿车刹车片，其特征在于，在微波处理前，将汉麻纤维置于6％的NaOH溶液中，恒温浸泡3h，温度为70℃，并进行搅拌，搅拌器每间隔2s变换一次旋转方向。

3.如权利要求1-2任一所述的轿车刹车片，其特征在于，所述刹车片的配料组分的质量百分比为：

改性酚醛树脂：10％，

汉麻纤维：8％，

碳纤维：10％，

玄武岩纤维：10％， 

云母：10％，

石墨：12％，

二硫化钼：7％，

氧化铝：4％，

氧化铁：5％，

硫酸钡：10％，以及

碳酸钙：14％。

4.如权利要求3所述的轿车刹车片，其特征在于，所述酚醛树脂经过腰果壳油和丁腈橡胶改性，细度为200目，游离酚含量低于2.5％，150℃下的固化时间为30-50s。

5.如权利要求1-4所述的轿车刹车片的制备方法，包括以下步骤：

配料：根据权利要求4所述的配料组分按比例进行称量；

混料：将称量好的各组分投入混料机，不超过混料机容积的二分之一，混料时间为30min；

热压：压制压力200-250kg/cm²，模具温度为150-170℃，上模温度高于下模温度5～10℃，并在模具接触原料的部位喷洒脱模剂，合模加压，在50～65s内排气3～5次，然后闭模保压，保压时间根据刹车片的厚度而定；

热处理：将压制好的刹车片送入温度为150-160℃的热处理炉中进行热处理，保温6-8h，然后在炉内冷却至室温。

6.如权利要求5所述的轿车刹车片的制备方法，热处理后的刹车片用刀具对周边的溢料和毛刺进行处理，并根据技术要求进行钻孔，磨削内弧、 

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