CN106118600B

CN106118600B - 一种有机纤维增强型摩擦材料及其制备方法

Info

Publication number: CN106118600B
Application number: CN201610778366.0A
Authority: CN
Inventors: 范良辉; 马艳兵
Original assignee: Hubei Feilong Friction & Sealing Materials Co Ltd
Current assignee: Hubei Feilong Friction & Sealing Materials Co Ltd
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-11-09
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: CN106118600A

Abstract

本发明公开了一种有机纤维增强型摩擦材料，各组分所占质量百分比包括：芳纶2‑4％，预氧丝3‑6％，胶粉4‑8％，树脂8‑14％，氧化铝3‑6％，石墨5‑10％，调节剂5‑10％，填料50‑60％。本发明采用的增强纤维全部为有机纤维，利用芳纶纤维和预氧丝的特性，同时配合其他功能性组分制备得到新型的有机纤维增强型摩擦材料，完全不同于现有的无石棉摩擦材料、半金属摩擦材料或NAO类摩擦材料，基于本发明采用的纤维特性，所得摩擦材料不存在纤维刺入皮肤引起的皮肤过敏问题，解决了困挠摩擦材料行业多年的难题；同时可达到摩擦材料所需的各项性能要求，具有摩擦磨损性能优良、环境友好、不生锈等多重特点。

Description

一种有机纤维增强型摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种汽车及机械传动制动领域内使用的摩擦材料，具体涉及一种有机纤维增强型摩擦材料及其制备方法。

背景技术

摩擦材料属于一种复合材料，有骨架纤维、粘接剂、性能调节剂、填料组成，增强纤维是摩擦材料类复合材料必需的骨架原料，按所用纤维分三大类摩擦材料：石棉基摩擦材料、半金属基摩擦材料、无石棉非金属基摩擦材料。但石棉纤维可能致癌、半金属基摩擦材料有易生锈、易伤摩擦对偶的缺点。以玻纤、人造岩棉、硅酸盐矿物纤维为主要增强纤维的无石棉非金属摩擦材料，是目前制动用摩擦材料行业内全球通用技术。而以玻纤、人造岩棉、硅酸盐矿物纤维为增强纤维的无石棉非金属摩擦材料虽然材料强度高、热稳定性好，但存在着易引起皮肤过敏、产生骚痒的现象，部分敏感人群甚至出现红肿、发炎的严重问题。

NAO类摩擦材料虽用部分有机纤维，但为满足材料增强效果和热稳定需求，也在其中采用部分陶瓷类纤维，故同样存在着引起皮肤过敏的问题。随着人们对环保要求越来越高，这一问题正变得突出，因此，如何以合适的、不会刺激皮肤过敏的原料复合来制造摩擦材料，同时保持合适的强度、摩擦性能和热稳定性是研发环境友好型摩擦材料的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机纤维增强型摩擦材料，该摩擦材料不会刺激皮肤过敏，同时能保证足够的强度、耐磨性能和热稳定性能，且环境友好、不易生锈，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种有机纤维增强型摩擦材料，各组分所占质量百分比包括：芳纶2-4％，预氧丝3-6％，胶粉4-8％，树脂8-14％，氧化铝3-6％，石墨5-10％，调节剂5-10％，填料50-60％。

上述方案中，所述预氧丝经常规的硅烷偶联剂浸润处理和剪切备用，其长度为1-2mm，直径为10-20μm。

上述方案中，所述预氧丝为聚丙烯腈预氧丝；聚丙烯腈预氧丝由聚丙烯腈在空气介质下经预氧化而制成；属于用有机纤维加工生产碳纤维的初级产品，相对聚丙烯腈有更高的耐热性。

上述方案中，采用的纤维全部为有机柔性纤维，不含玻纤、人造岩棉、陶瓷纤维、类无机刚性纤维和金属纤维。

本发明通过研究发现，现有摩擦材料在制造、使用过程中导致人员皮肤过敏的原因在于玻纤类纤维(如玻璃纤维、人造岩棉、硅酸盐矿物纤维等)，其纤维直径一般在12um左右，呈刚性(见图1)，生产和使用过程产生的含纤维扬尘粘附到皮肤上，极易透过毛孔刺入皮肤，从而引起皮肤保护性应激反应。同时，本发明通过研究发现有机纤维具有很好的柔性，不会刺入皮肤，但其热稳定性差，400℃温度下的烧蚀量约为85％，其高温摩擦性能下降过快。目前也有采用有机纤维高温石墨化加工而成的碳纤维的技术方案，虽能解决材料的耐热性能，但失去了有机纤维的柔性(见图2)，同样存在刚性过高刺入皮肤导致过敏的问题。本发明采用的预氧丝(聚丙烯腈纤维高温碳化而成的预氧丝)，只对有机纤维表面进行碳化，大幅提高了纤维的耐热性(400度烧蚀量约20％)；同时其内核仍为有机纤维，保持了有机纤维的柔性，不会刺入皮肤引起过敏，可有效平衡皮肤刺激性和热稳定性。

上述方案中，所述调节剂为金属硫化物，但不仅仅局限为金属硫化物；用于稳定摩擦材料的热稳定性能。

上述方案中，所述调节剂可选用硫化钼、硫化铜、硫化锡、硫化铁、硫化亚铁铜、硫化锑等中的一种或几种。

优选的，所述金属硫化物采用硫化铜、硫化锑和硫化钼进行组合而成：硫化铜的熔点为220℃，硫化锑的熔点为550℃，在摩擦高温条件下起到无机粘接剂的效用，可有效平衡有机纤维的热分解而导致的摩擦磨损性能下降的问题，同时硫化钼作为高温润滑剂，可有效改善摩擦材料的高温磨损性能。

上述方案中，所述填料为硫酸钡、碳酸钙中的一种或两种。

上述方案中，采用的氧化铝用于调节摩擦材料的磨损性能；石墨用于调节摩擦材料的磨损性能。

上述方案中，树脂作为粘接剂，优选采用硼酸改性的硼改性酚醛树脂(硼酸改性酚醛树脂)，其耐氧化性能好，TGA(热重分析)测试其600℃残碳率为60-65％，比普通酚醛树脂高约50％，适合于本发明采用的全有机纤维体系。

上述方案中胶粉作为增韧剂，优选采用耐热性高的丁腈胶粉。

上述一种有机纤维增强型摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按配方要求称取各原料，各组分所占质量百分比包括：芳纶2-4％，预氧丝3-6％，胶粉4-8％，树脂8-14％，氧化铝3-6％，石墨5-10％，调节剂5-10％，填料42-60％。

2)将称取的原料投入犁耙式混料机中混合均匀，得混合原料；

3)将混合原料置于模具中进行热压成型；

4)将步骤3)所得成型产品置于烘箱中进行年深度交联固化处理，冷却得所述有机纤维增强型摩擦材料。

上述方案中，所述热压成型工艺条件为：压力为190-210kg/cm²，温度为150-160℃，保压时间为4-6min。

上述方案中，所述深度交联固化处理工艺为：由室温加热至145-150℃保温50-60min，继续升温至155-160℃保温50-60min，再升温至175-180℃保温5-6h；最后自然冷却至室温。

本发明采用预氧丝作为增强骨架材料，由于纤维表面光滑无分枝，与一起复合的粘接剂、调节剂等功能性组分的吸附性不好，不易使复合材料混拌均匀，工艺稳定性差，因此研究引入少量芳纶纤维进行辅助，芳纶纤维有很好的分枝和比表面积，可以辅助增强复合摩擦材料的混拌均匀性及原料分布的稳定性。

本发明提供了一种全新的摩擦材料配方体系，采用的增强纤维全部为有机纤维，利用芳纶纤维和预氧丝的特性，同时配合其他功能性组分制备所述摩擦材料；优选引入硫化铜作为调节剂，利用硫化铜的220℃低熔点特性，在200-300℃下所发生的化学反应起到无机粘接剂效用，可有效补偿有机纤维热分解所导致的摩擦材料性能下降的短板，同时优选硼酸改性的硼改性酚醛树脂，其耐氧化性能好，600℃残碳量比普通酚醛树脂高约50％；本发明得到的有机纤维增强型摩擦材料，完全不同于现有的无石棉摩擦材料、半金属摩擦材料或NAO类摩擦材料，不存在纤维引起的皮肤过敏问题，同时具有优良的热摩擦性能，解决了困挠摩擦材料行业多年的难题；可达到摩擦材料所需的各项性能要求，具有摩擦磨损性能优良、环境友好、不生锈的多重特点。

本发明的有益效果为：

1)本发明所述摩擦材料在生产和使用过程中，克服了无石棉摩擦材料等摩擦材料易引起皮肤过敏的问题，符合健康、环保的发展理念。

2)本发明摩擦材料经实车验证，具有工艺和产品性能稳定的特点，可适用于各种工况包括山区高温工作环境。

3)本发明摩擦材料不存在半金属材质摩擦材料易生锈的问题。

附图说明

图1为市售玻璃纤维的显微形态照片。

图2为高温石墨化加工而成的碳纤维的显微形态照片。

图3为本发明实施例1～3采用的预氧丝的500倍显微照片。

图4为本发明实施例1～3采用的芳纶的500倍显微照片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的预氧丝的长度为1-2mm，直径为10-20μm，其显微照片见图3；它由聚丙烯腈在空气介质下经预氧化而制成聚丙烯腈预氧丝，再浸润于硅烷偶联剂后经剪切而成；由南京纬达复合材料有限公司提供。

采用的芳纶由杜邦公司提供，其显微照片见图4。

采用的硼改性酚醛树脂经TGA(热重分析)测试其600℃残碳率为60-65％，比普通酚醛树脂高约50％；由济南圣泉海沃斯化工有限公司提供。

实施例1～3

一种有机纤维增强型摩擦材料，其制备方法包括以下步骤：

1)按表1所述配比要求称取各原料；

3)将混合原料置于模具中进行热压成型；压力为200kg/cm²，温度为150℃，保压时间为5分钟。

4)将步骤3)所得成型产品置于烘箱中，由室温加热至150℃保温1h，继续升温至160℃保温1h，再升温至180℃保温6h；最后自然冷却至室温取出，得所述有机纤维增强型摩擦材料。

对比例中采用聚丙烯腈纤维和纺纶制备摩擦材料，采用的原料配比见表1，制备方法同实施例1～3。

表1实施例1～3所述有机纤维增强型摩擦材料和对比例的原料配比

组成(质量百分比)	实施例1	实施例2	实施例3	对比例
					硼改性酚醛树脂	8	10	14	13
丁腈胶粉	8	5	4	4
					芳纶	4	2	2	2
预氧丝	3	6	4	0
					聚丙烯腈纤维	0	0	0	4
硫化钼	1	3	0	0
					硫化铜	7	2	6	6
硫化锑	2	0	2	2
					氧化铝	3	4	6	6
石墨	5	10	7	7
					硫酸钡	24	38	23	24
碳酸钙	35	20	32	32
					总计	100	100	100	100

将实施例1～3制备的有机纤维增强型摩擦材料和对比例所得摩擦材料分别应用于制动系统，采用汽车制动衬片GB 5763-2008标准进行测试，结果如表2所示。其中现通用技术是指典型的汽车厂原装无石棉摩制动摩擦材料性能。

表2实施例1～3所得有机纤维增强型摩擦材料和对比例的性能测试结果

测试结果表明本实施例制备的摩擦材料具有较好的摩擦磨损性能、热衰退性能和强度，性能同典型的汽车厂原装摩擦片相当，高温摩擦磨损性能明显优于对比例中的聚丙烯腈纤维所制的材料，非常适合用于制动用摩擦材料。

皮肤刺激性试验

采用实施例1～3所述摩擦材料的原料进行皮肤刺激性测试，具体步骤如下：从生产车间随机确定操作工10人，5男5女，职能部门员工10人，5男5女，共计20人参与试验。20人分别裸手(手上皮肤无任何护具)插入已按配比混好材料的料桶，搅动3周(圆周)，5小时后查询参试人员手上皮肤感觉。调查结果如下表3：

表3实施例1～3所得有机纤维增强型摩擦材料的皮肤刺激性测试结果

由表3可以看出，本发明采用的原料体系无人出现皮肤刺激过敏现象，而现有通用技术和配方则高达91％人员出现受刺激反馈，其中34％的人员出现较明显的过敏反馈。证明本发明可有效解决对皮肤刺激的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种有机纤维增强型摩擦材料，其特征在于，各组分所占质量百分比包括：芳纶 2-4%，预氧丝3-6%，胶粉4-8%，树脂8-14%，氧化铝3-6%，石墨5-10%，调节剂5-10%，填料50-60%；

所述预氧丝经硅烷偶联剂浸润和剪切备用，其长度为1-2mm，直径为10-20μm；

所述树脂为硼改性酚醛树脂，经TGA测试其在600℃下的残碳率为60-65%。

2.根据权利要求1所述的有机纤维增强型摩擦材料，其特征在于，所述预氧丝为聚丙烯腈预氧丝。

3.根据权利要求1所述的有机纤维增强型摩擦材料，其特征在于，所述调节剂为硫化钼、硫化铜、硫化锑、硫化锡、硫化铁、硫化亚铁铜中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的有机纤维增强型摩擦材料，其特征在于，所述调节剂由硫化钼、硫化铜、硫化锑组合而成。

5.根据权利要求1所述的有机纤维增强型摩擦材料，其特征在于，所述填料为硫酸钡、碳酸钙中的一种或两种。

6.权利要求1-5任一项所述有机纤维增强型摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）按配方要求称取各原料，各原料所占质量百分比包括：芳纶 2-4%，预氧丝3-6%，胶粉4-8%，树脂8-14%，氧化铝3-6%，石墨5-10%，调节剂5-10%，填料50-60%；

2）将称取的原料投入混料机中混合均匀，得混合原料；

3）将所得混合原料置于模具中进行热压成型；

4）将步骤3）所得成型产品置于烘箱中进行深度交联固化处理，冷却得所述有机纤维增强型摩擦材料。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述热压成型工艺条件为：压力为190-210kg/cm²，温度为150-160℃，保压时间为4-6min。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述深度交联固化处理工艺为：由室温加热至145-150℃保温50-60min，继续升温至155-160℃保温50-60min，再升温至175-180℃保温5-6h；最后自然冷却至室温。