CN1350130A - 一种半软陶瓷型无石棉摩擦材料及制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种半软陶瓷型无石棉摩擦材料,它是利用热电厂外排的工业废料——漂珠来代替传统摩擦材料中石棉,并通过改性粘合剂和采用特殊的加工工艺而制造出的一种新型的“绿色”摩擦材料。它具有比重小、强度高,摩擦系数水平高而稳定、热衰退小、寿命长;不损伤刹车鼓,阻燃性好、无烟尘和火花、无噪音;刹车平稳、制动时有渐进感,具有ABS的效果。

Description

一种半软陶瓷型无石棉摩擦材料及制造工艺

本发明涉及一种半软陶瓷型无石棉摩擦材料及制造工艺，属于交通运输机械、各种工程作业机械摩擦制动刹车制动装置所用摩擦材料的改进。该技术主要是对固体工业废料进行再生利用，并对粘合剂的制备提出了新方法。

随着交通运输车辆及各种工程作业机械的载重量和速度的提高，棉线增强刹车片不能适应越来越繁重的工况，最终人们选定石棉纤维来代替棉纤维，一直沿用到今天。在现代机械装置中，制动和传动装置是不可缺的。其核心部件是各种制动摩擦和传动摩擦衬片。目前，用于制动和传动的摩擦衬片主要有三类：石棉基摩擦衬片、半金属摩擦制动衬片和金属基烧结摩擦制动衬片：

①石棉基摩擦衬片的主要原材料是粘合剂和石棉。由于矿藏丰富，石棉纤维又具有一定的强度和良好的绝热和耐热性，所含主要组分SiO2使其表现出优越的摩擦磨损性能，摩擦系数稳定，适应性强。因而，在摩擦材料制造行业中得到了广泛的应用。其缺点是热失重严重，不适应车辆向高速重载方向发展的工况。到上世纪后半期，人们突然发现石棉是一种强致癌物质，国际卫生组织将其列为八种致癌物质之首。从而，引起了摩擦材料行业业内人士的极大关注，工业发达国家从七十年代末就开始了寻找石棉替代物的工作。于是，便开始出现了用来代替石棉纤维的各种人造纤维和无然纤维，如各种金属纤维、玻璃纤维、碳纤维(包括预氧丝)、芳伦纤维、凯弗拉纤维等，使用的天然纤维有硅灰石纤维和海泡石纤维。尤其是为了适应在高速车辆上采用的盘式制动器，以金属纤维为主要替代物的半金属刹车片得到应用，并大有推广之势。

②金属基烧结摩擦制动衬片是上世纪七十年代发展起来的一种新型摩擦制动衬片。它是由多种金属粉末在高温、高压下烧结而成。主要用于像飞机等高速运输工具上。这种摩擦材料制成的摩擦衬片在高温下具有较高的摩擦系数和良好的耐磨性；但是其价格高、组织脆、冷效果差，且噪音大、对对偶的磨损较大。

③半金属摩擦制动衬片的主要成分是粘合剂和各种金属纤维及金属颗粒，可分为半石棉(少石棉)和无石棉二大类。目前，半金属摩擦材料制造汽车盘式制动器衬片是较理想的摩擦材料。该材料以钢纤维为增强骨架，以耐热合成树脂为粘合剂，含有形成稳定的摩擦表面转移膜的摩擦性能调节剂的三元复合结构材料，并采用高粘附性与韧性的过度层材料。使盘式片具有稳定的摩擦性能，刹车灵敏，噪音小，使用安全，寿命长等特点。但是已经证明，这种刹车片只能用于盘式制动器，对大型重载作业设备和运输设备的钢制刹车鼓是不适用的。不论他们是从哪个国家引进的技术、设备，国内所有半金属摩擦材料生产厂家基本上都是处于同一水平上的重复生产，并没有什么创新之处。

可见，对于国内摩擦材料行业来说，无石棉化的程度还很低，在目前的摩擦材料市场中石棉基摩擦材料仍占有相当大的比例，大约在80％以上。要实现摩擦材料的无石棉化还需要付出艰巨的劳动。然而，纵观百年来的摩擦材料行业，摩擦材料的结构设计一直是以纤维增强的概念作为设计基础，以消耗大量的自然资源为手段。所以，即使找到了矿物纤维代替石棉，也许消除了石棉的污染，却无法限制自然资源的大量消耗。

本发明的目的就在于避免上述现有技术的不足之处而提供了一种半软陶瓷型无石棉摩擦材料及制造工艺。它主要是创立了摩擦材料结构设计中微粒增强的概念和空间网状结构填充粒子的增强方法，创造一种完全新型的“绿色”摩擦材料。其绿色的涵义在于：①彻底根除了摩擦材料中石棉对环境及人体健康的危害；②为工业废料的再生利用找到了一条出路，部分地消除了工业废料对环境的污染，大大降低了自然资源的消耗。这种半软陶瓷型无石棉摩擦材料，它主要是由专用粘合剂、专用粉料、摩擦调整剂及助剂经特殊工艺加工而成，其主要的技术特点是粘合剂是由丁腈橡胶和酚醛树脂混合而成，并占总重量的13～28％；专用粉料是采用了经活化处理的热电厂排放的粉煤灰球形微粒——漂珠，并占总重量的18～40％；摩擦调整剂则是使用了碳酸钙、硫酸钡、氧化铝、氧化铁粉、石墨、陶土、铜屑、硬质酸钙、蛭石、硅灰石、云母片、短片玻璃纤维、石油焦、再生胶、煤粉及焦炭粉的混合物，并占总重量的15～35％；助剂则是使用了防老剂、硫化剂、促进剂、脱模剂、助燃剂、消烟剂、着色剂和表面活性剂及胶粘剂的混合物，并占总重量的5～15％。

上面所述的粘合剂是丁睛橡胶和酚醛树脂的化学熔融改性的混合物，各占总重量的百分比分别为5～14％、8～20％，其中的丁腈橡胶是事先用无机超细微粉处理过的；上面所述专用粉料是将热电厂排放的粉煤灰球形微粒——漂珠用表面活性剂进行活化处理，即将漂珠与烷基偶联剂均匀混合，置于80～100℃的温度下保温。

上面所述的摩擦调整剂各组份的重量比是：碳酸钙4～12％、硫酸钡2～10％、氧化铝3～14％、氧化铁粉3～10％、石墨1～6％、陶土4～10％、铜屑2～8％、硬脂酸钙0.5～4％、蛭石4～12％、硅灰石4～16％、云母粉2～8％及短切玻纤2～8％、石油焦3～16％、再生胶1～8％、煤粉2～8％、焦炭粉4～16％。

上面所述的各类助剂主要是：防老剂、硫化剂、促进剂、脱模剂、阻燃剂、消烟剂和着色剂和表面活化剂、胶粘剂。

采用上述的配方和原料组合，并通过以下的工艺步骤即可制造出本发明所述的半软型陶瓷摩擦材料的产品：

①首先用无机超细粉对粘合剂中的丁腈橡胶进行增强处理，然后将处理过的丁腈橡胶与酚醛树脂通过化学熔融改性，实现共混，并作为粘合剂；

②将共混后的粘合剂成张切片，制成胶片以备后用；

③用烷基偶联剂作为表面活性剂对粉料进行活化处理；

④将胶片、粉料、摩擦调整剂和各类助剂放入开式炼胶机上进行混炼，得到半成品；

⑤将需要形状的模具加热到120～190℃，再将前道工序的半成品放入其中，在8～18Mpa的压力下保温，保温时间可根据产品的几何尺寸而定；

⑥出模后在140～200℃的稳定下保温2～4小时；

⑦对产品进行整形处理即可。

下面将结合实施例来详述本发明的技术特点。

在实际研究和制造中，本发明的设计者是采用无机工业废料微粒代替石棉生产摩擦材料，作为一个发明整体，其发明的实施包括以下三个方面：

①摩擦材料骨架材料的选择。经过长期考察和试验分析，对环境造成巨大污染的工业废料—粉煤灰中的漂珠具有与石棉相近的化学组份(见附表)，石棉是一种空心管状纤维，而漂珠是一种空心球状颗粒，它们具有相同的耐热、隔热和耐磨特性，完全可以代替石棉用作摩擦材料的骨架材料。由于粉煤灰是一种高度分散的微细颗粒集合体，主要由氧化硅玻璃球组成，粒径1～50微米，颗粒形状分为球形颗粒与不规则颗粒，而用作摩擦材料骨架的球形颗粒是其中的漂珠。因此，粉煤灰必须经过收集、干燥、净化和筛分、表面处理以后才能代替石棉生产摩擦材料。我们的创意就在于把漂珠处理得能够适用于新型橡塑粘合剂。处理的原理是采用表面活化剂将漂珠表面激活，使之与橡塑粘合剂中橡胶分子上的羧基发生交联，以形成牢固的结合，从而实现颗粒增强。处理方法是，将漂珠和烷基偶联剂均匀混合后，置于80～100℃的温度下保温。

②采用大组分橡胶树脂相互改性形成的空间网状结构作为摩擦材料粘合剂，提高摩擦材料的韧性，以得到适中的摩擦磨损性能。由于酚醛树脂和橡胶有优良的相容性，二者可以实现充分的相互分散，树脂对橡胶又有补强作用，从而使橡胶与合成树脂并用体具有一定的柔韧性和耐热性。其具体做法是利用橡胶和树脂的优良的相容性，通过化学反应共混，形成有接枝和嵌段组成的均匀分散的两相体系，从而达到了降低树脂硬脆性、增加柔韧性，提高产品的弹性和强度的目的。

③通过优化，各组分的重量百分比为：粘合剂为13～28％、漂珠为18～40％、摩擦调整剂为15～35％、各类助剂为5～15％。其中粘合剂是丁腈橡胶和酚醛树脂的混合物，各占总重量的百分比分别为5～14％、8～20％，丁腈橡胶是用无机超细微粉处理过的。摩擦调整剂可以是碳酸钙4～12％、硫酸钡2～10％、氧化铝3～14％、氧化铁粉3～10％、石墨1～6％、陶土4～10％、铜屑2～8％、硬脂酸钙0.5～4％、蛭石4～12％、硅灰石4～16％、云母粉2～8％及短切玻纤2～8％、石油焦3～16％、再生胶1～8％、煤粉2～8％、焦炭粉4～16％等。各类助剂可以是防老剂、硫化剂、促进剂、脱模剂、阻燃剂、消烟剂和着色剂和表面活化剂、胶粘剂等。将上述材料经过合理组合，可以生产出不同功用、不同使用要求的刹车片，以满足市场各种设备和车辆对刹车片的不同需求。其具体制造过程是：首先用无机超细微粉对丁腈橡胶进行增强处理，然后将处理过的丁氰橡胶和酚醛树脂的混合物通过化学熔融改性，成张切片备用；然后，用表面活化剂对粉料进行活化处理；最后，将胶片和粉料在开式炼胶机上进行混炼，得到半成品料片，入库备用。将模具加热到120～190℃，放入半成品片料或粉料，在8～18Mpa的压力下保温，保温时间视产品的几何尺寸而定。出模后在140～200℃的温度下，保温2～4小时，对产品进行后处理。

按上述配方和工艺制作了不同性能的刹车片，分别由山东省无石棉摩擦材料技术研究推广中心摩擦磨损实验室和国家非金属矿制品质量监督检测中心对上述样品进行了检测，其各项指标均达到或超过了有关的标准的要求。针对两类不同的标准，根据石油钻机刹车负荷大、摩擦速度高和钢制刹车鼓以及在野外作业等特点，按照上述配方制作了石油钻机刹车块，通过室内检测和矿场装机使用，均达到标准的要求。现场使用表明，该刹车片无烟雾，刹车制动平稳，寿命长，达到在用刹车片寿命的两倍以上，受到司钻的高度赞扬，被誉为是石棉刹车块的最理想的换代产品。

与现有技术相比，本发明所述的半软陶瓷型无石棉摩擦材料由于是通过对粘合剂的特殊改性和以特种摩擦调整剂与颗粒状工业废料增强复合、采用特殊工艺制造的新型无石棉摩擦材料，其特点如下：

①比重小、强度高，摩擦系数水平高而稳定、热衰退小、寿命长；

②不损伤刹车鼓，尤其适用于制造重负荷钢制刹车鼓的高速、重载机械装备制动片和离合器面片；

③阻燃性好、无烟尘和火花是本发明的一大特点，用于钻探油气井的钻井和修井设备的刹车片独具特色；

④无噪音，适用于制造城市公共交通车辆刹车片，可以大大减少城市噪音的污染；

⑤本发明的摩擦材料具有半软陶磁的特性，适用于制造高速交通车辆的摩擦制动衬片，刹车平稳，制动时有渐进感，具有ABS的制动效果。

Claims (6)

1.一种半软陶瓷型无石棉摩擦材料，它主要是由专用粘合剂、专用粉料、摩擦调整剂及助剂经特殊加工而成，其特征在于粘合剂是由丁腈橡胶和酚醛树脂混合而成，并占总重量的13～28％；专用粉料是采用了经活化处理的热电厂排放的粉煤灰球形微粒—漂珠，并占总重量的18～40％；摩擦调整剂则是使用了碳酸钙、硫酸钡、氧化铝、氧化铁粉、石墨、陶土、铜屑、硬质酸钙、蛭石、硅灰石、云母粉、短切无碱玻璃纤维、石油焦、再生胶、煤粉及焦炭粉的混合物，并占总重量的15～35％；助剂则是使用了防老剂、硫化剂、促进剂、脱模剂、阻燃剂、消烟剂、着色剂和表面活性剂及胶粘剂的混合物，并占总重量的5～15％。

2.一种用于半陶瓷型无石棉摩擦材料的制造工艺，其特征在于通过以下的工艺步骤来实现半软型陶瓷摩擦材料产品的制造与加工：

①首先用无机超细粉对粘合剂中的丁腈橡胶进行增强处理，然后将处理过的丁腈橡胶与酚醛树脂通过化学熔融改性，实现共混，并作为粘合剂；

②将共混后的粘合剂成张切片，制成胶片以备后用；

③用表面活性剂对粉料进行活化处理；

④将胶片、粉料、摩擦调整剂和各类助剂放入开式炼胶机上进行混炼，得到半成品；

⑤将需要形状的模具加热到120～190℃，再将前道工序的半成品放入其中，在8～18Mpa的压力下保温，保温时间可根据产品的几何尺寸而定；

⑥出模后在140～200℃的稳定下保温2～4小时；

⑦对产品进行整形处理即可。

3.根据权利要求1所述的一种半软陶瓷型无石棉摩擦材料，其特征在于所述的粘合剂是丁睛橡胶和酚醛树脂的化学熔融改性的混合物，各占总重量的百分比分别为5～14％、8～20％，其中的丁腈橡胶是事先用无机超细微粉处理过的；专用粉料是将热电厂排放的粉煤灰球形微粒——漂珠用表面活性剂进行活化处理，即将漂珠与烷基偶联剂均匀混合，置于80～100℃的温度下保温。

4.根据权利要求1所述的一种半软陶瓷型无石棉摩擦材料，其特征在于所述的摩擦调整剂各组份的重量比是：碳酸钙4～12％、硫酸钡2～10％、氧化铝3～14％、氧化铁粉3～10％、石墨1～6％、陶土4～10％、铜屑2～8％、硬脂酸钙0.5～4％、蛭石4～12％、硅灰石4～16％、云母粉2～8％及短切玻纤2～8％、石油焦3～16％、再生胶1～8％、煤粉2～8％、焦炭粉4～16％。

5.根据权利要求1所述的一种半软陶瓷型无石棉摩擦材料，其特征在于所述的各类助剂主要是：防老剂、硫化剂、促进剂、脱模剂、阻燃剂、消烟剂、着色剂和表面活化剂、胶粘剂。

6.根据权利要求3所述的一种半软陶瓷型无石棉摩擦材料，其特征在于所述的用于处理丁腈橡胶的无机超细微粉是微米级和纳米级的粘土、SiO₂、氧化铁粉、硬脂酸钙和氧化铝粉。