樹脂浸漬對紙基摩擦材料性能的影響

王貝貝 陸趙情 陳 杰

(陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安，710021)

紙基摩擦材料主要由纖維、黏結(jié)劑、填料、具有摩擦性能的調(diào)節(jié)劑等組成，通常采用造紙的方式(制漿和抄紙)生產(chǎn)制造，故稱其為紙基摩擦材料［1］。黏結(jié)劑是紙基摩擦材料的重要組成部分，樹脂 (如酚醛樹脂等)是最常用的黏結(jié)劑，對紙基摩擦材料的摩擦性能具有重要影響。

酚醛樹脂具有良好的機械性能、耐熱性能及耐摩擦性能［2］。但傳統(tǒng)的酚醛樹脂由于中等的熱氧穩(wěn)定性、內(nèi)在的脆性、吸水率高及縮聚固化后產(chǎn)生小分子揮發(fā)物等缺點而阻礙其發(fā)展，因此尋求一種化學(xué)方法對其進行改性勢在必行［3］。加成固化是一種最常用的改性方法，熱塑性固化常用的固化劑多為六次甲基四胺，工業(yè)上還使用了環(huán)氧樹脂等。酚醛樹脂具有良好的黏結(jié)性，固化后的酚醛樹脂有較高的耐熱性和強度性能，如玻璃鋼的彎曲強度可達110～105 MPa。但酚醛樹脂固化后，結(jié)構(gòu)中的酚羥基和亞甲基易于氧化，耐熱性和耐氧化性受到影響［4］。聚酰亞胺樹脂以其低密度、高強度、耐高溫、良好的機械性能、比強度高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱膨脹率低、耐溶劑性好、易加工等優(yōu)良性能在發(fā)動機、飛機、航天器等的耐高溫結(jié)構(gòu)部件中得到了廣泛應(yīng)用。聚酰亞胺樹脂是迄今為止聚合物種類中熱穩(wěn)定性能最好的樹脂之一，熱重分析表明，其分解溫度可達500℃以上，最高能達600℃［5］。但單一的聚酰亞胺樹脂浸漬的紙基摩擦材料具有極強的脆性，且樹脂與纖維的結(jié)合能力比較差。

本實驗主要采用酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰亞胺和酚醛樹脂復(fù)合樹脂作為浸漬液浸漬紙基摩擦材料原紙，探究了不同浸漬條件對紙張強度、孔隙率的影響;此外，對比分析了單一的酚醛樹脂浸漬、單一的聚酰亞胺樹脂浸漬、聚酰亞胺樹脂和酚醛樹脂復(fù)合浸漬對紙基摩擦材料性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗原料包括紙基摩擦材料原紙、2123酚醛樹脂 (簡稱酚醛樹脂)、聚酰亞胺樹脂、六次甲基四胺、N-N二甲基乙酰胺等。其中，摩擦材料原紙中的纖維為碳纖維、對位芳綸纖維及其漿粕、竹漿纖維;填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑分別為海泡石絨、二氧化硅、氧化鋁、硅藻土、片狀石墨、羧基丁苯膠乳、聚氧化乙烯 (PEO)、陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)。

紙基摩擦材料的制作流程如圖1所示。

圖1 紙基摩擦材料的制作流程

1.2 實驗儀器

實驗儀器主要有分析天平、電子天平、熱壓成形機、抗張強度測定儀、電熱恒溫鼓風干燥箱。

1.3 實驗步驟

在實驗中，樹脂浸漬紙基摩擦材料的步驟如下。

步驟一:裁剪原紙。首先在摩擦材料漿料中中添加填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑進行手抄片抄造，然后選取質(zhì)量相近、抄取均勻的手抄片，將其裁剪成100 cm2的圓形，測定手抄片的厚度，用分析天平稱量手抄片的質(zhì)量 (精確至0.1 mg)，作為浸漬的樣品。

步驟二:配制一定濃度的浸漬液。酚醛樹脂浸漬液的配制:用研缽將酚醛樹脂研磨成細小顆粒，稱取一定量研磨好的酚醛樹脂，配制成一定濃度;同時稱取一定量的六次甲基四胺 (為酚醛樹脂質(zhì)量的1/10)。將酚醛樹脂和六次甲基四胺混合后，加入一定量的乙醇，輕輕攪拌，直到酚醛樹脂分散均勻，溶液顏色均一為止。聚酰亞胺樹脂浸漬液配制:將燒杯放在電子天平上，稱取一定量聚酰亞胺樹脂 (黏度大)，緩慢添加入燒杯內(nèi)，然后快速加入一定量的N-N二甲基乙酰胺，用保鮮膜封住燒杯瓶口，晃動燒杯使其浸漬液均一。

步驟三:手抄片浸漬。將浸漬液放入托盤容器(聚酰亞胺樹脂浸漬液則放入密閉的容器內(nèi))，將裁剪好的手抄片浸沒在浸漬液內(nèi)部。待經(jīng)過一定時間、浸漬液浸透手抄片后，用鑷子取出手抄片，放入恒溫鼓風干燥箱烘干，干燥后用分析天平稱量浸漬手抄片質(zhì)量，計算浸漬量，并測定其厚度。

步驟四:手抄片熱壓。將浸漬干燥后的手抄片放入熱壓成形機上進行熱壓，即得到熱壓成形后的手抄片。

1.4 浸漬實驗設(shè)計

1.4.1 酚醛樹脂浸漬

配制不同濃度梯度的酚醛樹脂，分別對紙基摩擦材料原紙的手抄片進行浸漬，然后對浸漬后的手抄片進行熱壓，測定酚醛樹脂熱壓前后手抄片抗張強度和熱壓后手抄片孔隙率的變化。由于酚醛樹脂浸漬量很難精確控制，實驗通過配置酚醛樹脂質(zhì)量濃度控制浸漬量，設(shè)計酚醛樹脂的浸漬量為18%、20%、22%、24%、26%、28%(相對于浸漬后手抄片的質(zhì)量)，其誤差范圍為±0.5%。

1.4.2 聚酰亞胺樹脂浸漬

配制不同濃度梯度的聚酰亞胺樹脂，分別對紙基摩擦材料手抄片進行浸漬，然后對浸漬后的手抄片進行熱壓，測定聚酰亞胺樹脂熱壓前后手抄片抗張強度和熱壓后手抄片孔隙率的變化。不同的聚酰亞胺樹脂浸漬量對紙基摩擦材料具有重要影響，由于聚酰亞胺樹脂與高性能纖維之間的浸潤性差，聚酰亞胺樹脂浸漬量為8%、10%、12%、14%、16%、18%(相對于浸漬后手抄片的質(zhì)量)，其誤差范圍為±0.5%。

1.4.3 聚酰亞胺樹脂和酚醛樹脂復(fù)合浸漬

采用聚酰亞胺樹脂和酚醛樹脂復(fù)合浸漬紙基摩擦材料 (先浸漬聚酰亞胺樹脂，干燥后再浸漬酚醛樹脂)，結(jié)合前期實驗，在保證孔隙率的條件下，這兩種樹脂的總浸漬量為24%左右 (相對于浸漬后手抄片的質(zhì)量)，然后熱壓成形，兩種樹脂配比如表1所示。

表1 聚酰亞胺樹脂與酚醛樹脂復(fù)合浸漬的質(zhì)量分數(shù)配比%

2 結(jié)果與討論

2.1 酚醛樹脂浸漬的影響

酚醛樹脂基本性質(zhì):產(chǎn)品由苯酚、甲醛在酸性介質(zhì)中縮聚而成，能溶于乙醇，加入6%～15%的六亞甲基四胺變?yōu)闊峁绦晕镔|(zhì)，在150℃成型，具有一定的機械強度和電絕緣性能。外觀為棕色透明或半透明的固體或粉狀物，其軟化點95～110℃，游離酚＜3.5%，聚合速度130～180 s/150℃［6］，具有良好的黏結(jié)性能。

圖2為酚醛樹脂浸漬量對熱壓前后手抄片抗張強度的影響。由圖2可知，隨著酚醛樹脂浸漬量的不斷增加，手抄片的抗張強度不斷增加。當酚醛樹脂浸漬量約為24%時，熱壓前抗張強度為6.5 kN/m，熱壓后抗張強度增加為7.62 kN/m;當酚醛樹脂浸漬量大于24%時，熱壓前后手抄片的抗張強度增加逐漸平緩。其主要原因是由于酚醛樹脂濃度越大，單位面積手抄片浸漬量增加，但酚醛樹脂的強度與紙基材料中纖維的強度相比低很多，所以酚醛樹脂含量增加過量時，對手抄片內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響小。

圖3為酚醛樹脂浸漬量對熱壓后手抄片孔隙率的影響。纖維在紙基摩擦材料中隨機分布，沒有特定的取向，形成了大小不一的孔隙結(jié)構(gòu)。孔隙結(jié)構(gòu)能夠使在油況下工作的紙基摩擦材料形成油液循環(huán)的通道，這種循環(huán)通道將摩擦面上的熱量通過油液帶出，減少摩擦表面的熱量累積，有效抑制材料的熱磨損，所以紙基摩擦材料需要適當?shù)目紫堵省Ｓ蓤D3可知，當酚醛樹脂浸漬量為18%時，熱壓后手抄片孔隙率為53.84%，未浸漬手抄片熱壓后的孔隙率為55.84%，兩者相比，前者略小，其主要原因是酚醛樹脂以乙醇為稀釋溶劑，浸漬后的手抄片在恒溫鼓風干燥箱內(nèi)烘干時，浸漬液中的乙醇快速揮發(fā)，酚醛樹脂主要分布在手抄片的外表面。圖3中手抄片孔隙率隨酚醛樹脂浸漬量的增加而降低，并且下降的幅度較大，這主要是因為酚醛樹脂含量低，熱壓成型時，少量的酚醛樹脂固化后難以滲透到手抄片內(nèi)部，手抄片的孔隙率受其影響較小;當酚醛樹脂含量高時，酚醛樹脂經(jīng)熱壓軟化后充分分布在手抄片的內(nèi)部和表面，空隙被填充的密實，所以孔隙率快速下降。

圖2 酚醛樹脂浸漬量對熱壓前后手抄片抗張強度的影響

圖3 酚醛樹脂浸漬量對熱壓后手抄片孔隙率的影響

圖4 聚酰亞胺樹脂浸漬量對熱壓前后手抄片抗張強度的影響

圖5 聚酰亞胺樹脂浸漬量對熱壓后手抄片孔隙率的影響

2.2 聚酰亞胺樹脂浸漬的影響

聚酰亞胺樹脂浸漬紙基摩擦材料原紙能明顯改善成紙的機械強度，并且可以顯著提升其耐溫性能［7］。由于聚酰亞胺樹脂黏度很大，在手抄片浸漬過程中流動性差，并且在浸漬完成后聚酰亞胺樹脂粘著在手抄片表面，無法控制浸漬量，浸漬手抄片不均勻，所以需要添加N-N二甲基乙酰胺稀釋聚酰亞胺樹脂，稀釋后形成均一的溶液用于浸漬［8］。當聚酰亞胺樹脂的固含量為3%左右時，才能浸漬出均勻的手抄片，所以欲得到聚酰亞胺樹脂浸漬量高的手抄片，需要多次浸漬。

圖4是聚酰亞胺樹脂浸漬量對熱壓前后手抄片抗張強度的影響。由圖4可知，隨著聚酰亞胺樹脂浸漬量的不斷增加，手抄片的抗張強度不斷增加。當聚酰亞胺樹脂浸漬量為8%時，手抄片熱壓前抗張強度為5.43 kN/m，手抄片熱壓后抗張強度提高為7.56 kN/m，與酚醛樹脂浸漬量在24%時的手抄片強度性能相近，這說明聚酰亞胺樹脂的黏結(jié)性能比酚醛樹脂強很多。熱壓前后手抄片的強度性能有很大提升，其主要原因是熱壓使熱塑性聚酰亞胺樹脂固化，分子之間產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)在手抄片內(nèi)部起到較強的黏結(jié)作用，纖維之間的結(jié)合力被大幅度提升，所以手抄片熱壓后的強度遠高于熱壓前的。

圖5是聚酰亞胺樹脂浸漬量對熱壓后手抄片孔隙率的影響。由圖5可知，孔隙率隨聚酰亞胺樹脂浸漬量的增加而減小，其主要原因是聚酰亞胺樹脂熱壓成型后，充斥在纖維之間，所以孔隙率下降。

2.3 聚酰亞胺樹脂和酚醛樹脂復(fù)合浸漬的影響

圖6 復(fù)合浸漬液浸漬量配比對熱壓后手抄片抗張強度的影響

圖7 復(fù)合浸漬液浸漬量配比對熱壓后手抄片孔隙率的影響

聚酰亞胺樹脂具有不熔的性質(zhì)，所以在熱壓成型時沒有熔融液化流動的過程，而是其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，分子之間發(fā)生了交聯(lián)組合。由于聚酰亞胺樹脂的剛度大，其單獨在紙基摩擦材料中使用的效果并不好。針對聚酰亞胺樹脂本身的其他優(yōu)異性能，通過與其他樹脂結(jié)合使用而使其浸漬效果最優(yōu)化。

本實驗采用聚酰亞胺樹脂和酚醛樹脂復(fù)合浸漬的工藝浸漬 (先浸漬聚酰亞胺樹脂，干燥后再浸漬酚醛樹脂，復(fù)合浸漬液浸漬量為24%)摩擦材料，按照表1所示的配比浸漬手抄片，記為1#樣、2#樣、3#樣。圖6和圖7分別為不同樹脂配比復(fù)合浸漬液對摩擦材料熱壓后手抄片抗張強度和孔隙率的影響。

由圖6和表1可知，隨著聚酰亞胺樹脂比例的增加，熱壓后手抄片的抗張強度不斷增加，這主要是由于聚酰亞胺樹脂的黏結(jié)性能高于酚醛樹脂。聚酰亞胺樹脂固化后形成的結(jié)構(gòu)與酚醛樹脂固化后形成的結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，前者的強度性能強于后者，因此二者復(fù)合浸漬后手抄片的抗張強度比單一酚醛樹脂浸漬的要高。

由圖7和表1可知，隨著復(fù)合浸漬液中聚酰亞胺樹脂比例的增加，熱壓后手抄片的孔隙率不斷增大。這主要是由于聚酰亞胺樹脂在成型過程時，不是以熔融狀態(tài)存在，不容易進入孔隙，主要存在于纖維表面。雖然手抄片強度和孔隙率均比單一酚醛樹脂浸漬時有所提高，但這種強度的增加有一部分是來自于聚酰亞胺樹脂本身的高強度，這是聚酰亞胺樹脂強度性能的體現(xiàn)。

3 結(jié)論

本實驗分別以酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂和酚醛樹脂復(fù)合共3種浸漬液來浸漬紙基摩擦材料原紙，研究了不同浸漬條件對手抄片抗張強度和孔隙率的影響。

3.1 酚醛樹脂浸漬紙基摩擦材料原紙時，熱壓前后手抄片的抗張強度隨著酚醛樹脂浸漬量的增加而增加，熱壓后手抄片孔隙率隨浸漬量的增加而降低。當酚醛樹脂浸漬量為24%時，手抄片抗張強度和孔隙率最好。

3.2 聚酰亞胺樹脂浸漬紙基摩擦材料原紙時，熱壓前后手抄片的抗張浸漬隨聚酰亞胺樹脂浸漬量的增加而增加，手抄片孔隙率隨浸漬量的增加而降低。

3.3 聚酰亞胺樹脂與酚醛樹脂復(fù)合浸漬紙基摩擦材料原紙時，隨著聚酰亞胺樹脂比例的增加，手抄片的抗張強度不斷增大，孔隙率也逐漸增加。與單一酚醛樹脂浸漬相比，熱壓后手抄片抗張強度和孔隙率均有所提高。

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