一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方法，（1）用碳酸鈉溶液浸泡進行除油，（2）稀釋后的食人魚溶液浸泡處理鋼纖維，（3）偶聯(lián)劑溶液處理使鋼纖維表面覆蓋一層膜，（4）進行熱處理使膜固化，并進行打散制得表面分布均勻、厚度適宜有機膜的鋼纖維。本發(fā)明成功改性鋼纖維，解決了金屬摩擦片熱衰退性能差、使用壽命短和易生銹的問題，使用改性后的鋼纖維作為金屬剎車片的原料，剎車片的熱衰退性能使用壽命大大提升。
【專利說明】一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人們經(jīng)濟收入的不斷提高及汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車已越來越多地進入 普通家庭，剎車片的銷量也日益增加，客戶對剎車片耐磨和使用壽命要求越來越高。鋼纖 維因其具有優(yōu)良的力學性能，如高韌性、強度高、良好的導(dǎo)熱性和耐熱性，在半金屬配方摩 擦材料中作為增強組分得到廣泛應(yīng)用。但半金屬剎車片存在一個缺點就是磨損大，這樣會 導(dǎo)致落灰嚴重、使用壽命短等問題。另外，鋼纖維在潮濕環(huán)境下容易生銹，影響產(chǎn)品外觀且 導(dǎo)致銹粘結(jié)問題影響客戶使用。
[0003] 半金屬配方摩擦材料中的鋼纖維表面物理化學性質(zhì)如表面晶體結(jié)構(gòu)、官能團、表 面能與摩擦材料中的有機粘結(jié)劑樹脂存在很大差異，鋼纖維與基體樹脂的結(jié)合能力明顯差 于非金屬纖維及其礦物纖維，摩擦材料中的鋼纖維在摩擦磨損的高溫條件下易出現(xiàn)纖維與 基體的分離和轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致磨損率上升。鋼纖維屬金屬材料與有機樹脂表面屬性差異很大， 和樹脂有機粘結(jié)劑結(jié)合力弱，尤其是剎車片中鋼纖維添加量過高時，從基體上脫落的概率 大大增加，溫度較高時樹脂與纖維界面之間易形成熱裂紋使疲勞磨損更加顯著。大量脫落 的硬相鋼纖維形成的磨粒又加劇了摩擦面的磨料磨損。另外，鋼纖維與灰鑄鐵的摩擦對偶 件同屬鐵基材料，在高溫下二者極易發(fā)生黏著形成黏著磨損。
[0004] 硅烷和鈦酸酯偶聯(lián)劑是一種有機-無機雜化的雙官能團化合物，與親水的鋼表面 和疏水的有機粘結(jié)劑都可以發(fā)生化學吸附或化學反應(yīng)，形成比較牢固而耐久的分子鍵或化 學鍵，在樹脂和鋼纖維之間起著化學橋的作用。這樣就能大大提高樹脂和鋼纖維的結(jié)合能 力。鋼纖維通過進行改性后，可減少剎車片的磨損，提高使用壽命。
[0005] 偶聯(lián)劑在水解后能形成硅醇、鈦醇，醇羥基之間可以互相反應(yīng)生成一層交聯(lián)的致 密網(wǎng)狀疏水膜，由于這種膜表面有能夠和樹脂起反應(yīng)的有機官能基團，鋼纖維表面覆蓋硅 烷或鈦膜，具有一定防蝕作用。且鋼纖維表面覆蓋的偶聯(lián)劑膜本身是疏水的，防腐效果更 強，可用作有機腐蝕抑制劑，可防止鋼纖維的生銹。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方法，此方法原料易 得，操作簡單，對剎車片配方中的鋼纖維進行改性，提升了剎車片的熱衰退、防銹蝕和磨損 性能。
[0007] 為了達到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種半金屬配方剎車片中鋼纖維 改性的方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一：在反應(yīng)器里加入水、Na2CO3加熱攪拌溶解，得到質(zhì)量分數(shù)為3%-5%的Na 2CO3溶 液，再將鋼纖維緩慢加入Na2CO3溶液中攪拌，使鋼纖維完全浸入Na2CO 3溶液，保持Na2CO3溶 液溫度35°C -45°C左右，浸泡10min-30min，待除去鋼纖維表面的油脂后把鋼纖維取出、浙 干； 步驟二：將步驟一中除去表面油脂的鋼纖維浸入到用水稀釋80-100倍的食人魚溶液 15min-25min，其中食人魚溶液是由稀釋100倍濃硫酸和稀釋10倍30%雙氧水質(zhì)量比為 3-7:1配置的，然后取出鋼纖維進行浙干； 步驟三：將偶聯(lián)劑、醇、水、NaH2PO4、酒石酸鈉和檸檬酸放入反應(yīng)容器中混 勻得到偶聯(lián)劑溶液，其中，偶聯(lián)劑、醇、水、NaH2PO4、酒石酸鈉和檸檬酸質(zhì)量比為 5-10:40-60:30-50:1-4:1-2:0. 2-1，用磷酸、硫酸或醋酸將溶液調(diào)節(jié)pH至2-5,其中醇為甲 醇、乙醇或異丙醇，將步驟二中得到的鋼纖維放入上述偶聯(lián)劑溶液中進行水解，保持水解過 程中溫度為20°C?40°C;具體步驟為攪拌10min-50min，再靜止l-5h ;取出鋼纖維浙干，再 將剛纖維浸入偶聯(lián)劑溶液20min-40min后取出再次浙干； 步驟四：將步驟三中得到的鋼纖維放入干燥箱中采用70°C _90°C干燥lh-3h，打散結(jié)團 的鋼纖維。
[0008] 進一步地說，所述偶聯(lián)劑包括硅烷偶聯(lián)劑或鈦酸酯偶聯(lián)劑；所述硅烷偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu) 通式為YSiX 3，其中Y為非水解基團，包括鏈烴基，及末端帶有Cl、NH2、SH基團，X為可水解 基團，包括Cl，0Me，OEt，OC 2H4OCH3, OSiMe3，及OAc等；所述鈦酸酯類偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)通式為 R00(4-n)Ti(0X-R' Y)n，其中-OX可水解的短鏈烷氧基、羧基。
[0009] 進一步地說，步驟一中所述得到的Na2CO3溶液質(zhì)量分數(shù)為4%，再將鋼纖維緩慢加 入Na 2CO3溶液中攪拌，使鋼纖維完全浸入Na2CO3溶液，保持Na 2CO3溶液溫度40°C左右，浸泡 20min，除去鋼纖維表面的油脂后把鋼纖維取出、浙干。
[0010] 進一步地說，步驟二中將所述步驟一中除去表面油脂的鋼纖維浸入到用水稀釋90 倍的食人魚溶液20min,食人魚溶液由稀酸和稀雙氧水5:1配置的,然后取出鋼纖維進行浙 干。
[0011] 進一步地說，步驟三中所述偶聯(lián)劑溶液內(nèi)的偶聯(lián)劑、醇、水、NaH2PO4、酒石酸鈉和 檸檬酸質(zhì)量比為7:55:45:3:1:0. 8,用磷酸、硫酸或醋酸將溶液調(diào)節(jié)pH至4,其中醇為甲 醇、乙醇或異丙醇，將步驟三中得到的鋼纖維放入上述偶聯(lián)劑溶液中進行水解，水解溫度為 25°C，攪拌35min后，靜止3h ;取出鋼纖維浙干，再將剛纖維浸入偶聯(lián)劑溶液25min后取出 再次浙干。
[0012] 進一步地說，步驟四中將所述步驟三中得到的鋼纖維放入干燥箱中80°C干燥2h， 打散結(jié)團的鋼纖維。
[0013] 本發(fā)明對鋼纖維表面進行處理后，偶聯(lián)劑水解后形成單體和鋼纖維表面羥基發(fā)生 反應(yīng)促成單體和鋼纖維有效連接，鋼纖維表面形成一層膜。偶聯(lián)劑是一種有機一無機雜化 的雙官能團化合物，與親水的鋼表面和疏水的有機粘結(jié)劑都會發(fā)生化學吸附或化學反應(yīng)， 形成比較牢固而耐久的分子鍵或化學鍵，在剎車片粘結(jié)劑樹脂和鋼纖維之間起著化學橋的 作用。
[0014] 鋼纖維用Na2CO3溶液進行處理后，再用稀釋的食人魚溶液處理，加入到偶聯(lián)劑溶 液中。其中，酸可以使鋼纖維表面羥基化，偶聯(lián)劑首先要進行水解。其中硅烷偶聯(lián)劑水解單 體可和鋼纖維表面含結(jié)晶水-OH羥基Fe或氫氧化鐵發(fā)生下列反應(yīng)在鋼纖維表面形成穩(wěn)定 的膜結(jié)構(gòu)。而鈦酸酯偶聯(lián)劑處理后可在鋼纖維表面覆蓋鈦酸類膜。
[0015] X-R-Si (OH) 3+Fe (OH) 3 - X-R-Si03Fe+3H20 使用偶聯(lián)劑溶液對鋼纖維進行處理前，用碳酸鈉溶液對鋼纖維進行堿洗，可以保留鋼 纖維表面的堿性羥基，以便水解后偶聯(lián)劑單體反應(yīng)。用稀釋后食人魚溶液進行處理，可在鋼 纖維表面實行羥基化，大部分硅烷或鈦酸酯類偶聯(lián)劑在PH=4時水解速度快而聚合速度慢， 因此調(diào)節(jié)pH在3-4范圍。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是：（1)本發(fā)明原料易得到，且操作簡單，對剎車片配方中的鋼 纖維進行改性，提升了剎車片的熱衰退、防銹蝕和磨損性能，且通過用偶聯(lián)劑處理的鋼纖維 制備盤片剎車片N300做臺架實驗，發(fā)現(xiàn)處理后的鋼纖維制備的剎車片磨損率降低50%左 右，同時通過銹粘結(jié)試驗對比發(fā)現(xiàn)偶聯(lián)劑處理對剎車片防腐蝕作用明顯，在半金屬剎車片 中應(yīng)用前景十分廣闊。
[0017] (2)本發(fā)明在偶聯(lián)劑溶液中增加了檸檬酸和酒石酸鈉，加入這兩種化學試劑可穩(wěn) 定偶聯(lián)溶液的pH，加快偶聯(lián)的反應(yīng)速度。酒石酸鈉是一種絡(luò)合劑，能與溶液中的Fe 3+絡(luò) 合，控制沉渣生成量，延長偶聯(lián)劑使用壽命，且酒石酸屬于有機弱酸，和共軛堿組成緩 沖溶液，保持溶液PH值長時間穩(wěn)定在一定范圍，穩(wěn)定溶液酸度，促進偶聯(lián)反應(yīng)更快的進 行。
[0018] (3)本發(fā)明還有使用到稀釋的食人魚溶液處理鋼纖維可使其表面羥基化，增加鋼 纖維表面的羥基，和偶聯(lián)劑結(jié)合的位點增加，實驗效果表明，提高了鋼纖維表面單位面積偶 聯(lián)劑密度，以此為原材料剎車片性能更優(yōu)異。

【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0020] 實施例1 : 步驟一：在反應(yīng)器里加入水、Na2CO3加熱攪拌溶解，得到200L的質(zhì)量分數(shù)為4%的Na 2CO3 溶液，再將50kg鋼纖維緩慢加入Na2CO3溶液中攪拌，使鋼纖維完全浸入Na2CO 3溶液，保持 Na2CO3溶液溫度40°C左右，浸泡15min，待除去鋼纖維表面的油脂后把鋼纖維取出、浙干； 步驟二：將步驟一中除去表面油脂的鋼纖維浸泡到用水稀釋90倍的200L食人魚溶液 20min，食人魚溶液是由稀釋100倍濃硫酸和稀釋10倍數(shù)30%雙氧水質(zhì)量比為4:1配置的， 然后取出鋼纖維進行浙干； 步驟三：將硅烷偶聯(lián)劑、無水乙醇、水、NaH2PO4、酒石酸鈉和檸檬酸放入反應(yīng)容器中 混勻得到IOOkg偶聯(lián)劑溶液，其中，偶聯(lián)劑、醇、水、NaH2PO4、酒石酸鈉和檸檬酸質(zhì)量比為 5:43:48. 5:2:1:0. 5，用磷酸、硫酸或醋酸將溶液調(diào)節(jié)pH至4,其中醇為甲醇、乙醇或異丙 醇，將步驟二中得到的鋼纖維放入上述偶聯(lián)劑溶液中進行水解，保持水解溫度為30°C，攪 拌30min，再靜止5h ;取出鋼纖維浙干，再將剛纖維浸入偶聯(lián)劑溶液40min后取出再次浙 干； 步驟四：將步驟三中得到的鋼纖維放入干燥箱中采用80°C干燥2h，打散結(jié)團的鋼纖 維。
[0021] 把改性鋼纖維作為原料制備金屬剎車片。
[0022] 按JASO C427-1983分別對實施例1制備五菱汽車盤片N300的半金屬剎車片樣件 進行試驗及評價，實施結(jié)果見表1。看到鋼纖維改性后制備N300盤片進行磨損實驗?zāi)p厚 度和質(zhì)量大大降低。臺架實驗表明鋼纖維硅烷偶聯(lián)劑改性后可有效改善剎車片的磨損率， 延長使用壽命。
[0023] 表1未改性和改性鋼纖維制盤片N300磨損實驗數(shù)據(jù)對比

【權(quán)利要求】
1. 一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一：在反應(yīng)器里加入水、Na2CO3加熱攪拌溶解，得到質(zhì)量分數(shù)為3%-5%的Na 2CO3溶 液，再將鋼纖維緩慢加入Na2CO3溶液中攪拌，使鋼纖維完全浸入Na 2CO3溶液，保持Na2CO3溶 液溫度35°C -45°C左右，浸泡10min-30min，待除去鋼纖維表面的油脂后把鋼纖維取出、浙 干； 步驟二：將步驟一中除去表面油脂的鋼纖維浸入到用水稀釋80-100倍的食人魚溶液 15min-25min，其中食人魚溶液是由稀釋100倍濃硫酸和稀釋10倍30%雙氧水質(zhì)量比為 3-7:1配置的，然后取出鋼纖維進行浙干； 步驟三：將偶聯(lián)劑、醇、水、NaH2PO4、酒石酸鈉和檸檬酸放入反應(yīng)容器中混 勻得到偶聯(lián)劑溶液，其中，偶聯(lián)劑、醇、水、NaH2PO4、酒石酸鈉和檸檬酸質(zhì)量比為 5-10:40-60:30-50:1-4:1-2:0. 2-1，用磷酸、硫酸或醋酸將溶液調(diào)節(jié)pH至2-5,其中醇為甲 醇、乙醇或異丙醇，將步驟二中得到的鋼纖維放入上述偶聯(lián)劑溶液中進行水解，保持水解過 程中溫度為20°C?40°C;具體步驟為攪拌10min-50min，再靜止l-5h ;取出鋼纖維浙干，再 將剛纖維浸入偶聯(lián)劑溶液20min-40min后取出再次浙干； 步驟四：將步驟三中得到的鋼纖維放入干燥箱中采用70°C -90°C干燥lh-3h，打散結(jié)團 的鋼纖維。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1 一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方法，其特征在于，所述 偶聯(lián)劑包括硅烷偶聯(lián)劑或鈦酸酯偶聯(lián)劑；所述硅烷偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)通式為YSiX 3，其中Y為非 水解基團，包括鏈烴基，及末端帶有Cl、NH2、SH基團，X為可水解基團，包括Cl，0Me，OEt， OC 2H4OCH3, OSiMe3，及OAc等；所述鈦酸酯類偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)通式為ROO (4-n) Ti (OX-R，Y) n，其 中-OX可水解的短鏈烷氧基、羧基。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的任意一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方法，其特 征在于，步驟一中所述得到的Na2CO 3溶液質(zhì)量分數(shù)為4%，再將鋼纖維緩慢加入Na2CO3溶液 中攪拌，使鋼纖維完全浸入Na 2CO3溶液，保持Na2CO3溶液溫度40°C左右，浸泡20min，除去鋼 纖維表面的油脂后把鋼纖維取出、浙干。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的任意一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方法，其特 征在于，步驟二中將所述步驟一中除去表面油脂的鋼纖維浸入到用水稀釋90倍的食人魚 溶液20min，食人魚溶液由稀釋100倍濃硫酸和稀釋10倍30%雙氧水質(zhì)量比5:1配置，然后 取出鋼纖維進行浙干。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的任意一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方法，其 特征在于，步驟三中所述偶聯(lián)劑溶液內(nèi)的偶聯(lián)劑、醇、水、NaH 2PO4、酒石酸鈉和檸檬酸質(zhì)量 比為7:55:45:3:1:0. 8，用磷酸、硫酸或醋酸將溶液調(diào)節(jié)pH至4，其中醇為甲醇、乙醇或異 丙醇，將步驟三中得到的鋼纖維放入上述偶聯(lián)劑溶液中進行水解，水解溫度為25°C，攪拌 35min后，靜止3h ;取出鋼纖維浙干，再將剛纖維浸入偶聯(lián)劑溶液25min后取出再次浙干。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的任意一種半金屬配方剎車片中鋼纖維改性的方法，其特 征在于，步驟四中將所述步驟三中得到的鋼纖維放入干燥箱中80°C干燥2h，打散結(jié)團的鋼 纖維。
【文檔編號】D06M13/207GK104313563SQ201410467752
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】楊陽, 劉伯威, 匡湘銘, 唐兵, 涂元滿 申請人:湖南博云汽車制動材料有限公司