树脂浸渍对纸基摩擦材料性能的影响

王贝贝 陆赵情 陈 杰

(陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安，710021)

纸基摩擦材料主要由纤维、黏结剂、填料、具有摩擦性能的调节剂等组成，通常采用造纸的方式(制浆和抄纸)生产制造，故称其为纸基摩擦材料［1］。黏结剂是纸基摩擦材料的重要组成部分，树脂 (如酚醛树脂等)是最常用的黏结剂，对纸基摩擦材料的摩擦性能具有重要影响。

酚醛树脂具有良好的机械性能、耐热性能及耐摩擦性能［2］。但传统的酚醛树脂由于中等的热氧稳定性、内在的脆性、吸水率高及缩聚固化后产生小分子挥发物等缺点而阻碍其发展，因此寻求一种化学方法对其进行改性势在必行［3］。加成固化是一种最常用的改性方法，热塑性固化常用的固化剂多为六次甲基四胺，工业上还使用了环氧树脂等。酚醛树脂具有良好的黏结性，固化后的酚醛树脂有较高的耐热性和强度性能，如玻璃钢的弯曲强度可达110～105 MPa。但酚醛树脂固化后，结构中的酚羟基和亚甲基易于氧化，耐热性和耐氧化性受到影响［4］。聚酰亚胺树脂以其低密度、高强度、耐高温、良好的机械性能、比强度高、热稳定性好、化学性能稳定、热膨胀率低、耐溶剂性好、易加工等优良性能在发动机、飞机、航天器等的耐高温结构部件中得到了广泛应用。聚酰亚胺树脂是迄今为止聚合物种类中热稳定性能最好的树脂之一，热重分析表明，其分解温度可达500℃以上，最高能达600℃［5］。但单一的聚酰亚胺树脂浸渍的纸基摩擦材料具有极强的脆性，且树脂与纤维的结合能力比较差。

本实验主要采用酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰亚胺和酚醛树脂复合树脂作为浸渍液浸渍纸基摩擦材料原纸，探究了不同浸渍条件对纸张强度、孔隙率的影响;此外，对比分析了单一的酚醛树脂浸渍、单一的聚酰亚胺树脂浸渍、聚酰亚胺树脂和酚醛树脂复合浸渍对纸基摩擦材料性能的影响。

1 实验

1.1 实验原料

实验原料包括纸基摩擦材料原纸、2123酚醛树脂 (简称酚醛树脂)、聚酰亚胺树脂、六次甲基四胺、N-N二甲基乙酰胺等。其中，摩擦材料原纸中的纤维为碳纤维、对位芳纶纤维及其浆粕、竹浆纤维;填料和摩擦性能调节剂分别为海泡石绒、二氧化硅、氧化铝、硅藻土、片状石墨、羧基丁苯胶乳、聚氧化乙烯 (PEO)、阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)。

纸基摩擦材料的制作流程如图1所示。

图1 纸基摩擦材料的制作流程

1.2 实验仪器

实验仪器主要有分析天平、电子天平、热压成形机、抗张强度测定仪、电热恒温鼓风干燥箱。

1.3 实验步骤

在实验中，树脂浸渍纸基摩擦材料的步骤如下。

步骤一:裁剪原纸。首先在摩擦材料浆料中中添加填料和摩擦性能调节剂进行手抄片抄造，然后选取质量相近、抄取均匀的手抄片，将其裁剪成100 cm2的圆形，测定手抄片的厚度，用分析天平称量手抄片的质量 (精确至0.1 mg)，作为浸渍的样品。

步骤二:配制一定浓度的浸渍液。酚醛树脂浸渍液的配制:用研钵将酚醛树脂研磨成细小颗粒，称取一定量研磨好的酚醛树脂，配制成一定浓度;同时称取一定量的六次甲基四胺 (为酚醛树脂质量的1/10)。将酚醛树脂和六次甲基四胺混合后，加入一定量的乙醇，轻轻搅拌，直到酚醛树脂分散均匀，溶液颜色均一为止。聚酰亚胺树脂浸渍液配制:将烧杯放在电子天平上，称取一定量聚酰亚胺树脂 (黏度大)，缓慢添加入烧杯内，然后快速加入一定量的N-N二甲基乙酰胺，用保鲜膜封住烧杯瓶口，晃动烧杯使其浸渍液均一。

步骤三:手抄片浸渍。将浸渍液放入托盘容器(聚酰亚胺树脂浸渍液则放入密闭的容器内)，将裁剪好的手抄片浸没在浸渍液内部。待经过一定时间、浸渍液浸透手抄片后，用镊子取出手抄片，放入恒温鼓风干燥箱烘干，干燥后用分析天平称量浸渍手抄片质量，计算浸渍量，并测定其厚度。

步骤四:手抄片热压。将浸渍干燥后的手抄片放入热压成形机上进行热压，即得到热压成形后的手抄片。

1.4 浸渍实验设计

1.4.1 酚醛树脂浸渍

配制不同浓度梯度的酚醛树脂，分别对纸基摩擦材料原纸的手抄片进行浸渍，然后对浸渍后的手抄片进行热压，测定酚醛树脂热压前后手抄片抗张强度和热压后手抄片孔隙率的变化。由于酚醛树脂浸渍量很难精确控制，实验通过配置酚醛树脂质量浓度控制浸渍量，设计酚醛树脂的浸渍量为18%、20%、22%、24%、26%、28%(相对于浸渍后手抄片的质量)，其误差范围为±0.5%。

1.4.2 聚酰亚胺树脂浸渍

配制不同浓度梯度的聚酰亚胺树脂，分别对纸基摩擦材料手抄片进行浸渍，然后对浸渍后的手抄片进行热压，测定聚酰亚胺树脂热压前后手抄片抗张强度和热压后手抄片孔隙率的变化。不同的聚酰亚胺树脂浸渍量对纸基摩擦材料具有重要影响，由于聚酰亚胺树脂与高性能纤维之间的浸润性差，聚酰亚胺树脂浸渍量为8%、10%、12%、14%、16%、18%(相对于浸渍后手抄片的质量)，其误差范围为±0.5%。

1.4.3 聚酰亚胺树脂和酚醛树脂复合浸渍

采用聚酰亚胺树脂和酚醛树脂复合浸渍纸基摩擦材料 (先浸渍聚酰亚胺树脂，干燥后再浸渍酚醛树脂)，结合前期实验，在保证孔隙率的条件下，这两种树脂的总浸渍量为24%左右 (相对于浸渍后手抄片的质量)，然后热压成形，两种树脂配比如表1所示。

表1 聚酰亚胺树脂与酚醛树脂复合浸渍的质量分数配比%

2 结果与讨论

2.1 酚醛树脂浸渍的影响

酚醛树脂基本性质:产品由苯酚、甲醛在酸性介质中缩聚而成，能溶于乙醇，加入6%～15%的六亚甲基四胺变为热固性物质，在150℃成型，具有一定的机械强度和电绝缘性能。外观为棕色透明或半透明的固体或粉状物，其软化点95～110℃，游离酚＜3.5%，聚合速度130～180 s/150℃［6］，具有良好的黏结性能。

图2为酚醛树脂浸渍量对热压前后手抄片抗张强度的影响。由图2可知，随着酚醛树脂浸渍量的不断增加，手抄片的抗张强度不断增加。当酚醛树脂浸渍量约为24%时，热压前抗张强度为6.5 kN/m，热压后抗张强度增加为7.62 kN/m;当酚醛树脂浸渍量大于24%时，热压前后手抄片的抗张强度增加逐渐平缓。其主要原因是由于酚醛树脂浓度越大，单位面积手抄片浸渍量增加，但酚醛树脂的强度与纸基材料中纤维的强度相比低很多，所以酚醛树脂含量增加过量时，对手抄片内部结构影响小。

图3为酚醛树脂浸渍量对热压后手抄片孔隙率的影响。纤维在纸基摩擦材料中随机分布，没有特定的取向，形成了大小不一的孔隙结构。孔隙结构能够使在油况下工作的纸基摩擦材料形成油液循环的通道，这种循环通道将摩擦面上的热量通过油液带出，减少摩擦表面的热量累积，有效抑制材料的热磨损，所以纸基摩擦材料需要适当的孔隙率。由图3可知，当酚醛树脂浸渍量为18%时，热压后手抄片孔隙率为53.84%，未浸渍手抄片热压后的孔隙率为55.84%，两者相比，前者略小，其主要原因是酚醛树脂以乙醇为稀释溶剂，浸渍后的手抄片在恒温鼓风干燥箱内烘干时，浸渍液中的乙醇快速挥发，酚醛树脂主要分布在手抄片的外表面。图3中手抄片孔隙率随酚醛树脂浸渍量的增加而降低，并且下降的幅度较大，这主要是因为酚醛树脂含量低，热压成型时，少量的酚醛树脂固化后难以渗透到手抄片内部，手抄片的孔隙率受其影响较小;当酚醛树脂含量高时，酚醛树脂经热压软化后充分分布在手抄片的内部和表面，空隙被填充的密实，所以孔隙率快速下降。

图2 酚醛树脂浸渍量对热压前后手抄片抗张强度的影响

图3 酚醛树脂浸渍量对热压后手抄片孔隙率的影响

图4 聚酰亚胺树脂浸渍量对热压前后手抄片抗张强度的影响

图5 聚酰亚胺树脂浸渍量对热压后手抄片孔隙率的影响

2.2 聚酰亚胺树脂浸渍的影响

聚酰亚胺树脂浸渍纸基摩擦材料原纸能明显改善成纸的机械强度，并且可以显著提升其耐温性能［7］。由于聚酰亚胺树脂黏度很大，在手抄片浸渍过程中流动性差，并且在浸渍完成后聚酰亚胺树脂粘着在手抄片表面，无法控制浸渍量，浸渍手抄片不均匀，所以需要添加N-N二甲基乙酰胺稀释聚酰亚胺树脂，稀释后形成均一的溶液用于浸渍［8］。当聚酰亚胺树脂的固含量为3%左右时，才能浸渍出均匀的手抄片，所以欲得到聚酰亚胺树脂浸渍量高的手抄片，需要多次浸渍。

图4是聚酰亚胺树脂浸渍量对热压前后手抄片抗张强度的影响。由图4可知，随着聚酰亚胺树脂浸渍量的不断增加，手抄片的抗张强度不断增加。当聚酰亚胺树脂浸渍量为8%时，手抄片热压前抗张强度为5.43 kN/m，手抄片热压后抗张强度提高为7.56 kN/m，与酚醛树脂浸渍量在24%时的手抄片强度性能相近，这说明聚酰亚胺树脂的黏结性能比酚醛树脂强很多。热压前后手抄片的强度性能有很大提升，其主要原因是热压使热塑性聚酰亚胺树脂固化，分子之间产生交联反应，这种结构在手抄片内部起到较强的黏结作用，纤维之间的结合力被大幅度提升，所以手抄片热压后的强度远高于热压前的。

图5是聚酰亚胺树脂浸渍量对热压后手抄片孔隙率的影响。由图5可知，孔隙率随聚酰亚胺树脂浸渍量的增加而减小，其主要原因是聚酰亚胺树脂热压成型后，充斥在纤维之间，所以孔隙率下降。

2.3 聚酰亚胺树脂和酚醛树脂复合浸渍的影响

图6 复合浸渍液浸渍量配比对热压后手抄片抗张强度的影响

图7 复合浸渍液浸渍量配比对热压后手抄片孔隙率的影响

聚酰亚胺树脂具有不熔的性质，所以在热压成型时没有熔融液化流动的过程，而是其结构发生变化，分子之间发生了交联组合。由于聚酰亚胺树脂的刚度大，其单独在纸基摩擦材料中使用的效果并不好。针对聚酰亚胺树脂本身的其他优异性能，通过与其他树脂结合使用而使其浸渍效果最优化。

本实验采用聚酰亚胺树脂和酚醛树脂复合浸渍的工艺浸渍 (先浸渍聚酰亚胺树脂，干燥后再浸渍酚醛树脂，复合浸渍液浸渍量为24%)摩擦材料，按照表1所示的配比浸渍手抄片，记为1#样、2#样、3#样。图6和图7分别为不同树脂配比复合浸渍液对摩擦材料热压后手抄片抗张强度和孔隙率的影响。

由图6和表1可知，随着聚酰亚胺树脂比例的增加，热压后手抄片的抗张强度不断增加，这主要是由于聚酰亚胺树脂的黏结性能高于酚醛树脂。聚酰亚胺树脂固化后形成的结构与酚醛树脂固化后形成的结构相互结合，前者的强度性能强于后者，因此二者复合浸渍后手抄片的抗张强度比单一酚醛树脂浸渍的要高。

由图7和表1可知，随着复合浸渍液中聚酰亚胺树脂比例的增加，热压后手抄片的孔隙率不断增大。这主要是由于聚酰亚胺树脂在成型过程时，不是以熔融状态存在，不容易进入孔隙，主要存在于纤维表面。虽然手抄片强度和孔隙率均比单一酚醛树脂浸渍时有所提高，但这种强度的增加有一部分是来自于聚酰亚胺树脂本身的高强度，这是聚酰亚胺树脂强度性能的体现。

3 结论

本实验分别以酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂和酚醛树脂复合共3种浸渍液来浸渍纸基摩擦材料原纸，研究了不同浸渍条件对手抄片抗张强度和孔隙率的影响。

3.1 酚醛树脂浸渍纸基摩擦材料原纸时，热压前后手抄片的抗张强度随着酚醛树脂浸渍量的增加而增加，热压后手抄片孔隙率随浸渍量的增加而降低。当酚醛树脂浸渍量为24%时，手抄片抗张强度和孔隙率最好。

3.2 聚酰亚胺树脂浸渍纸基摩擦材料原纸时，热压前后手抄片的抗张浸渍随聚酰亚胺树脂浸渍量的增加而增加，手抄片孔隙率随浸渍量的增加而降低。

3.3 聚酰亚胺树脂与酚醛树脂复合浸渍纸基摩擦材料原纸时，随着聚酰亚胺树脂比例的增加，手抄片的抗张强度不断增大，孔隙率也逐渐增加。与单一酚醛树脂浸渍相比，热压后手抄片抗张强度和孔隙率均有所提高。

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