硬脂酸處理鈦酸鉀晶須對坡縷石纖維樹脂摩擦材料摩擦性能的研究

程 堯,何 林,周元康,閻建偉

(貴州大學機械工程學院,貴陽550003)

硬脂酸處理鈦酸鉀晶須對坡縷石纖維樹脂摩擦材料摩擦性能的研究

程 堯,何 林,周元康,閻建偉

(貴州大學機械工程學院,貴陽550003)

研究了硬脂酸對鈦酸鉀晶須的改性效果,用處理了的鈦酸鉀晶須增強坡縷石復合制備摩擦材料,研究復合兩種礦物纖維的增強機制。發現15%(質量分數)的鈦酸鉀晶須添加量在復合材料中分散不易均勻,摩擦因數波動較大,不利于復合材料的摩擦性能;13%以下的鈦酸鉀添加量對復合材料的摩擦因數的影響不大;10%的鈦酸鉀晶須添加量制備的復合材料磨損率最低,比未添加的坡縷石復合材料,耐磨性提高了27%,對改善坡縷石的耐磨性有顯著的作用,特別是250℃以上的高溫階段的耐磨性得到顯著改善。

硬脂酸;鈦酸鉀晶須;坡縷石;摩擦

非金屬摩擦材料的優點在于成本低,摩擦噪聲小,對對偶摩擦撞擊磨損影響小。復合礦物纖維作為非金屬摩擦材料也大量運用在汽車、動車及城市輕軌等剎車材料中。貴州大方產坡縷石纖維應用在汽車摩擦片中的研究已成功的取得一定得進展,但存在磨損性能較低,制造的摩擦材料耐磨性能差等缺點[1]。

大量的科研人員對鈦酸鉀晶須的性能做了相關研究,得出鈦酸鉀晶須有優良的力學性能,穩定的化學性能,硬度低,耐磨性好,耐高溫[2]。本工作旨在利用這一特性,用硬脂酸改性處理鈦酸鉀晶須,從鈦酸鉀晶須的不同含量角度,把它添加在坡縷石復合材料中,探討適當的鈦酸鉀晶須含量對坡縷石復合材料的影響,研究短纖維與長纖維的纏繞微彌補增強復合機制,改善坡縷石樹脂復合摩擦材料耐磨性差的狀況,提高復合材料的耐磨性。

1 實驗

1.1 原料與設備

鈦酸鉀晶須:江蘇宜興市晶須復合材料制造廠,平均直徑0.1～1μm,長徑比在10～100μm[2];硬脂酸:分析純,東陵精細化學公司。丁腈改性酚醛樹脂(濟南圣泉海沃斯化工有限公司),產品規格:牌號PF2 6530A;坡縷石:自制粉末,原礦來源于貴州大方。20目坡縷石比40目和60目坡縷石摩擦性能好[3],本實驗采用20目坡縷石。蛭石:河北京石礦產加工廠。

實驗過程中用到的儀器設備主要有攪拌器,恒溫爐,恒溫干燥箱,電子秤,傅里葉紅外光譜分析儀,D2M s定速式摩擦試驗機,JSM 26400型電子掃描電鏡等。

1.2 制備工藝

(1)濕法改性。用硬脂酸與鈦酸鉀晶須混料,在100℃的水溶液中以900r/min轉速攪拌10min,晾干,在干燥箱中100℃干燥,干燥2h,室溫冷卻[4]。

(2)干法工藝制樣。首先用電子天平(精確度為0.0019)稱量各原料,原料配方如表1。將各成分放入混料機中,以800r/min轉速攪拌5min。再經熱壓(20M Pa)成型,溫度160℃,時間10m in。然后對產品進行熱處理:本實驗固化處理工藝為120℃/2h+ 150℃/2h+180℃/3h。

表1 摩擦材料配方/g_______Table 1__Formulas of experimentalmat____________ erials/g

1.3 測試內容

1.3.1 改性效果分析

硬脂酸改性鈦酸鉀晶須試驗采用濕法改性處理。用3%的硬脂酸改性鈦酸鉀晶須處理效果最好[4]。最佳工藝下硬脂酸與鈦酸鉀晶須的反應程度可以通過傅里葉變換紅外光譜分析來定性判斷。實驗對硬脂酸、未改性以及改性前后的鈦酸鉀晶須試樣進行了紅外光譜測定和分析。

1.3.2 摩擦性能測試

按GB5763798,在咸陽新益摩擦密封設備有限公司D2M s定速式摩擦試驗機上進行性能測試。試樣長寬25mm×25mm、厚5～7mm。測試轉速5000r/m in、正壓力1225N。用在不同溫度下的平均摩擦因數和磨損率,評價不同含量的鈦酸鉀晶須對坡縷石復合材料的摩擦材料性能影響。

2 結果與討論

2.1 硬脂酸改性鈦酸鉀晶須結果分析

鈦酸鉀晶須有很多優點,也得到很廣泛的應用,但在材料中易團聚和搭橋現象,采取改性處理,改善鈦酸鉀晶須與材料均勻分散是必要的[5,6]。

硬脂酸的化學式為CH3(CH2)16COOH,分子間靠氫鍵聯接。硬脂酸屬于陰離子表面活性劑,分子一端為長鏈烷基,其結構和聚合物分子結構近似,因而與有機高聚合物基料有一定的相容性;分子另一端為羥基,可與無機填料或顏料表面發生物理、化學作用。因此,硬脂酸表面處理鈦酸鉀晶須,可改善鈦酸鉀晶須與高聚物基料的親和性,提高其在高聚物基料中的分散程度。另外,硬脂酸本身具有潤滑作用,還可使復合體系的內摩擦力減少,改善復合體系的流動性能。為研究硬脂酸對鈦酸鉀晶須的改性效果以及硬脂酸與鈦酸鉀晶須的作用機理,試驗對硬脂酸、未改性以及改性前后的鈦酸鉀晶須試樣進行了紅外光譜測定和分析,光譜曲線圖如圖1所示。

圖1 鈦酸鉀晶須改性前后的FT2IR光譜(a)鈦酸鉀晶須;(b)硬脂酸改性后的鈦酸鉀晶須;(c)硬脂酸Fig.1 IR curves of PTW modified and not modified by stearic acid (a)PTW;(b)PTW modified by stearic acid;(c)stearic acid

從圖1中可見,鈦酸鉀晶須經硬脂酸改性后在波數2917.98cm-1和2850.56cm-1處出現了明顯的CH3和CH2的伸縮振動峰。在波數1855.95cm-1處出現了COO-的伸縮振動峰。說明硬脂酸在晶須的表面產生很強的物理吸附和化學作用。

2.2 鈦酸鉀晶須含量對復合材料的影響

2.2.1 摩擦因數分析

鈦酸鉀晶須的添加量,對復合材料的摩擦磨損性能是有影響的。本實驗配方如表1,用5%,8%,10%, 13%,15%(質量分數,下同)五個含量加入到相應的坡縷石樹脂復合材料中,制備摩擦試樣,進行摩擦磨損實驗,摩擦性能參數中的摩擦因數改變情況如圖2。

圖2 各摩擦試樣隨溫度變化的摩擦因數Fig.2 Frictional coefficient curves of six samp lesw ith temperature change

從圖2中可以看出,加15%的鈦酸鉀晶須對坡縷石的摩擦因數影響大于其他含量的,跟未添加鈦酸鉀晶須復合材料比,摩擦因系波動幅度增大,這不利于材料的摩擦性能。原因可能是由于太多的鈦酸鉀晶須不易分散,也影響了其他材料的分散均勻性,摩擦材料的摩擦性能降低。添加鈦酸鉀晶須含量在5%,8%, 10%,13%的試樣摩擦因系曲線看,他們對材料的摩擦因數基本沒有影響。

2.2.2 磨損率的分析

圖3是摩擦實驗中測得的磨損率變化情況。

圖3 各試樣隨溫度變化的磨損率Fig.3 Wear rate curves of six samples with temperature change

從圖3中可以看出,添加了鈦酸鉀晶須的坡縷石復合材料的磨損率多數都有所降低,但添加15%的鈦酸鉀晶須含量對坡縷石復合材料的耐磨性沒有得到改善反而升高,可能是晶須含量增多導致晶須分散不均,材料之間勾連不均,出現應力集中,材料更容易磨損。10%的鈦酸鉀晶須含量對復合材料耐磨性有顯著的改善,磨損率降低27.0%。13%的鈦酸鉀晶須含量的次之,磨損率降低21.8%。含量為8%的鈦酸鉀晶須,磨損率降低了19.4%。含量為5%的鈦酸鉀晶須磨損率降低了12.3%。

250℃以上的高溫階段,添加鈦酸鉀晶須的試樣磨損曲線平滑,磨損率波動幅度不大,這說明鈦酸鉀晶須的耐高溫性能改善了坡縷石高溫結構水損失后的耐磨性急劇下降的狀況。

從摩擦因數的改變和磨損率的變化情況綜合分析,10%的鈦酸鉀晶須含量最有利于坡縷石復合材料的摩擦磨損性能改善。

2.3 SEM電鏡掃描磨損面摩擦磨損機理探討

選取了未加鈦酸鉀晶須的、最佳添加量10%和最差添加量15%的三個試樣進行SEM掃描(如圖4),來分析磨損表面形貌。

圖4 摩擦磨損顯微形貌 (a)未加鈦酸鉀晶須的試樣; (b)加10%的鈦酸鉀晶須的試樣;(c)加15%的鈦酸鉀晶須的試樣Fig.4 SEM micrograph of friction samples (a)sample without PTW; (b)sample with 10%PTW;(c)samp le with 15%PTW

從磨損形貌來看,圖4(a)沒有鈦酸鉀晶須的加入,形成在摩擦面上的轉移膜不完整,出現犁溝狀,磨損嚴重。圖4(b)磨損形貌比圖4(a)平整,形成了致密的轉移膜,更耐磨損,原因可能是基于:貴州大方坡縷石纖維較長,一般為0.02～2mm,長徑比比較大,鈦酸鉀晶須的平均直徑0.1～1μm,長徑比在10～100μm,長纖維在自我纏繞中,存在空隙,短纖維填補了這個空隙,長的坡縷石纖維與極短的鈦酸鉀晶須形成了勾連,并連接起整個長纖維形成一個有較強的力學性能的結構整體,增強了復合材料的各個方向的力學性能。鈦酸鉀晶須的顯微增強作用得到發揮,復合材料更耐磨損。由于添加鈦酸鉀晶須較多,分散不均,易團聚(如圖4(c)),也會導致坡縷石纖維的團聚,整個復合材料的摩擦性能下降,摩擦表面不平整,在高溫下,出現有樹脂燒蝕融化的形貌特征。

3 結論

(1)鈦酸鉀晶須在3%的硬脂酸處理下,發生了物理化學的作用,鈦酸鉀晶須的表面吸附了硬脂酸,鈦酸鉀晶須更易分散。

(2)含量為15%的硬脂酸處理鈦酸鉀晶須加入到坡縷石復合摩擦試樣后,摩擦因數波動幅度最大,其他幾個添加含量跟沒加鈦酸鉀晶須的摩擦因數比較,對復合材料的摩擦因數的影響不大。

(3)硬脂酸處理后的鈦酸鉀晶須在添加含量為10%時,平均磨損率最低,比未添加鈦酸鉀晶須的坡縷石復合材料降低了27%,復合材料耐磨性得到顯著提高。

(4)由于鈦酸鉀晶須在改善耐磨性方面的優越性能,對它改性并研究合適的添加量來改善耐磨性差的坡縷石復合摩擦材料,在礦物纖維在非金屬摩擦材料中的應用研究是具有重要意義的。

[1] 陳永成.坡縷石纖維表面改性及其對汽車摩擦材料性能影響的研究[D].貴陽:貴州大學碩士論文.2007.

[2] 吳訓錕,王浩.摩擦材料中鈦酸鉀應用的關鍵問題[J].摩擦密封材料,2006,(3):13-16.

[3] 何林,劉勇.坡縷石摩擦材料摩擦磨損特性的基礎研究[J].非金屬礦,2007,(5):61-62.

[4] 程堯.鈦酸鉀晶須表面改性的研究[J].非金屬礦,2009,(6):17-19.

[5] 陳衛平,馮新.鈦酸鉀晶須界面性質研究[J].物理化學學報, 2004,(8):868-870.

[6] 陳東輝.鈦酸鉀晶須PTFE基復合材料截面與組分及性能的研究[D].南京:南京工業大學碩士學位論文,2002.

Study on Friction Property of Palygorskite Resin Composites w ith PTW Modified by Stearic Acid

CHENG Yao,HE Lin,ZHOU YUAN2kang,YAN JIAN2wei
(College of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China)

Effect of po tassium titanate w hiskers(K2O·6TIO2,PTW)modified by stearic acid w as stud2 ied.Compounded friction materials w ith PTW and palygorskite and studied enhancement mechanism of composite materials.Found out that it is not uniform ly dispersive to the composites w ith 15% PTW additive amount,the change of frictional coefficient is not great.Composites w ith 13%PTW additive amount and below the amount of it had little effect to frictional coefficient of composites.The compositesw ith 10%PTW additive amount have a lowestwear rate,wear resistance increased 27%to imp rove the w ear ability significantly,especially on high temperature phase above 250℃,imp roved significantly.

stearic acidand;potassium titanate w hisker;palygorskite;f riction

TB383

A

100124381(2010)1120057203

2010203205;

2010209210

程堯(1974—),女,講師,博士研究生,主要研究摩擦材料方向,聯系地址:貴州大學蔡家關校區機械工程學院(550003),E2mail: chengyaonl@126.com