CN102864678B

CN102864678B - 一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102864678B
Application number: CN201210277035.0A
Authority: CN
Inventors: 费杰; 黄剑锋; 王洪坤; 曹丽云; 李翠艳; 欧阳海波; 王文静; 卢靖
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2032-08-06
Also published as: CN102864678A

Abstract

本发明提供一种碳纤维粉改性湿式纸基摩擦材料及其制备方法，通过在配方体系中引入碳纤维粉作为增强体，提高其含量，制备出孔径分布范围窄，均匀性良好的纸基摩擦材料。所制备的湿式纸基摩擦材料的孔径分布在0-200μm之间，摩擦材料的均匀性好。动摩擦系数在0.125-0.137之间，动摩擦系数随压力的增加略有降低，其稳定系数达到95%以上，磨损率由现有技术的5.0×10^-8cm³/J降低到1.25×10^-8cm³/J以下，仅为现有碳纤维增强纸基摩擦材料的25%左右。

Description

一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明属于湿式摩擦材料领域，特别涉及碳纤维粉改性纸基摩擦材料及其制备方法。

背景技术

纸基摩擦材料是一种采用造纸工艺制备的复合材料，工作于润滑油、润滑脂等润滑介质中的湿式摩擦材料，用于实现装置系统的传扭制动功能，主要应用于汽车自动变速器、同步器、差速器以及其它湿式离合器中。

作为装置系统中实现传扭制动的主要功能元件，该类摩擦材料需要适应压力速度的大范围变化以及润滑油的高温浸蚀等苛刻工况条件，因此要求摩擦材料在外界条件变化时具有适中稳定的摩擦系数以及较低的磨损率，以提高材料的使用寿命。

文献1专利号是ZL03114475.6的中国专利公开一种碳纤维增强纸基摩擦材料的制备方法。其原材料质量百分比如下：碳纤维5～35%，Kevlar纤维2～15%，重晶石3～20%，高岭土7～15%，二硫化钼1～10%，三氧化二铝2～15%，石墨粉2～25%，酚醛树脂2～15％，腰果壳油改性酚醛树脂25～55%。采用打浆、成型、烘干、浸渍、热压以及机加工等步骤制备而成。以短切碳纤维为增强纤维的纸基摩擦材料，其动摩擦系数在0.13-0.15之间，静摩擦系数在0.15-0.17之间，磨损率小于5×10^-8cm³/J。该专利中所采用碳纤维的长度为3-8mm，碳纤维最高含量为35%，但是当碳纤维含量较高时纤维之间易团聚，分散性不好。进一步的研究表明（文献2论文“增强纤维对纸基摩擦材料性能的影响”）由于该类摩擦材料采用的碳纤维较长，纤维之间桥联搭接，形成的孔隙直径分布在0-500μm之间，范围较大，材料的均匀性较差，导致该类摩擦材料的动摩擦系数随着制动压力增加降低幅度较大，其动摩擦系数的稳定系数在92%左右，磨损略高。

发明内容

为了克服现有碳纤维增强纸基摩擦材料均匀性差、摩擦系数随外界工况变化较大，磨损率略高的缺点。本发明提供一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料及其制备方法，通过在配方体系中引入碳纤维粉作为增强体，提高其含量，制备出孔径分布范围窄，均匀性良好的纸基摩擦材料。该纸基摩擦材料的动摩擦系数受工况条件影响小，并且该材料的耐磨性能比现有纸基摩擦材料大为提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料的制备方法，首先将碳纤维粉、芳纶纤维和填料在水溶液中搅拌混合均匀，然后采用纸样抄取系统成型摩擦材料的预制体；接着，将改性酚醛树脂溶于乙醇溶剂中形成酚醛树脂乙醇溶液后，浸渍于摩擦材料的预制体中，待溶剂挥发烘干后，采用硫化机热压固化获得碳纤维粉改性纸基摩擦材料，其中，所述碳纤维粉、芳纶纤维、改性酚醛树脂和填料按照质量百分比分别为：50~68%，2~5%，20~30%，10~20%，其中，所述碳纤维粉为微米级。

所述硫化机热压固化的温度为160~175℃，压力为5.1~10MPa；

所述碳纤维粉首先采用质量浓度为10%的十二烷基苯磺酸钠将微米级碳纤维进行浸泡预处理12小时，使碳纤维表面带阴离子；

一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料，主要由质量百分比为50～68%的碳纤维粉、质量百分比为2-5%的芳纶纤维、质量百分比为20～30%的改性酚醛树脂和质量百分比为10～20%的填料制备而成，其中，所述碳纤维粉为微米级。

所述碳纤维粉的长度为200~600μm，直径为5~15μm；

所述碳纤维粉是PAN基碳纤维粉、沥青基碳纤维粉或者黏胶基碳纤维粉中的任一种；

所述芳纶纤维的长度为1~2mm，直径为10~20μm，所述填料的直径小于100μm；

所述改性酚醛树脂是腰果壳油改性酚醛树脂、丁晴橡胶改性酚醛树脂或者硼改性酚醛树脂；

所述填料是高岭土、硅藻土、碳酸钙或者硫酸钡的一种，或者是其混合物；

所述碳纤维粉改性纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.123~0.137，稳定系数为95.6%~97%，磨损率为1.1~1.25×10^-8cm³/J。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

其一：本发明采用的碳纤维粉的粒径为微米级，因此，碳纤维与树脂基体以及填料更容易接合，在材料中的分布更为均匀，没有出现毫米级碳纤维之间严重搭接架桥现象。故而，由本发明方法制备的摩擦材料的孔径分布范围较窄，在0-200μm之间，摩擦材料的均匀性好。动摩擦系数在0.125-0.137之间，受工况条件的影响很小，其稳定系数达95%以上，磨损率由现有技术的5.0×10^-8cm³/J降低到1.25×10^-8cm³/J以下，仅为现有碳纤维增强纸基摩擦材料的25%左右；

其二：本发明摩擦材料中，碳纤维粉的含量为50~68%，远远大于现有技术的35%，而对于本领域技术人员而言，如果碳纤维的含量大于35%，则摩擦材料将出现严重的团聚现象，为解决该技术问题，本发明首先采用浓度为10%的十二烷基苯磺酸钠将微米级碳纤维进行浸泡预处理12小时，使碳纤维表面带阴离子，以提高碳纤维的表面活性，从而使得碳纤维的含量高达50~68%，并没有出现团聚现象。

附图说明

图1是普通碳纤维增强纸基摩擦材料的微观扫描电镜照片；

图2是碳纤维粉改性纸基摩擦材料的微观扫描电镜照片。

具体实施方式

下面根据实施例对本发明摩擦材料及其制备方法进行详细阐述：

实施例1：分别称量预处理的PAN基碳纤维粉45g，芳纶纤维4g，高岭土14g，腰果壳油改性酚醛树脂24g，无水乙醇100ml，配制浓度为0.24g/ml的腰果壳油改性酚醛树脂乙醇溶液。采用高速打浆机将碳纤维粉、芳纶纤维和高岭土在水中高速混合后，在磨浆机中将浆液进一步均匀化分散。采用纸样抄取系统成型预制体后，将预制体在80～100℃条件下烘干。采用腰果壳油改性酚醛树脂乙醇溶液均匀浸渍预制体，使树脂含量达到27%，并在室温下将溶剂乙醇蒸发。然后采用平板硫化机在温度为160℃，压力为5.0MPa条件下热压30min，获得纸基摩擦材料。采用QM1000-II型湿式摩擦材料性能试验机对样品进行摩擦性能测试。本实施例制备的纸基摩擦材料的动摩擦系数在0.125-0.137之间，动摩擦系数随压力的变化很小，稳定系数达到了95.6%，磨损率仅为1.25×10^-8cm³/J。

实施例2：分别称量预处理的PAN基碳纤维粉50g，芳纶纤维3g，高岭土13g，腰果壳油改性酚醛树脂23g，无水乙醇100ml，配制浓度为0.23g/ml的腰果壳油改性酚醛树脂乙醇溶液。采用高速打浆机将碳纤维粉、芳纶纤维和高岭土在水中高速混合后，在磨浆机中将浆液进一步分散均匀化。采用纸样抄取系统成型预制体后，将预制体在80～100℃条件下烘干。采用腰果壳油改性酚醛树脂乙醇溶液均匀浸渍预制体，使树脂含量达到25%，并在室温下将溶剂乙醇蒸发。然后采用平板硫化机在温度为165℃，压力为8.0MPa条件下热压25min，获得纸基摩擦材料。采用QM1000-II型湿式摩擦材料性能试验机对样品进行摩擦性能测试。本实施例制备的纸基摩擦材料的动摩擦系数在0.126-0.135之间，动摩擦系数随压力的变化很小，稳定系数达到了96.7%，磨损率仅为1.16×10^-8cm³/J。

实施例3：分别称量预处理的沥青基碳纤维粉56g，芳纶纤维3g，硅藻土11g，丁晴橡胶改性酚醛树脂22g，无水乙醇100ml，配制浓度为0.22g/ml的丁晴橡胶改性酚醛树脂乙醇溶液。采用高速打浆机将沥青基碳纤维粉、芳纶纤维和硅藻土在水中高速混合后，在磨浆机中将浆液进一步分散均匀化。采用纸样抄取系统成型预制体后，将预制体在80～100℃条件下烘干。采用丁晴橡胶改性酚醛树脂乙醇溶液均匀浸渍预制体，使树脂含量达到23%，并在室温下将溶剂乙醇蒸发。然后采用平板硫化机在温度为170℃，压力为10.0MPa条件下热压20min，获得纸基摩擦材料。采用QM1000-II型湿式摩擦材料性能试验机对样品进行摩擦性能测试。本实施例制备的纸基摩擦材料的动摩擦系数在0.127-0.135之间，稳定系数达到了97.0%，磨损率仅为1.10×10^-8cm³/J。

实施例4：分别称量预处理的沥青基碳纤维粉63g，芳纶纤维2g，硅藻土10g，丁晴橡胶改性酚醛树脂20g，无水乙醇100ml，配制浓度为0.20g/ml的丁晴橡胶改性酚醛树脂乙醇溶液。采用高速打浆机将沥青基碳纤维粉、芳纶纤维和硅藻土在水中高速混合后，在磨浆机中将浆液进一步分散均匀化。采用纸样抄取系统成型预制体后，将预制体在80～100℃条件下烘干。采用丁晴橡胶改性酚醛树脂乙醇溶液均匀浸渍预制体，使树脂含量达到21%，并在室温下将溶剂乙醇蒸发。然后采用平板硫化机在温度为175℃，压力为10.0MPa条件下热压10min，获得纸基摩擦材料。采用QM1000-II型湿式摩擦材料性能试验机对样品进行摩擦性能测试。本实施例制备的纸基摩擦材料的动摩擦系数在0.123-0.134之间，稳定系数达到了95.8%，磨损率仅为1.22×10^-8cm³/J。

下面，请参阅图1所示，是现有技术制备的碳纤维增强纸基摩擦材料的SEM形貌。由图可以看出：碳纤维相互搭接，孔径在0-500微米之间，均匀性较差。

请参阅图2所示，其是本发明制备的碳纤维粉改性纸基摩擦材料的SEM形貌。由图可以看出：本发明制备的纸基摩擦材料均匀性较好，孔径在0-200微米之间。

Claims

1.一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于：首先将碳纤维粉、芳纶纤维和填料在水中搅拌混合均匀，然后采用纸样抄取系统成型摩擦材料的预制体；接着，将改性酚醛树脂溶于乙醇溶剂中形成酚醛树脂乙醇溶液后，浸渍于摩擦材料的预制体中，待溶剂挥发烘干后，采用硫化机热压固化获得碳纤维粉改性纸基摩擦材料，其中，所述碳纤维粉、芳纶纤维、改性酚醛树脂和填料按照质量百分比分别为：50～68％，2～5％，20～30％，10～20％，其中，所述碳纤维粉为微米级；所述碳纤维粉的长度为200～600μm，直径为5～15μm；所述碳纤维粉首先采用质量浓度为10％的十二烷基苯磺酸钠将微米级碳纤维粉进行浸泡预处理12小时，使碳纤维粉表面带阴离子。

2.如权利要求1所述的一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述硫化机热压固化的温度为160～175℃，压力为5.1～10MPa。

3.一种如权利要求1所述的方法制备的碳纤维粉改性纸基摩擦材料，其特征在于：由质量百分比为50～68％的碳纤维粉、质量百分比为2-5％的芳纶纤维、质量百分比为20～30％的改性酚醛树脂和质量百分比为10～20％的填料制备而成，其中，所述碳纤维粉为微米级。

4.如权利要求3所述的一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料，其特征在于：所述碳纤维粉的长度为200～600μm，直径为5～15μm。

5.如权利要求3或4所述的一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料，其特征在于：所述碳纤维粉是PAN基碳纤维粉、沥青基碳纤维粉或者黏胶基碳纤维粉中的任一种。

6.如权利要求3所述的一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料，其特征在于：所述芳纶纤维的长度为1～2mm，直径为10～20μm，所述填料的直径小于100μm。

7.如权利要求3所述的一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料，其特征在于：所述改性酚醛树脂是腰果壳油改性酚醛树脂、丁腈橡胶改性酚醛树脂或者硼改性酚醛树脂。

8.如权利要求3所述的一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料，其特征在于：所述填料是高岭土、硅藻土、碳酸钙或者硫酸钡的一种，或者是其混合物。

9.如权利要求3所述的一种碳纤维粉改性纸基摩擦材料，其特征在于：该碳纤维粉改性纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.123～0.137，稳定系数为95.6％～97％，磨损率为1.1～1.25×10^-8cm³/J。