本發(fā)明屬于材料學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種稀土氯化物改性天然纖維及其在制備汽車制動(dòng)材料上的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
21世紀(jì)汽車發(fā)展的趨勢(shì)是高速、環(huán)保和節(jié)能，因此對(duì)摩擦制動(dòng)材料提出了更高的要求。天然纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料作為一類順時(shí)而生的環(huán)保新材料，是國(guó)內(nèi)外近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，我國(guó)已將植物纖維塑料復(fù)合材料項(xiàng)目列入國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目和高技術(shù)新材料的課題。天然纖維具有較高的比強(qiáng)度和比模量，可生物降解，適合作聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)體，在非結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件應(yīng)用領(lǐng)域具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。采用原料豐富、成本低廉、可自然降解、比強(qiáng)度和比模量高的天然纖維作為新型樹(shù)脂基復(fù)合材料增強(qiáng)材料具有較高的性價(jià)比。
由于天然纖維素大分子鏈之間及其內(nèi)部強(qiáng)烈的氫鍵作用，使天然纖維表現(xiàn)出較強(qiáng)的極性和親水性。而親水性纖維與憎水性的聚合物基體難以相容，故未經(jīng)處理的纖維的吸濕性、界面黏合性極差，這使得應(yīng)力在界面不能有效地傳遞，在摩擦過(guò)程中纖維會(huì)發(fā)生剝落，影響復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。其次，天然纖維耐熱性不佳也制約其成為高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)相。天然纖維與樹(shù)脂基體界面改性的研究及如何有效提高天然纖維的耐熱性已然成為天然纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料性能提升的關(guān)鍵點(diǎn)。
為了得到性能優(yōu)良、符合要求的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，眾多學(xué)者從解決天然纖維與樹(shù)脂基體之間的相容性問(wèn)題入手研究，提出了對(duì)天然纖維通過(guò)物理或化學(xué)的方法進(jìn)行改性以優(yōu)化界面結(jié)合。然而，現(xiàn)有的這些改性方法雖能在一定程度上改善天然纖維與樹(shù)脂基體間的界面粘結(jié)性能，但尚未有一種可有效改善天然纖維與基體間的界面粘結(jié)性能同時(shí)又能大幅提高天然纖維耐熱性能的改性方法，限制了天然纖維在高性能汽車制動(dòng)材料上的應(yīng)用。
稀土具有獨(dú)特的4f電子結(jié)構(gòu)、豐富的能級(jí)躍遷、優(yōu)異的界面性能等特點(diǎn)，是我國(guó)極其重要的戰(zhàn)略資源，應(yīng)用于復(fù)合材料中可起到增韌、增強(qiáng)、改善界面性能等作用。本發(fā)明首次將稀土氯化物用于改性天然纖維，從而在改善天然纖維與樹(shù)脂基體間的界面粘結(jié)性能同時(shí)提高天然纖維的耐熱性能，進(jìn)而大幅提高制動(dòng)材料的摩擦學(xué)性能，尤其是高溫摩擦學(xué)性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種稀土氯化物改性天然纖維及其在制備汽車制動(dòng)材料上的應(yīng)用。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
本發(fā)明的第一個(gè)目的是保護(hù)一種稀土氯化物改性天然纖維，其是采用稀土氯化物改性劑對(duì)天然纖維進(jìn)行改性處理，即將天然纖維在稀土氯化物改性劑中浸泡0.5~4h，取出后于80~140℃烘箱中烘干1~3h而制成。
所述天然纖維包括甘蔗渣纖維、麻纖維、竹纖維、稻秸稈纖維中的一種或幾種。
所述稀土氯化物改性劑由稀土氯化物和無(wú)水乙醇組成，其中稀土氯化物的質(zhì)量濃度為2~20%；所述稀土氯化物為氯化鑭或氯化鈰中的一種或兩種。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是保護(hù)所述稀土氯化物改性天然纖維在制備汽車制動(dòng)材料上的應(yīng)用，即將所述稀土氯化物改性天然纖維作為增強(qiáng)相用于制備汽車制動(dòng)摩擦材料。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是保護(hù)所述汽車制動(dòng)材料的制備方法，其是將稀土氯化物改性天然纖維與酚醛樹(shù)脂、摩擦性能調(diào)節(jié)劑通過(guò)熱壓成型的方法制成汽車制動(dòng)摩擦材料；
其中所用各原料按重量份計(jì)為：稀土氯化物改性天然纖維5~15份、酚醛樹(shù)脂15~25份、摩擦性能調(diào)節(jié)劑60~80份。
所述摩擦性能調(diào)節(jié)劑包括氧化鋁、重晶石、銅粉、輪胎粉、石墨、長(zhǎng)石粉、葉蠟石粉、蛭石、粉煤灰、硬脂酸鋅中的一種或幾種。
其具體包括如下步驟：
1）將酚醛樹(shù)脂與摩擦性能調(diào)節(jié)劑烘干后，放入混料機(jī)中以200~2830r/min的轉(zhuǎn)速共混5~15min，然后投入稀土氯化物改性天然纖維，繼續(xù)共混5~10min；
2）將所得混合物料放入150~160℃熱壓模具模腔內(nèi)，在10~25mpa壓力下保溫?zé)釅禾幚?~10min；在熱壓開(kāi)始的10~60s內(nèi)必須打開(kāi)模腔放氣3~8次；
3）將熱壓成型后的制品在烘箱中，30min內(nèi)升溫到160℃，保溫12h，然后隨爐降溫冷卻，得到成品。
所述混料機(jī)為在水平軸線的圓形桶中間橫軸上，設(shè)計(jì)有多把犁刀，其轉(zhuǎn)動(dòng)使混料在桶中整個(gè)空間運(yùn)動(dòng)；在桶的一側(cè)設(shè)計(jì)有高速攪刀，用于進(jìn)一步提高混料效率和對(duì)混料中的團(tuán)塊進(jìn)行破碎。
本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于：
（1）本發(fā)明利用稀土氯化物對(duì)天然纖維進(jìn)行改進(jìn)，一方面可解決現(xiàn)有技術(shù)中天然纖維與樹(shù)脂基體間界面相容性差，應(yīng)力在界面不能有效地傳遞，而使所得復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能不佳的問(wèn)題；另一方面還可以解決現(xiàn)有天然纖維耐熱性能差，使其增強(qiáng)的復(fù)合材料高溫性能不佳的問(wèn)題。
（2）采用本發(fā)明稀土氯化物改性天然纖維制備汽車制動(dòng)材料，可大幅提高纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，獲得制動(dòng)性能優(yōu)良、易于生物降解的資源節(jié)約型制動(dòng)摩擦材料。
（3）本發(fā)明不僅可推動(dòng)高性能天然纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基制動(dòng)材料的發(fā)展，還能拓展稀土的應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)中國(guó)稀土工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
附圖說(shuō)明
圖1為經(jīng)改性處理與未經(jīng)改性處理竹纖維的熱重分析曲線。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明所述的內(nèi)容更加便于理解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，但是本發(fā)明不僅限于此。
實(shí)施例1
1）將氯化鑭溶于無(wú)水乙醇中配成改性劑，其中氯化鑭的質(zhì)量濃度為20%；將竹纖維在改性劑中浸泡0.5h后取出，于100℃烘箱中烘干1h，制成稀土氯化鑭改性竹纖維；
2）將25重量份酚醛樹(shù)脂在60℃下烘干0.5h；將25重量份氧化鋁、15重量份銅粉、20重量份重晶石、5重量份橡膠粉、3重量份石墨在120℃下烘干1h；然后將其放入混料機(jī)中，以2830r/min的轉(zhuǎn)速共混5min，再投入5重量份稀土氯化鑭改性竹纖維，繼續(xù)共混10min出料；
3）將所得混合物料放入160℃熱壓模具模腔內(nèi)，在10mpa壓力下保溫?zé)釅禾幚?min；在熱壓開(kāi)始的10～60s內(nèi)打開(kāi)模腔放氣6次；
4）將熱壓成型后的制品在烘箱中，30min內(nèi)升溫到160℃，保溫12h，然后隨爐降溫冷卻，得到試樣1。
實(shí)施例2
1）將氯化鈰溶于無(wú)水乙醇中配成改性劑，其中氯化鈰的質(zhì)量濃度為10%；將麻纖維在改性劑中浸泡1.5h后取出，于140℃烘箱中烘干1.5h，制成稀土氯化鈰改性麻纖維；
2）將20重量份酚醛樹(shù)脂在55℃下烘干1h；將22重量份氧化鋁、10重量份銅粉、20重量份重晶石、5重量份橡膠粉、3重量份石墨在100℃下烘干2h；然后將其放入混料機(jī)中，以2500r/min的轉(zhuǎn)速共混7min，再投入10重量份稀土氯化鈰改性麻纖維，繼續(xù)共混5min出料；
3）將所得混合物料放入160℃熱壓模具模腔內(nèi)，在15mpa壓力下保溫?zé)釅禾幚?min；在熱壓開(kāi)始的10～60s內(nèi)必須打開(kāi)模腔放氣3次；
4）將熱壓成型后的制品在烘箱中，30min內(nèi)升溫到160℃，保溫12h，然后隨爐降溫冷卻，得到試樣2。
實(shí)施例3
1）將氯化鑭溶于無(wú)水乙醇中配成改性劑，其中氯化鑭的質(zhì)量濃度為2%；將甘蔗渣纖維在改性劑中浸泡4h后取出，于80℃烘箱中烘干3h，制成稀土氯化鑭改性甘蔗渣纖維；
2）將15重量份酚醛樹(shù)脂在50℃下烘干2h；將25重量份氧化鋁、17重量份銅粉、30重量份重晶石、5重量份橡膠粉、3重量份石墨在120℃下烘干2h；然后將其放入混料機(jī)中以200r/min的轉(zhuǎn)速共混15min，再投入15重量份稀土氯化鑭改性甘蔗渣纖維，繼續(xù)共混10min出料；
3）將所得混合物料放入150℃熱壓模具模腔內(nèi)，在25mpa壓力下保溫?zé)釅禾幚?0min；在熱壓開(kāi)始的10～60s內(nèi)必須打開(kāi)模腔放氣8次；
4）將熱壓成型后的制品在烘箱中，30min內(nèi)升溫到160℃，保溫12h，然后隨爐降溫冷卻，得到試樣3。
對(duì)照例：
取由國(guó)產(chǎn)東營(yíng)科力汽配有限責(zé)任公司生產(chǎn)的夏利盤式制動(dòng)片為試樣4；日產(chǎn)轎車用日本原產(chǎn)制動(dòng)片為試樣5，與實(shí)施例1-3所得試樣在x-dm型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試，試樣尺寸25mm×25mm×（5～7）mm。對(duì)偶摩擦盤為ht250，珠光體組織，硬度為hb209。按照盤式制動(dòng)器用襯片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（gb5763-2008）中第四類制動(dòng)器用襯片要求，分別測(cè)定升溫和降溫過(guò)程中盤溫100℃、150℃、200℃、250℃、300℃和350℃時(shí)對(duì)磨5000轉(zhuǎn)的摩擦系數(shù)、磨損率。結(jié)果分別見(jiàn)表1、2。
表1不同試樣的摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果
表2不同試樣的磨損率測(cè)試結(jié)果
表3盤式制動(dòng)器用襯片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)許用值
由以上數(shù)據(jù)可見(jiàn)，國(guó)產(chǎn)、日本品牌產(chǎn)品的摩擦系數(shù)基本都在0.40以下，而本發(fā)明產(chǎn)品的摩擦系數(shù)則都在0.40以上，特別是在200~350℃時(shí)摩擦系數(shù)可達(dá)0.5以上，說(shuō)明同國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的試樣對(duì)比，采用稀土氯化物改性天然纖維制備的汽車制動(dòng)材料在各個(gè)溫度段的摩擦系數(shù)都處于較高水平，特別是高溫摩擦學(xué)性能尤為突出，也證明本發(fā)明研制的產(chǎn)品具有極佳的高溫摩擦性能及抗熱衰退性能。同時(shí)，本發(fā)明產(chǎn)品的在各個(gè)溫度段的磨損率及試樣總磨損率均顯著低于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與日本品牌產(chǎn)品。
綜上所述，采用稀土氯化物改性天然纖維，不僅可極大改善天然纖維與樹(shù)脂基體界面粘結(jié)性能，同時(shí)能大幅提高制動(dòng)材料的綜合性能，使所得產(chǎn)品具有極佳的制動(dòng)性能及摩擦磨損性能，尤其是高溫摩擦學(xué)性能，同時(shí)又易于生物降解，是一種資源節(jié)約型制動(dòng)摩擦材料，具有良好的應(yīng)用前景。
為了進(jìn)一步說(shuō)明稀土氯化物改性對(duì)天然纖維耐熱性能的影響，取未經(jīng)改性竹纖維與實(shí)施例1中稀土氯化鑭改性竹纖維各1g，采用上海盈諾精密儀器有限公司的zh1250型綜合熱分析儀進(jìn)行熱重分析（tg），結(jié)果如圖1所示。
由圖1可知，未改性的竹纖維在270℃開(kāi)始發(fā)生熱分解失重，在350℃左右其剩余質(zhì)量約為原來(lái)45%；而經(jīng)稀土氯化鑭改性的竹纖維在350℃左右的剩余質(zhì)量約為原來(lái)45%，基本保持穩(wěn)定，未見(jiàn)明顯熱分解失重。在超過(guò)600℃之后，經(jīng)稀土氯化鑭改性的竹纖維仍有50%剩余質(zhì)量，較未改性竹纖維高出近一倍?？梢?jiàn)，竹纖維經(jīng)過(guò)稀土氯化鑭改性處理后，其耐熱性能得到大幅度的提高，這也是稀土氯化物改性天然纖維制備的樹(shù)脂基制動(dòng)材料具有極佳的高溫摩擦磨損性能及抗熱衰退性能的主要原因。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。