粘結劑含量對摩擦材料摩擦性能的影響研究*

黃四平，于占江，劉　洋，岳建設，王曉芳，姜　娟

(咸陽師范學院化學與化工學院，陜西咸陽 712000)

?

粘結劑含量對摩擦材料摩擦性能的影響研究*

黃四平，于占江，劉洋，岳建設，王曉芳，姜娟

(咸陽師范學院化學與化工學院，陜西咸陽 712000)

摘要：以酚醛樹脂和輪胎粉為粘結劑，按照一定的配方和一定的干法熱壓工藝制備了摩擦材料。采用單因素法，探討了酚醛樹脂和輪胎粉的不同含量對摩擦材料的摩擦性能影響。結果表明，粘結劑的含量對摩擦材料的摩擦磨損性能、機械強度等有顯著的影響，通過改變酚醛樹脂的含量，可以獲得性能優異的摩擦材料。可以使材料實現低密度、低硬度。最佳粘結劑為酚醛樹脂，酚醛樹脂的最佳含量為12%。

關鍵詞：粘結劑，酚醛樹脂，紙基摩擦材料，摩擦性能

摩擦材料廣泛地應用在動力機械上，制動和傳動功能主要是通過摩擦來實現的。其囊括制動襯片(剎車片)和離合器片。紙基摩擦材料從20世紀50年代問世以來，就被廣泛應用于汽車摩擦材料，從1970年左右至今，對于汽車摩擦材料的性能就有了更高的要求[1]，比如要有足夠且穩定的摩擦系數；擁有良好的耐摩性能和抗粘著性能，不易擦傷對偶盤，并且無噪聲，成本低，對環境要求無污染等條件。紙基摩擦材料主要由增強纖維、粘結劑、摩擦性能調節劑和填料等組成[2]。國內外在粘結劑對摩擦材料的性能影響方面有了一定的研究，主要集中在對酚醛樹脂(PF)的改性，有些是通過天然高分子改性酚醛樹脂以獲取較好的熱衰退性能為目的，如Nidhin M、Bijwe J等[3-4]分別以丁腈橡膠和腰果殼油改性PF為粘結劑，魏龍慶則首先利用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)對納米蛭石進行有機化處理[5]，然后加入硼-桐油雙改性的酚醛樹脂，都考察了其含量對摩擦材料的熱衰退和恢復性能的影響；有些是通過無機納米粒子改性酚醛樹脂以提高摩擦材料的力學性能和耐熱性能，如孫振亞[6]采用納米SiO2改性PF制備合成閘片，發現耐熱性能明顯提高；還有些研究集中在開發新的粘結劑，如余建洋通過添加一定量可形成無機陶瓷相的粘結劑，目的是從環保角度減少鋼纖維等金屬材料添加劑[7]；但是酚醛樹脂仍然是摩擦粘結劑的主流。

本研究基于單因素法，以應用較為廣泛的酚醛樹脂、輪胎粉作為復合試驗粘結劑，探索在配方中粘結劑含量一定的情況下，改變酚醛樹脂與輪胎粉的比例，考察了酚醛樹脂與輪胎粉的不同比例對摩擦材料的摩擦磨損性能、硬度、沖擊強度等的影響。

1實驗部分

1.1　實驗配方設計及試劑來源

表1　試驗配方設計

表2　粘結劑比例

注：實施方案為，每組330g，其中，填料、增強纖維273.9g，粘結劑56.1g。

1.2　實驗器材

XLB-D400×400型帶模具側板式平板硫化機(西安裕華橡膠機械廠制造)；京制YDK01-C型靜水密度測量天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司生產)；ZBC1251型擺錘沖擊試驗機(深圳三思縱橫科技股份有限公司)；BY101型混料機(鄭州軍龍制動裝備有限公司)；XDZ-B型摩擦材料制樣機(咸陽新益摩擦密封設備有限公司)；XHRD-150型電動塑料洛氏硬度計(萊州華銀實驗儀器有限公司)；XD-MSM型定速式摩擦試驗機(咸陽新益摩擦密封設備有限公司)；6202型高速粉碎機(西安裕華橡膠機械廠)。

1.3　實驗過程

實驗采用的熱壓工藝流程為：

①配料投料量

根據文獻[8]，粉狀料的密度一般為1.7g·cm-3~2.0g·cm-3，按2.0g·cm-3對投料量進行粗略的計算，投料量等于制品的體積與密度的乘積，由于所壓制的模具尺寸為80mm×39mm×10mm，所以得出投料量為62.4g，由于在壓制裝模時物料會有所損失，所以把投料量設定為66g。每組每次制備5個樣，因此每次配料為330g。實驗結果取5次的平均值。

②混料工藝

物料在壓制前要進行混料，以保證各組分之間分布均勻。混料工藝為：由于芳綸纖維容易結團，先加入芳綸，單獨攪拌2min，將其打散，然后按照先加低比重后加高比重原料的原則依次倒入其他的組分，攪拌3min。

③壓制工藝

采用的工藝壓制參數是：壓制溫度160℃；壓制壓力14MPa；壓制時間10min；前1min每15s放一次氣，前3min，每60s即1min放一次氣。

④熱處理工藝

表3　熱處理工藝

按照熱壓工藝對試驗所用的物料進行壓制成型熱處理得到所需的成品，對成品進行密度、硬度、摩擦磨損性能、沖擊強度的測試，操作規范與流程按照以上實驗設備測試原理中的步驟[9-11]。

2結果與討論

2.1　密度測試結果

摩擦片對密度沒有嚴格要求，但是合適的密度有利于減少對制動盤的損傷。由表4可得，摩擦材料試樣的密度隨著酚醛樹脂含量的不斷增大，其摩擦材料的密度越來越大。

表4　摩擦材料試樣密度數據

2.2　硬度測試結果

從圖1可知，隨著酚醛樹脂含量的增加，摩擦材料制品的硬度隨之增大，對于汽車制動片，適宜的洛氏硬度范圍為40HRM~90HRM，而在40HRM~70HRM更好一些，因為低的硬度的制動片可以提高汽車運行的舒適性[12]。降低制動噪音和對鼓、盤的損傷。所以酚醛樹脂的含量(占總質量的質量分數)在6%(組分2)~12%(組分4)之間是合適的。

圖1　平均洛氏硬度變化趨勢

2.3　摩擦磨損性能測試結果

測試過程，試樣長寬尺寸為25mm×25mm；厚度為5mm～7mm，摩擦盤轉速為500r/min，壓緊力均為0.98MPa。圖2和圖3分別測試了加熱過程和降溫過程中摩擦片摩擦系數隨溫度的變化趨勢，從圖可知，除第1種配方在升溫過程中摩擦系數隨溫度先增大后減小再增大又減小的變化過程外，其他配方，在升溫和降溫過程中，摩擦系數都隨溫度的升高而逐漸緩慢增大，在200℃達到最大后迅速降低。按照車輛和機械對摩擦材料的技術要求，摩擦片應該有一個合適且穩定的摩擦系數，理想的摩擦系數應該具有理想的冷摩擦系數和可以控制的溫度衰退[13]。通過對比摩擦系數在升溫和降溫過程中的變化斜率和幅度，其中組分4、組分6制備的摩擦片都能夠獲得穩定摩擦系數，而其他不同的含量摩擦系數則在各個溫度段有較大的跳躍。

圖2　升溫過程摩擦系數變化曲線

圖3　降溫過程摩擦系數變化曲線

從圖4中可以看出，各種配方的試樣的磨損率隨溫度的變化總體穩定，隨溫度升高而緩慢增加，當溫度超過200℃后，磨損率開始升高，超過250℃后磨損率迅速增大，說明溫度低于200℃，未達到酚醛樹脂的熱分解溫度，酚醛樹脂粘結溫度，磨損率較小；超過200℃后，酚醛樹脂開始分解和熱衰退，摩擦材料磨損率迅速增大。

圖4　平均磨損率隨溫度變化曲線

2.4　沖擊強度測試結果

沖擊強度是采用無缺口簡支梁擺錘試驗，從圖5中可以看出，試樣的沖擊強度隨酚醛樹脂的比例增大而升高，說明酚醛樹脂含量越高，其耐沖擊強度越大。

圖5　沖擊強度變化曲線

3結論

(1)酚醛樹脂粘結劑對摩擦材料的摩擦磨損、沖擊強度等性能有重要影響，摩擦材料的密度、洛氏硬度以及耐沖擊強度隨酚醛樹脂粘結劑含量的增加而增大，而摩擦系數和磨損率隨粘結劑的含量變化改變不明顯，但摩擦系數和磨損率隨溫度變化明顯，也就是說溫度是影響摩擦材料的摩擦系數和磨損率的另外一個重要因素。

(2)通過洛氏硬度測試和摩擦磨損率的測試表明，組分4的配比(酚醛樹脂的含量為12%)可以獲得噪音小、摩擦系數穩定的摩擦材料。

參考文獻

[1] 費杰.高性能紙基摩擦材料技術和工程化應用研究[D].西安：西北工業大學，2009.

[2] 鐘林新，付時雨，周雪松，等.紙基摩擦材料的摩擦性能及其機理研究現狀[J].中國造紙學報，2010，25(11)：96-101.

[3] Nidhin M，Bijwe J，Mazumdar N. Influence of amount and modification of resin on fade and recovery behavior of nonasbestos organic friction materials[J]. Tribol Lett，2006，23(3)：215-222.

[4] Bijwe J，Nidhin M，Satapathy B K. Influence of modified phenolic resins of the fade and recovery behaior of friction materials[J]. Wear，2005，259：1068-1078.

[5] 魏龍慶.酚醛樹脂復合改性對重型汽車制動器摩材料性能的影響[D].江蘇：江蘇大學，2009.

[6] 孫振亞，傅和平，劉紹娥，等.160km/h～200km/h客車高性能合成閘片研究[J].鐵道車輛，2006，44(8)：9-10，43.

[7] 余建洋.環保型高性能摩擦材料研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[8] 梁正國，顧瑞娟.模壓成型技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[9] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. JC/T 685-2009摩擦材料密度試驗方法[S].北京：中國建材工業出版社，2009.

[10] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 5766-2007摩擦材料洛氏硬度試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

[11] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 29066-2012道路車輛制動襯片摩擦材料氣制動商用車磨損試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2013.

[12] 王成燾，姚振強.汽車摩擦學[M].上海：上海交通大學出版社，2002.

[13] 包闊.抗衰退非石棉盤式摩擦材料的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2009.

*基金項目： 陜西省科技廳項目(2014JM2-5062)；咸陽師范學院教改項目(201402022)

Effect the Content of Binder on the Properties of the Paper-based Friction Material

HUANG Si-ping，YU Zhan-jiang，LIU Yang，YUE Jian-she，WANG Xiao-fang，JIANG Juan

(Xianyang Normal University，School of Chemistry and Chemical Industry，Xianyang 712000，Shaanxi，China)

Abstract：According to a stable ratio of raw material and the fixed hot-pressing process，the paper-based friction material was prepared by the phenolic resin and tire as a binder. Though the control variable，it was disscussed on the relation between the different friction properties and the riatio of the the phenolic resin and tire. The results showed that the content of the binder was a significant influence factor on its properties and the best content of phenolic resin was 12%.

Key words：the binder，phenol-formaldehyde resins，the paper-based friction material，the friction performance

中圖分類號：G 642.3

通訊作者：黃四平，博士，研究方向：主要從事有機化工和材料學研究；E-mail：huangsiping1971@163.com；Tel：13152337898