CN103361031B - 胡麻纤维增强环保型轿车用制动块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种胡麻纤维增强环保型轿车用制动块，其组分包括作为材料骨架的天然胡麻增强纤维，环保异氰酸酯粘合剂，摩擦性能调节剂和填料；所述各组分的重量分数：增强纤维30～40份，粘合剂4～10份，摩擦性能调节剂6～10份，35～45份。使用经物理和化学方法处理后的天然胡麻纤维作为增强材料所制备的轿车制动块具有较好的摩擦性能、机械性能，并能降低噪音。所制备的轿车制动块具有较好的摩擦性能、机械性能，并能降低噪音。

Description

胡麻纤维增强环保型轿车用制动块及其制备方法

技术领域

本发明涉及汽车制动用摩擦材料，具体涉及一种胡麻纤维增强环保型轿车用制动块及其制备方法。

背景技术

目前使用的摩擦材料主要可分为：石棉有机摩擦材料、无石棉有机摩擦材料、半金属摩擦材料及粉末冶金摩擦材料。摩擦材料的质量、品种及数量直接影响着各种机械的性能，进而影响机械行业的发展。随着汽车向载重化和高速化发展，对摩擦制动材料的性能要求越来越高。在环保方面，发达国家开发出污染少、噪音低、不产生或少产生摩擦粉尘的绿色环保型摩擦材料。正在朝着低树脂含量、无或少金属摩擦材料、无石棉有机型摩擦材料以及高固化处理温度方向发展，在安全方面，力求开发出摩擦性能稳定可靠的摩擦材料材料具有良好的制动性能和最短的制动距离，对偶材料无损害、无噪音及环保等问题。

此外，摩擦材料既是保安件，又是易损件，随着汽车工业的迅猛发展，摩擦材料也必须相应保证足够的供给。截至2012年底，我国汽车保有量已达到1.2亿辆，一年需要的摩擦材料就达到近100万吨。可见，针对摩擦材料研究与发展所面临的严峻形势，致力于寻找开发一易加工、性能价格比适宜、无危害及具有足够原材料来源的摩擦材料已成为各国摩擦材料行业的当务之急。

增强纤维是摩擦材料的“骨架”，主要作用是使摩擦材料具有一定的强度和韧性，使材料在冲击、剪切、拉伸等机械作用下不至于出现裂纹、断裂、崩缺等机械损伤。因此，增强体应满足下列性能要求：①增强纤维非石棉化、无公害；②应具有足够的高温强度，保证在制动过程中出现高温条件下不丧失增强效果；③为了摩擦材料的安全使用，纤维在制动过程中不燃烧、不产生有害气体；④应具有适宜的摩擦性能；⑤资源充足、价格适宜。增强纤维除满足一定力学性能外，还应保证对环境友好及来源丰富。目前，常用的增强纤维尚不同程度地存在一些问题，所以，纤维种类的选择及含量控制技术是摩擦材料研制中的一个亟待解决的关键问题。

天然植物纤维具有质轻价廉及对环境无污染等优点使得国内外对其复合材料研制格外关注，其中一些制品已开始工程应用。胡麻是一种多年的生麻类经济作物，在我国广泛种植。胡麻纤维除与其它麻类纤维一样具有价廉质轻比强度和比模量高等优良特性外，而且其质地坚硬，富有弹性、拉伸强度、高耐摩擦等特点，此外胡麻属于再生的天然纤维素纤维，热分解时不产生有害气体，可自然降解，不会对环境构成负担。

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摩擦性能稳定可靠，抗热衰退和恢复性能好，具有良好的制动性能和最短的制动距离，对偶磨损小，对制动盘的攻击性低的胡麻纤维增强环保型轿车用制动块。

本发明的第二个目的是提供一种金属含量低，制动时无噪音和振动，制动过程中不燃烧、不产生有害气体和粉末，对环境友好的胡麻纤维增强环保型轿车用制动块的制备方法。

本发明的实现方法如下：

为实现本发明的第一个目的，胡麻纤维增强环保型轿车用制动块的主要组分如下：胡麻纤维，对位芳纶纤维，硅酸铝纤维，甲基二异氰酸酯，硅烷偶联剂，稀土1MoSi2-Mo5Si3复合材料，石英粉填料，玄武岩填料，膨胀石墨，硫酸钙晶须。

为实现本发明的第二个目的，本发明提供的胡麻纤维增强环保型轿车用制动块的制备工艺，具体工艺流程如下：

配料→计量→混料→涂胶→热压→热处理→磨平面→开槽→表面高温处理→喷漆→质检→印标→包装→入库。

1.配料、混料，按照配方的比例将物料在自动配料系统中进行配料，选用摩擦材料全自动配料计算机控制系统，该系统能自动实现加料，计量，排料，混料；

2.热压，本发明采用的是一次成型工艺，在180℃温度下热压成型，压力60MPa，热压时间为10～15分钟；

3.热处理，为使刹车片材质能更加稳定、耐热性更高，将热压好的刹车片送到保温炉中进行热处理，炉温保持在220℃，保温时间6h，然后随炉温冷却，得到试件；

4.磨削处理，热处理后的刹车片，其表面还是有需多毛边，采用磨削设备将热处理后的刹车片进行磨削处理，磨削设备的转速为30～40转/分，使其表面平整；

本发明采用的天然增强纤维是胡麻纤维，胡麻纤维是植物纤维，聚合度达到2-3万，是绿色环保材料。它用于摩擦材料具有以下作用：能稳定并减少材料的收缩和膨胀改善制动性能；可以避免摩擦材料表面的腐蚀，特别是金属纤维等受环境影响而产生的电化锈蚀。经过正交试验分析表明：质量分数为14％的胡麻纤维增强的轿车制动块具有较好的机械性能。

胡麻使用前要经过化学预处理、蒸汽爆破处理、偶联剂处理和超分散剂处理：

1)化学预处理。将胡麻纤维切成长度4mm，浸泡于质量分数为10％的NaOH溶液中，常温下浸泡处理4h，再用去离子水冲洗呈中性，烘干至恒重。

2)蒸汽爆破处理。将碱处理后的胡麻纤维置于汽爆罐中，将预定温度及压力的热蒸汽通入汽爆罐，高温高压状态的水蒸汽进入纤维素的非晶区，引发纤维素的润涨，待压力恒定到所需值后，保压一定时间，而后快速打开与接收器相连的球型阀，瞬间泄压，从而使半纤维素等杂质成分得到去除，纤维素含量提高。将闪爆出的纤维收集后洗涤干燥处理，备用。

3)偶联剂处理。将经过化学预处理和蒸汽爆破处理后的胡麻纤维均匀喷雾KH-550的乙醇溶液，然后在80℃下烘干备用。

4)超分散剂处理。将无水乙醇按10∶1的体积比稀释超分散剂，然后将该溶液均匀地喷洒在处理后的胡麻纤维上，于80℃烘干备用。

有机增强纤维，本发明选用的有机纤维是对位芳纶纤维，芳纶加入可提高材料的摩擦稳定性，降低磨损量，还可以降低摩擦时产生的高频噪声，改善摩擦材料存在着易伤对偶、热衰退率和硬度等缺点。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。本发明中加入5％的芳纶纤维作为增强材料。

无机增强纤维，本发明中采用的无机增强纤维是硅酸铝纤维，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，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。此外，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。本发明中加入16％的硅酸铝纤维作为增强材料。

本发明专利中使用的粘合剂选用亨斯曼公司生产的Suprasec 5000二甲基异氰酸酯。在过去的刹车片生产中，应用最广泛的是酚醛树脂及其改性树脂。但是当温度超过200℃，酚醛树脂的性能会变得不稳定，并且普通的酚醛树脂脆性大，刹车时容易发出较大的噪音。目前，发达国家开发出污染少的绿色环保型摩擦材料，正在朝着低树脂含量(＜8％)、高固化处理温度(约250℃)方向发展。二甲基异氰酸酯粘合剂可以将各种原料很好地加以粘合，生产出的摩擦材料不但各项理化性能指标优良而且用胶量大大降低，不污染环境，同时制动块的摩擦系数稳定，抗热衰退性强，耐磨性能也得到了改善。本发明中加入6％的异氰酸酯作为粘合剂。

本发明专利中使用的摩擦性能调节剂为稀土MoSi2_Mo5Si3复合材料和膨胀石墨。稀土具有金属和陶瓷的双重特性，被认为市高温结构材料的候选者，添加稀土复合材料具有很好的增韧补强效果。稀土MoSi2_Mo5Si3复合材料在高温下强度高，抗蠕变性高，在刹车片中加入适量的稀土材料可使其高温强度和断了韧度增加，室提高其力学性能的有效途径。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、物理性能和降低噪音，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

膨胀石墨是一种新型碳素材料，它具有疏松多孔结构，有极强的耐压性、柔韧性、可塑性和自润滑性，以及极强的抗高、低温和极强的抗震特性。此外，膨胀石墨无毒、不含任何致癌物，对环境没有危害。

本发明专利中使用填料为石英粉、玄武岩、硫酸钙晶须。

石英粉系中性无机填料，容易掺和、质纯色白，颗粒度均匀，与异氰酸酯混合浸润性好。本发明专利中使用的石英粉尺寸约1-8mm、厚度为0.3mm的柔软而具有弹性的不规则片状。

玄武岩是以天然的火山喷出岩作为原料，在1450℃一1500℃熔融后制成的连续纤维，是一种新型的高技术无机纤维结构和功能材料，具有力学性能佳，耐高温性能好等优点。

硫酸钙晶须是纤维状单晶体，具有高强度、高模量、高韧性、高绝缘性、耐磨耗、耐高温、价廉等诸多优良的理化性能，作为增韧补强材料，是所有晶须产品中质量最好的新型晶须材料。与石英粉、玄武岩为混合填料，并加入少量硅烷偶联剂，与异氰酸酯胶粘剂混合，其粘接强度、韧性、耐热性、阻燃性、耐磨性能都有很大提高。本发明专利中使用硫酸钙晶须的指标：长度100-200um，长径比40∶80，直径7-8um，熔点：1000以上。本发明中硫酸钙晶须在摩擦材料中的加入量为15％。

具体实施方式：

胡麻纤维增强环保型的摩擦材料采用异氰酸酯作为粘结剂，以胡麻纤维，芳纶纤维，硅酸铝纤维作为增强材料，并加入稀土MoSi2-Mo5Si3复合材料和膨胀石墨作为摩擦性能调节剂，来改善和提高刹车片的摩擦性能。为提高生产效率和刹车片的合格率，采用一步成型法来生产环保型的摩擦材料。具有制动无噪声、耐高温、热衰退性能好、摩擦系数稳定、制动性能优良、耐磨性能好等优点。

本发明经过多次试验得到的的最佳配方比例为：

本配方的所使用的工艺流程：

1.配料、混料，按照配方的比例将物料在自动配料系统中进行配料，选用摩擦材料全自动配料计算机控制系统，该系统能自动实现加料，计量，排料，混料；将各组分高速搅拌至混合均匀后倒入模具里，准备热压成型；

2.热压，本发明采用的是一次成型工艺，在180℃温度下热压成型，压力60MPa，热压时间为10～15分钟；

3.热处理，为使刹车片材质能更加稳定、耐热性更高，将热压好的刹车片送到保温炉中进行热处理，炉温保持在220℃，保温时间6h，然后随炉温冷却，得到试件；

4.磨削处理，热处理后的刹车片，其表面还是有需多毛边，采用磨削设备将热处理后的刹车片进行磨削处理，磨削设备的转速为30～40转/分，使其表面平整；

本发明经过多次正交试验得到最优的配方体系和加工工艺，在最优工艺条件下所制备的胡麻纤维增强环保型轿车用制动块，具有增强效果好，耐热性好，在摩擦工作时产生噪音小，对制动盘或鼓损伤小，对环境友好，是理想的环保型天然纤维增强材料。

Claims (1)

1.一种胡麻纤维增强环保型轿车用制动块，其特征在于：其配方为胡麻纤维14％、对位芳纶纤维5％、硅酸铝纤维16％、甲基二异氰酸酯6％、硅烷偶联剂1.5％、稀土MoSi₂-Mo₅Si₃复合材料4.5％、膨胀石墨8％、石英粉填料20％、玄武岩填料10％、硫酸钙晶须15％；在这个配方体系中，经过多次正交试验表明14％胡麻纤维、5％对位芳纶纤维、16％硅酸铝纤维、6％甲基二异氰酸酯的配方比例具有最优的增强和粘结效果，其基体相容性和结构强度达到最优。