一种纸基摩擦材料及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种摩擦材料，特别是一种纸基摩擦材料的制备方法，还涉及这种纸基摩擦材料的制备方法。
背景技术
纸基摩擦材料一般由增强纤维、摩擦性能调节剂、填料和粘合剂树脂等组分组成，粘合剂树脂赋予摩擦材料整体强度并影响摩擦材料的摩擦磨损性能。在已有技术中，纸基摩擦材料一般采用“打浆-抄纸-浸渍粘合剂树脂溶液-热固化-机加工”的工艺流程生产。
文献“公告号是CN1301286C的中国发明专利”公开了一种用于摩擦片的碳纤维增强纸基摩擦材料及其制备方法。其材料质量百分组成为：增强纤维7～40％、摩擦性能调节剂5～35％、填料11～35％、摩擦材料原纸增强剂2～15％、粘接剂22～55％。其制备方法为：将增强纤维、摩擦性能调节剂、填料、摩擦材料原纸增强剂加入水中，在打浆池制浆、成型、烘干、机械冲压出外圆相连的摩擦环片，边角料返回打浆池再分散利用；摩擦环片被浸渍粘接剂，再经热压固化、后固化，机械加工得到成品摩擦片。该方法在制备纸基摩擦材料过程中加入摩擦材料原纸增强剂来提高摩擦材料原纸强度的方法，当摩擦材料原纸增强剂选用酚醛树脂时，摩擦材料原纸增强剂是作为粘接剂使用。树脂粘接剂溶液采用乙醇等有机物作为溶剂，溶剂用量约为树脂质量的2～10倍。采用浸渍树脂法制作纸基摩擦材料时因大量使用有机溶剂而增加成本，需要配备专门设备、工艺流程长，也会因为有机溶剂蒸发而污染环境。
【发明内容】
为了克服现有技术中使用有机溶剂会造成环境污染的不足，本发明提供一种纸基摩擦材料的制备方法，采用固体粘合剂树脂和界面润湿剂替代树脂粘接剂溶液。
本发明还提供这种纸基摩擦材料的制备方法，即在打浆过程中，直接将固体粘合剂树脂粉状和界面润湿剂与组成纸基摩擦材料的其它组分一起打浆，通过打浆使粉状粘合剂树脂均匀分散于摩擦材料中，在界面润湿剂的润湿作用下使粘合剂树脂在浆液中匀化。此过程不产生污染，同时可以省去“浸渍粘合剂树脂溶液”工艺步骤。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种纸基摩擦材料，其特点是组分包括重量百分比为18～50％的纤维、重量百分比为9～35％的摩擦性能调节剂、重量百分比为6～30％的填料、重量百分比为25～50％的粘合剂树脂粉末和重量百分比为0.1～8％的界面润湿剂。
所述粘合剂树脂粉末是硅树脂粉末、氟树脂粉末、腰果壳油改性酚醛树脂粉末、丁腈橡胶改性树脂粉末、三聚氰胺改性酚醛树脂粉末、硼改性酚醛树脂粉末的任一种或任几种。
所述粘合剂树脂粉末粒径小于120目。
所述粘合剂树脂粉末粒径是180～300目。
所述界面润湿剂是乙醇、丙三醇、丙酮、聚乙烯醇、硬脂酸钠、吐温-60、平平加、op-10、十二烷基硫酸钠的任一种或任几种。
一种权利要求1所述纸基摩擦材料的制备方法，其特点是包括以下步骤：将重量百分比为18～50％的纤维、重量百分比为9～35％的摩擦性能调节剂、重量百分比为6～30％的填料、重量百分比为25～50％的粘合剂树脂粉末、重量百分比为0.1～8％的界面润湿剂分别加入到盛有适量水的打浆机中充分打浆，直至成为均匀浆液；通过抄纸机将浆液抄制成纸基摩擦材料基材；将纸基摩擦材料基材在温度小于或等于120℃的条件下干燥至含水率小于5％，将已干燥的纸基摩擦材料基材在温度为160～200℃和压力为3～10MPa条件下使树脂固化，得到纸基摩擦材料。
本发明的有益效果是：由于采用固体粘合剂树脂和界面润湿剂替代树脂粘接剂溶液。即在打浆过程中，直接将固体粘合剂树脂粉状和界面润湿剂与组成纸基摩擦材料的其它组分一起打浆，通过打浆使粉状粘合剂树脂均匀分散于摩擦材料中，在界面润湿剂的润湿作用下使粘合剂树脂在浆液中匀化。此过程不产生污染，同时可以省去“浸渍粘合剂树脂溶液”工艺步骤。由于本发明不使用大量有机溶剂，与现有技术制作纸基摩擦材料方法相比较，节约原材料成本20～50％，所得摩擦材料的摩擦磨损性能与现有技术基本相同。
下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
【具体实施方式】
实施例1：称取碳纤维40g，硅酸铝矿物纤维70g，纤维素纤维30g，氧化铝10g，硫酸钡50g，硅藻土70g，腰果壳油摩擦粉30g，石墨15g，腰果壳油改性酚醛树脂200g，丁腈橡胶改性酚醛树脂50g，吐温-10 2g；将上述材料和适量水加入到打浆池中，高效打浆5min获得浆液；将浆液加入到抄纸机中成型，得到纸基摩擦材料基材并在温度低于100℃条件下烘干；将纸基摩擦材料基材在温度为160-180℃和压力为3-10MPa条件下使树脂固化，得到纸基摩擦材料。作为对比，将除腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶改性酚醛树脂外的同量上述原材料与适量水在打浆池中打浆5min，将所得浆液加入到抄纸机中成型，得到纸基摩擦材料基材并在温度低于100℃条件下烘干；将上述同量腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶改性酚醛树脂分别溶于适量无水乙醇中制成质量百分数为15％的树脂溶液；将两种树脂溶液混合后，加入摩擦材料基片浸渍，直至所有树脂溶液被摩擦材料基片均匀吸收为止，放置使乙醇溶剂蒸发。将浸渍了改性酚醛树脂的纸基摩擦材料基材在温度为160-180℃压力为3-10MPa条件下使树脂固化，得到纸基摩擦材料对比样。
按照GB/T13826-92技术标准规定将所得纸基摩擦材料和所得纸基摩擦材料对比样加工成摩擦材料试样并在QM1000-II摩擦性能试验机测定其摩擦磨损性能，所得实验结果见表1。
表1摩擦材料摩擦磨损数据
测定项目 摩擦材料试样 摩擦材料对比样 动摩擦系数(1.0MPa，2000rpm) 0.128-0.131 0.125-0.131 静摩擦系数 0.168-0.180 0.165-0.182 磨损率/cm3/J 5.4×10-8 5.3×10-8
实施例2：称取Kevlar纤维60g，硅酸铝矿物纤维30g，纤维素纤维80g，氧化铝15g，硫酸钡60g，碳化硅5g，硅藻土30g，腰果壳油摩擦粉30g，萤石粉30g，二硫化钼10g，腰果壳油改性酚醛树脂110g，丁腈橡胶改性酚醛树脂150g，乙醇20g；将上述材料和适量水加入到打浆池中，高效打浆5min获得浆液；将浆液加入到抄纸机中成型，得到纸基摩擦材料基材并在温度低于100℃条件下烘干；将纸基摩擦材料基材在温度为160-180℃和压力为3-10MPa条件下使树脂固化，得到纸基摩擦材料。作为对比，将除腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶改性酚醛树脂外的同量上述原材料与适量水在打浆池中打浆5min，将所得浆液加入到抄纸机中成型，得到纸基摩擦材料基材并在温度低于100℃条件下烘干；将上述同量腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶改性酚醛树脂分别溶于适量无水乙醇中制成质量百分数为20％的树脂溶液；将两种树脂溶液混合后，加入摩擦材料基片浸渍，直至所有树脂溶液被摩擦材料基片均匀吸收为止，放置使乙醇溶剂蒸发。将浸渍了改性酚醛树脂的纸基摩擦材料基材在温度为160-180℃压力为3-10MPa条件下使树脂固化，得到纸基摩擦材料对比样。
按照GB/T13826-92技术标准规定将所得纸基摩擦材料和所得纸基摩擦材料对比样加工成摩擦材料试样并在QM1000-II摩擦性能试验机测定其摩擦磨损性能，所得实验结果见表2。
表2摩擦材料的摩擦磨损性能
测定项目 摩擦材料试样 摩擦材料对比样 动摩擦系数(1.0MPa，2000rpm) 0.130-0.136 0.129-0.135 静摩擦系数 0.170-0.180 0.170-0.183 磨损率/cm3/J 6.0×10-8 5.8×10-8
实施例3：称取碳纤维40g，Kevlar纤维70g，纤维素纤维30g，丁腈橡胶100g，氧化铝10g，硫酸钡85g，硅藻土20g，萤石粉20g，铬铁矿粉30g，石墨5g，腰果壳油改性酚醛树脂115g，丁腈橡胶改性酚醛树脂20g，乳化剂OP-10 3g；将上述材料和适量水加入到打浆池中，高效打浆5min获得浆液；将浆液加入到抄纸机中成型，得到纸基摩擦材料基材并在温度低于100℃条件下烘干；将纸基摩擦材料基材在温度为160-180℃和压力为3-10MPa条件下使树脂固化，得到纸基摩擦材料。作为对比，将除腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶改性酚醛树脂外的同量上述原材料与适量水在打浆池中打浆5min，将所得浆液加入到抄纸机中成型，得到纸基摩擦材料基材并在温度低于100℃条件下烘干；将上述同量腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶改性酚醛树脂分别溶于适量无水乙醇中制成质量百分数为15％的树脂溶液；将两种树脂溶液混合后，加入摩擦材料基片浸渍，直至所有树脂溶液被摩擦材料基片均匀吸收为止，放置使乙醇溶剂蒸发。将浸渍了改性酚醛树脂的纸基摩擦材料基材在温度为160-180℃压力为3-10MPa条件下使树脂固化，得到纸基摩擦材料对比样。
按照GB/T13826-92技术标准规定将所得纸基摩擦材料和所得纸基摩擦材料对比样加工成摩擦材料试样并在QM1000-II摩擦性能试验机测定其摩擦磨损性能，所得实验结果见表3。
表3摩擦材料摩擦磨损数据
测定项目 摩擦材料试样 摩擦材料对比样 动摩擦系数(1.0MPa，2000rpm) 0.150-0.160 0.152-0.158 静摩擦系数 0.180-0.190 0.180-0.195 磨损率/cm3/J 4.4×10-8 4.5×10-8
以上实施例是应用该技术方案制作纸基摩擦材料的个例，不限制这种技术方案在其他配方条件下的使用。
经过反复大量实验发现，采用此技术方案制作纸基摩擦材料时，固体粘合剂树脂粉末在浆液中的分散均匀性对摩擦材料的性能有直接影响。选用颗粒粒度小、团聚效应小的粘合剂树脂粉末时更易有利于使粘合剂树脂均匀分散。
所述的粘合剂树脂粉末，可以是改性酚醛树脂粉末，硅树脂粉末、氟树脂粉末或者是这些粘合剂树脂粉末的混合物。
所述的改性酚醛树脂粉末，可以但不限于是腰果壳油改性酚醛树脂粉末、丁腈橡胶改性树脂粉末、三聚氰胺改性酚醛树脂粉末，硼改性酚醛树脂粉末或是这些树脂的混合物。
所述的粘合剂树脂粉末其粒径大小一般应小于120目，尤其以180～300目为佳。所述的粘合剂树脂用量与浸渍粘合剂树脂溶液时的粘合剂树脂量相当。按质量百分数计，一般为摩擦材料总量的25-50％。
按此技术方案制作纸基摩擦材料时，应向浆液中加入界面润湿剂，用以提高粘合剂树脂的亲水性和粘合剂树脂与摩擦材料其它组分的亲和性，阻止粘合剂树脂团聚并促进其与摩擦材料替他组分相互吸附，提高粘合剂树脂在浆液中的分散性，防止粘合剂树脂在浆液中漂浮。
所述的界面润湿剂是指能降低粘合剂树脂与水的界面张力的物质，可以但不限于是有机醇(如乙醇、甲醇、丙三醇等)、有机酮(如丙酮等)、有机酸和有机酸酯((如乙酸、乙酸乙酯等、有机胺(如乙二胺等)和有机表面活性剂。
具体而言，所述的界面润湿剂可以但不限于是乙醇、丙三醇、丙酮、乙酸、乙酸乙酯等、乙二胺、聚乙烯醇等极性有机物，或者是硬脂酸钠、吐温-60、平平加、OP-10、十二烷基硫酸钠等有机表面活性剂。界面润湿剂用量按质量百分比计，是粘合剂树脂用量0.1～10％。
按此技术方案制作纸基摩擦材料时，打浆设备应具有较高的打浆效率，可以将粉状粘结剂树脂均匀的分散于浆液中，并与摩擦材料的其它组分通过吸附相结合，防止树脂粉末漂浮于浆液表面，提高打浆机转速可使粘合剂树脂分散更为均匀。
按此工艺流程制作地纸基摩擦材料，允许使用任何种类的纤维材料作为增强材料，当含有纤维材料作为增强纤维时，其增强纤维涵盖全部纤维类型，可以但不限于是植物纤维、矿物纤维、人工合成陶瓷纤维、人工合成有机纤维或碳纤维，也可以但不限于是上述纤维的混合物。亦即该技术方案适于使用所有种类的纤维作为纸基摩擦材料的增强材料，也适用于所有不同类型的纤维混合物作为纸基摩擦材料的增强材料。
按此工艺流程制作纸基摩擦材料时，不限定纤维材料在纸基摩擦材料中的质量百分比，纤维长度应小于10mm。
按此工艺技术方案制作纸基摩擦材料时，允许使用任何种类的摩擦性能调节剂。可以使用单独一种或者数种增摩剂材料，或者使用单独一种或者数种减摩剂材料，或者同时使用一种或者数种增摩剂和减摩剂材料的混合物。此处所述的摩擦性能调节剂是指能够显著改变纸基摩擦材料的动摩擦系数或者静摩擦系数的固体材料，能显著增大纸基摩擦材料的动摩擦系数或者静摩擦系数的固体材料称为增摩剂，能显著减小纸基摩擦材料的动摩擦系数或者静摩擦系数的固体材料称为减摩剂。
按此技术方案制作的纸基摩擦材料，其摩擦性能调节剂可以但不限于是氧化铝、碳化硅、氮化硼、氧化硅、摩擦粉、石墨、二硫化钼、硫化铅或是这些摩擦性能调节剂的混合物，也不限定这些摩擦性能调节剂以何种配比使用，摩擦性能调节剂的粒度应小于80目，以200-300目为佳。
按此技术方案制作纸基摩擦材料时，允许使用任何种类的填料材料。填料材料可以但不限于是高岭土、硅藻土、硫酸钡、氧化锌、氧化镁、铬铁矿粉、氧化铁、氟化钙或是这些填料材料的混合物，也不限定这些填料材料以何种配比使用，填料材料的粒度以200-300目为佳。
按此工艺技术方案制作的纸基摩擦材料，允许在纸基摩擦材料的基本配方中加入橡胶材料，包括已硫化的橡胶粉末，亦即按此方法可以制作橡胶-树脂型纸基摩擦材料，橡胶材料可以但不限于是丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶或是所述橡胶的混合物；或是已硫化的橡胶粉末与丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶的一种或几种的混合物，橡胶材料的质量百分比小于45％。
按此工艺技术方案制作橡胶-树脂型纸基摩擦材料时，一般使用固体橡胶粉末，固体橡胶粉末的大小应小于30目，以小于80目为佳。