BF/黑寶石粉體增強EP基摩擦材料的摩擦磨損性能

劉建華，賈濤芳，劉華武

（1.山東格瑞德集團有限公司，山東德州 253000； 2.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387； 3.天津市鼎上新材料科技有限公司，天津 300387）

BF/黑寶石粉體增強EP基摩擦材料的摩擦磨損性能

劉建華1，賈濤芳1，劉華武2，3

（1.山東格瑞德集團有限公司，山東德州 253000； 2.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387； 3.天津市鼎上新材料科技有限公司，天津 300387）

以環(huán)氧樹脂（EP）為基體，玄武巖纖維（BF）為增強材料，玄武巖水晶玻璃（黑寶石）粉體為摩擦性能調(diào)節(jié)劑制備BF/黑寶石粉體增強EP基摩擦材料，研究了黑寶石粉體對摩擦材料摩擦磨損性能和力學(xué)性能的影響，然后在添加質(zhì)量分數(shù)為5%的黑寶石粉體的基礎(chǔ)上，采用相同手段研究了BF含量對摩擦材料性能的影響。結(jié)果表明，黑寶石粉體可以極大地提高摩擦材料的摩擦系數(shù)，并進一步降低磨損率以及提高摩擦材料的力學(xué)性能。BF的加入在一定程度上降低了摩擦材料的摩擦系數(shù)，且當BF含量較低或較高時，摩擦材料的磨損率均會有所提升。當BF質(zhì)量分數(shù)為6%時，摩擦材料的綜合性能最優(yōu)，其摩擦系數(shù)為0.534，與未加BF的摩擦材料相比僅降低了7.61%，磨損率為0.75%，較未加BF的摩擦材料降低了31.82%，拉伸強度和彎曲強度分別為55.568 MPa和92.750 MPa，與未加BF的摩擦材料相比，分別提高了148%和66.42%。

玄武巖纖維；黑寶石粉體；環(huán)氧樹脂；摩擦材料

樹脂基摩擦材料是一種高分子多元復(fù)合材料，它由高分子基體、增強纖維和摩擦性能調(diào)節(jié)劑及其它配合劑構(gòu)成，由于其常處于高溫、較大壓力與剪切壓力的工作環(huán)境下，因而需要具有一定的耐熱性和強度。由于主要通過摩擦來吸收和傳遞動力，摩擦材料又需具備較高的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性。樹脂基摩擦材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定、比強度和比模量大、密度小、易設(shè)計加工［1］、可消聲吸震，被廣泛應(yīng)用于交通運輸業(yè)、建筑行業(yè)和機械制造等領(lǐng)域［2］。在某些特殊領(lǐng)域，需要摩擦材料在極高溫度與較高壓力下工作，這對摩擦材料的綜合性能提出了更高的要求，而提高其耐磨性尤為重要［3］。

玄武巖水晶玻璃（即黑寶石）粉體是一種新型的高性能粉體，具有高硬（莫氏硬度8）、高強（拉伸強度＞4 000 MPa）、耐高溫（工作溫度814～1 120℃）、耐腐蝕［4］等優(yōu)點，且生產(chǎn)和使用過程無污染，這為其作為摩擦材料用耐磨填料提供了廣泛的應(yīng)用前景。添加適量黑寶石粉體，可以改善摩擦材料的表面硬度及磨損機理，抑制犁切現(xiàn)象，提高材料的耐腐蝕、耐疲勞和抗剪切、沖擊性能等［5-6］。目前，黑寶石粉體在樹脂基摩擦材料中的應(yīng)用尚未有相關(guān)文獻報道，而根據(jù)筆者前期研究，黑寶石粉體質(zhì)量分數(shù)為5%時，復(fù)合材料的耐磨性最優(yōu)［7］。

玄武巖纖維（BF）作為一種新型的高性能復(fù)合材料用增強纖維，其物理性能優(yōu)異，熱穩(wěn)定性好且耐高溫、耐化學(xué)腐蝕［8-10］。同時其價格介于碳纖維與玻璃纖維之間，性價比高，因而得到廣泛應(yīng)用。BF增強樹脂基復(fù)合材料是符合環(huán)境生態(tài)化要求的綠色環(huán)保型材料，其在高性能纖維改性復(fù)合材料領(lǐng)域中具有較高的競爭力，開發(fā)高性能BF增強樹脂基復(fù)合材料也是行業(yè)內(nèi)的熱點［11-12］。

筆者將黑寶石粉體作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑、短切BF作為增強劑，制備了環(huán)氧樹脂（EP）基摩擦材料，研究了添加黑寶石粉體前后摩擦材料性能的變化情況，同時研究了短切BF的含量對摩擦材料摩擦磨損性能和力學(xué)性能的影響。

1　實驗部分

1.1主要原料

EP：E51，天津津?qū)幦突瘜W(xué)有限公司；固化劑：T-31，天津市贏達稀貴化學(xué)試劑廠；低分子量聚酰胺：203，天津燕?；瘜W(xué)有限公司；

短切BF：單絲直徑9 μm，長度10 mm，細度264 tex，拉伸強度10～13 MPa，浙江石金玄武巖纖維有限公司；

黑寶石粉體：粒徑＜5 μm，天津鼎上新材料科技有限公司；

單環(huán)氧基丁基縮水甘油醚（BGE）、甲基硅油、硅烷偶聯(lián)劑（KH-550）等：市售。

1.2主要儀器及設(shè)備

平板硫化機：XLB-D（Q）型，湖州順力橡膠機械有限公司；

摩擦磨損試驗機：M-2000型，濟南恒旭試驗機技術(shù)有限公司；

天平：TG328型，上海濟成分析儀器有限公司；

萬能電子強力儀：3369型，美國Ιnstron公司；

掃描電子顯微鏡（SEM）：TM-1000型，日本日立公司。

1.3試樣制備

（1）黑寶石粉體的改性。

定量配置一定濃度的硅烷偶聯(lián)劑KH-550深液，將一定量的黑寶石粉體添加到深液中，浸泡0.5 h后分離出黑寶石粉體。將分離出的黑寶石粉體放入120℃的烘箱中進行干燥，使粉體與硅烷偶聯(lián)劑充分反應(yīng)，1 h后取出，裝入真空袋中防吸濕，備用。

（2） BF的表面處理。

將BF放置于250℃馬弗爐中熱處理30 min，然后用500 mL濃度為2 mol/L的鹽酸深液浸漬2 h，取出后用蒸餾水沖洗3次，置于120℃烘箱中干燥60 min。然后將纖維浸漬于濃度為1%的KH-550深液中處理15 min，取出后置于120℃烘箱中干燥60 min，最后將纖維放于密封的實驗袋中備用。

（3） BF/黑寶石粉體增強EP基摩擦材料的制備。

固定EP/T-31固化劑/低分子量聚酰胺/甲基硅油/BGE的質(zhì)量比為100/25/10/0.3/5，將質(zhì)量分數(shù)為5%的黑寶石粉體加入EP中，在真空條件下機械強力攪拌2 h，然后再添加T-31固化劑和其它助劑。待混合均勻后，將少量樹脂膠液倒入涂有涂膜劑的模具內(nèi)，再將定量的BF鋪放在模具中，并施加一定的壓力，使纖維分散均勻，最后將剩余的膠液澆注在鋪有纖維的模具內(nèi)。加壓至15 MPa并逐步升溫到60℃，保溫30 min，然后在100℃下固化3 h；無壓100℃保溫30 min，脫模后再在190℃下保溫3 h，制得BF/黑寶石粉體增強EP基摩擦材料。短切BF在摩擦材料中的質(zhì)量分數(shù)為0%，2%，4%，6%，8%，10%。

1.4測試與表征

摩擦磨損性能按GB/T 13826-2008測試，摩擦副為HT200鋼環(huán)和摩擦復(fù)合材料試樣，試樣為6 mm×7 mm×30 mm的長方體，試驗前試樣經(jīng)水磨砂紙打磨至表面粗糙度為0.1 μ m；試驗條件為干摩擦，載荷為200 N，速度為400 r/min，時間為30 min；由測得的摩擦力矩計算得到摩擦系數(shù)，磨損率按式（1）計算。

磨損率=（m1/m2）×100% （1）

式中：m1--天平稱量的試樣磨損質(zhì)量損失；

m2--天平稱量的試樣磨損前的質(zhì)量。

拉伸性能按GB/T 1447-2005測試，拉伸速率為2 mm/min。

彎曲性能按GB/T 1449-2005測試，測試速率為2 mm/min。

采用SEM觀察試樣磨損表面形貌并拍照。

2　結(jié)果與討論

2.1黑寶石粉體對摩擦材料性能的影響

純EP，EP/BF復(fù)合材料和黑寶石粉體改性EP /BF復(fù)合材料的性能對比如表1所示。

表1　純EP，EP/BF和黑寶石粉體改性EP/BF復(fù)合材料的性能

由表1可以看出，未加入黑寶石粉體時，BF增強的摩擦材料摩擦系數(shù)較純EP有所下降，而加入黑寶石粉體后，摩擦材料的摩擦系數(shù)明顯提高，且磨損率進一步降低，拉伸及彎曲性能進一步提升。與未添加黑寶石粉體的摩擦材料相比，黑寶石粉體/ BF增強EP基摩擦材料的摩擦系數(shù)提高了147%，而磨損率降低了11.76%；在力學(xué)性能方面，拉伸強度提高了8.81%，彎曲強度提高了10.65%。

將黑寶石粉體作為摩擦材料的性能調(diào)節(jié)劑可以填充纖維與樹脂基體間的界面孔隙，提高摩擦材料的致密性，增強各組分間的粘附強度，同時黑寶石粉體的形狀不規(guī)則，可扎釘住裂紋的拓展。因而加入黑寶石粉體后可以在很大程度上改善摩擦材料的摩擦磨損性能與力學(xué)性能。

2.2BF含量對摩擦材料性能的影響

（1）摩擦磨損性能。

圖1為BF含量對摩擦材料摩擦磨損性能的影響。從圖1可以看出，隨著BF含量的增加，摩擦材料的摩擦系數(shù)先逐步降低后稍有提升，當BF質(zhì)量分數(shù)為8%時，摩擦材料的摩擦系數(shù)達到最小值，為0.518，較未添加BF的摩擦材料降低了10.38%；摩擦材料的磨損率先稍有提高后逐漸下降，最后又有所提升，當BF質(zhì)量分數(shù)為6%時，摩擦材料的磨損率達到最小值，為0.75%，較未添加BF的摩擦材料降低了31.82%。

圖1　BF含量對摩擦材料摩擦磨損性能的影響

由上述數(shù)據(jù)可以看出，BF的加入在一定程度上降低了摩擦材料的摩擦系數(shù)，但降低幅度并不大，在BF含量較高時反而有所提高。而含量過少或過多的BF均會導(dǎo)致摩擦材料的磨損率升高，這是因為當BF含量較少時，其所起到的增強作用不明顯，摩擦材料承載壓力時會出現(xiàn)局部受力，摩擦材料試樣與對偶件接觸面易出現(xiàn)微裂紋。隨著BF含量的提高，樹脂基體層變薄，受到外界載荷時，樹脂基體層脫落速度提高，BF成為承受載荷的主體，同時BF也能束縛EP大分子的滑移，因而摩擦材料抵抗外加載荷的能力隨之增強，耐磨性能得到提高。但BF含量過高時，分散不均會發(fā)生團聚現(xiàn)象，材料內(nèi)部缺陷增加，反而會影響摩擦材料的整體強度和耐磨性能。

對于應(yīng)用于制動器襯片等領(lǐng)域的摩擦材料來說，要求其具有較高的摩擦系數(shù)及較小的磨損率，故從圖1看，BF的最佳質(zhì)量分數(shù)應(yīng)為6%，此時磨損率最低，而摩擦系數(shù)為0.534，相比未加BF時僅降低了7.61%。

（2）力學(xué)性能。

圖2為BF含量對摩擦材料拉伸與彎曲強度的影響。

圖2　BF含量對摩擦材料拉伸與彎曲性能的影響

從圖2可以看出，隨著BF含量的增加，摩擦材料的拉伸和彎曲強度都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當BF質(zhì)量分數(shù)為6%時，摩擦材料的拉伸強度最高，為55.568 MPa，比未加BF的摩擦材料提高了148%；當BF質(zhì)量分數(shù)為4%時，摩擦材料的彎曲強度最高，為97.234 MPa，比未加BF的摩擦材料提高了74.47%，而當BF質(zhì)量分數(shù)為6%時，雖然此時彎曲強度有所下降，但仍達到92.750 MPa，遠高于未加BF的摩擦材料，提高幅度達66.42%。

當BF含量較少時，纖維能夠均勻地分散在樹脂基體中，在樹脂和黑寶石粉體間起橋梁連接作用。摩擦材料試樣受到外界載荷時，黑寶石粉體與纖維平均承擔應(yīng)力，增強纖維也能夠有效地抑制裂紋的產(chǎn)生和拓展。因而隨著BF含量的增加，摩擦材料的力學(xué)性能也不斷提高。然而當BF含量過高時，其在樹脂中發(fā)生團聚，影響了摩擦材料的整體均勻性，摩擦材料的缺陷增多，力學(xué)性能反而開始下降。

（3）磨損表面形貌。

圖3為不同BF含量的摩擦材料磨損表面的SEM形貌。

圖3　不同BF含量的摩擦材料磨損表面的SEM形貌

由圖3a可以看出，沒有添加BF的摩擦材料表面相對粗糙，出現(xiàn)大量的片狀磨屑，此時的磨損機理屬于粘著與疲勞磨損。由圖3b可以看出，當BF含量較少時，對偶件表面主要與摩擦材料表面的EP相互接觸，此階段主要是粘著磨損，隨著樹脂的磨損剝落，摩擦材料表面出現(xiàn)凹凸不平，同時一部分BF暴露，承擔了一定的載荷。這一階段界面空洞與縫隙部位的裂紋也逐漸產(chǎn)生并拓展。

從圖3c～圖3e可以看出，隨著BF含量的增加，摩擦材料表面的EP磨損脫落，開始由BF與對偶件進行接觸，BF承擔載荷，因而基體的粘著磨損降低。雖然摩擦材料經(jīng)磨損后表面有犁溝、纖維拔出后留下的空洞、裂紋以及小塊剝落等現(xiàn)象，但此階段摩擦材料磨損表面相對光滑。

由圖3f可以看出，BF含量過高時，易導(dǎo)致纖維與基體間的粘結(jié)性變差，疲勞裂紋在摩擦材料中迅速拓展，裂紋將穿透界面引起纖維與基體間脫粘進而造成纖維從基體中抽拔出來。纖維的增強作用失去后，EP成片狀剝落，此時摩擦材料主要呈現(xiàn)疲勞磨損。

3　結(jié)論

（1）黑寶石粉體可以大幅提高BF增強EP基摩擦材料的摩擦系數(shù)，并進一步降低磨損率以及提高摩擦材料的力學(xué)性能。

（2） BF的加入在一定程度上降低了摩擦材料的摩擦系數(shù)，但當BF含量較高時，摩擦系數(shù)又有所提高。少量BF的加入增加了摩擦材料的磨損率，隨著BF含量的增加，磨損率開始下降，當BF質(zhì)量分數(shù)為6%時，摩擦材料的磨損率達到最小值，隨著BF含量的繼續(xù)增加，磨損率有所上升。摩擦材料的拉伸和彎曲性能隨著BF含量的增加均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

（3）當BF質(zhì)量分數(shù)為6%時，摩擦材料具有最佳的綜合性能。其摩擦系數(shù)為0.534，較未添加BF的摩擦材料僅降低了7.61%；磨損率為0.75%，較未添加BF的摩擦材料降低了31.82%；拉伸強度和彎曲強度分別為55.568 MPa和92.750 MPa，分別較未添加BF的摩擦材料提高了148%和66.42%。

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“互聯(lián)網(wǎng)+”綠色生態(tài)行動方案利好廢塑料行業(yè)

發(fā)改委印發(fā)的《“互聯(lián)網(wǎng)+”綠色生態(tài)三年行動實施方案》將全面利好環(huán)保產(chǎn)業(yè)尤其是固廢資源回收利用行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。方案中要點任務(wù)共計24條，其中10條涉及再生資源回收。

方案對于完善廢舊資源回收利用和在線交易體系制定了明細規(guī)則。要求印發(fā)《2016-2020“互聯(lián)網(wǎng)+”資源循環(huán)行動方案》，并下發(fā)關(guān)于《推動再生資源回收行動轉(zhuǎn)型升級意見》，推動回收行業(yè)利用信息技術(shù)從松散粗放型向集約型、規(guī)模型、效益型方向轉(zhuǎn)變。另外支持回收行業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)開展信息采集、數(shù)據(jù)分析，推廣“互聯(lián)網(wǎng)+”回收新模式。

1 國家層面對廢塑料行業(yè)的不斷支持

2015年7月1日，財政部印發(fā)《資源綜合利用產(chǎn)品和勞務(wù)增值稅優(yōu)惠目錄》；

2015年中央將生態(tài)文明建設(shè)寫入十三五規(guī)劃，9月21日國務(wù)院印發(fā)《生態(tài)文明體制改革總體方案》，明確惠及循環(huán)再生經(jīng)濟發(fā)展；

2016年1月1日工信部《廢塑料綜合利用行業(yè)規(guī)范條件》開始實施；

2016年1月21日發(fā)改委在本方案中提及《“互聯(lián)網(wǎng)+”資源循環(huán)行動方案（2016-2020）》和《關(guān)于推動再生資源回收行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的意見》。

從2015年到現(xiàn)在國家在不斷出臺行業(yè)新規(guī)，表明國家在支持和引導(dǎo)廢塑料行業(yè)向正規(guī)化、規(guī)?；?、集約化發(fā)展。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”助推行業(yè)線上線下轉(zhuǎn)型發(fā)展

2015年兩會期間所提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，之后國務(wù)院出臺了《關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》，而此次具體方案的出臺更彰顯了國家在推動“互聯(lián)網(wǎng)+”綠色生態(tài)的決心?；ヂ?lián)網(wǎng)時代的大數(shù)據(jù)采集將打造“互聯(lián)網(wǎng)+”回收新模式；而鼓勵互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)參與城市與園區(qū)廢棄物回收平臺也是創(chuàng)新資源回收的新舉措；此外利用二維碼技術(shù)對電子廢物的跟蹤也將推動WEEE產(chǎn)品處理的標準指標的審核。

3 在線交易系統(tǒng)將革命整個廢塑料行業(yè)

推動現(xiàn)有骨干再生資源交易市場向線上線下結(jié)合轉(zhuǎn)型升級，逐步形成行業(yè)性、區(qū)域性、全國性的產(chǎn)業(yè)廢棄物和再生資源在線交易系統(tǒng)，完善線上信用評價和供應(yīng)鏈融資體系，開展在線競價，發(fā)布價格交易指數(shù)，提高穩(wěn)定供給能力，增強主要再生資源品種的定價權(quán)。

在線交易系統(tǒng)平臺的打造將會帶來廢塑料行業(yè)的一場巨大變革，“互聯(lián)網(wǎng)+”模式將打造新型回收交易平臺，整合線上線下資源，解決再生資源行業(yè)渠道層級多、渠道加價等行業(yè)痛點。“互聯(lián)網(wǎng)+”將推動再生資源行業(yè)加快發(fā)展與整合，行業(yè)龍頭公司將進一步提升行業(yè)占有率和定價話語權(quán)。

廢塑料行業(yè)經(jīng)歷了最慘淡的2015，也將迎來最艱難的2016，或許這是全球經(jīng)濟（油價、匯率）的影響，或許是我國新常態(tài)社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型帶來的陣痛。目前很多企業(yè)家都在思考轉(zhuǎn)型，有人離開，有人堅守。

政府在不斷地出臺新政規(guī)范行業(yè)發(fā)展，這既是嚴格管理，也是對行業(yè)的一次正確引導(dǎo)，未來廢塑料加工利用企業(yè)的方向就在規(guī)?；?、集約化、綠色化和互聯(lián)網(wǎng)化。我們正躬逢著一個偉大的時代變革，“變”是這個時代里唯一不變的東西。我們相信陣痛結(jié)束會迎來新的生命，那是行業(yè)的未來和希望，堅持就是勝利。

（慧聰網(wǎng)）

工信部表示將加大可降解替代塑料產(chǎn)品支持

隨著社會對降解材料的認識深化、需求加大以及市場的接受度不斷提高和國家限塑政策的完善和實施，降解材料的發(fā)展前景將越來越好。為此，中國工信部已選擇新疆、云南等省區(qū)和一些城市建設(shè)應(yīng)用示范區(qū)進行試點，對塑料回收、利用將給予更大的關(guān)注和支持。

此外，目前國家正在實施的“雙百工程”（建立100個新材料基地，選擇100家企業(yè)）將會更好地起到帶頭和示范作用，將加快回收利用的研究和實施步伐，降解材料行業(yè)加強行業(yè)標準的制定工作，加強企業(yè)的交流和溝通，不斷推出新產(chǎn)品。

（包裝網(wǎng)）

Friction and Wear Properties of Basalt Fiber/Basalt Crystal Glass Powder Reinforced Epoxy Resin Matrix Friction Materials

Liu Jianhua1， Jia Taofang1， Liu Huawu2，3
（Shandong GRAD Group Co. Ltd.， Dezhou 253000， China； 2. The School of Textiles， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；3. Tianjin Dingshang New Material Technology Co. Ltd.， Tianjin 300387， China）

The basalt fiber （BF） and basalt crystal glass powder reinforced epoxy resin （EP） matrix friction materials were prepared by using EP as matrix，BF as a reinforcing material and basalt crystal glass powder as friction performance moderators. The effect of basalt crystal glass powder on the friction and wear properties and mechanical properties of the friction materials were studied，and then on the basis of adding 5% basalt crystal glass powder，the effects of BF content on the properties of the friction materials were investigated by using same test methods. The results show that the basalt crystal glass powder can largely increase the friction coefficient，further reduce wear rate and improve mechanical properties of the friction materials. The addition of BF can reduce the friction coefficient to some extent，and when BF content is too low or too high，the wear rates all increase. When the mass fraction of BF is 6%，the friction material has the best overall properties，compared with the friction material without BF，the friction coefficient is 0.534 and only decreases by 7.61%，the wear rate is 0.75% and decreases by 31.82%，the tensile strength and bending strength is 55.568 MPa and 92.750 MPa respectively，which increases by 148% and 66.42% separately.

basalt fiber；basalt crystal glass powder；epoxy resin；friction material

TQ323.5

A

1001-3539（2016）03-0035-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.03.007

聯(lián)系人：賈濤芳，碩士研究生，主要研究復(fù)合材料及高性能粉體

2015-12-28