CN112409750B - 一种工程起重机电机刹车盘材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子复合材料及起重机械零部件制造技术领域。目的是提供一种具有成分设计合理、生产成本低、能适应恶劣环境的工程起重机电机刹车盘材料及制备方法。技术方案是：一种工程起重机电机刹车盘材料，其特征在于：该材料包括的成分及重量份是：1)增强纤维：包括芳纶浆粕短纤维4‑8份、改性六钛酸钾晶须纤维4‑8份、复合矿物纤维12‑15份、黄铜纤维14‑18份；2)改性酚醛树脂：包括硼酸15‑20份、腰果酚4‑8份、甲醛90‑120份、苯酚75‑100份、氢氧化钠2‑4份；3)填料：包括芳纶摩擦颗粒5‑15份、聚醚醚酮5‑9份、纳米氧化铝粉末2‑4份、硫化锑4‑9份、鳞片石墨5‑12份、硅藻土9‑18份。

Description

一种工程起重机电机刹车盘材料及制备方法

技术领域

本发明属于高分子复合材料及起重机械零部件制造技术领域，具体是涉及一种工程起重机电机刹车盘材料及制备方法，特别是涉及一种起重机电机刹车盘的高分子复合材料及复合材料净成形制备方法。

背景技术

工程起重机是用来搬运、装卸的重要设备，广泛应用在矿山、建筑工地、交通等场合。工程起重机能否安全运行直接影响着工作人员的生命及财产安全。其中，制动装置所带来的问题是起重机械的关键问题。若制动性能不能保证，则会引发较为严重的安全事故。刹车盘是起重机电机中的关键安全部件，因此要求刹车盘制动力矩大，能在发生危险时紧急制动，而起重电机一直处于频繁通电、断电、启动和制动状态，要求摩擦材料在频繁摩擦、高温发热状态下，摩擦系数稳定、热衰退小，耐磨性能好，还应具有良好冲击强度，保证在频繁的启动和制动过程中，摩擦材料保持良好的机械强度。为此，国内外相关领域的专家针对刹车盘存在的问题一直进行着研究，解决问题的思路是直接选用抗磨损、耐高温及耐冲击的材料。但这些材料一般都是进口材料，即使不是进口材料，价格也非常贵，严重限制了起重机刹车盘产品的市场化。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种具有成分设计合理、加工工艺简单、生产成本低、能适应恶劣环境的工程起重机电机刹车盘材料及制备方法。

本发明的技术方案是：

一种工程起重机电机刹车盘材料，其特征在于：该材料包括的成分及重量份是：

1)增强纤维：包括芳纶浆粕短纤维4-8份、改性六钛酸钾晶须纤维4-8份、复合矿物纤维12-15份、黄铜纤维14-18份；

2)改性酚醛树脂：包括硼酸15-20份、腰果酚4-8份、甲醛90-120份、苯酚75-100份、氢氧化钠2-4份；

3)填料：包括芳纶摩擦颗粒5-15份、聚醚醚酮5-9份、纳米氧化铝粉末2-4份、硫化锑4-9份、鳞片石墨5-12份、硅藻土9-18份。

所述芳纶摩擦颗粒由芳纶浆粕纤维、芳纶短切纤维、液体丁腈乳胶、液体丁苯橡胶和溶剂型腰果壳油液体树脂混合造粒制得，包括芳纶浆粕纤维40-50份、芳纶短切纤维15-25份，液体丁晴橡胶10-15份，液体丁苯橡胶8-16份，溶剂型腰果壳油液体树脂5-12份；

所述纳米氧化铝粉末的质量分数≤8％。

所述改性酚醛树脂还包括丁腈橡胶粒子，改性酚醛树脂中其他成分与丁腈橡胶粒子的重量份比为6:1。

所述改性六钛酸钾晶须纤维由六钛酸钾晶须经过硅烷偶联剂表面改性得到；改性方法是：将硅烷偶联剂KH500溶于乙醇溶液中制得体积分数为2％的偶联剂/乙醇溶液，将六钛酸钾晶须纤维置于上述混合溶液中浸泡10-14h后，用无水乙醇多次清洗并晾干，再放置在80℃恒温烘干箱中烘干，制得硅烷偶联剂改性的六钛酸钾晶须纤维。

一种工程起重机电机刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按配方称取芳纶浆粕短纤维、改性六钛酸钾晶须纤维、复合矿物纤维、黄铜纤维，混合成型为增强纤维；

2)按配方称取硼酸、腰果酚、甲醛、苯酚、氢氧化钠，进行一次混合成型，再加入丁腈橡胶粒子进行二次共混增韧改性，成为改性酚醛树脂；

3)按配方称取芳纶摩擦颗粒、聚醚醚酮、纳米氧化铝粉末、硫化锑、鳞片石墨、硅藻土，混合成型为填料；

4)混料：将增强纤维、改性酚醛树脂、填料分别称料放入容器中，然后将容器放入超声波清洗器中进行振荡搅拌，得到混合均匀的刹车盘复合材料混合物；

5)热压成型：将热压一次成型机上的模具预热到120-140℃，在模具模腔内刷脱模剂，将刹车盘复合材料混合物倒入模腔，盖上经过喷丸和涂胶处理的钢背，然后热压成型，温度150-170℃，成型压力19-21MPa，压制280-320s；

6)烧结固化：将共混热压后的刹车盘复合材料混合物放入箱式电阻炉中进行热处理，烧结温度为300-400℃，烧结完成后随炉自然冷却到室温下，再保持24小时，得到样品粗坯；

7)机械加工：根据工程起重机电机刹车制动盘设计尺寸及精度要求将样品粗坯加工成刹车盘样品。

所述步骤5)中，为了让刹车盘复合材料混合物中的水分和其他挥发性介质逸散出来，每隔15s对模具释放压力一次，连续释放3次。

本发明的有益效果是：

1、本发明所制备的刹车盘材料的增强纤维采用少量黄铜纤维混杂芳纶浆粕短纤维、改性六钛酸钾晶须纤维、复合矿物纤维，形成若干级无规则交叉网络结构，可以对裂纹的扩展产生束缚作用，从而有效增强摩擦材料的韧性和抗冲击能力；

2、本发明所制备的刹车盘材料的改性酚醛树脂采用硼酸、腰果酚、丁腈橡胶粒子二次共混增韧，显著提高了基体树脂的耐热性和冲击强度，从而提高刹车盘材料的摩擦系数稳定性和耐磨损性能；

3、本发明所制备的刹车盘材料的填料加入了聚醚醚酮成分，能够在摩擦过程中形成聚醚醚酮转印膜，转印膜能将脱落的碎片纤维吸收进转印膜内，从而有效提高材料的表面强度并降低材料的磨损率；

4、本发明所制备的刹车盘材料应用一次热压成型工艺，最佳热压工艺参数为160℃×300s×20MPa，有效保证了摩擦材料与金属基材的结合力和整体性，增强纤维不被机加工切断，保持了摩擦材料的连续性，增加摩擦制动面积，提高刹车盘的耐磨性，制动能力及机械强度，延长刹车盘的使用寿命。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

一、实施例1

一种工程起重机电机刹车盘材料，包括的成分及重量份是：

1)增强纤维：芳纶浆粕短纤维4份、改性六钛酸钾晶须纤维4份、复合矿物纤维13份、黄铜纤维16份；

2)改性酚醛树脂：硼酸18份、腰果酚4份、甲醛100份、苯酚75份、氢氧化钠3份、丁腈橡胶粒子(改性酚醛树脂中其他成分与丁腈橡胶粒子的重量份比为6:1)；

3)填料：芳纶摩擦颗粒5份、聚醚醚酮7份、纳米氧化铝粉末2份、硫化锑7份、鳞片石墨8份、硅藻土9份。

一种工程起重机电机刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按配方称取芳纶浆粕短纤维、改性六钛酸钾晶须纤维、复合矿物纤维、黄铜纤维，混合成型为增强纤维；

2)按配方称取硼酸、腰果酚、甲醛、苯酚、氢氧化钠，混合成型为改性酚醛树脂(通过硼酸和腰果酚在酚醛树脂合成过程中进行复合改性)，再加入丁腈橡胶粒子对改性后的酚醛树脂进行二次共混增韧改性，最终得到具有耐热性好，抗冲击强度大的改性酚醛树脂；

3)按配方称取芳纶摩擦颗粒、聚醚醚酮、纳米氧化铝粉末、硫化锑、鳞片石墨、硅藻土，混合成型为填料；

4)混料：将增强纤维、改性酚醛树脂、填料分别称料放入容器中，然后将容器放入超声波清洗器中进行振荡搅拌，得到混合均匀的刹车盘复合材料混合物；

5)热压成型：将热压一次成型机上的模具预热到130℃，在模具模腔内刷脱模剂，将刹车盘复合材料混合物倒入模腔，盖上经过喷丸和涂胶处理的钢背，然后热压成型，温度160℃，成型压力19MPa，压制280s；在成型的过程中，为了让刹车盘复合材料混合物中的水分和其他挥发性介质逸散出来，每隔15s对模具释放压力一次，连续释放3次；

6)烧结固化：将共混热压后的刹车盘复合材料混合物放入箱式电阻炉中进行热处理，烧结温度为300℃，使得摩擦材料充分固化，烧结完成后随炉自然冷却到室温下，再保持24小时，得到样品粗坯；

7)机械加工：根据工程起重机电机刹车制动盘设计尺寸及精度要求将样品粗坯加工成刹车盘样品。

二、实施例2

一种工程起重机电机刹车盘材料，包括的成分及重量份是：

1)增强纤维：芳纶浆粕短纤维6份、改性六钛酸钾晶须纤维6份、复合矿物纤维12份、黄铜纤维14份；

2)改性酚醛树脂：硼酸15份、腰果酚8份、甲醛90份、苯酚100份、氢氧化钠2份、丁腈橡胶粒子(改性酚醛树脂中其他成分与丁腈橡胶粒子的重量份比为6:1)；

3)填料：芳纶摩擦颗粒15份、聚醚醚酮5份、纳米氧化铝粉末4份、硫化锑4份、鳞片石墨5份、硅藻土18份。

一种工程起重机电机刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按配方称取芳纶浆粕短纤维、改性六钛酸钾晶须纤维、复合矿物纤维、黄铜纤维，混合成型为增强纤维；

2)按配方称取硼酸、腰果酚、甲醛、苯酚、氢氧化钠，混合成型为改性酚醛树脂(通过硼酸和腰果酚在酚醛树脂合成过程中进行复合改性)，再加入丁腈橡胶粒子对改性后的酚醛树脂进行二次共混增韧改性，最终得到具有耐热性好，抗冲击强度大的改性酚醛树脂；

3)按配方称取芳纶摩擦颗粒、聚醚醚酮、纳米氧化铝粉末、硫化锑、鳞片石墨、硅藻土，混合成型为填料；

4)混料：将增强纤维、改性酚醛树脂、填料分别称料放入容器中，然后将容器放入超声波清洗器中进行振荡搅拌，得到混合均匀的刹车盘复合材料混合物；

5)热压成型：将热压一次成型机上的模具预热到120℃，在模具模腔内刷脱模剂，将刹车盘复合材料混合物倒入模腔，盖上经过喷丸和涂胶处理的钢背，然后热压成型，温度150℃，成型压力21MPa，压制320s；在成型的过程中，为了让刹车盘复合材料混合物中的水分和其他挥发性介质逸散出来，每隔15s对模具释放压力一次，连续释放3次；

6)烧结固化：将共混热压后的刹车盘复合材料混合物放入箱式电阻炉中进行热处理，烧结温度为400℃，使得摩擦材料充分固化，烧结完成后随炉自然冷却到室温下，再保持24小时，得到样品粗坯；

7)机械加工：根据工程起重机电机刹车制动盘设计尺寸及精度要求将样品粗坯加工成刹车盘样品。

三、实施例3

一种工程起重机电机刹车盘材料，包括的成分及重量份是：

1)增强纤维：芳纶浆粕短纤维8份、改性六钛酸钾晶须纤维8份、复合矿物纤维15份、黄铜纤维18份；

2)改性酚醛树脂：硼酸20份、腰果酚7份、甲醛120份、苯酚90份、氢氧化钠4份、丁腈橡胶粒子(改性酚醛树脂中其他成分与丁腈橡胶粒子的重量份比为6:1)；

3)填料：芳纶摩擦颗粒10份、聚醚醚酮9份、纳米氧化铝粉末3份、硫化锑9份、鳞片石墨12份、硅藻土14份。

一种工程起重机电机刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按配方称取芳纶浆粕短纤维、改性六钛酸钾晶须纤维、复合矿物纤维、黄铜纤维，混合成型为增强纤维；

2)按配方称取硼酸、腰果酚、甲醛、苯酚、氢氧化钠，混合成型为改性酚醛树脂(通过硼酸和腰果酚在酚醛树脂合成过程中进行复合改性)，再加入丁腈橡胶粒子对改性后的酚醛树脂进行二次共混增韧改性，最终得到具有耐热性好，抗冲击强度大的改性酚醛树脂；

3)按配方称取芳纶摩擦颗粒、聚醚醚酮、纳米氧化铝粉末、硫化锑、鳞片石墨、硅藻土，混合成型为填料；

4)混料：将增强纤维、改性酚醛树脂、填料分别称料放入容器中，然后将容器放入超声波清洗器中进行振荡搅拌，得到混合均匀的刹车盘复合材料混合物；

5)热压成型：将热压一次成型机上的模具预热到140℃，在模具模腔内刷脱模剂，将刹车盘复合材料混合物倒入模腔，盖上经过喷丸和涂胶处理的钢背，然后热压成型，温度170℃，成型压力20MPa，压制300s；在成型的过程中，为了让刹车盘复合材料混合物中的水分和其他挥发性介质逸散出来，每隔15s对模具释放压力一次，连续释放3次；

6)烧结固化：将共混热压后的刹车盘复合材料混合物放入箱式电阻炉中进行热处理，烧结温度为350℃，使得摩擦材料充分固化，烧结完成后随炉自然冷却到室温下，再保持24小时，得到样品粗坯；

7)机械加工：根据工程起重机电机刹车制动盘设计尺寸及精度要求将样品粗坯加工成刹车盘样品。

上述实施例中：

所述改性六钛酸钾晶须纤维由六钛酸钾晶须经过硅烷偶联剂表面改性得到，将硅烷偶联剂KH500溶于乙醇溶液中制得体积分数为2％的偶联剂/乙醇溶液，将六钛酸钾晶须纤维置于上述混合溶液中浸泡12h后，用无水乙醇多次清洗并晾干，再放置在80℃恒温烘干箱中烘干，制得硅烷偶联剂改性的六钛酸钾晶须纤维；芳纶摩擦颗粒由芳纶浆粕纤维、芳纶短切纤维、液体丁腈乳胶、液体丁苯橡胶和溶剂型腰果壳油液体树脂混合造粒制得，包括芳纶浆粕纤维40-50份、芳纶短切纤维15-25份，液体丁晴橡胶10-15份，液体丁苯橡胶8-16份，溶剂型腰果壳油液体树脂5-12份；纳米氧化铝粉末的质量分数≤8％。

恒温干燥箱的烧结温度控制在300-400℃，在烧结初始升温阶段，升温速率控制在1.3℃/min，升温时间为60min，进入一次保温阶段，保温60min，接着进行二次升温，速率控制在1.1℃/min，升温时间为60min，进入二次保温阶段，再保温30min，接着进行三次升温，速率控制在1℃/min，升温时间为36min，三次升温后即为烧结温度，进入三次保温阶段，再保温60min，然后进入降温阶段，速率控制在0.8℃/min，降温时间为90min；进入四次保温阶段，保温60min，最后随炉冷却到室温，再保持24h。

四、本发明原理

增强纤维混合成型过程中：混杂纤维形成若干级无归交叉网络结构，其中黄铜纤维直径最大，它们之间形成最大级骨架网络；黄铜纤维与芳纶浆粕短纤维形成第二级骨架网络；芳纶浆粕短纤维与改性六钛酸钾晶须纤维、复合矿物纤维之间形成第三级骨架网络。这种多结构的混杂效应可对裂纹的扩展产生束缚作用，阻止集体形变位错和分子链的运动，从而达到增强摩擦材料的韧性和抗冲击性能。改性后的六钛酸钾晶能够和树脂基体产生协同作用，形成良好的界面粘接，在应力作用下不易发生界面脱粘破坏，充分发挥晶须的增强作用，复合摩擦材料的拉伸强度和抗冲击性能得到明显改善。

改性酚醛树脂混合成型过程中：通过硼酸和腰果酚在酚醛树脂合成过程中进行复合改性，腰果酚能够将其柔性脂肪链带入其分子结构从而提高酚醛树脂的邻位比，提高树脂的固化速率，缩短摩擦材料生产周期的同时还能有效提高改性酚醛树脂的耐热性，改善热衰退。硼酸的加入能够在酚醛树脂的分子主链中带入无机元素硼，将分子结构中的羧基封锁，形成键能较大的硼氧键和硼氧配位键，这种结构使得酚醛树脂的热分解温度进一步提高；为进一步提高其韧性，采用丁腈橡胶粒子对改性后的酚醛树脂进行二次共混增韧改性，两者的重量份比保证在1：6，丁腈橡胶粒子表面存在大量活性基团，可以与酚醛树脂发生强烈的界面作用，进一步提高改性酚醛树脂的耐热性和冲击强度。

填料混合成型过程中：芳纶摩擦颗粒由芳纶浆粕纤维、芳纶短切纤维、液体丁腈乳胶、液体丁苯橡胶和溶剂型腰果壳油液体树脂混合造粒制得，具有稳定的摩阻性能和一定的压缩回弹性，且其特有的内中空结构可以吸声，降低噪音。质量分数≤8％的纳米氧化铝粉末加入后可以均匀地分散在树脂当中，提高材料的耐热性能，减少热衰退。复合材料摩擦过程中，部分区域的增强纤维会受到摩擦剪切力而产生折断脱落，粘结剂聚醚醚酮的加入，能够形成聚醚醚酮转印膜，脱落的碎片纤维受到反复碾压后进入转印膜中，既能提高材料表面的强度和光滑程度，也能一定程度降低材料的磨损率。空间填料硅藻土的加入，可以进一步有效抑制制动噪声，减小摩擦材料的密度。

五、试验

将制备的刹车盘样品放到摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，获得不同温度下的刹车盘样品的摩擦系数和磨损率(试验结果见下表)。在电机频繁启动及制动过程中，刹车盘样品的摩擦性能稳定，耐磨损性能高，冲击强度优，满足了工程起重机刹车盘的使用要求，达到了预期的目标。

作为对比，引用专利CN103952122B(盘式刹车片摩擦材料、盘式刹车片及盘式刹车片制造工艺)作为对比例：

1、所述专利作为粘接剂的树脂基体仅采用丁腈橡胶改性酚醛树脂，本发明采用丁腈橡胶粒子改性的同时还在酚醛树脂合成的过程中加入腰果酚和硼酸进行复合改性，相对而言本发明材料的耐热性更好，更不容易在高温时热衰退；

2、所述专利采用芳纶纤维作为增强纤维，本发明采用的是芳纶浆粕短纤维作为增强纤维，芳纶浆粕短纤维是将芳纶纤维切断制备而成的芳纶短纤维，与芳纶纤维对比具有更大的表面积，与酚醛树脂有更好的相容性，对缓解材料高温热衰退具有更为明显的作用；

3、所述专利的分别列举了三个不同材料配比的实施例，所述三个实施例与本发明的摩擦磨损性能测试结果进行对比可见，由于上述不同点的原因在不同温度下本发明的摩擦系数都略大于所述专利，总体制动性能更为优秀；同时在不同温度下本发明的磨损率都更小，所生产的刹车盘抗磨损性能更好，使用寿命更长。

Claims (6)

1.一种工程起重机电机刹车盘材料，其特征在于：该材料包括的原料及重量份是：

1)增强纤维：芳纶浆粕短纤维4-8份、改性六钛酸钾晶须纤维4-8份、复合矿物纤维12-15份、黄铜纤维14-18份；

2)改性酚醛树脂：硼酸15-20份、腰果酚4-8份、甲醛90-120份、苯酚75-100份、氢氧化钠2-4份；

3)填料：芳纶摩擦颗粒5-15份、聚醚醚酮5-9份、纳米氧化铝粉末2-4份、硫化锑4-9份、鳞片石墨5-12份、硅藻土9-18份；

所述改性六钛酸钾晶须纤维由六钛酸钾晶须经过硅烷偶联剂表面改性得到；改性方法是：将硅烷偶联剂KH500溶于乙醇溶液中制得体积分数为2％的偶联剂/乙醇溶液，将六钛酸钾晶须纤维置于上述混合溶液中浸泡10-14h后，用无水乙醇多次清洗并晾干，再放置在80℃恒温烘干箱中烘干，制得硅烷偶联剂改性的六钛酸钾晶须纤维。

2.根据权利要求1所述的一种工程起重机电机刹车盘材料，其特征在于：所述芳纶摩擦颗粒由芳纶浆粕纤维、芳纶短切纤维、液体丁腈乳胶、液体丁苯橡胶和溶剂型腰果壳油液体树脂混合造粒制得，包括芳纶浆粕纤维40-50份、芳纶短切纤维15-25份，液体丁腈橡胶10-15份，液体丁苯橡胶8-16份，溶剂型腰果壳油液体树脂5-12份。

3.根据权利要求2所述的一种工程起重机电机刹车盘材料，其特征在于：所述纳米氧化铝粉末的质量分数≤8％。

4.根据权利要求3所述的一种工程起重机电机刹车盘材料，其特征在于：所述改性酚醛树脂还包括丁腈橡胶粒子，改性酚醛树脂中其他成分与丁腈橡胶粒子的重量份比为6:1。

5.一种工程起重机电机刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：

1)称取芳纶浆粕短纤维4-8份、改性六钛酸钾晶须纤维4-8份、复合矿物纤维12-15份、黄铜纤维14-18份；混合成型为增强纤维；

2)称取硼酸15-20份、腰果酚4-8份、甲醛90-120份、苯酚75-100份、氢氧化钠2-4份，进行一次混合成型，再加入丁腈橡胶粒子进行二次共混增韧改性，成为改性酚醛树脂；改性酚醛树脂中其它成分与丁腈橡胶粒子的重量份比为6:1；

3)称取芳纶摩擦颗粒5-15份、聚醚醚酮5-9份、纳米氧化铝粉末2-4份、硫化锑4-9份、鳞片石墨5-12份、硅藻土9-18份，混合成型为填料；

4)混料：将增强纤维、改性酚醛树脂、填料分别称料放入容器中，然后将容器放入超声波清洗器中进行振荡搅拌，得到混合均匀的刹车盘复合材料混合物；

5)热压成型：将热压一次成型机上的模具预热到120-140℃，在模具模腔内刷脱模剂，将刹车盘复合材料混合物倒入模腔，盖上经过喷丸和涂胶处理的钢背，然后热压成型，温度150-170℃，成型压力19-21MPa，压制280-320s；

6)烧结固化：将共混热压后的刹车盘复合材料混合物放入箱式电阻炉中进行热处理，烧结温度为300-400℃，烧结完成后随炉自然冷却到室温下，再保持24小时，得到样品粗坯；

7)机械加工：根据工程起重机电机刹车制动盘设计尺寸及精度要求将样品粗坯加工成刹车盘样品。

6.根据权利要求5所述的工程起重机电机刹车盘材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，为了让刹车盘复合材料混合物中的水分和其他挥发性介质逸散出来，每隔15s对模具释放压力一次，连续释放3次。