硬脂酸處理鈦酸鉀晶須對(duì)坡縷石纖維樹(shù)脂摩擦材料摩擦性能的研究

程 堯,何 林,周元康,閻建偉

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,貴陽(yáng)550003)

硬脂酸處理鈦酸鉀晶須對(duì)坡縷石纖維樹(shù)脂摩擦材料摩擦性能的研究

程 堯,何 林,周元康,閻建偉

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,貴陽(yáng)550003)

研究了硬脂酸對(duì)鈦酸鉀晶須的改性效果,用處理了的鈦酸鉀晶須增強(qiáng)坡縷石復(fù)合制備摩擦材料,研究復(fù)合兩種礦物纖維的增強(qiáng)機(jī)制。發(fā)現(xiàn)15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鈦酸鉀晶須添加量在復(fù)合材料中分散不易均勻,摩擦因數(shù)波動(dòng)較大,不利于復(fù)合材料的摩擦性能;13%以下的鈦酸鉀添加量對(duì)復(fù)合材料的摩擦因數(shù)的影響不大;10%的鈦酸鉀晶須添加量制備的復(fù)合材料磨損率最低,比未添加的坡縷石復(fù)合材料,耐磨性提高了27%,對(duì)改善坡縷石的耐磨性有顯著的作用,特別是250℃以上的高溫階段的耐磨性得到顯著改善。

硬脂酸;鈦酸鉀晶須;坡縷石;摩擦

非金屬摩擦材料的優(yōu)點(diǎn)在于成本低,摩擦噪聲小,對(duì)對(duì)偶摩擦撞擊磨損影響小。復(fù)合礦物纖維作為非金屬摩擦材料也大量運(yùn)用在汽車(chē)、動(dòng)車(chē)及城市輕軌等剎車(chē)材料中。貴州大方產(chǎn)坡縷石纖維應(yīng)用在汽車(chē)摩擦片中的研究已成功的取得一定得進(jìn)展,但存在磨損性能較低,制造的摩擦材料耐磨性能差等缺點(diǎn)[1]。

大量的科研人員對(duì)鈦酸鉀晶須的性能做了相關(guān)研究,得出鈦酸鉀晶須有優(yōu)良的力學(xué)性能,穩(wěn)定的化學(xué)性能,硬度低,耐磨性好,耐高溫[2]。本工作旨在利用這一特性,用硬脂酸改性處理鈦酸鉀晶須,從鈦酸鉀晶須的不同含量角度,把它添加在坡縷石復(fù)合材料中,探討適當(dāng)?shù)拟佀徕浘ы毢繉?duì)坡縷石復(fù)合材料的影響,研究短纖維與長(zhǎng)纖維的纏繞微彌補(bǔ)增強(qiáng)復(fù)合機(jī)制,改善坡縷石樹(shù)脂復(fù)合摩擦材料耐磨性差的狀況,提高復(fù)合材料的耐磨性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與設(shè)備

鈦酸鉀晶須:江蘇宜興市晶須復(fù)合材料制造廠(chǎng),平均直徑0.1～1μm,長(zhǎng)徑比在10～100μm[2];硬脂酸:分析純,東陵精細(xì)化學(xué)公司。丁腈改性酚醛樹(shù)脂(濟(jì)南圣泉海沃斯化工有限公司),產(chǎn)品規(guī)格:牌號(hào)PF2 6530A;坡縷石:自制粉末,原礦來(lái)源于貴州大方。20目坡縷石比40目和60目坡縷石摩擦性能好[3],本實(shí)驗(yàn)采用20目坡縷石。蛭石:河北京石礦產(chǎn)加工廠(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到的儀器設(shè)備主要有攪拌器,恒溫爐,恒溫干燥箱,電子秤,傅里葉紅外光譜分析儀,D2M s定速式摩擦試驗(yàn)機(jī),JSM 26400型電子掃描電鏡等。

1.2 制備工藝

(1)濕法改性。用硬脂酸與鈦酸鉀晶須混料,在100℃的水溶液中以900r/min轉(zhuǎn)速攪拌10min,晾干,在干燥箱中100℃干燥,干燥2h,室溫冷卻[4]。

(2)干法工藝制樣。首先用電子天平(精確度為0.0019)稱(chēng)量各原料,原料配方如表1。將各成分放入混料機(jī)中,以800r/min轉(zhuǎn)速攪拌5min。再經(jīng)熱壓(20M Pa)成型,溫度160℃,時(shí)間10m in。然后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱處理:本實(shí)驗(yàn)固化處理工藝為120℃/2h+ 150℃/2h+180℃/3h。

表1 摩擦材料配方/g_______Table 1__Formulas of experimentalmat____________ erials/g

1.3 測(cè)試內(nèi)容

1.3.1 改性效果分析

硬脂酸改性鈦酸鉀晶須試驗(yàn)采用濕法改性處理。用3%的硬脂酸改性鈦酸鉀晶須處理效果最好[4]。最佳工藝下硬脂酸與鈦酸鉀晶須的反應(yīng)程度可以通過(guò)傅里葉變換紅外光譜分析來(lái)定性判斷。實(shí)驗(yàn)對(duì)硬脂酸、未改性以及改性前后的鈦酸鉀晶須試樣進(jìn)行了紅外光譜測(cè)定和分析。

1.3.2 摩擦性能測(cè)試

按GB5763798,在咸陽(yáng)新益摩擦密封設(shè)備有限公司D2M s定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行性能測(cè)試。試樣長(zhǎng)寬25mm×25mm、厚5～7mm。測(cè)試轉(zhuǎn)速5000r/m in、正壓力1225N。用在不同溫度下的平均摩擦因數(shù)和磨損率,評(píng)價(jià)不同含量的鈦酸鉀晶須對(duì)坡縷石復(fù)合材料的摩擦材料性能影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬脂酸改性鈦酸鉀晶須結(jié)果分析

鈦酸鉀晶須有很多優(yōu)點(diǎn),也得到很廣泛的應(yīng)用,但在材料中易團(tuán)聚和搭橋現(xiàn)象,采取改性處理,改善鈦酸鉀晶須與材料均勻分散是必要的[5,6]。

硬脂酸的化學(xué)式為CH3(CH2)16COOH,分子間靠氫鍵聯(lián)接。硬脂酸屬于陰離子表面活性劑,分子一端為長(zhǎng)鏈烷基,其結(jié)構(gòu)和聚合物分子結(jié)構(gòu)近似,因而與有機(jī)高聚合物基料有一定的相容性;分子另一端為羥基,可與無(wú)機(jī)填料或顏料表面發(fā)生物理、化學(xué)作用。因此,硬脂酸表面處理鈦酸鉀晶須,可改善鈦酸鉀晶須與高聚物基料的親和性,提高其在高聚物基料中的分散程度。另外,硬脂酸本身具有潤(rùn)滑作用,還可使復(fù)合體系的內(nèi)摩擦力減少,改善復(fù)合體系的流動(dòng)性能。為研究硬脂酸對(duì)鈦酸鉀晶須的改性效果以及硬脂酸與鈦酸鉀晶須的作用機(jī)理,試驗(yàn)對(duì)硬脂酸、未改性以及改性前后的鈦酸鉀晶須試樣進(jìn)行了紅外光譜測(cè)定和分析,光譜曲線(xiàn)圖如圖1所示。

圖1 鈦酸鉀晶須改性前后的FT2IR光譜(a)鈦酸鉀晶須;(b)硬脂酸改性后的鈦酸鉀晶須;(c)硬脂酸Fig.1 IR curves of PTW modified and not modified by stearic acid (a)PTW;(b)PTW modified by stearic acid;(c)stearic acid

從圖1中可見(jiàn),鈦酸鉀晶須經(jīng)硬脂酸改性后在波數(shù)2917.98cm-1和2850.56cm-1處出現(xiàn)了明顯的CH3和CH2的伸縮振動(dòng)峰。在波數(shù)1855.95cm-1處出現(xiàn)了COO-的伸縮振動(dòng)峰。說(shuō)明硬脂酸在晶須的表面產(chǎn)生很強(qiáng)的物理吸附和化學(xué)作用。

2.2 鈦酸鉀晶須含量對(duì)復(fù)合材料的影響

2.2.1 摩擦因數(shù)分析

鈦酸鉀晶須的添加量,對(duì)復(fù)合材料的摩擦磨損性能是有影響的。本實(shí)驗(yàn)配方如表1,用5%,8%,10%, 13%,15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)五個(gè)含量加入到相應(yīng)的坡縷石樹(shù)脂復(fù)合材料中,制備摩擦試樣,進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn),摩擦性能參數(shù)中的摩擦因數(shù)改變情況如圖2。

圖2 各摩擦試樣隨溫度變化的摩擦因數(shù)Fig.2 Frictional coefficient curves of six samp lesw ith temperature change

從圖2中可以看出,加15%的鈦酸鉀晶須對(duì)坡縷石的摩擦因數(shù)影響大于其他含量的,跟未添加鈦酸鉀晶須復(fù)合材料比,摩擦因系波動(dòng)幅度增大,這不利于材料的摩擦性能。原因可能是由于太多的鈦酸鉀晶須不易分散,也影響了其他材料的分散均勻性,摩擦材料的摩擦性能降低。添加鈦酸鉀晶須含量在5%,8%, 10%,13%的試樣摩擦因系曲線(xiàn)看,他們對(duì)材料的摩擦因數(shù)基本沒(méi)有影響。

2.2.2 磨損率的分析

圖3是摩擦實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的磨損率變化情況。

圖3 各試樣隨溫度變化的磨損率Fig.3 Wear rate curves of six samples with temperature change

從圖3中可以看出,添加了鈦酸鉀晶須的坡縷石復(fù)合材料的磨損率多數(shù)都有所降低,但添加15%的鈦酸鉀晶須含量對(duì)坡縷石復(fù)合材料的耐磨性沒(méi)有得到改善反而升高,可能是晶須含量增多導(dǎo)致晶須分散不均,材料之間勾連不均,出現(xiàn)應(yīng)力集中,材料更容易磨損。10%的鈦酸鉀晶須含量對(duì)復(fù)合材料耐磨性有顯著的改善,磨損率降低27.0%。13%的鈦酸鉀晶須含量的次之,磨損率降低21.8%。含量為8%的鈦酸鉀晶須,磨損率降低了19.4%。含量為5%的鈦酸鉀晶須磨損率降低了12.3%。

250℃以上的高溫階段,添加鈦酸鉀晶須的試樣磨損曲線(xiàn)平滑,磨損率波動(dòng)幅度不大,這說(shuō)明鈦酸鉀晶須的耐高溫性能改善了坡縷石高溫結(jié)構(gòu)水損失后的耐磨性急劇下降的狀況。

從摩擦因數(shù)的改變和磨損率的變化情況綜合分析,10%的鈦酸鉀晶須含量最有利于坡縷石復(fù)合材料的摩擦磨損性能改善。

2.3 SEM電鏡掃描磨損面摩擦磨損機(jī)理探討

選取了未加鈦酸鉀晶須的、最佳添加量10%和最差添加量15%的三個(gè)試樣進(jìn)行SEM掃描(如圖4),來(lái)分析磨損表面形貌。

圖4 摩擦磨損顯微形貌 (a)未加鈦酸鉀晶須的試樣; (b)加10%的鈦酸鉀晶須的試樣;(c)加15%的鈦酸鉀晶須的試樣Fig.4 SEM micrograph of friction samples (a)sample without PTW; (b)sample with 10%PTW;(c)samp le with 15%PTW

從磨損形貌來(lái)看,圖4(a)沒(méi)有鈦酸鉀晶須的加入,形成在摩擦面上的轉(zhuǎn)移膜不完整,出現(xiàn)犁溝狀,磨損嚴(yán)重。圖4(b)磨損形貌比圖4(a)平整,形成了致密的轉(zhuǎn)移膜,更耐磨損,原因可能是基于:貴州大方坡縷石纖維較長(zhǎng),一般為0.02～2mm,長(zhǎng)徑比比較大,鈦酸鉀晶須的平均直徑0.1～1μm,長(zhǎng)徑比在10～100μm,長(zhǎng)纖維在自我纏繞中,存在空隙,短纖維填補(bǔ)了這個(gè)空隙,長(zhǎng)的坡縷石纖維與極短的鈦酸鉀晶須形成了勾連,并連接起整個(gè)長(zhǎng)纖維形成一個(gè)有較強(qiáng)的力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)整體,增強(qiáng)了復(fù)合材料的各個(gè)方向的力學(xué)性能。鈦酸鉀晶須的顯微增強(qiáng)作用得到發(fā)揮,復(fù)合材料更耐磨損。由于添加鈦酸鉀晶須較多,分散不均,易團(tuán)聚(如圖4(c)),也會(huì)導(dǎo)致坡縷石纖維的團(tuán)聚,整個(gè)復(fù)合材料的摩擦性能下降,摩擦表面不平整,在高溫下,出現(xiàn)有樹(shù)脂燒蝕融化的形貌特征。

3 結(jié)論

(1)鈦酸鉀晶須在3%的硬脂酸處理下,發(fā)生了物理化學(xué)的作用,鈦酸鉀晶須的表面吸附了硬脂酸,鈦酸鉀晶須更易分散。

(2)含量為15%的硬脂酸處理鈦酸鉀晶須加入到坡縷石復(fù)合摩擦試樣后,摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度最大,其他幾個(gè)添加含量跟沒(méi)加鈦酸鉀晶須的摩擦因數(shù)比較,對(duì)復(fù)合材料的摩擦因數(shù)的影響不大。

(3)硬脂酸處理后的鈦酸鉀晶須在添加含量為10%時(shí),平均磨損率最低,比未添加鈦酸鉀晶須的坡縷石復(fù)合材料降低了27%,復(fù)合材料耐磨性得到顯著提高。

(4)由于鈦酸鉀晶須在改善耐磨性方面的優(yōu)越性能,對(duì)它改性并研究合適的添加量來(lái)改善耐磨性差的坡縷石復(fù)合摩擦材料,在礦物纖維在非金屬摩擦材料中的應(yīng)用研究是具有重要意義的。

[1] 陳永成.坡縷石纖維表面改性及其對(duì)汽車(chē)摩擦材料性能影響的研究[D].貴陽(yáng):貴州大學(xué)碩士論文.2007.

[2] 吳訓(xùn)錕,王浩.摩擦材料中鈦酸鉀應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題[J].摩擦密封材料,2006,(3):13-16.

[3] 何林,劉勇.坡縷石摩擦材料摩擦磨損特性的基礎(chǔ)研究[J].非金屬礦,2007,(5):61-62.

[4] 程堯.鈦酸鉀晶須表面改性的研究[J].非金屬礦,2009,(6):17-19.

[5] 陳衛(wèi)平,馮新.鈦酸鉀晶須界面性質(zhì)研究[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào), 2004,(8):868-870.

[6] 陳東輝.鈦酸鉀晶須PTFE基復(fù)合材料截面與組分及性能的研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2002.

Study on Friction Property of Palygorskite Resin Composites w ith PTW Modified by Stearic Acid

CHENG Yao,HE Lin,ZHOU YUAN2kang,YAN JIAN2wei
(College of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China)

Effect of po tassium titanate w hiskers(K2O·6TIO2,PTW)modified by stearic acid w as stud2 ied.Compounded friction materials w ith PTW and palygorskite and studied enhancement mechanism of composite materials.Found out that it is not uniform ly dispersive to the composites w ith 15% PTW additive amount,the change of frictional coefficient is not great.Composites w ith 13%PTW additive amount and below the amount of it had little effect to frictional coefficient of composites.The compositesw ith 10%PTW additive amount have a lowestwear rate,wear resistance increased 27%to imp rove the w ear ability significantly,especially on high temperature phase above 250℃,imp roved significantly.

stearic acidand;potassium titanate w hisker;palygorskite;f riction

TB383

A

100124381(2010)1120057203

2010203205;

2010209210

程堯(1974—),女,講師,博士研究生,主要研究摩擦材料方向,聯(lián)系地址:貴州大學(xué)蔡家關(guān)校區(qū)機(jī)械工程學(xué)院(550003),E2mail: chengyaonl@126.com