一种高孔隙率纸基摩擦材料的制备方法与流程

2021-01-21 16:01:08|

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本发明属于摩擦材料的技术领域，涉及一种高孔隙率纸基摩擦材料的制备方法。

背景技术：

纸基摩擦材料是一种在润滑油中工作的多孔材料，广泛应用于汽车及工程机械的离合/制动装置之中。一般由增强纤维、摩擦性能调节剂和树脂粘结剂组成，经造纸、热压固化而成。为了能够有效传递扭矩和获得更长的使用寿命，一般要求这类材料具有较高的摩擦系数和较低的磨损率

孔隙结构在很大的程度影响纸基摩擦材料的摩擦、磨损、抗压抗剪强度以及适用温度等性能。首先，较高的孔隙率和平均孔径能够提高材料的表面粗糙度，增加摩擦材料与摩擦副之间的啮合程度，增大摩擦力矩，从而显著提高材料的摩擦系数。另外，孔隙率和平均孔径的增大可以使润滑油在材料表面和内部的流动性变好，一方面容易使润滑油膜在传扭/制动过程中减薄,从而增加材料表面的微凸体与摩擦副的啮合程度，提高动摩擦系数；另一方面能带走大量摩擦热，防止材料强度的降低从而提高材料对表面粗糙峰的固定程度。

文献1“孔隙率对碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响[j].无机材料学报,2007,22(6):1159-1164.”报道了在保持原材料含量和各组分配比的基础上，通过改变材料的厚度来改变材料的孔隙率。结果表明厚度越大的样品具有更高的孔隙率。但是这个方法在提高孔隙率的同时也降低了材料的强度，致使磨损率增大。

文献2“专利公开号是cn108978346a的中国专利”公开了一种泡沫酚醛树脂胶液浸渍型纸基摩擦材料的制备方法。该发明先将低分子量酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、水、无水乙醇、乳化剂、增稠剂、聚丙烯酰胺、铬盐和助剂混合后,恒温搅拌反应,并在反应过程中持续通入二氧化碳气体,制得泡沫酚醛树脂胶液；再将纸基摩擦材料原纸的手抄片裁剪后,浸没于泡沫酚醛树脂胶液内部,保温浸渍,得浸渍手抄片；随后将浸渍手抄片热压成型,冷却,即得泡沫酚醛树脂胶液浸渍型纸基摩擦材料。该方法制备的泡沫酚醛树脂胶液浸渍型纸基摩擦材料具有优异的抗张强度和孔隙率高的特点，但该方法原料组分较为复杂，对设备的要求较高，且没有评价该方法制备出的材料的摩擦磨损性能。

目前关于调控纸基摩擦材料的孔隙结构的现有技术中存在两方面不足，一方面，调控材料孔隙结构的方法和途径较为单一，主要为改变材料的厚度或者热压固化参数；另一方面现有技术方案通过增大孔隙率在提高摩擦系数的同时往往也会使材料的磨损率增大，这无法实现摩擦和磨损性能的同步提升。因此，迫切需要发明一种有效的调控纸基摩擦材料的方法，使材料在拥有较高摩擦系数的同时具有较低的磨损率。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高孔隙率纸基摩擦材料的制备方法，通过在传统纸基摩擦材料制备过程中引入化学发泡技术来有效调控纸基摩擦材料的孔隙结构，在热压成型过程结束后能够显著提高材料的平均孔径和孔隙率。按本发明的制备方法能够制备出的纸基摩擦材料具有孔隙率高、摩擦系数高和磨损率低等特点。

技术方案

一种高孔隙率纸基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：按质量百分比称取20-25％的短切增强纤维、10-15％的纸纤维、30-40％的粘结剂、15-30％的摩擦性能调节剂、2-9％的有机化学发泡剂以及2-7％的发泡助剂；上述各组分质量之和为100％；

步骤2：将短切增强纤维、纸纤维、摩擦性能调节剂、有机化学发泡剂与水混合并充分搅拌形成分散均匀的浆液；将分散均匀的浆液倒入真空过滤机中抄造出纸基摩擦材料湿预制体后置于烘箱中干燥；

步骤3：将发泡助剂溶于液体介质中并电磁搅拌使其完全溶解，将干燥后的纸基摩擦材料湿预制体浸入发泡助剂溶液中，待充分浸渍完成后取出并在室温下干燥；所述有机化学发泡剂与发泡助剂的质量比为1-5:1-4；

步骤4：将步骤3干燥后的预制体浸入粘结剂溶液中使粘结剂均匀的渗入预制体中，待浸渍完成后取出并在室温下干燥；

步骤5：将硫化机预先加热至发泡温度，再将干燥后的预制体放入硫化机中进行热压发泡，发泡时间为5-15min,热压发泡温度为150-190℃、热压压力为5-15mpa；热压发泡过程结束后经冲裁得到具有高孔隙率的纸基摩擦材料。

所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、亚克力纤维或聚酰亚胺纤维中的一种或任意几种。

所述粘结剂为改性酚醛树脂、改性环氧树脂、丁腈橡胶、硅橡胶或热塑性工程塑料中的一种或任意几种。

所述摩擦性能调节剂为氧化铝、硫酸钡、铬铁矿、矿粉、氧化锌、石墨、炭黑、滑石粉或碳化硅中的一种或任意几种。

所述有机化学发泡剂为n,n’-二亚硝基五次甲基四胺、n,n’-二甲基-n,n’-二亚硝基对苯二甲酰胺、二偶氮氨基苯、偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、偶氮二甲酸酯、偶氮二甲酸钡、苯磺酰肼、对甲苯磺酰肼、4,4’-氧代双苯磺酰肼、1,3-苯二磺酰肼或3,3’-二磺酰肼二苯砜中的一种或任意几种。

所述发泡助剂为尿素、二甘醇、硬脂酸、月桂酸、水杨酸、硬脂酸锌、甘油或山梨醇中的一种或任意几种。

有益效果

本发明提出的一种高孔隙率纸基摩擦材料的制备方法，通过在传统纸基摩擦材料制备过程中引入化学发泡技术来有效调控纸基摩擦材料的孔隙结构，在热压成型过程结束后能够显著提高材料的平均孔径和孔隙率。

化学发泡法通常是利用化学发泡剂在加工过程中受热分解释放出气体而使材料发泡并成型的过程。化学发泡剂的特点是在特定温度范围内受热分解，能释放出一种或多种气体，使之能适合于那些在特定温度范围内具有熔融粘度的聚合物。化学发泡法主要应用于混凝土、海绵以及大部分热塑性塑料的发泡。本发明在传统纸基摩擦材料制备过程中引入化学发泡技术来有效调控纸基摩擦材料的孔隙结构，在热压成型过程结束后能够显著提高材料的平均孔径和孔隙率。

本发明的有益效果是：将化学发泡技术与纸基摩擦材料的制备工艺相结合，发明了一种优化的纸基摩擦材料制备工艺，能够克服现有对纸基摩擦材料孔隙结构的调控技术较为单一，且无法实现摩擦和磨损性能同时提升的缺陷。将化学发泡技术引入纸基摩擦材料的制备过程中不但能够显著提高纸基摩擦材料的平均孔径和孔隙率，还能使材料获得较高的动摩擦系数和较低的磨损率，通过改变有机化学发泡剂以及发泡助剂的加入量可以得到具有不同孔隙结构的纸基摩擦材料，实现对纸基摩擦材料孔隙结构的调控。有机化学发泡剂的粒径小，分解温度恒定，发气量大，在聚合物中的分散性好，且加热分解所产生的气体主要是氮气，氮气对聚合物的透过率最小，不易从发泡体中逸出，因此氮气作为最有效的发泡气体能够显著提高发泡效率。发泡助剂的加入能够有效降低有机发泡剂的分解温度从而更好的与粘结剂的熔融温度和固化温度相匹配，能在提高发泡效率的同时消除分解残渣产生的异味。热压发泡过程中气泡的形核和长大会对基体产生挤压力从而为基体的固化提供驱动力，这可以提高树脂的固化程度和橡胶的硫化程度，进而增加材料的强度，降低磨损率。以本发明制备的纸基摩擦材料，其平均孔径和孔隙率分别达到26.8-29.1μm和66.9-68.2％，同时动摩擦系数达到0.164-0.176，磨损率降为1.98×10^-8-1.48×10^-8cm³/j，展现出较好的开孔结构和优异的摩擦磨损性能，为纸基摩擦材料孔隙结构的调控及摩擦磨损性能的优化奠定了坚实的基础。

具体实施方式

现结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

步骤一：称取2.1g腰果壳油改性酚醛树脂粉末溶于酒精中配置成质量分数为20％的酚醛树脂溶液。量取11.64ml质量分数为20％的丁腈橡胶溶液倒入配置好的酚醛溶液中，在1000r/min的条件下电磁搅拌10min后密封静置24h使两种溶液充分混合。

步骤二：称取增强纤维共2.7g，分别为碳纤维1.4g，芳纶纤维1.3g；纸纤维1.5g；摩擦性能调节剂共3.0g，分别为氧化铝0.60g，铬铁矿0.60g，矿粉0.45g，氧化锌0.45g，硫酸钡0.39g，滑石粉0.22g，石墨0.17g，炭黑0.12g；有机化学发泡剂：n,n’-二亚硝基五次甲基四胺0.32g。

步骤三：将称量好的增强纤维、纸纤维、摩擦性能调节剂和有机化学发泡剂与1500ml水混合，在搅拌机中以2000r/min的转速充分搅拌15min使其形成分散均匀的浆液。

步骤四：将分散均匀的浆液倒入真空过滤机中，真空抽滤抄造出纸基摩擦材料湿预制体。

步骤五：将步骤四得到的湿预制体放入烘箱中于70℃的氛围下干燥。

步骤六：称取发泡助剂尿素0.28g溶于25ml去离子水中充分搅拌使其完全溶解。将干燥的纸基摩擦材料预制体浸入尿素溶液中，待充分浸渍完成后取出并在室温下干燥。

步骤七：将步骤六得到的干燥后的预制体浸入步骤一配制好的粘结剂中，待充分浸渍完成后取出并在室温下干燥得到预成型片。

步骤八：将预成型片置于硫化机中，于压力为5mpa、温度为160℃的条件下热压发泡10min，待发泡结束后得到厚度为0.75mm的纸基摩擦材料。

本实施例制备的纸基摩擦材料的平均孔径为26.81μm，孔隙率为66.89％，动摩擦系数为0.1643，磨损率为1.98x10^-8cm³/j。

实施例2：

步骤二：称取增强纤维共2.7g，分别为碳纤维1.4g，芳纶纤维1.3g；纸纤维1.5g；摩擦性能调节剂共2.4g，分别为氧化铝0.48g，铬铁矿0.48g，矿粉0.36g，氧化锌0.36g，硫酸钡0.31g，滑石粉0.17g，石墨0.14g，炭黑0.10g；有机化学发泡剂：n,n’-二亚硝基五次甲基四胺0.65g。

步骤四：将分散均匀的浆液倒入真空过滤机中，真空抽滤抄造出纸基摩擦材料湿预制体。

步骤五：将步骤四得到的湿预制体放入烘箱中于70℃的氛围下干燥。

步骤六：称取发泡助剂尿素0.55g溶于25ml去离子水中充分搅拌使其完全溶解。将干燥的纸基摩擦材料预制体浸入尿素溶液中，待充分浸渍完成后取出并在室温下干燥。

步骤七：将步骤六得到的干燥后的预制体浸入步骤一配制好的粘结剂中，待充分浸渍完成后取出并在室温下干燥得到预成型片。

步骤八：将预成型片置于硫化机中，于压力为5mpa、温度为160℃的条件下热压发泡10min，待发泡结束后得到厚度为0.75mm的纸基摩擦材料。

本实施例制备的纸基摩擦材料的平均孔径为28.29μm，孔隙率为68.08％，动摩擦系数为0.1696，磨损率为1.60x10^-8cm³/j。

实施例3：

步骤二：称取增强纤维共2.7g，分别为碳纤维1.4g，芳纶纤维1.3g；纸纤维1.5g；摩擦性能调节剂共1.8g，分别为氧化铝0.36g，铬铁矿0.36g，矿粉0.27g，氧化锌0.27g，硫酸钡0.23g，滑石粉0.12g，石墨0.11g，炭黑0.08g；有机化学发泡剂：n,n’-二亚硝基五次甲基四胺0.97g。

步骤四：将分散均匀的浆液倒入真空过滤机中，真空抽滤抄造出纸基摩擦材料湿预制体。

步骤五：将步骤四得到的湿预制体放入烘箱中于70℃的氛围下干燥。

步骤六：称取发泡助剂尿素0.83g溶于25ml去离子水中充分搅拌使其完全溶解。将干燥的纸基摩擦材料预制体浸入尿素溶液中，待充分浸渍完成后取出并在室温下干燥。

步骤七：将步骤六得到的干燥后的预制体浸入步骤一配制好的粘结剂中，待充分浸渍完成后取出并在室温下干燥得到预成型片。

步骤八：将预成型片置于硫化机中，于压力为5mpa、温度为160℃的条件下热压发泡10min，待发泡结束后得到厚度为0.75mm的纸基摩擦材料。

本实施例制备的纸基摩擦材料的平均孔径为29.09μm，孔隙率为68.20％，动摩擦系数为0.1756，磨损率为1.48x10^-8cm³/j。

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