丁苯膠乳在紙基摩擦材料中的應(yīng)用

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）

丁苯膠乳在紙基摩擦材料中的應(yīng)用

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）

采用碳纖維、短切芳綸纖維和芳綸漿粕、竹纖維為原料，濕法成形制備紙基摩擦材料原紙；探討了丁苯膠乳在摩擦材料原紙成形過程中對填料留著率和紙頁成形的作用。實驗結(jié)果表明：丁苯膠乳的加入提高了填料留著率和紙頁強度；降低了紙頁孔隙率，不過孔隙率降低得很小，對摩擦材料孔隙率的影響幾乎不存在。

紙基摩擦材料；丁苯膠乳；留著率；紙頁強度；孔隙率

紙基摩擦材料主要由纖維、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑和膠粘劑構(gòu)成，其中原紙的制備采用了傳統(tǒng)的抄紙工藝，將纖維、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑在水相介質(zhì)中分散，并最終以脫水的方式成形［1］。隨著對紙基摩擦材料配方和生產(chǎn)工藝的不斷改進，目前發(fā)達國家的紙基摩擦材料已具有摩擦因數(shù)高、摩擦性能穩(wěn)定、耐磨損性能良好、動靜摩擦因數(shù)比可調(diào)和能量吸收能力高等一系列優(yōu)良性能［2-6］，紙基摩擦材料被用于各類重型車輛和工程機械的濕式離合器和制動器中，特別是作為汽車自動變速器中濕式離合器的摩擦片材料，更具有廣闊的應(yīng)用前景［7］。

紙基摩擦材料最常用的增強纖維有芳綸纖維、碳纖維、玻璃纖維和其他有機合成纖維。汽車離合器和摩擦片綜合性能的要求不斷提高，單一的某種纖維很難實現(xiàn)摩擦材料對性能的要求，所以紙基摩擦材料都是由多種纖維混合組成，以獲得良好的綜合性能［8-9］；由于采用的纖維原料在水相介質(zhì)中潤濕性較差，表面活性低，易于絮聚成團，成紙勻度低［10-11］；纖維之間結(jié)合力低，難以吸附填料、致使填料容易沉降。隨著紙張品種增加及性能要求提高，膠乳在造紙中獲得日益廣泛的應(yīng)用，被大量用作紙漿添加劑、紙張浸漬劑及紙張涂層劑等，以提高紙張的干、濕拉伸強度、抗撕裂強度、耐折強度及耐水、耐油和耐磨等性能［12］。

本實驗主要采用丁苯膠乳作為紙基摩擦材料的調(diào)節(jié)劑，探究丁苯膠乳在摩擦材料原紙成形過程中對填料留著率、紙頁成形的影響。

1　實驗部分

1.1實驗原料及儀器

實驗原料：碳纖維，長3～5 mm；芳綸短切纖維，長3～6 mm；芳綸漿粕：長1 mm，打漿度13°SR；竹漿，打漿度13°SR；片狀石墨，100～200目；硅藻土，100～200目；氧化鋁，100～200目；分散劑，聚氧化乙烯（PEO），相對分子質(zhì)量300萬～400萬，質(zhì)量分數(shù)為0.01%；纖維黏結(jié)劑，羧基丁苯膠乳，固含量48%；助留劑，陽離子聚丙烯酰胺（CPAM），相對分子質(zhì)量1 000萬，質(zhì)量分數(shù)0.05%；海泡石絨，工業(yè)品。

實驗儀器：ZQJ 1-B紙頁成形器；L&WSE-062抗張強度測定儀；NO.SE003標準纖維疏解器；愛利門道夫撕裂度儀；DMB 5-223IPL-5多媒體顯微鏡。

1.2實驗步驟

制取紙基摩擦材料原紙的步驟如下。

1.2.1纖維處理

對位芳綸漿粕、竹漿纖維分別進行打漿處理，芳綸纖維打漿度30°SR，竹漿纖維打漿度20°SR，風(fēng)干后計算水分，備用；芳綸短切纖維放入溫度60℃的水中，加入適量的十二烷基本磺酸鈉進行清洗，再用清水清洗，干燥備用；碳纖維使用濃硝酸浸泡，并用電動攪拌器適當(dāng)攪拌，然后用水清洗后干燥，備用。

1.2.2制備均勻的混合漿料

將處理后的芳綸纖維、碳纖維、芳綸漿粕和竹漿，以及各種填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑加入疏解器中，加入0.01%的PEO，疏解2 000 r；然后加入一定量的丁苯膠乳，疏解300 r，使丁苯膠乳均勻分布在漿料中，充分吸附在纖維表面，并在纖維之間和纖維與填料之間形成結(jié)合力；再加入絮凝劑CPAM，疏解300 r，使?jié){料澄清，使纖維與填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑充分絮聚結(jié)合；最后加入一定量的PEO，疏解300 r，形成分散均勻的漿料。

1.2.3紙頁抄造

采用紙樣抄片器制備紙基摩擦材料原紙，紙漿濃度控制為0.06%，定量為100 g/m2。

1.3實驗設(shè)計

實驗中竹漿纖維為基體纖維，利用其良好的耐磨性能和廉價性；以芳綸纖維及其漿粕、碳纖維作為增強纖維；羧基丁苯橡膠顆粒被用于增加摩擦材料彈性，使之在工作時能與對偶更好地接觸。填料為海泡石、硅藻土、三氧化二鋁、二氧化硅和碳酸鈣。其中，硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)，對于紙基材料的孔隙率提高有重要影響；三氧化二鋁、二氧化硅和碳酸鈣為硬質(zhì)填料，以增強紙頁的摩擦系數(shù)；摩擦性能調(diào)節(jié)劑為石墨；并以PEO作為分散劑，CPAM用作絮凝劑；羧基丁苯膠乳對纖維之間的結(jié)合、以及纖維對填料的吸附起到增強作用。

1.3.1羧基丁苯膠乳加入量對填料留著的影響

實驗中羧基丁苯膠乳固含量為2%，加入量2%（相對于原紙質(zhì)量分數(shù)，下同）；在使用一定量的CPAM下，調(diào)整羧基丁苯膠乳的加入量，分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%，制取漿料，測定留著率。

1.3.2羧基丁苯膠乳加入量對原紙性能影響

實驗根據(jù)羧基丁苯膠乳助留體系對填料留著的實驗設(shè)計方案，分別制取漿料，然后通過紙頁成形器抄取手抄片，測定其抗張強度和撕裂強度。

1.3.3羧基丁苯膠乳加入量對孔隙率的影響

實驗采用上一設(shè)計方案（羧基丁苯膠乳加入量相對于原紙性能影響的實驗設(shè)計），抄取紙頁進行孔隙率的測定。

1.4檢測方法

1.4.1漿料留著率

按照一定比例配制漿料，疏解后濃度控制在0.45%，取500 mL漿料，通過動態(tài)慮水儀過濾100 mL濾液（這一步驟模擬紙頁成形過程）；得到的濾液經(jīng)定量濾紙過濾、烘干，并放入高溫箱測定灰分?；曳仲|(zhì)量即為填料流失質(zhì)量，然后計算填料流失率。

1.4.2紙頁孔隙率

孔隙率依據(jù)GB/T 13826—2008《濕式紙基摩擦材料》測定。其步驟如下：（1）將紙頁烘干至恒重或干燥24 h，然后冷卻至室溫，稱其質(zhì)量（G1），準確到0.1 mg；（2）在室溫下，干燥紙頁全部浸入20號機油中，時間為24 h，使機油完全浸入紙頁的孔隙；（3）將浸飽油的紙樣浸沒在油中稱其質(zhì)量（G2），準確到0.1 mg；（4）從油中取出紙樣后，用濾紙小心地擦去試樣表面附著油，不得擠壓紙頁，立即稱量（G3），準確到0.1 mg。（5）按以下公式計算孔隙率：

P=（G3-G1）/（G3-G2）×100%

式中：P，孔隙率，%；G1，干燥試樣的質(zhì)量，g；G2，飽油試樣在油中的質(zhì)量，g；G3，飽油試樣在空氣中的質(zhì)量，g。

1.4.3抗張強度和撕裂度

抗張強度和撕裂度分別采用L&W SE-062抗張強度測定儀和愛利門道夫撕裂度儀進行測試。

2　結(jié)果與討論

2.1羧基丁苯膠乳加入量對填料留著率的影響

丁苯膠乳是一種合成膠乳，是由不同比例的苯乙烯和丁二烯單體在乳液或溶液中經(jīng)催化劑催化共聚而成［13］，根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)又可分為非羧基丁苯膠乳和羧基丁苯膠乳等2種。在漿料中加入丁苯膠乳可以使?jié){料分散成均一的乳液，因為漿料中存在不飽和酸性基團，膠乳表面的羥基基團被纖維表面的堿性基團中和，丁苯膠乳離子化。離子化的羧基具有親水性能而吸附在纖維的外部，并且表面羧基帶有負電荷使膠乳成為陰離子型，這與漿料中的大部分纖維帶有同性電荷，于是乳膠顆粒之間、纖維之間由于靜電斥力形成均勻分散的漿料溶液，從而有效防止碳纖維、芳綸纖維以及填料的快速沉降。

圖1顯示了羧基丁苯膠乳加入量對填料留著率的影響。

圖1　丁苯膠乳加入量對填料留著率的影響

由圖1可知，隨著丁苯膠乳加入量的增加，填料的留著率不斷提高。當(dāng)丁苯膠乳加入量為0%時，填料的留著率只有91.56%；隨著丁苯膠乳加入量的增加，留著率的增加速率變慢，丁苯膠乳加入量為2%時，填料留著率為94.7%。其主要原因是纖維表面對填料吸附作用增強；但是填料顆粒細小、密度大、易沉降，容易隨水流失，當(dāng)丁苯膠乳加入量超過2%時，繼續(xù)增加丁苯膠乳也很難提高填料的留著。

圖2是羧基丁苯膠乳對填料留著機理顯微結(jié)構(gòu)圖。

由圖2顯微鏡觀察可知：圖2（a）未添加丁苯膠乳的漿料，填料在碳纖維和芳綸纖維表面幾乎沒有吸附，并且纖維之間比較分散；圖 2（b）是加入丁苯膠乳后，增強纖維表面有少量的填料吸附，并且纖維之間相互纏結(jié)，在漿料內(nèi)部形成一層交織的網(wǎng)，從微觀結(jié)構(gòu)說明了丁苯膠乳對漿料的留著作用。

圖2　丁苯膠乳對填料留著機理顯微結(jié)構(gòu)圖

2.2羧基丁苯膠乳加入量對抗張強度的影響

圖3顯示了羧基丁苯膠乳加入量對紙頁強度的影響。

圖3　丁苯膠乳加入量對紙頁強度的影響

由圖3可知，隨著丁苯膠乳加入量的增加，抗張強度和撕裂度都不斷增加。當(dāng)丁苯膠乳加入量為0%時，抗張強度為2.7 kN/m，撕裂度為1 514 mN；當(dāng)加入量為2%時，抗張強度為3.9 kN/m，撕裂度為1 774 mN。其主要原因是加入的丁苯膠乳分散在纖維表面，在CPAM作用下，丁苯膠乳被破乳，纖維之間絮聚纏繞，膠乳通過其黏結(jié)作用增強纖維之間的結(jié)合力，從而提高了抗張強度和撕裂度。當(dāng)加入量超過2%時，撕裂度和抗張強度趨于平穩(wěn)。其主要原因是在漿料中丁苯膠乳充分地吸附在纖維表面，形成飽和，過量的膠乳不會對紙頁的強度產(chǎn)生較大的提高。

2.3羧基丁苯膠乳加入量對紙頁孔隙率的影響

孔隙率對摩擦材料的工作狀態(tài)具有重要影響。孔隙率越高，摩擦材料在液態(tài)油中摩擦?xí)r內(nèi)部油液循環(huán)越快，能更快地將摩擦面產(chǎn)生的熱量分散，降低摩擦材料的熱損耗。摩擦材料的孔隙率由原料、紙頁結(jié)構(gòu)以及樹脂含量共同決定。根據(jù)國家標準GB/T 13826—2008要求，紙基摩擦材料孔隙率約為25%～50%。

圖4顯示了羧基丁苯膠乳加入量對紙頁孔隙率的影響。

圖4　丁苯膠乳加入量對紙頁孔隙率的影響

由圖4可知，隨著丁苯膠乳的加入量增加，紙頁的孔隙率逐漸降低。當(dāng)丁苯膠乳加入量0%時，孔隙率約為80%；加入量為2%，孔隙率為77%。丁苯膠乳加入量增加導(dǎo)致孔隙率降低的主要原因是，丁苯膠乳使填料吸附在纖維上，在紙頁成形時留著在紙頁中，填料填充了紙頁內(nèi)部的孔隙，從而降低了紙頁的孔隙率。當(dāng)丁苯膠乳含量超過2%時，填料留著率不再繼續(xù)增加，孔隙率也不再變化；其主要原因是填料的體積分數(shù)很小，丁苯膠乳的加入，孔隙率下降很小，對摩擦材料孔隙率的影響幾乎不存在。

3　結(jié)論

（1）由于羧基丁苯膠乳本身的黏著性，纖維與填料以及纖維之間的結(jié)合力增加，能有效提高填料的留著；當(dāng)丁苯膠乳添加量為2%時，紙頁的抗張強度達到3.9 kN/m，撕裂度為1 774 mN，提高了紙頁的強度性能。

（2）羧基丁苯膠乳對紙頁孔隙率有降低作用，降低的幅度很小，不會影響到紙基摩擦材料對于高孔隙率的要求。丁苯膠乳的加入對孔隙率的影響與對紙頁增強作用以及助留作用相互印證。

［1］鐘林新，付時雨，周雪松，等.紙基摩擦材料的摩擦性能及其機理研究現(xiàn)狀［J］.中國造紙學(xué)報，2010，25（1）：96-101.

［2］任剛，鄧海金，李明．汽車用紙基摩擦材料國內(nèi)外研究進展［J］．汽車技術(shù)，2004（11）：1-4．

［3］Seong Jin Kim，Ho Jang.Friction and wear of friction materials containing two different phenolic resins reinforced with aramid pulp［J］.Tribology International，2000（33）：477-484.

［4］Nobutaka Chiba，Makoto Kano，Masayyuki Inoue.Mechanism of compression fatigue of wet friction materials［J］．JSAE Review，2001（22）：169-174．

［5］鄧海金，李雪芹，李明．孔隙率對紙基摩擦材料的壓縮回彈和摩擦磨損性能影響的研究［J］．摩擦學(xué)學(xué)報，2007，27（6）：544-548．

［6］高家誠，伍沙，王勇.紙基摩擦材料的研究現(xiàn)狀［J］.功能材料，2009（3）：353-356，359.

［7］楊瑞麗，付業(yè)偉.紙基摩擦材料的國內(nèi)研究進展［J］.材料導(dǎo)報，2006（10）：17-20.

［8］付業(yè)偉，李賀軍，李克智，等.增強紙基摩擦材料研究［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報，2004（6）：802-805.

［9］胡健，張曾.混合纖維復(fù)合摩擦材料的研究［J］．中國造紙，2004，23（2）：24．

［10］費杰，王洪坤，黃劍鋒，等.紙基摩擦材料的研究現(xiàn)狀及進展［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013（4）：42-45.

［11］周雪松，黃小華，鄭熾離，等．芳綸復(fù)合紙基摩擦材料的初步研究［J］．造紙科學(xué)與技術(shù)，2005，24（2）：19．

［12］李志謙，管菅，何兆秋．丁苯膠乳在造紙工業(yè)中的應(yīng)用［J］.西南造紙，2004，33（1）：51.

［13］袁世炬，黃再兵，張光彥．膠乳在造紙中的應(yīng)用［J］.湖北造紙，2004（4）：6-9.

Styrene Butadiene Latex in the Application of Paper-based Friction Materials

WANG Bei-bei，LU Zhao-qing，CHEN Jie
（Shanxi University of Science&Technology，Institute of Light Industry and Energy，Xi'an 710021，China）

In this experiment，using carbon fiber，aramid fiber and aramid pulp and bamboo fiber as raw materials， preparation of paper-based friction materials by wet forming base paper；Styrene butadiene latex are discussed in the base paper forming process of friction material on the effect of filler retention and sheet forming.Experimental results show that the addition of styrene butadiene latex improve filler retention and sheet strength；Reduce the sheet porosity，but lower porosity is small，influence on friction material porosity almost non-existent.

paper-based friction material；styrene butadiene latex；retention rate；sheet strength；porosity

TS727+.2

A

1007-2225（2015）03-0017-04

王貝貝女士（1990-），在讀碩士研究生；主要從事高性能紙基功能材料的研發(fā)；E-mail：15249271900 @163.com。

2015-04-07（修回）

本文文獻格式：王貝貝，陸趙情，陳杰．丁苯膠乳在紙基摩擦材料中的應(yīng)用［J］．造紙化學(xué)品，2015，27（3）∶17-20．