一種加入納米材料的轎車剎車片及其製備方法
2023-05-17 06:11:56
專利名稱：一種加入納米材料的轎車剎車片及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種轎車剎車片及其製備方法，特別是涉及一種加入了納米材料的轎車剎車片及其製備方法。
背景技術：
剎車片是機動車輛至關重要的零部件，剎車性能的好壞直接關乎行車的安全與否。自從第一個汽車用剎車片誕生以來，人們一直在不斷地完善剎車片的各種性能，隨著汽車工業的不斷進步，汽車對剎車片的要求也在不斷地提高，尤其是對剎車片的熱穩定性，耐磨性、熱衰退性等提出了更高的要求。酚醛樹脂是剎車片常用的一種粘結劑，酚醛樹脂自身具有優異的機械性、尺寸穩定性、成型加工性、阻燃性，並且價格低廉，因此酚醛樹脂被選為汽車剎車片的原材料，但是，在高溫時酚醛樹脂中的酚羥基和 甲基容易氧化，耐熱性差，因此需要對酚醛樹脂進行改性處理，提高其韌性和耐熱性。酚醛樹脂的改性方面，已經有了很多的研究和嘗試，但是大都存在工藝複雜，工業化實現困難等缺點，所以大都未進入實際使用階段。在剎車片中經常用的橡膠添加劑是丁腈橡膠，丁腈橡膠是由丁二烯與丙烯腈共聚而製得的一種合成橡膠，具有優良的耐油性，但是由於丁腈橡膠是非結晶型無定形橡膠，其抗拉強度很低，使用價值不高。丁腈橡膠在使用前，要進行改性處理，來改善丁腈橡膠的抗拉強度，並提高與其他材料的粘合性。經長期的應用和研究發現在丁腈橡膠中加入活性氧化鋅以及其他材料都能使丁腈橡膠的性能得到改善，大量的實驗和上路表明，丁腈橡膠的特性還大有潛力可挖。常用的摩擦係數調節劑有石墨、雲母、滑石、長石、鐵粉、鋅粉、銅粉、蛭石、橡膠、 BaSO4、碳酸鈣等，所謂摩擦性能是指1摩擦係數的提高；2摩擦係數的穩定；3很好耐溫性， 碳酸鈣作為一種添加劑可以很好的調節剎車片的抗拉強度，抗衝擊強度，韌性，硬度和耐磨性，碳酸鈣經過改性處理後可以發揮更優越的性能。隨著科技的進步，材料學也有了很大的發展，20世紀80年代開始出現納米材料， 納米材料包括無機、有機、物理、生物等許多學科。納米材料是指在三維空間中，基本單元體至少有一維處於納米尺度範圍內的材料。為提高剎車片的制動性能，納米材料得到了廣泛關注，通過添加不同的納米材料，使得剎車片摩擦材料在微觀結構上發生變化，能夠有效的改善剎車片的制動性能。近年來，在對酚醛樹脂改性的研究中，採用納米材料對其改性是該領域研究的新方向，目前還處於探索階段。當材料形成納米結構時，會產生「納米效應」，所謂的「納米效應」包括以下五個效應小尺寸效應，表面和界面效應，量子尺寸效應，庫侖堵塞與量子隧穿和宏觀量子隧道效應。正是由於納米材料具有這些特殊的性質，我們在剎車片中加入納米材料，使剎車片各方面的性能較未添加前發生很大變化，使得剎車性能有了很大的提高
發明內容
本發明的目的在於提供一種克服傳統剎車片缺陷，耐高溫，摩擦係數穩定性好，磨損小，不傷對偶的納米材料轎車剎車片。本發明的另一個目的在於提供這種納米材料轎車剎車片的製造工藝。本發明提供一種轎車剎車片，其配料組分包括改性酚醛樹脂，改性丁腈橡膠，納米碳酸鈣，增強纖維和摩擦性能調節劑。本發明著重要改善剎車片常用粘結劑的性能，從而提高剎車片的機械性能，尺寸穩定性，成型加工性、阻燃性，本發明中採用的是酚醛樹脂，酚醛樹脂作為粘結劑被廣泛的用於剎車片中，大量用戶證實了酚醛樹脂不經過改性，難以達到上述的理想效果，對酚醛樹脂的改性有多種措施，但是應用效果至今沒見十分理想的報導本發明對酚醛樹脂添加納米材料作為改性的主攻方向，在多達八種的納米材料試驗中，選定Tio2作為酚醛樹脂改性的添加劑。經過納米材料改性酚醛樹脂，由於納米材料的尺寸小、比表面積大，可以實現和酚醛樹脂很好的結合，克服了加入剛性材料只增加強度，不能增加韌性的缺點，加入納米材料可對酚醛樹脂的物化性能產生特殊的影響，提高酚醛樹脂的韌性、強度和耐磨性，並可以有效地改善酚醛樹脂的脆裂現象。由於納米材料具有很大的比表面積和極高的表面能，具有很強的團聚性，採用常規的方法很難使其均勻分散，採用原位生成法對其處理，達的到分散的目的，其中TiA的質量為酚醛樹脂質量的6%。原位生成法的優點是不需要事先製備納米材料，這樣就避免了納米材料在存儲和運輸過程中的團聚，由納米材料在樹脂機體提供的受控環境下通過化學反應由原子、分子原位生成從而實現有機-無機複合，在此過程中無機組分的尺度被控制在納米範圍內。原位生成的二氧化鈦顆粒在酚醛樹脂基體中具有良好的分散性和結合力，可以大幅提高粘結力，顆粒直徑平均在70nm左右，比表面積60-90m2/g，能夠提高酚醛樹脂的結晶能力、熱穩定性、抗老化能力、抗拉強度，從而延長剎車片的使用壽命。丁腈橡膠通過添加納米SiA進行改性，納米SiA在使用前要經過偶聯劑表面覆蓋改性，偶聯劑表面覆蓋改性就是利用偶聯劑分子與納米材料的表面進行某種化學反應，使偶聯劑均勻的覆蓋在納米材料表面，從而使納米材料表面的性質發生改變的方法。所述偶聯劑為鈦酸酯，具體步驟為(1)將納米SiA在300°C的溫度下烘乾3h ；(2)用無水乙醇稀釋鈦酸酯，其用量為納米SiO2質量的8% ；(3)將稀釋後的鈦酸酯加入盛有納米S^2的容器中，採用超聲波分散，確保鈦酸酯偶聯劑均勻的粘附在納米S^2表面；(4)經過1. 5h的超聲分散，將納米SW2濾出，用無水乙醇清洗，放入烘乾箱烘乾， 烘乾時間為2h，得到改性的納米Si02。經過表面改性的納米SiO2具有良好的分散性，並且有很好的相容性。將處理後的納米S^2加入到丁腈橡膠粉末中，通過機械攪拌的方法來使納米S^2與丁腈橡膠均勻的混
I=I O納米碳酸鈣在使用前需要進行改性處理，具體為(1)稱取適量的納米碳酸鈣溶解於一定量的無水乙醇中，超聲波分散1. 5h ；(2)稱取一定量的丙烯酸溶於蒸餾水中，超聲波分散20min ；(3)向超聲波分散後的納米碳酸鈣中，緩慢滴加分散好的丙烯酸水溶液，並加入少量的氨水，調節溶液的PH值，在70°C的條件下，以120轉/分的速度攪拌4h ；(4)冷卻至室溫，抽濾；(5)用去離子水反覆清洗剛抽濾出的納米碳酸鈣，然後，放入電熱恆溫乾燥箱烘乾；(6)在烘乾後的納米碳酸鈣中加入無水乙醇、甲基丙烯酸甲酯單體和偶氮二異丁腈引發劑，氨水調節溶液PH值，在80°C持續攪拌下預聚合IOh;(7)抽濾，多次衝洗後，在烘箱中烘乾，得到改性的納米碳酸鈣。所述步驟O)中，丙烯酸的用量為納米碳酸鈣質量的9% ；所述步驟(3)中，10分鐘內滴加完分散好的丙烯酸水溶液；所述步驟(6)中，甲基丙烯酸甲酯單體的用量為納米碳酸鈣質量的5%。所述剎車片的配料組分的質量百分比優選為改性酚醛樹脂10-14%，改性丁腈橡膠2%，納米碳酸鈣10%，增強纖維48-49%，和摩擦性能調節劑25-30 %。除以上三種納米材料，剎車片的其他組分在剎車片中所起的作用是不可忽視的， 納米材料與其他材料一起作用，才能更好地發揮出其性能，下面具體說明增強纖維和其它摩擦性能調節劑在剎車片中起到的作用。增強纖維對剎車片中摩擦材料起到加強機械強度的作用，使摩擦材料能夠承受在制動過程中的衝擊載荷和剪切力，並且使其能夠承受在加工過程中的各種衝擊力、剪切力和壓力。所述增強纖維優選包括碳纖維，鋼纖維和礦物纖維。碳纖維具有高的比強度和比模量，同時具有較高的耐磨性、耐熱性，但是未經處理的碳纖維表面光滑、惰性大、表面能低，與樹脂機體的結合差，在高溫時容易出現氧化，影響複合材料的綜合性能，使碳纖維的性能不能完全發揮。碳纖維的改性處理主要是採用等離子體對碳纖維的表面進行處理，經過等離子處理，碳纖維表面發生化學反應，改善纖維表面的性能。等離子處理採用低溫處理，即在0-150°C，壓力在0. 1-0. 3MPa下產生等離子體，經過處理的碳纖維與樹脂機體有很好的結合性，等離子法處理碳纖維的優點是在處理的過程中只對其表面起作用，其內部幾乎不受影響，所以碳纖維本身的優點不受影響，使用低溫等離子對碳纖維表面，溫度較低，避免高溫對纖維造成破會，並且在很短的時間內就能達到需求的效果。鋼纖維具有很好的力學性能，導熱性好，與樹脂的相容性也比較好，在剎車片的材料中加入鋼纖維可以提高剎車片的抗衝擊強度和材料的摩擦係數，但是鋼纖維的含量不宜過高，實驗表明，當剎車片的材料中鋼纖維的含量超過22%時，剎車片的抗衝擊強度不再隨著剎車片中的鋼纖維含量的升高而升高，隨著鋼纖維含量的繼續升高，當超過25%時，剎車片的材料的摩擦係數也不再增加，磨損率反而隨鋼纖維含量的增加而增加。由於鋼纖維具有良好的導熱性，可以在一定程度上提高剎車片的耐熱性，再制動過程中，剎車片表面會產生大量的熱量，通過鋼纖維可以使部分熱量擴散到剎車片內部，避免局部溫度過高造成的剎車片粘連或制動失效的現象。鋼纖維長時間暴露在空氣中會發生鏽蝕現象，實驗表明，在剎車原材料中加入鋅粉可以有效的控制鋼纖維鏽蝕的現象。礦物纖維，礦物纖維選用的是海泡石纖維，海泡石纖維是一種大然礦物纖維，海泡石纖維具有很好的吸附性、耐磨性、熱穩定性和抗腐蝕性，並且海泡石具有很好的吸音效果，其吸音率是石棉的150倍，可以降低剎車片在制動過程中產生的噪音。摩擦性能調節劑，按照不同的作用大致可以分為四類，第一類是用於提高摩擦係數，第二類是用來穩定摩擦係數，第三類是有機摩擦性能調節劑，第四類是金屬粉末調節劑。所述摩擦性能調節劑優選包括石墨，蛭石，鋅粉和二硫化鉬。石墨為第二類摩擦性能調節劑，是一種固體潤滑劑，在高溫時具有很高的強度，在剎車片中加入石墨，可以穩定摩擦係數，在制動過程中會在剎車片表面形成一層薄膜，從而提高剎車片的耐磨性。實驗表明當剎車片的材料中的石墨含量超過12%時，剎車片的摩擦係數隨著石墨的增加而增加的幅度變得很小，耐磨性雖然有所增加，但是對對偶的磨損加劇。剎車片中添加的石墨由細度80目和200目的石墨混合而成，不宜超過12%。蛭石屬於第一類摩擦性能調節劑，是一種天然無毒的含鎂、鋁、矽酸鹽次生質礦物，具有耐磨性好、耐高溫、吸音性能好，並且蛭石的尺寸穩定性好，有助於保持剎車片尺寸的穩定。剎車片中蛭石的細度為60-80目。鋅粉屬於第四類摩擦性能調節劑，在剎車片的材料中加入鋅粉的目的是為了增強材料的抗蝕性，對剎車片的摩擦性能影響不明顯，加入鋅粉還可以在一定程度上改善剎車片噪音，同時可以降低剎車片材料的密度。二硫化鉬，是一種優良的固體潤滑材料，尤其是在重載和高速下，性能優越，二硫化鉬的含量增加，剎車片的摩擦和磨損性能都有不利的影響，同時會增加對對偶的磨損。二氧化鉬的價格較高，過多的加入會提高剎車片的成本。基於以上兩點考慮，在剎車片材料中二氧化鉬的含量不宜超過2 %。本發明還提供一種轎車剎車片的製備方法，包括以下步驟(1)配料混料，按權利要求5所述比例將配料組分在自動配料系統中進行配料；(2)熱壓，採用一次成型工藝，設備是四柱壓機，壓力設定值為200-400kg/cm2，熱壓溫度為150-170°C，熱壓時間為7-8分鐘；(3)熱處理，將熱壓好的剎車片送到保溫爐中進行熱處理，爐溫保持在 140-180°C，保溫時間12h，然後隨爐溫冷卻；(4)將熱處理後的剎車片，用刀具對周邊的溢料和毛刺進行處理，根據技術要求進行鑽孔，磨削內弧、外弧以及倒角，檢驗。(5)噴碼包裝，將加工好的剎車片進行噴碼，噴碼後進行包裝入庫。本發明提供的加入納米材料的轎車剎車片具有摩擦係數穩定，抗熱衰退性強，磨損率小，振動噪音小，韌性好，耐高溫，不傷對偶等優點，是半金屬剎車片的理想替代品。
具體實施例方式本發明提供一種轎車剎車片，其配料組分包括改性酚醛樹脂，改性丁腈橡膠，納米碳酸鈣，碳纖維，鋼纖維，海泡石纖維，石墨，蛭石，鋅粉和二硫化鉬。改性酚醛樹脂由納米TiA進行改性處理，採用原位生成法，使原位生成的TiA顆粒在酚醛樹脂基體中具有良好的分散性和結合力。
改性丁腈橡膠通過添加納米S^2進行改性，通過機械攪拌使納米S^2與丁腈橡膠混合均勻。納米SiO2使用前經過偶聯劑表面覆蓋改性，所述偶聯劑為鈦酸酯，具體步驟為(1)將納米SiA在300°C的溫度下烘乾3h ；(2)用無水乙醇稀釋鈦酸酯，其用量為納米SW2質量的8% ；(3)將稀釋後的鈦酸酯加入盛有納米S^2的容器中，採用超聲波分散，確保鈦酸酯偶聯劑均勻的粘附在納米S^2表面；(4)經過1. 5h的超聲分散，將納米SW2濾出，用無水乙醇清洗，放入烘乾箱烘乾， 烘乾時間為2h，得到改性的納米Si02。納米碳酸鈣的改性處理過程為(1)稱取適量的納米碳酸鈣溶解於一定量的無水乙醇中，超聲波分散1. 5h ；(2)稱取一定量的丙烯酸溶於蒸餾水中，丙烯酸的用量為納米碳酸鈣質量的9%， 超聲波分散20min ；(3)向超聲波分散後的納米碳酸鈣中，緩慢(10分鐘內)滴加分散好的丙烯酸水溶液，並加入少量的氨水，調節溶液的PH值，在70°C的條件下，以120轉/分的速度攪拌4h ；(4)冷卻至室溫，抽濾；(5)用去離子水反覆清洗剛抽濾出的納米碳酸鈣，然後，放入電熱恆溫乾燥箱烘乾；(6)在烘乾後的納米碳酸鈣中加入無水乙醇、甲基丙烯酸甲酯單體和偶氮二異丁腈引發劑，甲基丙烯酸甲酯單體的用量為納米碳酸鈣質量的5%，氨水調節溶液pH值，在 80°C持續攪拌下預聚合IOh ；(7)抽濾，多次衝洗後，在烘箱中烘乾，得到改性的納米碳酸鈣。所述石墨的質量含量不超過12%，由細度80目和200目的石墨混合而成，所述蛭石的細度為60-80目，所述二氧化鉬的質量含量不超過2%。實施例1配方1
權利要求
1.一種轎車剎車片，其特徵在於，所述剎車片的配料組分包括改性酚醛樹脂，改性丁腈橡膠，納米碳酸鈣，增強纖維和摩擦性能調節劑，其中，改性酚醛樹脂由納米TW2進行改性處理，採用原位生成法，使原位生成的Tio2顆粒在酚醛樹脂基體中具有良好的分散性和結合力；改性丁腈橡膠通過添加納米S^2進行改性，通過機械攪拌使納米S^2與丁腈橡膠混合均勻；納米碳酸鈣採用丙烯酸，無水乙醇，甲基丙烯酸甲酯單體和偶氮二異丁腈引發劑進行改性處理。
2.如權利要求1所述的轎車剎車片，其特徵在於，所述納米S^2在使用前經過偶聯劑表面覆蓋改性，所述偶聯劑為鈦酸酯，具體步驟為(1)將納米SiA在300°c的溫度下烘乾汕；(2)用無水乙醇稀釋鈦酸酯，其用量為納米SiA質量的8%；(3)將稀釋後的鈦酸酯加入盛有納米S^2的容器中，採用超聲波分散，確保鈦酸酯偶聯劑均勻的粘附在納米SiA表面；(4)經過1.5h的超聲分散，將納米SiA濾出，用無水乙醇清洗，放入烘乾箱烘乾，烘乾時間為2h，得到改性的納米Si02。
3.如權利要求1所述的轎車剎車片，其特徵在於，納米碳酸鈣的改性處理過程為(1)稱取適量的納米碳酸鈣溶解於一定量的無水乙醇中，超聲波分散1.5h ；(2)稱取一定量的丙烯酸溶於蒸餾水中，超聲波分散20min；(3)向超聲波分散後的納米碳酸鈣中，緩慢滴加分散好的丙烯酸水溶液，並加入少量的氨水，調節溶液的PH值，在70°C的條件下，以120轉/分的速度攪拌4h ；(4)冷卻至室溫，抽濾；(5)用去離子水反覆清洗剛抽濾出的納米碳酸鈣，然後，放入電熱恆溫乾燥箱烘乾；(6)在烘乾後的納米碳酸鈣中加入無水乙醇、甲基丙烯酸甲酯單體和偶氮二異丁腈引發劑，氨水調節溶液PH值，在80°C持續攪拌下預聚合IOh ；(7)抽濾，多次衝洗後，在烘箱中烘乾，得到改性的納米碳酸鈣。
4.如權利要求3所述的轎車剎車片，其特徵在於，所述步驟(2)中，丙烯酸的用量為納米碳酸鈣質量的9% ；所述步驟(3)中，10分鐘內滴加完分散好的丙烯酸水溶液；所述步驟 (6)中，甲基丙烯酸甲酯單體的用量為納米碳酸鈣質量的5%。
5.如權利要求1-4任一所述的轎車剎車片，其特徵在於，所述剎車片的配料組分的質量百分比為改性酚醛樹脂10-14%，改性丁腈橡膠2%，納米碳酸鈣10%，增強纖維48-49%，和摩擦性能調節劑25-30%。
6.如權利要求5所述的轎車剎車片，其特徵在於，所述增強纖維包括碳纖維，鋼纖維和海泡石纖維。
7.如權利要求5所述的轎車剎車片，其特徵在於，所述摩擦性能調節劑包括石墨，蛭石，鋅粉和二硫化鉬。
8.如權利要求7所述的轎車剎車片，其特徵在於，所述石墨的質量含量不超過12%，所述二氧化鉬的質量含量不超過2 %。
9.如權利要求7所述的轎車剎車片，其特徵在於，所述石墨由細度80目和200目的石墨混合而成，所述蛭石的細度為60-80目。
10.如權利要求1-9所述的轎車剎車片的製備方法，包括以下步驟(1)配料混料，按權利要求5所述比例將配料組分在自動配料系統中進行配料；(2)熱壓，採用一次成型工藝，設備是四柱壓機，壓力設定值為200-400kg/cm2，熱壓溫度為150-170°C，熱壓時間為7-8分鐘；(3)熱處理，將熱壓好的剎車片送到保溫爐中進行熱處理，爐溫保持在140-180°C，保溫時間12h，然後隨爐溫冷卻；(4)將熱處理後的剎車片，用刀具對周邊的溢料和毛刺進行處理，根據技術要求進行鑽孔，磨削內弧、外弧以及倒角，檢驗。(5)噴碼包裝，將加工好的剎車片進行噴碼，噴碼後進行包裝入庫。
全文摘要
本發明涉及一種轎車剎車片，其配料組分包括改性酚醛樹脂，改性丁腈橡膠，納米碳酸鈣，碳纖維，鋼纖維，礦物纖維，石墨，蛭石，鋅粉和二硫化鉬。酚醛樹脂，丁腈橡膠，納米碳酸鈣均通過改性處理。本發明還提供一種轎車剎車片的製備方法。本發明提供的加入納米材料的轎車剎車片具有摩擦係數穩定，抗熱衰退性強，磨損率小，振動噪音小，韌性好，耐高溫，不傷對偶等優點，是半金屬剎車片的理想替代品。
文檔編號B28B3/00GK102330763SQ20111021646
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月22日 優先權日2011年7月22日
發明者盧從生 申請人:江蘇安捷汽車配件有限公司