一种纳米颗粒改性摩擦材料的制备方法.pdf

本发明公开的纳米颗粒改性摩擦材料的制备方法，其步骤包括：将树脂溶解于溶剂中形成树脂溶液，再将纳米颗粒均匀分散到树脂溶液中，然后将增强纤维浸入，同时添加表面活性剂，使得树脂、纳米颗粒以及增强纤维紧密结合且分散均匀；再将上述表面包覆树脂的纳米颗粒及增强纤维，与摩擦性能调节剂及填料混合，搅拌均匀干燥，即可。本方法利用树脂溶液的流动性包覆纳米颗粒与增强纤维，实现了纳米颗粒、纤维与树脂的均匀混合，并在表面活性剂的作用下增强其结合强度，可以在减少纳米颗粒、增强纤维以及树脂用量的基础上提高刹车片的摩擦性能与使用寿命。本发明的摩擦材料可广泛用于制备机动车刹车片、机床及电极的制动器、离合器衬片等。

1.  一种纳米颗粒改性摩擦材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
1)将5～15份树脂与0.05～5份树脂固化剂溶解于溶剂中，同时加入0.05～5份表面活性剂，搅拌均匀，得树脂溶液；
2)将0.1～10份纳米颗粒放入溶剂中，同时加入0.01～0.5份表面活性剂，搅拌均匀，得纳米颗粒的悬浮溶液；
3）将上述纳米颗粒的悬浮溶液加入到树脂溶液中，搅拌均匀，得悬浮分布有纳米颗粒的树脂溶液；
4)将20～50份增强纤维浸入到上述悬浮分布有纳米颗粒的树脂溶液中，搅拌混合均匀，得到分布有纳米颗粒、增强纤维的树脂溶液；
5)向上述分布有纳米颗粒、增强纤维的树脂溶液中加入30～70份摩擦性能调节剂及填料，搅拌混合均匀，然后在80～120℃的温度下干燥3～24小时；或者先将分布有纳米颗粒、增强纤维的树脂溶液在80～120℃的温度下干燥3～24小时，再与30～70份摩擦性能调节剂及填料混合搅拌均匀，得到摩擦材料，上述份数均以重量为计算依据；
上述的树脂为酚醛树脂、硼改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂和芳烷基改性酚醛树脂中的一种或几种；所述的树脂固化剂为六次甲基四胺、硫磺和乌洛托品中的一种或几种；所述的溶剂为无水乙醇、丙酮、二甲苯、醋酸乙脂、醋酸丁脂和水中的一种或几种；所述的表面活性剂为硅烷偶联剂、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠、亚甲基双萘磺酸钠、油酸、聚乙二醇中的一种或几种。

2.  根据权利要求1所述的纳米颗粒改性摩擦材料的制备方法，其特征在于所述的纳米颗粒为纳米氧化铝、纳米硅灰石、纳米透灰石、纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米碳化硅中的一种或几种。

3.  根据权利要求1所述的纳米颗粒改性摩擦材料的制备方法，其特征在于所述的增强纤维为石棉、钢纤维、矿渣纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维和碳纤维中的一种或几种。

4.  根据权利要求1所述的纳米颗粒改性摩擦材料的制备方法，其特征在于所述的摩擦性能调节剂及填料为二硫化钼、滑石、云母、氯化锡、石墨、重晶石、硅灰石、蛭石、轮胎粉、氧化铝和硅微粉中的一种或几种。

一种纳米颗粒改性摩擦材料的制备方法
技术领域
本发明涉及摩擦材料的制备方法，尤其是用于机动车刹车片、机床及电极的制动器、离合器衬片等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，是汽车制动系统中最重要的安全部件之一，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树脂、增强纤维、摩擦性能调节剂及填料等为原材料，通过均匀混合后经过热压、固化后制得。传统的刹车片主要以石棉纤维为增强相，自从发现石棉是一种重要的致癌物质后，以金属纤维为增强相的半金属摩擦材料得到了快速发展，目前已经广泛应用于各类车辆的制动，但半金属摩擦材料存在易锈蚀的缺点，为提高摩擦性能、避免半金属摩擦材料因金属纤维锈蚀带来制动性能的下降，矿渣纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、碳纤维等逐渐得到应用。
近年来，为提高刹车片的摩擦磨损性能，纳米摩擦材料得到了广泛关注；通过纳米粒子的混入，使摩擦材料组分的微观界面结构得到明显的改善，能有效提高其热衰退与热恢复性能。关强在《机械工程师》2001年第8期“纳米摩擦材料市场前景广阔”中提出，通过控制不同形态多相组分的纳米效应，能够使纳米摩擦材料获得比现有摩擦材料更好的综合性能，特别是能在兼顾强度和韧性的同时，提高其高温摩擦与磨损性能。徐松波在申请号为200510041355.6的中国专利中公开了一种添加纳米改性树脂与纳米碳酸钙粉体的刹车片配方及制备方法，美国博格华纳公司在申请号为200510098049.6的中国专利中公开了一种纳米碳颗粒与二氧化硅颗粒等改性纳米粒子层的摩擦材料。
然而，研究人员发现，以传统的干法混料引入纳米粉体并不能最大程度地发挥纳米颗粒对摩擦材料的改性作用，反而会出现一些负面的影响。陈东在《现代制造工程》2005年第4期第71-74页的“纳米SiC对半金属摩擦材料性能的影响”以及《机械工程材料》2005年第2期第48-51页的“纳米CaCO₃半金属摩擦材料摩擦磨损性能的研究”中发现，无论是以纳米SiC代替普通的SiC粉体，还是以纳米CaCO₃代替普通的CaCO₃粉体，均会造成在混料过程中纳米粒子粘附在其他颗粒和钢纤维表面上，降低树脂材料与其它材料之间的结合强度，从而致使在摩擦过程中，摩擦材料的摩擦因数偏小，而磨损率却大大增加。
发明内容
本发明的目的是针对目前利用纳米颗粒改性摩擦材料制备工艺中，存在的原材料混合不均、树脂与纳米颗粒及增强纤维结合不强，由此导致摩擦性能下降的缺点，提供一种利于提高纳米颗粒在摩擦材料中的均匀分散性，同时提高树脂与纳米颗粒及增强纤维结合强度的方法。
本发明提出的纳米颗粒改性摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将5～15份树脂与0.05～5份树脂固化剂溶解于溶剂中，同时加入0.05～5份表面活性剂，搅拌均匀，得树脂溶液；
2)将0.1～10份纳米颗粒放入溶剂中，同时加入0.01～0.5份表面活性剂，搅拌均匀，得纳米颗粒的悬浮溶液；
3)将上述纳米颗粒的悬浮溶液加入到树脂溶液中，搅拌均匀，得悬浮分布有纳米颗粒的树脂溶液；
4)将20～50份增强纤维浸入到上述悬浮分布有纳米颗粒的树脂溶液中，搅拌混合均匀，得到分布有纳米颗粒、增强纤维的树脂溶液；
5)向上述分布有纳米颗粒、增强纤维的树脂溶液中加入30～70份摩擦性能调节剂及填料，搅拌混合均匀，然后在80～120℃的温度下干燥3～24小时；或者先将分布有纳米颗粒、增强纤维的树脂溶液在80～120℃的温度下干燥3～24小时，再与30～70份摩擦性能调节剂及填料混合搅拌均匀，得到摩擦材料，上述份数均以重量为计算依据。
本发明中，所说的树脂可以是酚醛树脂、硼改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂和芳烷基改性酚醛树脂中的一种或几种。
所说的树脂固化剂可以是六次甲基四胺、硫磺和乌洛托品中的一种或几种。
所说的溶剂可以是无水乙醇、丙酮、二甲苯、醋酸乙脂、醋酸丁脂和水中的一种或几种。
所说的表面活性剂可以是硅烷偶联剂、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠、亚甲基双萘磺酸钠、油酸、聚乙二醇中的一种或几种。
所说的纳米颗粒可以是纳米氧化铝、纳米硅灰石、纳米透灰石、纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米碳化硅中的一种或几种。
所说的增强纤维可以是石棉、钢纤维、矿渣纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维和碳纤维中的一种或几种。
所说的摩擦性能调节剂及填料可以是二硫化钼、滑石、云母、氯化锡、石墨、重晶石、硅灰石、蛭石、轮胎粉、氧化铝和硅微粉中的一种或几种。
本发明具有以下有益效果：
本发明的制备工艺简单，利用树脂溶液的流动性包覆纳米颗粒与增强纤维，实现了纳米颗粒、纤维与树脂的均匀混合，并在表面活性剂的作用下增强其结合强度，可以减少纳米颗粒、增强纤维以及树脂的用量，降低生产成本；同时，可以避免纳米颗粒与增强纤维在制动过程中被摩擦力拔出，利于提高刹车片的摩擦性能与使用寿命，特别是对于发挥纳米颗粒的改性作用，提高摩擦材料的热衰退与热恢复性能具有重要意义。本发明的摩擦材料可广泛用于制备机动车刹车片、机床及电极的制动器、离合器衬片等。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步描述。
实例1：
称取酚醛树脂5份和六次甲基四胺0.05份，溶解于工业酒精与二甲苯的混合溶液中，同时加入0.5份硅烷偶联剂，搅拌均匀后得树脂溶液；称取2份纳米氧化铝与1份纳米二氧化硅放入工业酒精中，同时加入0.05份聚乙二醇，搅拌均匀后倒入树脂溶液中，混合搅拌均匀；然后向上述混合溶液中加入15份芳纶纤维与5份钢纤维，搅拌后加入1.5份二硫化钼、4份石墨、16份重晶石、5份硅灰石、4份轮胎粉。将上述复合材料混合搅拌均匀后在90℃的烘箱中干燥24小时，得摩擦材料。
实例2：
称取硼改性酚醛树脂10份和乌洛托品0.15份，溶解于工业酒精与丙酮的混合溶液中，同时加入0.8份十二烷基苯磺酸钠，搅拌均匀后得树脂溶液；称取3份纳米碳酸钙与2份纳米碳化硅放入丙酮溶液中，同时加入0.1份油酸，搅拌均匀后倒入树脂溶液中，混合搅拌均匀；然后向上述混合溶液中加入5份钢纤维与8份矿渣纤维及10份沥青碳纤维，搅拌后加入3.5份二硫化钼、7份石墨、30份重晶石、10份硅灰石、10份轮胎粉。将上述复合材料混合搅拌均匀后在120℃的烘箱中干燥8小时，得摩擦材料。
实例3：
称取三聚氰胺改性酚醛树脂15份、六次甲基四胺0.5份和乌洛托品0.2份，溶解于工业酒精与醋酸乙脂的混合溶液中，同时加入0.1份聚丙烯酸钠与0.2份十二烷基硫酸钠，搅拌均匀后得树脂溶液；称取5份纳米硅灰石与2份纳米碳酸钙放入工业酒精中，同时加入0.1份聚乙二醇，搅拌均匀后倒入树脂溶液中，混合搅拌均匀；然后向上述混合溶液中加入10份钢纤维与20份沥青碳纤维，搅拌均匀后在100℃的烘箱中干燥12小时。向上述经过干燥的复合材料中加入5份二硫化钼、15份石墨、30份重晶石、10份氧化铝、10份轮胎粉，混合搅拌均匀后得摩擦材料。
实例4：
称取芳烷基改性酚醛树脂10份、六次甲基四胺0.3份，溶解于工业酒精与醋酸丁脂的混合溶液中，同时加入0.2份十二烷基硫酸钠与0.05份亚甲基双萘磺酸钠，搅拌均匀后得树脂溶液；称取4份纳米碳酸钙与2份纳米透灰石放入工业酒精中，同时加入0.05份聚乙二醇与0.05份油酸，搅拌均匀后倒入树脂溶液中，混合搅拌均匀；然后向上述混合溶液中加入5份玻璃纤维、5份芳纶纤维与20份沥青碳纤维，混合搅拌均匀后在110℃的烘箱中干燥10小时。向上述经过干燥的复合材料中加入2份二硫化钼、12份石墨、28份重晶石、12份氧化铝、6份轮胎粉，混合搅拌均匀后得摩擦材料。
将上述实例中制得的摩擦材料压制成坯体，然后在160℃、20MPa的压力下模压15分钟，再在180℃下热处理10小时即得到刹车片成品。将上述制得的刹车片成品按照国家标准GB5763-1998，在定速式摩擦试验机上测试本发明产品的摩擦系数与磨损率，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随温度的升高基本没有变化，说明其耐热性能好且稳定；本发明产品的磨损率远远小于国家标准要求，并随温度升高变化不大，说明本发明利用树脂溶液包覆纳米颗粒与增强纤维，并利用表面活性剂增强树脂与纳米颗粒及增强纤维的结合强度，能有效发挥纳米颗粒的改性作用，提高摩擦材料的热衰退与热恢复性能。