掺有苎麻纤维的无石棉有机基轿车刹车片及其制备工艺

摘要

本发明涉及一种无石棉轿车刹车片，其配料组分包括改性酚醛树脂，硅酸铝纤维，苎麻纤维，钢纤维，碳纤维，叶腊石，铸铁粉，铜粉，石墨，二硫化钼，AL

说明书

技术领域

本发明涉及一种轿车刹车片，特别是涉及一种掺有苎麻纤维的无石棉 有机基轿车刹车片及其制备工艺。

背景技术

随着汽车工业的发展，汽车的速度较以往有了很大的提高，随之而来， 汽车对制动的要求也越来越高，各个国家也同时提出了更严格的汽车安全 标准，规定了严格的制动距离，对汽车的制动材料提出了更高的要求。

自从1909年，世界著名的Ferodo公司发明了世界上第一个固化石棉 基刹车片后，石棉在制动产品中开始大量使用，由于石棉刹车片在每次摩 擦后都会向空气中散发数百万之多的石棉纤维，在认识到石棉对人体的危 害后，许多发达国家提出建议停止使用石棉的建议，摩擦材料开始向无石 棉化发展，中国也于2003年发布全面禁止使用石棉作为摩擦材料。除了上 述原因外，传统的石棉刹车片存在很多不足，在车速较高时，石棉刹车片 可能会产生烧焦碎裂现象，导致制动失灵，亟需一种新型的，不含有害物 质、工作稳定范围大、耐磨性好、导热性好、振动噪音小的摩擦材料。

其后出现半金属摩擦材料，由于金属材料易腐蚀，温升较大时(大于 160℃时)，易于对偶件发生粘连，甚至发生熔化、分解现象，其工作稳定 范围小，并未能完全取代石棉材料。国内外开始转向研究各种石棉的替代 纤维，虽然替代纤维的种类繁多，但没有一种纤维可以完全代替石棉，因 此这方面的研究逐渐从单一纤维向混杂纤维的方向发展。

近年来，国内外对刹车片材料的配方研究和制作已经突破了老式配方 的约束，关于添加苎麻纤维的尝试是一个新的方向，天然植物纤维的添加 是一种趋势。目前行业中常用的纤维素纤维即是天然植物纤维，但仍存在 着不少缺陷，势必使新发明的研究方向转向一些具有特殊性质的麻类纤维。 苎麻又称“中国草”，我国的苎麻产量约占全世界苎麻产量的90％以上， 对其正确的开发利用可以产生巨大的经济效用。苎麻是无毒的，新开发的 可服用纤维，加以化学处理就有良好的服用性，充分证明了其无毒性，应 用这种纤维确保了其成为环保式材料，然而作为天然纤维，由于和树脂的 相容性较差，因此本发明中使用了几种纤维和苎麻纤维的混合。大量报道 证明刹车片在制动过程中产生直径小于2.5μm的颗粒，可长时间悬浮在 空气之中，吸入肺中而长期沉积，应用天然植物纤维尽量代替化工类纤维 是减缓上述问题新的研究方向。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中摩擦材料存在的缺点和和问题，提供 一种摩擦系数稳定，抗热衰退性强，磨损率小，振动噪音小，成本低的含 有苎麻纤维的无石棉有机基刹车片。

本发明的另一目的是提供一种该无石棉有机基刹车片的制备方法。

本发明提供一种无石棉轿车刹车片，其配料组分包括改性酚醛树脂， 硅酸铝纤维，苎麻纤维，钢纤维，碳纤维，叶腊石，铸铁粉，铜粉，石墨， 二硫化钼，AL₂O₃和BaSO₄。

苎麻纤维是初生韧皮纤维，具有杨氏模量高、聚合度大、单纤强力大 等特点，同时苎麻纤维质地柔软，比重轻，气孔率较高，有利于降低制动 噪音，苎麻纤维在300℃附近时发生碳化，有良好的热衰退性，碳化过程 放出的水分子会对摩擦系数产生轻微的影响，但是远小于其他合成纤维或 人造纤维高温熔化时产生的影响。

苎麻纤维在使用前经过改性处理，将所述苎麻纤维在超声波作用下改 性40分钟，放入NaOH碱溶液中浸泡1小时，再次放入超声波水池中， 加入浓硫酸和甲苯二异氰酸酯作用3小时。所述改性处理的具体步骤为：

(1)将苎麻纤维放入功率1万瓦的超声波水池中，水温60℃，超声波频 率28KHZ，改性40分钟。苎麻韧皮层经强力超声波处理，成单纤维状， 烘干温度150℃，经烘干后呈分散单纤维的状态，平均长度为250mm，经 切短工序之后，成为符合混杂纤维的长度为3mm的材料。

(2)将步骤(1)中纤维化的苎麻纤维放在2％的NaOH稀溶液中浸泡1小 时，温度为60℃，取出后烘干；

(3)将所述苎麻纤维再次放入1万瓦的超声波水池中，水温60℃，池水 的重量200kg，加入浓硫酸0.5L，再加入甲苯二异氰酸酯(TDI)2kg，作用 时间3小时。

苎麻纤维要作为刹车片材料，必须提高纤维自身的耐磨性、粘附性、 阻燃性、抗降解性等性质，以达到或超越化工合成纤维的性质，即提高纤 维接枝共聚。步骤(2)，(3)后苎麻纤维的接枝可达5％。

上述反应之中的超声波的功率是重要条件，所述改性处理的步骤(3)中 先在频率为28KHZ的超声波下，作用2小时；再由45KHZ的超声波作用 1小时。超声波作用于液体溶液时，液体介质要做压缩与稀疏的周期振动， 从而引起液体内部各点受到压力或拉伸力作用，拉伸力的作用会将大量液 体撕裂，并形成大量微小气泡，即空化泡。当这些巨量空化泡破裂时，能 放出巨大的能量而形成冲击波，对浸在液体内部的固体物质表面形成强大 的冲击与破坏。这就是高强度超声波特有的“空化效应”。

改性后的苎麻柔韧性大幅度提高，同时杨氏模量高、聚合度大、单纤 强力大等优势都没有减弱。另外苎麻在我国有如此大的储备量，也是我们 在做刹车片实验中首选苎麻的原因所在。苎麻纤维相对石棉纤维、芳纶纤 维，硅酸铝纤维，石棉纤维的物理机械性能对照表如表1所示，

表1

改性酚醛树脂经过腰果壳油和三聚氰胺改性，该改性酚醛树脂的热分 解温度较普通的酚醛树脂有很大的提高，抗冲击强度大，磨损率低，摩擦 性能好，细度200目为宜，有利于混拌的均匀和降低用量，游离酚含量应 小于2.5％，固化速度在35-50秒(150℃)，流动距离(125℃)为35-70mm。

硅酸铝纤维具有良好的耐高温性能，能有效的降低摩擦材料的热衰退 性，在一定范围内增加其含量可以有效的提高材料的摩擦系数，但是含量 过多时会导致磨损率急剧增加。

钢纤维对摩擦材料的摩擦磨损特性有重要的意义，钢纤维与树脂基体 有非常好的相容性，钢纤维的力学性能良好，具有良好的导热性，加入适 量的钢纤维后可以有效的提高摩擦材料的抗冲击性，摩擦系数的热衰退性 较小，较稳定，钢纤维含量过高会使摩擦材料容易生锈，而且在制动的过 程中会发出噪音。

碳纤维含量也是影响摩擦材料摩擦磨损性能的重要因素，在碳纤维含 量保持在较低范围时，碳纤维具有较高的强度，同时有良好的导热性，具 有理想的热衰退性，随着含量的增加，材料的摩擦系数和磨损率会下降， 当碳纤维含量进一步增加时，对摩擦系数影响并不显著，并且磨损率会增 大。

在摩擦材料中加入的硅酸铝纤维和碳纤维间会有产生混杂效应，对摩 擦性能有着重要的作用。

叶腊石是层状硅酸盐矿物，叶腊石质地细腻，硬度低，具有良好的润 滑性和耐磨性，耐高温性能很好，叶腊石的添加可以提高摩擦系数的稳定 性和耐磨性，叶腊石的结构和石墨有些相似，增加其含量可以提高摩擦材 料的耐磨性。

铸铁粉的加入对增加摩擦系数有着重要的意义，随着含量的增加，摩 擦系数液随之提高，同时铸铁粉含量的增加会带来一些负面的影响，如会 加剧对偶件的磨损，在制动过程中会发出尖锐的噪音。铸铁粉细度选用80 目。

铜粉的加入主要是为了提高材料的机械强度，提高材料的耐磨性能， 能促进对偶件转移膜的形成，会在一定程度上增加摩擦系数的稳定性，提 高摩擦力矩，减少对对偶件的损伤。

石墨对摩擦材料的摩擦系数和磨损率有着很大的影响，并且可以减少 对偶的磨损，随着摩擦材料中石墨含量的增加，摩擦系数和磨损率同时降 低，但是石墨的添加量也不宜过多，过多会导致材料本身磨损严重，会降 低刹车片的使用寿命。石墨细度选用200目

二硫化钼是一种优良的固体润滑剂，在低温下有很好的润滑作用，并 且磨损率低，当温度超过400℃时，二硫化钼被氧化生成三氧化钼并与铁 结合，生成一种的转移膜，可以有效的防止刹车片在高温下发生热衰退和 开裂，保持摩擦系数的稳定。

Al₂O₃在高速下制动时，能起到摩擦剂的作用，增加其含量可以稳定 摩擦系数，Al₂O₃含量增大时，会加大对偶件的磨损，其含量不宜过高。

BaSO₄对刹车片的摩擦性能影响很大，能够提高摩擦材料的热稳定性， 改善材料的热衰退性，同时可以提高材料的密度。

上述配料组分的质量百分比为：

改性酚醛树脂：19-24％，

喷胶硅酸铝纤维：16％，

苎麻纤维：6％，

钢纤维：5-8％，

碳纤维：14-16％，

叶腊石：6-8％，

铸铁粉：6-8％，

铜粉：3％，

石墨：9％，

二硫化钼：2％，

Al₂O₃：1％

BaSO₄：6％。

本发明还提供一种含有苎麻纤维的轿车刹车片的制备方法，包括以下 步骤，

(1)配料：按照上述所述比例进行称量，精确到±30g；

(2)混料：把称量好的各组分投入犁耙式混料机进行混料，时间为30 分钟，混料过程中根据混料机的温升情况确定是否向混料机的机身冷却夹 层中通入冷却水，以控制原料的温度；

(3)热压：压制压力为450-650kg/cm²，模具温度保持在150-170℃之间， 上模温度要高于下模温度5-10℃，并在模具接触原料的部位喷洒脱模剂， 合模加压，在50-65s内排气3-5次，然后闭模保压，保压时间根据刹车片 的厚度决定；

(4)热处理：将热压好的刹车片送到150-160℃的热处理炉中进行热处 理，保温时间6-8h，随炉温冷却至室温；

(5)热处理后的刹车片，用刀具对周边的溢料和毛刺进行处理，根据技 术要求进行钻孔，磨削内弧、外弧以及倒角，打印标记，检验。

所述步骤(1)配料中，重量小于5kg的组分用5kg/1g的电子称称量。

所述步骤(2)混料中，各组分总体积不超过混料机容积的1/2。

掺有苎麻纤维的无石棉有机基轿车刹车片是一种摩擦系数稳定，抗热 衰退性强，磨损率小，振动噪音小，成本低的新型纤维组合无石棉有机基 刹车片，由于苎麻为天然植物纤维，对环境无污染，并且具有良好的机械 性能，掺有苎麻纤维的无石棉有机基轿车刹车片是石棉刹车片和半金属刹 车片的理想替代品。

具体实施方式

本发明提供的无石棉有机基轿车刹车片，其配方中含有的组分为：改 性酚醛树脂、硅酸铝纤维、苎麻纤维、钢纤维、碳纤维、叶腊石、铸铁粉、 铜粉、石墨、二硫化钼、Al₂O₃和BaSO₄。

实施例1

配方1：

使用配方1的工艺流程：

配料，根据配方所设计的原料的规格、型号和比例进行称量，配料可 由人工完成也可通过自动配料完成。重量小于5kg的原材料采用5kg/1g的 电子称称量，各组分的称量精度为±30g；

混料，选用犁耙式混料机，把称量好的各原材料组分依次投入混料机 进行混料，总量不超过混料机容积的1/2，犁耙式混料机的混料时间为30 分钟，混料过程中根据混料机的温升情况确定是否向混料机的机身冷却夹 层中通入冷却水，以控制原料的温度；

热压，压制压力500kg/cm²，模具温度保持在160℃之间，上模温度要 高于下模温度5℃，并在模具接触原料的部位喷洒脱模剂，合模加压，在 50s内排气3次，然后闭模保压，保压时间根据刹车片的厚度决定；

热处理，将压制好的刹车片送到炉温为150～160℃的热处理炉中进行 热处理，保温时间6h，随炉温冷却至室温。

将热处理后的刹车片，用刀具对周边的溢料和毛刺进行处理，根据技 术要求进行钻孔，磨削内弧、外弧以及倒角，打印标记，检验。

采用该配方，是在保证摩擦系数稳定的前提下，尽量的减小了磨损率， 尽可能的提高了产品的使用寿命。

实施例2

配方2：

使用配方2的工艺流程：

配料，根据配方所设计的原料的规格、型号和比例进行称量，配料可 由人工完成也可通过自动配料完成。重量小于5kg的原材料用5kg/1g的电 子称称量，各组分的称量精度为±30g；

混料，选用犁耙式混料机，把称量好的各原材料组分依次投入混料机 进行混料，总量不超过混料机容积的1/2，犁耙式混料机的混料时间为30 分钟，混料过程中根据混料机的温升情况确定是否向混料机的机身冷却夹 层中通入冷却水，以控制原料的温度；

热压，压制压力600kg/cm²，模具温度保持在150℃之间，上模温度要 高于下模温度10℃，并在模具接触原料的部位喷洒脱模剂，合模加压，在 60s内排气5次，然后闭模保压，保压时间根据刹车片的厚度决定；

热处理，将压制好的刹车片送到炉温为150℃的热处理炉中进行热处 理，保温时间8h，随炉温冷却至室温。

将热处理后的刹车片，用刀具对周边的溢料和毛刺进行处理，根据技 术要求进行钻孔，磨削内弧、外弧以及倒角，打印标记，检验。

实施例2较实施例1有较小的磨损率，可以有效的延长刹车片的使用 寿命。

掺有苎麻纤维的无石棉有机基轿车刹车片是一种摩擦系数稳定，抗热 衰退性强，磨损率小，振动噪音小，成本低的新型纤维组合无石棉有机基 刹车片，由于苎麻为天然植物纤维，对环境无污染，并且具有良好的机械 性能，掺有苎麻纤维的无石棉有机基轿车刹车片是石棉刹车片和半金属刹 车片的理想替代品。