CN107163498B - 一种稀土氯化物改性天然纤维及其在制备汽车制动材料上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种稀土氯化物改性天然纤维及其在制备树脂基汽车制动材料上的应用。本发明采用稀土氯化物改性剂对天然纤维进行改性，不仅可有效改善天然纤维与树脂基体间的界面粘结性能，同时还可大幅提高天然纤维的耐热性能；再将所得改性天然纤维与酚醛树脂、摩擦性能调节剂经热压成型，可获得具有极佳摩擦磨损性能的资源节约型汽车制动材料。本发明工艺简单、成本低，利用所得稀土改性天然纤维制备的树脂基制动材料具有优异的摩擦磨损性能，是一种资源节约型制动摩擦材料，具有良好的应用前景。

Description

一种稀土氯化物改性天然纤维及其在制备汽车制动材料上的 应用

技术领域

本发明属于材料学领域，具体涉及一种稀土氯化物改性天然纤维及其在制备汽车制动材料上的应用。

背景技术

21世纪汽车发展的趋势是高速、环保和节能，因此对摩擦制动材料提出了更高的要求。天然纤维增强树脂基复合材料作为一类顺时而生的环保新材料，是国内外近年来研究的热点，我国已将植物纤维塑料复合材料项目列入国家攻关项目和高技术新材料的课题。天然纤维具有较高的比强度和比模量，可生物降解，适合作聚合物基复合材料的增强体，在非结构件和半结构件应用领域具有较强的竞争力。采用原料丰富、成本低廉、可自然降解、比强度和比模量高的天然纤维作为新型树脂基复合材料增强材料具有较高的性价比。

由于天然纤维素大分子链之间及其内部强烈的氢键作用，使天然纤维表现出较强的极性和亲水性。而亲水性纤维与憎水性的聚合物基体难以相容，故未经处理的纤维的吸湿性、界面黏合性极差，这使得应力在界面不能有效地传递，在摩擦过程中纤维会发生剥落，影响复合材料的摩擦学性能。其次，天然纤维耐热性不佳也制约其成为高性能复合材料的增强相。天然纤维与树脂基体界面改性的研究及如何有效提高天然纤维的耐热性已然成为天然纤维增强树脂基复合材料性能提升的关键点。

为了得到性能优良、符合要求的天然纤维增强复合材料，众多学者从解决天然纤维与树脂基体之间的相容性问题入手研究，提出了对天然纤维通过物理或化学的方法进行改性以优化界面结合。然而，现有的这些改性方法虽能在一定程度上改善天然纤维与树脂基体间的界面粘结性能，但尚未有一种可有效改善天然纤维与基体间的界面粘结性能同时又能大幅提高天然纤维耐热性能的改性方法，限制了天然纤维在高性能汽车制动材料上的应用。

稀土具有独特的4f电子结构、丰富的能级跃迁、优异的界面性能等特点，是我国极其重要的战略资源，应用于复合材料中可起到增韧、增强、改善界面性能等作用。本发明首次将稀土氯化物用于改性天然纤维，从而在改善天然纤维与树脂基体间的界面粘结性能同时提高天然纤维的耐热性能，进而大幅提高制动材料的摩擦学性能，尤其是高温摩擦学性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种稀土氯化物改性天然纤维及其在制备汽车制动材料上的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个目的是保护一种稀土氯化物改性天然纤维，其是采用稀土氯化物改性剂对天然纤维进行改性处理，即将天然纤维在稀土氯化物改性剂中浸泡0.5~4h，取出后于80~140℃烘箱中烘干1~3h而制成。

所述天然纤维包括甘蔗渣纤维、麻纤维、竹纤维、稻秸秆纤维中的一种或几种。

所述稀土氯化物改性剂由稀土氯化物和无水乙醇组成，其中稀土氯化物的质量浓度为2~20%；所述稀土氯化物为氯化镧或氯化铈中的一种或两种。

本发明的第二个目的是保护所述稀土氯化物改性天然纤维在制备汽车制动材料上的应用，即将所述稀土氯化物改性天然纤维作为增强相用于制备汽车制动摩擦材料。

本发明的第三个目的是保护所述汽车制动材料的制备方法，其是将稀土氯化物改性天然纤维与酚醛树脂、摩擦性能调节剂通过热压成型的方法制成汽车制动摩擦材料；

其中所用各原料按重量份计为：稀土氯化物改性天然纤维5~15份、酚醛树脂15~25份、摩擦性能调节剂60~80份。

所述摩擦性能调节剂包括氧化铝、重晶石、铜粉、轮胎粉、石墨、长石粉、叶蜡石粉、蛭石、粉煤灰、硬脂酸锌中的一种或几种。

其具体包括如下步骤：

1）将酚醛树脂与摩擦性能调节剂烘干后，放入混料机中以200~2830r/min的转速共混5~15min，然后投入稀土氯化物改性天然纤维，继续共混5~10min；

2）将所得混合物料放入150~160℃热压模具模腔内，在10~25MPa压力下保温热压处理5~10min；在热压开始的10~60s内必须打开模腔放气3~8次；

3）将热压成型后的制品在烘箱中，30min内升温到160℃，保温12h，然后随炉降温冷却，得到成品。

所述混料机为在水平轴线的圆形桶中间横轴上，设计有多把犁刀，其转动使混料在桶中整个空间运动；在桶的一侧设计有高速搅刀，用于进一步提高混料效率和对混料中的团块进行破碎。

本发明的显著优点在于：

（1）本发明利用稀土氯化物对天然纤维进行改进，一方面可解决现有技术中天然纤维与树脂基体间界面相容性差，应力在界面不能有效地传递，而使所得复合材料的摩擦学性能不佳的问题；另一方面还可以解决现有天然纤维耐热性能差，使其增强的复合材料高温性能不佳的问题。

（2）采用本发明稀土氯化物改性天然纤维制备汽车制动材料，可大幅提高纤维增强树脂基复合材料的摩擦学性能，获得制动性能优良、易于生物降解的资源节约型制动摩擦材料。

（3）本发明不仅可推动高性能天然纤维增强树脂基制动材料的发展，还能拓展稀土的应用领域，推动中国稀土工业的可持续发展。

附图说明

图1为经改性处理与未经改性处理竹纤维的热重分析曲线。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

1）将氯化镧溶于无水乙醇中配成改性剂，其中氯化镧的质量浓度为20%；将竹纤维在改性剂中浸泡0.5h后取出，于100℃烘箱中烘干1h，制成稀土氯化镧改性竹纤维；

2）将25重量份酚醛树脂在60℃下烘干0.5h；将25重量份氧化铝、15重量份铜粉、20重量份重晶石、5重量份橡胶粉、3重量份石墨在120℃下烘干1h；然后将其放入混料机中，以2830r/min的转速共混5min，再投入5重量份稀土氯化镧改性竹纤维，继续共混10min出料；

3）将所得混合物料放入160℃热压模具模腔内，在10MPa压力下保温热压处理7min；在热压开始的10～60s内打开模腔放气6次；

4）将热压成型后的制品在烘箱中，30min内升温到160℃，保温12h，然后随炉降温冷却，得到试样1。

实施例2

1）将氯化铈溶于无水乙醇中配成改性剂，其中氯化铈的质量浓度为10%；将麻纤维在改性剂中浸泡1.5h后取出，于140℃烘箱中烘干1.5h，制成稀土氯化铈改性麻纤维；

2）将20重量份酚醛树脂在55℃下烘干1h；将22重量份氧化铝、10重量份铜粉、20重量份重晶石、5重量份橡胶粉、3重量份石墨在100℃下烘干2h；然后将其放入混料机中，以2500r/min的转速共混7min，再投入10重量份稀土氯化铈改性麻纤维，继续共混5min出料；

3）将所得混合物料放入160℃热压模具模腔内，在15MPa压力下保温热压处理5min；在热压开始的10～60s内必须打开模腔放气3次；

4）将热压成型后的制品在烘箱中，30min内升温到160℃，保温12h，然后随炉降温冷却，得到试样2。

实施例3

1）将氯化镧溶于无水乙醇中配成改性剂，其中氯化镧的质量浓度为2%；将甘蔗渣纤维在改性剂中浸泡4h后取出，于80℃烘箱中烘干3h，制成稀土氯化镧改性甘蔗渣纤维；

2）将15重量份酚醛树脂在50℃下烘干2h；将25重量份氧化铝、17重量份铜粉、30重量份重晶石、5重量份橡胶粉、3重量份石墨在120℃下烘干2h；然后将其放入混料机中以200r/min的转速共混15min，再投入15重量份稀土氯化镧改性甘蔗渣纤维，继续共混10min出料；

3）将所得混合物料放入150℃热压模具模腔内，在25MPa压力下保温热压处理10min；在热压开始的10～60s内必须打开模腔放气8次；

4）将热压成型后的制品在烘箱中，30min内升温到160℃，保温12h，然后随炉降温冷却，得到试样3。

对照例：

取由国产东营科力汽配有限责任公司生产的夏利盘式制动片为试样4；日产轿车用日本原产制动片为试样5，与实施例1-3所得试样在X-DM型调压变速摩擦试验机上进行摩擦学性能测试，试样尺寸25mm×25mm×（5～7）mm。对偶摩擦盘为HT250，珠光体组织，硬度为HB209。按照盘式制动器用衬片国家标准（GB5763-2008）中第四类制动器用衬片要求，分别测定升温和降温过程中盘温100℃、150℃、200℃、250℃、300℃和350℃时对磨5000转的摩擦系数、磨损率。结果分别见表1、2。

表1 不同试样的摩擦系数测试结果

表2 不同试样的磨损率测试结果

表3 盘式制动器用衬片国家标准许用值

由以上数据可见，国产、日本品牌产品的摩擦系数基本都在0.40以下，而本发明产品的摩擦系数则都在0.40以上，特别是在200~350℃时摩擦系数可达0.5以上，说明同国内外优质产品的试样对比，采用稀土氯化物改性天然纤维制备的汽车制动材料在各个温度段的摩擦系数都处于较高水平，特别是高温摩擦学性能尤为突出，也证明本发明研制的产品具有极佳的高温摩擦性能及抗热衰退性能。同时，本发明产品的在各个温度段的磨损率及试样总磨损率均显著低于国内产品与日本品牌产品。

综上所述，采用稀土氯化物改性天然纤维，不仅可极大改善天然纤维与树脂基体界面粘结性能，同时能大幅提高制动材料的综合性能，使所得产品具有极佳的制动性能及摩擦磨损性能，尤其是高温摩擦学性能，同时又易于生物降解，是一种资源节约型制动摩擦材料，具有良好的应用前景。

为了进一步说明稀土氯化物改性对天然纤维耐热性能的影响，取未经改性竹纤维与实施例1中稀土氯化镧改性竹纤维各1g，采用上海盈诺精密仪器有限公司的ZH1250型综合热分析仪进行热重分析（TG），结果如图1所示。

由图1可知，未改性的竹纤维在270℃开始发生热分解失重，在350℃左右其剩余质量约为原来45%；而经稀土氯化镧改性的竹纤维在350℃左右的剩余质量约为原来45%，基本保持稳定，未见明显热分解失重。在超过600℃之后，经稀土氯化镧改性的竹纤维仍有50%剩余质量，较未改性竹纤维高出近一倍。可见，竹纤维经过稀土氯化镧改性处理后，其耐热性能得到大幅度的提高，这也是稀土氯化物改性天然纤维制备的树脂基制动材料具有极佳的高温摩擦磨损性能及抗热衰退性能的主要原因。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种稀土氯化物改性天然纤维在制备汽车制动材料上的应用，其特征在于：将稀土氯化物改性天然纤维作为增强相用于制备汽车制动摩擦材料；

所述稀土氯化物改性天然纤维是采用稀土氯化物改性剂对天然纤维进行改性处理制得；

所述稀土氯化物改性剂由稀土氯化物和无水乙醇组成，其中，稀土氯化物的质量浓度为2~20%。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述天然纤维包括甘蔗渣纤维、麻纤维、竹纤维、稻秸秆纤维中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述稀土氯化物为氯化镧或氯化铈中的一种或两种。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述改性处理具体是将天然纤维在稀土氯化物改性剂中浸泡0.5~4h，取出后于80~140℃下烘干1~3h。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：其应用方法是将所述稀土氯化物改性天然纤维与酚醛树脂、摩擦性能调节剂通过热压成型的方法制成汽车制动摩擦材料；

其中所用各原料按重量份计为：稀土氯化物改性天然纤维5~15份、酚醛树脂15~25份、摩擦性能调节剂60~80份。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述摩擦性能调节剂包括氧化铝、重晶石、铜粉、轮胎粉、石墨、长石粉、叶蜡石粉、蛭石、粉煤灰、硬脂酸锌中的一种或几种。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：其具体包括如下步骤：

1）将酚醛树脂与摩擦性能调节剂烘干后，放入混料机中以200~2830r/min的转速共混5~15min，然后投入稀土氯化物改性天然纤维，继续共混5~10min；

2）将所得混合物料放入150~160℃热压模具模腔内，在10~25MPa压力下保温热压处理5~10min；在热压开始的10~60s内必须打开模腔放气3~8次；

3）将热压成型后的制品在烘箱中，30min内升温到160℃，保温12h，然后随炉降温冷却，得到成品。