CN109737159A - 一种复合盐粘结剂复合摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合盐粘结剂复合摩擦材料及其制备方法，其主要成分由硅酸盐粘结剂、磷酸盐粘结剂、助剂、固化剂、韧性调节剂、增强纤维、摩擦性能调节剂及填料组成，其中硅酸盐粘结剂主要以钠水玻璃和钾水玻璃为原料，磷酸盐粘结剂主要以液体磷酸二氢铝为原料，通过与氟化钙助剂混合配制成复合型复合盐粘结剂作为摩擦材料粘结剂。本发明使用复合型无机盐溶液混合物作为粘结剂，利用无机盐粘结剂阻燃性好、环保无毒、制备工艺简单以及耐高温特点，替代树脂类粘结剂。硅酸盐粘与磷酸盐复合物对碳纤维和重晶石、氧化铝等粉体材料具有优异的粘结性能，有效地改善中温和高温区的摩擦系数稳定性，解决了普通树脂基摩擦材料热衰退的问题，提高摩擦材料在实际使用中的安全性。

Description

一种复合盐粘结剂复合摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及摩擦材料及其制备方法，尤其适用于机动车刹车片、机床及电极的制动器、离合器衬片以及一些需要在高温下工作的摩擦材料的制备方法。

背景技术

汽车制动用摩擦材料俗称刹车片，是汽车制动***中最重要的***件之一，关系着汽车驾驶人员的生命和财产安全。刹车片的制备一般以粘结剂、增强纤维、摩擦性能调节剂及填料等为原料，通过均匀混合后经过热压、固化后制得。

目前市场广泛使用的树脂基摩擦材料具有力学性能优良、噪音小且成本低等优势，但是由于粘结剂主要由酚醛树脂等有机组分构成，摩擦系数不稳定、耐磨性差、尤其易出现高温热衰退现象，可能导致制动效能严重恶化，甚至引发刹车失灵，酿成事故。探索解决摩擦材料的热衰退问题一直是摩擦材料研究的热点，寻求能够承受高温的胶粘剂来替代树脂粘结剂是人们努力的方向之一。

硅酸盐粘结剂和磷酸盐粘结剂等无机粘结剂具有阻燃性好、环保无毒、成本低廉、固化收缩率低、使用方法简单、耐久性好等优点。硅酸盐粘结剂的基料一般是钠水玻璃、钾水玻璃，或者混合基料，在中低温区间可以为复合材料提供很好的粘结作用。磷酸盐粘结剂一般在中高温区间具有很好的粘结性能。刘成伦等人以钠水玻璃和钾水玻璃的混合物为基料，添加一些金属氧化物、非金属氧化物和金属粉末，制备出具有粘结强度大、室温即可固化、易于施工等特点的胶粘剂，在中高温区间可以为复合材料提高很好的粘结作用。Nora等以磷酸二氢铝作为基料，氧化镁作为固化剂，添加二氧化硅、氧化铝等作为填料制备出一种可室温固化、结构致密强度高的耐火材料。氟硅酸钠作为固化剂制备的钠水玻璃胶粘剂，表现出良好的固化特性。氧化铜作为磷酸盐胶粘剂的固化剂，靠形成-O-Cu-O-离子键可以将聚磷酸分子连接形成连续分布的无机高分子聚合物，提高粘结强度。但是，这些粘结剂制成的粘结复合材料在中高温区间具有很严重的脆性，不适合直接用于制作摩擦材料。有关无机盐胶粘剂性能的研究报道很多，然而在摩擦材料制备方面，应用无机粘结剂的研究成果极少。

发明人研究发现硅酸钠和硅酸钾混合盐与磷酸盐制成的复合物，在200~400℃区间其脱水产物发生彼此复合交联作用，这种复合交联生成了复杂形态的多聚物，且在较高温度时，复合交联作用更完全、更剧烈。该多聚物对碳纤维和重晶石、氧化铝等粉体材料具有优异的粘结性能。本发明基于发明人的这一研究成果，使用硅酸盐和磷酸盐复合物为粘结剂，丁腈橡胶为韧性调节剂，采用热压成型工艺，制备复合摩擦材料。这种摩擦材料在摩擦制动过程中，利用摩擦产生的高温促进复合盐发生复合交联作用，使得粘结剂形成很好的粘结强度，从而显著改善了摩擦材料在中温和高温区间摩擦性能的稳定性，解决了摩擦材料在中温和高温区热衰退的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种粘结强度高、力学性能良好且耐高温的粘结剂，代替传统树脂粘结剂作为摩擦材料粘结剂，从而改善摩擦材料的中高温区摩擦系数稳定性，解决材料的热衰退问题。本发明利用了发明人发现“硅酸钠和硅酸钾混合盐与磷酸盐制成的复合物，在200~400℃区间其脱水产物发生彼此复合交联，这种复合交联作用生成了较复杂形态的多聚物，且随着温度升高，复合交联作用更强烈，特别是当有氟化钙助剂存在时，这类复合交联作用产物对碳纤维和重晶石、氧化铝等粉体材料具有优异的粘结性能”。硅酸盐粘结剂在低温区（<300℃）主要为脱水作用形成多聚体等，而中温区（250~450℃）磷酸盐粘结剂发生聚合及多缩聚作用形成偏磷酸盐，在有氟化钙助剂作用的条件下，在中温区（200~400℃）发生复合交联作用，其交联产物具有很好的高温粘结性能，而这个温度区间正是摩擦材料中树脂分解失效的温度区间。发明人的这些研究成果，为设计新型摩擦材料提供了新的理论基础，为开发具有良好抗热衰退性能的摩擦材料提供了技术依据。本发明利用硅酸盐和磷酸盐复合交联作用产物的高温粘结性能优异的特点，设计制备在中高温区具有更好性能的摩擦材料；利用硅酸钠和硅酸钾的混合盐在常温至中温（< 300℃）区间，水合作用产物的粘结作用，获得摩擦材料的常温力学性能；利用复合盐和助剂在摩擦制动过程的摩擦热，形成摩擦界面的高温（200~400℃），产生复合交联作用产物具有优良的粘结作用，使得摩擦材料获得中高温区稳定的摩擦学性能。

本发明提出的复合盐粘结剂复合摩擦材料，其重量份数组成为：

硅酸盐粘结剂 15~20份

磷酸盐粘结剂 10~15份

氟化钙助剂 2.5~5份

固化剂 5~15份

增强纤维 5~15份

韧性调节剂 2.5~10份

摩擦性能调节剂及填料 10~60份

本发明提出的复合盐粘结剂复合摩擦材料的制备方法，主要包括以下过程：

（1）复合盐粘结剂制作过程：向100份模数为2.8、波美度为45的钠水玻璃中添加10~50份的相同模数和波美度的钾水玻璃，混合搅拌均匀后，得到不同Na/K的硅酸盐粘结剂。量取摩尔比为10:3的磷酸和氢氧化铝，并进行混合搅拌，搅拌至溶液澄清透明，然后在85℃左右加热使溶液水分蒸发至合适粘度停止加热，待冷却后即得液体磷酸盐粘结剂（磷酸二氢铝）。将15~20份硅酸盐粘结剂和10~15份磷酸盐粘结剂，并加入2.5~5份氟化钙助剂，搅拌均匀，在25~50℃加热并搅拌10min，制得复合盐粘结剂。

（2）将固化剂、增强纤维和摩擦性能调节剂及填料，在常温下混合搅拌2分钟，然后将丁腈橡胶作为韧性调节剂引入并混合搅拌1分钟；将混合后的粉料置于鼓风干燥箱中干燥1~3小时，干燥后将复合盐粘结剂引入并混合搅拌10~15分钟；将上述混合搅拌均匀的复合材料在130℃、10~20MPa的压力下模压60~90分钟，再在130~190℃下热处理10~20小时，制得本发明的复合盐粘结剂复合摩擦材料。

本发明中，所述的复合盐粘结剂是硅酸钠和硅酸钾水溶液混合物与液体磷酸二氢铝和氟化钙按不同比例混合制备的水溶液。

所述的助剂为氟化钙。

所述的固化剂为氟硅酸钠、氧化镁和氧化锌的几种，韧性调节剂为丁腈橡胶。

所述的增强纤维可以是钢纤维、碳纤维或者二者混合使用。

所述的摩擦性能调节剂及填料可以是重晶石、硅灰石、石墨、铜粉、碳化硅、碳化硼和氧化铝中的几种。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，复合盐粘结剂具有阻燃性好、环保无毒、固化收缩率低、成本低廉、使用方法简单、耐久性好等优点，可耐400~500℃高温，使用其代替传统摩擦材料的树脂粘结剂，既能保证摩擦材料的力学性能符合相关行业标准，更能显著提高摩擦材料的中温和高温区的摩擦系数稳定性，有效的解决了摩擦材料在中高温区间的热衰退问题，从而提高了摩擦材料在实际使用中的安全性。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步描述。

实施例1：

向100份模数为2.8、波美度为45的钠水玻璃中添加10份的相同模数和波美度的钾水玻璃，混合搅拌均匀后即得Na/K为10/1的硅酸盐粘结剂。

称取20份硅酸盐Na/K为10/1的硅酸盐粘结剂，再加入10份的液体磷酸二氢铝，2.5份氟化钙助剂，混合搅拌均匀，在25~50℃加热并搅拌10min，制得复合盐粘结剂。

称取氟硅酸钠3份、氧化铜2份、碳纤维12.5份以及重晶石12.5份、氧化铝5份、碳化硅3份、铜粉2份、石墨2份、碳化硼2份混合搅拌2分钟，然后称取12.5份丁腈橡胶作为韧性调节剂，引入并混合搅拌1分钟；将混合后的粉料置于鼓风干燥箱中干燥3小时，干燥后即得摩擦材料基体粉末。在100份基体粉末中加入65份复合盐粘结剂，并混合搅拌15分钟；将上述混合搅拌均匀的复合材料在130℃、15MPa的压力下模压60分钟，再在140℃保温3小时，160℃保温3小时，180摄氏度保温10小时即得本发明的复合盐粘结剂复合摩擦材料。

实施例2：

向100份模数为2.8、波美度为45的钠水玻璃中添加30份的相同模数和波美度的钾水玻璃，混合搅拌均匀后即得Na/K为10/3的硅酸盐粘结剂。

称取15份硅酸盐Na/K为10/3的硅酸盐粘结剂，再加入10份的液体磷酸二氢铝，4份氟化钙助剂，混合搅拌均匀，在25~50℃加热并搅拌10min，制得复合盐粘结剂。

称取氟硅酸钠3份、氧化铜1份、氧化镁1份、碳纤维12.5份以及重晶石10份、硅灰石10份、氧化铝5份、碳化硅3份、铜粉2份、石墨2份、碳化硼2份混合搅拌2分钟，然后称取7.5份丁腈橡胶作为韧性调节剂引入并混合搅拌1分钟；将混合后的粉料置于鼓风干燥箱中干燥3小时，干燥后即得摩擦材料基体粉末。在100份基体粉末中加入75份硅酸盐粘结剂并混合搅拌15分钟；将上述混合搅拌均匀的复合材料在130℃、20MPa的压力下模压90分钟，再在140℃保温1小时，150℃保温1小时，160℃保温1小时，170℃保温1小时，180摄氏度保温10小时即得本发明的复合盐粘结剂复合摩擦材料。

实施例3：

向100份模数为2.8、波美度为45的钠水玻璃中添加50份的相同模数和波美度的钾水玻璃，混合搅拌均匀后即得Na/K为10/5的硅酸盐粘结剂。

称取15份硅酸盐Na/K为10/5的硅酸盐粘结剂，再加入15份的液体磷酸二氢铝，5份氟化钙助剂，混合搅拌均匀，在25~50℃加热并搅拌10min，制得复合盐粘结剂。

称取氟硅酸钠2份、氧化铜2份、氧化锌1份、碳纤维12.5份以及重晶石10份、硅灰石5份、氧化铝5份、碳化硅5份、铜粉2份、石墨2份、碳化硼2份混合搅拌2分钟，然后称取10份丁腈橡胶作为韧性调节剂引入并混合搅拌1分钟；将混合后的粉料置于鼓风干燥箱中干燥3小时，干燥后即得摩擦材料基体粉末。在100份基体粉末中加入50份硅酸盐粘结剂并混合搅拌15分钟；将上述混合搅拌均匀的复合材料在130℃、15MPa的压力下模压90分钟，再在140℃保温3小时，160℃保温3小时，180摄氏度保温10小时即得本发明的复合盐粘结剂复合摩擦材料。

将上述制得的摩擦材料按照国家标准GB5763-1998，在定速式摩擦试验机上测试摩擦系数；依据国家标准GB/T 1043-2008硬质塑料简支梁冲击试验方法在XJJ-5型简支梁冲击试验机上测量冲击强度。具体测试结果如下表所示：

从上表可以看出，本发明产品的摩擦系数稳定，特别是高温摩擦系数对比传统树脂基摩擦材料有显著提高，有效解决了热衰退问题；冲击韧性方面虽然较传统树脂基摩擦材料有所降低，但是仍高于国家标准要求。这表明本发明以复合盐粘结剂代替传统树脂粘结剂来改善高温粘结强度，利用复合盐粘结剂特有的耐高温性，在稳定摩擦材料摩擦系数以及保证冲击韧性复合标准的基础上，有效提高了摩擦材料高温摩擦系数的稳定性，解决了热衰退的问题，从而提高了摩擦材料在实际使用中的安全性。

Claims (5)

1.一种复合盐粘结剂复合摩擦材料，其特征在于重量份数组成包括：

硅酸盐粘结剂 15~20份

磷酸盐粘结剂 10~15份

氟化钙助剂 2.5~5份

固化剂 5~15份

增强纤维 5~15份

韧性调节剂 2.5~10份

摩擦性能调节剂及填料 10~60份

上述硅酸盐粘结剂为硅酸钠、硅酸钾的混合水溶液；所述的磷酸盐粘结剂为液体磷酸二氢铝；所述的固化剂为氟硅酸钠、氧化镁、氧化锌的几种；所述的助剂为氟化钙；所述的增强纤维为碳纤维、钢纤维或二者混合使用；所述的韧性调节剂为丁腈橡胶；所述的摩擦性能调节剂及填料为重晶石、硅灰石、石墨、铜粉、碳化硅、碳化硼和氧化铝中的几种。

2.根据权利要求1所述的复合盐粘结剂复合摩擦材料，其特征在于所述的硅酸盐粘结剂的制备过程如下：向100份模数为2.8、波美度为45的钠水玻璃中添加10~50份的相同模数和波美度的钾水玻璃，混合搅拌均匀后即得不同Na/K的硅酸盐粘结剂。

3.根据权利要求1所述的复合盐粘结剂复合摩擦材料，其特征在于所述的磷酸盐粘结剂的制备过程如下：首先分别准确量取摩尔比为10:3的磷酸和氢氧化铝，并进行混合搅拌，搅拌至溶液澄清透明，然后在85℃左右加热使溶液水分蒸发至合适粘度停止加热，待冷却后即得液体磷酸二氢铝粘结剂。

4.根据权利要求1所述的复合盐粘结剂复合摩擦材料，其特征在于所述的复合盐粘结剂制备过程如下：将15~20份硅酸盐粘结剂和10~15份磷酸盐粘结剂，并加入2.5~5份氟化钙助剂，搅拌均匀，在25~50℃加热并搅拌10min，制得复合盐粘结剂。

5.如权利要求1-4任一项所述的复合盐粘结剂复合摩擦材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：首先将固化剂、增强纤维和摩擦性能调节剂及填料混合搅拌2分钟，然后将丁腈橡胶作为韧性调节剂引入并混合搅拌1分钟；将混合后的粉料置于鼓风干燥箱中干燥1~3小时，干燥后将复合盐粘结剂引入并混合搅拌10~15分钟；将上述混合搅拌均匀的复合材料在130℃、10~20MPa的压力下模压60~90分钟，再在130~190℃下热处理10~20小时即得本发明的复合盐粘结剂复合摩擦材料。