CN105542387B - 一种生物纤维增强摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种生物纤维增强摩擦材料及其制备方法属制动摩擦材料技术领域，本发明各组分为：超疏水疏油松针纤维和松针粉末的总重量(％)为6‑21，二者的含量比为：5.5:1≤k1≤7.5:1；酚醛树脂(％)12‑61、石墨2‑18、三氧化二铝2或10、橡胶粉末0‑3、硫酸钡10‑23、摩擦粉1‑3、泡沫铁粉2‑15、炭黑1‑10；本发明的超疏水疏油松针纤维表面涂层和表面微结构进行耦合设计，增加两者间的耦合协同作用，可避免水、油和冰等对增强纤维性能的影响，纤维表面微结构能提高纤维与摩擦材料基体间的结合强度；天然松针粉末能很好地稳定摩擦因数，减少摩擦制动噪音，减弱对对副的损伤；本发明能改善摩擦材料的综合性能、降低磨损量，延长使用寿命，还可防止环境污染、节省资源、保护环境。

Description

一种生物纤维增强摩擦材料及其制备方法
技术领域
本发明属制动摩擦材料技术领域，具体涉及一种生物纤维增强摩擦材料及其制备方法。
背景技术
制动摩擦材料是保证汽车、石油钻机、列车等车辆设备能够安全运行的关键性部件，因此，人们对摩擦材料性能的要求也越来越苛刻。首先，摩擦材料的组成成分，尤其是作为增强组份的纤维，要具有优异的稳定性.不受水和油等外界环境因素的影响，纤维与材料基体之间具有较好的结合力，其次，摩擦材料要具有稳定的摩擦因数和优异的耐磨性能，此外，摩擦材料对对副的摩擦较小、产生的噪音较弱。这些要求的存在促使科研技术人员不断的进行研究，研制新型的.符合要求的摩擦材料。
目前，在通过摩擦材料配方的改变和工艺优化来研究满足要求的摩擦材料方面，国内外均有相关专利报导，如：
1.中国专利公开号为104788906，公开日为2015.07.22，发明名称为“重载车刹车片耐磨材料”的发明创造描述了一种摩擦材料及其制造方法；
2.中国专利公开号为103498388，公告日为2014.01.08，发明名称为“一种高静摩擦系数纸基摩擦材料及其制备方法”的发明创造描述了一种纸基摩擦材料及其制造方法；
3.中国专利公开号为103453057，公告日为2013.12.18，发明名称为“一种掺有浒苔纤维的低噪音环保汽车刹车片及其制备方法”的发明创造描述了一种环保摩擦材料及其制造方法；
4.中国专利公开号为103396764，公告日为2013.11.20，发明名称为“一种硅酸盐水泥增强纸基摩擦材料及其制备方法”的发明创造描述了一种纸基摩擦材料及其制造方法；
5.中国专利公开号为103045163，公告日为2013.04.17，发明名称为“综合型摩擦材料”的发明创造描述了一种综合型摩擦材料及其制造方法；
6.中国专利公告号为101929515，公告日为2012.07.04，发明名称为“汽车专用无石棉偏软型半金属制动材料”的发明创造描述了一种汽车用无石棉摩擦材料及其制造方法；
7.中国专利公告号为101514251，公告日为2011.03.16，发明名称为“一种天然纤维与晶须混杂增强的汽车制动复合材料及其制备方法”的发明创造描述了一种汽车制动摩擦材料及其制造方法；
8.中国专利公告号为1300483，公告日为2007.02.14，发明名称为“高分子复合纸基摩擦材料”的发明创造描述了一种纸基摩擦材料及其制造方法；
随着社会的快速发展，汽车.石油.铁路等行业对于摩擦材料性能的要求也越来越高，仅仅从摩擦材料的组分和工艺的改进优化方面来设计和制备摩擦材料已经越来越来不能满足现阶段对摩擦材料的要求，因此需要综合统筹材料配方.组分结构和工艺设计来研制新型摩擦材料。通过对纤维进行结构设计来提高摩擦材料的摩擦磨损性能的制造方法已经见诸专利报道，如：中国专利公告号为102295783，公告日为2013.04.03，发明名称为“一种耐热改性竹纤维及其用于汽车制动摩擦材料的方法”的发明创造描述了一种汽车摩擦材料及其制造方法；可见对摩擦材料核心组成成分的增强纤维进行结构设计，并与配方和工艺优化进行综合考虑，能够制备出性能优异的摩擦材料。
发明内容
本发明的目的在于解决摩擦材料增强纤维长期受水、油和冰等外界因素影响而失效，增强纤维与摩擦材料基体结合力差，摩擦材料摩擦因数不稳定、磨损量较大、制动噪音大和对副磨损严重等问题，提出了一种超疏水疏油松针纤维和松针粉末的制备方法，以及超疏水疏油松针纤维和松针粉末在摩擦材料中的应用。
本发明的生物纤维增强摩擦材料按重量百分比各组分含量为：超疏水疏油松针纤维和松针粉末的总重量为6-21％，酚醛树脂12-61％、石墨2-18％、三氧化二铝2或10％、橡胶粉末0-3％、硫酸钡10-23％、摩擦粉1-3％、泡沫铁粉2-15％、炭黑1-10％；其中，超疏水疏油松针纤维与松针粉末的含量比k1为：5.5:1≤k1≤7.5:1。
生物纤维增强摩擦材料的制备方法包括下列步骤：
1.制备超疏水疏油松针纤维，包括下列步骤：
1.1将收集的松针进行烘干处理，处理温度T为：50℃≤T≤75℃，处理时间t为：35min≤t≤50min；
1.2将步骤1.1处理后的松针纤维的85％浸泡在NaOH溶液中，进行纤维表面微结构处理，NaOH质量分数w为：9.5≤w≤11.5，浸泡时间t1为：70min≤t1≤100min；
1.3将步骤1.2处理后的松针纤维在HCl蒸汽中进行中和处理，HCl的浓度n为：1.1mol/L≤n≤3.1mol/L，处理时间t2为：40min≤t2≤60min；
1.4将步骤1.3处理后的松针纤维用蒸馏水清洗，然后进行烘干处理，处理温度T2为：50℃≤T2≤75℃，处理时间t3为：35min≤t3≤50min，处理后的松针纤维含水量ω为：2％≤ω≤6％，表面粗糙度Ra为：2.05μm≤Ra≤3.68μm；
1.5将步骤1.4中处理后的松针纤维截取成相等的长度L为：5mm≤L≤25mm；
1.6将步骤1.5中处理后的松针纤维表面喷涂市售的超疏水疏油涂层，涂层厚度δ为：50μm≤δ≤70μm，干燥时间t4为：120min≤t4≤150min，得到超疏水疏油松针纤维。
2.制备松针粉末，包括下列步骤：
2.1将步骤1.1得到的松针纤维的15％进行粉碎，得到松针粉末，所选取松针粉末直径D为：35μm≤D≤300μm；
2.2将步骤2.1制取的松针粉末浸泡在NaOH溶液中，NaOH溶液的质量分数w1为：15wt％≤w1≤20wt％，处理时间t5为：130min≤t5≤150min；
2.3将步骤2.2处理后的松针粉末浸泡在硅烷偶联剂KH550和甲醇的混合溶液中，硅烷偶联剂KH550和甲醇的含量比k2为：1:36≤k2≤1:25，处理时间t6为：130min≤t6≤150min；
2.4将步骤2.3处理后的松针粉末进行烘干处理，处理温度T4为：45℃≤T4≤60℃，处理时间t7为：15min≤t7≤25min，得到松针粉末。
3.热压—热处理，包括下列步骤：
3.1将生物纤维增强摩擦材料的原料：由步骤1制备的超疏水疏油松针纤维、由步骤2制备的松针粉末、酚醛树脂、石墨、三氧化二铝、橡胶粉末、硫酸钡、摩擦粉、泡沫铁粉和炭黑充分混合进行热压处理，压强P为:50MPa≤P≤300MPa，温度T5为：150℃≤T5≤400℃，保压时间t8为：35min≤t8≤120min；
3.2完成热压后进行热处理，将压强P1降至:4MPa≤P1≤10MPa，加热温度T5为：60℃≤T5≤120℃，时间t9为：10min≤t9≤300min，即得生物纤维增强摩擦材料。
本发明所述的超疏水疏油松针纤维，其表面涂层和表面微结构进行耦合设计，增加两者之间的耦合协同作用，避免水、油和冰等外界因素对增强纤维性能的影响，同时纤维表面微结构的存在能够提高纤维与摩擦材料基体之间的结合强度，提升摩擦材料的综合性能。所述的天然松针粉末的存在，能够很好的稳定摩擦材料摩擦因数，减少摩擦制动噪音以及减弱对对副的损伤。所述的超疏水疏油松针纤维和松针粉末按一定比例混合，能够更好的改善摩擦材料的综合性能、降低磨损量，延长摩擦材料的使用寿命，同时天然组分的存在可以很好的防止环境污染，节省资源、保护环境。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明进行详细的描述。
本发明所述的生物纤维增强摩擦材料及其制备方法，其中，制动摩擦材料中含有表面具有超疏水疏油涂层的松针纤维以及通过处理制备的天松针粉末填料，制动摩擦材料由热压—热处理方法制备。
本发明所述的生物纤维增强摩擦材料由松针纤维.松针粉末和其他基体材料组成，按重量百分比含量为：超疏水疏油松针纤维和松针粉末的总重量为6-21％，其中，超疏水疏油松针和松针粉末的含量比k1：5.5:1≤k1≤7.5:1。超疏水疏油涂层与粗糙表面的松针纤维的材料与结构的耦合设计，可以为涂层的附着提供更大的结合力，同时涂层的存在能够很好的阻止水.油和冰等外界因素对纤维整体性能的影响，另一方面，松针纤维和松针粉末按含量比k1进行设计，能够更好的改善摩擦材料的综合性能、降低磨损量，延长摩擦材料的使用寿命，同时天然组分的存在可以很好的防止环境污染，节省资源、保护环境；其余基体材料按重量百分比各组分含量为：酚醛树脂12-65％、石墨2-18％、三氧化二铝2-10％、橡胶粉末0-3％、硫酸钡10-30％、摩擦粉1-3％、泡沫铁粉2-15％、炭黑1-10％，确定各组分在摩擦材料中的组分，能够更好的发挥调节剂的辅助作用，使摩擦材料的整体性能提升。
采用上述工艺步骤可以制备由上述成分所组成的天然纤维增强摩擦材料，在制备过程中控制材料的组成成分和制备工艺，可以直接控制和调整摩擦材料的性能，使其满足不同工况，不同制动设备对摩擦材料性能的不同要求。
实施例1
1.生物纤维增强摩擦材料按重量百分比各组分含量为：超疏水疏油松针纤维和松针粉末的总重量为6％，酚醛树脂12％、石墨18％、三氧化二铝10％、橡胶粉末3％、硫酸钡23％、摩擦粉3％、泡沫铁粉15％、炭黑10％；其中，超疏水疏油松针和松针粉末的含量比为5.5:1。
2.所述的超疏水疏油松针纤维，通过下列步骤制得，将收集的松针进行烘干处理，处理温度为50℃，处理时间为35min；然后将松针纤维浸泡在NaOH溶液中进行纤维表面微结构处理，NaOH质量分数w为9.5，浸泡时间为70min然后将松针纤维在HCl蒸汽中进行中和处理，HCl的浓度为1.1mol/L，处理时间为40min；然后将处理后的松针纤维用蒸馏水清洗，然后进行烘干处理，处理温度为50℃，处理时间为35min，处理后的松针纤维含水量为2％，表面粗糙度Ra为2.05μm；然后将处理后的松针纤维截取为5mm；然后将处理后的纤维表面喷涂超疏水疏油纳米涂层，涂层厚度为50μm，干燥时间为120min，得到超疏水疏油松针纤维。
3.所述的松针粉末，通过下列步骤制得，将松针纤维粉碎，得到松针粉末，所选取松针粉末直径为35μm；然后将制取的松针粉末浸泡在15wt％NaOH溶液中130min；然后将处理后的松针粉末浸泡在含量比为1:36的硅烷偶联剂KH550和甲醇的混合溶液中130min；然后将处理后的松针粉末进行烘干处理，处理温度为45℃，处理时间为15min，得到松针粉末。
4.所述的制备生物纤维增强摩擦材料所采用的压制模具有25条与压制方向平行的方向上均匀分布的宽度为0.6mm的导向槽。
5.所采用的热压—热处理的方法制备，将所有原料充分混合进行热压处理，压强为50MPa，温度为150℃，保压时间为35min；完成热压后进行热处理，将压制压力降至压强为4MPa，加热温度为60℃，时间为10min，得到摩擦材料。
按上述实施例工艺方法所生产的摩擦材料的摩擦系数范围为0.305-0.542，磨损率为0.25×10-7cm3/Nm-0.62×10-7cm3/Nm。
实施例2
1.生物纤维增强摩擦材料按重量百分比各组分含量为：超疏水疏油松针纤维和松针粉末的总重量为21％，酚醛树脂61％、石墨2％、三氧化二铝2％、橡胶粉末0％、硫酸钡10％、摩擦粉1％、泡沫铁粉2％、炭黑1％；其中超疏水疏油松针和松针粉末的含量比为7.5:1。
2.所述的超疏水疏油松针纤维，通过下列步骤制得，将收集的松针进行烘干处理，处理温度为75℃，处理时间为50min；然后将松针纤维浸泡在NaOH溶液中进行纤维表面微结构处理，NaOH质量分数w为11.5，浸泡时间为100min然后将松针纤维在HCl蒸汽中进行中和处理，HCl的浓度为3.1mol/L，处理时间为60min；然后将处理后的松针纤维用蒸馏水清洗，然后进行烘干处理，处理温度为75℃，处理时间为50min，处理后的松针纤维含水量为6％，表面粗糙度Ra为3.68μm；然后将处理后的松针纤维截取为25mm；然后将处理后的纤维表面喷涂市售的超疏水疏油涂层，涂层厚度为70μm，干燥时间为150min，得到超疏水疏油松针纤维。
3.所述的松针粉末，通过下列步骤制得，将松针纤维粉碎，得到松针粉末，所选取松针粉末直径为300μm；然后将制取的松针粉末浸泡在20wt％NaOH溶液中150min；然后将处理后的松针粉末浸泡在含量比为1:25的硅烷偶联剂KH550和甲醇的混合溶液中150min；然后将处理后的松针粉末进行烘干处理，处理温度为60℃，处理时间为25min，得到松针粉末。
4.所述的制备生物纤维增强摩擦材料所采用的压制模与实施例1所述的相同。
5.所采用的热压—热处理的方法制备，将所有原料充分混合进行热压处理，压强为300MPa，温度为400℃，保压时间为120min；完成热压后进行热处理，将压制压力降至压强为10MPa，加热温度为120℃，时间为300min，得到摩擦材料。
按上述实施例工艺方法所生产的摩擦材料的摩擦系数范围为0.326-0.498，磨损率为0.32×10-7cm3/Nm-0.71×10-7cm3/Nm。
实施例3
1.生物纤维增强摩擦材料按重量百分比各组分含量为：超疏水疏油松针纤维和松针粉末的总重量为15％，酚醛树脂25％、石墨10％、三氧化二铝10％、橡胶粉末2％、硫酸钡20％、摩擦粉2％、泡沫铁粉13％、炭黑3％；其中，超疏水疏油松针和松针粉末的含量比为6:1。
2.所述的超疏水疏油松针纤维，通过下列步骤制得，将收集的松针进行烘干处理，处理温度为60℃，处理时间为45min；然后将松针纤维浸泡在NaOH溶液中进行纤维表面微结构处理，NaOH质量分数w为10.5，浸泡时间为90min然后将松针纤维在HCl蒸汽中进行中和处理，HCl的浓度为2mol/L，处理时间为45min；然后将处理后的松针纤维用蒸馏水清洗，然后进行烘干处理，处理温度为60℃，处理时间为40min，处理后的松针纤维含水量为4％，表面粗糙度Ra为3.02μm；然后将处理后的松针纤维截取为15mm；然后将处理后的纤维表面喷涂市售的超疏水疏油涂层，涂层厚度为60μm，干燥时间为130min，得到超疏水疏油松针纤维。
3.所述的松针粉末，通过下列步骤制得，将松针纤维粉碎，得到松针粉末，所选取松针粉末直径为60μm；然后将制取的松针粉末浸泡在18wt％NaOH溶液中140min；然后将处理后的松针粉末浸泡在含量比为1:30的硅烷偶联剂KH550和甲醇的混合溶液中140min；然后将处理后的松针粉末进行烘干处理，处理温度为50℃，处理时间为20min，得到松针粉末。
4.所述的制备生物纤维增强摩擦材料所采用的压制模与实施例1所述的相同。
5.所采用的热压—热处理的方法制备，将所有原料充分混合进行热压处理，压强为100MPa，温度为260℃，保压时间为90min；完成热压后进行热处理，将压制压力降至压强为8MPa，加热温度为80℃，时间为150min，得到摩擦材料。
按上述实施例工艺方法所生产的摩擦材料的摩擦系数范围为0.296-0.521，磨损率为0.39×10-7cm3/Nm-0.68×10-7cm3/Nm。
实施例4
1.生物纤维增强摩擦材料按重量百分比各组分含量与实施例1所述的相同；其中，超疏水疏油松针和松针粉末的含量比与实施例1所述的相同，松针纤维为原始未经处理的纤维。
2.所述的松针粉末与实施例1所述的相同。
3.所述的制备生物纤维增强摩擦材料所采用的压制模具与实施例1所述的相同。
4.所采用的热压—热处理的方法制备与实施例1所述的相同。
按上述实施例所生产的摩擦材料的摩擦系数范围为0.286-0.564，磨损率为0.58×10-7cm3/Nm-0.92×10-7cm3/Nm。

Claims (2)

1.一种生物纤维增强摩擦材料，其特征在于生物纤维增强摩擦材料按重量百分比各组分含量为：超疏水疏油松针纤维和松针粉末的总重量为6-21％，酚醛树脂12-61％、石墨2-18％、三氧化二铝2或10％、橡胶粉末0-3％、硫酸钡10-23％、摩擦粉1-3％、泡沫铁粉2-15％、炭黑1-10％；其中，超疏水疏油松针纤维与松针粉末的含量比k1为：5.5:1≤k1≤7.5:1。
2.按权利要求1所述生物纤维增强摩擦材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
2.1制备超疏水疏油松针纤维，包括下列步骤：
2.1.1将收集的松针进行烘干处理，处理温度T为：50℃≤T≤75℃，处理时间t为：35min≤t≤50min；
2.1.2将步骤2.1.1处理后的松针纤维的85％浸泡在NaOH溶液中，进行纤维表面微结构处理，NaOH质量分数w为：9.5≤w≤11.5，浸泡时间t1为：70min≤t1≤100min；
2.1.3将步骤2.1.2处理后的松针纤维在HCl蒸汽中进行中和处理，HCl的浓度n为：1.1mol/L≤n≤3.1mol/L，处理时间t2为：40min≤t2≤60min；
2.1.4将步骤2.1.3处理后的松针纤维用蒸馏水清洗，然后进行烘干处理，处理温度T2为：50℃≤T2≤75℃，处理时间t3为：35min≤t3≤50min，处理后的松针纤维含水量ω为：2％≤ω≤6％，表面粗糙度Ra为：2.05μm≤Ra≤3.68μm；
2.1.5将步骤2.1.4中处理后的松针纤维截取成相等的长度L为：5mm≤L≤25mm；
2.1.6将步骤2.1.5中处理后的松针纤维表面喷涂市售的超疏水疏油涂层，涂层厚度δ为：50μm≤δ≤70μm，干燥时间t4为：120min≤t4≤150min，得到超疏水疏油松针纤维；
2.2制备松针粉末，包括下列步骤：
2.2.1将步骤2.1.1得到的松针纤维的15％进行粉碎，得到松针粉末，所选取松针粉末直径D为：35μm≤D≤300μm；
2.2.2将步骤2.2.1制取的松针粉末浸泡在NaOH溶液中，NaOH溶液的质量分数w1为：15wt％≤w1≤20wt％，处理时间t5为：130min≤t5≤150min；
2.2.3将步骤2.2.2处理后的松针粉末浸泡在硅烷偶联剂KH550和甲醇的混合溶液中，硅烷偶联剂KH550和甲醇的含量比k2为：1:36≤k2≤1:25，处理时间t6为：130min≤t6≤150min；
2.2.4将步骤2.2.3处理后的松针粉末进行烘干处理，处理温度T4为：45℃≤T4≤60℃，处理时间t7为：15min≤t7≤25min，得到松针粉末；
2.3热压—热处理，包括下列步骤：
2.3.1将权利要求1中所述的原料：超疏水疏油松针纤维-步骤2.1制备、松针粉末-步骤2.2制备、酚醛树脂、石墨、三氧化二铝、橡胶粉末、硫酸钡、摩擦粉、泡沫铁粉和炭黑充分混合进行热压处理，压强P为:50MPa≤P≤300MPa，温度T5为：150℃≤T5≤400℃，保压时间t8为：35min≤t8≤120min；
2.3.2完成热压后进行热处理，将压强P1降至:4MPa≤P1≤10MPa，加热温度T5为：60℃≤T5≤120℃，时间t9为：10min≤t9≤300min，即得生物纤维增强摩擦材料。
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