一种用于刹车片的摩擦材料

摘要

本案涉及一种用于刹车片的摩擦材料，原料组成包括：石墨烯‑碳纤维复合材料、聚丙烯腈纤维、芳酰胺纤维、玻璃纤维、酚醛树脂、填料、钛酸酯偶联剂、二硫化钼、硅化物晶须；其中，所述石墨烯‑碳纤维复合材料是通过点击化学反应在石墨烯表面引入丰富的氮元素，通过自由基聚合反应在石墨烯表面接枝聚丙烯腈，最后碳化过程嵌入金属粒子而得。本发明提供的摩擦材料可用于制备刹车片，其以酚醛树脂作为粘结剂，丙烯腈纤维、芳酰胺纤维和玻璃纤维提高刹车片的强度，二硫化钼和硅化物晶须作为减磨剂，起到润滑作用，稳定摩擦系数；石墨烯‑碳纤维复合材料则进一步提升材料的强度，耐磨和耐高温性；能有效提高刹车片在高温下的摩擦稳定性。

权利要求

1.一种用于刹车片的摩擦材料，其特征在于，原料组成按重量份计包括：5～10份石墨烯‑碳纤维复合材料、2～3份聚丙烯腈纤维、5～15份芳酰胺纤维、5～15份玻璃纤维、5～25份酚醛树脂、10～30份填料、0.1～0.5份钛酸酯偶联剂、0.1～0.3份二硫化钼、3～6份硅化物晶须；

其中，所述石墨烯‑碳纤维复合材料的制备过程包括如下步骤：

1)利用SOCl2活化氧化石墨烯，之后与炔丙醇反应在石墨烯表面引入活性基团炔基，得到炔基化石墨烯；

2)2‑叠氮乙醇与甲基丙烯酰氯通过酯化反应制得叠氮甲基丙烯酸酯；

3)将炔基化石墨烯与叠氮甲基丙烯酸酯在溴化亚铜催化下进行点击化学反应，制得改性氧化石墨烯；

4)将改性氧化石墨烯超声分散在四氢呋喃中，通入氮气鼓泡半小时，随后在氮气保护下与丙烯腈在三硫代酯和偶氮二异丁基化合物的引发下进行自由基聚合，并形成复合纺丝液；

5)将短切碳纤维浸渍在所述复合纺丝液中，加入一定量的六水合氯化钴水溶液；加热回流1h，之后换蒸馏头以除去溶剂，混合物在150～200℃下预氧化处理，之后在惰性气体保护下，先升温至500～800℃热处理30min，之后升温到1000～1200℃热处理10～20min；降温后即得。

2.如权利要求1所述的用于刹车片的摩擦材料，其特征在于，所述炔基化石墨烯与叠氮甲基丙烯酸酯的质量比为2～8:1。

3.如权利要求1所述的用于刹车片的摩擦材料，其特征在于，所述改性氧化石墨烯与丙烯腈的质量比为1:8～12，所述三硫代酯和偶氮二异丁基化合物与丙烯腈的摩尔比为1:

0.2:20～100。

4.如权利要求1所述的用于刹车片的摩擦材料，其特征在于，所述短切碳纤维是芳酰胺基碳纤维。

5.如权利要求1所述的用于刹车片的摩擦材料，其特征在于，所述短切碳纤维使用前先预处理，处理过程为将短切碳纤维置于乙醇中浸泡一段时间，之后于硝酸和硫酸的混合溶液中加热搅拌1～2h，最后水洗至中性并真空干燥。

6.如权利要求1所述的用于刹车片的摩擦材料，其特征在于，所述短切碳纤维、六水合氯化钴与改性氧化石墨烯的质量比为6～10:1～3:0.5～1。

7.如权利要求1所述的用于刹车片的摩擦材料，其特征在于，所述填料包括云母、蛭石、文石、铬矿粉中的多种组合物。

说明书

一种用于刹车片的摩擦材料

技术领域

[0001] 本发明涉及摩擦材料技术领域，具体涉及一种用于刹车片的摩擦材料。

背景技术

[0002] 摩擦是一种物理现象，在现实生活中有利有弊，例如在机器运转时需要通过减少摩擦来降低能量的损耗；而汽车制动中却需要产生摩擦。刹车片作为汽车中一个重要零部件，在汽车制动过程中扮演者举足轻重的角色。由摩擦材料制得的刹车片应当具有稳定的摩擦系数，较低的磨损率等优异性能。

[0003] 在摩擦材料中，碳纤维具有高强度、高模量、耐高温等优异性能，用其制成的刹车片质量轻、抗冲击性能强。短切碳纤维是由碳纤维长丝经纤维切断机切断而成，其基本性能主要取决与碳纤维长丝的性能。短切碳纤维具有分散均匀、工艺简单等优点，可以应用于碳纤维长丝所不适宜的特殊领域，短切碳纤维及碳纤维增强的材料具有耐高温、耐腐蚀、质量轻等优点。然而，纤维表面光滑无活性官能团使得其增强复合材料时粘结性能差，而不能很好的发挥短切碳纤维自身的优点。目前对短切碳纤维的改性主要集中在对纤维表面的处理，以提高纤维强度。因此，本案期望通过有机、无机化学改性来提高碳纤维的耐磨性，使其满足汽车刹车片的性能需求。

发明内容

[0004] 针对现有技术中的不足之处，本发明基于氧化石墨烯设计了一种含氮新型前驱体材料对常规短切碳纤维进行有机无机化学改性，制得的材料具有高强度和高耐磨性，与酚醛树脂、填料等混合后即可制得刹车片用摩擦材料。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 一种用于刹车片的摩擦材料，原料组成按重量份计包括：5～10份石墨烯‑碳纤维复合材料、2～3份聚丙烯腈纤维、5～15份芳酰胺纤维、5～15份玻璃纤维、5～25份酚醛树脂、10～30份填料、0.1～0.5份钛酸酯偶联剂、0.1～0.3份二硫化钼、3～6份硅化物晶须；

[0007] 其中，所述石墨烯‑碳纤维复合材料的制备过程包括如下步骤：

[0008] 1)利用SOCl2活化氧化石墨烯，之后与炔丙醇反应在石墨烯表面引入活性基团炔基，得到炔基化石墨烯；

[0009] 2)2‑叠氮乙醇与甲基丙烯酰氯通过酯化反应制得叠氮甲基丙烯酸酯；

[0010] 3)将炔基化石墨烯与叠氮甲基丙烯酸酯在溴化亚铜催化下进行点击化学反应，制得改性氧化石墨烯；

[0011] 4)将改性氧化石墨烯超声分散在四氢呋喃中，通入氮气鼓泡半小时，随后在氮气保护下与丙烯腈在偶氮二异丁基的引发下进行自由基聚合，并形成复合纺丝液；

[0012] 5)将短切碳纤维浸渍在所述复合纺丝液中，加入一定量的六水合氯化钴水溶液；加热回流1h，之后换蒸馏头以除去溶剂，混合物在150～200℃下预氧化处理，之后在惰性气体保护下，先升温至500～800℃热处理30min，之后升温到1000～1200℃热处理10～20min。

[0013] 进一步地，所述炔基化石墨烯与叠氮甲基丙烯酸酯的质量比为2～8:1。

[0014] 进一步地，所述改性氧化石墨烯与丙烯腈的质量比为1:8～12，所述三硫代酯和偶氮二异丁基与丙烯腈的摩尔比为1:0.2:20～100。

[0015] 进一步地，所述短切碳纤维是芳酰胺基碳纤维。

[0016] 进一步地，所述短切碳纤维使用前先预处理，处理过程为将短切碳纤维置于乙醇中浸泡一段时间，之后于硝酸和硫酸的混合溶液中加热搅拌1～2h，最后水洗至中性并真空干燥。

[0017] 进一步地，所述短切碳纤维、六水合氯化钴与改性氧化石墨烯的质量比为6～10:1～3:0.5～1。

[0018] 进一步地，所述填料包括云母、蛭石、文石、铬矿粉中的多种组合物。

[0019] 在上述方案中，酚醛树脂、填料、钛酸酯偶联剂、二硫化钼以及硅化物晶须为制备刹车片摩擦材料的常用原材料，起到粘合、填充、减磨的作用；以丙烯腈纤维、芳酰胺纤维和玻璃纤维组成碳纤维集体材料，同时本案还添加少量的石墨烯‑碳纤维复合材料来提升碳纤维的耐磨性能。

[0020] 具体而言，本案通过点击化学反应在石墨烯表面引入丰富的氮元素，同时利用末端双键与丙烯腈通过可控自由基聚合使得在石墨烯表面接枝的聚丙烯腈具有可控的分子量和分子量分布，具有更稳定的加工性能，在后续碳化过程中聚合物链定向排列，有效提高拉伸强度；氮元素在碳化过程中脱除，导致孔隙和气孔的产生，金属粒子进入到这些孔隙和气孔中，在进一步的高温处理后，孔隙率逐渐下降，使密度提升，进而将金属粒子与碳纤维材料紧密结合，钴金属粒子能有效提升复合材料的耐磨度和耐热性；以芳酰胺基纤维作为短切碳纤维基体材料，其具有较高强度和高耐热性，浸渍于复合纺丝液中之前先进行氧化处理，使纤维表面产生含氧活性官能团，在复合纺丝液中，与聚丙烯腈接枝的改性氧化石墨烯之间产生界面相互作用，对于材料的力学性能有很好的提升作用。

[0021] 因此，在摩擦材料中，通过添加少量的石墨烯‑碳纤维复合材料能有效提高复合材料的强度和硬度，减小动摩擦因数的衰减，从而能够减小磨损量。

[0022] 本发明的有益效果是：本发明提供的摩擦材料可用于制备刹车片，其以酚醛树脂作为粘结剂，丙烯腈纤维、芳酰胺纤维和玻璃纤维提高刹车片的强度，二硫化钼和硅化物晶须作为减磨剂，起到润滑作用，稳定摩擦系数；石墨烯‑碳纤维复合材料则进一步提升材料的强度，耐磨和耐高温性；能有效提高刹车片在高温下的摩擦稳定性。

具体实施方式

[0023] 下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0024] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0025] 本发明提供一种用于刹车片的摩擦材料，原料组成按重量份计包括：5～10份石墨烯‑碳纤维复合材料、2～3份聚丙烯腈纤维、5～15份芳酰胺纤维、5～15份玻璃纤维、5～25份酚醛树脂、10～30份填料、0.1～0.5份钛酸酯偶联剂、0.1～0.3份二硫化钼、3～6份硅化物晶须；

[0026] 其中，除石墨烯‑碳纤维复合材料为本案自制，其余原材料均为本领域常用材料，均可通过商购得到；石墨烯‑碳纤维复合材料的制备过程包括如下步骤：

[0027] 首先依据改性Hummers法制备氧化石墨烯，之后在70℃条件下利用SOCl2与氧化石墨烯加热回流24h，获得酰氯石墨烯，之后与与炔丙醇在室温下酯化反应24h，从而在石墨烯表面引入活性基团炔基，得到炔基化石墨烯；

[0028]

[0029] 2)在反应瓶中加入5mmol 2‑叠氮乙醇和50ml无水四氢呋喃，加入10mmol三乙胺，将反应瓶置于冰水浴中磁力搅拌，10mmol的甲基丙烯酰氯用10ml无水四氢呋喃稀释均匀后，缓慢滴加到反应瓶中，保持在冰水浴中搅拌4h，将反应瓶移至室温下搅拌过夜，减压蒸馏，分离得叠氮甲基丙烯酸酯；

[0030]

[0031] 3)将1g炔基化石墨烯分散在40ml无水四氢呋喃中，加入1g叠氮甲基丙烯酸酯、0.2g溴化亚铜和0.5ml五甲基二乙烯三胺，在氮气保护下于50℃反应12h，反应完成后用甲醇冲洗不溶物即得改性氧化石墨烯；

[0032]

[0033] 4)将改性氧化石墨烯超声分散在四氢呋喃中，通入氮气鼓泡半小时，随后在氮气保护下与丙烯腈在偶氮二异丁基的引发下进行自由基聚合，并形成复合纺丝液；

[0034] 其中，所述改性氧化石墨烯与丙烯腈的质量比为1:8～12，所述三硫代酯和偶氮二异丁基与丙烯腈的摩尔比为1:0.2:20～100。

[0035] 所述三硫代酯的结构式为 参考J.Polym.Sci.Part A:Polym.Chem.,2010,48,3573‑3580合成。

[0036] 5)将短切碳纤维浸渍在所述复合纺丝液中，加入一定量的六水合氯化钴水溶液；加热回流1h，之后换蒸馏头以除去溶剂，混合物在150～200℃下预氧化处理，之后在惰性气体保护下，先升温至500～800℃热处理30min，之后升温到1000～1200℃热处理10～20min。

[0037] 实施例1：

[0038] 依据上述制备方法制备石墨烯‑碳纤维复合材料，其中，改性氧化石墨烯与丙烯腈的质量比为1:8，三硫代酯和偶氮二异丁基与丙烯腈的摩尔比为1:0.2:50。所述短切碳纤维、六水合氯化钴与改性氧化石墨烯的质量比为6:1:0.5。

[0039] 摩擦材料的原料组成按重量份计包括：6份石墨烯‑碳纤维复合材料、2份聚丙烯腈纤维、7份芳酰胺纤维、15份玻璃纤维、20份酚醛树脂、22份填料、0.1份钛酸酯偶联剂、0.2份二硫化钼、3份硅化物晶须。

[0040] 实施例2：

[0041] 依据上述制备方法制备石墨烯‑碳纤维复合材料，其中，改性氧化石墨烯与丙烯腈的质量比为1:10，三硫代酯和偶氮二异丁基与丙烯腈的摩尔比为1:0.2:50。所述短切碳纤维、六水合氯化钴与改性氧化石墨烯的质量比为8:2:0.5。

[0042] 摩擦材料的原料组成按重量份计包括：8份石墨烯‑碳纤维复合材料、3份聚丙烯腈纤维、10份芳酰胺纤维、10份玻璃纤维、23份酚醛树脂、24份填料、0.2份钛酸酯偶联剂、0.3份二硫化钼、4份硅化物晶须。

[0043] 实施例3：

[0044] 依据上述制备方法制备石墨烯‑碳纤维复合材料，其中，改性氧化石墨烯与丙烯腈的质量比为1:12，三硫代酯和偶氮二异丁基与丙烯腈的摩尔比为1:0.2:80。所述短切碳纤维、六水合氯化钴与改性氧化石墨烯的质量比为10:3:1。

[0045] 摩擦材料的原料组成按重量份计包括：10份石墨烯‑碳纤维复合材料、2份聚丙烯腈纤维、15份芳酰胺纤维、13份玻璃纤维、25份酚醛树脂、28份填料、0.5份钛酸酯偶联剂、0.3份二硫化钼、5份硅化物晶须。

[0046] 对比例1：

[0047] 摩擦材料的原料组成按重量份计包括：0份石墨烯‑碳纤维复合材料、2份聚丙烯腈纤维、15份芳酰胺纤维、13份玻璃纤维、25份酚醛树脂、28份填料、0.5份钛酸酯偶联剂、0.3份二硫化钼、5份硅化物晶须。

[0048] 对比例2：

[0049] 依据上述制备方法制备石墨烯‑碳纤维复合材料，其中，改性氧化石墨烯是由氧化石墨烯与丙烯腈直接进行接枝反应(聚合过程可以是原位溶液聚合法或原位沉淀聚合法等，例如可直接将氧化石墨烯分散在二甲亚砜中，加入AIBN和丙烯腈，在氮气保护下于60℃搅拌反应12h制得)制得，其余条件同实施例1。

[0050] 将组成摩擦材料的各组分按照配方混合均匀后即可得到摩擦材料；本案对组合物的混合方法没有特别限制。混合制得的摩擦材料可用于制备刹车片，制备工艺为本领域公知的热压成型技术，本案在此不再赘述。

[0051] 根据GB/T5763‑2008标准，测试刹车片的摩擦系数和磨损率；测试结果如表1所示。

[0052] 表1

[0053]依据GB/T5766‑2006标准，测试刹车片的硬度；依据GB/T1449‑2005标准测试刹车片的弯曲强度，结果记录在表2中。

[0054] 表2

[0055]  实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
硬度 83.2 80.1 84.4 71.3 75.5
弯曲强度MPa 112.33 107.25 110.84 86.54 88.11
压缩强度MPa 190.22 183.45 187.36 144.55 152.31

[0056] 从表1和表2的数据可知，本案提供的摩擦材料制得的刹车片摩擦系数在0.36～0.43之间，摩擦性能和力学性能相比较未加石墨烯‑碳纤维复合材料的刹车片提升很多。

[0057] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。