CN109826053A - 一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法，属于摩擦材料技术领域。本发明通过原纸层表面经过极性酚醛树脂浸渍后再低温等离子处理改性，其表面极性增大，树脂对原纸层表面的浸润性能力提高，使二者的界面结合得到增强，提高摩擦性能；本发明当在纸基摩擦材料中树脂层和纸层穿插莫来石晶须后，在摩擦产生的高温下，摩擦表面的瞬间温度将更高，形成粗糙的摩擦表面，提高表面摩擦性能，纸基摩擦材料树脂受热衰退收缩后晶须纤维径向会裸露分担纸基摩擦材料受到的剪切应力，本发明纸基摩擦材料摩擦系数下降后，在纸基摩擦材料的树脂层未完全脱落情况下，可以回收放入磁场定向电机中处理，得以重复使用，提高了寿命，具有广阔的应用前景。

Description

一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法

技术领域

本发明公开了一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法，属于摩擦材料技术领域。

背景技术

纸基摩擦材料主要以植物纤维（棉纤维）、加强材料（碳纤维、芳纶纤维）、晶体氧化矿物质、减摩材料（石墨）、粘结剂、摩擦性能调节剂、等组成，通常采用造纸的方式生产。由于以纤维为基础骨架材料用造纸的工艺成型，因而被称为“纸基摩擦材料”。基本工艺流程：制浆---抄纸---烘干---浸胶---切纸---贴片---热压---固化---加工---产品。

纸基摩擦材料是一种广泛应用于工程机械变速箱、汽车自动变速箱和摩托车等湿式离合器中的中关键的功能材料，主要由纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂、填料等组成，采用造纸工艺制成。用于自适应自动变速器的中弹性锥套纸基摩擦材料是靠压紧锥面产生摩擦力来传递扭矩的，在传动过程中还受外界负荷的影响，所以要求摩擦材料不但要有足够的机械强度，同时还要求摩擦材料热衰退小，恢复性能好，磨损率小，但现有的纸基摩擦材料的摩擦性能受外界负荷影响变化大，耐久后衰退大，不能满足用于自适应自动变速器的中弹性锥套摩擦材料传递扭矩的要求。

随着机动车辆向高速、重载、无污染方向发展，为保持平稳的传扭和制动特性，对摩擦材料的摩擦性能、耐热性及化学稳定性等提出了更高的要求。研究者们已经在纸基材料组成和结构设计方面做出了一些努力和成效。特别是近年来碳材料的快速发展使得其在摩擦材料领域的应用也得到了扩展。许立宁等人发现在由树脂粘结剂、石墨摩擦剂和其它填料构成的湿式离合器碳质摩擦材料中，树脂的耐热性最差，严重影响了摩擦材料的摩擦磨损性能，因而树脂的含量就成为研究的焦点。树脂含量过高，摩擦材料热衰退严重，摩擦系数急剧下降；树脂含量过低，摩擦材料因粘剂量过少导致摩擦系数不稳定，材料磨损加剧。还有文献专利一种碳纤维增强纸基摩擦材料的制备方法。其原材料如下：碳纤维，Kevlar纤维，重晶石，高岭土，二硫化钼，三氧化二铝，石墨粉，酚醛树脂，腰果壳油改性酚醛树脂。采用打浆、成型、烘干、浸渍、热压以及机加工等步骤制备而成。以短切碳纤维为增强纤维的纸基摩擦材料，其动摩擦系数在0.13～0.15之间，静摩擦系数在0.15～0.17之间。该专利中所采用碳纤维的长度为3～8mm，碳纤维最高含量为35%，但是当碳纤维含量较高时纤维之间易团聚，分散性不好。进一步的研究表明由于该类摩擦材料采用的碳纤维较长，纤维之间桥联搭接，形成的孔隙直径分布在0～500μm之间，范围较大，材料的均匀性较差，导致该类摩擦材料的动摩擦系数随着制动压力增加降低幅度较大，其动摩擦系数的稳定系数在92%左右，磨损略高。

纸基摩擦材料主要由纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂、填料等在水相中采用造纸的方式生产。这种方法制备的纸基摩擦材料混料制成悬浮液时，易沉降，絮聚，各种组分的结合属于物理粘结，界面结合不是很均匀，耐磨性也不好。并且大量树脂不能进入到摩擦片里，充分发挥其粘接剂的作用。

因此，发明一种摩擦性好、热衰退小的可回收重用纸基摩擦材料对摩擦材料技术领域是很有必要的。

发明内容

本发明主要解决的技术问题，针对纸基摩擦材料摩擦性能较差，摩擦材料热衰退严重，摩擦系数急剧下降，使用寿命较短造成极大的浪费的缺陷，提供了一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法为：

将备用表面改性纸层通过装有摩擦浸渍剂的凝固槽，经过热烘后输入至辊压机中辊压得到待磁化摩擦纸，再将待磁化摩擦纸置于磁场定向电机中定向处理15～20min，得到可回收重用纸基摩擦材料；

表面改性纸层制备方法为：

（1）将质量分数为35%的硫酸盐落叶松木浆与质量分数为40%的烨木木浆混合得到混合木浆，将混合木浆倒入在PFI磨浆机中，磨浆5～8min，得到纸浆，将所得纸浆投入抄纸设备中干燥压延，控制压力为0.6～0.8MPa，得到原纸层；

（2）向反应釜中加入80～85g苯酚、85～90mL质量分数为37%的甲醛水溶液和1～3g氢氧化钠，加热升温至70～75℃，保温反应l～2h，冷却至35～40℃时将原纸层放入反应釜中浸渍30～45min，取出浸渍处理的原纸层放入低温等离子体处理设备中，处理4～5min，得到表面改性纸层；

磁性晶粉制备方法为：

（1）将质量分数为50%的硝酸锰溶液和质量分数为30%硝酸铁溶液混合，得到混合铁锰溶液，将30～35g柠檬酸分散于装有200～250mL混合铁锰溶液的烧杯中，搅拌直至柠檬酸溶解后，向烧杯中加入质量分数为30%的氨水，调节pH为6.0～6.5；

（2）随后将上述烧杯移入水浴锅中，水浴升温至60～80℃，加入40～45g前驱体溶胶放入烧杯中，保温搅拌反应2～3h后，过滤分离出溶胶置于设定温度为70～80℃的烘箱中，干燥5～6h得到磁性晶粉。

摩擦浸渍剂由磁性晶粉与聚乙烯醇按质量比为6︰1混合而成。

可回收重用纸基摩擦材料制备过程中需控制热烘温度为60～65℃，辊压压力为1～2MPa。

表面改性纸层制备方法中硫酸盐落叶松木浆与烨木木浆混合时体积比进一步优选为1.0～1.2，磨浆时控制混合木浆打浆度为30～35°SR。

表面改性纸层制备方法中低温等离子体处理设备处理原纸层需要控制功率为30～35W、气压为40～50Pa，并且在氩气气氛下进行。

磁性晶粉制备方法中质量分数为50%的硝酸锰溶液和质量分数为30%硝酸铁溶液混合体积比为1︰2。

磁性晶粉制备方法中水浴升温后温度可进一步限定为65～70℃，使铁、锰离子絮凝结合力达到最强。

磁性晶粉制备方法中前驱体溶胶的制备方法为：

将60～70g250～300目的莫来石粉放入200～300mL质量分数为25%的硅溶胶中，搅拌分散10～15min后转移至高速剪切机中以4000～5000r/min的转速高速剪切，向高速剪切机中加入40～50mL质量分数为10%的硝酸铝溶液，再加入质量分数为50%的氨水调节体系中pH为9～10，继续高速剪切15～20min，静置陈化20～24h，得到前驱体溶胶。

本发明的有益效果是：

（1）本发明以硫酸盐落叶松木浆与烨木木浆作为纸浆原料制备得到原纸层，表面浸渍酚醛树脂后低温等离子处理，得到表面改性纸层，莫来石粉掺入硝酸铝溶液，经高速剪切、陈化得到前驱体溶胶，将前驱体溶胶离心处理得到沉淀，经洗涤、与正丁醇混合分散、干燥得到莫来石前驱体粉末，将莫来石前驱体粉末分散于混合锰溶液中，加入柠檬酸，经水浴反应、过滤、干燥得到磁性晶粉，磁性晶粉与聚乙烯醇作为摩擦浸渍剂，将表面改性纸层通过摩擦浸渍剂后热烘、辊压再进行磁场定向处理得到可回收重用纸基摩擦材料，本发明通过原纸层表面经过极性酚醛树脂浸渍后再低温等离子处理改性，其表面极性增大，树脂对原纸层表面的浸润性能力提高，使二者的界面结合得到增强，同时形成活性孔隙可吸附磁性晶粉，晶粉在受热和压力作用下在孔隙中发展成莫来石晶须，并能够长大穿插树脂层和原纸层，经过定向磁场处理后，晶须排列方向垂直于摩擦材料的摩擦表面，使摩擦表面在摩擦时产生平行于摩擦面的剪切应力，提高摩擦性能；

（2）本发明当在纸基摩擦材料中树脂层和纸层穿插莫来石晶须后，在摩擦产生的高温下，摩擦表面的瞬间温度将更高，此时产生较软材料向较硬材料的摩擦表面转移，在摩擦表面上形成一层高强度的酚醛树脂转移膜，而且材质相同的粘着趋势更显著，在摩擦表面形成大量粘着点，在摩擦力反复作用下，粘着点将脱离，从而破坏摩擦表面的转移膜，形成粗糙的摩擦表面，提高表面摩擦性能，纸基摩擦材料树脂受热衰退收缩后晶须纤维径向会裸露分担纸基摩擦材料受到的剪切应力，提高纸基摩擦材料力学耐疲劳性能，此外，本发明纸基摩擦材料摩擦系数下降后，在纸基摩擦材料的树脂层未完全脱落情况下，可以回收放入磁场定向电机中处理，使歪斜晶须重新按垂直于摩擦材料的摩擦表面方向排布，从而得以重复使用，摩擦材料以另一种形式提高了寿命，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

将质量分数为35%的硫酸盐落叶松木浆与质量分数为40%的烨木木浆混合得到混合木浆，将混合木浆倒入在PFI磨浆机中，磨浆5～8min，控制混合木浆打浆度为30～35°SR，得到纸浆，将所得纸浆投入抄纸设备中干燥压延，控制压力为0.6～0.8MPa，得到原纸层；向反应釜中加入80～85g苯酚、85～90mL质量分数为37%的甲醛水溶液和1～3g氢氧化钠，加热升温至70～75℃，保温反应l～2h，冷却至35～40℃时将原纸层放入反应釜中浸渍30～45min，取出浸渍处理的原纸层放入低温等离子体处理设备中，在氩气气氛下，控制功率为30～35W、气压为40～50Pa，处理4～5min，得到表面改性纸层，备用；将60～70g250～300目的莫来石粉放入200～300mL质量分数为25%的硅溶胶中，搅拌分散10～15min后转移至高速剪切机中以4000～5000r/min的转速高速剪切，向高速剪切机中加入40～50mL质量分数为10%的硝酸铝溶液，再加入质量分数为50%的氨水调节体系中pH为9～10，继续高速剪切15～20min，静置陈化20～24h，得到前驱体溶胶，备用；将质量分数为50%的硝酸锰溶液和质量分数为30%硝酸铁溶液按体积比为1︰2，得到混合铁锰溶液，将30～35g柠檬酸分散于装有200～250mL混合铁锰溶液的烧杯中，搅拌直至柠檬酸溶解后，向烧杯中加入质量分数为30%的氨水，调节pH为6.0～6.5，随后将上述烧杯移入水浴锅中，水浴升温至60～80℃，加入40～45g备用前驱体溶胶放入烧杯中，保温搅拌反应2～3h后，过滤分离得到前驱体溶胶置于设定温度为70～80℃的烘箱中，干燥5～6h得到磁性晶粉；将备用表面改性纸层通过装有摩擦浸渍剂的凝固槽，经过热烘后输入至辊压机中辊压得到待磁化摩擦纸，其中摩擦浸渍剂由磁性晶粉与聚乙烯醇按质量比为6︰1混合而成，热烘温度为60～65℃，辊压压力为1～2MPa，再将待磁化摩擦纸置于磁场定向电机中定向处理15～20min，得到可回收重用纸基摩擦材料。

表面改性纸层的制备：将质量分数为35%的硫酸盐落叶松木浆与质量分数为40%的烨木木浆混合得到混合木浆，将混合木浆倒入在PFI磨浆机中，磨浆5min，控制混合木浆打浆度为30°SR，得到纸浆，将所得纸浆投入抄纸设备中干燥压延，控制压力为0.6MPa，得到原纸层；

向反应釜中加入80g苯酚、85mL质量分数为37%的甲醛水溶液和1g氢氧化钠，加热升温至70℃，保温反应lh，冷却至35℃时将原纸层放入反应釜中浸渍30min，取出浸渍处理的原纸层放入低温等离子体处理设备中，在氩气气氛下，控制功率为30W、气压为40Pa，处理4min，得到表面改性纸层；

前驱体溶胶的制备：

将60g250目的莫来石粉放入200mL质量分数为25%的硅溶胶中，搅拌分散10min后转移至高速剪切机中以4000r/min的转速高速剪切，向高速剪切机中加入40mL质量分数为10%的硝酸铝溶液，再加入质量分数为50%的氨水调节体系中pH为9，继续高速剪切15min，静置陈化20h，得到前驱体溶胶；

磁性晶粉的制备：

将质量分数为50%的硝酸锰溶液和质量分数为30%硝酸铁溶液按体积比为1︰2，得到混合铁锰溶液，将30g柠檬酸分散于装有200mL混合铁锰溶液的烧杯中，搅拌直至柠檬酸溶解后，向烧杯中加入质量分数为30%的氨水，调节pH为6.0；

随后将上述烧杯移入水浴锅中，水浴升温至60℃，加入40g备用前驱体溶胶放入烧杯中，保温搅拌反应2h后，过滤分离得到前驱体溶胶置于设定温度为70℃的烘箱中，干燥5h得到磁性晶粉；

纸基摩擦材料的制备：

将备用表面改性纸层通过装有摩擦浸渍剂的凝固槽，经过热烘后输入至辊压机中辊压得到待磁化摩擦纸，其中摩擦浸渍剂由磁性晶粉与聚乙烯醇按质量比为6︰1混合而成，热烘温度为60℃，辊压压力为1MPa，再将待磁化摩擦纸置于磁场定向电机中定向处理15min，得到可回收重用纸基摩擦材料。

表面改性纸层的制备：将质量分数为35%的硫酸盐落叶松木浆与质量分数为40%的烨木木浆混合得到混合木浆，将混合木浆倒入在PFI磨浆机中，磨浆7min，控制混合木浆打浆度为32°SR，得到纸浆，将所得纸浆投入抄纸设备中干燥压延，控制压力为0.7MPa，得到原纸层；

向反应釜中加入82g苯酚、87mL质量分数为37%的甲醛水溶液和2g氢氧化钠，加热升温至72℃，保温反应1.5h，冷却至37℃时将原纸层放入反应釜中浸渍40min，取出浸渍处理的原纸层放入低温等离子体处理设备中，在氩气气氛下，控制功率为32W、气压为45Pa，处理4min，得到表面改性纸层；

前驱体溶胶的制备：

将65g270目的莫来石粉放入250mL质量分数为25%的硅溶胶中，搅拌分散12min后转移至高速剪切机中以4500r/min的转速高速剪切，向高速剪切机中加入45mL质量分数为10%的硝酸铝溶液，再加入质量分数为50%的氨水调节体系中pH为9，继续高速剪切17min，静置陈化22h，得到前驱体溶胶；

磁性晶粉的制备：

将质量分数为50%的硝酸锰溶液和质量分数为30%硝酸铁溶液按体积比为1︰2，得到混合铁锰溶液，将32g柠檬酸分散于装有220mL混合铁锰溶液的烧杯中，搅拌直至柠檬酸溶解后，向烧杯中加入质量分数为30%的氨水，调节pH为6.2；随后将上述烧杯移入水浴锅中，水浴升温至70℃，加入42g备用前驱体溶胶放入烧杯中，保温搅拌反应2.5h后，过滤分离得到前驱体溶胶置于设定温度为75℃的烘箱中，干燥5.5h得到磁性晶粉；

纸基摩擦材料的制备：

将备用表面改性纸层通过装有摩擦浸渍剂的凝固槽，经过热烘后输入至辊压机中辊压得到待磁化摩擦纸，其中摩擦浸渍剂由磁性晶粉与聚乙烯醇按质量比为6︰1混合而成，热烘温度为62℃，辊压压力为1MPa，再将待磁化摩擦纸置于磁场定向电机中定向处理17min，得到可回收重用纸基摩擦材料。

表面改性纸层的制备：将质量分数为35%的硫酸盐落叶松木浆与质量分数为40%的烨木木浆混合得到混合木浆，将混合木浆倒入在PFI磨浆机中，磨浆8min，控制混合木浆打浆度为35°SR，得到纸浆，将所得纸浆投入抄纸设备中干燥压延，控制压力为0.8MPa，得到原纸层；

向反应釜中加入85g苯酚、90mL质量分数为37%的甲醛水溶液和3g氢氧化钠，加热升温至75℃，保温反应2h，冷却至40℃时将原纸层放入反应釜中浸渍45min，取出浸渍处理的原纸层放入低温等离子体处理设备中，在氩气气氛下，控制功率为35W、气压为50Pa，处理5min，得到表面改性纸层；

前驱体溶胶的制备：

将70g300目的莫来石粉放入300mL质量分数为25%的硅溶胶中，搅拌分散15min后转移至高速剪切机中以5000r/min的转速高速剪切，向高速剪切机中加入50mL质量分数为10%的硝酸铝溶液，再加入质量分数为50%的氨水调节体系中pH为10，继续高速剪切20min，静置陈化24h，得到前驱体溶胶；

磁性晶粉的制备：

将质量分数为50%的硝酸锰溶液和质量分数为30%硝酸铁溶液按体积比为1︰2，得到混合铁锰溶液，将35g柠檬酸分散于装有250mL混合铁锰溶液的烧杯中，搅拌直至柠檬酸溶解后，向烧杯中加入质量分数为30%的氨水，调节pH为6.5；随后将上述烧杯移入水浴锅中，水浴升温至80℃，加入45g备用前驱体溶胶放入烧杯中，保温搅拌反应3h后，过滤分离得到前驱体溶胶置于设定温度为80℃的烘箱中，干燥6h得到磁性晶粉；

纸基摩擦材料的制备：

将备用表面改性纸层通过装有摩擦浸渍剂的凝固槽，经过热烘后输入至辊压机中辊压得到待磁化摩擦纸，其中摩擦浸渍剂由磁性晶粉与聚乙烯醇按质量比为6︰1混合而成，热烘温度为65℃，辊压压力为2MPa，再将待磁化摩擦纸置于磁场定向电机中定向处理20min，得到可回收重用纸基摩擦材料。

对比例1：与实例2的制备方法基本相同，唯有不同的是采用木砂纸代替表面改性纸层。

对比例2：与实例2的制备方法基本相同，唯有不同的是缺少磁性晶粉。

对比例3：上海某公司生产的可回收重用纸基摩擦材料。

摩擦性能测试：为测试通过实例1～3和对比例中制成的纸基摩擦材料的耐磨、耐久和耐热性能，采用自适应自动变速摩擦力矩测试机，根据中华人民共和国国家标准（GB/T13826-2008）进行检测，压紧力为600～700kg时，脱离结合30000次，结合时间为15S。测试结果如表1所示：

摩擦系数测试：采用QM1000-II型摩擦材料性能试验机，在主轴惯量为0.1kg·m²，制动压力为1.0MPa，转速为2000r/min条件下，连续循环制动500次测得的动摩擦系数。

表1纸基摩擦材料性能测定结果

根据上述检测数据可知本发明的可回收重用纸基摩擦材料摩擦力矩衰减率小，热衰退小，摩擦性能好，在进行30000次耐久试验后，摩擦力矩衰减值为2～3N.m，耐久性能优异，使用寿命长，摩擦系数高，可回收重复使用，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：

将备用表面改性纸层通过装有摩擦浸渍剂的凝固槽，经过热烘后输入至辊压机中辊压得到待磁化摩擦纸，再将待磁化摩擦纸置于磁场定向电机中定向处理15～20min，得到可回收重用纸基摩擦材料；

所述的表面改性纸层具体制备步骤为：

（1）将质量分数为35%的硫酸盐落叶松木浆与质量分数为40%的烨木木浆混合得到混合木浆，将混合木浆倒入在PFI磨浆机中，磨浆5～8min，得到纸浆，将所得纸浆投入抄纸设备中干燥压延，控制压力为0.6～0.8MPa，得到原纸层；

（2）向反应釜中加入80～85g苯酚、85～90mL质量分数为37%的甲醛水溶液和1～3g氢氧化钠，加热升温至70～75℃，保温反应l～2h，冷却至35～40℃时将原纸层放入反应釜中浸渍30～45min，取出浸渍处理的原纸层放入低温等离子体处理设备中，处理4～5min，得到表面改性纸层；

所述的磁性晶粉具体制备步骤为：

（1）将质量分数为50%的硝酸锰溶液和质量分数为30%硝酸铁溶液混合，得到混合铁锰溶液，将30～35g柠檬酸分散于装有200～250mL混合铁锰溶液的烧杯中，搅拌直至柠檬酸溶解后，向烧杯中加入质量分数为30%的氨水，调节pH为6.0～6.5；

（2）随后将上述烧杯移入水浴锅中，水浴升温至60～80℃，加入40～45g前驱体溶胶放入烧杯中，保温搅拌反应2～3h后，过滤分离出溶胶置于设定温度为70～80℃的烘箱中，干燥5～6h得到磁性晶粉。

2.根据权利要求1所述的一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述的摩擦浸渍剂由磁性晶粉与聚乙烯醇按质量比为6︰1混合而成。

3.根据权利要求1所述的一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述的可回收重用纸基摩擦材料具体制备过程中需控制热烘温度为60～65℃，辊压压力为1～2MPa。

4.根据权利要求1所述的一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述的表面改性纸层具体制备步骤（1）中所述的硫酸盐落叶松木浆与烨木木浆混合时体积比进一步优选为1.0～1.2，磨浆时控制混合木浆打浆度为30～35°SR。

5.根据权利要求1所述的一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述的表面改性纸层具体制备步骤（2）中低温等离子体处理设备处理原纸层需要控制功率为30～35W、气压为40～50Pa，并且在氩气气氛下进行。

6.根据权利要求1所述的一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述的磁性晶粉具体制备步骤（1）中质量分数为50%的硝酸锰溶液和质量分数为30%硝酸铁溶液混合体积比为1︰2。

7.根据权利要求1所述的一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述的磁性晶粉具体制备步骤（2）中水浴升温后温度可进一步限定为65～70℃，使铁、锰离子絮凝结合力达到最强。

8.根据权利要求1所述的一种可回收重用纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于：

所述的磁性晶粉具体制备步骤（2）中前驱体溶胶的具体制备步骤为：

将60～70g250～300目的莫来石粉放入200～300mL质量分数为25%的硅溶胶中，搅拌分散10～15min后转移至高速剪切机中以4000～5000r/min的转速高速剪切，向高速剪切机中加入40～50mL质量分数为10%的硝酸铝溶液，再加入质量分数为50%的氨水调节体系中pH为9～10，继续高速剪切15～20min，静置陈化20～24h，得到前驱体溶胶。