CN105086355A - 一种汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料的制备领域，具体公开了一种汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料。该材料由以下重量份原料组成：改性酚醛树脂16～25份、天然竹原纤维8～12份、无机盐晶须21～32份、摩擦性能调节剂14~21份、矿渣微粉（60~200目）10～40份，按比例配料、混合搅拌、热压成型、热处理等制备工艺制得材料；本发明通过以矿渣微粉取代材料中其他成分，达到降低成本和变废为宝的目的，同时使摩擦材料在不同温度下得到稳定的摩擦系数、较低的磨损率、较好的制动效果，使产品的性价比高于市面上的同类产品。

Description

一种汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料及其制备方法。

背景技术

汽车摩擦材料在过去的几十年的发展过程中，原料和制备工艺都发生了较大的变化，以无石棉有机型、半金属型、粉末冶金型摩擦材料占据了汽车摩擦材料领域的主导地位。随着汽车制动工况越来越恶劣，研制高性能、低成本、高环保的新型摩擦材料已成为当前的一种趋势。近年来，以现有较为成熟的纤维配比工艺，寻找可替代多填料组分的一种或几种新型填料是汽车摩擦材料发展的新方向。新型填料可以同时含有其它多种填料的组分元素，不仅减少摩擦材料的原料种类，还有利于摩擦磨损机理的研究；另外，汽车领域内制动摩擦材料每年需求量高达百万吨，其数量庞大；此外还可将其进行产业链资源化利用，为充分利用资源提供新思路。可见，寻找足够的原料来满足汽车和社会的发展需求也是摩擦材料行业的重要任务之一。

汽车刹车片材料通常由几种成分组成，主要包括粘结剂、增强纤维和填料三大类。其中填料作为摩擦材料中不可或缺的组成部分，起到改善材料的物理化学性能，调节表面摩擦条件，降低生产成本。常用的填料分为有机、无机和金属三类。有机填料主要起到降低模量，改善硬度及稳定摩擦系数的作用，常有沥青、橡胶等。无机填料又分为增摩填料和减摩填料，增摩填料主要起到提高和改善材料物理力学性能，高温增大摩擦系数的效果，如SiO₂、Al₂O₃、SiC等；减摩填料主要用于降低摩擦因数、提高耐磨性和减少制动噪声，如石墨、滑石、云母和MoS₂、Cu₂S等。金属填料可以提高摩阻材料的耐磨性和稳定摩擦系数，如铜粉、铸铁粉、多孔铁粒、还原铁粉、铝粉及锌粉等。目前实际生产中应用较多的是Al₂O₃，其次是SiO₂、SiC、BaSO₄、石墨等。在摩擦材料中，因不同工作温度的需要，往往摩擦材料中包含了好几种甚至几十种不同的填料，以达到不同制动温度下填料的性能互补，使材料保持较好的摩擦性能。正因为摩擦材料的组分种类多，使得摩擦机理复杂；且工艺复杂，生产成本较高。

高炉水淬矿渣是炼铁厂的副产品。在高炉炼铁过程中，金属或化合物的氧化产物以及被熔融金属或熔渣侵蚀和冲刷下来的炉衬材料等成分组成的液态炉渣，定时从渣口、铁口排出。有研究表明：炉渣通常是一种非常复杂的多组分体系，除含有CaO、FeO、MnO、MgO、Al₂O₃、SiO₂、P₂O₅、Fe₂O₃等氧化物外，还可能含有少量的氟化物（如CaF₂）、氯化物（如NaCl）、硫化物（如CaS、MnS）等其它类型的化合物，甚至还夹带少量的金属。目前高炉渣主要应用于硅肥、玻璃、建筑材料、海床铺设等方面。高炉水渣经过超细磨，可作为生产矿渣微粉的主要原料。矿渣微粉是一种新型绿色建筑材料，可以代替水泥，具有价格较低的优势，并且强度、抗腐蚀等性能也更为突出。选用矿渣微粉作为制动复合材料的填料，不仅降低大部分成本，实现矿渣的资源再利用和高附加值化，而且可以有效解决树脂基复合材料热衰退严重、摩擦系数不稳定、耐磨性差等缺陷。中国作为世界潜在的矿渣粉生产和应用量最大的国家，如何更好地开发和利用矿渣粉在环保方面的功效，让矿渣粉更好地体现出它应有的价值，对于保护我们的生存环境，促进经济和社会发展具有积极的现实意义。目前有关高炉矿渣微粉在制动片填料方向的研究还未见报道。本发明以改性酚醛树脂为粘结剂，以矿渣微粉作为填料，配以适当的增强相，采用热压成型的方法制备制动复合摩擦材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料；利用价格极为低廉的矿渣微粉作为填料，选用无机盐晶须和天然竹原纤维等作为增强纤维，再配以适当的摩擦性能调节剂，并通过改性树脂作为粘结剂，通过一定的热压成形工艺，获得耐热性好、摩擦系数适中、磨损率小、抗热衰退性高、制动效果好、成本低的新型汽车制动复合材料。

为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：

一种汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料，其原料由矿渣微粉、改性酚醛树脂、天然竹原纤维、无机盐晶须、摩擦性能调节剂组成。

所述的汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料，按照重量份数计，原料组成为：矿渣微粉10～40份、改性酚醛树脂16～25份、天然竹原纤维8～12份、无机盐晶须21～32份、摩擦性能调节剂14~21份。

所述矿渣微粉的目数为60~200目，优选为160目。

所述无机盐晶须由无水硫酸钙晶须和碱式硫酸镁晶须组成，其中无水硫酸钙晶须占7～11份、碱式硫酸镁晶须占14～21份。

所述摩擦性能调节剂由铜粉和石墨组成，其中铜粉占11～16份、石墨占3～5份。

优选的，所述的汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料，按照重量份数计，原料组成为：矿渣微粉（160目）30份、改性酚醛树脂20份、天然竹原纤维9份、无机盐晶须26份、摩擦性能调节剂15份；其中无机盐晶须是由9份硫酸钙晶须和17份碱式硫酸镁晶须组成，摩擦性能调节剂由13份铜粉和2份石墨组成。

一种制备如上所述的矿渣微粉填充树脂基复合摩擦材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）将无机盐晶须、天然竹原纤维、矿渣微粉和摩擦性能调节剂分别在100～180℃温度下干燥3小时；改性酚醛树脂在60℃温度下干燥2小时；

（b）将干燥后的无机盐晶须、矿渣微粉、摩擦性能调节剂和改性酚醛树脂装入高速混料机中充分搅拌3～5分钟得混合料，再将混合料与干燥后的天然竹原纤维放入高速转刀新型混料机混合40～60秒，得到絮状混合物；

（c）将步骤（b）的絮状混合物装入160℃～180℃模具中进行热压成型，其首次闭模在40～120秒内每隔10～30秒排气一次，预压力3～8兆帕，每次排气后增加1～2兆帕的压力，然后在15兆帕下保压6分钟；

（d）将步骤（c）的材料在180℃温度下保温10小时后冷却至室温，得到成品。

本发明的有益效果在于：

本发明利用价格极为低廉的矿渣微粉作为填料，选用无机盐晶须和天然竹原纤维等作为增强纤维，再配以适当的摩擦性能调节剂，并通过改性树脂作为粘结剂，通过一定的热压成形工艺，获得耐热性好、摩擦系数适中、磨损率小、抗热衰退性高、制动效果好、成本低的新型汽车制动复合材料。

具体实施方式

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。

实施例1

矿渣的主要成分为：CaO（34~50%）、FeO（0.5~1%）、MnO（0.5~5%）、MgO（1~8%）、Al₂O₃（10~13%）、SiO₂（35~40%）、P₂O₅、Fe₂O₃等氧化物，此外还可能含有少量的氟化物（如CaF₂）、氯化物（如NaCl）、硫化物（如CaS、MnS）。

原料组成为：腰果壳油改性酚醛树脂20份、天然竹原纤维9份、无水硫酸钙晶须9份、碱式硫酸镁晶须17份、铜粉13份、石墨2份、矿渣微粉（100目）30份；

制备过程为：

（a）将无机盐晶须、天然竹原纤维、矿渣微粉和摩擦性能调节剂分别在150℃温度下干燥3小时；腰果壳油改性酚醛树脂在60℃温度下干燥2小时；

（b）将干燥后的无机盐晶须、矿渣微粉、摩擦性能调节剂和腰果壳油改性酚醛树脂装入高速混料机中充分搅拌4分钟得混合料，再将混合料与干燥后的天然竹原纤维放入高速转刀新型混料机混合50秒，得到絮状混合物；

（c）将步骤（b）的絮状混合物装入170℃模具中进行热压成型，其首次闭模在80秒内每隔20秒排气一次，预压力6兆帕，每次排气后增加1兆帕的压力，然后在15兆帕下保压6分钟；

（d）将步骤（c）的材料在180℃温度下保温10小时后冷却至室温，得到成品。

实施例2

原料组成为：硼改性酚醛树脂16份、天然竹原纤维8份、无水硫酸钙晶须8份、碱式硫酸镁晶须14份、铜粉11份、石墨2份、矿渣微粉（160目）40份；

制备过程为：

（a）将无机盐晶须、天然竹原纤维、矿渣微粉和摩擦性能调节剂分别在180℃温度下干燥3小时；硼改性酚醛树脂在60℃温度下干燥2小时；

（b）将干燥后的无机盐晶须、矿渣微粉、摩擦性能调节剂和硼改性酚醛树脂装入高速混料机中充分搅拌3分钟得混合料，再将混合料与干燥后的天然竹原纤维放入高速转刀新型混料机混合40秒，得到絮状混合物；

（c）将步骤（b）的絮状混合物装入160℃模具中进行热压成型，其首次闭模在120秒内每隔10秒排气一次，预压力8兆帕，每次排气后增加2兆帕的压力，然后在15兆帕下保压6分钟；

（d）将步骤（c）的材料在180℃温度下保温10小时后冷却至室温，得到成品。

实施例3

原料组成为：环氧改性酚醛树脂25份、天然竹原纤维12份、无水硫酸钙晶须11份、碱式硫酸镁晶须21份、铜粉16份、石墨5份、矿渣微粉（200目）10份；

制备过程为：

（a）将无机盐晶须、天然竹原纤维、矿渣微粉和摩擦性能调节剂分别在100℃温度下干燥3小时；环氧改性酚醛树脂在60℃温度下干燥2小时；

（b）将干燥后的无机盐晶须、矿渣微粉、摩擦性能调节剂和环氧改性酚醛树脂装入高速混料机中充分搅拌5分钟得混合料，再将混合料与干燥后的天然竹原纤维放入高速转刀新型混料机混合60秒，得到絮状混合物；

（c）将步骤（b）的絮状混合物装入180℃模具中进行热压成型，其首次闭模在40秒内每隔30秒排气一次，预压力3兆帕，每次排气后增加2兆帕的压力，然后在15兆帕下保压6分钟；

（d）将步骤（c）的材料在180℃温度下保温10小时后冷却至室温，得到成品。

对比例1

样品一（实施例1材料），样品二（实施例2材料），样品三（国产东营科力汽配有限责任公司生产的夏利盘式制动片），样品四（日产轿车日本原产制动片）；以上制成的复合材料试样，在JF150D-Ⅱ型定速摩擦实验机上进行摩擦学性能测试，对偶摩擦盘为HT250，珠光体组织，硬度为180～220HB，转速480±10分钟/转。试样尺寸25毫米×25毫米×（5～7）毫米，承载压力1兆帕。按照盘式制动器用衬片国家标准（GB5763-2008），分别测定升温过程中盘温为100℃，150℃，200℃，250℃，300℃，350℃时对磨5000转的摩擦系数、磨损率。其实验结果和国标要求如下表所示：

本发明研制的新型摩擦复合材料，摩擦系数适中，尤其是样品一矿渣粉掺量为30%的试样，在100℃~350℃温度范围内，μ_max-μ_min=0.04，是所有试样中最小，即变温过程摩擦系数的波动值很小，稳定性最佳。高温摩擦系数保持较高，本发明技术制备的新型材料都没有出现热衰退现象。磨损率方面，比较摩擦系数基本相同的样品一和样品三，样品一的磨损率远低于样品三。与样品四做比较，样品一在250℃前磨损率与样品四较接近，高温时磨损率也较为稳定。因此综合摩擦和磨损两方面，本专利研制的摩擦材料好于国内外其他同等产品，即摩擦系数稳定，磨损率较低，热衰退较小，摩擦学性能优异，有较强的性价比优势。

此外，本发明并不局限于上述的组配与制备方法，同样适用于其他的组配与制备方法，只要利用矿渣微粉作为汽车制动摩擦材料的填料来组配和制备，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料，其特征在于：其原料由矿渣微粉、改性酚醛树脂、天然竹原纤维、无机盐晶须、摩擦性能调节剂组成。

2.根据权利要求1所述的汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料，其特征在于：按照重量份数计，原料组成为：矿渣微粉10～40份、改性酚醛树脂16～25份、天然竹原纤维8～12份、无机盐晶须21～32份、摩擦性能调节剂14~21份。

3.根据权利要求1所述的汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料，其特征在于：所述矿渣微粉的目数为60~200目。

4.根据权利要求1所述的汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料，其特征在于：所述无机盐晶须由无水硫酸钙晶须和碱式硫酸镁晶须组成，其中无水硫酸钙晶须占7～11份、碱式硫酸镁晶须占14～21份。

5.根据权利要求1所述的矿渣微粉填充树脂基复合摩擦材料，其特征在于：所述摩擦性能调节剂由铜粉和石墨组成，其中铜粉占11～16份、石墨占3～5份。

6.根据权利要求2所述的汽车制动用的矿渣微粉填充树脂基复合材料，其特征在于：按照重量份数计，原料组成为：矿渣微粉30份、改性酚醛树脂20份、天然竹原纤维9份、无机盐晶须26份、摩擦性能调节剂15份；其中无机盐晶须是由9份硫酸钙晶须和17份碱式硫酸镁晶须组成，摩擦性能调节剂由13份铜粉和2份石墨组成。

7.一种制备如权利要求1所述的矿渣微粉填充树脂基复合摩擦材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）将无机盐晶须、天然竹原纤维、矿渣微粉和摩擦性能调节剂分别在100～180℃温度下干燥3小时；改性酚醛树脂在60℃温度下干燥2小时；

（b）将干燥后的无机盐晶须、矿渣微粉、摩擦性能调节剂和改性酚醛树脂装入高速混料机中充分搅拌3～5分钟得混合料，再将混合料与干燥后的天然竹原纤维放入高速转刀新型混料机混合40～60秒，得到絮状混合物；

（c）将步骤（b）的絮状混合物装入160℃～180℃模具中进行热压成型，其首次闭模在40～120秒内每隔10～30秒排气一次，预压力3～8兆帕，每次排气后增加1～2兆帕的压力，然后在15兆帕下保压6分钟；

（d）将步骤（c）的材料在180℃温度下保温10小时后冷却至室温，得到成品。