專利名稱：一種半軟陶瓷型無石棉摩擦材料及制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半軟陶瓷型無石棉摩擦材料及制造工藝，屬于交通運輸機械、各種工程作業(yè)機械摩擦制動剎車制動裝置所用摩擦材料的改進(jìn)。該技術(shù)主要是對固體工業(yè)廢料進(jìn)行再生利用，并對粘合劑的制備提出了新方法。
隨著交通運輸車輛及各種工程作業(yè)機械的載重量和速度的提高，棉線增強剎車片不能適應(yīng)越來越繁重的工況，最終人們選定石棉纖維來代替棉纖維，一直沿用到今天。在現(xiàn)代機械裝置中，制動和傳動裝置是不可缺的。其核心部件是各種制動摩擦和傳動摩擦襯片。目前，用于制動和傳動的摩擦襯片主要有三類石棉基摩擦襯片、半金屬摩擦制動襯片和金屬基燒結(jié)摩擦制動襯片①石棉基摩擦襯片的主要原材料是粘合劑和石棉。由于礦藏豐富，石棉纖維又具有一定的強度和良好的絕熱和耐熱性，所含主要組分SiO2使其表現(xiàn)出優(yōu)越的摩擦磨損性能，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，適應(yīng)性強。因而，在摩擦材料制造行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。其缺點是熱失重嚴(yán)重，不適應(yīng)車輛向高速重載方向發(fā)展的工況。到上世紀(jì)后半期，人們突然發(fā)現(xiàn)石棉是一種強致癌物質(zhì)，國際衛(wèi)生組織將其列為八種致癌物質(zhì)之首。從而，引起了摩擦材料行業(yè)業(yè)內(nèi)人士的極大關(guān)注，工業(yè)發(fā)達(dá)國家從七十年代末就開始了尋找石棉替代物的工作。于是，便開始出現(xiàn)了用來代替石棉纖維的各種人造纖維和無然纖維，如各種金屬纖維、玻璃纖維、碳纖維(包括預(yù)氧絲)、芳倫纖維、凱弗拉纖維等，使用的天然纖維有硅灰石纖維和海泡石纖維。尤其是為了適應(yīng)在高速車輛上采用的盤式制動器，以金屬纖維為主要替代物的半金屬剎車片得到應(yīng)用，并大有推廣之勢。
②金屬基燒結(jié)摩擦制動襯片是上世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的一種新型摩擦制動襯片。它是由多種金屬粉末在高溫、高壓下燒結(jié)而成。主要用于像飛機等高速運輸工具上。這種摩擦材料制成的摩擦襯片在高溫下具有較高的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性；但是其價格高、組織脆、冷效果差，且噪音大、對對偶的磨損較大。
③半金屬摩擦制動襯片的主要成分是粘合劑和各種金屬纖維及金屬顆粒，可分為半石棉(少石棉)和無石棉二大類。目前，半金屬摩擦材料制造汽車盤式制動器襯片是較理想的摩擦材料。該材料以鋼纖維為增強骨架，以耐熱合成樹脂為粘合劑，含有形成穩(wěn)定的摩擦表面轉(zhuǎn)移膜的摩擦性能調(diào)節(jié)劑的三元復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，并采用高粘附性與韌性的過度層材料。使盤式片具有穩(wěn)定的摩擦性能，剎車靈敏，噪音小，使用安全，壽命長等特點。但是已經(jīng)證明，這種剎車片只能用于盤式制動器，對大型重載作業(yè)設(shè)備和運輸設(shè)備的鋼制剎車鼓是不適用的。不論他們是從哪個國家引進(jìn)的技術(shù)、設(shè)備，國內(nèi)所有半金屬摩擦材料生產(chǎn)廠家基本上都是處于同一水平上的重復(fù)生產(chǎn)，并沒有什么創(chuàng)新之處。
可見，對于國內(nèi)摩擦材料行業(yè)來說，無石棉化的程度還很低，在目前的摩擦材料市場中石棉基摩擦材料仍占有相當(dāng)大的比例，大約在80％以上。要實現(xiàn)摩擦材料的無石棉化還需要付出艱巨的勞動。然而，縱觀百年來的摩擦材料行業(yè)，摩擦材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是以纖維增強的概念作為設(shè)計基礎(chǔ)，以消耗大量的自然資源為手段。所以，即使找到了礦物纖維代替石棉，也許消除了石棉的污染，卻無法限制自然資源的大量消耗。
本發(fā)明的目的就在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供了一種半軟陶瓷型無石棉摩擦材料及制造工藝。它主要是創(chuàng)立了摩擦材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中微粒增強的概念和空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)填充粒子的增強方法，創(chuàng)造一種完全新型的“綠色”摩擦材料。其綠色的涵義在于①徹底根除了摩擦材料中石棉對環(huán)境及人體健康的危害；②為工業(yè)廢料的再生利用找到了一條出路，部分地消除了工業(yè)廢料對環(huán)境的污染，大大降低了自然資源的消耗。這種半軟陶瓷型無石棉摩擦材料，它主要是由專用粘合劑、專用粉料、摩擦調(diào)整劑及助劑經(jīng)特殊工藝加工而成，其主要的技術(shù)特點是粘合劑是由丁腈橡膠和酚醛樹脂混合而成，并占總重量的13～28％；專用粉料是采用了經(jīng)活化處理的熱電廠排放的粉煤灰球形微?！?，并占總重量的18～40％；摩擦調(diào)整劑則是使用了碳酸鈣、硫酸鋇、氧化鋁、氧化鐵粉、石墨、陶土、銅屑、硬質(zhì)酸鈣、蛭石、硅灰石、云母片、短片玻璃纖維、石油焦、再生膠、煤粉及焦炭粉的混合物，并占總重量的15～35％；助劑則是使用了防老劑、硫化劑、促進(jìn)劑、脫模劑、助燃劑、消煙劑、著色劑和表面活性劑及膠粘劑的混合物，并占總重量的5～15％。
上面所述的粘合劑是丁睛橡膠和酚醛樹脂的化學(xué)熔融改性的混合物，各占總重量的百分比分別為5～14％、8～20％，其中的丁腈橡膠是事先用無機超細(xì)微粉處理過的；上面所述專用粉料是將熱電廠排放的粉煤灰球形微粒——漂珠用表面活性劑進(jìn)行活化處理，即將漂珠與烷基偶聯(lián)劑均勻混合，置于80～100℃的溫度下保溫。
上面所述的摩擦調(diào)整劑各組份的重量比是碳酸鈣4～12％、硫酸鋇2～10％、氧化鋁3～14％、氧化鐵粉3～10％、石墨1～6％、陶土4～10％、銅屑2～8％、硬脂酸鈣0.5～4％、蛭石4～12％、硅灰石4～16％、云母粉2～8％及短切玻纖2～8％、石油焦3～16％、再生膠1～8％、煤粉2～8％、焦炭粉4～16％。
上面所述的各類助劑主要是防老劑、硫化劑、促進(jìn)劑、脫模劑、阻燃劑、消煙劑和著色劑和表面活化劑、膠粘劑。
采用上述的配方和原料組合，并通過以下的工藝步驟即可制造出本發(fā)明所述的半軟型陶瓷摩擦材料的產(chǎn)品①首先用無機超細(xì)粉對粘合劑中的丁腈橡膠進(jìn)行增強處理，然后將處理過的丁腈橡膠與酚醛樹脂通過化學(xué)熔融改性，實現(xiàn)共混，并作為粘合劑；
②將共混后的粘合劑成張切片，制成膠片以備后用；③用烷基偶聯(lián)劑作為表面活性劑對粉料進(jìn)行活化處理；④將膠片、粉料、摩擦調(diào)整劑和各類助劑放入開式煉膠機上進(jìn)行混煉，得到半成品；⑤將需要形狀的模具加熱到120～190℃，再將前道工序的半成品放入其中，在8～18Mpa的壓力下保溫，保溫時間可根據(jù)產(chǎn)品的幾何尺寸而定；⑥出模后在140～200℃的穩(wěn)定下保溫2～4小時；⑦對產(chǎn)品進(jìn)行整形處理即可。
下面將結(jié)合實施例來詳述本發(fā)明的技術(shù)特點。
在實際研究和制造中，本發(fā)明的設(shè)計者是采用無機工業(yè)廢料微粒代替石棉生產(chǎn)摩擦材料，作為一個發(fā)明整體，其發(fā)明的實施包括以下三個方面①摩擦材料骨架材料的選擇。經(jīng)過長期考察和試驗分析，對環(huán)境造成巨大污染的工業(yè)廢料—粉煤灰中的漂珠具有與石棉相近的化學(xué)組份(見附表)，石棉是一種空心管狀纖維，而漂珠是一種空心球狀顆粒，它們具有相同的耐熱、隔熱和耐磨特性，完全可以代替石棉用作摩擦材料的骨架材料。由于粉煤灰是一種高度分散的微細(xì)顆粒集合體，主要由氧化硅玻璃球組成，粒徑1～50微米，顆粒形狀分為球形顆粒與不規(guī)則顆粒，而用作摩擦材料骨架的球形顆粒是其中的漂珠。因此，粉煤灰必須經(jīng)過收集、干燥、凈化和篩分、表面處理以后才能代替石棉生產(chǎn)摩擦材料。我們的創(chuàng)意就在于把漂珠處理得能夠適用于新型橡塑粘合劑。處理的原理是采用表面活化劑將漂珠表面激活，使之與橡塑粘合劑中橡膠分子上的羧基發(fā)生交聯(lián)，以形成牢固的結(jié)合，從而實現(xiàn)顆粒增強。處理方法是，將漂珠和烷基偶聯(lián)劑均勻混合后，置于80～100℃的溫度下保溫。
②采用大組分橡膠樹脂相互改性形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為摩擦材料粘合劑，提高摩擦材料的韌性，以得到適中的摩擦磨損性能。由于酚醛樹脂和橡膠有優(yōu)良的相容性，二者可以實現(xiàn)充分的相互分散，樹脂對橡膠又有補強作用，從而使橡膠與合成樹脂并用體具有一定的柔韌性和耐熱性。其具體做法是利用橡膠和樹脂的優(yōu)良的相容性，通過化學(xué)反應(yīng)共混，形成有接枝和嵌段組成的均勻分散的兩相體系，從而達(dá)到了降低樹脂硬脆性、增加柔韌性，提高產(chǎn)品的彈性和強度的目的。
③通過優(yōu)化，各組分的重量百分比為粘合劑為13～28％、漂珠為18～40％、摩擦調(diào)整劑為15～35％、各類助劑為5～15％。其中粘合劑是丁腈橡膠和酚醛樹脂的混合物，各占總重量的百分比分別為5～14％、8～20％，丁腈橡膠是用無機超細(xì)微粉處理過的。摩擦調(diào)整劑可以是碳酸鈣4～12％、硫酸鋇2～10％、氧化鋁3～14％、氧化鐵粉3～10％、石墨1～6％、陶土4～10％、銅屑2～8％、硬脂酸鈣0.5～4％、蛭石4～12％、硅灰石4～16％、云母粉2～8％及短切玻纖2～8％、石油焦3～16％、再生膠1～8％、煤粉2～8％、焦炭粉4～16％等。各類助劑可以是防老劑、硫化劑、促進(jìn)劑、脫模劑、阻燃劑、消煙劑和著色劑和表面活化劑、膠粘劑等。將上述材料經(jīng)過合理組合，可以生產(chǎn)出不同功用、不同使用要求的剎車片，以滿足市場各種設(shè)備和車輛對剎車片的不同需求。其具體制造過程是首先用無機超細(xì)微粉對丁腈橡膠進(jìn)行增強處理，然后將處理過的丁氰橡膠和酚醛樹脂的混合物通過化學(xué)熔融改性，成張切片備用；然后，用表面活化劑對粉料進(jìn)行活化處理；最后，將膠片和粉料在開式煉膠機上進(jìn)行混煉，得到半成品料片，入庫備用。將模具加熱到120～190℃，放入半成品片料或粉料，在8～18Mpa的壓力下保溫，保溫時間視產(chǎn)品的幾何尺寸而定。出模后在140～200℃的溫度下，保溫2～4小時，對產(chǎn)品進(jìn)行后處理。
按上述配方和工藝制作了不同性能的剎車片，分別由山東省無石棉摩擦材料技術(shù)研究推廣中心摩擦磨損實驗室和國家非金屬礦制品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心對上述樣品進(jìn)行了檢測，其各項指標(biāo)均達(dá)到或超過了有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的要求。針對兩類不同的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)石油鉆機剎車負(fù)荷大、摩擦速度高和鋼制剎車鼓以及在野外作業(yè)等特點，按照上述配方制作了石油鉆機剎車塊，通過室內(nèi)檢測和礦場裝機使用，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。現(xiàn)場使用表明，該剎車片無煙霧，剎車制動平穩(wěn)，壽命長，達(dá)到在用剎車片壽命的兩倍以上，受到司鉆的高度贊揚，被譽為是石棉剎車塊的最理想的換代產(chǎn)品。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的半軟陶瓷型無石棉摩擦材料由于是通過對粘合劑的特殊改性和以特種摩擦調(diào)整劑與顆粒狀工業(yè)廢料增強復(fù)合、采用特殊工藝制造的新型無石棉摩擦材料，其特點如下①比重小、強度高，摩擦系數(shù)水平高而穩(wěn)定、熱衰退小、壽命長；②不損傷剎車鼓，尤其適用于制造重負(fù)荷鋼制剎車鼓的高速、重載機械裝備制動片和離合器面片；③阻燃性好、無煙塵和火花是本發(fā)明的一大特點，用于鉆探油氣井的鉆井和修井設(shè)備的剎車片獨具特色；④無噪音，適用于制造城市公共交通車輛剎車片，可以大大減少城市噪音的污染；⑤本發(fā)明的摩擦材料具有半軟陶磁的特性，適用于制造高速交通車輛的摩擦制動襯片，剎車平穩(wěn)，制動時有漸進(jìn)感，具有ABS的制動效果。
權(quán)利要求
1.一種半軟陶瓷型無石棉摩擦材料，它主要是由專用粘合劑、專用粉料、摩擦調(diào)整劑及助劑經(jīng)特殊加工而成，其特征在于粘合劑是由丁腈橡膠和酚醛樹脂混合而成，并占總重量的13～28％；專用粉料是采用了經(jīng)活化處理的熱電廠排放的粉煤灰球形微?！?，并占總重量的18～40％；摩擦調(diào)整劑則是使用了碳酸鈣、硫酸鋇、氧化鋁、氧化鐵粉、石墨、陶土、銅屑、硬質(zhì)酸鈣、蛭石、硅灰石、云母粉、短切無堿玻璃纖維、石油焦、再生膠、煤粉及焦炭粉的混合物，并占總重量的15～35％；助劑則是使用了防老劑、硫化劑、促進(jìn)劑、脫模劑、阻燃劑、消煙劑、著色劑和表面活性劑及膠粘劑的混合物，并占總重量的5～15％。
2.一種用于半陶瓷型無石棉摩擦材料的制造工藝，其特征在于通過以下的工藝步驟來實現(xiàn)半軟型陶瓷摩擦材料產(chǎn)品的制造與加工①首先用無機超細(xì)粉對粘合劑中的丁腈橡膠進(jìn)行增強處理，然后將處理過的丁腈橡膠與酚醛樹脂通過化學(xué)熔融改性，實現(xiàn)共混，并作為粘合劑；②將共混后的粘合劑成張切片，制成膠片以備后用；③用表面活性劑對粉料進(jìn)行活化處理；④將膠片、粉料、摩擦調(diào)整劑和各類助劑放入開式煉膠機上進(jìn)行混煉，得到半成品；⑤將需要形狀的模具加熱到120～190℃，再將前道工序的半成品放入其中，在8～18Mpa的壓力下保溫，保溫時間可根據(jù)產(chǎn)品的幾何尺寸而定；⑥出模后在140～200℃的穩(wěn)定下保溫2～4小時；⑦對產(chǎn)品進(jìn)行整形處理即可。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半軟陶瓷型無石棉摩擦材料，其特征在于所述的粘合劑是丁睛橡膠和酚醛樹脂的化學(xué)熔融改性的混合物，各占總重量的百分比分別為5～14％、8～20％，其中的丁腈橡膠是事先用無機超細(xì)微粉處理過的；專用粉料是將熱電廠排放的粉煤灰球形微?！橛帽砻婊钚詣┻M(jìn)行活化處理，即將漂珠與烷基偶聯(lián)劑均勻混合，置于80～100℃的溫度下保溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半軟陶瓷型無石棉摩擦材料，其特征在于所述的摩擦調(diào)整劑各組份的重量比是碳酸鈣4～12％、硫酸鋇2～10％、氧化鋁3～14％、氧化鐵粉3～10％、石墨1～6％、陶土4～10％、銅屑2～8％、硬脂酸鈣0.5～4％、蛭石4～12％、硅灰石4～16％、云母粉2～8％及短切玻纖2～8％、石油焦3～16％、再生膠1～8％、煤粉2～8％、焦炭粉4～16％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半軟陶瓷型無石棉摩擦材料，其特征在于所述的各類助劑主要是防老劑、硫化劑、促進(jìn)劑、脫模劑、阻燃劑、消煙劑、著色劑和表面活化劑、膠粘劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種半軟陶瓷型無石棉摩擦材料，其特征在于所述的用于處理丁腈橡膠的無機超細(xì)微粉是微米級和納米級的粘土、SiO2、氧化鐵粉、硬脂酸鈣和氧化鋁粉。
全文摘要
一種半軟陶瓷型無石棉摩擦材料,它是利用熱電廠外排的工業(yè)廢料——漂珠來代替?zhèn)鹘y(tǒng)摩擦材料中石棉,并通過改性粘合劑和采用特殊的加工工藝而制造出的一種新型的“綠色”摩擦材料。它具有比重小、強度高,摩擦系數(shù)水平高而穩(wěn)定、熱衰退小、壽命長;不損傷剎車鼓,阻燃性好、無煙塵和火花、無噪音;剎車平穩(wěn)、制動時有漸進(jìn)感,具有ABS的效果。
文檔編號F16D69/02GK1350130SQ0114460
公開日2002年5月22日 申請日期2001年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月20日
發(fā)明者翟玉生, 張金中, 李安, 張友森 申請人:石油大學(xué)(華東)