CN109988392B - 一种玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料及其制备方法，摩擦材料的组分包括：作为材料骨架的玄武岩纤维布、热固性树脂、聚醋酸乙酯、摩擦性能调节剂、溶剂。其制备方法为将丙酮或无水乙醇作为溶剂、硼酚醛树脂或腰果壳油改性酚醛树脂或丁腈橡胶改性酚醛树脂和陶瓷颗粒依次混合，采用超声波分散，制成均匀、粘度适中的浸渍液，然后涂抹玄武岩纤维布，干燥后对玄武岩纤维布进行热压成型、稳定化热处理及后续半炭化处理。本发明制备的制动片经MM1000‑Ⅲ型摩擦磨损试验机试验，摩擦磨损性能优异、制动性能稳定、安全、绿色环保，湿式动、静摩擦系数高且稳定、成本低廉，有着极好的耐久性和可靠性。

Description

一种玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及交通材料技术领域，尤其是一种玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料及其制备方法。
背景技术
湿式摩擦材料可以作为功能配件的原材料用于机械的运动部位，以达到传动、制动、减速、转向、驻车等目的。查阅目前对湿式摩擦擦材料的资料可以发现，湿式摩擦材料不仅磨损量小、摩擦因数稳定，并且还具有良好的散热性能，在重型设备的应用上尤为广泛。但是由于技术上的限制，我国目前应用于重型机械上的湿式摩擦材料大多数是铜基摩擦材料以及纸基摩擦材料，但是复合摩擦材料还处于研发阶段。在实际的使用过程中铜基粉末冶金摩擦材料存在传动稳定性差、长时间工作时容易与对偶盘粘连等缺点；用石棉纤维进行增强的纸基摩擦材料在国际上具有极大的争议，用碳纤维进行增强的湿式摩擦材料虽然具有优异的耐磨性、耐热性和良好的弹性,但是,由于碳纤维的价格昂贵,制造成本太高,没有太大的实用价值。
玄武岩纤维是一种天然的矿物纤维,其成本较低,无污染。最为重要的是，玄武纤维复合材料的摩擦性能相对稳定，磨损率低，是制备高性能湿式摩擦材料的优选原料。中国专利申请号为201110189608.x公开了一种用于湿式离合器的碳纤维编织布摩擦材料的制备方法及应用，包括以下步骤：（1）以碳毡或将碳纤维三维编织穿刺成碳纤维布作为预制体；（2）预制体置于浸渍炉内，浸渍炉内含有SiO2、ZrO2、硼铁、锰铁、烙铁一种或几种摩擦剂的耐高温刹车片酚醛树脂，控制浸渍后预制体密度的1.68g/cm3；（3）将浸渍后预制体即浸渍布加压热固化；（4）浸渍布经加压热固化后，将所得的浸渍布冲裁成所需要的形状，在浸渍布的一面涂覆粘结剂，使浸渍布与支撑钢背热粘结。但是这种湿式摩擦材料仍存在摩擦系数低、成本高等问题，不能满足高级乘用车、各类重型车辆和工程机械湿式离合器的广泛应用。因此，研制一种具有较好的摩擦稳定性、较高的摩擦系数、较小的磨损量的新型湿式摩擦材料迫在眉睫。目前，尚未有关于玄武岩纤维增强树脂基湿式摩擦材料的研究报导。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供了一种玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料及其制备方法；采用硫化机热压，经过热压处理、稳定化热处理、半炭化处理等工艺路线，制备新型的玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料，可以部分或全部取代有机或无机纤维在摩擦材料中的增强效应，解决汽车、工程机械用制动摩擦材料耐热性低、磨损量大、摩擦系数不稳定、成本过高的问题。
本发明的方案是通过这样实现的：
一种玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料，其组分包括作为材料骨架的玄武岩纤维布、热固性树脂、聚醋酸乙酯、调节剂和溶剂；所述各组分的重量分数为：
玄武岩纤维布 40～80份，
热固性树脂 10～40份，
聚醋酸乙酯 20～40份，
调节剂 1～5份，
溶剂 20～55份，
所述的玄武岩纤维布为正交纹或斜交纹的碳纤维布；所述的热固性树脂为粘结型的硼酚醛树脂或腰果壳油改性酚醛树脂或丁腈橡胶改性酚醛树脂中的一种；所述的调节剂为纳米陶瓷颗粒；所述的溶剂选自丙酮和无水乙醇中的一种。
本发明的摩擦材料是通过将玄武岩纤维与陶瓷颗粒进行混合增强，并添加一定量的树脂粘结剂，可以解决当前湿式摩擦材料摩擦系数低、磨损量大、价格昂贵、摩擦系数波动大等问题。
本发明还提供了一种制备上述的玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料的方法，包括以下步骤：
（1）配料：按各组分的重量份数分别称取玄武岩纤维布、热固性树脂、聚醋酸乙酯、调节剂和溶剂，然后将热固性树脂、调节剂和溶剂进行超声波分散15～30min，混合均匀成浸渍液，并在混合过程中保持浸渍液的温度在30～60℃；
（2）涂刷：将聚醋酸乙酯均匀涂抹于玄武岩纤维布的正反两面进行表面改性后置于空气中干燥，然后将浸渍液均匀涂刷到改性后的玄武岩纤维布；
（3）干燥：将涂刷均匀的玄武岩纤维布放入鼓风干燥箱中于60～90℃进行干燥，干燥时间为2～6小时；在干燥过程中玄武岩纤维布在Z方向上用平板压制；干燥结束后根据材料密度和树脂含量要求重复上述（2）涂刷步骤；
（4）热压成型：将2～5层的经涂抹并干燥后的玄武岩纤维布放入平板硫化机中于180～220℃热压固化10～30min，在热压过程中温升低于6℃/min，放气3次；
（5）稳定化热处理：将压制后的玄武岩纤维布放入180～220℃的干燥箱中进行稳定化热处理2～5h，温升为1～5℃/min，最后将其冷却至室温；
（6）半炭化热处理：将稳定化处理后的玄武岩纤维布放入500～700℃的干燥箱中进行半碳化热处理1～3h，保护气氛为氮气，温升为1～5℃/min；最后将其冷却至室温即得成品。
作为本发明的进一步说明，所述的纳米陶瓷颗粒选用纳米SiC陶瓷颗粒。
作为本发明的进一步说明，所述的纳米陶瓷颗粒的粒径为20～100nm。
在本发明的制备方法中，对部分组分进行超声波分散使用的仪器为实验室常用的超声波清洗机；如SK250LH双频超声波清洗器，有着59KHz和40KHz两种频率选择，高频的超声波具有很强的渗透性，能使混合、脱气、脱泡、分散及提取更快速，更充分。采用其他型号的超声波清洗器也可以，如SK3200LH双频超声波清洗器、SK2200高频超声波清洗器等。在进行超声波分散这一过程并没有太多的技术参数限制，只需将热固性树脂、调节剂和溶剂放入混合均匀即可。
本发明具备以下良好效果：
（1）本发明采用聚醋酸乙酯对玄武岩纤维布进行表面改性，能够增加玄武岩纤维与基体的润湿性和界面结合强度，提高材料的机械力学性能。
（2）本发明中采用纳米陶瓷颗粒作为单一填料，可以有效控制摩擦因数大小和摩擦因数稳定性，提高酚醛树脂的耐热温度，防止填料工作过程中因磨损脱落污染润滑油。
（3）本发明采用玄武岩纤维布取代碳纤维布，能够大幅度降低材料的成本。
（4）本发明采用稳定化热处理和半炭化处理提高材料的热传导性，调控材料的空隙率，提高机油的流动速度。
（5）本发明工艺简单、能耗低、材料均匀性好、高力学强度、强韧性、热力学性能好、摩擦因数稳定、热稳定性好、极好的耐久性和可靠性、低磨耗率、使用寿命长，适合多种高级轿车、重型车辆离合器、工程机械、矿山机械的离合器，具有很广阔的应用前景。
具体实施方式
以下结合实施例描述本发明一种玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料及其制备方法，这些描述并不是对本发明内容作进一步的限定。
实施例1：
称取湿式摩擦材料的各组分重量分别为：玄武岩纤维布400g、硼酚醛树脂100g、聚醋酸乙酯300g、粒径为20nm纳米陶瓷颗粒30g和丙酮250g。
配料：将上述称取的硼酚醛树脂、粒径为20nm纳米陶瓷颗粒和丙酮进行超声波分散15min，混合均匀成浸渍液，并在混合过程中保持浸渍液的温度在40℃；
涂刷：将聚醋酸乙酯均匀涂抹于玄武岩纤维布的正反两面进行表面改性后置于空气中干燥，然后将浸渍液均匀涂刷到改性后的玄武岩纤维布；
干燥：将涂刷均匀的玄武岩纤维布放入鼓风干燥箱中于90℃进行干燥，干燥时间为5小时；在干燥过程中玄武岩纤维布在Z方向上用平板压制；干燥结束后根据材料密度和树脂含量要求重复上述涂刷步骤；
热压成型：将3层的经涂抹并干燥后的玄武岩纤维布放入平板硫化机中于210℃热压固化30min，在热压过程中温升低于6℃/min，放气3次；
稳定化热处理：将压制后的玄武岩纤维布放入180℃的干燥箱中进行稳定化热处理4h，温升为4℃/min，最后将其冷却至室温；
半炭化热处理：将稳定化处理后的玄武岩纤维布放入600℃的干燥箱中进行半碳化热处理2h，保护气氛为氮气，温升为2℃/min；最后将其冷却至室温即得成品。
将所得的摩擦材料经MM-1000II型摩擦材料试验机检测，根据《湿式（非金属）摩擦材料》（GB/T 13826-2008）测试方法，测得静摩擦因数为0.17，动摩擦因数为0.12～0.15，材料300次制动的磨损率为0.91x10-8cm3/J。
实施例2：
称取湿式摩擦材料的各组分重量分别为：玄武岩纤维布800g、腰果壳油改性酚醛树脂300g、聚醋酸乙酯400g、粒径为100nm纳米陶瓷颗粒50g和无水乙醇450g。
配料：将上述称取的腰果壳油改性酚醛树脂、粒径为100nm纳米陶瓷颗粒和无水乙醇进行超声波分散26min，混合均匀成浸渍液，并在混合过程中保持浸渍液的温度在45℃；
涂刷：将聚醋酸乙酯均匀涂抹于玄武岩纤维布的正反两面进行表面改性后置于空气中干燥，然后将浸渍液均匀涂刷到改性后的玄武岩纤维布；
干燥：将涂刷均匀的玄武岩纤维布放入鼓风干燥箱中于80℃进行干燥，干燥时间为6小时；在干燥过程中玄武岩纤维布在Z方向上用平板压制；干燥结束后根据材料密度和树脂含量要求重复上述涂刷步骤；
热压成型：将4层的经涂抹并干燥后的玄武岩纤维布放入平板硫化机中于190℃热压固化25min，在热压过程中温升低于6℃/min，放气3次；
稳定化热处理：将压制后的玄武岩纤维布放入210℃的干燥箱中进行稳定化热处理3h，温升为5℃/min，最后将其冷却至室温；
半炭化热处理：将稳定化处理后的玄武岩纤维布放入550℃的干燥箱中进行半碳化热处理1.5h，保护气氛为氮气，温升为3℃/min；最后将其冷却至室温即得成品。
将所得的摩擦材料经MM-1000II型摩擦材料试验机检测，根据《湿式（非金属）摩擦材料》（GB/T 13826-2008）测试方法，测得静摩擦因数为0.18，动摩擦因数为0.13～0.16，材料300次制动的磨损率为0.51x10-8cm3/J。
实施例3：
称取湿式摩擦材料的各组分重量分别为：玄武岩纤维布600g、丁腈橡胶改性酚醛树脂150g、聚醋酸乙酯400g、粒径为80nm纳米陶瓷颗粒40g和丙酮300g。
配料：将上述称取的丁腈橡胶改性酚醛树脂、粒径为80nm纳米陶瓷颗粒和丙酮进行超声波分散30min，混合均匀成浸渍液，并在混合过程中保持浸渍液的温度在30℃；
涂刷：将聚醋酸乙酯均匀涂抹于玄武岩纤维布的正反两面进行表面改性后置于空气中干燥，然后将浸渍液均匀涂刷到改性后的玄武岩纤维布；
干燥：将涂刷均匀的玄武岩纤维布放入鼓风干燥箱中于70℃进行干燥，干燥时间为2小时；在干燥过程中玄武岩纤维布在Z方向上用平板压制；干燥结束后根据材料密度和树脂含量要求重复上述涂刷步骤；
热压成型：将3层的经涂抹并干燥后的玄武岩纤维布放入平板硫化机中于180℃热压固化15min，在热压过程中温升低于6℃/min，放气3次；
稳定化热处理：将压制后的玄武岩纤维布放入190℃的干燥箱中进行稳定化热处理2h，温升为1℃/min，最后将其冷却至室温；
半炭化热处理：将稳定化处理后的玄武岩纤维布放入650℃的干燥箱中进行半碳化热处理1h，保护气氛为氮气，温升为5℃/min；最后将其冷却至室温即得成品。
将所得的摩擦材料经MM-1000II型摩擦材料试验机检测，根据《湿式（非金属）摩擦材料》（GB/T 13826-2008）测试方法，测得静摩擦因数为0.17，动摩擦因数为0.12～0.16，材料300次制动的磨损率为0.78x10-8cm3/J。
实施例4：
称取湿式摩擦材料的各组分重量分别为：玄武岩纤维布600g、硼酚醛树脂200g、聚醋酸乙酯350g、粒径为55nm纳米陶瓷颗粒25g和无水乙醇280g。
配料：将上述称取的硼酚醛树脂、粒径为55nm纳米陶瓷颗粒和无水乙醇进行超声波分散20min，混合均匀成浸渍液，并在混合过程中保持浸渍液的温度在50℃；
涂刷：将聚醋酸乙酯均匀涂抹于玄武岩纤维布的正反两面进行表面改性后置于空气中干燥，然后将浸渍液均匀涂刷到改性后的玄武岩纤维布；
干燥：将涂刷均匀的玄武岩纤维布放入鼓风干燥箱中于60℃进行干燥，干燥时间为3小时；在干燥过程中玄武岩纤维布在Z方向上用平板压制；干燥结束后根据材料密度和树脂含量要求重复上述涂刷步骤；
热压成型：将5层的经涂抹并干燥后的玄武岩纤维布放入平板硫化机中于200℃热压固化20min，在热压过程中温升低于6℃/min，放气3次；
稳定化热处理：将压制后的玄武岩纤维布放入220℃的干燥箱中进行稳定化热处理5h，温升为2℃/min，最后将其冷却至室温；
半炭化热处理：将稳定化处理后的玄武岩纤维布放入500℃的干燥箱中进行半碳化热处理2.5h，保护气氛为氮气，温升为1℃/min；最后将其冷却至室温即得成品。
将所得的摩擦材料经MM-1000II型摩擦材料试验机检测，根据《湿式（非金属）摩擦材料》（GB/T 13826-2008）测试方法，测得静摩擦因数为0.17，动摩擦因数为0.13～0.17，材料300次制动的磨损率为0.85x10-8cm3/J。
实施例5：
称取湿式摩擦材料的各组分重量分别为：玄武岩纤维布400g、腰果壳油改性酚醛树脂100g、聚醋酸乙酯250g、粒径为60nm纳米陶瓷颗粒10g和丙酮400g。
配料：将上述称取的腰果壳油改性酚醛树脂、粒径为60nm纳米陶瓷颗粒和丙酮进行超声波分散23min，混合均匀成浸渍液，并在混合过程中保持浸渍液的温度在60℃；
涂刷：将聚醋酸乙酯均匀涂抹于玄武岩纤维布的正反两面进行表面改性后置于空气中干燥，然后将浸渍液均匀涂刷到改性后的玄武岩纤维布；
干燥：将涂刷均匀的玄武岩纤维布放入鼓风干燥箱中于75℃进行干燥，干燥时间为4小时；在干燥过程中玄武岩纤维布在Z方向上用平板压制；干燥结束后根据材料密度和树脂含量要求重复上述涂刷步骤；
热压成型：将2层的经涂抹并干燥后的玄武岩纤维布放入平板硫化机中于220℃热压固化10min，在热压过程中温升低于6℃/min，放气3次；
稳定化热处理：将压制后的玄武岩纤维布放入200℃的干燥箱中进行稳定化热处理3.5h，温升为3℃/min，最后将其冷却至室温；
半炭化热处理：将稳定化处理后的玄武岩纤维布放入700℃的干燥箱中进行半碳化热处理3h，保护气氛为氮气，温升为4℃/min；最后将其冷却至室温即得成品。
将所得的摩擦材料经MM-1000II型摩擦材料试验机检测，根据《湿式（非金属）摩擦材料》（GB/T 13826-2008）测试方法，测得静摩擦因数为0.18，动摩擦因数为0.12～0.16，材料300次制动的磨损率为0.68x10-8cm3/J。
实施例6：
称取湿式摩擦材料的各组分重量分别为：玄武岩纤维布400g、腰果壳油改性酚醛树脂100g、聚醋酸乙酯200g、粒径为60nm纳米陶瓷颗粒10g和丙酮200g。
配料：将上述称取的腰果壳油改性酚醛树脂、粒径为60nm纳米陶瓷颗粒和丙酮进行超声波分散15min，混合均匀成浸渍液，并在混合过程中保持浸渍液的温度在60℃；
涂刷：将聚醋酸乙酯均匀涂抹于玄武岩纤维布的正反两面进行表面改性后置于空气中干燥，然后将浸渍液均匀涂刷到改性后的玄武岩纤维布；
干燥：将涂刷均匀的玄武岩纤维布放入鼓风干燥箱中于60℃进行干燥，干燥时间为2小时；在干燥过程中玄武岩纤维布在Z方向上用平板压制；干燥结束后根据材料密度和树脂含量要求重复上述涂刷步骤；
热压成型：将2层的经涂抹并干燥后的玄武岩纤维布放入平板硫化机中于180℃热压固化10min，在热压过程中温升低于6℃/min，放气3次；
稳定化热处理：将压制后的玄武岩纤维布放入180℃的干燥箱中进行稳定化热处理2h，温升为1℃/min，最后将其冷却至室温；
半炭化热处理：将稳定化处理后的玄武岩纤维布放入500℃的干燥箱中进行半碳化热处理1h，保护气氛为氮气，温升为1℃/min；最后将其冷却至室温即得成品。
将所得的摩擦材料经MM-1000II型摩擦材料试验机检测，根据《湿式（非金属）摩擦材料》（GB/T 13826-2008）测试方法，测得静摩擦因数为0.16，动摩擦因数为0.14～0.16，材料300次制动的磨损率为0.88x10-8cm3/J。
实施例7：
称取湿式摩擦材料的各组分重量分别为：玄武岩纤维布800g、腰果壳油改性酚醛树脂400g、聚醋酸乙酯400g、粒径为100nm纳米陶瓷颗粒50g和丙酮550g。
配料：将上述称取的腰果壳油改性酚醛树脂、粒径为100nm纳米陶瓷颗粒和丙酮进行超声波分散30min，混合均匀成浸渍液，并在混合过程中保持浸渍液的温度在60℃；
涂刷：将聚醋酸乙酯均匀涂抹于玄武岩纤维布的正反两面进行表面改性后置于空气中干燥，然后将浸渍液均匀涂刷到改性后的玄武岩纤维布；
干燥：将涂刷均匀的玄武岩纤维布放入鼓风干燥箱中于90℃进行干燥，干燥时间为6小时；在干燥过程中玄武岩纤维布在Z方向上用平板压制；干燥结束后根据材料密度和树脂含量要求重复上述涂刷步骤；
热压成型：将5层的经涂抹并干燥后的玄武岩纤维布放入平板硫化机中于220℃热压固化30min，在热压过程中温升低于6℃/min，放气3次；
稳定化热处理：将压制后的玄武岩纤维布放入220℃的干燥箱中进行稳定化热处理5h，温升为5℃/min，最后将其冷却至室温；
半炭化热处理：将稳定化处理后的玄武岩纤维布放入700℃的干燥箱中进行半碳化热处理3h，保护气氛为氮气，温升为5℃/min；最后将其冷却至室温即得成品。
将所得的摩擦材料经MM-1000II型摩擦材料试验机检测，根据《湿式（非金属）摩擦材料》（GB/T 13826-2008）测试方法，测得静摩擦因数为0.18，动摩擦因数为0.14～0.17，材料300次制动的磨损率为0.57x10-8cm3/J。
本发明上述实施例方案仅是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求中指出了本发明产品组成成分、成分比例、制备方法参数的范围，而上述的说明并未指出本发明参数的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应当认为是包括在权利要求书的范围内。
本发明是经过多位摩擦材料加工技术人员长期工作经验积累，并通过创造性劳动创作而出，本发明制备得到的摩擦材料均匀性好、高力学强度、强韧性、热力学性能好、摩擦因数稳定、热稳定性好、具有极好的耐久性和可靠性、低磨耗率、使用寿命长，具有价高的使用价值。

Claims (3)

1.一种制备玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）配料：按各组分的重量份数分别称取玄武岩纤维布、热固性树脂、聚醋酸乙烯酯、调节剂和溶剂，然后将热固性树脂、调节剂和溶剂进行超声波分散15～30min，混合均匀成浸渍液，并在混合过程中保持浸渍液的温度在30～60℃；
所述各组分的重量份数具体为：
作为材料骨架的玄武岩纤维布40～80份，热固性树脂10～40份，聚醋酸乙烯酯20～40份，调节剂1～5份，溶剂20～55份；
所述的玄武岩纤维布为正交纹或斜交纹的玄武岩纤维布；所述的热固性树脂为粘结型的硼酚醛树脂或腰果壳油改性酚醛树脂或丁腈橡胶改性酚醛树脂中的一种；所述的调节剂为纳米陶瓷颗粒；所述的溶剂选自丙酮和无水乙醇中的一种；
（2）涂刷：将聚醋酸乙烯酯均匀涂抹于玄武岩纤维布的正反两面进行表面改性后置于空气中干燥，然后将浸渍液均匀涂刷到改性后的玄武岩纤维布；
（3）干燥：将涂刷均匀的玄武岩纤维布放入鼓风干燥箱中于60～90℃进行干燥，干燥时间为2～6小时；在干燥过程中玄武岩纤维布在Z方向上用平板压制；干燥结束后根据材料密度和树脂含量要求重复上述（2）涂刷步骤；
（4）热压成型：将2～5层的经涂抹并干燥后的玄武岩纤维布放入平板硫化机中于180～220℃热压固化10～30min，在热压过程中温升低于6℃/min，放气3次；
（5）稳定化热处理：将压制后的玄武岩纤维布放入180～220℃的干燥箱中进行稳定化热处理2～5h，温升为1～5℃/min，最后将其冷却至室温；
（6）半炭化热处理：将稳定化处理后的玄武岩纤维布放入500～700℃的干燥箱中进行半碳化热处理1～3h，保护气氛为氮气，温升为1～5℃/min；最后将其冷却至室温即得成品。
2.根据权利要求1所述的制备玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料的方法，其特征在于：所述的纳米陶瓷颗粒选用纳米SiC陶瓷颗粒。
3.根据权利要求1所述的制备玄武岩纤维布/树脂基湿式摩擦材料的方法，其特征在于：所述的纳米陶瓷颗粒的粒径为20～100nm。
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