鐵路貨車廢閘瓦熱解回收摩擦料的再利用研究

王　玲　玉付華彭健徐霞琳劉英芳衛曉婷王彩輝

（石家莊鐵道大學材料科學與工程學院河北石家莊050043）

鐵路貨車廢閘瓦熱解回收摩擦料的再利用研究

王玲玉付華*彭健徐霞琳劉英芳衛曉婷王彩輝

（石家莊鐵道大學材料科學與工程學院河北石家莊050043）

本文研究了鐵路貨車廢閘瓦熱解分離的回收摩擦料作為主要組分的摩擦材料的性能，當閘瓦回收摩擦料占70wt%，新添加橡膠改性酚醛樹脂10 wt%、石墨10 wt%、鐵粉4 wt%、鋼纖維4 wt%和硫酸鋇2 wt%，在100℃～350℃時摩擦系數在0.43～0.45，熱衰退率4.4%，摩擦系數偏差0.03，350℃磨損率0.91×10-7cm3（N·m）-1，體積磨損率總和2.85×10-7cm3（N·m）-1，室溫下剪切強度4.46MPa，300℃下剪切強度2.12MPa；室溫壓縮應變0.47%，400℃時壓縮應變0.59%，400℃熱膨脹率0.22%。研制新摩擦材料具有穩定的摩擦系數、低的磨損率和良好的熱恢復性，其摩擦磨損性能和力學性能都可以滿足盤式制動器襯片的要求。，再生摩擦材料的再利用對表面膜的形成和磨損性能沒有本質上的影響，磨損機制以粘著磨損為主。

廢閘瓦；回收再利用；摩擦材料；摩擦系數；磨損率

車輛閘瓦（剎車片）的基本結構由鋼背和復合摩擦體組成［1］。摩擦體材料包括樹脂基體、增強纖維、填料等10～20多種，涉及聚合物（樹脂、橡膠等）、金屬（增強纖維、金屬粉末填料等）和無機礦物（耐磨填料等）［2］。由于鋼背與復合摩擦材料分離困難，摩擦材料組分復雜，目前還沒有企業對摩擦材料進行回收循環再利用，也未見國內外相關研究［3］。粗略估計，鐵路貨車每年廢棄閘瓦數量約500萬塊（6500t），其中鋼背回收約2500t，固體廢棄物量巨大。廢閘瓦（片）作為工業固體垃圾主要是深埋回填處理，不但占用很大的土地資源，而且高聚物降解時間長，金屬和無機填料污染土壤和水體環境［4］。

本文以符合“中華人民共和國鐵道行業標準TB/T 2403-2010的鐵道貨車用合成閘瓦”標準的鐵路貨車高摩廢閘瓦為研究對象，通過熱裂解分離閘瓦鋼背與摩擦體材料，以分離后的摩擦體回收料作為主要填料（70 wt%～80wt%）進行新制備摩擦材料的配方設計、成型工藝和性能研究，分析回收摩擦材料循環再利用的可行性。

1　材料與工藝

1.1廢閘瓦回收

將閘瓦整體放在熱解爐里熱解，破壞摩擦材料中起粘結作用的樹脂和橡膠的分子結構，摩擦體材料極易破碎成粉末，從而實現鋼背和摩擦基體材料的分離。熱解后，摩擦材料中的酚醛樹脂等有機組分發生裂解失效，但粉末回收料中的無機組分仍然有效。

1.2試樣制備與性能試驗

為充分利用回收的摩擦材料，廢舊閘瓦回收料的含量在70和80份，部分新摩擦材料配方如表1所示，其中BR表示閘瓦回收摩擦料，RPR代表橡膠改性酚醛樹脂，SF為鋼纖維，MF為復合纖維。將原料混合均勻，加入模具中，在15MPa壓力、160℃溫度下熱壓成型，摩擦材料制品和鋼背熱壓在一起制成制動襯片。制品的摩擦磨損性能按GB5763-98標準在D-MS定速式摩擦試驗機上進行。試驗進行3次重復試驗。

表1　復合摩擦材料配方單位：wt%

2　試驗結果與分析

試樣的摩擦磨損性能如表2所示，μ1為熱衰退階段的摩擦系數，μ2為熱恢復階段的摩擦系數，V為磨損率，單位/10-7cm3（N·m）-1。物理和力學性能測試結果如表3所示。AR70在100℃～350℃時摩擦系數在0.43～0.45，熱衰退率最小，加熱升溫過程和全部試驗過程的摩擦系數偏差都最小，磨損率最小；在降溫過程中不同溫度下的摩擦系數和升溫過程摩擦系數相當，具有很好的熱恢復性。

表2　不同溫度下的摩擦系數和磨損率

根據GB5763-2008汽車用制動器襯片國家標準，襯片按用途分為四類：1類為駐車制動器用，2類為微/輕型車鼓式制動器用，3類為中/重型車鼓式制動器用，4類為盤式制動器用。4類盤式制動器襯片室溫下剪切強度不低于2.5MPa，300℃下剪切強度的企業標準為不小于0.5M Pa；室溫壓縮應變不大于2%，400℃時不大于5%，400℃熱膨脹率不大于2.5%。研制新摩擦材料的摩擦磨損性能和力學性能都可以滿足4類盤式制動器襯片的要求。

表3　物理和力學性能測試結果

隨著摩擦磨損過程的進行，摩擦材料逐漸形成一層平滑薄膜，稱為表面膜，在200℃時，大量均勻光滑致密的表面膜形成（圖1a）。雖然表面膜的形成會稍稍降低摩擦系數μ，但它能減少摩擦性能的波動，穩定摩擦系數，降低磨損率［6］。隨制動過程中摩擦界面溫度的升高，表面膜更加均勻，表面膜的強度、硬度和韌性提高，磨損表面非常光滑。在350℃表面膜仍然致密光滑（圖1b）。表面膜在高溫制動剪應力作用下疲勞破壞，脫落的磨屑均勻細小。

圖1　AR70磨損形貌

3　結語

應用熱解分離廢閘片的回收摩擦材料作為主要組分制作新閘片是可行的。通過配方的調整，研制的新摩擦材料具有穩定的摩擦系數、低的磨損率和良好的熱恢復性，其摩擦磨損性能和力學性能都可滿足4類盤式制動器襯片的要求。

再生摩擦材料的再利用對表面膜的形成和磨損性能沒有本質上的影響，沒有引起摩擦材料摩擦磨損機制的變化，磨損機制以粘著磨損為主。

［1］中國人民共和國鐵道部.TB-T2403-2010鐵道貨車合成閘瓦［S］.北京：中國標準出版社，2010.

［2］劉俊紅，等.我國鐵路貨車制動系統發展與運用現狀［J］.鐵道機車車輛，2006，03：10-14+29.

［3］趙麗華，趙中一.固體廢棄物處理技術現狀［J］.環境科學動態，2002（3）：26-27.

［4］董保澎.我國工業固體廢棄物現狀和處理對策［J］.中國環保產業，2001（10）：20-21.

［5］中國人民共和國.GB5763-2008汽車用制動器襯片［S］.北京：中國標準出版社，2010.

［6］HuaFu，BoLiao，etal.Therm al stability of Poly（ether ether ketone）Composites under Dry-sliding Friction and Wear Conditions.Iranian Polymer Journal17（7），2008，493-501.

付華（1968—），博士，教授，主要從事復合摩擦材料研究。基金項目

河北省科技計劃項目（14273805D），國家自然基金項目（51408380），河北省教育廳青年拔尖人才項目（BJ2014053），河北省大學生創新創業訓練計劃項目，石家莊鐵道大學交通工程材料重點實驗室支持項目。

王玲玉（1995—），女，石家莊鐵道大學2014級無機非金屬材料專業本科學生，河北省大學生創新創業訓練計劃項目主持人。