專利名稱：一種耐熱改性竹纖維及其用于汽車制動摩擦材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料學(xué)領(lǐng)域，更具體涉及一種耐熱改性竹纖維及其用于汽車制動摩擦材料的方法。
背景技術(shù)：
天然纖維如麻、竹、木材、稻草、麻秸、椰殼纖維等具有較高的強度、模量和比較小的密度，能被生物降解，適合作為聚合物基復(fù)合材料的增強體，在非結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件應(yīng)用領(lǐng)域具有較強的競爭力。天然纖維增強復(fù)合材料產(chǎn)品是近年來所有復(fù)合材料中需求增長最快的產(chǎn)品之一，年均增長率高達25%。國外對高性能天然纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用始于 10多年前，德國、比利時、日本、美國、加拿大等國家紛紛開展天然纖維增強復(fù)合材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用工作，并在麻纖維表面處理、合成專用樹脂、成型工藝等方面取得了顯著的成就。我國近年來在天然纖維復(fù)合材料方面的研究也有所進展。其中北京化工大學(xué)、四川大學(xué)、中國科學(xué)院廣州纖維素化學(xué)研究所、廣東工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)等與企業(yè)合作對天然纖維復(fù)合材料制備及工業(yè)化應(yīng)用進行了全面攻關(guān)研究，部分研究成果處于國內(nèi)外先進水平。但天然纖維增強復(fù)合材料作為一類環(huán)保材料，仍有很多問題有待進一步研究。尤其是天然纖維的耐熱性較差，具有熱降解性，及其與聚合物基體的不相容性等問題。這些問題的解決是天然纖維進一步工業(yè)化應(yīng)用的前提。竹纖維是近年來由我國自行開發(fā)研制并產(chǎn)業(yè)化的新型再生纖維素纖維，被稱為 “生態(tài)纖維”、“天然玻璃纖維”。我國竹林資源豐富，竹子成長期短，繁殖力強，生長過程沒有任何污染源，制成的竹纖維可自然降解，是一種典型的可持續(xù)發(fā)展的天然資源。竹纖維具有良好的透氣性，獨特的回彈性，瞬間吸水性，優(yōu)良的耐磨性、抗菌性及較強的縱向和橫向強度等性能特點；同時竹纖維合成工藝也在日益改善，成本不斷降低。更重要的是竹纖維和其它植物纖維相比具備較高的耐熱性和耐磨性能，且由于密度較低使得其高的比強度和比模量也成為后續(xù)加工過程中節(jié)能降耗的亮點，是比較理想的新型樹脂基復(fù)合材料增強材料。 目前竹纖維在水泥復(fù)合材料、復(fù)合板材、增強塑料及紡織業(yè)等領(lǐng)域中已有應(yīng)用。同時為了改善竹纖維本身力學(xué)性能及其與聚合物基體的界面結(jié)合性能，人們也致力于竹纖維的表面改性處理，如堿處理和偶聯(lián)劑改性處理等的相關(guān)研究，取得一定的成果。但對于天然竹纖維的耐熱改性技術(shù)的研究，尤其是將其應(yīng)用于制動摩擦材料方面的工作仍未見報道。隨著全球汽車工業(yè)的高速發(fā)展和產(chǎn)品的快速更新，人們越來越致力于安全、舒適和環(huán)保性能等方面的研究，這對制動摩擦材料提出更高的要求。我國汽車摩擦材料行業(yè)近幾年通過引進國際上先進的配方、工藝、生產(chǎn)線、試驗檢測設(shè)備和自主研發(fā)能力的提高，實現(xiàn)了為國際著名、高端主機廠的配套，促進了全行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的提高。但就技術(shù)而言整個行業(yè)仍然存在著不少亟待解決的問題，如噪聲、尖叫、可靠性、剎車抱死、劃傷對偶、摩擦片斷裂、高溫衰退及恢復(fù)性差等一系列問題，同時摩擦材料也自發(fā)地向著無石棉、無金屬、 少纖維、少樹脂和納米材料等節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種耐熱改性竹纖維及其用于汽車制動摩擦材料的方法，通過運用國內(nèi)工藝成熟，產(chǎn)量豐富、價格低廉、可降解的天然竹纖維作為樹脂基制動摩擦材料的增強相，通過對其進行表面改性處理來提高竹纖維的耐熱性及其與基體材料的界面結(jié)合力，制備出具有優(yōu)良摩擦學(xué)性能的低成本新型環(huán)保汽車制動摩擦材料。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實施的
一種耐熱改性竹纖維，是竹纖維經(jīng)硼砂改性制成。所述竹纖維經(jīng)硼砂改性的具體方法包括將竹纖維浸泡于硼砂水溶液中10 30 分鐘，將其取出，烘干，即制得所述耐熱改性竹纖維。所述硼砂水溶液的質(zhì)量濃度為1 20%。所述烘干的溫度為60 120°C，烘干的時間為20 60分鐘。將所述的耐熱改性竹纖維用于汽車制動摩擦材料的方法，是將耐熱改性竹纖維與無機鹽晶須、酚醛樹脂、摩擦性能調(diào)節(jié)劑通過熱壓的方法，制備成用于汽車制動的摩擦材料，其質(zhì)量份數(shù)為耐熱改性竹纖維4 13份、無機鹽晶須10 40份、酚醛樹脂10 25 份、摩擦性能調(diào)節(jié)劑35 60份。所述無機鹽晶須包括硫酸鈣晶須、堿式硫酸鎂晶須、氧化鎂晶須、硼酸鎂晶須、碳酸鈣晶須中的一種或幾種。所述摩擦性能調(diào)節(jié)劑包括銅粉、銅纖維、石墨粉、重晶石粉、氧化鋁粉、鑄鐵粉、長石粉、輪胎粉、葉蠟石粉中的一種或幾種。本發(fā)明所制備的改性竹纖維增強樹脂基制動復(fù)合材料與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，具有以下優(yōu)點(1)生產(chǎn)成本大大降低。天然竹纖維屬于近年來開發(fā)利用較為成熟的產(chǎn)品，來源豐富，價格低廉，能較大范圍內(nèi)降低生產(chǎn)成本；(2)更易于生物降解。竹纖維屬于天然高分子有機材料，采用天然竹纖維來增強制動摩擦材料，在大氣環(huán)境下服役過程中可完全降解，對人體無害，具有綠色環(huán)保的特點；(3)具有較穩(wěn)定的制動性能。天然竹纖維具有較穩(wěn)定的室溫摩擦性能，通過表面改性處理并與其它相混雜增強，可使制動材料的摩擦磨損性能滿足國標要求并在同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先水平。


圖1為四種樣品摩擦系數(shù)測試結(jié)果； 圖2為四種樣品磨損率測試結(jié)果；
圖3為盤式制動器用襯片國家標準(GB5763-2008)； 圖4為熱失重(TG)測試結(jié)果。
具體實施例方式首先將竹纖維進行硼砂耐熱改性處理，其方法為將硼砂溶于30 100°C熱水中， 攪拌使之完全溶解，配制1 20%的硼砂水溶液；將竹纖維浸泡于硼砂水溶液10 30分鐘， 使其表面均勻包覆一層硼砂；取出竹纖維并在80 120°C下烘干20 60分鐘，即得到耐熱改性的竹纖維；其中所述的硼砂可以是白中帶灰或帶淺色調(diào)的黃、藍、綠等顏色的塊狀粗硼砂，也可以是無色半透明晶體或白色結(jié)晶粉末的硼砂。竹纖維與硼砂的質(zhì)量比為1:2 3。
接著將經(jīng)耐熱改性的竹纖維與酚醛樹脂、摩擦性能調(diào)節(jié)劑等組分采用熱壓法制備成制動摩擦材料，其方法為先將復(fù)合摩擦材料的原料配比按照重量份數(shù)進行稱重，其中耐熱改性竹纖維4 13份、無機鹽晶須10 40份、酚醛樹脂10 25份、摩擦性能調(diào)節(jié)劑 35 60份；然后將樹脂放在50 60°C烘干0. 5 1小時，耐熱改性竹纖維除外的其他原料放置烘箱內(nèi)在100 140°C烘干0. 5 2小時；接著將耐熱改性竹纖維除外的其它原料置于旋轉(zhuǎn)速度為100(Γ2000轉(zhuǎn)/分鐘的葉片攪拌機內(nèi)高速攪拌共混2 5分鐘，再投入改性竹纖維，攪拌3 4分鐘后出料；將攪拌混合物放入150 160°C熱壓模具模腔內(nèi)，在25 30兆帕壓力下熱壓成型，熱壓保溫時間7 10分鐘或者根據(jù)制品的厚度按1 1. 5分鐘 /毫米確定熱壓保溫時間，并在熱壓開始的20 60秒打開模腔放氣2 3次；隨模降溫至 100°C時脫模冷卻至室溫；最后于160 200°C保溫4 13小時，隨爐降溫冷卻得到成品。實施例一(較佳實施例)
在500毫升燒杯中加入290毫升的水溶液，加入10克的硼砂，開始攪拌并加熱至80°C， 使硼砂完全溶解。將5克竹纖維浸入硼砂溶液中，20分鐘后取出，在80°C下烘干1小時，即得到耐熱改性的竹纖維。取如下成分配比制作摩擦材料耐熱改性竹纖維7份、無水硫酸鈣晶須7份、堿式硫酸鎂晶須13份、酚醛樹脂17份、銅粉10份、石墨粉3份、重晶石粉15份、 氧化鋁粉10份、鑄鐵粉8份、長石粉12份、輪胎粉3份。然后將酚醛樹脂放在60°C烘干0. 5 小時，改性竹纖維除外的其他原料放置烘箱內(nèi)在120°C烘干1小時；接著將耐熱改性竹纖維除外的其它原料置于旋轉(zhuǎn)速度1000轉(zhuǎn)/分鐘的葉片攪拌機內(nèi)高速攪拌共混5分鐘，再投入耐熱改性竹纖維，攪拌4分鐘后出料；將攪拌混合物放入160°C熱壓模具模腔內(nèi)，在25兆帕壓力下熱壓成型，熱壓保溫時間8分鐘，并在熱壓開始的20 60秒打開模腔放氣3次；隨模降溫至100°C時脫模冷卻至室溫；最后于180°C保溫8小時，隨爐降溫冷卻得到成品。實施例二 (較佳實施例)
在500毫升燒杯中加入300毫升的水溶液，加入12克的硼砂，開始攪拌并加熱至 100°C，使硼砂完全溶解。將5克竹纖維浸入硼砂溶液中，沈分鐘后取出，在100°C下烘干40 分鐘，即得到耐熱改性的竹纖維。取如下成分配比并根據(jù)上述工藝步驟制作摩擦材料耐熱改性竹纖維13份、無水硫酸鈣晶須8份、堿式硫酸鎂晶須10份、酚醛樹脂20份、銅粉8份、 石墨粉3份、重晶石粉15份、氧化鋁粉10份、鑄鐵粉10份、葉蠟石粉12份、輪胎粉4份。然后將酚醛樹脂放在50°C烘干1小時，耐熱改性竹纖維除外的其他原料放置烘箱內(nèi)在140°C 烘干0. 5小時；接著將耐熱改性竹纖維除外的其它原料置于旋轉(zhuǎn)速度2000轉(zhuǎn)/分鐘的葉片攪拌機內(nèi)高速攪拌共混2分鐘，再投入耐熱改性竹纖維，攪拌3分鐘后出料；將攪拌混合物放入150°C熱壓模具模腔內(nèi)，在30兆帕壓力下熱壓成型，熱壓保溫時間7分鐘，并在熱壓開始的20 60秒打開模腔放氣3次；隨模降溫至100°C時脫模冷卻至室溫；最后于200°C保溫4小時，隨爐降溫冷卻得到成品。實施例三(較佳實施例)
在500毫升燒杯中加入250毫升的水溶液，加入9克的硼砂，開始攪拌并加熱至40°C， 使硼砂完全溶解。將4. 5克竹纖維浸入硼砂溶液中，12分鐘后取出，在120°C下烘干20分鐘，即得到耐熱改性的竹纖維。取如下成分配比并根據(jù)上述工藝步驟制作摩擦材料。耐熱改性竹纖維4份、無水硫酸鈣晶須16份、堿式硫酸鎂晶須10份、酚醛樹脂16份、銅粉10份、石墨粉2份、重晶石粉12份、氧化鋁粉15份、鑄鐵粉9份、長石粉14份、輪胎粉2份。然后將樹脂放在55°C烘干40分鐘，耐熱改性竹纖維除外的其他原料放置烘箱內(nèi)在100°C烘干2小時；接著將耐熱改性竹纖維除外的其它原料置于旋轉(zhuǎn)速度1500轉(zhuǎn)/分鐘的葉片攪拌機內(nèi)高速攪拌共混3分鐘，再投入耐熱改性竹纖維，攪拌3分鐘后出料；將攪拌混合物放入155°C 熱壓模具模腔內(nèi)，在27兆帕壓力下熱壓成型，熱壓保溫時間9分鐘，并在熱壓開始的20 60秒打開模腔放氣3次；隨模降溫至100°C時脫模冷卻至室溫；最后于160°C保溫12小時， 隨爐降溫冷卻得到成品。對比實驗
取實施例一的樣品為試樣一，實施例二的樣品為試樣二，實施例三的樣品為試樣三。另取竹纖維不經(jīng)過硼砂耐熱改性處理，僅放置在烘箱內(nèi)在100°C下烘干1小時，然后根據(jù)實施例一中的成分配比及制備工藝步驟，制得的比較例的樣品為試樣四。以上制成的復(fù)合材料試樣，在JF150D- II型定速摩擦實驗機上進行摩擦學(xué)性能測試，對偶摩擦盤為HT250，珠光體組織，硬度為HB180 220，轉(zhuǎn)速480士 10轉(zhuǎn)/分鐘。試樣尺寸25毫米X 25毫米X (5 7)毫米，承載壓力1兆帕。按照盤式制動器用襯片國家標準(GB5763-2008)，分別測定升溫和降溫過程中盤溫100°C，150°C，2000C，250°C，300°C，350°C時對磨5000轉(zhuǎn)的摩擦系數(shù)、磨損率。四種樣品測試結(jié)果以及盤式制動器用襯片國家標準許用值分列見圖1、圖2、圖3。測試結(jié)果
采用本專利技術(shù)改性的竹纖維制成的復(fù)合摩擦材料與未改性的竹纖維制成的摩擦材料相比，在100°C 350°C溫度范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)均有不同程度的提高，特別是300°C以上的高溫摩擦系數(shù)還保持在0. 36 0. 38的水平，比未改性處理的竹纖維增強復(fù)合材料試樣高出20%以上，實施例樣品都沒有出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象。且在從100°C至350°C的變溫過程中摩擦系數(shù)的波動值很小，均遠低于國標GB5763-2008允許摩擦系數(shù)的波動值，穩(wěn)定性極佳。同時改性處理試樣的高溫磨損率較未處理試樣也有明顯的下降，300°C和350°C下磨損率均值為 0. 75 Cm7(N*m)Xl(T和1.23 cm3/(N ·πι) X 10_7，也顯著低于國標要求，說明其在磨損過程中熱衰退現(xiàn)象較小，磨損性能穩(wěn)定。為進一步說明改性處理對竹纖維耐熱性的影響，將實施例一中的耐熱改性竹纖維與對比例中未經(jīng)改性的竹纖維分別取1克，采用珀金埃爾默公司的Pyrisi- I型差示掃描量熱儀分別進行熱失重(TG)測試，升溫速度10°C /min, N2介質(zhì)保護。結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，采用本技術(shù)改性的竹纖維，與未改性的竹纖維相比，未經(jīng)處理的竹纖維在260°C開始發(fā)生第一次熱分解失重，在370°C左右開始發(fā)生第二次熱分解失重，此時其剩余質(zhì)量約為原來的25% ；經(jīng)硼砂改性后的竹纖維在290°C開始發(fā)生第一次熱分解失重，在 400°C左右開始發(fā)生第二次熱分解失重，此時其剩余質(zhì)量約為原來的60%，在超過500°C之后仍有50%剩余質(zhì)量，較未處理高出一倍。這為竹纖維經(jīng)硼砂改性后耐熱性提高提供了重要的實驗依據(jù)，也說明了改性竹纖維增強樹脂基制動摩擦材料在高溫摩擦磨損性能得到改善的原因。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種耐熱改性竹纖維，其特征在于所述耐熱改性竹纖維是竹纖維經(jīng)硼砂改性制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱改性竹纖維，其特征在于所述竹纖維經(jīng)硼砂改性的具體方法包括將竹纖維浸泡于硼砂水溶液中10 30分鐘，將其取出，烘干，即制得所述耐熱改性竹纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱改性竹纖維，其特征在于所述硼砂水溶液的質(zhì)量濃度為1 20%ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱改性竹纖維，其特征在于所述烘干的溫度為60 120°C，烘干的時間為20 60分鐘。
5.一種如權(quán)利要求1所述的耐熱改性竹纖維用于汽車制動摩擦材料的方法，其特征在于將耐熱改性竹纖維與無機鹽晶須、酚醛樹脂、摩擦性能調(diào)節(jié)劑通過熱壓的方法，制備成用于汽車制動的摩擦材料，其質(zhì)量份數(shù)為耐熱改性竹纖維4 13份、無機鹽晶須10 40 份、酚醛樹脂10 25份、摩擦性能調(diào)節(jié)劑35 60份。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的耐熱改性竹纖維用于汽車制動摩擦材料的方法，其特征在于所述無機鹽晶須包括硫酸鈣晶須、堿式硫酸鎂晶須、氧化鎂晶須、硼酸鎂晶須、碳酸鈣晶須中的一種或幾種。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的耐熱改性竹纖維用于汽車制動摩擦材料的方法，其特征在于所述摩擦性能調(diào)節(jié)劑包括銅粉、銅纖維、石墨粉、重晶石粉、氧化鋁粉、鑄鐵粉、長石粉、 輪胎粉、葉蠟石粉中的一種或幾種。
8.根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的耐熱改性竹纖維用于汽車制動摩擦材料的方法，其特征在于所述方法的具體過程包括將酚醛樹脂，無機鹽晶須、酚醛樹脂、摩擦性能調(diào)節(jié)劑烘干后，置于攪拌機內(nèi)高速攪拌共混2 5分鐘，再投入耐熱改性竹纖維，攪拌3 4分鐘后出料；將攪拌混合物放入150 160°C熱壓模具模腔內(nèi)，在25 30兆帕壓力下熱壓成型， 熱壓保溫時間7 10分鐘，隨模具降溫至100°C時脫模冷卻至室溫；最后于160 200°C保溫4 13小時，而后隨爐降溫冷卻得到成品。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的耐熱改性竹纖維用于汽車制動摩擦材料的方法，其特征在于所述酚醛樹脂的烘干條件為烘干溫度50 60°C，烘干時間0. 5 1小時；所述無機鹽晶須、酚醛樹脂、摩擦性能調(diào)節(jié)劑的烘干條件為烘干溫度為100 140°C，烘干時間0. 5 2小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的耐熱改性竹纖維用于汽車制動摩擦材料的方法，其特征在于所述攪拌機高速攪拌的速度為1000 2000轉(zhuǎn)/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐熱改性竹纖維及其用于汽車制動摩擦材料的方法，所述耐熱改性竹纖維是竹纖維經(jīng)硼砂改性制成。再將經(jīng)耐熱改性的竹纖維與酚醛樹脂、無機鹽晶須及摩擦性能調(diào)節(jié)劑等制成復(fù)合摩擦材料，從而獲得具有優(yōu)良摩擦系數(shù)及其穩(wěn)定性、磨損率小、抗熱衰退性好的環(huán)保型汽車制動復(fù)合材料。采用本發(fā)明進行耐熱改性的竹纖維，與未改性的竹纖維相比，竹纖維的耐熱性得到顯著提高，其制成的復(fù)合摩擦材料的高溫摩擦磨損性能也得到明顯改善。
文檔編號C09K3/14GK102295783SQ20111019292
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者何福善, 林有希, 鄭開魁, 高誠輝 申請人:福州大學(xué)