硬脂酸处理钛酸钾晶须对坡缕石纤维树脂摩擦材料摩擦性能的研究

程 尧,何 林,周元康,阎建伟

(贵州大学机械工程学院,贵阳550003)

硬脂酸处理钛酸钾晶须对坡缕石纤维树脂摩擦材料摩擦性能的研究

程 尧,何 林,周元康,阎建伟

(贵州大学机械工程学院,贵阳550003)

研究了硬脂酸对钛酸钾晶须的改性效果,用处理了的钛酸钾晶须增强坡缕石复合制备摩擦材料,研究复合两种矿物纤维的增强机制。发现15%(质量分数)的钛酸钾晶须添加量在复合材料中分散不易均匀,摩擦因数波动较大,不利于复合材料的摩擦性能;13%以下的钛酸钾添加量对复合材料的摩擦因数的影响不大;10%的钛酸钾晶须添加量制备的复合材料磨损率最低,比未添加的坡缕石复合材料,耐磨性提高了27%,对改善坡缕石的耐磨性有显著的作用,特别是250℃以上的高温阶段的耐磨性得到显著改善。

硬脂酸;钛酸钾晶须;坡缕石;摩擦

非金属摩擦材料的优点在于成本低,摩擦噪声小,对对偶摩擦撞击磨损影响小。复合矿物纤维作为非金属摩擦材料也大量运用在汽车、动车及城市轻轨等刹车材料中。贵州大方产坡缕石纤维应用在汽车摩擦片中的研究已成功的取得一定得进展,但存在磨损性能较低,制造的摩擦材料耐磨性能差等缺点[1]。

大量的科研人员对钛酸钾晶须的性能做了相关研究,得出钛酸钾晶须有优良的力学性能,稳定的化学性能,硬度低,耐磨性好,耐高温[2]。本工作旨在利用这一特性,用硬脂酸改性处理钛酸钾晶须,从钛酸钾晶须的不同含量角度,把它添加在坡缕石复合材料中,探讨适当的钛酸钾晶须含量对坡缕石复合材料的影响,研究短纤维与长纤维的缠绕微弥补增强复合机制,改善坡缕石树脂复合摩擦材料耐磨性差的状况,提高复合材料的耐磨性。

1 实验

1.1 原料与设备

钛酸钾晶须:江苏宜兴市晶须复合材料制造厂,平均直径0.1～1μm,长径比在10～100μm[2];硬脂酸:分析纯,东陵精细化学公司。丁腈改性酚醛树脂(济南圣泉海沃斯化工有限公司),产品规格:牌号PF2 6530A;坡缕石:自制粉末,原矿来源于贵州大方。20目坡缕石比40目和60目坡缕石摩擦性能好[3],本实验采用20目坡缕石。蛭石:河北京石矿产加工厂。

实验过程中用到的仪器设备主要有搅拌器,恒温炉,恒温干燥箱,电子秤,傅里叶红外光谱分析仪,D2M s定速式摩擦试验机,JSM 26400型电子扫描电镜等。

1.2 制备工艺

(1)湿法改性。用硬脂酸与钛酸钾晶须混料,在100℃的水溶液中以900r/min转速搅拌10min,晾干,在干燥箱中100℃干燥,干燥2h,室温冷却[4]。

(2)干法工艺制样。首先用电子天平(精确度为0.0019)称量各原料,原料配方如表1。将各成分放入混料机中,以800r/min转速搅拌5min。再经热压(20M Pa)成型,温度160℃,时间10m in。然后对产品进行热处理:本实验固化处理工艺为120℃/2h+ 150℃/2h+180℃/3h。

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

1.3 测试内容

1.3.1 改性效果分析

硬脂酸改性钛酸钾晶须试验采用湿法改性处理。用3%的硬脂酸改性钛酸钾晶须处理效果最好[4]。最佳工艺下硬脂酸与钛酸钾晶须的反应程度可以通过傅里叶变换红外光谱分析来定性判断。实验对硬脂酸、未改性以及改性前后的钛酸钾晶须试样进行了红外光谱测定和分析。

1.3.2 摩擦性能测试

按GB5763798,在咸阳新益摩擦密封设备有限公司D2M s定速式摩擦试验机上进行性能测试。试样长宽25mm×25mm、厚5～7mm。测试转速5000r/m in、正压力1225N。用在不同温度下的平均摩擦因数和磨损率,评价不同含量的钛酸钾晶须对坡缕石复合材料的摩擦材料性能影响。

2 结果与讨论

2.1 硬脂酸改性钛酸钾晶须结果分析

钛酸钾晶须有很多优点,也得到很广泛的应用,但在材料中易团聚和搭桥现象,采取改性处理,改善钛酸钾晶须与材料均匀分散是必要的[5,6]。

硬脂酸的化学式为CH3(CH2)16COOH,分子间靠氢键联接。硬脂酸属于阴离子表面活性剂,分子一端为长链烷基,其结构和聚合物分子结构近似,因而与有机高聚合物基料有一定的相容性;分子另一端为羟基,可与无机填料或颜料表面发生物理、化学作用。因此,硬脂酸表面处理钛酸钾晶须,可改善钛酸钾晶须与高聚物基料的亲和性,提高其在高聚物基料中的分散程度。另外,硬脂酸本身具有润滑作用,还可使复合体系的内摩擦力减少,改善复合体系的流动性能。为研究硬脂酸对钛酸钾晶须的改性效果以及硬脂酸与钛酸钾晶须的作用机理,试验对硬脂酸、未改性以及改性前后的钛酸钾晶须试样进行了红外光谱测定和分析,光谱曲线图如图1所示。

图1 钛酸钾晶须改性前后的FT2IR光谱(a)钛酸钾晶须;(b)硬脂酸改性后的钛酸钾晶须;(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

从图1中可见,钛酸钾晶须经硬脂酸改性后在波数2917.98cm-1和2850.56cm-1处出现了明显的CH3和CH2的伸缩振动峰。在波数1855.95cm-1处出现了COO-的伸缩振动峰。说明硬脂酸在晶须的表面产生很强的物理吸附和化学作用。

2.2 钛酸钾晶须含量对复合材料的影响

2.2.1 摩擦因数分析

钛酸钾晶须的添加量,对复合材料的摩擦磨损性能是有影响的。本实验配方如表1,用5%,8%,10%, 13%,15%(质量分数,下同)五个含量加入到相应的坡缕石树脂复合材料中,制备摩擦试样,进行摩擦磨损实验,摩擦性能参数中的摩擦因数改变情况如图2。

图2 各摩擦试样随温度变化的摩擦因数Fig.2 Frictional coefficient curves of six samp lesw ith temperature change

从图2中可以看出,加15%的钛酸钾晶须对坡缕石的摩擦因数影响大于其他含量的,跟未添加钛酸钾晶须复合材料比,摩擦因系波动幅度增大,这不利于材料的摩擦性能。原因可能是由于太多的钛酸钾晶须不易分散,也影响了其他材料的分散均匀性,摩擦材料的摩擦性能降低。添加钛酸钾晶须含量在5%,8%, 10%,13%的试样摩擦因系曲线看,他们对材料的摩擦因数基本没有影响。

2.2.2 磨损率的分析

图3是摩擦实验中测得的磨损率变化情况。

图3 各试样随温度变化的磨损率Fig.3 Wear rate curves of six samples with temperature change

从图3中可以看出,添加了钛酸钾晶须的坡缕石复合材料的磨损率多数都有所降低,但添加15%的钛酸钾晶须含量对坡缕石复合材料的耐磨性没有得到改善反而升高,可能是晶须含量增多导致晶须分散不均,材料之间勾连不均,出现应力集中,材料更容易磨损。10%的钛酸钾晶须含量对复合材料耐磨性有显著的改善,磨损率降低27.0%。13%的钛酸钾晶须含量的次之,磨损率降低21.8%。含量为8%的钛酸钾晶须,磨损率降低了19.4%。含量为5%的钛酸钾晶须磨损率降低了12.3%。

250℃以上的高温阶段,添加钛酸钾晶须的试样磨损曲线平滑,磨损率波动幅度不大,这说明钛酸钾晶须的耐高温性能改善了坡缕石高温结构水损失后的耐磨性急剧下降的状况。

从摩擦因数的改变和磨损率的变化情况综合分析,10%的钛酸钾晶须含量最有利于坡缕石复合材料的摩擦磨损性能改善。

2.3 SEM电镜扫描磨损面摩擦磨损机理探讨

选取了未加钛酸钾晶须的、最佳添加量10%和最差添加量15%的三个试样进行SEM扫描(如图4),来分析磨损表面形貌。

图4 摩擦磨损显微形貌 (a)未加钛酸钾晶须的试样; (b)加10%的钛酸钾晶须的试样;(c)加15%的钛酸钾晶须的试样Fig.4 SEM micrograph of friction samples (a)sample without PTW; (b)sample with 10%PTW;(c)samp le with 15%PTW

从磨损形貌来看,图4(a)没有钛酸钾晶须的加入,形成在摩擦面上的转移膜不完整,出现犁沟状,磨损严重。图4(b)磨损形貌比图4(a)平整,形成了致密的转移膜,更耐磨损,原因可能是基于:贵州大方坡缕石纤维较长,一般为0.02～2mm,长径比比较大,钛酸钾晶须的平均直径0.1～1μm,长径比在10～100μm,长纤维在自我缠绕中,存在空隙,短纤维填补了这个空隙,长的坡缕石纤维与极短的钛酸钾晶须形成了勾连,并连接起整个长纤维形成一个有较强的力学性能的结构整体,增强了复合材料的各个方向的力学性能。钛酸钾晶须的显微增强作用得到发挥,复合材料更耐磨损。由于添加钛酸钾晶须较多,分散不均,易团聚(如图4(c)),也会导致坡缕石纤维的团聚,整个复合材料的摩擦性能下降,摩擦表面不平整,在高温下,出现有树脂烧蚀融化的形貌特征。

3 结论

(1)钛酸钾晶须在3%的硬脂酸处理下,发生了物理化学的作用,钛酸钾晶须的表面吸附了硬脂酸,钛酸钾晶须更易分散。

(2)含量为15%的硬脂酸处理钛酸钾晶须加入到坡缕石复合摩擦试样后,摩擦因数波动幅度最大,其他几个添加含量跟没加钛酸钾晶须的摩擦因数比较,对复合材料的摩擦因数的影响不大。

(3)硬脂酸处理后的钛酸钾晶须在添加含量为10%时,平均磨损率最低,比未添加钛酸钾晶须的坡缕石复合材料降低了27%,复合材料耐磨性得到显著提高。

(4)由于钛酸钾晶须在改善耐磨性方面的优越性能,对它改性并研究合适的添加量来改善耐磨性差的坡缕石复合摩擦材料,在矿物纤维在非金属摩擦材料中的应用研究是具有重要意义的。

[1] 陈永成.坡缕石纤维表面改性及其对汽车摩擦材料性能影响的研究[D].贵阳:贵州大学硕士论文.2007.

[2] 吴训锟,王浩.摩擦材料中钛酸钾应用的关键问题[J].摩擦密封材料,2006,(3):13-16.

[3] 何林,刘勇.坡缕石摩擦材料摩擦磨损特性的基础研究[J].非金属矿,2007,(5):61-62.

[4] 程尧.钛酸钾晶须表面改性的研究[J].非金属矿,2009,(6):17-19.

[5] 陈卫平,冯新.钛酸钾晶须界面性质研究[J].物理化学学报, 2004,(8):868-870.

[6] 陈东辉.钛酸钾晶须PTFE基复合材料截面与组分及性能的研究[D].南京:南京工业大学硕士学位论文,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

程尧(1974—),女,讲师,博士研究生,主要研究摩擦材料方向,联系地址:贵州大学蔡家关校区机械工程学院(550003),E2mail: chengyaonl@126.com