CN109780106A - 一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料及其制备方法，包括如下重量份数的原料：增强纤维22‑27份；有机黏合剂13‑24份；煅烧高岭土15‑23份；氧化镁1‑5份；氧化铝2‑4份；重晶石12‑20份；铁黑1‑3份；鳞片状石墨2‑6份；炭黑2‑6份；轻质碳酸钙10‑15份；助剂0.2‑1份。其制备方法包括以下步骤：混料、烘干、热压以及热处理。本发明的优点是：不添加石棉、金属硫化物和有害重金属元素，绿色环保；摩擦系数稳定且适中，耐热性高，磨损率低，制动噪音低等；制备工艺简单，易于操作，适合工业化生产，社会和经济效益明显。

Description

一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明属于摩擦材料技术领域，具体涉及一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料及其制备方法。

背景技术

《中国制造2025》是中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。其中新材料技术路线图是所提十大重点领域的战略布局之一，其中新材料分为三大类：先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料。就发展重点而言，先进基础材料中的先进建筑材料下的三级子项包括环境友好型非金属矿物功能材料，指定“摩擦系数0.4±0.06的摩擦材料”属于该子项的内容范畴。汽车刹车片是一种由多组分构成的摩擦材料制品，在汽车制动系统中起摩擦制动作用，为车辆的安全可靠和高速平稳行驶保驾护航。

刹车片属典型的易耗品，在使用过程中由于对偶间摩擦而不断磨耗。随汽车保有量的迅猛增长，匹配于不同车型的摩擦材料需求量很大。还有，近年来的路况条件得到了空前优化改善，车辆行驶速度明显提高，人们在享受快速便捷生活的同时，也日益关注着车辆带来的环境污染问题，如摩擦粉尘、排放有害气体、产生噪音等。生活质量的提升和对环保的关切促使人们对高性能汽车刹车片用摩擦材料的需求愈加迫切。基于此，摩擦材料应满足以下主要技术性能要求：(1)适宜而稳定的摩擦系数，动静摩擦系数之差较小；(2)物理机械性能良好；(3)耐热性和耐磨损性良好；(4)摩擦制动噪音低、对对偶件损伤小、环保无污染等。

树脂基摩擦材料主要由树脂和橡胶黏合剂、纤维增强体、摩擦性能调节剂和空间填充料组成，是汽车最常用的一种摩擦材料。由于众所周知的原因，国际上已普遍强制性在汽车行业禁用石棉摩擦材料。半金属摩擦材料由于金属含量高而易锈蚀，且制动过程中存在“三热”(即热衰退、热膨胀和热裂纹)、易损伤对偶件和噪音大等缺陷问题，不能满足人们对刹车片的低成本和高性能需求。

绿色发展理念要求摩擦材料从设计和选材到生产和整个使用寿命周期都要对环境无害。由于具有增强作用、导热性高、延展性良好、高温下摩擦系数高和降低刹车灰尘等性能优势，铜丝和铜粉在当前汽车刹车片用摩擦材料设计中广受青睐，但铜是不可降解的重金属，磨损后产生的铜粉尘将严重破坏生态环境，对植物、动物和海洋生物构成威胁，最终对人体造成危害。美国和欧盟均立法限制摩擦材料中的铜含量，即2021年后铜含量小于5％，2025年后铜含量小于0.5％。检索近十年的摩擦材料公开发明专利，发现：为减少高温热衰退、磨耗和制动噪音，或为提高摩擦稳定性和使用寿命，很多专利在配方组分中添加了硫化钼、硫化锑、硫化铁、硫化锌、硫化铅、硫化铜等金属硫化物。问题在于元素锑、锌、铅也是不可降解的重金属，不仅污染环境，直接或间接进入人体后还将损坏人体脏器。此外，这些金属硫化物在制动摩擦致高温时将发生氧化作用，释放出的二氧化硫可能形成酸雨，从而危害生态环境。元素铬、镉和汞等有害重金属也在国际强制限用之列，不允许加入。

鉴于国家绿色和创新发展理念的引领、汽车行业对环保的高度重视和广大民众对良好生态环境的关切，结合当前摩擦材料的实用现状和需求，筛选环保性组分和研发环保型高性能摩擦材料将是汽车刹车片行业发展的重要途径和必然趋势。

在CN106397878A中公开了一种橡胶基颗粒料及其制备方法，具体涉及汽车零部件技术领域。本发明的橡胶基颗粒料，以橡胶基颗粒料的原料组分的总质量为基准计，所述橡胶基颗粒料包括以下原料组分及质量百分含量：丁腈橡胶7％-12％，丁苯橡胶2％-5％，炭黑3％-7％，硫磺1％-4％，硫化促进剂1％-3％，多元导热复合粉料70％-85％。该发明中采用原料中多元导热复合粉含有硫化锡，金属硫化物在制动摩擦致高温时将发生氧化作用，释放出的二氧化硫可能形成酸雨，有危害生态环境的可能性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料，包括如下重量份数的原料：增强纤维22-27份；有机黏合剂13-24份；煅烧高岭土15-23份；氧化镁1-5份；氧化铝2-4份；重晶石12-20份；铁黑1-3份；鳞片状石墨2-6份；炭黑2-6份；轻质碳酸钙10-15份；助剂0.2-1份。本发明使用增强纤维提供机械强度；有机黏合剂的主要作用是将各种原料混合在一起，相互黏合成一个整体；重晶石的加入可以提高材料的密度；铁黑作为摩擦性能调节剂，主要用于调节材料的热稳定性以及工作稳定性；鳞片状石墨和炭黑的加入可提高材料的耐磨性，减小噪音以及降低摩擦系数；煅烧高岭土、氧化镁、氧化铝等成分的加入是为了增加材料的摩擦系数；轻质碳酸钙的加入是为了降低材料的密度，减小其磨损量。

优选地，所述增强纤维为芳纶浆粕、碳纤维、钢棉和无机矿物纤维中的一种或两种及以上任意比例的混合物。本发明中有机纤维的加入，可以降低材料的密度、减小其磨损量，为了提高摩擦材料在各温度段的稳定性及其纤维和黏合剂的亲和性能，往往采用多种纤维混合使用。

优选地，所述有机黏合剂为改性酚醛树脂或改性酚醛树脂与橡胶粉任意比例的混合物，所述改性酚醛树脂按重量份数计至少含有7份。本发明中采用改性酚醛树脂，改性的目的是改善树脂的高温性能。

优选地，包括如下重量份数的原料：改性酚醛树脂7-11份；橡胶粉6-13份；芳纶浆粕0.8-1份；碳纤维0-2份；钢棉4-8份；无机矿物纤维15-20份；煅烧高岭土15-21份；氧化镁1-5份；氧化铝2-4份；铁黑1-2份；重晶石12-20份；鳞片状石墨2-4份；炭黑2-4份；轻质碳酸钙10-15份；助剂0.4-0.6份。

优选地，由如下重量份数的原料组成：改性酚醛树脂9份；橡胶粉13份；芳纶浆粕0.8份；碳纤维0.2份；钢棉8份；无机矿物纤维16份；煅烧高岭土16份；氧化镁2份；氧化铝2份；铁黑1份；重晶石15份；鳞片状石墨3份；炭黑3份；轻质碳酸钙12份；助剂0.6份。

优选地，所述无机矿物纤维为针状硅灰石、海泡石纤维、玄武岩纤维、硅酸铝纤维中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

优选地，所述改性酚醛树脂为硼改性酚醛树脂、腰果壳油改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、橡胶改性酚醛树脂、复合改性酚醛树脂中的一种或两种及以上任意比例的混合物；所述橡胶粉为丁腈橡胶粉或丁苯橡胶粉中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

优选地，所述煅烧高岭土的粒度为200-300目；所述氧化镁的粒度为250-350目；所述氧化铝的粒度为250-350目；所述重晶石的粒度为200-300目。本发明中各种粒子的粒度相互配合，使得在混合时结合更紧密。

优选地，所述助剂为固化剂、偶联剂、促进剂、防老剂和脱模剂中的一种或两种及以上任意比例的混合物。本发明中固化剂的作用是提高机黏合剂的交联程度和材料的整体性，固化剂包括脂肪胺类如，乙二胺、六次甲基四胺等，咪唑类例如2-甲基咪唑等；偶联剂的作用是提高不同粒子间的界面结合程度，偶联剂可采用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂等，促进剂的作用是提高反应速率，促进剂包括环己基苯并噻唑次磺酰胺、促进剂M、促进剂DM；防老剂的作用是延长摩擦材料的使用寿命，包括防老剂A、防老剂D等；脱模剂的作用是使摩擦材料易于脱模，包括无机脱模剂，如：滑石粉、云母粉以及陶土等，有机脱模剂，如：脂肪酸皂、脂肪酸、石蜡等。

优选地，一种包括上述汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、混料：先将增强纤维和有机黏合剂投入高速搅拌机充分混合至均匀；再将其他原料投入高速搅拌机中充分混合，得到混合均匀的模压料；

S2、烘干：将S1中的模压料置于电热恒温鼓风干燥箱中进行烘干处理，烘干温度为95-105℃，烘干时间3-4h；

S3、热压：将S2中烘干处理后的模压料加入模具中模压成型得到待处理摩擦片，成型温度为160-170℃，成型压力为16-20MPa，压制初期卸压放气4-6次，成型时间2-4分钟/毫米；

S4、热处理：将S3中的待处理摩擦片在干燥箱或硫化炉中进行热处理，热处理温度170-180℃，热处理时间为3.5-4h，得到最终摩擦片。

本发明能够带来如下有益效果：

1.本发明摩擦材料中不添加石棉、金属硫化物和有害重金属元素，绿色环保。

2.本发明摩擦材料摩擦系数稳定且适中，耐热性高，磨损率低，制动噪音低。

3.本发明摩擦材料制备工艺简单，易于操作，适合工业化生产，社会和经济效益明显。

具体实施方式：

1.一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料的制备方法：

S1、混料：先将22-27份的增强纤维和13-24份的有机黏合剂投入高速搅拌机充分混合至均匀；再将15-23份的煅烧高岭土；1-5份的氧化镁；2-4份的氧化铝；12-20份的重晶石；1-3份的铁黑；2-6份的鳞片状石墨；2-6份的炭黑；10-15份的轻质碳酸钙；0.2-1份的助剂投入高速搅拌机中充分混合，得到混合均匀的模压料；

S2、烘干：将S1中的模压料置于电热恒温鼓风干燥箱中进行烘干处理，烘干温度为95-105℃，烘干时间3-4h；

S3、热压：将S2中烘干处理后的模压料加入模具中模压成型得到待处理摩擦片，成型温度为160-170℃，成型压力为16-20MPa，压制初期卸压放气4-6次，成型时间2-4分钟/毫米；

S4、热处理：将S3中的待处理摩擦片在干燥箱或硫化炉中进行热处理，热处理温度170-180℃，热处理时间为3.5-4h，得到最终摩擦片。

具体的实施条件如下：

表1实施例和对比例样品所用原料及其配比

备注：上述具体实施方式中的无机矿物纤维为针状硅灰石、海泡石纤维、玄武岩纤维、硅酸铝纤维中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

改性酚醛树脂为硼改性酚醛树脂、腰果壳油改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、橡胶改性酚醛树脂、复合改性酚醛树脂中的一种或两种及以上任意比例的混合物；所述橡胶粉为丁腈橡胶粉或丁苯橡胶粉中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

所述煅烧高岭土的粒度为200-300目；所述氧化镁的粒度为250-350目；所述氧化铝的粒度为250-350目；所述重晶石的粒度为200-300目。

所述助剂为固化剂、偶联剂、促进剂、防老剂和脱模剂中的一种或两种及以上任意比例的混合物。其中固化剂可采用脂肪胺类如，乙二胺、六次甲基四胺等，咪唑类例如2-甲基咪唑等；偶联剂可采用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂等；促进剂可采用环己基苯并噻唑次磺酰胺、促进剂M、促进剂DM等；防老剂可采用防老剂A、防老剂D等；脱模剂可采用滑石粉、云母粉、陶土、脂肪酸皂、脂肪酸、石蜡等。

2.摩擦学性能测试

本实施例对摩擦材料进行测试，主要对摩擦片的摩擦系数和磨损率进行测试，其中测试方法为：采用XD-MSM型定速摩擦试验机，室温33℃下以0.98MPa的压紧力，在HT250/HB200对偶材质上，按照GB5763-2008要求对所制备摩擦片分别进行了升温过程中摩擦系数和磨损率的测定以及降温过程中摩擦系数的测定。对摩擦系数的测试结果见表2；对磨损率的测试结果见表3；为便于比较，将GB5763-2008中4类材料的性能要求列于表4中。

表2摩擦片的摩擦系数测试结果

表3摩擦片的磨损率测试结果

表4性能测试参照标准

由上述实验结果可以看出，本发明实施例1-5摩擦材料的磨损率测试数据均远低于GB5763-2008中4类材料所对应不同温度磨损率的上限数值，实施例1-5号摩擦材料的升温和降温摩擦系数均落在相应温度的摩擦系数范围内，且较稳定适中。实施例1-5材料的测试数据显示：实施例3材料在不同温度下的摩擦系数最稳定适中，相同温度下的升温和降温摩擦系数偏差最小，且总体磨损率最低。相对于实施例1和实施例5，实施例2和实施例4的性能测试结果总体上略好。所以，实施例1-5材料的测试数据表明：实施例3材料的原料组成与用量为优选方案，实施例2和实施例4的方案略优于实施例1和实施例5。对比例1中不含炭黑，对比例2中不含鳞片状石墨，而实施例1-5材料同时含有比例不同的炭黑和鳞片状石墨。所以，可以得出如下结论：鳞片状石墨和炭黑的混合使用效果优于单独使用效果，且存在最佳混合比例，鳞片状石墨和炭黑间存在协同作用，两者协同提高了摩擦材料的性能。

从对比例3可以看出，与实施例3对比，在缺少助剂的条件下，磨损率随温度升高而大幅增加，较高温度下甚至接近GB5763-2008中4类材料的磨损率上限数值，此时的摩擦系数已低于范围要求的下限值。这表明助剂的使用与否对材料摩擦学性能有很大影响，如固化剂的加入影响到粘结剂的交联程度和材料整体性，偶联剂的加入影响到材料中不同原料间界面结合强度。

与实施例3的原料配比相比，对比例4中缺少芳纶浆粕，摩擦系数在对应各测试温度略有降低，磨损率总体略有增加，能很好满足GB5763-2008中4类材料的摩擦学性能要求，但是其摩擦材料的总体性能不如加入芳纶浆粕得到的摩擦材料效果好。

与实施例3的原料配比相比，对比例5缺少氧化铝，摩擦系数在200℃及以下时稍有增加，但在250℃及以上则有所降低，磨损率总体增加不明显，也能较好满足GB5763-2008中4类材料的摩擦学性能要求，但是其摩擦材料的总体性能不如加入氧化铝得到的摩擦材料效果好。

从对比例6可以看出，与实施例3相比，在缺少芳纶浆粕和氧化铝的条件下，磨损率在同温度下的增加程度不明显，摩擦系数在250℃及以下时较大，而在300℃及以上则明显降低，350℃时降到0.18，已不符合GB5763-2008中4类材料的摩擦系数下限值要求，将实施例3、对比例4、对比例5以及对比例6相结合对比从而印证了芳纶浆粕和氧化铝相配合作用增加高温摩擦系数的论断，证明了本发明中芳纶浆粕和氧化铝两者具有协同效果。本发明中实施例和对比例的性能测试反馈信息再次表明：原料筛选时不但要考虑单一原料的性能，还要考虑原料的功能互补协同作用。

在实施例中还可以添加硫酸钙晶须、胶粉、硅藻土等其他成分，经测试结果得到，加入这些成分后，得到的摩擦材料的性能不如本发明实施例中得到的摩擦材料的整体性能好。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料，其特征在于，包括如下重量份数的原料：增强纤维22-27份；有机黏合剂13-24份；煅烧高岭土15-23份；氧化镁1-5份；氧化铝2-4份；重晶石12-20份；铁黑1-3份；鳞片状石墨2-6份；炭黑2-6份；轻质碳酸钙10-15份；助剂0.2-1份。

2.根据权利要求1所述的一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料，其特征在于，所述增强纤维为芳纶浆粕、碳纤维、钢棉和无机矿物纤维中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

3.根据权利要求2所述的一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料，其特征在于：所述有机黏合剂包括改性酚醛树脂，所述改性酚醛树脂按重量份数计至少含有7份。

4.根据权利要求3所述的一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料，其特征在于：包括如下重量份数的原料：所述有机黏合剂还包括橡胶粉，改性酚醛树脂7-11份；橡胶粉6-13份；芳纶浆粕0.8-1份；碳纤维0-2份；钢棉4-8份；无机矿物纤维15-20份；煅烧高岭土15-21份；氧化镁1-5份；氧化铝2-4份；铁黑1-2份；重晶石12-20份；鳞片状石墨2-4份；炭黑2-4份；轻质碳酸钙10-15份；助剂0.4-0.6份。

5.根据权利要求4所述的一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料，其特征在于，由如下重量份数的原料组成：改性酚醛树脂9份；橡胶粉13份；芳纶浆粕0.8份；碳纤维0.2份；钢棉8份；无机矿物纤维16份；煅烧高岭土17份；氧化镁2份；氧化铝2份；铁黑1份；重晶石15份；鳞片状石墨3份；炭黑3份；轻质碳酸钙10份；助剂0.6份。

6.根据权利要求2所述的一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料，其特征在于：所述无机矿物纤维为针状硅灰石、海泡石纤维、玄武岩纤维、硅酸铝纤维中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

7.根据权利要求4所述的一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料，其特征在于：所述改性酚醛树脂为硼改性酚醛树脂、腰果壳油改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、橡胶改性酚醛树脂、复合改性酚醛树脂中的一种或两种及以上任意比例的混合物；所述橡胶粉为丁腈橡胶粉或丁苯橡胶粉中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

8.根据权利要求1所述的一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料，其特征在于：所述煅烧高岭土的粒度为200-300目；所述氧化镁的粒度为250-350目；所述氧化铝的粒度为250-350目；所述重晶石的粒度为200-300目。

9.根据权利要求1所述的一种汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料，其特征在于：所述助剂为固化剂、偶联剂、促进剂、防老剂和脱模剂中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

10.一种包括权利要求1-9任意一项汽车刹车片用环保型高性能摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、混料：先将增强纤维和有机黏合剂投入高速搅拌机充分混合至均匀；再将其他原料投入高速搅拌机中充分混合，得到混合均匀的模压料；

S2、烘干：将S1中的模压料置于电热恒温鼓风干燥箱中进行烘干处理，烘干温度为95-105℃，烘干时间为3-4h；

S3、热压：将S2中烘干处理后的模压料加入模具中模压成型得到待处理摩擦片，成型温度为160-170℃，成型压力为16-20MPa，压制初期卸压放气4-6次，成型时间2-4分钟/毫米；

S4、热处理：将S3中的待处理摩擦片在干燥箱或硫化炉中进行热处理，热处理温度170-180℃，热处理时间为3.5-4h，得到最终摩擦片。