一种高性能环保纸基摩擦材料原纸及摩擦片的制作方法

摘要

本发明公开了一种高性能环保纸基摩擦材料原纸及摩擦片的制作方法，高性能环保纸基摩擦材料，其特征在于，组份的重量百分比例：基体采用：碳纤维7-15％、短切芳纶纤维5-10％、芳纶浆粕5-10％和竹纤维浆9-30％；摩擦剂采用：硅藻土10-20％和腰果壳粉8-12％；摩擦性能调节剂采用：橡胶颗粒2-4％、碳酸钙5-10％和片状石墨10-15％；成形黏结剂采用：氟橡胶1-2％、硅酮树脂3-15％和酚醛树脂3-15％。本发明通过改变传统的浸渍工艺使摩擦材料的各物料充分形成整体有效地改善摩擦片的物理机械性能-提高其摩擦系数，调节动静摩擦比例系数，降低摩擦片的磨耗率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纸基摩擦材料原纸及其摩擦片的制作方法，特别涉及一种可在刹车和离合器中工作的高性能纸基摩擦材料以及利用这种材料制作摩擦片的方法。

背景技术

纸基摩擦材料是指利用湿法造纸工艺生产均质多物料原纸，然后通过模切、浸渍、叠合热压成型的方法制备摩擦片，广泛应用于工程机械、农业机械、矿山机械、重型汽车、轿车和船舶等机械的离合和制动系统中用以传递扭矩、减速和制动。

在中国，以往的摩擦材料广泛采用干法粉末冶金模压制造摩擦片。其优点是一次成型，物料组成中可以充分的利用粉体摩擦原料，摩擦片的生产成本低廉；其缺点是摩擦材料的孔隙结构得不到控制，影响摩擦性能的压缩回弹不能调节，摩擦系数低，动/静摩擦差异大。而引进传统意义上的纸基摩擦材料，其主要采用用石棉作为增强纤维基体，利用石棉纤维高抗张强度、高挠性、耐化学和热侵蚀以及其价格低廉；但是石棉纤维能引起石棉肺、胸膜间皮瘤等疾病。同时，随着现代机械向着高速、重载的方向发展，对耐热性好、寿命长的高级纸基摩擦材料的需求，人们对无石棉纸基摩擦材料进行了研究和开发。

纸基摩擦材料的研究，国外主要集中在增强纤维、填料和调节剂、粘结剂，工艺上进行了研究，例如：纤维的采用上美国专利552966中使用的是的5-35％芳纶纤维和15-55％的棉纤维；美国专利6331358中介绍使用25％的纤维素纤维和15％的聚酰胺纤维；美国专利5989390中使用纤维索纤维、碳纤维和Novoloid纤维(一种芳纶纤维)。粘结剂的使用上美国专利5529666中采用了30-15％的Novolac树脂(一种酚醛树脂)和30-10％的硅酮树脂；美国专利6331358和美国专利6182804中也使用了酚醛树脂和硅酮树脂。填料和调节剂上美国专利4256801加入了20-30％的层片状石墨。工艺上美国专利6060536介绍了用造纸机分别制造基层与摩擦层并合成纸基摩擦材料的方法。

中国专利03114475.6公开了一种碳纤维增强纸基摩擦材料及其制备方法，该方法的主要特点是通过边角料的回收利用，使生产成本降低。中国专利040073261.2双层纸基摩擦材料及摩擦片制作方法采用分别制造基层与摩擦层并合成纸基摩擦材料的方法，同时还回收利用边角料。

通过对以上专利的研究可以看到：纸基摩擦材料的应用中，对原材料的研究和边角料的回收应用都做得可行了，问题的关键是纸基摩擦材料的摩擦性能是由原料和工艺共同影响的。例如：纸基摩擦材料的抄造原纸的匀度、孔隙结构；浸渍工艺后摩擦材料摩擦片的压缩回弹性能等等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能环保纸基摩擦材料及摩擦片制作方法，此系列摩擦材料具有优良的摩擦性能，良好的导油、导热和耐高温性能，高强的耐磨性能，可以用于高级汽车与建筑和矿场重载汽车的离合器和制动系统中。

本发明解决的技术方案：

组份的重量百分比例：

基体采用：碳纤维7-15％、短切芳纶纤维5-10％、芳纶浆粕5-10％和竹纤维浆9-30％；

摩擦剂采用：硅藻土10-20％和腰果壳粉8-12％；

摩擦性能调节剂采用：橡胶颗粒2-4％、碳酸钙5-10％和片状石墨10-15％；

成形黏结剂采用：氟橡胶1-2％、硅酮树脂3-15％和酚醛树脂3-15％。

一种采用权利要求1所述的高性能环保纸基摩擦材料制作摩擦材料原纸的方法，

(1)先将竹纤维打浆，打浆浓度为1-4％，打浆度为25-50SR，再将碳纤维、短切芳纶纤维和芳纶浆粕在聚氧乙烯PEO和苯磺酸钠混合液中分散均匀，其质量浓度为0.05-0.1％的苯磺酸钠、质量浓度为0.05-0.1％聚氧乙烯PEO，再加入质量浓度为0.01-0.05％聚丙烯酞胺；

(2)按常规造纸工艺抄造后，通过压榨脱水和真空干燥制成原纸板，压榨工艺：压力0.2-0.4MPa，时间1-3min；

(3)干燥工艺：真空度0.06-0.08MPa，温度90-150℃，时间10-30min。

一种采用上述所述制作的摩擦材料原纸制作摩擦片的方法，

(1)将上述得到的原纸板冲裁成环片，然后将环片浸渍：首先浸渍在固体含量20-30％氟橡胶溶液中15-25min，然后将环片放入固体含量为40-50％的酚醛树脂和固体含量为25-40％酚醛树脂和硅酮树脂的混合溶液中浸渍，浸渍时间30-40分钟，然后干燥；

(2)固化热处理后就制得摩擦环片，其热处理的工艺：温度160±5℃，时间3-4h，通过热压将摩擦环片粘结到钢芯板上，热压工艺：压力0.5-1.8MPa，温度160±5℃，时间10-15min。

本发明中原纸的抄造主要采用苯磺酸钠做表面活性剂，聚氧乙烯为分散剂可以使疏水性的多物料形成分散均匀的浆料；在后续的分散搅拌中又加入聚丙烯酞胺(还有可能是改性淀粉)促使在抄造摩擦材料原纸时，浆料中细小组分能得到充分的留着。

本发明采用两次浸渍不同粘结剂的方式，主要根据碳纤维、kevlar纤维及其浆粕、竹纤维喜爱氟橡胶基体中可以提供更高的能量吸收率和适应更高的温度，从而更适用于重载情况和高温；而第二次浸渍主要是让纤维以及其它的物料充分粘结并形成立体的网络，其中要合理的控制Novo1ac树脂的固化剂的用量。

本发明采用先冲裁后浸渍纳米酚醛树脂的工艺，冲裁剩余的原纸板边角料可以回收到浆池中再利用。

本发明的特点主要表现在：控制原纸的匀度和孔隙率进而影响摩擦片的摩擦性能的稳定性、压缩回弹性和导油性；通过改变传统的浸渍工艺使摩擦材料的各物料充分形成整体有效地改善摩擦片的物理机械性能-提高其摩擦系数，调节动静摩擦比例系数，降低摩擦片的磨耗率。根据国家标准采用采用西安顺通机电应用技术研究所产MM-1000II型摩擦磨损性能试验机对一系列摩擦片进行检测：动摩擦系数：0.14-0.17，静摩擦系数0.15-0.18，动静摩擦比0.76-0.95；磨损率为1.33-1.42×10-5mm³·J^-1。

具体实施方式

本发明一种高性能环保纸基摩擦材料及摩擦片制作方法，其摩擦材料原料的使用比例：碳纤维10-25％、芳纶短切纤维5-10％、芳纶浆粕5-10％、竹纤维浆20-30％、石墨10-30％、硅藻土20-30％、橡胶颗粒2-4％、红铁粉3-8％、氧化铝1-5％，碳酸钙5-15％、氟橡胶1-2％、Novolac树脂(一种酚醛树脂)3-15％和硅酮树脂3-15％。

一种双层纸基摩擦材料制作摩擦片的方法：先将竹纤维打浆，打浆浓度为2-4％，打浆度为25-50SR，再将碳纤维、短切芳纶纤维和芳纶浆粕在聚氧乙烯(PEO)和苯磺酸钠混合液中分散均匀，其浓度要求苯磺酸钠0.05-0.1％、PEO0.05-0.1％，再加入聚丙烯酞胺0.01-0.05％；基体用量碳纤维10-25％、短切芳纶纤维5-10％、芳纶浆粕5-10％、竹纤维浆20-30％，然后按上述的摩擦材料配方进行配料、制浆；按常规造纸工艺抄造后，通过压榨脱水和真空干燥制成原纸板，压榨工艺：压力0.2-0.4MPa，时间1-3min；干燥工艺：真空度0.06-0.08MPa，温度90-150℃，时间10-30min；产品尺寸将原纸板冲裁成环；环片浸渍首先浸渍在固体含量氟橡胶溶液中15-25min，然后将环片放入固体含量为40-50％的Novolac树脂(一种酚醛树脂)和固体含量为25-40％硅酮树脂混合溶液中浸渍，浸渍时间30-40分钟，然后干燥和固化热处理即制得摩擦环片；热处理的工艺：温度160±5℃，时间3-4h，通过热压将摩擦环片粘结到钢芯板上，热压工艺：压力0.5-1.8MPa，温度160士5℃，时间10-15min；最后经过磨平面和铣槽即制成摩擦片。

实施例1：

一种高性能环保纸基摩擦材料及摩擦片制作方法，其摩擦材料原料的使用比例：碳纤维10％、芳纶短切纤维5％、芳纶浆粕5％、竹纤维浆30％、石墨10％、硅藻土20％、橡胶颗粒2％、红铁粉4％、氧化铝1％，碳酸钙5％、氟橡胶1％、Novolac树脂(一种酚醛树脂)4％和硅酮树脂3％。

纸基摩擦片的制作方法工艺流程：原料处理-配料-打浆-配浆疏解-抄纸-压榨-干燥-成型-两次浸渍-热处理-贴片。其中打浆的浆浓1％，打浆度30SR；配浆及疏解中苯磺酸钠0.05％、PEO0.05％、聚丙烯酞胺0.02％；压榨工艺：压力0.2MPa，时间3min；干燥工艺：真空度0.06MPa，温度145℃，时间15min；产品尺寸将原纸板冲裁成环；环片浸渍首先浸渍在固体含量氟橡胶溶液中25min，然后将环片放入固体含量为40％的Novolac树脂(一种酚醛树脂)和固体含量为25％硅酮树脂混合溶液中浸渍，浸渍时间40分钟，然后干燥和固化热处理即制得摩擦环片；热处理的工艺：温度160±5℃，时间3h，通过热压将摩擦环片粘结到钢芯板上，热压工艺：压力0.5MPa，温度160±5℃，时间10min；最后经过磨平面和铣槽即制成摩擦片。

根据国家标准采用采用西安顺通机电应用技术研究所产MM-1000II型摩擦磨损性能试验机对一系列摩擦片进行检测：动摩擦系数0.14，静摩擦系数0.17，动静摩擦比0.82；磨损率为1.42×10-5mm³·J^-1。

实施例2：

一种高性能环保纸基摩擦材料及摩擦片制作方法，其摩擦材料原料的使用比例：碳纤维14％、芳纶短切纤维8％、芳纶浆粕7％、竹纤维浆19％、石墨12％、硅藻土15％、橡胶颗粒3.5％、红铁粉3％、氧化铝2％，碳酸钙6％、氟橡胶1.5％、Novolac树脂(一种酚醛树脂)5％和硅酮树脂4％。

纸基摩擦片的制作方法工艺流程：原料处理-配料-打浆-配浆疏解-抄纸-压榨-干燥-成型-浸渍-热处理-贴片。其中打浆的浆浓2.5％，打浆度40SR；配浆及疏解中苯磺酸钠0.07％、PEO0.08％、聚丙烯酞胺0.03％；压榨工艺：压力0.3MPa，时间2min；干燥工艺：真空度0.07MPa，温度120℃，时间25min；产品尺寸将原纸板冲裁成环；环片浸渍首先浸渍在固体含量氟橡胶溶液中20min，然后将环片放入固体含量为45％的Novolac树脂(一种酚醛树脂)和固体含量为30％硅酮树脂混合溶液中浸渍，浸渍时间35分钟，然后干燥和固化热处理即制得摩擦环片；热处理的工艺：温度160±5℃，时间3.5h，通过热压将摩擦环片粘结到钢芯板上，热压工艺：压力1.7MPa，温度160士5℃，时间15min；最后经过磨平面和铣槽后制成摩擦片。

根据国家标准采用采用西安顺通机电应用技术研究所产MM-1000II型摩擦磨损性能试验机对一系列摩擦片进行检测：动摩擦系数：0.153，静摩擦系数0.175，动静摩擦比0.87；磨损率为1.37×10-5mm³·J^-1

实施例3：

一种高性能环保纸基摩擦材料及摩擦片制作方法，其摩擦材料原料的使用比例：碳纤维7％、短切芳纶纤维10％、芳纶浆粕9％、竹纤维浆9％、石墨15％、硅藻土15％、橡胶颗粒3％、红铁粉5％、氧化铝3％、碳酸钙7％、氟橡胶2％、Novolac树脂(一种酚醛树脂)10％和硅酮树脂10％。

纸基摩擦片的制作方法工艺流程：原料处理-配料-打浆-配浆疏解-抄纸-压榨-干燥-成型-浸渍-热处理-贴片。其中打浆的浆浓3％，打浆度45SR；配浆及疏解中苯磺酸钠0.1％、PEO0.09％、聚丙烯酞胺0.05％；压榨工艺：压力0.4MPa，时间1min；干燥工艺：真空度0.08MPa，温度90℃，时间30min；产品尺寸将原纸板冲裁成环；环片浸渍首先浸渍在固体含量氟橡胶溶液中15min，然后将环片放入固体含量为50％的Novolac树脂(一种酚醛树脂)和固体含量为45％硅酮树脂混合溶液中浸渍，浸渍时间30分钟，然后干燥和固化热处理即制得摩擦环片；热处理的工艺：温度160±5℃，时间4h，通过热压将摩擦环片粘结到钢芯板上，热压工艺：压力1.1MPa，温度160±5℃，时间12min；最后经过磨平面和铣槽即制成摩擦片。

根据国家标准采用采用西安顺通机电应用技术研究所产MM-1000II型摩擦磨损性能试验机对一系列摩擦片进行检测：动摩擦系数0.167，静摩擦系数0.179，动静摩擦比0.93；磨损率为1.34×10-5mm³·J^-1。