CN109812524B - 一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物 - Google Patents

Abstract

一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，包括如下重量份数的原料：共混物基体21‑25份；增强纤维20‑26份；煅烧高岭土12‑19份；重晶石10‑22份；氧化铝1‑8份；氧化镁0‑6份；鳞片状石墨1‑6份；炭黑1‑8份；轻质碳酸钙10‑18份。本发明汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物不添加石棉、单质硫和金属硫化物，也不添加铜、铬、铅、镉和汞等有害重金属元素组分，绿色环保；本发明摩擦材料组合物中各组分协同作用，使得本发明具有摩擦系数适中且稳定，耐热性高，磨损率低、制动噪音低、对对偶件损伤小和不易锈蚀等性能。

Description

一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物

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共混物基体摩擦材料组合物。

背景技术

随着我国经济社会的迅速发展，各等级公路建设呈现出持续强劲态势，高速公路尤甚，路况得到空前优化改善。汽车工业已成为国民经济的支柱产业，汽车一直与时俱进地集成着涌现出来的科技新成果，发展方向呈现出安全稳定、高速舒适、高载重量、绿色环保和智能化的特点。刹车片属多组分摩擦材料，是汽车制动系统中起摩擦制动作用的关键部件，为车辆的安全可靠平稳高速行驶保驾护航。摩擦材料是易耗品，在使用过程中由于摩擦而不断磨耗。汽车保有量在迅猛增加，伴随产生的环境污染问题日益受到关注，包括摩擦制动导致的摩擦粉尘、释放的有害气体和带来的噪音等。生活质量的提升和对环保的重视促使人们对摩擦材料提出愈加苛刻的要求。基于此，摩擦制动材料应主要满足以下技术要求：(1)适宜而稳定的摩擦系数，动静摩擦系数之差较小；(2)机械强度和物理性能良好；(3)耐热性和耐磨损性良好；(4)摩擦噪音低、对对偶件损伤小、环保无污染等。

树脂基摩擦材料主要由聚合物基体、纤维增强体、摩擦性能调节剂和空间填料等制成，是汽车刹车片最常用的摩擦制动材料。国际上已普遍强制性禁用石棉摩擦材料，问题在于石棉粉尘的人体致癌危害性和环境污染性以及石棉刹车片的热衰退性。半金属摩擦材料存在金属含量高、易锈蚀和制动缺陷问题，如“三热”(即热衰退、热膨胀和热裂纹)、易损伤对偶件、噪音大等，也不能满足人们对刹车片越来越高的性能要求。尽管铜丝和铜粉具有导热性高、高温下摩擦系数高和增强作用等性能优势，广泛用于汽车摩擦制动材料，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汽车用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％。近十年摩擦制动材料领域的公开发明专利表明：(1)摩擦材料中添加硫化锑、硫化铁、硫化锌、硫化铅、硫化铜等金属硫化物组分，磨耗、高温热衰退和制动噪音有所减少，而摩擦稳定性和使用寿命得到提高。但元素锑、锌、铅也是不可降解的重金属，不但污染环境，直接或间接进入人体后也会损坏人体脏器。(2)制动摩擦过程中，单质硫和金属硫化物在高温氧化作用下将产生二氧化硫，在一定程度上形成的酸雨会危害生态环境。另外，含铬、镉和汞等有害重金属元素的组分也在强制禁止之列。基于生态文明建设国家战略决策和汽车行业对环保的高度重视，从环保性原料筛选到研制环保型摩擦制动新材料将成为汽车刹车片行业发展的重要方向。

在CN106979266A中公开了一种高钛基-陶瓷机动车刹车片用材料，该材料各组分的重量份为：酚醛树脂8～11份；高温摩擦粉7～9份；二硫化钼2～5份；硫化锑5～7份；碳化硅1～5份；芳纶1-2份；粉末丁腈橡胶2～5份；碳纤维3～5份；改性橡胶颗粒20-30份；陶瓷纤维10～20份；纳米碳酸钙5～10份；钛基复合料10～20份；硫酸钡9～20份。该发明中刹车片用材料含有硫化锑，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共混物基体摩擦材料组合物，包括如下重量份数的原料：共混物基体21-25份；增强纤维20-26份；煅烧高岭土12-19份；重晶石10-22份；氧化铝1-8份；氧化镁0-6份；鳞片状石墨1-6份；炭黑1-8份；轻质碳酸钙10-18份。本发明使用增强纤维提供机械强度；共混物基体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；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，一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，由如下重量份数的原料组成：共混物基体23份；增强纤维22份；煅烧高岭土15-19份；重晶石12-20份；氧化铝2-6份；氧化镁0-4份；鳞片状石墨1-5份；炭黑1-5份；轻质碳酸钙12-16份。

优选地，按重量份数计，所述共混物基体包括：改性酚醛树脂5-9份；非酚醛耐热性树脂4-8份；橡胶粉6-10份。

优选地，所述增强纤维按重量份数的组成为：钢棉2-6份；无机矿物纤维15-20份；T700型短切碳纤维0-0.8份；芳纶浆粕0-0.8份；所述T700型短切碳纤维长度为3-5mm。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，一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，由如下重量份数的原料组成：改性酚醛树脂7份；非酚醛耐热性树脂7份；橡胶粉9份；芳纶浆粕0.5份；T700型短切碳纤维0.5份；钢棉4份；无机矿物纤维17份；煅烧高岭土17份；重晶石14份；氧化铝4份；氧化镁2份；鳞片状石墨3份；炭黑3份；轻质碳酸钙12份。

优选地，所述改性酚醛树脂为硼改性酚醛树脂、橡胶改性酚醛树脂、腰果壳油改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂和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。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，所述非酚醛耐热性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚和双马来酰亚胺树脂中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

优选地，所述橡胶粉为丁腈橡胶粉或丁苯橡胶粉。

优选地，所述无机矿物纤维为针状硅灰石、硫酸钙晶须、膨胀蛭石、Lapinus纤维、钛酸钾晶须、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，一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，按重量份数计，原料中还包括0.2-1份助剂，所述助剂为偶联剂、固化剂、促进剂、防老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有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。

本发明能够带来如下有益效果：

1.本发明汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物不添加石棉、单质硫和金属硫化物，也不添加铜、铬、铅、镉和汞等有害重金属元素组分，绿色环保。

2.本发明摩擦材料组合物中各组分协同作用，使得本发明具有摩擦系数适中且稳定，耐热性高，磨损率低、制动噪音低、对对偶件损伤小和不易锈蚀等性能。

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共混物基体摩擦材料组合物制备方法：

S1、混料：21-25份的共混物基体与20-26份的增强纤维投入高速搅拌机充分混合至均匀；再将12-19份的煅烧高岭土；0-6份的氧化镁；1-8份的氧化铝；10-22份的重晶石；1-6份的鳞片状石墨；1-8份的炭黑；10-18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；

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，得到最终摩擦材料。

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所述改性酚醛树脂为硼改性酚醛树脂、橡胶改性酚醛树脂、腰果壳油改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂和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。

所所述非酚醛耐热性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚和双马来酰亚胺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。

所述无机矿物纤维为针状硅灰石、硫酸钙晶须、膨胀蛭石、Lapinus纤维、钛酸钾晶须、硅酸铝纤维中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

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

摩擦学性能测试，主要指摩擦片的摩擦系数和磨损率，测试后摩擦片外观是宏观观察，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；测试后摩擦片外观观察对照标准GB6763-2008进行。

摩擦系数的性能测试结果见表2；磨损率的性能测试结果见表3；测试后摩擦片外观的测试结果见表4。为便于比较，将GB5763-2008中4类材料的性能要求列于表5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测试后摩擦片的外观情况

表5性能测试参照标准要求

由表1可以看出，本发明实施例1至6的摩擦系数均落在GB5763-2008中4类材料相应温度的摩擦系数区间内，且稳定适中。实施例1至6的磨损率数据远低于GB5763-2008中4类材料的对应磨损率上限数值。测试后摩擦片外观情况表明：对比例1由于摩擦片出现微裂纹缺陷是不被允许采用的方案，实施例1至6的摩擦片在测试后均能达到外观要求。

对比例1的树脂含量更高，高温时长时间连续摩擦会使树脂脆化，在摩擦片边角处出现了GB6763-2008所不允许的微裂纹缺陷；另外，对比例1中没有芳纶浆粕和碳纤维，这些原料影响到了材料摩擦系数的波动幅度。实施例2中含芳纶浆粕但碳纤维为零，实施例1中含碳纤维但芳纶浆粕为零，数据显示实施例2的升温和降温摩擦系数与波动幅度均大于实施例1的，磨损率略有减小，表明芳纶浆粕在200℃以下能增大摩擦系数而在200℃以上能降低摩擦系数，碳纤维在整个测试温度范围内对摩擦系数的影响不大。实施例3和实施例4中均加入芳纶浆粕和碳纤维且重量份数相等，数据显示这两种材料的升温和降温摩擦系数与波动幅度较为接近，且波动幅度比实施例2略低，表明芳纶浆粕和碳纤维的混杂具有功能性互补作用。对比实施例3和实施例4的摩擦片测试数据，前者的摩擦系数略为稳定，磨损率更小。综合上述分析，实施例3方案更好。

相对于实施例3的所用原料及其配比，对比例2不含非酚醛耐热性树脂，且改性酚醛树脂为前者所用改性酚醛树脂和非酚醛耐热性树脂质量份数总和，其余原料及其配比相同。摩擦学性能测试结果表明：对比例2相对于实施例3，摩擦片的摩擦系数在250℃及其以下设定温度略高，而在300℃及其以上设定温度有所降低；而摩擦片的磨损率则在各设定温度有所增加。对比例2满足GB5763-2008中4类材料的摩擦学性能和外观质量要求。相对于实施例3的所用原料及其配比，对比例3不含改性酚醛树脂，且非酚醛耐热性树脂为前者所用树脂质量份数总和，其余原料及其配比相同。摩擦学性能测试结果表明：对比例3相对于实施例3，摩擦片的摩擦系数和磨损率在各设定温度均有所降低。对比例3也同样满足GB5763-2008中4类材料的摩擦学性能和外观质量要求。因此，用非酚醛耐热性树脂和改性酚醛树脂的共混物作为摩擦材料基体，在300℃及其以上设定温度达到优化摩擦材料摩擦学性能的作用，摩擦片的摩擦系数比对比例2和对比例3在350℃时的都要高，说明在本发明中非酚醛耐热性树脂和改性酚醛树脂两者间具有协同作用。

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 (7)

1.一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，其特征在于，包括如下重量份数的原料：共混物基体21-25份；增强纤维20-26份；煅烧高岭土12-19份；重晶石10-22份；氧化铝1-8份；氧化镁0-6份；鳞片状石墨1-6份；炭黑1-8份；轻质碳酸钙10-18份；按重量份数计，所述共混物基体包括：改性酚醛树脂5-9份；非酚醛耐热性树脂4-8份；橡胶粉6-10份；按重量份数计，所述增强纤维包括：钢棉2-6份；无机矿物纤维15-20份；T700型短切碳纤维0-0.8份；芳纶浆粕0-0.8份；所述T700型短切碳纤维长度为3-5mm；所述非酚醛耐热性树脂为双马来酰亚胺树脂。

2.根据权利要求1所述的一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，其特征在于，由如下重量份数的原料组成：共混物基体23份；增强纤维22份；煅烧高岭土15-19份；重晶石12-20份；氧化铝2-6份；氧化镁0-4份；鳞片状石墨1-5份；炭黑1-5份；轻质碳酸钙12-16份。

3.根据权利要求1所述的一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，其特征在于，由如下重量份数的原料组成：改性酚醛树脂7份；非酚醛耐热性树脂7份；橡胶粉9份；芳纶浆粕0.5份；T700型短切碳纤维0.5份；钢棉4份；无机矿物纤维17份；煅烧高岭土17份；重晶石14份；氧化铝4份；氧化镁2份；鳞片状石墨3份；炭黑3份；轻质碳酸钙12份。

4.根据权利要求1所述的一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，其特征在于，所述改性酚醛树脂为硼改性酚醛树脂、橡胶改性酚醛树脂、腰果壳油改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂和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。

5.根据权利要求1所述的一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，其特征在于，所述橡胶粉为丁腈橡胶粉、丁苯橡胶粉中的一种或两种任意比例的混合物。

6.根据权利要求1所述的一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，其特征在于，所述无机矿物纤维为针状硅灰石、硫酸钙晶须、膨胀蛭石、Lapinus纤维、钛酸钾晶须、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1所述的一种汽车刹车片用环保型共混物基体摩擦材料组合物，其特征在于，按重量份数计，原料中还包括0.2-1份助剂，所述助剂为偶联剂、固化剂、促进剂、防老剂中的一种或两种及以上任意比例的混合物。