全 文 ：　第 27 卷第 7 期 高分子材料科学与工程 Vol.27 , No.7
　2011 年 7 月 POLYMER MA TERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Jul.2011
剑麻纤维/硅灰石混杂增强摩擦制动材料的性能
熊雪梅 , 韦　春 , 曾　铭
(桂林理工大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室 ,材料科学与工程学院 ,广西桂林 541004)
摘要:选用纳米粒子改性酚醛树脂为基体 , 以剑麻纤维和硅灰石混杂为增强纤维 ,制备了无石棉复合摩擦材料。采用 D-
MS 定速摩擦机对样品进行定速试验 ,利用扫描电镜对磨损表面进行分析 ,研究了剑麻纤维/硅灰石不同配比对摩擦材料
性能的影响。结果表明 ,当剑麻纤维和硅灰石的配比为 1∶2时 , 该摩擦材料的力学性能较好 ,摩擦系数稳定在 0.4 ～ 0.5
之间 ,具有较好的耐磨性能 , 达到了汽车制动器衬片 GB5763-1998 的规定要求。
关键词:剑麻纤维;硅灰石;混杂增强;摩擦磨损;耐热性
中图分类号:TQ314.262　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-7555(2011)07-0046-04
收稿日期:2010-05-04
基金项目:国家 973计划前期研究专项(2008CB617513);国家自然科学基金资助项目(50763001);广西自然科学基金资助项目(桂科自
0728223);广西应用基础研究专项(桂科基 0836016);广西研究生教育创新项目(2009105960305M13)
通讯联系人:韦　春 ,主要从事聚合物基复合材料研究 , E-mai l:glw eichun@glite.edu.cn
　　增强纤维是摩擦材料的重要组成部分 ,随着传统
使用的石棉基摩擦材料因热衰退性大及致癌性而禁止
使用 ,采用两种或两种以上纤维的混杂增强已经成为
摩擦材料的一个主要方向。剑麻纤维具有质地坚韧 、
强度高 、耐摩擦 、耐海水腐蚀以及耐低温等多种优
点[ 1] ,属于可再生资源 ,可自然降解 ,不会对环境构成
污染 ,价格也比较低廉 ,因此近年来剑麻纤维的应用受
到越来越多的关注[ 2] 。
硅灰石和石棉同属金属矿物系列 ,其化学成分较
为接近 ,硅灰石的抗热衰退性能比石棉强 ,且硅灰石产
品无毒性 ,故硅灰石纤维是替代石棉的主要材料之
一[ 3] 。
本文采用剑麻纤维/硅灰石作为混杂增强纤
维[ 4 ,5] ,选用纳米 SiO2 改性酚醛树脂作为基体树脂 ,
研制出了一种性能优异的摩擦制动材料 ,其各项性能
均达到汽车制动器衬片 GB5763-1998 的规定要求 ,
目前类似研究报道较少。
1　实验部分
1.1　主要原料
剑麻纤维(SF):广西剑麻集团公司提供 ,使用前
剪成 3 cm ～ 5 cm ,80 ℃烘干;硅灰石(WF):石家庄天
源矿业公司;纳米 SiO2 改性酚醛树脂(PF):武汉海宝
龙复合材料有限公司;六次甲基四胺:上海试剂一厂;
亚硫酸氢钠:广东达濠精细化学品公司;四硼酸钠:天
津市北方天医化学试剂厂 。
1.2　剑麻表面处理
将SF 浸泡于 2%的 NaOH 溶液中 ,室温处理 24
h ,水洗至中性后烘干备用 。将碱处理过的 SF 依次在
2%KH-550 乙醇溶液和阻燃剂溶液(10 %硼砂-
HCHO-NaHSO3)中各浸泡4 h ～ 5 h ,然后于 80 ℃左右
烘干 。
1.3　SF/WF/PF摩擦材料的制备
将酚醛树脂 、剑麻纤维 、硅灰石 、填料 、摩擦性能调
节剂(腰果壳油摩擦粉)等按配方比例混合均匀 ,用塑
炼机热炼 ,使物料进一步混合均匀 ,然后将物料粉碎 、
干燥 ,通过模压成型工艺制备样品。模压工艺条件:
150 ℃～ 165 ℃,3 MPa ,5 min。冷却后 ,按 120℃2h+
160℃2h +180℃2h 的时间进行后固化 , 即得到 SF/
WF/PF 复合摩擦材料 。
1.4　性能测试
1.4.1　冲击试验:JC-25型摆锤冲击试验机 ,承德精
密试验机有限公司。复合材料的冲击试样尺寸为
120mm ×10mm×4mm ,按 GB1043-93测试。
1.4.2　摩擦磨损试验:DMS-150定速式实验机 , 武汉
祥龙摩擦材料有限责任公司 。根据 GB 5763-1998
进行检测 ,试样尺寸为 25mm×25mm ×5mm ,对偶盘
材料为 HT250 珠光体组织 ,硬度为 HB180 ～ 220 , 转
速为 480 r/min ,沿同一直径方向对称布置 ,压紧力为
0.98 MPa下测定 100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300
℃各个规定温度下的摩擦系数和磨损率 ,试样数量为
2个 。
1.4.3　热重分析:德国 NETZSCH 公司 S TA449C 热
重分析仪 ,温度区间:50 ℃～ 700 ℃,升温速率:10 K/
min ,氮气氛围。
1.4.4　硬度测试:MH-6数字式显微硬度计 ,上海恒
一企业有限公司 ,复合材料的硬度按 GB9340-88进
行测试。
1.4.5　磨损表面的 SEM:日本 JEOL 公司的 JSM-
6380LV型扫描电子显微镜(SEM),材料磨损面喷碳
处理 。
Tab.1 　 The Mechanical Properties of SF/WF/ PF
Friction Materials
SF/WF Impact st rength(kJ/m2)
Vickers hardness
(kgf/mm2)
0/ 3 1.60 42.04
1/ 2 2.70 39.91
1/ 1 2.88 35.22
2/ 1 2.91 34.57
3/ 0 4.31 33.54
2　结果与讨论
2.1　混杂纤维比例对 SF/WF/PF摩擦材料力学性能
的影响
保持剑麻纤维和硅灰石的用量为总量的 30%,仅
改变剑麻纤维与硅灰石的配比 ,研究了纤维配比对材
料力学性能的影响(见 Tab.1)。由 Tab.1 可以看到 ,
剑麻纤维增强的复合材料具有较高的冲击强度 ,这是
因为剑麻纤维经过了表面处理 ,提高了纤维与树脂基
体之间的粘接力 ,从而具有较好的力学性能 。而硅灰
石增强的复合材料冲击强度较低 ,其大小为 1.60 kJ/
m
2 ,但与剑麻纤维混杂后 ,复合材料的冲击强度分别
提高了 1.68 、1.8 、1.81倍 ,所以剑麻纤维的加入有助
于改善摩擦材料的冲击强度。这是因为复合材料在混
合成型过程中 ,混杂纤维形成若干级无规交叉网络结
构 ,这种结构优势互补 ,形成混杂效应并对裂纹的扩展
产生了束缚作用 ,而且阻止了基体的形变位错和分子
链的运动 ,因此对材料的韧性起到增强作用[ 4] 。
2.2　混杂纤维比例对 SF/WF/PF摩擦材料摩擦磨损
性能的影响
采用剑麻纤维和硅灰石作为增强材料 ,这两种纤
维以“混杂”形式而不是以“单一”形式作为增强材料 ,
这是因为混杂纤维增强能充分发挥各纤维的优点 ,满
足材料的性能要求。Fig.1 、Fig .2 分别是纤维混杂比
对SF/WF/PF 摩擦材料摩擦磨损性能影响 ,由图可以
看到 ,剑麻纤维增强摩擦材料由于剑麻纤维本身的耐
热性不足 ,导致其高温摩擦系数较低 ,磨损率较大;硅
灰石增强摩擦材料的高温摩擦系数不稳定 ,尤其是
250 ℃时摩擦系数达到了 0.613 ,产生突变 ,而且该摩
擦材料硬度大 ,造成其磨损率也较大。但是 ,当二者互
相混杂后 ,摩擦系数起到互补作用 ,磨损率也降低了 ,
其中 ,当剑麻和硅灰石的比例为 1∶2时 ,随着温度的变
化 ,摩擦材料的摩擦系数稳定 ,保持在 0.45 ～ 0.55之
间 ,磨损率也保持在较低范围内。因此 ,剑麻纤维和硅
灰石混杂后能起到“混杂效应” ,分析认为 ,剑麻纤维是
一种植物纤维 ,对改善物料混合性能和降低摩擦材料
的密度都起到一定的作用 ,尤其在 200℃以上就直接
炭化 ,起到类似于炭纤维稳定摩擦性能的作用 ,而不同
于其他纤维在一定温度下熔化而使摩擦性能发生突
变 ,能提高材料抗摩擦热衰退性和改善制动效能稳定
性 ,加上硅灰石具有较高的强度和刚性 ,而剑麻纤维具
有良好的韧性和耐疲劳性 ,所以两者间能产生协同效
应。
Fig.1　Effect of Hybrid Ratio on Friction Coefficient
Fig.2　Effect of Hybrid Ratio on Wear Ratio
2.3　混杂纤维比例对 SF/WF/PF摩擦材料热性能的
影响
Fig .3和 Fig.4分别为不同纤维混杂比例的 SF/
WF/PF 复合材料的热重(TG)曲线和微分热重(DTG)
曲线 , Tab.2 是复合材料的热分解数据 。从 Fig .3 、
47　第 7期 熊雪梅等:剑麻纤维/硅灰石混杂增强摩擦制动材料的性能
Fig.4可以看出 ,纤维混杂比对 SF/WF/PF 摩擦材料
热性能有较大的影响 ,只填充剑麻纤维的复合材料的
耐热性能较差 ,这是由于剑麻纤维作为一种植物纤维 ,
其本身的耐热性不足造成的。但是 ,当它与硅灰石混
杂后 ,耐热性有显著提高 。其中 ,当剑麻纤维和硅灰石
的混杂比为 1∶2时 ,该摩擦材料具有较高的热稳定性 ,
其分解 10%对应的温度为 392.5℃,较其它混杂比的
摩擦材料分解温度分别提高了62.5 ℃和45 ℃。虽然
与纯硅灰石增强相比 ,硅灰石增强有较好的耐热性 ,混
杂增强的耐热性还是差一些 ,但这是由于硅灰石本身
的高熔点性质决定的 ,而且硅灰石增强的摩擦材料存
在硬度大 ,高温摩擦系数不稳定等缺点[ 3] ,所以硅灰
石一般都是作为辅助纤维来用 。本文通过对剑麻纤维
和硅灰石进行混杂 ,能使得摩擦材料保持摩擦系数稳
定的同时 ,还能提高耐热性能 ,满足了摩擦材料的各项
性能要求 。
Fig.3　Effect of Hybrid Ratio on the TG Curves Fig.4　Effect of Hybrid Ratio on the DTG Curves
Fig.5　SEM Photographs of Worn Surface of SF/WF/ PF Composites
Tab.2　Thermal Degradation Data of SF/WF/ PF Compos-
ites
SF/WF T d10%(℃)
Residual char mass
(%)
0/ 3 442.5 71.98
1/ 2 392.5 69.98
1/ 1 347.5 64.56
2/ 1 330.0 60.15
3/ 0 312.5 49.17
2.4　SF/WF/PF复合摩擦材料的磨损面分析
Fig .5为不同纤维混杂比例的 SF/WF/PF 复合摩
擦材料磨损面的 SEM 照片 ,由 Fig.5(a)可以看出 ,只
填充硅灰石纤维的摩擦材料磨损面有明显的坑穴 ,发
生了明显的磨粒磨损 ,这是因为硅灰石质地较硬 ,在摩
擦过程中分离出的磨削会划伤磨损表面 ,在载荷的作
用下脱落成颗粒或片状磨削 ,所以在磨损面上留下一
些麻点和坑穴。而只填充剑麻纤维的摩擦材料表面有
许多肉眼可辨别的炭质粉末(见 Fig.5(c)),它们对摩
擦过程起到减摩润滑作用 ,导致摩擦系数下降 。当剑
麻纤维与硅灰石混杂后 ,磨损面发生较为明显的变化 ,
原来的坑穴变少了 ,表面上有少许犁沟划痕和少数纤
维裸露在外(见 Fig.5(b)),由于磨损显露出的纤维支
撑了接触面之间的大部分荷载[ 6] ,且纤维混杂后在摩
擦材料内结织成网状 ,起到比单一纤维更好的增强作
用 ,所以该摩擦材料的综合性能得到提高。
3　结论
(1)混杂纤维作为汽车制动摩擦材料 ,具有良好
的摩擦磨损特性 、较高的冲击强度等优点 ,同时该制动
48 高分子材料科学与工程 2011年　
摩擦材料符合环保的要求 。
(2)纤维混杂比对摩擦磨损性能影响研究表明 ,
当剑麻纤维与硅灰石混杂比例为 1∶2 时 ,所制得摩擦
材料力学性能较高 ,摩擦系数稳定 ,同时具有较好的耐
磨性 , 其摩擦磨损性能达到 GB5763-1998要求 。
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Properties of Sisal Fiber/Wollastonite Hybrid Reinforced Friction Brake Materials
Xuemei Xiong , Chun Wei , Ming Zeng
(Key Laboratory of New Processing Technology for Nonferrous Metals and Materials , Ministry of Educat ion ,
Faculty of Material Science and Engineering , Guilin University of Technology , Guilin 541004 , China)
ABSTRACT:By using phenol formaldehyde resins modified with nano-SiO2 as matrix , using surface-t reated sisal fiber
and w ollastonite as reinforcement , we prepared the asbestos-f ree f riction material.The friction and w ear properties
w ere investigated on constant speed(D-MS)tester.And the abrasion surfaces of composites were observed by scan-
ning electron microscope(SEM).The result shows that all the properties , such as , f riction coef ficient and wear rate
can meet the GB5763-1998 requirement .When the sisal f iber and wollastonite hybrid ratio is 1∶2 , the composite
has the high mechanical properties , suitable and stable coef ficient of friction and relatively low w ear rate especially at
high temperature.
Keywords:sisal fiber;wollastoni te;hybrid reinforcement ;friction and w ear;heat-resistant properties
高分子专利
专利名称:一种磷酸酯双三聚氰胺盐阻燃环氧树脂纳
米复合物材料
专利申请号:CN200710041629.0
公开号:CN101092503
申请日:2007.06.05　　　公开日:2007.12.26
申请人:华东理工大学
本发明所要解决的技术问题是公开一种阻燃环氧
树脂纳米复合物材料 ,是这样制备的:将钠基蒙脱土 、
有机溶剂的水溶液 、硅烷偶联剂放置到反应器中混合 ,
加热至 40℃～ 100℃,反应 2h ～ 22h ,即获得有机蒙脱
土。以 1-氧-4-羟甲基-2 , 6 , 7-三氧-1-磷杂
双环[ 2.2.2]辛烷 、POCl3 、三聚氰胺为原料 ,制得(1-
氧代-4-亚甲基-2 ,6 , 7-三氧-1-磷杂双环[ 2.2.
2]辛烷)磷酸酯双三聚氰胺盐阻燃剂。将有机蒙脱土 、
所制的阻燃剂加到环氧树脂和固化剂间苯二胺的混合
物中 ,在 80℃～ 160℃固化 6h ～ 12h ,即获阻燃环氧树
脂/有机蒙脱土纳米复合材料。在本发明制备的这种
纳米复合材料中 ,磷氮系阻燃剂与蒙脱土之间存在良
好的协同效应 ,所需的添加量小 ,保持并提高了环氧树
脂的热机械性能 ,阻燃性良好 。
49　第 7期 熊雪梅等:剑麻纤维/硅灰石混杂增强摩擦制动材料的性能