CN108050184A - 一种耐磨型摩擦材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐磨型摩擦材料的制备方法，属于摩擦材料制备技术领域。首先利用硼酸对酚醛树脂进行改性，从而促使酚醛树脂中碳的损失量降低，提高了摩擦材料的耐热性，再利用碱溶液、马来酸酐和硼砂对剑麻纤维进行表面改性，本发明由于剑麻纤维的纤维素富含‑OH基团，进行酯化反应，提高了剑麻纤维与基体间的界面粘合性，接着加入硼砂，在硼砂受热分解时，能够吸收大量的热，将蛤蜊壳和二硫化钼混合研磨成混合粉末，利用硅烷偶联剂对混合粉末进行改性，使二硫化钼具有有较高的化学活性，有利于摩擦过程中润滑摩擦膜的形成和对剑麻纤维的包覆，另外蛤蜊壳的主要成分是碳酸钙，使其还具有高韧性，进一步提高摩擦材料的耐磨性，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明公开了一种耐磨型摩擦材料的制备方法，属于摩擦材料制备技术领域。
背景技术
摩擦材料是一种应用在动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材料。它主要包括制动器衬片和离合器面片。刹车片用于制动，离合器片用于传动。
任何机械设备与运动的各种车辆都必须要有制动或传动装置。摩擦材料是这种制动或传动装置上的关键性部件。它最主要的功能是通过摩擦来吸收或传递动力。如离合器片传递动力，制动片吸收动能。它们使机械设备与各种机动车辆能够安全可靠地工作。所以说摩擦材料是一种应用广泛又甚关键地材料。
摩擦材料是一种高分子三元复合材料，是物理与化学复合体。它是由高分子粘结剂、增强纤维和摩擦性能调节剂三大类组成及其它配合剂构成，经一系列生产加工而制成的制品。摩擦材料的特点是具有良好的摩擦系数和耐磨损性能，同时具有一定的耐热性和机械强度，能满足车辆或机械的传动与制动的性能要求。它们被广泛应用在汽车、火车、飞机、石油钻机等各类工程机械设备上。也是民用品如自行车、洗衣机等作为动力的传递或制动减速用不可缺少的材料。
摩擦材料是车辆与机械的离合器总成和制动器中的关键安全零件，在传动和制动过程中，主要应满足以下技术要求：适宜而稳定的摩擦系数、良好的耐磨性、具有良好的机械强度和物理性能、制动噪音低、对偶面磨损较小。
2004年开始，随汽车工业飞速发展，人们对制动性能要求越来越高，开始研发陶瓷型摩擦材料。陶瓷型摩擦材料主要以无机纤维和几种有机纤维混杂组成，无石棉，无金属。
因此，发明一种耐磨损性能好的摩擦材料对摩擦材料制备技术领域具有积极意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对目前常见摩擦材料存在耐磨性差和耐热性差，满足不了汽车刹车片标准要求的缺陷，提供了一种耐磨型摩擦材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：
一种耐磨型摩擦材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）将剑麻纤维和氢氧化钠溶液混合置于浸泡机中，在室温下浸泡处理，得到浸泡剑麻纤维，再将马来酸酐、二甲苯、硼砂和亚硫酸氢钠混合置于装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中搅拌，搅拌后再向四口烧瓶中加入浸泡剑麻纤维搅拌回流，得到酯化剑麻纤维，用去离子水洗涤酯化剑麻纤维，最后置于烘箱中干燥，出料，得到改性剑麻纤维；
（2）将苯酚、甲醛溶液和双氧水混合倒入装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中回流反应，得到反应物，冷却降温后，再向带有反应物的四口烧瓶中加入反应物质量2％的硼酸，继续保温回流反应，减压脱水，出料，得到硼酸改性酚醛树脂；
（3）将蛤蜊壳和二硫化钼混合研磨后过100目筛，收集过筛混合粉末，将过筛混合粉末和硅烷偶联剂KH-560混合搅拌，得到混合物，继续向混合物中加入混合物质量7%的葡萄糖和混合物质量0.4%的酵母粉，装入发酵罐中，密封发酵，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性混合粉末；
（4）按重量份数计，分别称取30～40份硼酸改性酚醛树脂、16～20份改性剑麻纤维和6～8份改性混合粉末混合置于搅拌机中搅拌，再添加2～4份过硫酸钾、3～5份松香和1～3份乙二胺，继续保温混合搅拌，得到混合物料，将混合物料倒入双螺杆挤出机中挤出造粒，得到粒料，最后将粒料倒入热压机中热压成型，冷却出料，即可制得耐磨型摩擦材料。
步骤（1）所述的剑麻纤维和质量分数为20％的氢氧化钠溶液的质量比为1：5，浸泡处理时间为2～4h，马来酸酐、二甲苯、硼砂和亚硫酸氢钠的质量比为2：1：2：1，搅拌时间为10～12min，搅拌回流温度为135～140℃，搅拌回流时间为1～3h，洗涤次数为3～5次，干燥温度为75～85℃，干燥时间为1～2h。
步骤（2）所述的苯酚、质量分数为10％的甲醛溶液和质量分数为15％的双氧水的质量比为4：1：1，反应温度为50～60℃，反应时间为16～20min，冷却降温温度为24～26℃，继续回流反应时间为1～3h。
步骤（3）所述的蛤蜊壳和二硫化钼的质量比为1：3，研磨时间为8～10min，过筛混合粉末和硅烷偶联剂KH-560的质量比为3：1，混合搅拌时间为6～8min，发酵温度为35～40℃，发酵时间为8～10天。
步骤（4）所述的搅拌温度为45～65℃，搅拌时间为20～30min，继续搅拌时间为35～45min，造粒温度为90～100℃，造粒转速为100～120r/min，热压温度为160～180℃，热压压力为6～8MPa。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明以硼酸改性酚醛树脂为基体，改性剑麻纤维和改性混合粉末作为补强剂，并辅以硫酸钾、松香和乙二胺等制备得到耐摩擦磨损型摩擦材料，本发明首先利用硼酸对酚醛树脂进行改性，在固化过程中，苯酚的酚羟基与硼酸的硼羟基发生化学反应，形成了硼酸苯酚酯结构，由于以硼原子为核心的硼酸苯酚酯结构封闭了部分酚羟基，使得基于酚羟基的热分解反应不易发生，另外硼酸苯酚酯结构在裂解过程中，形成了氧化硼，减少了碳氧化合物的形成，从而促使酚醛树脂中碳的损失量降低，提高了摩擦材料的耐热性，再利用碱溶液、马来酸酐和硼砂对剑麻纤维进行表面改性，其中剑麻纤维的主要成分为纤维素，先利用碱溶液对剑麻纤维表面改性处理，改性后促使其纤维素的结晶度提高，有利于剑麻纤维的力学性能得到提高，同时剑麻纤维的表面积得到增加，基体与剑麻纤维表面的粘着面积也得到增加，达到提高基体与剑麻纤维的界面强度的目的，有利于摩擦材料的耐磨性得到提高；
（2）本发明由于剑麻纤维的纤维素富含-OH基团，并向其中引入了马来酸酐，进行酯化反应，将马来酸酐接枝到剑麻纤维表面，使得剑麻纤维表面带有双键基团，能够通过双键与聚合物基体发生反应，提高了剑麻纤维与基体间的界面粘合性，有利于摩擦材料的耐磨性和耐热性得到提高，接着加入硼砂，在硼砂受热分解时，能够吸收大量的热，同时在剑麻纤维表面形成玻璃态物质，隔开了氧气与剑麻纤维的接触，延缓纤维素大分子热氧化分解，同时有网络交联物的形成，使硼元素有效地固着在纤维素上，再次提高摩擦材料的耐热性；
（3）本发明将蛤蜊壳和二硫化钼混合研磨成混合粉末，利用硅烷偶联剂对混合粉末进行改性，将其与葡萄糖和酵母粉共同发酵，利用微生物将葡萄糖分解成大分子糖类，使其具有粘性，提高了混合粉末与基体之间的粘结性，有效地填充在基体内部孔隙中，使基体更加密实，其中二硫化钼具有与石墨类似的层状结构，且二硫化钼分子中硫原子为负二价，使二硫化钼具有有较高的化学活性，促进了剑麻纤维与基体的结合，形成致密均匀的表面结构，有利于摩擦过程中润滑摩擦膜的形成和对剑麻纤维的包覆，可以减少磨损过程中剑麻纤维的折断和拔出，提高了摩擦材料的耐磨性，另外蛤蜊壳的主要成分是碳酸钙，由于碳酸钙晶粒的有序排列以及蛤蜊壳含有少量的蛋白质，能够有效粘结碳酸钙，使其不仅具有高强度，还具有高韧性，有效地填充在摩擦材料内部，进一步提高摩擦材料的耐磨性，具有广泛的应用前景。
具体实施方式
按质量比为1：5将剑麻纤维和质量分数为20％的氢氧化钠溶液混合置于浸泡机中，在室温下浸泡处理2～4h，得到浸泡剑麻纤维，再将马来酸酐、二甲苯、硼砂和亚硫酸氢钠按质量比为2：1：2：1混合置于装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中搅拌10～12min，搅拌后再向四口烧瓶中加入浸泡剑麻纤维，在温度为135～140℃下搅拌回流1～3h，得到酯化剑麻纤维，用去离子水洗涤酯化剑麻纤维3～5次，最后置于烘箱中，在温度为75～85℃下干燥1～2h，出料，得到改性剑麻纤维；按质量比为4：1：1将苯酚、质量分数为10％的甲醛溶液和质量分数为15％的双氧水混合倒入装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中，在温度为50～60℃下回流反应16～20min，得到反应物，冷却降温至24～26℃后，再向带有反应物的四口烧瓶中加入反应物质量2％的硼酸，继续保温回流反应1～3h，减压脱水，出料，得到硼酸改性酚醛树脂；将蛤蜊壳和二硫化钼按质量比为1：3混合研磨8～10min后过100目筛，收集过筛混合粉末，将过筛混合粉末和硅烷偶联剂KH-560按质量比为3：1混合搅拌6～8min，得到混合物，继续向混合物中加入混合物质量7%的葡萄糖和混合物质量0.4%的酵母粉，装入发酵罐中，在温度为35～40℃下密封发酵8～10天，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性混合粉末；按重量份数计，分别称取30～40份硼酸改性酚醛树脂、16～20份改性剑麻纤维和6～8份改性混合粉末混合置于搅拌机中，在温度为45～65℃下搅拌20～30min，再添加2～4份过硫酸钾、3～5份松香和1～3份乙二胺，继续保温混合搅拌35～45min，得到混合物料，将混合物料倒入双螺杆挤出机中，在温度为90～100℃、转速为100～120r/min的条件下挤出造粒，得到粒料，最后将粒料倒入热压机中，在温度为160～180℃、压力为6～8MPa下热压成型，冷却出料，即可制得耐磨型摩擦材料。
实例1
按质量比为1：5将剑麻纤维和质量分数为20％的氢氧化钠溶液混合置于浸泡机中，在室温下浸泡处理2h，得到浸泡剑麻纤维，再将马来酸酐、二甲苯、硼砂和亚硫酸氢钠按质量比为2：1：2：1混合置于装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中搅拌10min，搅拌后再向四口烧瓶中加入浸泡剑麻纤维，在温度为135℃下搅拌回流1h，得到酯化剑麻纤维，用去离子水洗涤酯化剑麻纤维3次，最后置于烘箱中，在温度为75℃下干燥1h，出料，得到改性剑麻纤维；按质量比为4：1：1将苯酚、质量分数为10％的甲醛溶液和质量分数为15％的双氧水混合倒入装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中，在温度为50℃下回流反应16min，得到反应物，冷却降温至24℃后，再向带有反应物的四口烧瓶中加入反应物质量2％的硼酸，继续保温回流反应1h，减压脱水，出料，得到硼酸改性酚醛树脂；将蛤蜊壳和二硫化钼按质量比为1：3混合研磨8min后过100目筛，收集过筛混合粉末，将过筛混合粉末和硅烷偶联剂KH-560按质量比为3：1混合搅拌6min，得到混合物，继续向混合物中加入混合物质量7%的葡萄糖和混合物质量0.4%的酵母粉，装入发酵罐中，在温度为35℃下密封发酵8天，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性混合粉末；按重量份数计，分别称取30份硼酸改性酚醛树脂、16份改性剑麻纤维和6份改性混合粉末混合置于搅拌机中，在温度为45℃下搅拌20min，再添加2份过硫酸钾、3份松香和1份乙二胺，继续保温混合搅拌35min，得到混合物料，将混合物料倒入双螺杆挤出机中，在温度为90℃、转速为100r/min的条件下挤出造粒，得到粒料，最后将粒料倒入热压机中，在温度为160℃、压力为6MPa下热压成型，冷却出料，即可制得耐磨型摩擦材料。
实例2
按质量比为1：5将剑麻纤维和质量分数为20％的氢氧化钠溶液混合置于浸泡机中，在室温下浸泡处理3h，得到浸泡剑麻纤维，再将马来酸酐、二甲苯、硼砂和亚硫酸氢钠按质量比为2：1：2：1混合置于装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中搅拌11min，搅拌后再向四口烧瓶中加入浸泡剑麻纤维，在温度为137℃下搅拌回流2h，得到酯化剑麻纤维，用去离子水洗涤酯化剑麻纤维4次，最后置于烘箱中，在温度为80℃下干燥1.5h，出料，得到改性剑麻纤维；按质量比为4：1：1将苯酚、质量分数为10％的甲醛溶液和质量分数为15％的双氧水混合倒入装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中，在温度为55℃下回流反应18min，得到反应物，冷却降温至25℃后，再向带有反应物的四口烧瓶中加入反应物质量2％的硼酸，继续保温回流反应2h，减压脱水，出料，得到硼酸改性酚醛树脂；将蛤蜊壳和二硫化钼按质量比为1：3混合研磨9min后过100目筛，收集过筛混合粉末，将过筛混合粉末和硅烷偶联剂KH-560按质量比为3：1混合搅拌7min，得到混合物，继续向混合物中加入混合物质量7%的葡萄糖和混合物质量0.4%的酵母粉，装入发酵罐中，在温度为37℃下密封发酵9天，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性混合粉末；按重量份数计，分别称取35份硼酸改性酚醛树脂、18份改性剑麻纤维和7份改性混合粉末混合置于搅拌机中，在温度为55℃下搅拌25min，再添加3份过硫酸钾、4份松香和2份乙二胺，继续保温混合搅拌40min，得到混合物料，将混合物料倒入双螺杆挤出机中，在温度为95℃、转速为110r/min的条件下挤出造粒，得到粒料，最后将粒料倒入热压机中，在温度为170℃、压力为7MPa下热压成型，冷却出料，即可制得耐磨型摩擦材料。
实例3
按质量比为1：5将剑麻纤维和质量分数为20％的氢氧化钠溶液混合置于浸泡机中，在室温下浸泡处理4h，得到浸泡剑麻纤维，再将马来酸酐、二甲苯、硼砂和亚硫酸氢钠按质量比为2：1：2：1混合置于装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中搅拌12min，搅拌后再向四口烧瓶中加入浸泡剑麻纤维，在温度为140℃下搅拌回流3h，得到酯化剑麻纤维，用去离子水洗涤酯化剑麻纤维5次，最后置于烘箱中，在温度为85℃下干燥2h，出料，得到改性剑麻纤维；按质量比为4：1：1将苯酚、质量分数为10％的甲醛溶液和质量分数为15％的双氧水混合倒入装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中，在温度为60℃下回流反应20min，得到反应物，冷却降温至26℃后，再向带有反应物的四口烧瓶中加入反应物质量2％的硼酸，继续保温回流反应3h，减压脱水，出料，得到硼酸改性酚醛树脂；将蛤蜊壳和二硫化钼按质量比为1：3混合研磨10min后过100目筛，收集过筛混合粉末，将过筛混合粉末和硅烷偶联剂KH-560按质量比为3：1混合搅拌8min，得到混合物，继续向混合物中加入混合物质量7%的葡萄糖和混合物质量0.4%的酵母粉，装入发酵罐中，在温度为40℃下密封发酵10天，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性混合粉末；按重量份数计，分别称取40份硼酸改性酚醛树脂、20份改性剑麻纤维和8份改性混合粉末混合置于搅拌机中，在温度为65℃下搅拌30min，再添加4份过硫酸钾、5份松香和3份乙二胺，继续保温混合搅拌45min，得到混合物料，将混合物料倒入双螺杆挤出机中，在温度为100℃、转速为120r/min的条件下挤出造粒，得到粒料，最后将粒料倒入热压机中，在温度为180℃、压力为8MPa下热压成型，冷却出料，即可制得耐磨型摩擦材料。
对比例
以南京某公司生产的耐磨型摩擦材料作为对比例 对本发明制得的耐磨型摩擦材料和对比例中的耐磨型摩擦材料进行性能检测，检测结果如表1所示：
1、测试方法：
磨料粒径测试采用磨料粒度机械仪表进行检测，磨料粒径越大耐磨性能越高；
耐磨转数测试方法：按照国家标准，将实例1～3和对比例中的摩擦材料用180目砂纸进行测试，每500转换砂纸一条，测得最后的耐磨转数；
磨损宽度测试按ASTMD2000HK7434的指标要求进行性能检测；
硬度测试用铅笔的硬度来表示；
耐温度测试采用耐温试验的方法进行性能检测。
表1
| 测试项目 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 对比例 |
| 磨料粒径（目） | 204 | 215 | 225 | 155 |
| 耐磨转数（r） | 7400 | 7450 | 7500 | 6320 |
| 磨损宽度（mm） | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 0.5 |
| 铅笔硬度 | 4H | 5H | 5H | 2H |
| 耐温度（℃） | 151 | 155 | 157 | 105 |
根据上述中数据可知本发明制得的耐磨型摩擦材料的耐磨损性能好，耐磨转数达到7500转，磨料粒径达到225目，耐热性能好，耐温度达157℃，符合汽车刹车片标准要求，具有广阔的应用前景。
Claims (5)
1.一种耐磨型摩擦材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）将剑麻纤维和氢氧化钠溶液混合置于浸泡机中，在室温下浸泡处理，得到浸泡剑麻纤维，再将马来酸酐、二甲苯、硼砂和亚硫酸氢钠混合置于装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中搅拌，搅拌后再向四口烧瓶中加入浸泡剑麻纤维搅拌回流，得到酯化剑麻纤维，用去离子水洗涤酯化剑麻纤维，最后置于烘箱中干燥，出料，得到改性剑麻纤维；
（2）将苯酚、甲醛溶液和双氧水混合倒入装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中回流反应，得到反应物，冷却降温后，再向带有反应物的四口烧瓶中加入反应物质量2％的硼酸，继续保温回流反应，减压脱水，出料，得到硼酸改性酚醛树脂；
（3）将蛤蜊壳和二硫化钼混合研磨后过100目筛，收集过筛混合粉末，将过筛混合粉末和硅烷偶联剂KH-560混合搅拌，得到混合物，继续向混合物中加入混合物质量7%的葡萄糖和混合物质量0.4%的酵母粉，装入发酵罐中，密封发酵，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性混合粉末；
（4）按重量份数计，分别称取30～40份硼酸改性酚醛树脂、16～20份改性剑麻纤维和6～8份改性混合粉末混合置于搅拌机中搅拌，再添加2～4份过硫酸钾、3～5份松香和1～3份乙二胺，继续保温混合搅拌，得到混合物料，将混合物料倒入双螺杆挤出机中挤出造粒，得到粒料，最后将粒料倒入热压机中热压成型，冷却出料，即可制得耐磨型摩擦材料。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨型摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的剑麻纤维和质量分数为20％的氢氧化钠溶液的质量比为1：5，浸泡处理时间为2～4h，马来酸酐、二甲苯、硼砂和亚硫酸氢钠的质量比为2：1：2：1，搅拌时间为10～12min，搅拌回流温度为135～140℃，搅拌回流时间为1～3h，洗涤次数为3～5次，干燥温度为75～85℃，干燥时间为1～2h。
3.根据权利要求1所述的一种耐磨型摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的苯酚、质量分数为10％的甲醛溶液和质量分数为15％的双氧水的质量比为4：1：1，反应温度为50～60℃，反应时间为16～20min，冷却降温温度为24～26℃，继续回流反应时间为1～3h。
4.根据权利要求1所述的一种耐磨型摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的蛤蜊壳和二硫化钼的质量比为1：3，研磨时间为8～10min，过筛混合粉末和硅烷偶联剂KH-560的质量比为3：1，混合搅拌时间为6～8min，发酵温度为35～40℃，发酵时间为8～10天。
5.根据权利要求1所述的一种耐磨型摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的搅拌温度为45～65℃，搅拌时间为20～30min，继续搅拌时间为35～45min，造粒温度为90～100℃，造粒转速为100～120r/min，热压温度为160～180℃，热压压力为6～8MPa。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180518 |