CN107057640B

CN107057640B - 一种耐热芳纶浆粕摩擦材料、用其制造的刹车片及其刹车片的制备方法

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Publication number: CN107057640B
Application number: CN201610979491.8A
Authority: CN
Inventors: 郭辉; 梁文耀
Original assignee: Shenzhen Selen Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Xinlun New Material Co.,Ltd.
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2019-10-29
Anticipated expiration: 2036-11-08
Also published as: CN107057640A

Abstract

本发明公开了一种耐热芳纶浆粕摩擦材料，包含如下材料：粘结剂、增强纤维、填料和摩擦性能调节剂，增强纤维包含聚吡咯改性的芳纶浆粕。本发明的摩擦材料在很宽的温度范围内具有良好的导热和散热能力，由本发明摩擦材料制备的刹车片的抗热衰退、抗热膨胀性能强，且摩擦系数稳定，磨损率低。本发明耐热芳纶浆粕刹车片的制备方法包括，用吡咯单体制备改性芳纶浆粕、与粘结剂、增强纤维、填料和摩擦性能调节剂混合、热压成型得到刹车片，本发明的制备方法简单、环保。

Description

一种耐热芳纶浆粕摩擦材料、用其制造的刹车片及其刹车片的制备方法

技术领域

本发明属于刹车片领域，具体涉及一种无石棉有机物摩擦材料以及用其制造的刹车片。

背景技术

刹车片一般由钢板、粘接隔热层和摩擦块构成，刹车时摩擦块被挤压在刹车盘或刹车鼓上产生摩擦，从而达到令车辆减速刹车的目的。摩擦块主要由摩擦材料和粘合剂组成，其中，摩擦材料是刹车片制造和使用过程中的重要组成部分。石棉摩擦材料是由石棉纤维添加适量填料，以树脂为黏结剂，采用热压工艺制成的摩擦材料，由于石棉致癌已不满足现代汽车工业的要求。20世纪70年代，以钢纤维为主要石棉代替材料的半金属摩擦材料在国外被首先采用，80-90年代初，半金属摩擦材料已占据了整个汽车盘式制动片领域，但半金属摩擦材料存在密度高、易生锈、制动噪音大和损伤对偶等缺陷，限制了其进一步的发展。无石棉有机物摩擦材料由日本Akebono公司最先研制成功，采用陶瓷、矿物纤维或耐高温的有机纤维替代钢纤维，克服了传统半金属摩擦材料的缺点，是一种新型的高性能汽车制动摩擦材料。无石棉有机物摩擦材料主要包括陶瓷纤维摩擦材料、碳纤维增强摩擦材料和芳纶纤维增强摩擦材料，其中陶瓷纤维摩擦材料的摩擦磨损性能研究大多局限于特定的实验条件，碳纤维增强摩擦材料因碳纤维生产成本高而影响了其广泛应用，芳纶纤维增强摩擦材料具有与半金属摩擦材料相近的耐磨性，被认为是今后摩擦材料发展的主要方向。

芳纶浆粕是近年来发展起来的芳纶纤维表面原纤化产品，其独特的表面结构极大地提高了对混合物的抓附力，因此非常适合作为一种增强纤维应用于摩擦产品中。目前，芳纶浆粕(PPTA)以其环保、高模量、高强度、耐高温、耐磨损及耐老化、尺寸稳定等特点已成为石棉的代替品，事实证明，通常只需添加不到5％的芳纶浆粕，即可得到强度相当于50～60％石棉纤维增强的产品。但普通芳纶浆粕导热系数低，由其制备的刹车片导热性能不良，刹车过程中产生的热量不能及时地扩散出去，易产生热衰退、热膨胀现象。

发明内容

本发明的％是指质量百分含量。

本发明针对普通芳纶浆粕刹车片导热性能不良的问题，提供一种耐热芳纶浆粕摩擦材料，该摩擦材料在很宽的温度范围内具有良好的导热和散热能力，所制备的刹车片抗热衰退、抗热膨胀性能强，且摩擦系数稳定，磨损率低。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种耐热芳纶浆粕摩擦材料，包含：粘结剂8％-18％、增强纤维10％-25％、填料60％-80％和摩擦性能调节剂1％-8％，增强纤维包含聚吡咯改性的芳纶浆粕。

所述聚吡咯改性的芳纶浆粕是指在芳纶浆粕的表面包覆有聚吡咯。

所述聚吡咯在芳纶浆粕表面的包覆率为2％～8.5％。

所述聚吡咯改性的芳纶浆粕的含量为摩擦材料总质量的5～20％，优选聚吡咯改性的芳纶浆粕的含量为摩擦材料总质量的5～15％。

所述粘结剂包含酚醛树脂、腰果油改性酚醛树脂中的一种或两种。

所述增强纤维还包含碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；

所述填料包含钛酸钾晶须、氧化锆、氧化镁、硫酸钡、天然石墨、蛭石、碳酸钙中的三种或三种以上；

所述摩擦性能调节剂包含硫化锑、橡胶、腰果油摩擦粉中的两种或两种以上。

一种耐热芳纶浆粕刹车片，包含上述的耐热芳纶浆粕摩擦材料。

一种耐热芳纶浆粕刹车片的制备方法，包含以下步骤：

(1)制备改性芳纶浆粕：

a.将聚合引发剂溶解在水中，得到溶液A；

b.将吡咯单体溶解在水中，再加入芳纶浆粕，得到混合液B；

c.向混合液B中加入浓盐酸和模板剂，再滴加溶液A，直至溶液A滴加完毕，反应一定时间，得到反应产物；

d.将反应产物抽滤，用蒸馏水反复洗涤多次至中性，真空干燥，将干燥后的改性芳纶浆粕经过开松机开松，去除杂质得到改性芳纶浆粕；

(2)混料、热压成型：将粘结剂、增强纤维、填料和摩擦性能调节剂混合，将混合好的摩擦材料与涂完胶的刹车片背板进行热压，得到刹车片的半成品；在热处理箱中对刹车片半成品进行热处理，得到刹车片成品。

所述聚合引发剂包含(NH₄)₂S₂O₈、K₂Cr₂O₇、KIO₃、FeCl₃·6H₂O中的一种。

所述模板剂包含苄基三乙基氯化铵、十六烷基三甲基溴化胺、十二烷基三甲基氯化胺中的一种。

所述聚合引发剂：吡咯单体：浓盐酸：模板剂：芳纶浆粕的质量比为(0.1～0.4)：(2～12)：(0.1～0.2)：(1～2)：(20～40)。

所述步骤(1)中步骤d的真空干燥温度为30～60℃，干燥时间为12～24h，进一步优选真空干燥温度为40～50℃，干燥时间为16～24h。

抽滤所用滤网的目数为100目。

本发明采用聚吡咯改性芳纶浆粕，芳纶浆粕表面有大量的强极性胺基基团，可与模板剂中的氮原子发生相互作用，诱导吡咯单体均匀地吸附在芳纶浆粕表面，在引发剂作用下，吡咯单体聚合，从而在芳纶浆粕表面形成具有规整稳定结构的聚吡咯，可大大提高芳纶浆粕的耐热性能和导热性能。制备摩擦材料时，芳纶浆粕原纤化程度较高，在材料中形成良好的网络结构，能与树脂及填料充分接触，抱合成整体，可提高刹车片的机械强度，且在芳纶浆粕上包覆聚吡咯后，网络结构的导热性能大大提高，可将摩擦材料在刹车过程中产生的热量及时传递出去，使摩擦材料在很宽的温度范围内具有良好的导热和散热能力，从而提高刹车片的抗热衰退、抗热膨胀性能，且摩擦系数稳定，磨损率降低。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明及其有益效果作进一步详细地描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

1、改性芳纶浆粕制备的实施例

实施例1～5、对比实施1’、对比实施例1’’和对比实施例1’’’按表1的配方制备改性芳纶浆粕，分别得到芳纶浆粕P1～P8：

(1)将聚合引发剂A溶解在10L蒸馏水中，得到溶液Ⅰ；

(2)将吡咯单体加入24L蒸馏水中，以300rpm的速度搅拌0.5h，再加入芳纶浆粕，以300rpm的速度搅拌1h，制得混合液Ⅱ；

(3)向混合液Ⅱ中加入浓盐酸和模板剂B，再缓慢滴加溶液Ⅰ，直至溶液Ⅰ全部滴加完毕，室温反应24h，得到反应产物；

(4)将反应产物经100目滤网抽滤，用蒸馏水反复洗涤多次至中性，在温度T℃下真空干燥时间t h，真空度小于-0.09MPa，干燥后的改性芳纶浆粕经过打手直径为610mm和打手转速为480rpm的豪猪式开松机开松，去除杂质得到改性芳纶浆粕。

聚合物引发剂：A-1为FeCl₃·6H₂O；A-2为K₂Cr₂O₇；A-3为KIO₃；A-4为(NH₄)₂S₂O₈；

吡咯单体：B-1；

浓盐酸：C-1；

模板剂：D-1苄基三乙基氯化铵；D-2十六烷基三甲基溴化胺；D-3十二烷基三甲基氯化胺；

芳纶浆粕：E-1；

表1聚吡咯改性芳纶浆粕的配方单位：g

所制得的改性芳纶浆粕测试方法如下：

(1)本发明制备的改性芳纶浆粕的纤维平均长度、比表面积、加拿大标准游离度的测试方法见表2；

表2改性芳纶浆粕的测试方法

测试项目	试验方法/标准
		纤维平均长度	GB/T 29779-2013纸浆纤维长度的测定非偏振光法
比表面积	GB/T 19587-2004气体吸附BET法测定固态物质比表面积
		加拿大标准游离度	GB/T 12660-2008纸浆滤水性能的测定“加拿大标准”游离度法

(2)聚吡咯改性芳纶浆粕的包覆率，由公式(1)、(2)计算得到：

定义：聚吡咯的包覆率＝聚吡咯的质量/聚吡咯改性芳纶浆粕的总质量

其中，芳纶浆粕的C/N质量比为6/1，聚吡咯的C/N质量比为24/7，改性芳纶浆粕的C/N质量比可由元素分析仪测定。

表3改性芳纶浆粕的性能参数

2、刹车片的制备实施例

实施例Ⅰ～Ⅶ、对比实施例的制备方法如下：

将组分F～K按表4所列的份数加入混料机中，以1000rpm的速度搅拌15min，混合均匀；然后将混合好的摩擦材料及涂完胶的刹车片背板进行热压，热压温度为175℃，热压时间为200s，热压压力为20MPa，得到刹车片的半成品；在热处理箱中对刹车片半成品进行热处理，先在200℃烘烤3h，然后在250℃烘烤2h，得到刹车片成品。

样品成分如下：

F-1酚醛树脂；F-2腰果油改性酚醛树脂。

P-1、P-2、P-3、P-4、P-5、P-6、P-7、P-8分别为不同条件下制备的聚吡咯改性的芳纶浆粕。

G-1碳纤维；G-2：陶瓷纤维；G-3玄武岩纤维。

H-1钛酸钾晶须；H-2氧化锆；H-3硫酸钡；H-4天然石墨；H-5蛭石；H-6碳酸钙。

K-1硫化锑；K-2橡胶；K-3腰果油摩擦粉。

表4刹车片摩擦材料的配方

刹车片的测试项目、方法、性能指标如表5所示，本发明所制得的刹车片性能如表6所示。

表5刹车片的测试项目、测试方法和性能指标

表6刹车片的性能

从表3可知，芳纶浆粕经聚吡咯改性后，其平均长度、比表面积和加拿大标准游离度变化较小，因此改性芳纶浆粕仍然具有优良的机械性能和高抓附力。另外，改性芳纶浆粕P-6、P-7的聚吡咯包覆率近似为0和0.8％，这是因为本发明的改性芳纶浆粕是在吡咯单体、模板剂和聚合引发剂的共同作用下制备而成，当缺乏单体时，则不能在芳纶浆粕表面生成聚吡咯，当缺少模板剂时，聚吡咯在芳纶浆粕表面的包覆率极低。

从表6可知，本发明可通过调节摩擦材料的成分和含量来优化刹车片的剪切强度、冲击强度、热膨胀率、压缩应变、摩擦系数和磨损率。在实施例Ⅰ～Ⅶ中，当聚吡咯在芳纶浆粕表面的包覆率为2～8.5％时，所制备的刹车片的压缩应变小、热膨胀率低、摩擦系数稳定性好、磨损率低、导热系数较高，这是因为芳纶浆粕原纤化程度较高，在材料中形成良好的网络结构，能与树脂及填料充分接触，抱合成整体，可提高刹车片的机械强度，且在芳纶浆粕上包覆聚吡咯后，网络结构的导热性能大大提高，可将摩擦材料在刹车过程中产生的热量及时传递出去，使摩擦材料在很宽的温度范围内具有良好的导热和散热能力，从而提高刹车片的抗热衰退、抗热膨胀性能，且摩擦系数稳定，磨损率降低。

当聚吡咯在芳纶浆粕表面的包覆率大于8.5％时，由对比实施例ⅠA可知，刹车片的压缩应变增大、摩擦系数稳定性变差、磨损率高，这是因为过多的聚吡咯粘结在芳纶浆粕的表面，影响芳纶浆粕与其他组分的结合，导致刹车片的整体强度下降，进而出现摩擦性能变差的现象。当聚吡咯在芳纶浆粕表面的包覆率小于2.0％时，由对比实施例ⅠB～ⅠD可知，所制备的刹车片的热膨胀率、高温压缩应变、摩擦系数稳定性和磨损率均表现较差，这是由于摩擦材料在高温时的导热性差，刹车片出现了热衰退、热膨胀效应，无法保持稳定的摩擦系数和较低的磨损率，导致高温摩擦性能较差。

另外，从实施例Ⅰ～Ⅶ可知，当改性芳纶浆粕的用量为摩擦材料总质量的5～20％时，刹车片的高温摩擦性能较好。从对比实施例ⅦA和ⅦB可知，当改性芳纶浆粕的用量占摩擦材料的总质量比小于5％或大于20％时，刹车片的高温摩擦性能较差，这是因为，当改性芳纶浆粕在刹车片中的含量过低时，无法起到增强和导热的作用，而当改性芳纶浆粕在刹车片的含量过高时，芳纶浆粕之间相互团聚在一起，与摩擦材料其他组分之间的结合较差，所制备的刹车片成分不均匀，导致高温摩擦性能较差。

Claims

1.一种耐热芳纶浆粕摩擦材料，其特征在于，所述摩擦材料包含：粘结剂8％-18％、增强纤维10％-25％、填料60％-80％和摩擦性能调节剂1％-8％，所述增强纤维包含聚吡咯改性的芳纶浆粕，所述聚吡咯改性的芳纶浆粕通过以下方法制备：

a.将聚合引发剂溶解在水中，得到溶液A；

b.将吡咯单体溶解在水中，再加入芳纶浆粕，得到混合液B；

2.根据权利要求1所述的耐热芳纶浆粕摩擦材料，其特征在于，所述聚吡咯改性的芳纶浆粕是指在芳纶浆粕的表面包覆有聚吡咯。

3.根据权利要求2所述的耐热芳纶浆粕摩擦材料，其特征在于，所述聚吡咯在芳纶浆粕表面的包覆率为2％～8.5％。

4.根据权利要求1～3任一项所述的耐热芳纶浆粕摩擦材料，其特征在于，所述聚吡咯改性的芳纶浆粕含量为摩擦材料总质量的5～20％。

5.一种耐热芳纶浆粕刹车片，其特征在于，包含权利要求1～3任一项所述的耐热芳纶浆粕摩擦材料。

6.一种耐热芳纶浆粕刹车片的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)制备改性芳纶浆粕：

a.将聚合引发剂溶解在水中，得到溶液A；

b.将吡咯单体溶解在水中，再加入芳纶浆粕，得到混合液B；

(2)混料、热压成型：将粘结剂、增强纤维、填料和摩擦性能调节剂混合，将混合好的摩擦材料与涂完胶的刹车片背板进行热压，得到刹车片的半成品；在热处理箱中对刹车片半成品进行热处理，得到刹车片成品；

7.根据权利要求6所述的一种耐热芳纶浆粕刹车片的制备方法，其特征在于，所述聚合引发剂包含(NH₄)₂S₂O₈、K₂Cr₂O₇、KIO₃、FeCl₃·6H₂O中的一种。

8.根据权利要求6所述的一种耐热芳纶浆粕刹车片的制备方法，其特征在于，所述聚合引发剂：单体：浓盐酸：模板剂：芳纶浆粕的质量比为(0.1～0.4)：(2～12)：(0.1～0.2)：(1～2)：(20～40)。

9.根据权利要求6所述的一种耐热芳纶浆粕刹车片的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中步骤d的真空干燥温度为30～60℃，干燥时间为12～24h。