黃四平，于占江，劉　洋，岳建設(shè)，王曉芳，姜　娟

(咸陽師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽 712000)

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粘結(jié)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(shè)，王曉芳，姜娟

(咸陽師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽 712000)

摘要：以酚醛樹脂和輪胎粉為粘結(jié)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(jié)果表明，粘結(jié)劑的含量對摩擦材料的摩擦磨損性能、機(jī)械強(qiáng)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(yōu)異的摩擦材料?？梢允共牧蠈?shí)現(xiàn)低密度、低硬度。最佳粘結(jié)劑為酚醛樹脂，酚醛樹脂的最佳含量為12%。

關(guān)鍵詞：粘結(jié)劑，酚醛樹脂，紙基摩擦材料，摩擦性能

摩擦材料廣泛地應(yīng)用在動(dòng)力機(jī)械上，制動(dòng)和傳動(dòng)功能主要是通過摩擦來實(shí)現(xiàn)的。其囊括制動(dòng)襯片(剎車片)和離合器片。紙基摩擦材料從20世紀(jì)50年代問世以來，就被廣泛應(yīng)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(wěn)定的摩擦系數(shù)；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(huán)境要求無污染等條件。紙基摩擦材料主要由增強(qiáng)纖維、粘結(jié)劑、摩擦性能調(diào)節(jié)劑和填料等組成[2]。國內(nèi)外在粘結(jié)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(jié)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(jìn)行有機(jī)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(fù)性能的影響；有些是通過無機(jī)納米粒子改性酚醛樹脂以提高摩擦材料的力學(xué)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(fā)現(xiàn)耐熱性能明顯提高；還有些研究集中在開發(fā)新的粘結(jié)劑，如余建洋通過添加一定量可形成無機(jī)陶瓷相的粘結(jié)劑，目的是從環(huán)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(jié)劑的主流。

本研究基于單因素法，以應(yīng)用較為廣泛的酚醛樹脂、輪胎粉作為復(fù)合試驗(yàn)粘結(jié)劑，探索在配方中粘結(jié)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(qiáng)度等的影響。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)及試劑來源

表1　試驗(yàn)配方設(shè)計(jì)

表2　粘結(jié)劑比例

注：實(shí)施方案為，每組330g，其中，填料、增強(qiáng)纖維273.9g，粘結(jié)劑56.1g。

1.2　實(shí)驗(yàn)器材

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

1.3　實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)采用的熱壓工藝流程為：

①配料投料量

根據(jù)文獻(xiàn)[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(jìn)行粗略的計(jì)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(shí)物料會有所損失，所以把投料量設(shè)定為66g。每組每次制備5個(gè)樣，因此每次配料為330g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果取5次的平均值。

②混料工藝

物料在壓制前要進(jìn)行混料，以保證各組分之間分布均勻?；炝瞎に嚍椋河捎诜季]纖維容易結(jié)團(tuán)，先加入芳綸，單獨(dú)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(shù)是：壓制溫度160℃；壓制壓力14MPa；壓制時(shí)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(yàn)所用的物料進(jìn)行壓制成型熱處理得到所需的成品，對成品進(jìn)行密度、硬度、摩擦磨損性能、沖擊強(qiáng)度的測試，操作規(guī)范與流程按照以上實(shí)驗(yàn)設(shè)備測試原理中的步驟[9-11]。

2結(jié)果與討論

2.1　密度測試結(jié)果

摩擦片對密度沒有嚴(yán)格要求，但是合適的密度有利于減少對制動(dòng)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(shù)據(jù)

2.2　硬度測試結(jié)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(dòng)片，適宜的洛氏硬度范圍為40HRM~90HRM，而在40HRM~70HRM更好一些，因?yàn)榈偷挠捕鹊闹苿?dòng)片可以提高汽車運(yùn)行的舒適性[12]。降低制動(dòng)噪音和對鼓、盤的損傷。所以酚醛樹脂的含量(占總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(jié)果

測試過程，試樣長寬尺寸為25mm×25mm；厚度為5mm～7mm，摩擦盤轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(shù)都隨溫度的升高而逐漸緩慢增大，在200℃達(dá)到最大后迅速降低。按照車輛和機(jī)械對摩擦材料的技術(shù)要求，摩擦片應(yīng)該有一個(gè)合適且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，理想的摩擦系數(shù)應(yīng)該具有理想的冷摩擦系數(shù)和可以控制的溫度衰退[13]。通過對比摩擦系數(shù)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(wěn)定摩擦系數(shù)，而其他不同的含量摩擦系數(shù)則在各個(gè)溫度段有較大的跳躍。

圖2　升溫過程摩擦系數(shù)變化曲線

圖3　降溫過程摩擦系數(shù)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(wěn)定，隨溫度升高而緩慢增加，當(dāng)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(dá)到酚醛樹脂的熱分解溫度，酚醛樹脂粘結(jié)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(qiáng)度測試結(jié)果

沖擊強(qiáng)度是采用無缺口簡支梁擺錘試驗(yàn)，從圖5中可以看出，試樣的沖擊強(qiáng)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(qiáng)度越大。

圖5　沖擊強(qiáng)度變化曲線

3結(jié)論

(1)酚醛樹脂粘結(jié)劑對摩擦材料的摩擦磨損、沖擊強(qiáng)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(qiáng)度隨酚醛樹脂粘結(jié)劑含量的增加而增大，而摩擦系數(shù)和磨損率隨粘結(jié)劑的含量變化改變不明顯，但摩擦系數(shù)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(shù)和磨損率的另外一個(gè)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(shù)穩(wěn)定的摩擦材料。

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*基金項(xiàng)目： 陜西省科技廳項(xiàng)目(2014JM2-5062)；咸陽師范學(xué)院教改項(xiàng)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(jī)化工和材料學(xué)研究；E-mail：huangsiping1971@163.com；Tel：13152337898