CN106433020B - 一种二元环保聚醚醚酮基刹车片材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二元环保聚醚醚酮基刹车片材料，该刹车片材料的组成及各组分的体积分数为：聚醚醚酮70~95份、表面化学改性氮化碳5~30份；表面化学改性氮化碳为经过浓氨水改性处理的氮化碳。本发明还公开了该刹车片材料的制备方法。本发明中的刹车片材料为二元复合结构，无需任何粘结剂、增韧剂和金属添加剂等，环境友好，落尘少且材料比重小。制动过程中，该材料表现出高耐磨性，摩擦系数较高且稳定，无制动尖叫现象，适合制备高可靠、长寿命的刹车片材料。该复合材料制备工艺简单，可加工性强，可实现刹车片的规模化和高效率生产。此高性能复合材料可广泛应用于汽车、风电、采矿机械和运动器械等领域。

Description

一种二元环保聚醚醚酮基刹车片材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种二元环保聚醚醚酮基刹车片材料及其制备方法，具体地说是将表面化学改性的氮化碳C3N4与聚醚醚酮PEEK树脂共混，该复合材料可用于高性能刹车片材料的工业化生产，属于高分子复合材料技术及应用领域。
背景技术
石棉基刹车片由于其在制动过程中会向环境中释放石棉颗粒，对人体健康产生危害，因此已经被明令禁止使用。目前常用的刹车片材料主要可分为半金属基刹车片和少金属基刹车片两类，但各自都存在着缺陷和不足。半金属基刹车片中，金属材料的大量加入显著提高其导热性但同时比重也相应增大，对对偶的损伤增大，使对偶磨损生锈、出现低频噪音等问题。相比于半金属基刹车片，少金属基刹车片大幅降低钢纤维含量、增加矿物纤维和各种功能填料，其缺点在于产品的磨损大，使用寿命短，易出现制动噪音，影响车辆制动的舒适性。因此，设计制备新型刹车片材料具有重要意义。
聚醚醚酮（PEEK）是在主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元构成的高分子聚合物，具有优异的高温力学性能和化学稳定性，属于高性能塑料，具有耐高温、耐化学腐蚀和易加工等特点，熔点为334℃，热变形温度高达316℃，长时间服役温度为250℃，瞬时使用温度可达300℃。氮化碳是一种硬度可以和金刚石相媲美而在自然界中尚未被发现的新型共价化合物，其热重分析表明在600℃空气气氛中氮化碳仍可稳定存在，证明它是一种耐高温、不易分解的材料。同时，在传统的溶剂中（包括水、乙醇、DMF、THF、乙醚和甲苯等），氮化碳没有表现出可溶性和反应活性，证明它在有机溶剂中的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长寿命、高可靠、环境友好的二元环保聚醚醚酮基刹车片材料及其制备方法。
基于PEEK和C3N4材料的特点，本发明将两种材料复合。首先，两种材料均表现出良好的耐温性能，作为刹车片材料在某些苛刻条件下可以有效避免“热衰退”现象的发生。同时，由于氮化碳结构中含有氢键和末端氨基，与聚醚醚酮复合时能够表现出很好的相容性和交联性，避免了粘结剂的使用。利用浓氨水对氮化碳进行表面化学改性，进一步缩短其层间距离，大幅提高其耐磨性能。改性氮化碳与聚醚醚酮共混后所得复合材料同时具有较高的摩擦系数和高的耐磨性能，且摩擦系数稳定。利用该材料制动时，材料应答性好，摩擦过程平稳，制动无尖叫，而且易于实现刹车片的工业化生产，生产效率和成品率高，生产成本低。
一种二元环保聚醚醚酮基刹车片材料，其特征在于该刹车片材料的组成及各组分的体积分数为：聚醚醚酮（PEEK）70~95份、表面化学改性氮化碳（C3N4） 5~30份；所述表面化学改性氮化碳为经过浓氨水改性处理的氮化碳。
如上所述二元环保聚醚醚酮基刹车片材料的制备方法，其特征在于该制备方法的具体步骤为：
1）将氮化碳粉体与浓氨水混合，常温搅拌3~6h，然后离心、干燥即得表面化学改性氮化碳；
2）将表面化学改性氮化碳置于无水乙醇中常温搅拌分散1~3h，然后加入聚醚醚酮粉体分散1~3h，乙醇挥发得到干燥的混合物；
3）将干燥的混合物转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出，然后将熔融的挤出料经注射机注塑成型。
所述氮化碳与浓氨水的质量比为1:1~1:1.5。
步骤1）中所述离心的条件为：转速2000~4000rpm，时间1~3h；所述干燥的条件为：温度50~100℃，时间12~24h。
步骤2）中分散时搅拌的转速为1000~3000rpm。
所述双螺杆挤出机一区加热温度370~375℃，二区温度380~385℃，三区温度390~395℃，四区温度400~405℃，螺杆转速为100~300rpm；所述注射机的注射模具温度为100~200℃，注射筒温度350~450℃，注射背压1~5MPa，注射压力100~200MPa。
本发明与现有技术相比具有的优点：
1、相比目前应用的其他刹车片材料（普遍含有十几种成分，如CN 101613516A，CN101576135A，CN 102191016A和CN 101550976A等），本发明仅由两种材料共混而成，无需添加任何粘结剂、增韧剂和金属添加剂，制动时向环境排放少，具有环境友好的特点。
2、本发明所述二元复合刹车片材料以热塑性PEEK为基体，可采用注塑的工艺高效生产刹车片，避免了传统酚醛树脂材料需要固化的繁琐操作；利用本发明所述二元复合材料制备刹车片，生产效率和成品率高、加工成本低，因此更易实现大规模工业化生产。
3、本发明二元复合刹车片材料具有摩擦系数较高且稳定、磨损率低、耐高温的特点，可广泛应用于汽车、风电、采矿机械和运动器械等领域的制动机构，具有广泛的应用和市场前景。
4、本发明所述二元复合刹车片材料表现出优异的摩擦学性能，体现了结构简单、环境友好、摩擦系数稳定、使用寿命长、可靠性高、摩擦应答快和制动无尖叫等特点。在制动过程中，在金属对偶表面可迅速形成均匀稳定的摩擦膜，从而对刹车片材料本身和对偶具有很好的保护作用。
附图说明
图1为实施例1和实施例3所用材料的XRD谱图的比较。
图2为实施例1-5的摩擦系数随时间变化的比较。其中，摩擦性能测试是采用高速环块摩擦磨损试验机，在载荷50N、线速度1m/s、测试时间3h的条件下进行的。实施例3的摩擦系数稳定在0.61，相比实施例1和实施例5，其摩擦系数分别提高了60%和40%，且更趋稳定。
图3为实施例1-5耐磨性能的比较。实施例3的磨损率为4.0×10-7mm3/Nm。相比其他四种材料具有更高的耐磨性能。其中，相比实施例1和实施例5其耐磨性能分别提高了92%和70%。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做详细描述，但实施例不用于限制本发明，凡采用本发明及相似方法的，均列入本发明保护范围。
实施例1
将PEEK粉料置于150℃鼓风干燥箱中干燥3h后，转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出；将熔融的PEEK挤出料经注射机注塑成型。
聚醚醚酮（PEEK）为英国威格斯（Victrex）公司生产，牌号为PEEK 450PF，平均粒度为50μm。
所用双螺杆挤出机是由德国Berstorff公司生产的ZE25Ax44D挤出机。
双螺杆挤出机一区加热温度370~375℃，二区温度380~385℃，三区温度390~395℃，四区温度400~405℃，螺杆转速为200rpm；注射机的注射模具温度为180℃，注射筒温度385℃，注射背压4MPa，注射压力180MPa。
实施例2
将PEEK粉料置于150℃鼓风干燥箱中干燥3h以上；筛分的粉体C3N4在90℃下干燥5h以上，然后进行复合材料的制备。方法如下：一、将体积分数为90份的PEEK和10份粉体C3N4置于双螺杆挤出机中熔融混合并挤出；二、将熔融混合的挤出料经注射机注塑成型。其中，挤出和注塑参数与实施例1相同。
实施例3
将PEEK粉料置于150℃鼓风干燥箱中干燥3h以上；筛分的粉体C3N4在90℃下干燥5h以上，然后进行复合材料的制备。方法如下：一、将体积分数为10份的粉体C3N4常温下置于浓氨水中改性、离心、干燥；二、将体积分数为90份的PEEK和改性干燥后的粉体C3N4置于双螺杆挤出机中熔融混合并挤出；三、将熔融混合的挤出料经注射机注塑成型。其中，挤出和注塑参数与实施例1相同。
实施例4
将PEEK粉料置于150℃鼓风干燥箱中干燥3h以上；短切碳纤维SCF（单丝直径为5~30μm，长度为50~300μm）在90℃下干燥5h以上，然后进行复合材料的制备。方法如下：一、将体积分数为90份的PEEK和10份短切碳纤维SCF置于双螺杆挤出机中熔融混合并挤出；二、将熔融混合的挤出料经注射机注塑成型。其中，挤出和注塑参数与实施例1相同。
实施例5
将PEEK粉料置于150℃鼓风干燥箱中干燥3h以上；短切碳纤维SCF在90℃下干燥5h以上，然后进行复合材料的制备。方法如下：一、将体积分数为10份的短切碳纤维SCF常温下置于浓氨水中改性、离心、干燥；二、将体积分数为90份的PEEK和上述改性干燥的短切碳纤维SCF置于双螺杆挤出机中熔融混合并挤出；三、将熔融混合的挤出料经注射机注塑成型。其中，挤出和注塑参数与实施例1相同。

Claims (4)

1.一种二元环保聚醚醚酮基刹车片材料，其特征在于该刹车片材料的组成及各组分的体积分数为：聚醚醚酮70~95份、表面化学改性氮化碳5~30份；所述表面化学改性氮化碳为经过浓氨水改性处理的氮化碳。
2.如权利要求1所述二元环保聚醚醚酮基刹车片材料的制备方法，其特征在于该制备方法的具体步骤为：
1）将氮化碳粉体与浓氨水混合，常温搅拌3~6h，然后离心、干燥即得表面化学改性氮化碳；所述氮化碳与浓氨水的质量比为1:1~1:1.5；
2）将表面化学改性氮化碳置于无水乙醇中常温搅拌分散1~3h，然后加入聚醚醚酮粉体分散1~3h，乙醇挥发得到干燥的混合物；
3）将干燥的混合物转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出，然后将熔融的挤出料经注射机注塑成型；所述双螺杆挤出机一区加热温度370~375℃，二区温度380~385℃，三区温度390~395℃，四区温度400~405℃，螺杆转速为100~300rpm；所述注射机的注射模具温度为100~200℃，注射筒温度350~450℃，注射背压1~5MPa，注射压力100~200MPa。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤1）中所述离心的条件为：转速2000~4000rpm，时间1~3h；所述干燥的条件为：温度50~100℃，时间12~24h。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤2）中分散时搅拌的转速为1000~3000rpm。
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