CN114621556A - 一种摩擦材料组合物及制备方法、刹车片及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦材料组合物及制备方法、刹车片及其生产工艺,其摩擦材料组合物是由以下重量百分数的组分构成：硼改性酚醛树脂10%‑15%、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂1%‑5%、改性玄武岩纤维5%‑10%、陶瓷质晶须5%‑10%、矿物纤维2%‑5%、芳纶纤维2%‑5%、刚玉5%‑10%、锆英石7%‑10%、萤石3%‑5%、聚四氟乙烯2%‑6%、滑石粉3%‑5%、云母5%‑9%、软质高岭土5%‑10%、纳米橡胶3%‑8%、胺基脂10%‑15%、蓝晶石2%‑6%，本发明还提供了该摩擦材料组合物的制备方法及含有此摩擦材料组合物的刹车片及其生产工艺。本发明的摩擦材料组合物金属含量低，摩擦系数稳定，磨损率低且抗冲击力强，使用该摩擦材料制备的刹车片噪音小、高温高速下紧急制动性能稳定且热衰退小。

Description

一种摩擦材料组合物及制备方法、刹车片及其生产工艺

技术领域

本发明属于刹车片技术领域，具体涉及一种摩擦材料组合物及制备方法、刹车片及其生产工艺。

背景技术

随着汽车工业的发展，刹车片的开发朝着高速、安全、舒适和环保的方向发展，人们对刹车片的要求也越来越严格，刹车制动力、制动舒适性及制动器寿命受到格外的关注，刹车片一般由背板和摩擦材料构成，是汽车刹车系统中最为关键的安全零件，其中摩擦材料又直接关系着刹车片的核心性能。

刹车片摩擦材料主要由粘结剂、增强材料、磨料、摩擦改性剂和空间填料等几个部分组成。粘结剂是摩擦材料中的重要组元，它可以影响材料的热衰退性能、恢复性能、磨损性能和机械性能，汽车摩擦材料中一般采用的是酚醛树脂；增强材料在摩擦材料中起增强剂的作用，传统材料用的是石棉等矿物纤维，半金属汽车摩擦材料中使用的是钢纤维，同时加入少量铜纤维及其少量矿物纤维；磨料也称增摩剂，其均匀分布在基体中，起到摩擦、抗磨、耐热、耐蚀等作用，提高摩擦系数，弥补润滑剂造成的摩擦系数过低；摩擦改性剂主要起到润滑作用，它能提高摩擦材料的工作稳定性、抗擦伤性、抗咬合性、抗粘着性和耐磨性，减小制动噪音，特别有利于降低对偶材料的磨损，从而改善材料的摩擦和磨损性能；空间填料在摩擦材料中主要起到改善材料的物理和机械性能、调节摩擦性能及降低成本的作用。

传统刹车片的材料配比硬度偏高、耐磨耐热性差、磨损率高且含有大量的金属材质，在使用中大量粉尘散布到环境中，造成对环境的污染，如铜对许多水生生物具有毒性，另外，对偶面的摩擦损耗严重，因此，如何对刹车片配方进行优化，寻求一种摩擦性能优异、环境友好的新型刹车片摩擦材料，已然成为业界研究人员长期以来一直努力的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型摩擦材料组合物，该摩擦材料组合物对玄武岩纤维和酚醛树脂进行改性处理，本发明还提供了玄武岩纤维的具体改性方法，通过改性增强了摩擦材料的柔韧性、耐热强度和剪切强度，采用该摩擦材料组合物制备的刹车片提高了制动过程中的摩擦系数，降低了磨损率和噪音。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种刹车片用新型摩擦材料组合物，其包含组分及重量百分数如下：硼改性酚醛树脂10%-15%、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂1%-5%、改性玄武岩纤维5%-10%、陶瓷质晶须5%-10%、矿物纤维2%-5%、芳纶纤维2%-5%、刚玉5%-10%、锆英石7%-10%、萤石3%-5%、聚四氟乙烯2%-6%、滑石粉3%-5%、云母5%-9%、软质高岭土5%-10%、纳米橡胶3%-8%、胺基脂10%-15%、蓝晶石2%-6%。

采用硼化合物改变了酚醛树脂的结构，生产键能较高的B-O键，提高酚醛树脂的耐热性，同时，酚醛树脂在高温下易形成蜂窝状结构的碳化硼绝热层，能起到保护内部的作用，阻止热量向材料内部扩散，因而表现出良好的热稳定性。

羧基丁腈橡胶与环氧树脂能够很好的相容，并在外力的作用下能诱导剪切带的产生，从而起到增韧的作用，改性后的环氧树脂在200℃的高温下仍具有12MPa的剪切力，并且相比于丁腈改性酚醛树脂具有更好的剪切强度。

优选的，所述改性玄武岩纤维的直径3-100μm,长度为12-25mm；所述陶瓷质晶须的平均直径0.35μm，平均长度15μm；所述矿物纤维的平均直径2-6μm，平均长度3-8mm；所述芳纶纤维的直径为12μm，长度为0.9-1.9mm。

优选的，所述刚玉的粒径300-800目，所述锆英石的粒径大于325目，所述空间填料的平均粒径为80nm-45μm。

所述陶瓷质晶须为钛酸钾晶须，它具有优异的热稳定性、高模量、高强度的特点，与酚醛树脂和芳纶纤维都有良好的协同效应和相容性，在摩擦材料中能降低磨损和热衰退性且不损伤对偶材料；所述矿物纤维为硅酸铝纤维、玻璃纤维、碳纤维，可提高刹车片的强度。

聚四氟乙烯的使用温度-190 ～260℃，具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、高润滑、无毒害等特点，具有塑料中最小的摩擦系数；云母能降低摩擦材料的噪音和振动现象；滑石粉在1300-1400℃不熔，具有润滑、耐热、抗酸碱、绝热及对油类有良好的吸附性等特点，三者均是理想的润滑剂。

刚玉、锆英石和萤石作为磨料可提高摩擦系数，不仅在常温区段，而且在高温区段都能产生足够的制动力；本发明的空间填料多为有机填料，其中纳米橡胶由于粒径微细，在摩擦材料组分中可达到很好的均匀分散程度，可有效的提高产品的冲击强度，减少组分中粘合剂的用量。

本发明的另一目的，在于提供一种上述刹车片摩擦材料组合物的制备方法，包括以下步骤：

S1：a：取玄武岩纤维在250℃条件下热处理后置于2.5 mol/L的醋酸溶液中浸泡1.5 h，取出后用去离子水反复冲洗三次，并在110℃的干燥箱中烘干，然后将其在0.75%的有机硅偶联剂KH-550中浸润4 h后取出，继续于110℃干燥箱中烘干；b：取a步骤中的玄武岩纤维并向其中加入海泡石纤维混合均匀，其中玄武岩纤维的重量百分数为40-70%，海泡石纤维的重量百分数为10-20%，将其倒入氧化锆坩埚后置于高温电阻炉中加热，当炉温达到1500℃全部熔化后将温度降至1350℃取出拉制复合纤维；c：将复合纤维浸入纳米SiO₂粒子与不饱和聚酯的超声分散混合物中，固化后置于等离子体处理装置内进行低温等离子处理；

S2：摩擦材料的配制：将改性玄武岩纤维、陶瓷质晶须、矿物纤维、芳纶纤维混合搅拌5-7min，加入聚四氟乙烯、滑石粉、云母、刚玉、锆英石、萤石、软质高岭土、纳米橡胶、胺基脂、蓝晶石进行混合剪切10-30min，最后加入硼改性酚醛树脂、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂再进行搅拌混合10-20min，得到刹车片摩擦材料组合物。

优选的，上述刹车片摩擦材料组合物的制备方法中，所述S1步骤的高温电阻炉升温速率为150-250℃/h，所述复合纤维拉制在四辊离心机中进行，离心速度为9000-12000r/min。

采用硅烷偶联剂 KH-550 和醋酸对玄武岩纤维进行处理，在不损伤玄武岩纤维单丝强力的前提下，可以达到表面处理的目的；而玄武岩纤维和海泡石纤维在高温熔化时,海泡石分子将失去12个水分子,并在海泡石斜方晶状结构的周围与玄武岩以化学键相结合,这样海泡石晶体与玄武岩化合物结合形成稳定的网状立体结构,保留了海泡石的网状结构,同时又通过化学键与玄武岩网状结合在一起，制得的改性玄武岩纤维改善了界面特性，且具有更好的热稳定性；将复合纤维浸入纳米粒子和不饱和聚酯混合物后,增加了复合材料的粗糙度,提高了混合物与复合材料之间的界面相容性。

另外，本发明利用上述摩擦材料提供一种刹车片的生产工艺：

S1：温压成型，采用温压等比模压法工艺一次成型，将涂完胶的刹车片背板置于膜腔底部，并在膜腔内加入摩擦材料组合物，摊平送入模压工序，得到半成品；

S2:固化处理，将S1处理好的半成品放入热处理箱中进行烘烤，得到刹车片；

S3：对S2中的刹车片进行磨削钻孔、表面处理和喷涂打码。

优选的，上述刹车片的生产工艺中温压成型工序的参数设置为：温压温度为80-90℃，压强8-10Mpa，时间为1-2min。

优选的，上述刹车片的生产工艺中固化处理工序的参数设置为：烘烤温度为160-180℃，热处理时间为6±0.5h。

另外，利用上述刹车片生产工艺生产的刹车片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用硼改性酚醛树脂和羧基丁腈橡胶改性环氧树脂作为粘结剂，并对玄武岩纤维进行改性处理，添加海泡石纤维制备成复合纤维作为增强材料使玄武岩纤维的化学耐久性、柔韧性、耐热强度等均有显著提高。

2.本发明使用的陶瓷纤维和矿物纤维具有较好的生物降解性能，而芳纶纤维与陶瓷纤维具有良好的协同效应，改善摩擦材料的恢复性能、摩擦稳定性和磨损性，提高制品的抗冲击强度。

3.本发明使用刚玉、锆英石、萤石作为磨料，提高刹车片的摩擦系数，使用聚四氟乙烯、滑石粉、云母作为摩擦改性剂结合空间填料可保护对偶、稳定摩擦系数、提高耐热性、降低摩擦噪音。

4.本发明刹车片的生产中使用温压等比模压成型工艺，相比于热压工艺在减少耗能的同时提高生产效率，质量稳定。

5.本发明配料中不含石棉及任何铜元素，不污染环境的同时不会有损人的健康，用此种原料配比制造而成的摩擦材料在不同的制动速度下摩擦系数稳定，并且在高温、高压下具有优异的耐磨性、耐热性和机械强度，提高刹车片的使用寿命。

附图说明

图1为本发明中玄武岩纤维与海泡石纤维不同配比及未改性玄武岩纤维对复合材料的力学性能的影响柱状图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

一、玄武岩纤维改性实施例。

实施例1：

（1）取玄武岩纤维在250℃条件下热处理后置于2.5 mol/L的醋酸溶液中浸泡1.5h，取出后用去离子水反复冲洗三次，并在110℃的干燥箱中烘干，然后将其在0.75%的有机硅偶联剂KH-550中浸润4 h后取出，继续于110℃干燥箱中烘干；

（2）取a步骤中玄武岩纤维并向其中加入海泡石纤维混合均匀，其中玄武岩纤维的重量百分数为50%，海泡石纤维的重量百分数为15%，并将混合物倒入氧化锆坩埚后置于高温电阻炉中加热，当炉温达到1500℃全部熔化后将温度降至1350℃取出拉制复合纤维；

（3）制备纳米SiO₂粒子与不饱和聚酯的超声分散混合物，其中纳米粒子的添加重量百分数为2%，将（2）制备的复合纤维加入其中搅拌均匀后超声分散30min，烘干固化20h后置于等离子体处理装置内在20Pa下放电5min进行低温等离子处理。

之后制备改性玄武岩纤维/树脂复合材料并按GB/T 9341-2008、GB/T 1040-2006、GB/T 1041-2008分别进行弯曲、拉伸、压缩等力学性能测试。

实施例2：

制备方法同实施例1，不同的是玄武岩纤维的重量百分数为40%，海泡石纤维的重量百分数为10%。

之后制备改性玄武岩纤维/树脂复合材料并按GB/T 9341-2008、GB/T 1040-2006、GB/T 1041-2008分别进行弯曲、拉伸、压缩等力学性能测试。

实施例3：

制备方法同实施例1，不同的是玄武岩纤维的重量百分数为70%，海泡石纤维的重量百分数为20%。

之后制备改性玄武岩纤维/树脂复合材料并按GB/T 9341-2008、GB/T 1040-2006、GB/T 1041-2008分别进行弯曲、拉伸、压缩等力学性能测试；

实施例1-3测试玄武岩纤维与海泡石纤维不同配比制备的改性玄武岩纤维/树脂复合材料的力学性能，并与未改性的玄武岩纤维进行对比，结果如图1显示，改性之后复合纤维的弯曲、拉伸和压缩均有所提高；不同配比的结果显示当玄武岩纤维的重量百分数为50%，海泡石纤维的重量百分数为15%时的力学性能最佳。

二、摩擦材料配比制备实施例。

使用本发明实施例1所得的改性玄武岩纤维进行摩擦材料组合物配比实验，一种刹车片用新型摩擦材料组合物，以重量百分数计由以下材料组成：

实施例4：

硼改性酚醛树脂13%、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂5%、改性玄武岩纤维9%、陶瓷质晶须8%、矿物纤维4%、芳纶纤维4%、刚玉6%、锆英石8%、萤石4%、聚四氟乙烯4%、滑石粉4%、云母8%、软质高岭土4%、纳米橡胶5%、胺基脂10%、蓝晶石4%；

将所述重量百分数的改性玄武岩纤维、陶瓷质晶须、矿物纤维、芳纶纤维混合搅拌6min，加入相应重量百分数的聚四氟乙烯、滑石粉、云母、刚玉、锆英石、萤石、软质高岭土、纳米橡胶、胺基脂、蓝晶石进行混合剪切15min，最后加入硼改性酚醛树脂、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂再进行搅拌混合10min，得到刹车片摩擦材料组合物。

实施例5：

硼改性酚醛树脂12%、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂3%、改性玄武岩纤维10%、陶瓷质晶须10%、矿物纤维5%、芳纶纤维5%、刚玉10%、锆英石7%、萤石3%、聚四氟乙烯3%、滑石粉5%、云母7%、软质高岭土5%、纳米橡胶3%、胺基脂10%、蓝晶石2%。

将所述重量百分数的改性玄武岩纤维、陶瓷质晶须、矿物纤维、芳纶纤维混合搅拌6min，加入相应重量百分数的聚四氟乙烯、滑石粉、云母、刚玉、锆英石、萤石、软质高岭土、纳米橡胶、胺基脂、蓝晶石进行混合剪切15min，最后加入硼改性酚醛树脂、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂再进行搅拌混合10min，得到刹车片摩擦材料组合物。

实施例6：

硼改性酚醛树脂11%、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂3%、改性玄武岩纤维8%、陶瓷质晶须7%、矿物纤维3.5%、芳纶纤维4.5%、刚玉8.5%、锆英石9.5%、萤石5%、聚四氟乙烯5%、滑石粉3%、云母5%、软质高岭土6%、纳米橡胶8%、胺基脂11.5%、蓝晶石2.5%。

将所述重量百分数的改性玄武岩纤维、陶瓷质晶须、矿物纤维、芳纶纤维混合搅拌6min，加入相应重量百分数的聚四氟乙烯、滑石粉、云母、刚玉、锆英石、萤石、软质高岭土、纳米橡胶、胺基脂、蓝晶石进行混合剪切15min，最后加入硼改性酚醛树脂、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂再进行搅拌混合10min，得到刹车片摩擦材料组合物。

以实施例4-6中的摩擦材料重量百分数进行组合物配比，并按照本发明的方式进行刹车片的生产，具体的生产工艺如下：

S3：温压成型，采用温压等比模压法工艺一次成型，将涂完胶的刹车片背板置于膜腔底部，并在膜腔内加入本发明制备的摩擦材料组合物，摊平送入模压工序，温压温度为80-90℃，压强8-10Mpa，时间为1-2min；

S4：固化处理，将S3处理好的半成品放入热处理箱中进行烘烤，烘烤温度为160-180℃，热处理时间为6±0.5h；

S5：对刹车片进行磨削钻孔、表面处理和喷涂打码。

按照此工艺制备的刹车片性能如下：

表1 实施例4-6所制得的刹车片性能测试数据

通过测试结果可以看出，实施例5摩擦材料配比生产的刹车片摩擦系数稳定，磨损率低，抗冲击力强且硬度适中，因此实施例5的摩擦性能优于实施例4和实施例6，改善了刹车片制动的安全性，提高了刹车片的使用寿命。

表2 实施例4-6所制得的刹车片与传统刹车片对比数据

另外，采用实施例4-6制备的刹车片与传统摩擦材料制备的刹车片进行对比，本发明产品的抗剪切强度明显优于传统刹车片，在紧急制动过程中表现出更好的刹车稳定性，且热衰退小。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种摩擦材料组合物，包括粘结剂、增强材料、磨料、摩擦改性剂和空间填料，其特征在于：所述摩擦材料组合物由以下重量百分数的组分组成：所述粘结剂包括：硼改性酚醛树脂10%-15%、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂1%-5%；所述增强材料包括：改性玄武岩纤维5%-10%、陶瓷质晶须5%-10%、矿物纤维2%-5%、芳纶纤维2%-5%；所述磨料包括：刚玉5%-10%、锆英石7%-10%、萤石3%-5%；所述摩擦改性剂包括：聚四氟乙烯2%-6%、滑石粉3%-5%、云母5%-9%；所述空间填料包括：软质高岭土5%-10%、纳米橡胶3%-8%、胺基脂10%-15%、蓝晶石2%-6%。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦材料组合物，其特征在于：所述陶瓷质晶须为碳化硅晶须、钛酸钾晶须、硼酸铝晶须中的一种或几种，所述矿物纤维为硅酸铝纤维、玻璃纤维、碳纤维中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种摩擦材料组合物，其特征在于：所述改性玄武岩纤维的直径3-100μm,长度为12-25mm；所述陶瓷质晶须的平均直径0.35μm，平均长度15μm；所述矿物纤维的平均直径2-6μm，平均长度3-8mm；所述芳纶纤维的直径为12μm，长度为0.9-1.9mm。

4.根据权利要求1所述的一种摩擦材料组合物，其特征在于：所述刚玉的粒径300-800目，所述锆英石的粒径大于325目，所述空间填料的平均粒径为80nm至45μm。

5.一种权利要求1-4任一所述的摩擦材料组合物的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：改性玄武岩纤维的制备：a：取玄武岩纤维在250℃条件下热处理后置于2.5 mol/L的醋酸溶液中浸泡1.5 h，取出后用去离子水反复冲洗三次，并在110℃的干燥箱中烘干，然后将其在0.75%的有机硅偶联剂KH-550中浸润4 h后取出，继续于110℃干燥箱中烘干；b：取a步骤中的玄武岩纤维并向其中加入海泡石纤维混合均匀，其中玄武岩纤维的重量百分数为40-70%，海泡石纤维重量的百分数为10-20%，并将其倒入氧化锆坩埚后置于高温电阻炉中加热，当炉温达到1500℃全部熔化后将温度降至1350℃取出拉制复合纤维；c：将复合纤维浸入纳米SiO₂粒子与不饱和聚酯的超声分散混合物中，固化后置于等离子体处理装置内进行低温等离子处理；

S2：摩擦材料的配制：将改性玄武岩纤维、陶瓷质晶须、矿物纤维、芳纶纤维混合搅拌5-7min，加入聚四氟乙烯、滑石粉、云母、刚玉、锆英石、萤石、软质高岭土、纳米橡胶、胺基脂、蓝晶石进行混合剪切10-30min，最后加入硼改性酚醛树脂、羧基丁腈橡胶改性环氧树脂再进行搅拌混合10-20min，得到刹车片摩擦材料组合物。

6.根据权利要求5所述的摩擦材料组合物的制备方法，其特征在于：所述高温电阻炉升温速率为150-250℃/h，所述复合纤维拉制在四辊离心机中进行，离心速度为9000-12000r/min。

7.一种利用权利要求1-4任一所述的摩擦材料组合物生产刹车片的生产工艺，其特征在于：刹车片的生产工艺如下：

S1：温压成型，采用温压等比模压法工艺一次成型，将涂完胶的刹车片背板置于膜腔底部，并在膜腔内加入所述摩擦材料组合物，摊平送入模压工序，得到半成品；

S2:固化处理，将S1处理好的半成品放入热处理箱中进行烘烤，得到刹车片；

S3：对S2中的刹车片进行磨削钻孔、表面处理和喷涂打码。

8.根据权利要求7所述刹车片的生产工艺，其特征在于：所述温压成型工序的参数设置为：温压温度为80-90℃，压强8-10Mpa，时间为1-2min。

9.根据权利要求7所述刹车片的生产工艺，其特征在于：所述固化处理工序的参数设置为：烘烤温度为160-180℃，热处理时间为6±0.5h。

10.一种利用权利要求7所述的刹车片的生产工艺生产的刹车片。

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