一种改性芳纶浆粕及其制备方法以及用其制造的刹车片

摘要

本发明提供了一种改性芳纶浆粕，其平均长度为5mm～8mm，所述改性芳纶浆粕为含咪唑类离子液体的改性芳纶浆粕。本发明还提供了该改性芳纶浆粕的制备方法，主要通过蒸汽爆破处理、咪唑类离子液体喷淋处理和流化床式气流磨干法磨浆等工艺过程，工艺流程短、能耗低、不使用溶剂，对环境无害，所制备的改性芳纶浆粕原纤化程度高，其毛羽丰富，比表面积大。本发明的改性芳纶浆粕作为增强材料制作刹车片等摩擦材料中，提高了刹车片的强度、韧性和耐热性，且制备配方无石棉，绿色环保。

权利要求

1.一种改性芳纶浆粕，其特征在于，所述改性芳纶浆粕的平均长度为5mm～8mm，比表面积为5～8m2/g，所述改性芳纶浆粕为含咪唑类离子液体的改性芳纶浆粕，所述改性芳纶浆粕是经蒸汽爆破、离子液体喷淋和流化床式气流磨处理这三步工艺过程共同作用制备而成。

2.根据权利要求1所述的改性芳纶浆粕，其特征在于，所述咪唑类离子液体包括烷基咪唑类离子液体。

3.根据权利要求2所述的改性芳纶浆粕，其特征在于，所述烷基咪唑类离子液体的阳离子为不超过4个碳原子的烷基取代的咪唑离子。

4.根据权利要求2所述的改性芳纶浆粕，其特征在于，所述烷基咪唑类离子液体的阴离子为卤素离子、四氟硼酸根离子或六氟磷酸根离子。

5.一种改性芳纶浆粕的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将芳纶纤维进行蒸汽爆破处理，收集爆破后纤维并放入烘箱干燥，得到蒸汽爆破后的芳纶纤维；

(2)用咪唑类离子液体喷淋处理上述爆破后的芳纶纤维；

(3)将上述经咪唑类离子液体处理后的芳纶纤维搅匀后，投入流化床式气流磨的加料斗中，使用流化床式气流磨进行干法制浆，得到含咪唑类离子液体的改性芳纶浆粕。

6.根据权利要求5所述的改性芳纶浆粕的制备方法，其特征在于，所述芳纶纤维为芳纶短切纤维，长度为6mm～12mm。

7.根据权利要求6所述的改性芳纶浆粕的制备方法，其特征在于，所述咪唑类离子液体用量是芳纶纤维用量的2％～3％。

8.一种改性芳纶浆粕增强型刹车片，其特征在于，含权利要求1～4中任一项所述的改性芳纶浆粕。

9.根据权利要求8所述的改性芳纶浆粕增强型刹车片，其特征在于，所述改性芳纶浆粕用量是改性芳纶浆粕增强型刹车片总用量的5％～30％。

10.根据权利要求9所述的改性芳纶浆粕增强型刹车片，其特征在于，所述改性芳纶浆粕用量是改性芳纶浆粕增强型刹车片总用量的10％～20％。

说明书

一种改性芳纶浆粕及其制备方法以及用其制造的刹车片

技术领域

[0001] 本发明涉及一种有机纤维及其制备领域，具体涉及一种芳纶浆粕及其制备方法以及用其制造的刹车片。

背景技术

[0002] 刹车片是关系到车辆安全行驶的重要部件，随着汽车工业和交通运输的进一步发展，人们对刹车片的性能要求非常严格。摩擦材料是刹车片在制造和使用过程中很重要的组成部分，要求其具有有足够而稳定的摩擦系数，动静摩擦系数差小；有良好的导热性、耐磨损性，一定的高温机械强度；硬度适宜，不易擦伤对偶件；无噪声，低成本，对环境无污染等。传统的石棉型刹车片由于石棉的致癌作用已不满足现代汽车工业的要求，逐渐淡出市场。20世纪70年代，以钢纤维为主要代替材料的半金属摩擦材料在国外被首先采用，80～90年代初，半金属摩擦材料已占据了整个汽车盘式制动片领域，但半金属摩擦材料存在密度高、易生锈、制动噪音大和损伤对偶等缺陷，限制了其进一步的发展。无石棉有机物摩擦材料是由日本Akebono公司最先研制成功，它采用陶瓷、矿物纤维或耐高温的有机纤维替代钢纤维，克服了传统半金属摩擦材料的缺点，是一种新型的高性能汽车制动摩擦材料。目前，这种材料已成功应用于欧美发达国家的诸多车型上，被认为是今后摩擦材料发展的主要方向。

[0003] 芳纶浆粕是对芳纶纤维进行表面原纤化处理之后得到的，呈毛绒状，其毛羽丰富，强度高、尺寸稳定性好，无脆性、耐高温、耐腐蚀、有韧性、收缩率小、耐磨性好、表面积大，能很好的与其它物质结合，其独特的表面结构极大地提高了混合物的抓附力，因此非常适合作为一种增强纤维应用于摩擦及密封产品中。现有的芳纶浆粕通常采用湿法制浆，在磨浆过程中，纤维易断裂，制备的浆粕平均长度低于3mm。短浆粕作为增强材料用于刹车片中，是独立分散于基体中的，浆粕间缠绕不足，导致刹车片强度和热稳定性增加有限，使用寿命低。

发明内容

[0004] 本发明针对现有芳纶浆粕在制备过程中容易断裂，制备的浆粕平均长度较短，原纤化程度较小的问题，提供一种改性芳纶浆粕及其制备方法，所制备的芳纶浆粕平均长度长、比表面积大，且原纤化程度较高；并将此芳纶浆粕用于制造刹车片，极大地提高了刹车片的韧性、强度和和热稳定性，并延长了刹车片的使用寿命。

[0005] 本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种改性芳纶浆粕，所述改性芳纶浆粕的平均长度为5mm～8mm，所述改性芳纶浆粕为含咪唑类离子液体的改性芳纶浆粕。

[0007] 优选地，所述的咪唑类离子液体包括烷基咪唑类离子液体。

[0008] 更优选地，所述的烷基咪唑类离子液体的阳离子为不超过4个碳原子的烷基取代的咪唑离子，阴离子为卤素离子、四氟硼酸根离子或六氟磷酸根离子。

[0009] 本发明还提供了一种改性芳纶浆粕的制备方法，包括以下步骤：

[0010] (1)将芳纶纤维进行蒸汽爆破处理，收集爆破后纤维并放入烘箱干燥，得到蒸汽爆破后的芳纶纤维；

[0011] (2)用咪唑类离子液体喷淋处理上述爆破后的芳纶纤维；

[0012] (3)将上述经咪唑类离子液体处理后的芳纶纤维搅匀后，投入流化床式气流磨的加料斗中，使用流化床式气流磨进行干法制浆，得到含咪唑类离子液体的改性芳纶浆粕。

[0013] 所述步骤(1)中芳纶纤维为芳纶短切纤维，长度为6mm～12mm。

[0014] 所述步骤(1)中蒸汽爆破的温度为180℃～210℃，压力为1.5MPa～2.0MPa，维压时间5-15min。

[0015] 所述步骤(3)中流化床式气流磨的加料速率为20kg/h～50kg/h，粉碎压力为0.8MPa，引风机风量为8m3/min。

[0016] 所述的咪唑类离子液体用量是芳纶纤维用量的2％～3％。

[0017] 一种改性芳纶浆粕增强型刹车片，含上述制备方法得到的改性芳纶浆粕。

[0018] 本发明的改性芳纶浆粕增强型刹车片中，所述改性芳纶浆粕用量是改性芳纶浆粕增强型刹车片总用量的5％～30％，进一步优选为10％～20％。

[0019] 本发明的有益效果：

[0020] 本发明通过蒸汽爆破处理，咪唑类离子液体喷淋处理和流化床式气流磨干法制浆等工艺流程制备改性芳纶浆粕，制浆工艺流程短，能耗低，不使用溶剂。蒸汽爆破处理将纤维爆破至蓬松状后，再经流化床式气流磨中进行磨浆、粉碎和原纤化等处理，咪唑类离子液体的加入进一步促进了纤维的原纤化，所制备的改性芳纶浆粕平均长度长、比表面积大，且原纤化程度高。将此改性芳纶浆粕用于刹车片中，原纤化的改性芳纶浆粕构建的网状结构使刹车片内部更加牢固的结合起来，显著提高了刹车片摩擦材料的强度、韧性和耐热性，并延长了刹车片的使用寿命。另外，本发明制备工艺绿色环保，产品配方中无石棉，对环境无污染。

附图说明

[0021] 图1是改性芳纶浆粕A-1放大10倍的表观图

[0022] 图2是改性芳纶浆粕A-1放大100倍(目镜10X、物镜10X)的显微镜图

[0023] 图3是改性芳纶浆粕A-4放大10倍的表观图

[0024] 图4是改性芳纶浆粕A-4放大100倍(目镜10X、物镜10X)的显微镜图具体实施例

[0025] 以下通过实施例更具体地对本发明进行阐述。以下实施例中，“份”、“用量”如无特殊说明均是质量基准。

[0026] 改性芳纶浆粕(A)的制备，包括以下步骤：

[0027] (1)将100份芳纶纤维加入蒸汽爆破机中，加热至200℃，在2MPa压力下维持10min，进行蒸汽爆破处理，收集爆破后纤维并放入烘箱中干燥，得到蒸汽爆破后的芳纶纤维；

[0028] (2)用咪唑类离子液体喷淋上述爆破后的芳纶纤维；

[0029] (3)将上述经咪唑类离子液体处理后的芳纶纤维搅匀后，投入流化床式气流磨的加料斗中，以30kg/h加料速率加入流化床式气流磨中进行干法制浆，其中气流磨的粉碎压力为0.8MPa，引风机风量为8m3/min，制备得到含咪唑类离子液体的改性芳纶浆粕。

[0030] 将不同长度的芳纶纤维和不同成份及用量的离子液体通过上述方法制备改性芳纶浆粕，对应的配方和数据列于下述表1，改性芳纶浆粕用A-1～A-7表示，其中芳纶浆粕A-4是采用非咪唑类离子液体喷淋制备的，A-5是不经过离子液体喷淋制备的，A-6是不经过蒸汽爆破处理制备的，A-7是不经过流化床式气流磨处理制备的。通过下述测试方法测试其性能参数，测试结果列于下表2。改性芳纶浆粕的纤维平均长度按照《GB/T 29779-2013纸浆纤维长度的测定非偏振光法》标准进行测试；其比表面积按照《GB/T 19587-2004气体吸附BET法测定固态物质比表面积》标准进行测试；其加拿大标准游离度按照《GB/T 12660-2008纸浆滤水性能的测定“加拿大标准”游离度法》标准进行测试。

[0031] 表1改性芳纶浆粕的配方

[0032]

[0033] 表2改性芳纶浆粕的性能参数

[0034]2
  纤维平均长度(mm) 比表面积(m/g) 加拿大标准游离度(mL)
A-1 5.12 7.52 265
A-2 6.75 6.31 224
A-3 7.86 5.85 205
A-4 7.62 0.51 50
A-5 3.52 0.20 32
A-6 6.78 0.25 36
A-7 11.05 0.11 20

[0035] 将上述方法制备的改性芳纶浆粕用于制备刹车片，具体实施配方如下：

[0036] 实施例1

[0037] 酚醛树脂20份，玄武岩纤维5份，钛酸钾纤维4份，碳纤维6份，稀土4份，喷雾炭黑7份，三硫化锑3份，丁腈橡胶5份，硼酸4份，辉绿岩矿石12份，海泡石8份，氧化镁7份，以及改性芳纶浆粕A-2 15份。

[0038] 对比实施例1A

[0039] 酚醛树脂20份，玄武岩纤维5份，钛酸钾纤维4份，碳纤维6份，稀土4份，喷雾炭黑7份，三硫化锑3份，丁腈橡胶5份，硼酸4份，辉绿岩矿石12份，海泡石8份，氧化镁7份，芳纶纤维15份，所述芳纶纤维平均长度为7mm。

[0040] 对比实施例1B

[0041] 酚醛树脂20份，玄武岩纤维5份，钛酸钾纤维4份，碳纤维6份，稀土4份，喷雾炭黑7份，三硫化锑3份，丁腈橡胶5份，硼酸4份，辉绿岩矿石12份，海泡石8份，氧化镁7份，杜邦1F538芳纶浆粕15份。

[0042] 对比实施例1C

[0043] 酚醛树脂20份，玄武岩纤维5份，钛酸钾纤维4份，碳纤维6份，稀土4份，喷雾炭黑7份，三硫化锑3份，丁腈橡胶5份，硼酸4份，辉绿岩矿石12份，海泡石8份，氧化镁7份，以及改性芳纶浆粕A-4 15份。

[0044] 实施例2

[0045] 酚醛树脂25份，玄武岩纤维3份，钛酸钾纤维6份，碳纤维7份，稀土3份，喷雾炭黑6份，三硫化锑3份，丁腈橡胶6份，硼酸2份，辉绿岩矿石16份，海泡石10份，氧化镁8份，以及改性芳纶浆粕A-1 5份。

[0046] 实施例3

[0047] 酚醛树脂25份，玄武岩纤维4份，钛酸钾纤维7份，碳纤维6份，稀土3份，喷雾炭黑8份，三硫化锑4份，丁腈橡胶4份，硼酸3份，辉绿岩矿石10份，海泡石10份，氧化镁6份，以及改性芳纶浆粕A-3 10份。

[0048] 实施例4

[0049] 酚醛树脂15份，玄武岩纤维5份，钛酸钾纤维5份，碳纤维5份，稀土5份，喷雾炭黑6份，三硫化锑5份，丁腈橡胶3份，硼酸5份，辉绿岩矿石8份，海泡石8份，氧化镁10份，以及改性芳纶浆粕A-1 20份。

[0050] 实施例5

[0051] 酚醛树脂15份，玄武岩纤维4份，钛酸钾纤维4份，碳纤维4份，稀土5份，喷雾炭黑6份，三硫化锑4份，丁腈橡胶3份，硼酸5份，辉绿岩矿石10份，海泡石6份，氧化镁4份，以及改性芳纶浆粕A-3 30份。

[0052] 对比实施例5A

[0053] 酚醛树脂15份，玄武岩纤维4份，钛酸钾纤维4份，碳纤维4份，稀土5份，喷雾炭黑6份，三硫化锑4份，丁腈橡胶3份，硼酸5份，辉绿岩矿石10份，海泡石6份，氧化镁4份，以及改性芳纶浆粕A-5 30份。

[0054] 对比实施例5B

[0055] 酚醛树脂15份，玄武岩纤维4份，钛酸钾纤维4份，碳纤维4份，稀土5份，喷雾炭黑6份，三硫化锑4份，丁腈橡胶3份，硼酸5份，辉绿岩矿石10份，海泡石6份，氧化镁4份，以及改性芳纶浆粕A-6 30份。

[0056] 对比实施例5C

[0057] 酚醛树脂15份，玄武岩纤维4份，钛酸钾纤维4份，碳纤维4份，稀土5份，喷雾炭黑6份，三硫化锑4份，丁腈橡胶3份，硼酸5份，辉绿岩矿石10份，海泡石6份，氧化镁4份，以及改性芳纶浆粕A-7 30份。

[0058] 将上述各组份配方按照热压成型法制备刹车片，然后按照《GB 5763-2008汽车用制动器衬片》中的测试方法测试刹车片的各项性能，测试结果如下表3。

[0059] 表3刹车片的性能指标

[0060]

[0061] 从表2的数据不难看出，本发明实施例经咪唑类离子液体处理制备的改性芳纶浆粕平均长度较长，比表面积和加拿大标准游离度较大，如图1中芳纶浆粕A-1较蓬松，图2中芳纶浆粕A-1表面有较多的毛羽结构，说明本发明的改性芳纶浆粕的原纤化程度大。而芳纶浆粕A-4～A-7的比表面积和加拿大游离度均较小，如图4中的芳纶浆粕A-4表面较光滑。这是因为本发明的改性芳纶浆粕是经蒸汽爆破、离子液体喷淋和流化床式气流磨处理这三步工艺过程共同作用制备而成，蒸汽爆破处理可将纤维爆破至蓬松状，流化床式气流磨可以对纤维进行磨浆、粉碎和原纤化等处理，咪唑类离子液体的加入可促进纤维的原纤化，故能制备出纤维长度长、比表面积和加拿大游离度较大的改性芳纶浆粕。由这些芳纶浆粕制备的刹车片剪切强度、冲击强度、热膨胀率、压缩应变、摩擦系数和磨损率均较好，具体数据见表3。而芳纶浆粕A-5仅经蒸汽爆破和流化床式气流磨处理后，断裂成较短的纤维，其比表面积和加拿大游离度也较小，这是因为咪唑类离子液体可对纤维表面进行浸润，削弱纤维表面氢键的作用力，使纤维表面不容易沿径向断裂，更容易沿轴向开裂产生原纤化。芳纶浆粕A-6和A-7分别是未经蒸汽爆破和流化床式气流磨处理，制备的纤维长度较长，比表面积和加拿大游离度较小。由芳纶浆粕A-5～A-7制备的刹车片，如对比实施例5A、5B和5C，剪切强度和冲击强度较低，热膨胀率、压缩应变和磨损率较大，具体数据见表3。

[0062] 从表3的数据还可以看出，本发明实施例刹车片的剪切强度、冲击强度、热膨胀率、压缩应变、摩擦系数和磨损率优于未添加改性芳纶浆粕和添加其他成份芳纶浆粕或芳纶纤维的刹车片。如对比实施例1A中添加较长的芳纶纤维、对比实施例1B中添加市售杜邦1F538芳纶浆粕，其剪切强度和冲击强度较低，压缩应变和磨损率很大，而实施例1中刹车片的剪切强度和冲击强度均较大，热膨胀率、压缩应变和磨损率较低。这是因为本发明中添加的改性芳纶浆粕原纤化程度大，浆粕表面毛羽丰富，浆粕的缠绕和抓附力大，使得浆粕能与粉体材料充分接触，并在浆粕之间相互缠绕形成网状结构，将各组分包裹起来，从而提高了材料的强度，而网状结构的空间变形传递性，极大提高了材料的韧性；另外，改性芳纶浆粕中带入的咪唑类离子液体有优良的调节摩擦性能的作用，提高了刹车片的耐磨损性。