CN110282907B - 一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，在制备微孔摩擦材料的组分中加入疏水剂，所述微孔摩擦材料由以下组分及重量百分含量的原料制成：纳米二氧化硅改性酚醛树脂10％‑20％、丁苯橡胶4％‑14％、玻璃纤维5％‑15％、芳纶浆粕2％‑11％、硼酸铝晶须4％‑15％、疏水剂4％‑10％、硅酸钙3％‑8％、人造石墨1％‑8％、焦炭2％‑8％、云母2％‑7％、冰晶石5％‑10％、硅藻土4％‑10％。与现有技术相比，本发明制得的微孔闸瓦湿态时有着高且稳定的摩擦系数，大大提高了闸瓦的湿态制动性能，改善了热衰退，闸瓦无金属镶嵌，噪音低，耐磨性好，延长了闸瓦的使用寿命，同时保证了摩擦材料不对车轮踏面产生异常磨耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种摩擦材料，尤其是涉及一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法。
背景技术
随着我国城市轨道交通的安全、重载、高速的发展，高摩擦系数合成闸瓦已成为我国轨道交通车辆制动系统的重要组成部分。高摩擦系数合成闸瓦简称高摩合成闸瓦，主要由摩擦体与钢背构成，其中摩擦体是闸瓦的关键部件，它是由粘结剂、增强材料和填料(摩擦性能调节剂)组成，刹车时，闸瓦与车轮踏面摩擦达到减速刹车的目的。闸瓦材料的物理、力学及摩擦性能的好坏直接影响闸瓦的使用情况。目前地铁闸瓦普遍存在的主要问题有：湿态摩擦系数不稳定、热裂纹、噪音大、金属镶嵌及磨耗大等问题，特别遇到雨雪天气，路面比较湿滑，现有的合成闸瓦存在湿态摩擦系数较低，并且摩擦系数不稳定，这会严重危及到地铁车辆行车安全问题。
目前的微孔摩擦材料在潮湿状态下，材料表面会吸水，湿态性能大大降低。
中国专利CN103665746B公开了一种低磨耗高稳定系数的微孔型摩擦材料及其制造方法，但是该专利材料，潮湿状态下，摩擦系数仅在0.25以上，在MM-1000试验机上稳定系数仅为85％以上。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法。
本发明应用表面张力的原理，在微孔摩擦材料中添加一种或多种疏水剂，对微孔闸瓦内壁进行疏水处理，在雨雪天气等潮湿状态下，在摩擦表面不会产生毛细现象，提高闸瓦湿态制动性能，湿态时有着较高且稳定的摩擦系数，同时具有散热性好、噪音低、无金属镶嵌、耐磨性好及使用寿命长等优点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，在制备微孔摩擦材料的组分中加入疏水剂，所述微孔摩擦材料由以下组分及重量百分含量的原料制成：
所述疏水剂包括以下物质中的一种或几种：石蜡、硬脂酸或硬脂酸盐。
石蜡，又称晶型蜡，通常是白色、无味的蜡状固体，在47-64℃熔化，密度约0.9g/cm3，沸点范围为300-550℃，在非离子表面活性剂中，石蜡的亲水亲油HLB平衡值为0，疏水性最大。
硬脂酸，为白色蜡状透明固体，密度0.941g/cm3，熔点67-69℃，沸点376.1℃，不溶于水，稍溶于冷乙醇，加热时较易溶解。
所述硬脂酸盐包括硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸锌及硬脂酸铁等。
硬脂酸镁，白色粉末，密度1.028g/cm3，熔点88.5℃，沸点359.4℃，在水、乙醇或乙醚中不溶。
硬脂酸钙，白色粉末，密度1.08g/cm3，熔点147-149℃，沸点359.4℃，不溶于水，冷的乙醇和乙醚，溶于热苯、苯和松节油等有机溶剂，微溶于热的乙醇和乙醚。
硬脂酸锌，白色粉末，密度1.095g/cm3，熔点118-125℃，不溶于水，沸点359.4℃。
硬脂酸铁，桔红色粉末，无毒、无臭、无味、不可燃；不溶于水，溶于热的乙醇、乙醚、氯仿、丙酮、松节油和苯等有机溶剂。熔点大于105℃。
所述纳米二氧化硅改性酚醛树脂可以采用已有的技术手段获得，如专利CN201710127324.5、专利CN201510439876.0中都有介绍。纳米二氧化硅是无定型白色粉末，颗粒尺寸小，比表面积大，表面能高，采用改性的酚醛树脂，二氧化硅与大分子结合成立体网状结构，从而提高材料的耐热性、耐磨性、强度和弹性。
所述丁苯橡胶规格为80目的粉末，耐磨性、耐热性较好。
所述玻璃纤维是一种短切玻璃纤维，是一种性能优异的无机非金属材料，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，价格便宜。
所述芳纶浆粕是对芳纶纤维进行表面原纤化处理之后得到的，其独特的表面结构极大地提高了混合物的抓附力，因此非常适合作为一种增强纤维应用于摩擦材料中。
所述芳纶浆粕，强度高、尺寸稳定性好、无脆性、耐高温、耐腐蚀、有韧性、收缩率小、耐磨性好、表面积大，能很好的与其它物质结合，是一种补强材料，平均长度为4-6mm。芳纶浆粕与玻璃纤维混合使用，起到纤维混杂增强的作用。
所述硼酸铝晶须，密度为2.93g/cm3，熔点为1440-1460℃，耐热温度1200℃，莫氏硬度为7，拉伸强度为7.84GPa，拉伸弹性模量为392GPa。具有高的弹性率、良好的机械强度、耐热性、耐酸性、电绝缘性。硼酸铝晶须、玻璃纤维与芳纶浆粕，利用纤维之间的耦合作用达到混杂增强的目的，在摩擦材料中用作增强材料。
所述硅酸钙是白色粉末，无味，无毒，溶于强酸，不溶于水、醇及碱，多为针状结晶。硅酸钙耐温性高、硬度适中(莫氏硬度5-6)，对对偶损伤的程度小，在摩擦材料中起到增磨作用。硅酸钙与树脂共同起到粘结作用，提高材料的整体强度。
所述冰晶石又名六氟合铝酸钠，白色细小的结晶体，无气味，比重为3，莫氏硬度2-3，熔点1009℃，磨损率低，在摩擦材料中可用作良好的摩擦调节剂，粒度为200-300目。
所述的人造石墨具有多孔结构，有吸附性，对改善热衰退、减少噪音有一定效果，人造石墨的粒度为20-60目。
本发明所述焦炭是摩擦材料中的摩擦性能调节剂，用作减摩材料，具有疏松结构，能降低噪音。
本发明所述云母具有良好的耐热性和绝缘性，用作减摩材料。
本发明所述硅藻土具有质松多孔结构，吸附能力强，耐热好，减少噪音和热衰退，硅藻土中SiO2含量≥85％，规格为100目的粉末。
所述能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，具体包括以下步骤：
(1)原料的配制，包括以下组分及重量百分含量：
(2)制备，包括如下步骤：
上述各个原料按比例顺序放入高速混料机中混合，得到混合料；将钢背，混合料置于磨具中进行模压成型，得到毛坯；
将毛坯放入烘箱中加热固化，最后进行机加工，得到闸瓦。
按比例把各组分加入到高速混料机中混合搅拌，转速为2500r/min，时间25-40min。
进行模压成型时，模具温度60-100℃，成型压力20-30MPa，10分钟内放气5-10次，然后保压15-25min。
加热固化的条件是：放入烘箱中，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为60min。
具体固化温度与固化时间为：固化温度为200℃时，固化时间为2-3h，固化温度为220℃时，固化时间为2-3h，固化温度为240℃时，固化时间为3.5-4h，固化温度为260℃时，固化时间为3-4h，固化温度为280℃时，固化时间为1-2h，固化温度为300℃时，固化时间为5-6h。
本发明由于添加疏水剂，提高了材料的湿态制动性能。纳米二氧化硅改性酚醛树脂，由于二氧化硅与酚醛树脂结合成立体网状结构，材料的耐热性提高，耐磨性增强。玻璃纤维、芳纶浆粕与硼酸铝晶须这种混杂纤维的使用，充分发挥各自的优点，达到混杂增强效果，既保证了材料强度又能确保产品的摩擦磨损性能。人造石墨，焦炭，硅藻土等具有质松多孔结构，吸附性较强，可以有效降低噪音，多孔结构材料空隙较大，散热快。本发明通过合理选择疏水剂、树脂、纤维、增磨材料及摩擦性能调节剂等各原料及控制各原料之间的比例，采用特殊的生产工艺，制得的微孔闸瓦湿态时有着高且稳定的摩擦系数，大大提高了闸瓦的湿态制动性能，改善了热衰退，闸瓦无金属镶嵌，噪音低，耐磨性好，延长了闸瓦的使用寿命，同时保证了摩擦材料不对车轮踏面产生异常磨耗。
本发明在配方中添加疏水剂，其基本原理是在微孔闸瓦固化处理的过程中，在微孔形成的过程中，疏水剂化合物受热熔化，利用表面张力原理，疏水剂化合物分子逐渐迁移到微孔内壁，在微孔内壁沉积成膜，形成一层均匀致密稳定的薄膜，使得微孔摩擦材料的宏观表面没有毛细现象并表现出疏水的特性，以利于湿态摩擦系数的提高。制得的闸瓦在雨雪天气等潮湿状态时，在摩擦表面不会产生毛细现象，能够提高湿态制动性能。这种技术工艺过程简单，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明采用人造石墨，焦炭，硅藻土，这些原料具有质松多孔结构，有较好的吸附性，对降低噪音和改善热衰退有一定效果。除原材料以外，生产工艺对材料性能也有很大影响，本发明采用特殊的生产工艺，再结合程序式升温固化热处理，这种程序式升温固化，升温速率较慢，材料固化比较均匀，可以消除应力集中，产品质量比较稳定。
2.本发明由于添加疏水剂，制得的微孔闸瓦湿态时有着高且稳定的摩擦系数，提高了闸瓦的湿态制动性能，湿态摩擦系数达到0.30以上。
3.本发明纳米二氧化硅改性酚醛树脂，由于二氧化硅与酚醛树脂结合成立体网状结构，材料的耐热性提高，耐磨性增强。玻璃纤维、芳纶浆粕与硼酸铝晶须这种混杂纤维的使用，达到混杂增强效果，既保证了微孔材料强度又能确保产品的摩擦磨损性能。人造石墨，焦炭，硅藻土等具有质松多孔结构，可以有效降低噪音，多孔结构材料空隙较大，散热快。本发明通过合理选择疏水剂、树脂、纤维、增磨材料及摩擦性能调节剂等各原料及控制各原料之间的比例，采用特殊的生产工艺，制得的微孔闸瓦湿态时有着高且稳定的摩擦系数，提高了闸瓦的湿态制动性能，改善了热衰退，微孔闸瓦无金属镶嵌，噪音低，耐磨性好，延长了闸瓦的使用寿命，同时车轮踏面光滑，无裂纹。
附图说明
图1为本发明实施例1中的闸瓦在闸瓦推力22kN时，一次停车制动潮湿状态下的瞬时摩擦系数-速度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，在制备微孔摩擦材料的组分中加入疏水剂，具体包括以下步骤：
(1)原料的配制，包括以下组分及重量百分含量：
(2)制备：
上述各个原料按比例顺序放入高速混料机中混合；将钢背，混合料置于磨具中进行模压成型，得到毛坯；将毛坯放入烘箱中加热固化，最后进行机加工，得到闸瓦。
混合料：按比例把各组分加入到高速混料机中混合搅拌，转速为2500r/min，时间25min；
压制：将混合料和钢背放入模具中压制，模具温度60℃，成型压力20MPa，10分钟内放气5次，然后保压15min。
固化热处理：放入烘箱中，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为60min，具体方法见下表1。
表1闸瓦固化温度与时间
| 固化温度/℃ | 固化时间/h |
| 200 | 2 |
| 220 | 2 |
| 240 | 3.5 |
| 260 | 4 |
| 280 | 2 |
| 300 | 5 |
实施例2
一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，在制备微孔摩擦材料的组分中加入疏水剂，具体包括以下步骤：
(1)原料的配制，包括以下组分及重量百分含量：
(2)制备：
上述各个原料按比例顺序放入高速混料机中混合；将钢背，混合料置于磨具中进行模压成型，得到毛坯；将毛坯放入烘箱中加热固化，最后进行机加工，得到闸瓦。
混合料：按比例把各组分加入到高速混料机中混合搅拌，转速为2500r/min，时间30min；
压制：将混合料和钢背放入模具中压制，模具温度80℃，成型压力25MPa，10分钟内放气10次，然后保压20min。
固化热处理：放入烘箱中，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为60min，具体方法见下表2。
表2闸瓦固化温度与时间
| 固化温度/℃ | 固化时间/h |
| 200 | 2.5 |
| 220 | 2.5 |
| 240 | 3.5 |
| 260 | 4 |
| 280 | 2 |
| 300 | 5 |
实施例3
一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，在制备微孔摩擦材料的组分中加入疏水剂，具体包括以下步骤：
(1)原料的配制，包括以下组分及重量百分含量：
(2)制备：
上述各个原料按比例顺序放入高速混料机中混合；将钢背，混合料置于磨具中进行模压成型，得到毛坯；将毛坯放入烘箱中加热固化，最后进行机加工，得到闸瓦。
混合料：按比例把各组分加入到高速混料机中混合搅拌，转速为2500r/min，时间35min；
压制：将混合料和钢背放入模具中压制，模具温度100℃，成型压力30MPa，10分钟内放气7次，然后保压25min。
固化热处理：放入烘箱中，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为60min，具体方法见下表3。
表3闸瓦固化温度与时间
| 固化温度/℃ | 固化时间/h |
| 200 | 3 |
| 220 | 2.5 |
| 240 | 4 |
| 260 | 3 |
| 280 | 1 |
| 300 | 6 |
实施例4
一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，在制备微孔摩擦材料的组分中加入疏水剂，具体包括以下步骤：
(1)原料的配制，包括以下组分及重量百分含量：
(2)制备：
上述各个原料按比例顺序放入高速混料机中混合；将钢背，混合料置于磨具中进行模压成型，得到毛坯；将毛坯放入烘箱中加热固化，最后进行机加工，得到闸瓦。
混合料：按比例把各组分加入到高速混料机中混合搅拌，转速为2500r/min，时间40min；
压制：将混合料和钢背放入模具中压制，模具温度90℃，成型压力28MPa，10分钟内放气8次，然后保压22min。
固化热处理：放入烘箱中，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为60min，具体方法见下表4。
表4闸瓦固化温度与时间
| 固化温度/℃ | 固化时间/h |
| 200 | 2 |
| 220 | 3 |
| 240 | 4 |
| 260 | 3.5 |
| 280 | 1.5 |
| 300 | 5.5 |
不添加疏水剂，其余配方组成、生产工艺完全同实施例1，制得的闸瓦记为X。依据CZJS/T 0013-2016《城市轨道交通车辆合成闸瓦技术规范》标准，对实施例制得的闸瓦及闸瓦X进行了理化性能测试，结果如表5所示。
表5闸瓦物理性能测试数据
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | X | |
| 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 1.40 | 1.43 | 1.45 | 1.50 | 1.60 |
| 硬度(HRR) | 55 | 58 | 60 | 70 | 85 |
| 冲击强度(kJ/m<sup>2</sup>) | 2.0 | 2.5 | 2.8 | 3.0 | 1.8 |
| 压缩强度(MPa) | 50 | 55 | 60 | 70 | 62 |
| 压缩弹性模量(MPa) | 640 | 680 | 700 | 750 | 850 |
实施例制得的闸瓦理化性能完全符合标准要求。
对实施例制得的闸瓦及闸瓦X，采用缩比台架MM-1000对闸瓦进行了摩擦性能测试，结果如表6所示。
表6闸瓦MM-1000试验数据
由表6可以看出，实施例制得的闸瓦，湿态时随着速度的增加，摩擦系数没有下降，仍可以保持在0.30以上，稳定系数可达到90％以上。
参考CZJS/T 0013-2016《城市轨道交通车辆合成闸瓦技术规范》，在铁道部产品质量监督检验中心进行了1:1台架试验，进行了摩擦磨耗性能测试，测试结果见表7-1、7-2。
表7-1闸瓦1:1台架试验数据
表7-2闸瓦1:1台架试验数据
在不同压力一次停车制动干燥状态及模拟运营干燥状态下，闸瓦的摩擦系数比较稳定，没有出现热衰退现象。湿态时，摩擦系数没有下降，平均摩擦系数保持在0.30以上，并且稳定性较高。整个试验过程中闸瓦未出现剥落、掉块、金属镶嵌现象，且制动无噪音，磨耗小。对偶车轮踏面光滑，无裂纹。
图1为本发明实施例1中的闸瓦在闸瓦推力22kN时，一次停车制动潮湿状态下的瞬时摩擦系数-速度曲线图。
本发明通过添加疏水剂，对微孔材料内壁进行疏水处理，使得微孔材料在湿态时摩擦系数不下降，并且有着较高的摩擦系数。采用本发明技术，无论是MM-1000缩比台试验还是1:1台架试验，湿态摩擦系数都可以保持在0.30以上，摩擦系数稳定性更高，在MM1-000试验机上可达90％以上。材料磨损率更低，使用寿命更长。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，其特征在于，在制备微孔摩擦材料的组分中加入疏水剂，包括以下步骤：
（1） 原料的配制，包括以下组分及重量百分含量：
纳米二氧化硅改性酚醛树脂 10%-20%
丁苯橡胶 4%-14%
玻璃纤维 5%-15%
芳纶浆粕 2%-11%
硼酸铝晶须 4%-15%
疏水剂 4%-10%
硅酸钙 3%-8%
人造石墨 1%-8%
焦炭 2%-8%
云母 2%-7%
冰晶石 5%-10%
硅藻土 4%-10%
所述疏水剂选自以下物质中的一种或几种：石蜡、硬脂酸或硬脂酸盐，所述硬脂酸盐包括硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸锌及硬脂酸铁；
（2）制备，包括如下步骤：
上述各个原料按比例顺序放入高速混料机中混合，得到混合料；将钢背，混合料置于模具中进行模压成型，得到毛坯；
将毛坯放入烘箱中加热固化，最后进行机加工，得到闸瓦；
进行模压成型时，模具温度60-100℃，成型压力20-30MPa，10分钟内放气5-10次，然后保压15-25min；加热固化的条件是：放入烘箱中，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为60min，具体固化温度与固化时间为：固化温度为200℃时，固化时间为2-3h，固化温度为220℃时，固化时间为2-3h，固化温度为240℃时，固化时间为3.5-4h，固化温度为260℃时，固化时间为3-4h，固化温度为280℃时，固化时间为1-2h，固化温度为300℃时，固化时间为5-6h；
在微孔闸瓦固化处理的过程中，在微孔形成的过程中，疏水剂化合物受热熔化，利用表面张力原理，疏水剂化合物分子逐渐迁移到微孔内壁，在微孔内壁沉积成膜，形成一层均匀致密稳定的薄膜，使得微孔摩擦材料的宏观表面没有毛细现象并表现出疏水的特性；
微孔摩擦材料的湿态摩擦系数达到0.30以上。
2.根据权利要求1所述的一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，其特征在于，所述冰晶石粒度为200-300目。
3.根据权利要求1所述的一种能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，其特征在于，所述人造石墨的粒度为20-60目。
4.根据权利要求1所述能够提高微孔摩擦材料湿态制动性能的方法，其特征在于，按比例把各组分加入到高速混料机中混合搅拌，转速为2500r/min，时间25-40min。
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