CN105038101B - 一种纤维素增强防粘盘防啸叫耐磨制动材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维素增强防粘盘防啸叫耐磨制动材料及制备方法，由下列重量份比的原料制成：经阻燃、热稳定化及表面处理的天然纤维素6～18份(表面涂纤维素重量1～3％的偶联剂)，改性树脂基体8～24份，粉末状核壳橡胶3～12份，环氧化植物油3～9份，摩擦调节剂5～15份，炭质材料6～12份，余量用硫酸钡填充至100份。制备方法是：将天然纤维素阻燃及稳定化处理，继之喷淋偶联剂并悬浮开松，在30～90℃间加热至偶联剂完全浸润，将表面处理过的纤维素与上述其余组分在Z型搅拌机内混合得到模压粉，在120～160℃、5～10Mpa条件下热压成型，热压时间一般在1.5～3min/mm内为宜。本发明在配料中添加具有多孔结构的成分使得制动片具有防粘盘防啸叫和耐磨的效果。

Description

一种纤维素增强防粘盘防啸叫耐磨制动材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域,涉及一种纤维素增强防粘盘防啸叫耐磨制动材料及其制备方法。

背景技术

港口、风电、矿山、冶金、起重、机床、电梯等使用的电磁或液压制动器，其执行机构是摩擦制动对摩偶，即通过耐磨制动片与制动盘表面接触所产生的摩擦力作为制动力，使得设备的升降或旋转部件能够调速或减速至停。目前无论是占主流的失电制动，还是通电制动，其制动片/制动盘经常处于闭合状态。由于上述所列举的设备其工作环境多处于高湿度或野外曝晒等条件，所用的钢制或铁基制动盘表面易于产生电化学腐蚀甚至生锈，一旦设备间隔一定时间不开动，则极易造成制动片/制动盘抱死，需要拆机维修才能从新做到制动片/制动盘的开闭自如，极其费时费工。因此从制动片的材质设计上就使其具备防粘盘功能是一种主动防御型的解决方案。

另一方面，摩擦制动经常引起噪声，而强烈的噪声可对近距离的操作工以及影响所及范围内的人员的生理和心理造成程度不同的危害，因此防止制动噪声长久以来引起业界的重视。研究指出影响摩擦噪声的因素很多，如制动片材料的摩擦特性、对摩偶的运动参数及对摩偶运行的机械环境等。

有关制动片材料的摩擦特性与制动噪声关系的研究属于跨学科(材料科学与机械工程)的课题，一些理论研究认为制动噪声与制动片材料的硬相分布不均关系密切；国内外大型摩擦材料生产企业则普遍认为制动片材料的压缩率与制动器的噪声有直接关系——压缩率高则噪声小、压缩率低则噪声大；在许多中小型摩擦材料企业则使用洛氏硬度指标简单的等价于压缩量来评价制动片材料的噪声特性。

中国专利CN 202158125 U申请一种防锈摩擦材料，做法是在摩擦材料表面涂抹防锈剂氧化层；CN 202833769 U申请一种低噪音刹车片，其摩擦材料层从中间到两侧的厚度逐渐减小；CN 01126573.6公开了一种改进的轿车制动片的结构、配方及其加工工艺，其提出了一种轿车制动噪声的解决办法，特点是将制动衬片分解为层状结构，包括制动工作层、隔热阻尼层、背板、防振层，制动工作层的材料是由热固性树脂、增强纤维、摩擦系数调节剂、填充料组成，阻尼隔热层采用以矿物纤维为主要增强体系的有机基复合材料。以上是从制动片外在结构形式上进行防噪降噪的专利申请。CN 104497974 A申请一种低噪音的安全型摩擦材料及摩擦片的制备方法，其组分中使用的纤维系金属纤维和合成有机纤维，所用的橡胶材料为腈粉和轮胎粉，并添加了有机摩擦粉。申请号为201210107717.7的专利说明文件公开了一种多元树脂基碳素复合型盘式制动片及其制备方法，该制动片由下述原料一次模压成型：未改性酚醛树脂，有机硅改性酚醛树脂，聚丙烯酸酯改性酚醛树脂，聚丙烯腈碳纤维，人造颗粒石墨，天然鳞片石墨，颗粒焦炭，碳化硅，芳纶浆粕，复合矿物纤维，钢纤维，紫铜粉，硫化亚铁和硫酸钡其发明产品的耐磨性好，同时低噪音。

发明内容

本发明的目的是针对现有改性酚醛基制动片对防粘盘防啸叫问题解决不力的状况，提出用多孔性天然纤维素、核壳结构橡胶粉末(多孔内核和预交联橡胶皮层)和环氧化植物油为主体成分，再加入改性树脂基体，热压成型制做防粘盘防啸叫耐磨制动片材料。

本发明采取的技术方案为：

一种纤维素增强防粘盘防啸叫耐磨制动材料，由下列重量百份比的原料制成：经过阻燃、热稳定化及其表面处理的纤维素6～18％，粉末橡胶3～12％，环氧化植物油3～9％，改性树脂基体8～24％，摩擦调节剂5～15％，炭质材料5～15％，其余为填充料。

本发明的解决方案的创新之处在于，在摩擦材料的配料中加入了油脂成分和多孔吸音材料，使得制动片具有防粘盘防啸叫性能并兼具高耐磨性。选用天然纤维素为增强组分，经过阻燃、热稳定化处理并与其它组分混合均匀后做成制动片材料，这样的制动片与氮化处理碳钢、铸钢、锻钢及灰口铁、蠕墨铁材质的制动盘作为对摩偶使用时，可利用上述阻燃、热稳定化处理过的纤维素的多孔结构使得制动片具有防粘盘防啸叫的效果，克服了目前普遍使用的矿物纤维和晶须材料(系实心连续结构)降噪声效果差且磨损后其磨屑会造成环境次生伤害的缺点；配方中加入表皮预交联的核壳结构橡胶粉末，可提高制动片材料的柔韧性、贴合性和耐磨性，并具有很好的吸声效应使得表面制动时的啸叫声降低；在制动片模压粉的混合环节中填充环氧化植物油可防止粉尘飞扬，还可以保证压成的耐磨材料的动、静摩擦系数差值不至于过高，也可以起到防啸叫的效果，油基成分还可以防止出现长期闭合条件下制动片会粘住对摩偶制动盘的缺陷。

优选的是，所述纤维素来源于木材、锯末、棉花、棉短绒、麦草、稻草、芦苇、麻、桑皮、甘蔗渣或细菌。这样的天然纤维素具有微观多孔结构，具有较好的吸声降噪和隔离效应。

纤维素的阻燃、热稳定化处理采用的硼酸锌、聚磷酸铵、焦磷酸盐、有机磷酸酯、三聚氰胺-磷酸三(丁氧基乙基)酯(TBEP)、含镁盐类等。无机盐类固体成分可用水拌成糊状再涂覆到天然纤维素表面上，之后脱水晾干，有机磷酸酯等可用其有机溶剂溶解后得到的溶液喷淋到纤维素上自然晾至无低挥发物溢出为止；阻燃、稳定剂的添加比例应为纤维素质量的10～20％。

优选的是，所述纤维素的表面处理步骤为：在纤维素表面涂覆1～3％(w/w)的偶联剂。

所述偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂等。偶联剂可以提高纤维和树脂的粘接强度去，且在选择偶联剂时应尽量选择与树脂结构类似的。

优选的是，所述粉末橡胶为丁苯橡胶或丁腈橡胶，其粒径范围为20～800nm。具有核壳结构，其核系多孔结构的漂珠或微孔玻璃粉末，表皮层蘸浸丁苯橡胶胶乳或丁腈橡胶胶乳，胶乳中预配化学计量的硫化剂和硫化促进剂，经过离心喷雾干燥后在140～160℃下预交联。

优选的是，所述改性树脂基体，以酚醛树脂、蜜胺树脂、古马隆树脂、环氧树脂、聚氨酯或双马来酰亚胺为原料，改性方法是将上述树脂两种或两种以上共混或树脂间发生交联形成互穿网络结构或将上述树脂中的活性基团进行接枝或封端。

优选的是，所述环氧化植物油其环氧值应大于6.0％，碘值小于3％，闪点大于280℃，加热稳定性失重小于6％。环氧化植物油与树脂的相容性好，挥发性小，不易抽出，具有良好的电性能和较好的柔韧性，对材料中的改性树脂起增塑和稳定的作用。

优选的是，所述的摩擦调节剂为硫铁矿粉、焦宝石、锆英粉、γ-氧化铝或镁铝尖晶石，粒度小于300目。上述的摩擦调节剂可以稳定材料在不同温度下的摩擦和磨损性能、尤其是材料在中温下的摩擦磨损性能。而对于目前国内的半金属刹车材料而言，采用这类无机粉料可以降低刹车材料密度和硬度。

所述碳质材料为蠕虫状膨胀石墨，鳞片石墨，高比表面积活性炭粉，颗粒状多孔焦炭，纳米补强炭黑，活性炭纤维，单壁或多壁炭纳米管。炭质材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电传热和热膨胀系数小的特点，可用来增强复合材料的摩擦性能。在选定炭纤维含量范围内，随着炭质材料含量的增加，它抗冲击强度增大，摩擦系数减小，磨损率降低，延长制动片使用寿命。

本发明提供了一种纤维素增强防粘盘防啸叫耐磨制动材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纤维素进行阻燃、热稳定化、偶联处理后，待用；

(2)取上述纤维素、粉末橡胶、环氧化植物油、改性树脂基体、摩擦调节剂、炭质材料、填料混炼，制得模压粉；

(3)上述模压粉需经过预烘，预热后，加压固化成型，即得。

上述制备方法的具体步骤如下：

(1)将天然纤维素先阻燃、稳定化处理后，再经过偶联处理并悬浮开松，在30～90℃加热至偶联剂完全铺展浸润；

(2)取上述纤维素6～18份，改性树脂基体8～24份，粉末橡胶3～12份，环氧化植物油3～9份，摩擦调节剂5～15份，炭质材料5～15份，用硫酸钡为填充料加至100份，在Z型搅拌机中进行混合，正反转每3分钟转换一次，总混炼时间掌握在15～18分钟，之后出料得到模压粉。

(3)上述模压粉需经过预烘，预烘工序参数为料层厚度小于10cm，预烘时间30min，预烘温度60～90℃.

(4)预烘后的模压粉按照计量加入预热到120～160℃的相应的模腔内，加压固化。先慢速合模并在一分钟内放气3～6次，之后加压保压5～10MPa下固化成型，固化时间随制件厚度而定，一般取1.0～3.0min/mm，之后脱模即得到纤维素增强防粘盘防啸叫耐磨制动材料。

本发明的有益效果：

本发明着眼于天然纤维素做增强材料，克服了目前常用的矿物纤维和晶须材料使用过程中产生的粉尘或磨屑会对环境和操作人员造成不利影响的问题。天然纤维素可提取自动植物和菌类，也可用甘蔗渣、木材边角料等深加工而得，将其用于耐磨场合做牺牲材料，对环境没有次生伤害。更为重要的是天然纤维素的原纤之间存在大量各种尺寸的空穴和毛细管空间，作为制动片材料的组分使用时可以被看作是具有各种复杂孔穴结构的精细的海绵体，这样能够使得所制造的制动片具有防粘盘防啸叫的效果。多孔内核外皮包覆预交联橡胶粉末的使用也是制动片具有防粘盘防啸叫的重要原因。

附图说明

图1防粘盘防啸叫耐磨制动片的储能模量E′和损耗因子tan delta随温度的变化

图2不同负荷下防粘盘防啸叫耐磨制动片的平均摩擦系数随制动速度的变化曲线

图3防粘盘防啸叫耐磨制动片摩擦试验后的表面形貌电镜照片

图4实施例2与实施例1所制的制动片的磨损率数值对比图

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明。

实施例1

棉短绒用配比为MgCl₂:MgSO₄＝5:3的3mol/L的溶液在30℃下通入氨水浸渍半小时，之后过滤并晾干即得到具有阻燃效果的纤维素短绒；将该短绒置于高速开松机内喷淋铝酸酯偶联剂酒精溶液后，将蓬松的短绒在80℃下鼓风加热30min。取上述处理过的棉短绒10份，与18份改性酚醛树脂，漂珠做核皮层为预交联丁苯橡胶的粉末橡胶6份，环氧大豆油6份，300目的焦宝石矿粉5份，碳质材料15份，200目的重晶石粉40份。

上述物料在Z型搅拌机中进行混合，正反转每3分钟转换一次，总混炼时间掌握在15分钟，之后出料得到模压粉。

在60℃模压粉预烘30min，装模在160℃、10MPa下加压固化成型，保压时间1.5min/mm，之后脱模即得到纤维素增强防粘盘防啸叫耐磨制动片。

所得制动片的物理和机械性能如下：

所得制动片的DMA(动态力学性能测试)结果如图1所示：

所得制动片的不同制动初速度下的平均摩擦系数测试结果如图2所示：

防粘盘防啸叫耐磨制动片在LINK1620试验台进行噪声实验，根据“SAE J2521-2006(R)DiSC Brake Dynamometer Squeal Noise Matrix”(中文译名SAE J2526(R)盘式片和鼓式片尖叫噪音矩阵)，结合港口、风电、矿山、冶金、起重、机床、电梯等使用的电磁或液压制动器的使用工矿，进行如下测试：第1部分试验操作的初始部分(30次，初温100℃)，第5部分中间调节和预热模块(24次，初温100℃和150℃)，第7部分减速模块(24次，初温自50℃，100℃，150℃，200℃，250℃，200℃，150℃，100℃和50℃)，结果都没有出现高于90dB的尖锐啸叫声。

防粘盘防啸叫耐磨制动片的起火倾向测试：初温100℃时，在制动压力0.6MPa下，保持制动片运动线速度在25m/s进行至少30min的调速实验，制动片应无起火、冒烟和冒火星等不良现象。

防粘盘防啸叫制动片的防粘盘试验：分别将制动片/氮化处理碳钢制动盘、制动片/铸钢制动盘、制动片/锻钢制动盘及制动片/灰口铁制动盘、制动片/蠕墨铁材质制动盘对摩偶浸泡到常温下0.5mol/L食盐水、0.05mol/L稀盐酸溶液、0.05mol/L Na₂CO₃水溶液中，片/盘上加压0.6MPa下，静置2周，取出对摩偶并卸压，制动片/制动盘施加制动器启动工况时的电动扭矩，上述五种对摩偶组合均无制动片与制动盘粘牢现象。

实施例2

木工锯末过40目筛，喷淋三聚氰胺-磷酸三(丁氧基乙基)酯(TBEP)阻燃剂稀溶液，喷淋量为木工锯末量10％，然后80℃下预烘30min，之后同实施例1制成防粘盘防啸叫制动片，所得制动片的物理和机械性能如下：

实施例2与实施例1所制的制动片的磨损率数值对比如图4所示：

实施例2所制的制动片的防啸叫防粘盘试验程序同实施例1，同样无尖锐啸叫声和无粘牢制动盘的现象。

以上实施例所列举的仅是为了阐明本发明的材料组成、制备工艺和所制产品的主要性能特征及本发明的创新点。本行业的技术人员应该知悉本发明不受上述实施例的限制，上述实施例所描述的只是说明本发明的原理及其效果，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有多种变化和改进，这些变化和改进都涵盖在要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (9)

1.一种纤维素增强防粘盘防啸叫耐磨制动材料，其特征是，由下列重量百份比的原料制成：经过阻燃、热稳定化及其表面处理的纤维素 6～18%，粉末橡胶 3～12%，环氧化植物油 3～9%，改性树脂基体 8～24%，摩擦调节剂 5～15%，炭质材料 5～15%，其余为填充料；

所述粉末橡胶为丁苯橡胶或丁腈橡胶，其粒径范围为20～800 nm；所述粉末橡胶具有核壳结构，其核系多孔结构的漂珠或微孔玻璃粉末，表皮层蘸浸丁苯橡胶胶乳或丁腈橡胶胶乳，胶乳中预配化学计量的硫化剂和硫化促进剂，经过离心喷雾干燥后在140～160℃下预交联后而得。

2.如权利要求1所述的制动材料，其特征是，所述纤维素来源于木材、锯末、棉花、棉短绒、麦草、稻草、芦苇、麻、桑皮、甘蔗渣或细菌；所述纤维素的阻燃、热稳定化处理采用的硼酸锌、聚磷酸铵、焦磷酸盐、有机磷酸酯、三聚氰胺-磷酸三(丁氧基乙基)酯 TBEP或含镁盐类，其中，无机盐类固体成分可用水拌成糊状再涂覆到天然纤维素表面上，之后脱水晾干，有机磷酸酯或三聚氰胺-磷酸三（丁氧基乙基）酯TBEP可用其乙醇溶液喷淋到纤维素上自然晾至无低挥发物溢出为止；阻燃、稳定剂的添加比例应为纤维素质量的10～20%。

3.如权利要求1所述的制动材料，其特征是，所述阻燃、热稳定化处理后的纤维素的表面处理方法为：在纤维素表面涂覆1～3%（w/w）的偶联剂。

4.如权利要求3所述的制动材料，其特征是，所述偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂。

5.如权利要求1所述的制动材料，其特征是，所述改性树脂基体，以酚醛树脂、蜜胺树脂、古马隆树脂、环氧树脂、聚氨酯或双马来酰亚胺为原料，改性方法是将上述树脂两种或两种以上共混或树脂间发生交联形成互穿网络结构或将上述树脂中的活性基团进行接枝或封端。

6.如权利要求1所述的制动材料，其特征是，所述环氧化植物油其环氧值应大于6.0%，碘值小于3%，闪点大于280℃，加热稳定性失重小于6%。

7.如权利要求1所述的制动材料，其特征是，所述的摩擦调节剂为硫铁矿粉、焦宝石、锆英粉、γ-氧化铝或镁铝尖晶石，粒度小于300目。

8.如权利要求1所述的制动材料，其特征是，所述炭质材料为蠕虫状膨胀石墨，鳞片石墨，高比表面积活性炭粉，颗粒状多孔焦炭，纳米补强炭黑，活性炭纤维，单壁或多壁碳纳米管。

9.一种权利要求1-8任一项所述的纤维素增强防粘盘防啸叫耐磨制动材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

（1）将纤维素进行阻燃、热稳定化、偶联处理后，待用；

（2） 取上述纤维素、粉末橡胶、环氧化植物油、改性树脂基体、摩擦调节剂、炭质材料、填料混炼，制得模压粉；

（3）上述模压粉需经过预烘，预热后，加压固化成型，即得。