樹(shù)脂浸漬對(duì)紙基摩擦材料性能的影響

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)

紙基摩擦材料主要由纖維、黏結(jié)劑、填料、具有摩擦性能的調(diào)節(jié)劑等組成，通常采用造紙的方式(制漿和抄紙)生產(chǎn)制造，故稱(chēng)其為紙基摩擦材料［1］。黏結(jié)劑是紙基摩擦材料的重要組成部分，樹(shù)脂 (如酚醛樹(shù)脂等)是最常用的黏結(jié)劑，對(duì)紙基摩擦材料的摩擦性能具有重要影響。

酚醛樹(shù)脂具有良好的機(jī)械性能、耐熱性能及耐摩擦性能［2］。但傳統(tǒng)的酚醛樹(shù)脂由于中等的熱氧穩(wěn)定性、內(nèi)在的脆性、吸水率高及縮聚固化后產(chǎn)生小分子揮發(fā)物等缺點(diǎn)而阻礙其發(fā)展，因此尋求一種化學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行改性勢(shì)在必行［3］。加成固化是一種最常用的改性方法，熱塑性固化常用的固化劑多為六次甲基四胺，工業(yè)上還使用了環(huán)氧樹(shù)脂等。酚醛樹(shù)脂具有良好的黏結(jié)性，固化后的酚醛樹(shù)脂有較高的耐熱性和強(qiáng)度性能，如玻璃鋼的彎曲強(qiáng)度可達(dá)110～105 MPa。但酚醛樹(shù)脂固化后，結(jié)構(gòu)中的酚羥基和亞甲基易于氧化，耐熱性和耐氧化性受到影響［4］。聚酰亞胺樹(shù)脂以其低密度、高強(qiáng)度、耐高溫、良好的機(jī)械性能、比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱膨脹率低、耐溶劑性好、易加工等優(yōu)良性能在發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)、航天器等的耐高溫結(jié)構(gòu)部件中得到了廣泛應(yīng)用。聚酰亞胺樹(shù)脂是迄今為止聚合物種類(lèi)中熱穩(wěn)定性能最好的樹(shù)脂之一，熱重分析表明，其分解溫度可達(dá)500℃以上，最高能達(dá)600℃［5］。但單一的聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬的紙基摩擦材料具有極強(qiáng)的脆性，且樹(shù)脂與纖維的結(jié)合能力比較差。

本實(shí)驗(yàn)主要采用酚醛樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、聚酰亞胺和酚醛樹(shù)脂復(fù)合樹(shù)脂作為浸漬液浸漬紙基摩擦材料原紙，探究了不同浸漬條件對(duì)紙張強(qiáng)度、孔隙率的影響;此外，對(duì)比分析了單一的酚醛樹(shù)脂浸漬、單一的聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬、聚酰亞胺樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂復(fù)合浸漬對(duì)紙基摩擦材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料包括紙基摩擦材料原紙、2123酚醛樹(shù)脂 (簡(jiǎn)稱(chēng)酚醛樹(shù)脂)、聚酰亞胺樹(shù)脂、六次甲基四胺、N-N二甲基乙酰胺等。其中，摩擦材料原紙中的纖維為碳纖維、對(duì)位芳綸纖維及其漿粕、竹漿纖維;填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑分別為海泡石絨、二氧化硅、氧化鋁、硅藻土、片狀石墨、羧基丁苯膠乳、聚氧化乙烯 (PEO)、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺 (CPAM)。

紙基摩擦材料的制作流程如圖1所示。

圖1 紙基摩擦材料的制作流程

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器主要有分析天平、電子天平、熱壓成形機(jī)、抗張強(qiáng)度測(cè)定儀、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

在實(shí)驗(yàn)中，樹(shù)脂浸漬紙基摩擦材料的步驟如下。

步驟一:裁剪原紙。首先在摩擦材料漿料中中添加填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑進(jìn)行手抄片抄造，然后選取質(zhì)量相近、抄取均勻的手抄片，將其裁剪成100 cm2的圓形，測(cè)定手抄片的厚度，用分析天平稱(chēng)量手抄片的質(zhì)量 (精確至0.1 mg)，作為浸漬的樣品。

步驟二:配制一定濃度的浸漬液。酚醛樹(shù)脂浸漬液的配制:用研缽將酚醛樹(shù)脂研磨成細(xì)小顆粒，稱(chēng)取一定量研磨好的酚醛樹(shù)脂，配制成一定濃度;同時(shí)稱(chēng)取一定量的六次甲基四胺 (為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的1/10)。將酚醛樹(shù)脂和六次甲基四胺混合后，加入一定量的乙醇，輕輕攪拌，直到酚醛樹(shù)脂分散均勻，溶液顏色均一為止。聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬液配制:將燒杯放在電子天平上，稱(chēng)取一定量聚酰亞胺樹(shù)脂 (黏度大)，緩慢添加入燒杯內(nèi)，然后快速加入一定量的N-N二甲基乙酰胺，用保鮮膜封住燒杯瓶口，晃動(dòng)燒杯使其浸漬液均一。

步驟三:手抄片浸漬。將浸漬液放入托盤(pán)容器(聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬液則放入密閉的容器內(nèi))，將裁剪好的手抄片浸沒(méi)在浸漬液內(nèi)部。待經(jīng)過(guò)一定時(shí)間、浸漬液浸透手抄片后，用鑷子取出手抄片，放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干，干燥后用分析天平稱(chēng)量浸漬手抄片質(zhì)量，計(jì)算浸漬量，并測(cè)定其厚度。

步驟四:手抄片熱壓。將浸漬干燥后的手抄片放入熱壓成形機(jī)上進(jìn)行熱壓，即得到熱壓成形后的手抄片。

1.4 浸漬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 酚醛樹(shù)脂浸漬

配制不同濃度梯度的酚醛樹(shù)脂，分別對(duì)紙基摩擦材料原紙的手抄片進(jìn)行浸漬，然后對(duì)浸漬后的手抄片進(jìn)行熱壓，測(cè)定酚醛樹(shù)脂熱壓前后手抄片抗張強(qiáng)度和熱壓后手抄片孔隙率的變化。由于酚醛樹(shù)脂浸漬量很難精確控制，實(shí)驗(yàn)通過(guò)配置酚醛樹(shù)脂質(zhì)量濃度控制浸漬量，設(shè)計(jì)酚醛樹(shù)脂的浸漬量為18%、20%、22%、24%、26%、28%(相對(duì)于浸漬后手抄片的質(zhì)量)，其誤差范圍為±0.5%。

1.4.2 聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬

配制不同濃度梯度的聚酰亞胺樹(shù)脂，分別對(duì)紙基摩擦材料手抄片進(jìn)行浸漬，然后對(duì)浸漬后的手抄片進(jìn)行熱壓，測(cè)定聚酰亞胺樹(shù)脂熱壓前后手抄片抗張強(qiáng)度和熱壓后手抄片孔隙率的變化。不同的聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量對(duì)紙基摩擦材料具有重要影響，由于聚酰亞胺樹(shù)脂與高性能纖維之間的浸潤(rùn)性差，聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量為8%、10%、12%、14%、16%、18%(相對(duì)于浸漬后手抄片的質(zhì)量)，其誤差范圍為±0.5%。

1.4.3 聚酰亞胺樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂復(fù)合浸漬

采用聚酰亞胺樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂復(fù)合浸漬紙基摩擦材料 (先浸漬聚酰亞胺樹(shù)脂，干燥后再浸漬酚醛樹(shù)脂)，結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)，在保證孔隙率的條件下，這兩種樹(shù)脂的總浸漬量為24%左右 (相對(duì)于浸漬后手抄片的質(zhì)量)，然后熱壓成形，兩種樹(shù)脂配比如表1所示。

表1 聚酰亞胺樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂復(fù)合浸漬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比%

2 結(jié)果與討論

2.1 酚醛樹(shù)脂浸漬的影響

酚醛樹(shù)脂基本性質(zhì):產(chǎn)品由苯酚、甲醛在酸性介質(zhì)中縮聚而成，能溶于乙醇，加入6%～15%的六亞甲基四胺變?yōu)闊峁绦晕镔|(zhì)，在150℃成型，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和電絕緣性能。外觀為棕色透明或半透明的固體或粉狀物，其軟化點(diǎn)95～110℃，游離酚＜3.5%，聚合速度130～180 s/150℃［6］，具有良好的黏結(jié)性能。

圖2為酚醛樹(shù)脂浸漬量對(duì)熱壓前后手抄片抗張強(qiáng)度的影響。由圖2可知，隨著酚醛樹(shù)脂浸漬量的不斷增加，手抄片的抗張強(qiáng)度不斷增加。當(dāng)酚醛樹(shù)脂浸漬量約為24%時(shí)，熱壓前抗張強(qiáng)度為6.5 kN/m，熱壓后抗張強(qiáng)度增加為7.62 kN/m;當(dāng)酚醛樹(shù)脂浸漬量大于24%時(shí)，熱壓前后手抄片的抗張強(qiáng)度增加逐漸平緩。其主要原因是由于酚醛樹(shù)脂濃度越大，單位面積手抄片浸漬量增加，但酚醛樹(shù)脂的強(qiáng)度與紙基材料中纖維的強(qiáng)度相比低很多，所以酚醛樹(shù)脂含量增加過(guò)量時(shí)，對(duì)手抄片內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響小。

圖3為酚醛樹(shù)脂浸漬量對(duì)熱壓后手抄片孔隙率的影響。纖維在紙基摩擦材料中隨機(jī)分布，沒(méi)有特定的取向，形成了大小不一的孔隙結(jié)構(gòu)?？紫督Y(jié)構(gòu)能夠使在油況下工作的紙基摩擦材料形成油液循環(huán)的通道，這種循環(huán)通道將摩擦面上的熱量通過(guò)油液帶出，減少摩擦表面的熱量累積，有效抑制材料的熱磨損，所以紙基摩擦材料需要適當(dāng)?shù)目紫堵省Ｓ蓤D3可知，當(dāng)酚醛樹(shù)脂浸漬量為18%時(shí)，熱壓后手抄片孔隙率為53.84%，未浸漬手抄片熱壓后的孔隙率為55.84%，兩者相比，前者略小，其主要原因是酚醛樹(shù)脂以乙醇為稀釋溶劑，浸漬后的手抄片在恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干時(shí)，浸漬液中的乙醇快速揮發(fā)，酚醛樹(shù)脂主要分布在手抄片的外表面。圖3中手抄片孔隙率隨酚醛樹(shù)脂浸漬量的增加而降低，并且下降的幅度較大，這主要是因?yàn)榉尤?shù)脂含量低，熱壓成型時(shí)，少量的酚醛樹(shù)脂固化后難以滲透到手抄片內(nèi)部，手抄片的孔隙率受其影響較小;當(dāng)酚醛樹(shù)脂含量高時(shí)，酚醛樹(shù)脂經(jīng)熱壓軟化后充分分布在手抄片的內(nèi)部和表面，空隙被填充的密實(shí)，所以孔隙率快速下降。

圖2 酚醛樹(shù)脂浸漬量對(duì)熱壓前后手抄片抗張強(qiáng)度的影響

圖3 酚醛樹(shù)脂浸漬量對(duì)熱壓后手抄片孔隙率的影響

圖4 聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量對(duì)熱壓前后手抄片抗張強(qiáng)度的影響

圖5 聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量對(duì)熱壓后手抄片孔隙率的影響

2.2 聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬的影響

聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬紙基摩擦材料原紙能明顯改善成紙的機(jī)械強(qiáng)度，并且可以顯著提升其耐溫性能［7］。由于聚酰亞胺樹(shù)脂黏度很大，在手抄片浸漬過(guò)程中流動(dòng)性差，并且在浸漬完成后聚酰亞胺樹(shù)脂粘著在手抄片表面，無(wú)法控制浸漬量，浸漬手抄片不均勻，所以需要添加N-N二甲基乙酰胺稀釋聚酰亞胺樹(shù)脂，稀釋后形成均一的溶液用于浸漬［8］。當(dāng)聚酰亞胺樹(shù)脂的固含量為3%左右時(shí)，才能浸漬出均勻的手抄片，所以欲得到聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量高的手抄片，需要多次浸漬。

圖4是聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量對(duì)熱壓前后手抄片抗張強(qiáng)度的影響。由圖4可知，隨著聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量的不斷增加，手抄片的抗張強(qiáng)度不斷增加。當(dāng)聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量為8%時(shí)，手抄片熱壓前抗張強(qiáng)度為5.43 kN/m，手抄片熱壓后抗張強(qiáng)度提高為7.56 kN/m，與酚醛樹(shù)脂浸漬量在24%時(shí)的手抄片強(qiáng)度性能相近，這說(shuō)明聚酰亞胺樹(shù)脂的黏結(jié)性能比酚醛樹(shù)脂強(qiáng)很多。熱壓前后手抄片的強(qiáng)度性能有很大提升，其主要原因是熱壓使熱塑性聚酰亞胺樹(shù)脂固化，分子之間產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)在手抄片內(nèi)部起到較強(qiáng)的黏結(jié)作用，纖維之間的結(jié)合力被大幅度提升，所以手抄片熱壓后的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于熱壓前的。

圖5是聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量對(duì)熱壓后手抄片孔隙率的影響。由圖5可知，孔隙率隨聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量的增加而減小，其主要原因是聚酰亞胺樹(shù)脂熱壓成型后，充斥在纖維之間，所以孔隙率下降。

2.3 聚酰亞胺樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂復(fù)合浸漬的影響

圖6 復(fù)合浸漬液浸漬量配比對(duì)熱壓后手抄片抗張強(qiáng)度的影響

圖7 復(fù)合浸漬液浸漬量配比對(duì)熱壓后手抄片孔隙率的影響

聚酰亞胺樹(shù)脂具有不熔的性質(zhì)，所以在熱壓成型時(shí)沒(méi)有熔融液化流動(dòng)的過(guò)程，而是其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，分子之間發(fā)生了交聯(lián)組合。由于聚酰亞胺樹(shù)脂的剛度大，其單獨(dú)在紙基摩擦材料中使用的效果并不好。針對(duì)聚酰亞胺樹(shù)脂本身的其他優(yōu)異性能，通過(guò)與其他樹(shù)脂結(jié)合使用而使其浸漬效果最優(yōu)化。

本實(shí)驗(yàn)采用聚酰亞胺樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂復(fù)合浸漬的工藝浸漬 (先浸漬聚酰亞胺樹(shù)脂，干燥后再浸漬酚醛樹(shù)脂，復(fù)合浸漬液浸漬量為24%)摩擦材料，按照表1所示的配比浸漬手抄片，記為1#樣、2#樣、3#樣。圖6和圖7分別為不同樹(shù)脂配比復(fù)合浸漬液對(duì)摩擦材料熱壓后手抄片抗張強(qiáng)度和孔隙率的影響。

由圖6和表1可知，隨著聚酰亞胺樹(shù)脂比例的增加，熱壓后手抄片的抗張強(qiáng)度不斷增加，這主要是由于聚酰亞胺樹(shù)脂的黏結(jié)性能高于酚醛樹(shù)脂。聚酰亞胺樹(shù)脂固化后形成的結(jié)構(gòu)與酚醛樹(shù)脂固化后形成的結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，前者的強(qiáng)度性能強(qiáng)于后者，因此二者復(fù)合浸漬后手抄片的抗張強(qiáng)度比單一酚醛樹(shù)脂浸漬的要高。

由圖7和表1可知，隨著復(fù)合浸漬液中聚酰亞胺樹(shù)脂比例的增加，熱壓后手抄片的孔隙率不斷增大。這主要是由于聚酰亞胺樹(shù)脂在成型過(guò)程時(shí)，不是以熔融狀態(tài)存在，不容易進(jìn)入孔隙，主要存在于纖維表面。雖然手抄片強(qiáng)度和孔隙率均比單一酚醛樹(shù)脂浸漬時(shí)有所提高，但這種強(qiáng)度的增加有一部分是來(lái)自于聚酰亞胺樹(shù)脂本身的高強(qiáng)度，這是聚酰亞胺樹(shù)脂強(qiáng)度性能的體現(xiàn)。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)分別以酚醛樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂復(fù)合共3種浸漬液來(lái)浸漬紙基摩擦材料原紙，研究了不同浸漬條件對(duì)手抄片抗張強(qiáng)度和孔隙率的影響。

3.1 酚醛樹(shù)脂浸漬紙基摩擦材料原紙時(shí)，熱壓前后手抄片的抗張強(qiáng)度隨著酚醛樹(shù)脂浸漬量的增加而增加，熱壓后手抄片孔隙率隨浸漬量的增加而降低。當(dāng)酚醛樹(shù)脂浸漬量為24%時(shí)，手抄片抗張強(qiáng)度和孔隙率最好。

3.2 聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬紙基摩擦材料原紙時(shí)，熱壓前后手抄片的抗張浸漬隨聚酰亞胺樹(shù)脂浸漬量的增加而增加，手抄片孔隙率隨浸漬量的增加而降低。

3.3 聚酰亞胺樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂復(fù)合浸漬紙基摩擦材料原紙時(shí)，隨著聚酰亞胺樹(shù)脂比例的增加，手抄片的抗張強(qiáng)度不斷增大，孔隙率也逐漸增加。與單一酚醛樹(shù)脂浸漬相比，熱壓后手抄片抗張強(qiáng)度和孔隙率均有所提高。

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