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）

丁苯膠乳在紙基摩擦材料中的應(yīng)用

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）

采用碳纖維、短切芳綸纖維和芳綸漿粕、竹纖維為原料，濕法成形制備紙基摩擦材料原紙；探討了丁苯膠乳在摩擦材料原紙成形過(guò)程中對(duì)填料留著率和紙頁(yè)成形的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：丁苯膠乳的加入提高了填料留著率和紙頁(yè)強(qiáng)度；降低了紙頁(yè)孔隙率，不過(guò)孔隙率降低得很小，對(duì)摩擦材料孔隙率的影響幾乎不存在。

紙基摩擦材料；丁苯膠乳；留著率；紙頁(yè)強(qiáng)度；孔隙率

紙基摩擦材料主要由纖維、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑和膠粘劑構(gòu)成，其中原紙的制備采用了傳統(tǒng)的抄紙工藝，將纖維、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑在水相介質(zhì)中分散，并最終以脫水的方式成形［1］。隨著對(duì)紙基摩擦材料配方和生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，目前發(fā)達(dá)國(guó)家的紙基摩擦材料已具有摩擦因數(shù)高、摩擦性能穩(wěn)定、耐磨損性能良好、動(dòng)靜摩擦因數(shù)比可調(diào)和能量吸收能力高等一系列優(yōu)良性能［2-6］，紙基摩擦材料被用于各類重型車輛和工程機(jī)械的濕式離合器和制動(dòng)器中，特別是作為汽車自動(dòng)變速器中濕式離合器的摩擦片材料，更具有廣闊的應(yīng)用前景［7］。

紙基摩擦材料最常用的增強(qiáng)纖維有芳綸纖維、碳纖維、玻璃纖維和其他有機(jī)合成纖維。汽車離合器和摩擦片綜合性能的要求不斷提高，單一的某種纖維很難實(shí)現(xiàn)摩擦材料對(duì)性能的要求，所以紙基摩擦材料都是由多種纖維混合組成，以獲得良好的綜合性能［8-9］；由于采用的纖維原料在水相介質(zhì)中潤(rùn)濕性較差，表面活性低，易于絮聚成團(tuán)，成紙勻度低［10-11］；纖維之間結(jié)合力低，難以吸附填料、致使填料容易沉降。隨著紙張品種增加及性能要求提高，膠乳在造紙中獲得日益廣泛的應(yīng)用，被大量用作紙漿添加劑、紙張浸漬劑及紙張涂層劑等，以提高紙張的干、濕拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、耐折強(qiáng)度及耐水、耐油和耐磨等性能［12］。

本實(shí)驗(yàn)主要采用丁苯膠乳作為紙基摩擦材料的調(diào)節(jié)劑，探究丁苯膠乳在摩擦材料原紙成形過(guò)程中對(duì)填料留著率、紙頁(yè)成形的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料及儀器

實(shí)驗(yàn)原料：碳纖維，長(zhǎng)3～5 mm；芳綸短切纖維，長(zhǎng)3～6 mm；芳綸漿粕：長(zhǎng)1 mm，打漿度13°SR；竹漿，打漿度13°SR；片狀石墨，100～200目；硅藻土，100～200目；氧化鋁，100～200目；分散劑，聚氧化乙烯（PEO），相對(duì)分子質(zhì)量300萬(wàn)～400萬(wàn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%；纖維黏結(jié)劑，羧基丁苯膠乳，固含量48%；助留劑，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM），相對(duì)分子質(zhì)量1 000萬(wàn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%；海泡石絨，工業(yè)品。

實(shí)驗(yàn)儀器：ZQJ 1-B紙頁(yè)成形器；L&WSE-062抗張強(qiáng)度測(cè)定儀；NO.SE003標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解器；愛(ài)利門道夫撕裂度儀；DMB 5-223IPL-5多媒體顯微鏡。

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

制取紙基摩擦材料原紙的步驟如下。

1.2.1纖維處理

對(duì)位芳綸漿粕、竹漿纖維分別進(jìn)行打漿處理，芳綸纖維打漿度30°SR，竹漿纖維打漿度20°SR，風(fēng)干后計(jì)算水分，備用；芳綸短切纖維放入溫度60℃的水中，加入適量的十二烷基本磺酸鈉進(jìn)行清洗，再用清水清洗，干燥備用；碳纖維使用濃硝酸浸泡，并用電動(dòng)攪拌器適當(dāng)攪拌，然后用水清洗后干燥，備用。

1.2.2制備均勻的混合漿料

將處理后的芳綸纖維、碳纖維、芳綸漿粕和竹漿，以及各種填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑加入疏解器中，加入0.01%的PEO，疏解2 000 r；然后加入一定量的丁苯膠乳，疏解300 r，使丁苯膠乳均勻分布在漿料中，充分吸附在纖維表面，并在纖維之間和纖維與填料之間形成結(jié)合力；再加入絮凝劑CPAM，疏解300 r，使?jié){料澄清，使纖維與填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑充分絮聚結(jié)合；最后加入一定量的PEO，疏解300 r，形成分散均勻的漿料。

1.2.3紙頁(yè)抄造

采用紙樣抄片器制備紙基摩擦材料原紙，紙漿濃度控制為0.06%，定量為100 g/m2。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中竹漿纖維為基體纖維，利用其良好的耐磨性能和廉價(jià)性；以芳綸纖維及其漿粕、碳纖維作為增強(qiáng)纖維；羧基丁苯橡膠顆粒被用于增加摩擦材料彈性，使之在工作時(shí)能與對(duì)偶更好地接觸。填料為海泡石、硅藻土、三氧化二鋁、二氧化硅和碳酸鈣。其中，硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)于紙基材料的孔隙率提高有重要影響；三氧化二鋁、二氧化硅和碳酸鈣為硬質(zhì)填料，以增強(qiáng)紙頁(yè)的摩擦系數(shù)；摩擦性能調(diào)節(jié)劑為石墨；并以PEO作為分散劑，CPAM用作絮凝劑；羧基丁苯膠乳對(duì)纖維之間的結(jié)合、以及纖維對(duì)填料的吸附起到增強(qiáng)作用。

1.3.1羧基丁苯膠乳加入量對(duì)填料留著的影響

實(shí)驗(yàn)中羧基丁苯膠乳固含量為2%，加入量2%（相對(duì)于原紙質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）；在使用一定量的CPAM下，調(diào)整羧基丁苯膠乳的加入量，分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%，制取漿料，測(cè)定留著率。

1.3.2羧基丁苯膠乳加入量對(duì)原紙性能影響

實(shí)驗(yàn)根據(jù)羧基丁苯膠乳助留體系對(duì)填料留著的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，分別制取漿料，然后通過(guò)紙頁(yè)成形器抄取手抄片，測(cè)定其抗張強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度。

1.3.3羧基丁苯膠乳加入量對(duì)孔隙率的影響

實(shí)驗(yàn)采用上一設(shè)計(jì)方案（羧基丁苯膠乳加入量相對(duì)于原紙性能影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)），抄取紙頁(yè)進(jìn)行孔隙率的測(cè)定。

1.4檢測(cè)方法

1.4.1漿料留著率

按照一定比例配制漿料，疏解后濃度控制在0.45%，取500 mL漿料，通過(guò)動(dòng)態(tài)慮水儀過(guò)濾100 mL濾液（這一步驟模擬紙頁(yè)成形過(guò)程）；得到的濾液經(jīng)定量濾紙過(guò)濾、烘干，并放入高溫箱測(cè)定灰分?；曳仲|(zhì)量即為填料流失質(zhì)量，然后計(jì)算填料流失率。

1.4.2紙頁(yè)孔隙率

孔隙率依據(jù)GB/T 13826—2008《濕式紙基摩擦材料》測(cè)定。其步驟如下：（1）將紙頁(yè)烘干至恒重或干燥24 h，然后冷卻至室溫，稱其質(zhì)量（G1），準(zhǔn)確到0.1 mg；（2）在室溫下，干燥紙頁(yè)全部浸入20號(hào)機(jī)油中，時(shí)間為24 h，使機(jī)油完全浸入紙頁(yè)的孔隙；（3）將浸飽油的紙樣浸沒(méi)在油中稱其質(zhì)量（G2），準(zhǔn)確到0.1 mg；（4）從油中取出紙樣后，用濾紙小心地擦去試樣表面附著油，不得擠壓紙頁(yè)，立即稱量（G3），準(zhǔn)確到0.1 mg。（5）按以下公式計(jì)算孔隙率：

P=（G3-G1）/（G3-G2）×100%

式中：P，孔隙率，%；G1，干燥試樣的質(zhì)量，g；G2，飽油試樣在油中的質(zhì)量，g；G3，飽油試樣在空氣中的質(zhì)量，g。

1.4.3抗張強(qiáng)度和撕裂度

抗張強(qiáng)度和撕裂度分別采用L&W SE-062抗張強(qiáng)度測(cè)定儀和愛(ài)利門道夫撕裂度儀進(jìn)行測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1羧基丁苯膠乳加入量對(duì)填料留著率的影響

丁苯膠乳是一種合成膠乳，是由不同比例的苯乙烯和丁二烯單體在乳液或溶液中經(jīng)催化劑催化共聚而成［13］，根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)又可分為非羧基丁苯膠乳和羧基丁苯膠乳等2種。在漿料中加入丁苯膠乳可以使?jié){料分散成均一的乳液，因?yàn)闈{料中存在不飽和酸性基團(tuán)，膠乳表面的羥基基團(tuán)被纖維表面的堿性基團(tuán)中和，丁苯膠乳離子化。離子化的羧基具有親水性能而吸附在纖維的外部，并且表面羧基帶有負(fù)電荷使膠乳成為陰離子型，這與漿料中的大部分纖維帶有同性電荷，于是乳膠顆粒之間、纖維之間由于靜電斥力形成均勻分散的漿料溶液，從而有效防止碳纖維、芳綸纖維以及填料的快速沉降。

圖1顯示了羧基丁苯膠乳加入量對(duì)填料留著率的影響。

圖1　丁苯膠乳加入量對(duì)填料留著率的影響

由圖1可知，隨著丁苯膠乳加入量的增加，填料的留著率不斷提高。當(dāng)丁苯膠乳加入量為0%時(shí)，填料的留著率只有91.56%；隨著丁苯膠乳加入量的增加，留著率的增加速率變慢，丁苯膠乳加入量為2%時(shí)，填料留著率為94.7%。其主要原因是纖維表面對(duì)填料吸附作用增強(qiáng)；但是填料顆粒細(xì)小、密度大、易沉降，容易隨水流失，當(dāng)丁苯膠乳加入量超過(guò)2%時(shí)，繼續(xù)增加丁苯膠乳也很難提高填料的留著。

圖2是羧基丁苯膠乳對(duì)填料留著機(jī)理顯微結(jié)構(gòu)圖。

由圖2顯微鏡觀察可知：圖2（a）未添加丁苯膠乳的漿料，填料在碳纖維和芳綸纖維表面幾乎沒(méi)有吸附，并且纖維之間比較分散；圖 2（b）是加入丁苯膠乳后，增強(qiáng)纖維表面有少量的填料吸附，并且纖維之間相互纏結(jié)，在漿料內(nèi)部形成一層交織的網(wǎng)，從微觀結(jié)構(gòu)說(shuō)明了丁苯膠乳對(duì)漿料的留著作用。

圖2　丁苯膠乳對(duì)填料留著機(jī)理顯微結(jié)構(gòu)圖

2.2羧基丁苯膠乳加入量對(duì)抗張強(qiáng)度的影響

圖3顯示了羧基丁苯膠乳加入量對(duì)紙頁(yè)強(qiáng)度的影響。

圖3　丁苯膠乳加入量對(duì)紙頁(yè)強(qiáng)度的影響

由圖3可知，隨著丁苯膠乳加入量的增加，抗張強(qiáng)度和撕裂度都不斷增加。當(dāng)丁苯膠乳加入量為0%時(shí)，抗張強(qiáng)度為2.7 kN/m，撕裂度為1 514 mN；當(dāng)加入量為2%時(shí)，抗張強(qiáng)度為3.9 kN/m，撕裂度為1 774 mN。其主要原因是加入的丁苯膠乳分散在纖維表面，在CPAM作用下，丁苯膠乳被破乳，纖維之間絮聚纏繞，膠乳通過(guò)其黏結(jié)作用增強(qiáng)纖維之間的結(jié)合力，從而提高了抗張強(qiáng)度和撕裂度。當(dāng)加入量超過(guò)2%時(shí)，撕裂度和抗張強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。其主要原因是在漿料中丁苯膠乳充分地吸附在纖維表面，形成飽和，過(guò)量的膠乳不會(huì)對(duì)紙頁(yè)的強(qiáng)度產(chǎn)生較大的提高。

2.3羧基丁苯膠乳加入量對(duì)紙頁(yè)孔隙率的影響

孔隙率對(duì)摩擦材料的工作狀態(tài)具有重要影響。孔隙率越高，摩擦材料在液態(tài)油中摩擦?xí)r內(nèi)部油液循環(huán)越快，能更快地將摩擦面產(chǎn)生的熱量分散，降低摩擦材料的熱損耗。摩擦材料的孔隙率由原料、紙頁(yè)結(jié)構(gòu)以及樹脂含量共同決定。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13826—2008要求，紙基摩擦材料孔隙率約為25%～50%。

圖4顯示了羧基丁苯膠乳加入量對(duì)紙頁(yè)孔隙率的影響。

圖4　丁苯膠乳加入量對(duì)紙頁(yè)孔隙率的影響

由圖4可知，隨著丁苯膠乳的加入量增加，紙頁(yè)的孔隙率逐漸降低。當(dāng)丁苯膠乳加入量0%時(shí)，孔隙率約為80%；加入量為2%，孔隙率為77%。丁苯膠乳加入量增加導(dǎo)致孔隙率降低的主要原因是，丁苯膠乳使填料吸附在纖維上，在紙頁(yè)成形時(shí)留著在紙頁(yè)中，填料填充了紙頁(yè)內(nèi)部的孔隙，從而降低了紙頁(yè)的孔隙率。當(dāng)丁苯膠乳含量超過(guò)2%時(shí)，填料留著率不再繼續(xù)增加，孔隙率也不再變化；其主要原因是填料的體積分?jǐn)?shù)很小，丁苯膠乳的加入，孔隙率下降很小，對(duì)摩擦材料孔隙率的影響幾乎不存在。

3　結(jié)論

（1）由于羧基丁苯膠乳本身的黏著性，纖維與填料以及纖維之間的結(jié)合力增加，能有效提高填料的留著；當(dāng)丁苯膠乳添加量為2%時(shí)，紙頁(yè)的抗張強(qiáng)度達(dá)到3.9 kN/m，撕裂度為1 774 mN，提高了紙頁(yè)的強(qiáng)度性能。

（2）羧基丁苯膠乳對(duì)紙頁(yè)孔隙率有降低作用，降低的幅度很小，不會(huì)影響到紙基摩擦材料對(duì)于高孔隙率的要求。丁苯膠乳的加入對(duì)孔隙率的影響與對(duì)紙頁(yè)增強(qiáng)作用以及助留作用相互印證。

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Styrene Butadiene Latex in the Application of Paper-based Friction Materials

WANG Bei-bei，LU Zhao-qing，CHEN Jie
（Shanxi University of Science&Technology，Institute of Light Industry and Energy，Xi'an 710021，China）

In this experiment，using carbon fiber，aramid fiber and aramid pulp and bamboo fiber as raw materials， preparation of paper-based friction materials by wet forming base paper；Styrene butadiene latex are discussed in the base paper forming process of friction material on the effect of filler retention and sheet forming.Experimental results show that the addition of styrene butadiene latex improve filler retention and sheet strength；Reduce the sheet porosity，but lower porosity is small，influence on friction material porosity almost non-existent.

paper-based friction material；styrene butadiene latex；retention rate；sheet strength；porosity

TS727+.2

A

1007-2225（2015）03-0017-04

王貝貝女士（1990-），在讀碩士研究生；主要從事高性能紙基功能材料的研發(fā)；E-mail：15249271900 @163.com。

2015-04-07（修回）

本文文獻(xiàn)格式：王貝貝，陸趙情，陳杰．丁苯膠乳在紙基摩擦材料中的應(yīng)用［J］．造紙化學(xué)品，2015，27（3）∶17-20．