CN104328709A - 一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湿式摩擦材料，尤其涉及一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料，首先将碳纤维通过水热法制成改性碳纤维，随后将改性碳纤维、纸纤维、芳纶纤维和无机填料水中均匀混合制浆，并将得到的浆料采用抄纸工艺，经过热压冲裁，粘结钢环等步骤制备纸基湿式摩擦材料。本发明制备的纸基摩擦材料性能优异，工艺过程简单，成本低，本发明制备的马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料性能优异，动摩擦系数达到0.11～0.14，摩擦材料磨损率小于1.1×10-8cm3/J，展现出了优异的摩擦磨损性能且工艺过程简单，成本低。

Description

一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料

技术领域

本发明涉及一种湿式摩擦材料，尤其涉及一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料。

背景技术

在湿式离合器中要求所使用的湿式摩擦材料具有动摩擦系数和静摩擦系数高、使用寿命长、换挡平稳并能够经受过载条件下的热冲击、制动过程中对对偶盘损伤小等一系列优异的性能。以碳纤维为增强纤维制备出的湿式摩擦材料性能优异，可以满足湿式摩擦工况的特殊要求，但是碳纤维的结构具有一个显著的缺陷，其表面活性低，与基体树脂结合性能差，这大大的限制了碳纤维在湿式摩擦材料中的应用。因此对碳纤维表面进行改性处理，提高纤维表面活性对制备性能更加优异的湿式摩擦材料具有重要的意义。

申请号为CN103361768A的中国专利“聚丙烯腈基碳纤维表面改性方法”采用等离子体处理和液相接枝的方法改性碳纤维，提高了碳纤维的表面活性，对纤维基体的影响较小，但这项技术对设备要求较高。申请号为CN103541212A的中国专利“碳纤维表面改性方法和设备、碳纤维及其复合材料和应用”发明了一种通过电化学改性碳纤维的方法，有效的提高了碳纤维复合材料的结合强度，但是这种改性的技术并没有应用于摩擦材料中。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术缺点，提供一种高动摩擦系数、低磨损率并且对对偶材料磨损小的马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：

包括以下步骤：

1)、向反应釜中加入预处理碳纤维和马来酸酐的苯溶液，每加入0.5‐2g的预处理碳纤维时加入30mL含有0.5‐3g马来酸酐的苯溶液，并在80‐100℃进行水热反应，水热反应后清洗碳纤维，将清洗后的碳纤维超声反应得改性碳纤维；

2)、将改性碳纤维、纸纤维、芳纶纤维和无机填料在水中均匀混合制浆，得混合浆料，其中，改性碳纤维、纸纤维、芳纶纤维和无机填料的质量百分比为(20‐40)：(10‐20)：(20‐35)：(20‐35)；

3)、将步骤2)得到的混合浆料抄纸成型得摩擦材料预制体并烘干，得摩擦片预制体A；

4)、向步骤3)得到的摩擦片预制体A上喷涂改性酚醛树脂乙醇溶液，喷涂完改性酚醛树脂乙醇溶液后自然晾干，得到含改性酚醛树脂的摩擦材料原纸，该含改性酚醛树脂的摩擦材料原纸中改性酚醛树脂的质量为摩擦片预制体A质量的15‐30％，将含改性酚醛树脂的摩擦材料原纸经热压固化得到马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料。

所述的预处理碳纤维通过将碳纤维浸入质量分数为5‐35％的硝酸溶液中1‐3h，随后将碳纤维取出并清洗后，在50‐80℃下干燥2‐5h得到。

所述的清洗采用去离子水，清洗次数为3‐5次。

所述的碳纤维为长度为0.1‐1mm的聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。

所述的无机填料为高岭土、硅藻土、石英粉、萤石粉和硫酸钡中的多种任意比例的混合物。

所述的热压固化的参数为：热压固化压力为5‐10MPa、热压固化温度为160‐200℃，热压固化的时间为10‐15分钟。

所述的超声反应在功率为100‐500W的超声波中进行，超声反应时间为10‐60min。

所述的改性酚醛树脂乙醇溶液通过将质量为摩擦片预制体A质量15‐30％的改性酚醛树脂溶于乙醇中得到。

所述的改性酚醛树脂为硼改性酚醛树脂、腰果壳油改性酚醛树脂或丁腈改性酚醛树脂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过水热法改性碳纤维，此方法改性的碳纤维表面活性高，对碳纤维表面几乎没有损伤，与树脂基体的结合强度高，并在湿式摩擦材料引入改性碳纤维，极大地提高碳纤维与树脂基体的结合强度，通过抄纸成型工艺制备出性能优异的湿式摩擦材料，本发明制备的马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料性能优异，动摩擦系数达到0.11～0.14，摩擦材料磨损率小于1.1×10^‐8cm³/J，展现出了优异的摩擦磨损性能且工艺过程简单，成本低。

附图说明

图1为预处理碳纤维表面XPS图谱；

图2为本发明制备的改性碳纤维表面XPS图谱；

图3为本发明制备的改性碳纤维和未改性碳纤维表面SEM图，

其中图(a)为改性碳纤维SEM图，图(b)为未改性碳纤维表面SEM图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

步骤一：将聚丙烯腈基碳纤维浸入质量分数为20％的硝酸溶液中2h，然后将碳纤维取出，用去离子水反复清洗碳纤维3次，随后在60℃下干燥2h，得到预处理碳纤维；然后将1g预处理碳纤维与30mL含有1g马来酸酐的苯溶液混合均匀，加入反应釜中，在80℃下进行水热反应2h，反应完成后将碳纤维取出用去离子水反复清洗碳纤维3次，接着将其置于200W超声环境中进行30min超声清洗，得到改性后碳纤维；

步骤二：按照改性后碳纤维26.5％，纸纤维16.8％，芳纶纤维26.3％和无机填料30.4％的比例，采用湿法打浆混合均匀后，在抄纸机上成型并烘干，从而得到摩擦片预制体A。

步骤三：向步骤3)得到的摩擦片预制体A上喷涂硼改性酚醛树脂乙醇溶液，喷涂完硼改性酚醛树脂乙醇溶液后自然晾干，得到含硼改性酚醛树脂的摩擦材料原纸，该含硼改性酚醛树脂的摩擦材料原纸中硼改性酚醛树脂的质量为摩擦片预制体A质量的17％，然后将含硼改性酚醛树脂的摩擦材料原纸在热压温度160℃、压力5MPa的条件下，热压10分钟，获得马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料。

本发明得到的马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料的动摩擦系数为0.12～0.13，磨损率为1.1×10^‐8cm³/J。

其中，硼改性酚醛树脂乙醇溶液通过将质量为摩擦片预制体A质量的17％的硼改性酚醛树脂溶于乙醇中得到。

其中，无机填料包括高岭土35.0％、硅藻土25％、石英粉15％、萤石粉15、硫酸钡10％；

实施例2：

步骤一：将沥青基碳纤维浸入质量分数为35％的硝酸溶液中3h，然后将碳纤维取出，用去离子水反复清洗碳纤维5次，随后在80℃下干燥1h，得到预处理碳纤维；然后将0.5g预处理碳纤维与30ml含有2g马来酸酐的苯溶液混合均匀，加入反应釜中，在100℃下进行水热反应4h，反应完成后将碳纤维取出用去离子水反复清洗碳纤维5次，接着讲其置于400W超声环境中进行10min超声清洗，得到改性后的碳纤维；

步骤二：按照改性后碳纤维35.7％，纸纤维17.4％，芳纶纤维21.6％和无机填料25.3％的比例，采用湿法打浆混合均匀后，在抄纸机上成型，从而得到摩擦片预制体A。

步骤三：向步骤3)得到的摩擦片预制体A上喷涂腰果壳油改性酚醛树脂乙醇溶液，喷涂完腰果壳油改性酚醛树脂乙醇溶液后自然晾干，得到含腰果壳油改性酚醛树脂的摩擦材料原纸，该含腰果壳油改性酚醛树脂的摩擦材料原纸中腰果壳油改性酚醛树脂的质量为摩擦片预制体A质量的23％，然后将含腰果壳油改性酚醛树脂的摩擦材料原纸在热压温度180℃、压力7MPa的条件下，热压15分钟，获得所述纸基摩擦材料。这种摩擦材料的动摩擦系数为0.11～0.12，磨损率为0.9×10^‐8cm³/J。

其中，腰果壳油改性酚醛树脂乙醇溶液通过将质量为摩擦片预制体A质量的23％的腰果壳油改性酚醛树脂溶于乙醇中得到。

其中，无机填料包括高岭土40.0％、硅藻土25％、石英粉10％、萤石粉10、硫酸钡15％；

实施例3：

步骤一：将沥青基碳纤维浸入质量分数为5％的硝酸溶液中3h，然后将碳纤维取出，用去离子水反复清洗碳纤维4次，随后在50℃下干燥2h，得到预处理的碳纤维；然后将2g预处理的碳纤维与30ml含有0.5g马来酸酐的苯溶液混合均匀，加入反应釜中，在100℃下进行水热反应1h，反应完成后将碳纤维取出用去离子水反复清洗碳纤维3次，接着将其置于100W超声环境中进行60min超声清洗，得到改性后碳纤维。

步骤二：按照改性后碳纤维23.7％，纸纤维15.4％，芳纶纤维33.6％和无机填料27.3％的比例，采用湿法打浆混合均匀后，在抄纸机上成型，从而得到摩擦片预制体A。

步骤三：向步骤3)得到的摩擦片预制体A上喷涂丁腈改性酚醛树脂乙醇溶液，喷涂完丁腈改性酚醛树脂乙醇溶液后自然晾干，得到含丁腈改性酚醛树脂的摩擦材料原纸，该含丁腈改性酚醛树脂的摩擦材料原纸中丁腈改性酚醛树脂的质量为摩擦片预制体A质量的28％，然后将含丁腈改性酚醛树脂的摩擦材料原纸在热压温度200℃、压力9MPa的条件下，热压13分钟，获得所述纸基摩擦材料。这种摩擦材料的动摩擦系数为0.11～0.13，磨损率为1.0×10^‐8cm³/J。

其中无机填料包括高岭土35.0％、硅藻土35％、石英粉10％、萤石粉10、硫酸钡10％；

其中，丁腈改性酚醛树脂乙醇溶液通过将质量为摩擦片预制体A质量的28％的丁腈改性酚醛树脂溶于乙醇中得到。

实施例4：

步骤一：将沥青基碳纤维浸入质量分数为5％的硝酸溶液中3h，然后将碳纤维取出，用去离子水反复清洗碳纤维4次，随后在50℃下干燥2h，得到预处理的碳纤维；然后将2g预处理的碳纤维与30ml含有0.5g马来酸酐的苯溶液混合均匀，加入反应釜中，在100℃下进行水热反应1h，反应完成后将碳纤维取出用去离子水反复清洗碳纤维3次，接着将其置于100W超声环境中进行60min超声清洗，得到改性后碳纤维。

步骤二：按照改性后碳纤维20％，纸纤维10％，芳纶纤维35％和无机填料35％的比例，采用湿法打浆混合均匀后，在抄纸机上成型，从而得到摩擦片预制体A。

步骤三：称量摩擦片预制体A质量，向摩擦片预制体A上喷涂丁腈改性酚醛树脂乙醇溶液，喷涂完丁腈改性酚醛树脂乙醇溶液后自然晾干，得到含丁腈改性酚醛树脂的摩擦材料原纸，该含丁腈改性酚醛树脂的摩擦材料原纸中丁腈改性酚醛树脂的质量为摩擦片预制体A质量的15％，然后将含丁腈改性酚醛树脂的摩擦材料原纸在热压温度200℃、压力9MPa的条件下，热压13分钟，获得马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料。

其中，丁腈改性酚醛树脂乙醇溶液通过将质量为摩擦片预制体A质量的15％的丁腈改性酚醛树脂溶于乙醇中得到。

其中无机填料包括高岭土35.0％、硅藻土35％、石英粉10％、萤石粉10、硫酸钡10％，

实施例5：

步骤一：将沥青基碳纤维浸入质量分数为5％的硝酸溶液中3h，然后将碳纤维取出，用去离子水反复清洗碳纤维4次，随后在50℃下干燥2h，得到预处理的碳纤维；然后将2g预处理的碳纤维与30ml含有0.5g马来酸酐的苯溶液混合均匀，加入反应釜中，在100℃下进行水热反应1h，反应完成后将碳纤维取出用去离子水反复清洗碳纤维3次，接着将其置于100W超声环境中进行60min超声清洗，得到改性后碳纤维。

步骤二：按照改性后碳纤维20％，纸纤维35％，芳纶纤维20％和无机填料25％的比例，采用湿法打浆混合均匀后，在抄纸机上成型，从而得到摩擦片预制体A。

步骤三：称量摩擦片预制体A质量，向摩擦片预制体A上喷涂腰果壳油改性酚醛树脂乙醇溶液，喷涂完腰果壳油改性酚醛树脂乙醇溶液后自然晾干，得到含腰果壳油改性酚醛树脂的摩擦材料原纸，该含腰果壳油改性酚醛树脂的摩擦材料原纸中腰果壳油改性酚醛树脂的质量为摩擦片预制体A质量的30％，然后将含腰果壳油改性酚醛树脂的摩擦材料原纸在热压温度200℃、压力9MPa的条件下，热压13分钟，获得马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料。

其中无机填料包括高岭土35.0％、硅藻土35％、石英粉10％、萤石粉10、硫酸钡10％；

其中，腰果壳油改性酚醛树脂乙醇溶液通过将质量为摩擦片预制体A质量的30％的腰果壳油改性酚醛树脂溶于乙醇中得到。

实施例6：

步骤一：将沥青基碳纤维浸入质量分数为5％的硝酸溶液中3h，然后将碳纤维取出，用去离子水反复清洗碳纤维4次，随后在50℃下干燥2h，得到预处理的碳纤维；然后将2g预处理的碳纤维与30ml含有0.5g马来酸酐的苯溶液混合均匀，加入反应釜中，在100℃下进行水热反应1h，反应完成后将碳纤维取出用去离子水反复清洗碳纤维3次，接着将其置于100W超声环境中进行60min超声清洗，得到改性后碳纤维。

步骤二：按照改性后碳纤维40％，纸纤维20％，芳纶纤维20％和无机填料20％的比例，采用湿法打浆混合均匀后，在抄纸机上成型，从而得到摩擦片预制体A。

步骤三：称量摩擦片预制体A质量，向摩擦片预制体A上喷涂硼改性酚醛树脂乙醇溶液，喷涂完硼改性酚醛树脂乙醇溶液后自然晾干，得到含硼改性酚醛树脂的摩擦材料原纸，该含硼改性酚醛树脂的摩擦材料原纸中硼改性酚醛树脂的质量为摩擦片预制体A质量的28％，然后将含硼改性酚醛树脂的摩擦材料原纸在热压温度200℃、压力9MPa的条件下，热压13分钟，获得马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料。

其中无机填料包括高岭土35.0％、硅藻土35％、石英粉10％、萤石粉10、硫酸钡10％。

其中，硼改性酚醛树脂乙醇溶液通过将质量为摩擦片预制体A质量的28％的硼改性酚醛树脂溶于乙醇中得到。

图1和图2为改性前后碳纤维表面XPS测试结果(碳峰)，从图中可以清楚看出改性前后288eV(图中3号箭头为改性前和6号箭头改性后)附近羧基特征峰强度明显提高，证明了改性成功。

图1中1号箭头和图2中4号箭头是碳碳双键的特征峰，是碳纤维最为强的一个峰，图1中2号箭头和图2中5号箭头则是碳氧单键的特征峰。

参见图3，其中图3(a)为改性后碳纤维样品表面SEM照片，图3(b)为未改性碳纤维样品表面SEM照片，对比后可知水热法改性碳纤维对纤维基体几乎没有损伤，证明了水热法改性碳纤维不会对纤维的优良性能产生影响。

Claims (9)

1.一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料，其特征在于：包括以下步骤：

1)、向反应釜中加入预处理碳纤维和马来酸酐的苯溶液，每加入0.5‐2g的预处理碳纤维时加入30mL含有0.5‐3g马来酸酐的苯溶液，并在80‐100℃进行水热反应，水热反应后清洗碳纤维，将清洗后的碳纤维超声反应得改性碳纤维；

2)、将改性碳纤维、纸纤维、芳纶纤维和无机填料在水中均匀混合制浆，得混合浆料，其中，改性碳纤维、纸纤维、芳纶纤维和无机填料的质量百分比为(20‐40)：(10‐20)：(20‐35)：(20‐35)；

3)、将步骤2)得到的混合浆料抄纸成型得摩擦材料预制体并烘干，得摩擦片预制体A；

4)、向步骤3)得到的摩擦片预制体A上喷涂改性酚醛树脂乙醇溶液，喷涂完改性酚醛树脂乙醇溶液后自然晾干，得到含改性酚醛树脂的摩擦材料原纸，该含改性酚醛树脂的摩擦材料原纸中改性酚醛树脂的质量为摩擦片预制体A质量的15‐30％，将含改性酚醛树脂的摩擦材料原纸经热压固化得到马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料。

2.根据权利要求1所述的一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料，其特征在于：所述的预处理碳纤维通过将碳纤维浸入质量分数为5-35％的硝酸溶液中1‐3h，随后将碳纤维取出并清洗后，在50‐80℃下干燥2‐5h得到。

3.根据权利要求1或2所述的一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料，其特征在于：所述的清洗采用去离子水，清洗次数为3‐5次。

4.根据权利要求1或2所述的一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料，其特征在于：所述的碳纤维为长度为0.1‐1mm的聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。

5.根据权利要求1所述的一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料，其特征在于：所述的无机填料为高岭土、硅藻土、石英粉、萤石粉和硫酸钡中的多种任意比例的混合物。

6.根据权利要求1所述的一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料，其特征在于：所述的热压固化的参数为：热压固化压力为5‐10MPa、热压固化温度为160‐200℃，热压固化的时间为10‐15分钟。

7.根据权利要求1所述的一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料，其特征在于：所述的超声反应在功率为100‐500W的超声波中进行，超声反应时间为10‐60min。

8.根据权利要求1所述的一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料，其特征在于：所述的改性酚醛树脂乙醇溶液通过将质量为摩擦片预制体A质量15‐30％的改性酚醛树脂溶于乙醇中得到。

9.根据权利要求1或8所述的一种马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料，其特征在于：所述的改性酚醛树脂为硼改性酚醛树脂、腰果壳油改性酚醛树脂或丁腈改性酚醛树脂。