CN105199670A - 一种无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料，各组分所占质量百分比为：玄武岩纤维长丝20～30％，液体酚醛树脂10～15％，丁腈胶乳2～5％，碳酸钙10～30％，硫酸钡10～30％，石墨5～20％，氧化铝2～4％，硅酸锆2～4％，硫酸钙2～4％，硫化锑2～5％；其中玄武岩纤维长丝的长度100～500mm。本发明采用空气沉降法制备所述摩擦材料，使各组分在空气介质中进行自由沉降，并实现均匀固化；所得摩擦材料能够保持玄武岩纤维长丝原有的自然蜷曲形态，获得三维空间随机分布排列的长纤维状态，从而表现出强度高、抗热冲击和抗震颤性强的特点；且涉及的制备方法简单、环境友好，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度的汽车及机械传动制动领域内使用的摩擦材料，具体涉及一种无规则排列的连续长纤维增强的高强度复合摩擦材料及其制备方法。
背景技术
摩擦材料在汽车及机械传动制动领域内有广泛的应用。在某些特殊领域中(如矿山工程车辆或其它一些对摩擦材料要求较高的领域)，摩擦材料的断裂脱落将导致车辆瞬间制动失效，产生严重危害。因此需要高的摩擦材料强度才能防止摩擦材料在高负荷的冲击下断裂脱落，保障车辆及乘员人身及财产安全。
目前市场上所用的摩擦材料大致可分为粉末冶金、碳-碳和树脂基复合摩擦材料，其中树脂基复合摩擦材料占有较大比重。树脂基复合摩擦材料一般由粘接剂、增强材料、填料和摩擦调节剂构成。摩擦材料的生产工艺可分为干法和湿发两种。在干法生产中，由于混料工艺的限制，其中增强材料一般采用短纤维(5mm以下)。这种短纤维增强的摩擦材料难以提供较高的制品强度。在湿法生产中，虽然可以采用较长纤维增强，然而生产过程需要消耗大量溶剂，不但效率低下，而且溶剂的回收利用过程同样存在对人身健康和环境的危害，且湿法生产所得到的纤维一般为二维分布，在三维方向上的强度较低。专利CN100520106C提出了一种用纺织型碳纤维材料作主层并由沉积在主层上的摩擦改性颗粒组成的副层构成的编织摩擦材料，但该专利所得到的多层材料实现较为复杂，同样存在层间剥落强度低等问题，所提供的摩擦材料并不能很好的满足人们对摩擦材料高强度的需求。
因此进一步探索高强度、低成本的摩擦材料及其制备方法，具有重要的实际应用意义。
发明内容
本发明的目的是提供了一种无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料及其制备方法，所述摩擦材料中长纤维呈无规则排列的三维结构，使其表现出强度高、抗热冲击和抗震颤性强的特点，安全可靠；且涉及的制备方法简单、环境友好，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料，各组分所占质量百分比(配比)为：玄武岩纤维长丝20～30％，液体酚醛树脂10～15％，丁腈胶乳2～5％，碳酸钙10～30％，硫酸钡10～30％，石墨5～20％，氧化铝2～4％，硅酸锆2～4％，硫酸钙2～4％，硫化锑2～5％；其中玄武岩纤维长丝的长度100～500mm。
上述方案中，所述玄武岩纤维长丝为采用拉丝法制备的连续纤维。
上述一种无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料的制备方法，它包括以下步骤：
1)按上述配比称量各组分，将称取的碳酸钙、硫酸钡、石墨、氧化铝、硅酸锆、硫酸钙和硫化锑搅拌混合均匀，得颗粒料；
2)将液体酚醛树脂和丁腈胶乳搅拌混合均匀，得柔性粘接剂；
3)采用沉降装置，将步骤1)所得颗粒料由沉降室上方的颗粒入口喷入沉降室，步骤2)中所得柔性粘结剂由沉降室上方的喷雾口经雾化后喷入沉降室，玄武岩纤维长丝由沉降室上方的纤维入口喷入沉降室；通过调节各入口(颗粒入口、喷雾口、纤维入口)气压调节控制所述颗粒料、玄武岩纤维长丝和柔性粘结剂的喷入速率，使所得摩擦材料坯体达配比要求；
4)在沉降室中，玄武岩纤维长丝接触雾化的柔性粘接剂液滴后开始沉降，沉降过程中与颗粒料(填料和摩擦调节剂等)在气流作用下碰撞并相互粘附，沉降速度加快；沉降过程中，向沉降室中引入上升空气气流，延缓在沉降室中颗粒料和玄武岩纤维长丝的沉降速度，使颗粒料、玄武岩纤维长丝和柔性粘结剂在沉降过程中进行充分碰撞、粘附，最终在沉降室底部形成均匀的摩擦材料坯体；
5)将步骤4)所得摩擦材料坯体进行切割，然后进行加热加压固化，即得所述的无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料。
上述方案中，步骤4)所述沉降速率控制在沉降室底部沉降量为0.5～1g/cm2·min，即每分钟单位面积的沉降质量为0.5～1克。沉降速率对所得摩擦材料坯体的均匀度会产生影响，过快的沉降速率将导致摩擦材料坯体中不均匀的材料分布，而过低的沉降速率会导致生产效率低下。
上述方案中，步骤5)中所述加热加压固化条件为：根据常规摩擦材料生产工艺，加热温度为140～180℃，外界压力为10～20MPa，固化时间为5～25min。
上述方案中，步骤3)中所述沉降装置呈封闭式，其中喷雾口设置在沉降室顶部，颗粒入口和纤维入口间隔设置在沉降室上方。
上述方案中，所述玄武岩纤维长丝(摩擦材料增强组分)在自由落体状态下沉降并与其它组分充分混合固化，所得摩擦材料中能保持玄武岩纤维长丝原有自然蜷曲形态，获得三维空间随机分布排列的长纤维状态。三维随机分布的连续玄武岩纤维长丝能在三个维度方向上均提供高的机械强度；纤维长丝上包覆的柔性粘接层可以直到吸收冲击震颤的作用，增强结构间所填充的填料及摩擦调节剂能维持稳定的摩擦系数及磨损率从而提供良好的摩擦制动能力。相对于短纤维增强结构，本发明提供的这种连续长纤维增强结构能够实现整个摩擦材料制品的一体化结构，把局部所受的冲击震动传导扩散，并利用纤维上包覆的柔性结构所吸收，从而防止材料断裂，保证了摩擦材料的安全应用。
本发明的有益效果为：
1)本发明采用空气沉降法制备摩擦材料，使摩擦材料各组分在空气介质中自由沉降，实现均匀固化，且制备过程无需溶剂，不需要烘干，避免了因溶剂挥发带来的环境污染。
2)本发明所述玄武岩纤维长丝(摩擦材料增强组分)在自由落体状态下沉降并与其它组分实现充分混合固化，所得摩擦材料能保持玄武岩纤维长丝原有的自然蜷曲形态，与抄板法(湿法)得到的平行分布的纤维结构相比，能够获得三维空间随机分布排列的长纤维状态，在三维方向上拥有更高的强度。
3)本发明可实现连续沉降，得到不同厚度的摩擦材料坯体，解决了抄板法不利于生产较厚摩擦材料的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1所述沉降装置的结构示意图。
图中，1为喷雾口，2为颗粒入口，3为纤维入口，4为沉降室。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，如无具体说明，采用的试剂为市售产品。
以下实施例中，所述玄武岩纤维长丝为采用拉丝法制备的连续纤维。
实施例1
一种无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料，各组分所占质量百分比为：玄武岩纤维长丝(长度150mm)20％，液体酚醛树脂10％，丁腈胶乳2％，碳酸钙25％，硫酸钡30％，石墨5％，氧化铝2％，硅酸锆2％，硫酸钙2％，硫化锑2％；其制备方法包括以下步骤：
1)按上述配比称取各组分，将称取的碳酸钙、硫酸钡、石墨、氧化铝、硅酸锆、硫酸钙和硫化锑搅拌混合均匀，得颗粒料；
2)将液体酚醛树脂和丁腈胶乳搅拌混合均匀，得柔性粘接剂；
3)采用沉降装置(见图1)，将步骤1)所得颗粒料由颗粒入口2喷入沉降室4，步骤2)中所得柔性粘结剂由喷雾口1经雾化后喷入沉降室4，玄武岩纤维长丝由纤维入口3喷入沉降室4；通过调节各入口气压控制所述颗粒料、玄武岩纤维长丝和柔性粘结剂的喷入速率，使所得摩擦材料坯体达配比要求；
4)在沉降室4中，玄武岩纤维长丝接触雾化的柔性粘接剂液滴后开始沉降，沉降过程中与颗粒料(填料和摩擦调节剂等)在气流作用下碰撞并相互粘附，沉降速度加快；在沉降过程中，向沉降室4中引入上升空气气流，使沉降室4中颗粒料和玄武岩纤维长丝的沉降速度控制在沉降室底部沉降量为0.5g/cm2·min(即每分钟单位面积的沉降质量为0.5克)，使颗粒料、玄武岩纤维长丝和柔性粘结剂在沉降过程中进行充分碰撞、粘附，最终在沉降室底部形成均匀的摩擦材料坯体；
5)将步骤4)所得摩擦材料坯体进行切割，然后根据常规摩擦材料生产工艺，进行加热加压固化，其中加热温度为140℃，外界压力为20MPa，固化时间为25min，即得所述的无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料。
将本实施例所得摩擦材料参照GB5763-2008所述方法进行摩擦材料测试，结果表明，其冲击强度为1.5J/cm2，200℃热膨胀率为0.6％，室温压缩率为0.6％，200℃压缩率为1.2％；参照GB/T26739-2011/ISO6311:1980所述方法进行内剪切强度测试，其内剪切强度为23MPa，摩擦磨损性能测试结果见表1，摩擦过程中未产生噪音，产品具有高强度、低噪音和耐高温等综合优点；其中摩擦材料二维和三维方向的上强度分别可由冲击强度和内剪切强度表征。
表1摩擦磨损性能测试结果
实施例2
一种无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料，各组分所占质量百分比为：玄武岩纤维长丝(长度450mm)30％，液体酚醛树脂15％，丁腈胶乳5％，碳酸钙10％，硫酸钡10％，石墨13％，氧化铝4％，硅酸锆4％，硫酸钙4％，硫化锑5％；其制备方法包括以下步骤：
1)按上述配比称取各组分，将称取的碳酸钙、硫酸钡、石墨、氧化铝、硅酸锆、硫酸钙和硫化锑搅拌混合均匀，得颗粒料；
2)将液体酚醛树脂和丁腈胶乳搅拌混合均匀，得柔性粘接剂；
3)采用沉降装置(结构图见图1)，将步骤1)所得颗粒料由颗粒入口2喷入沉降室4，步骤2)中所得柔性粘结剂由喷雾口1经雾化后喷入沉降室4，玄武岩纤维长丝由纤维入口3喷入沉降室4；通过调节各入口气压控制所述颗粒料、玄武岩纤维长丝和柔性粘结剂的喷入速率，使所得摩擦材料坯体达配比要求；
4)在沉降室4中，玄武岩纤维长丝接触雾化的柔性粘接剂液滴后开始沉降，沉降过程中与颗粒料(填料和摩擦调节剂等)在气流作用下碰撞并相互粘附，沉降速度加快；在沉降过程中，向沉降室4中引入上升空气气流，使沉降室4中颗粒料和玄武岩纤维长丝的沉降速度控制在沉降室底部沉降量为1g/cm2·min(即每分钟单位面积的沉降质量为1克)，使颗粒料、玄武岩纤维长丝和柔性粘结剂在沉降过程中进行充分碰撞、粘附，最终在沉降室底部形成均匀的摩擦材料坯体；
5)将步骤4)所得摩擦材料坯体进行切割，然后根据常规摩擦材料生产工艺，进行加热加压固化，其中加热温度为180℃，外界压力为15MPa，固化时间为15min，即得所述的无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料。
将本实施例所得摩擦材料参照GB5763-2008所述方法进行摩擦材料测试，结果表明，其冲击强度为2.2J/cm2，200℃热膨胀率为0.8％，室温压缩率为0.7％，200℃压缩率为1.4％；参照GB/T26739-2011/ISO6311:1980所述方法进行内剪切强度测试，其内剪切强度为27MPa，摩擦磨损性能测试结果见表2，摩擦过程中未产生噪音，产品具有高强度、低噪音和耐高温等综合优点；其中摩擦材料二维和三维方向的上强度分别可由冲击强度和内剪切强度表征。
表2摩擦磨损性能测试结果
实施例3
一种无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料，各组分所占质量百分比为：玄武岩纤维长丝(长度300mm)25％，液体酚醛树脂12％，丁腈胶乳3％，碳酸钙20％，硫酸钡18％，石墨10％，氧化铝3％，硅酸锆3％，硫酸钙3％，硫化锑3％；其制备方法包括以下步骤：
1)按上述配比称取各组分，将称取的碳酸钙、硫酸钡、石墨、氧化铝、硅酸锆、硫酸钙和硫化锑搅拌混合均匀，得颗粒料；
2)将液体酚醛树脂和丁腈胶乳搅拌混合均匀，得柔性粘接剂；
3)采用沉降装置(结构图见图1)，将步骤1)所得颗粒料由颗粒入口2喷入沉降室4，步骤2)中所得柔性粘结剂由喷雾口1经雾化后喷入沉降室4，玄武岩纤维长丝由纤维入口3喷入沉降室4；通过调节各入口气压控制所述颗粒料、玄武岩纤维长丝和柔性粘结剂的喷入速率，使所得摩擦材料坯体达配比要求；
4)在沉降室4中，玄武岩纤维长丝接触雾化的柔性粘接剂液滴后开始沉降，沉降过程中与颗粒料(填料和摩擦调节剂等)在气流作用下碰撞并相互粘附，沉降速度加快；在沉降过程中，向沉降室4中引入上升空气气流，使沉降室4中颗粒料和玄武岩纤维长丝的沉降速度控制在沉降室底部沉降量为0.7g/cm2·min(即每分钟单位面积的沉降质量为0.7克)，使颗粒料、玄武岩纤维长丝和柔性粘结剂在沉降过程中进行充分碰撞、粘附，最终在沉降室底部形成均匀的摩擦材料坯体；
5)将步骤4)所得摩擦材料坯体进行切割，然后根据常规摩擦材料生产工艺，进行加热加压固化，其中加热温度为160℃，外界压力为12MPa，固化时间为10min，即得所述的无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料。
将本实施例所得摩擦材料参照GB5763-2008所述方法进行摩擦材料测试，结果表明，其冲击强度为2.2J/cm2，200℃热膨胀率为0.7％，室温压缩率为0.7％，200℃压缩率为1.3％；参照GB/T26739-2011/ISO6311:1980所述方法进行内剪切强度测试，其内剪切强度为25MPa，摩擦磨损性能测试结果见表3，摩擦过程中未产生噪音，产品具有高强度、低噪音和耐高温等综合优点；其中摩擦材料二维和三维方向的上强度分别可由冲击强度和内剪切强度表征。
表3摩擦磨损性能测试结果
上述结果表明，本发明制得的无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料表现出强度高、抗热冲击和抗震颤性强的特点，安全可靠。
显然，上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料，各组分所占质量百分比为：玄武岩纤维长丝20～30％，液体酚醛树脂10～15％，丁腈胶乳2～5％，碳酸钙10～30％，硫酸钡10～30％，石墨5～20％，氧化铝2～4％，硅酸锆2～4％，硫酸钙2～4％，硫化锑2～5％；其中玄武岩纤维长丝的长度100～500mm。
2.根据权利要求1所述的无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料，其特征在于，所述玄武岩纤维长丝为采用拉丝法制备的连续纤维。
3.权利要求1或2所述无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按配比称量各组分，将称取的碳酸钙、硫酸钡、石墨、氧化铝、硅酸锆、硫酸钙和硫化锑搅拌混合均匀，得颗粒料；
2)将液体酚醛树脂和丁腈胶乳搅拌混合均匀，得柔性粘接剂；
3)采用沉降装置，将步骤1)所得颗粒料由沉降室上方的颗粒入口喷入沉降室；与此同时，步骤2)中所得柔性粘结剂由沉降室顶部的喷雾口经雾化后喷入沉降室，玄武岩纤维长丝由沉降室上方的纤维入口喷入沉降室；通过调节各入口气压控制所述颗粒料、玄武岩纤维长丝和柔性粘结剂的喷入速率，使所得摩擦材料坯体达配比要求；
4)向沉降室中引入上升空气气流，调节延缓沉降室中各物料的沉降速度，使颗粒料、玄武岩纤维长丝和柔性粘结剂在沉降过程中进行充分碰撞、粘附，最终在沉降室底部形成均匀的摩擦材料坯体；
5)将步骤4)所得摩擦材料坯体进行切割，然后进行加热加压固化，即得所述的无规则排列长纤维增强的高强度摩擦材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述沉降速率控制在沉降室底部沉降量为0.5～1g/cm2·min。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述加热加压固化条件为：加热温度140～180℃，外界压力10～20MPa，固化时间5～25min。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |