黄麻纤维长径比对其增强摩擦材料摩擦磨损特性影响研究

杨亚洲++徐杰

摘 要：本文采用黄麻纤维作为摩擦材料增强相，探讨了黄麻纤维长径比对摩擦材料摩擦磨损性能的影响，并对磨损表面进行了微观分析。结果表明，麻纤维长径比对摩擦因数均值的影响不十分明显，只是当长径比为15：1时，摩擦因数均值略高于其它长径比情形；比磨损速率总和随着纤维长径比的增大呈先减小后增大趋势，在长径比为15：1时磨损率取得最小值，即2.95×10-7cm3·N-1·m-1；粘着磨损及疲劳磨损是黄麻纤维增强摩擦材料磨损的主要机制。

关键词：黄麻纤维；摩擦；磨损；磨损机理

中图分类号：TB332 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160832021

引言

随着人们环保意识的提高，摩擦材料也向环境友好型发展，主要表现为填料、增强纤维等在高温分解后无毒、无害，不对环境构成负担。增强纤维是摩擦材料中的重要组份，通过承受载荷、传递载荷而有效提高摩擦材料的强度及摩擦磨损性能等指标。因此，增强纤维的种类、改性方法以及纤维的长径比等参数尤为重要[1]。目前天然植物以其资源丰富、价格低廉、比强度高等优点已引起学者们的广泛关注[2-4]。黄麻纤维属于天然植物纤维中的韧皮纤维，人称最好的天然生物纤维之一，其主要化学成分及物理、机械性能见表1、表2。

本文选用黄麻纤维作为摩擦材料增强相，在对其碱洗处理基础上，改变其长径比，探讨长径比对摩擦磨损性能的影响，并进行磨损机理分析，为天然植物纤维增强摩擦材料提供有效的结构参数。

1 材料与方法

1.1 纤维直径测量及试样制备

试验用黄麻纤维来自浙江安吉正兴联麻纺织有限公司生产，基体材料丁腈橡胶改性酚醛树脂为山东圣泉-海沃斯化工有限公司生产。为了加强黄麻纤维与酚醛树脂基体的相容性，对纤维进行碱处理[9]。利用体视显微镜（上海仪圆化学仪器有限公司，YYT-450）对处理后纤维的直径进行测量，直径区间为300～450mm，平均直径约为400mm。利用剪切机将纤维制成长度为2mm、4mm、6mm、8mm及10mm，备用。

设定基础配方中纤维含量为6wt.%，纤维的长径比分别设定为5：1、10：1、15：1、20：1及25：1。量取各种原料于混料机中进行搅拌，在160℃、50MPa压力条件下于热压机（吉林省旺达机械有限公司，JFY50）热压成型，热处理后制备成55mm×55mm×8mm的试样备用。

1.2 摩擦磨损试验

在定速摩擦性能试验机（吉林省旺达机械有限公司生产，JF150D-Ⅱ型）上分别进行摩擦磨损性能试验测试。试验中采用摩擦因数均值（即在盘温分别为100℃、150℃、200℃、250℃及300℃时摩擦因数的平均值）及比磨损速率总和（即在盘温分别为100℃、150℃、200℃、250℃及300℃时比磨损速率的总和）表征摩擦磨损性能。

利用JSM5310型扫描电子显微镜观察摩擦材料磨损表面并进行磨损机理分析。

2 结果与分析

2.1 黄麻纤维长径比摩擦磨损性能影响分析

可见，黄麻纤维长径比对摩擦因数均值的影响不十分明显，只是当长径比为15：1时，摩擦因数均值略高于其它长径比情形。

比磨损速率总和随着纤维长径比的增大呈先减小后增大趋势，在长径比为15：1时磨损率取得最小值，即2.95×10-7cm3·N-1·m-1。在摩擦材料中纤维起着承受载荷、传递载荷的作用。长径比小的黄麻纤维在基体中分散较好，比表面积越大，与基体的接触面积较大，从而能有效提高摩擦材料的强度。但当长径比过大或者超过一定范围时，混料时不易均匀，导致纤维团聚缠结现象出现，而且在与基体、填料等进行热压过程中，纤维更容易发生变形，从而影响纤维对载荷的有效传递；此外，当纤维与基体发生界面分离时，长径比较大的纤维很难嵌入材料或者空隙中去。上述因素均会在一定程度上导致摩擦材料的比磨损速率总和的增大。

2.2 黄麻纤维增强摩擦材料磨损机理分析

在低温阶段（<200℃），摩擦过程中产生的磨屑以及配方中的磨粒会脱落并出现在摩损表面，但这些磨粒很大程度上会嵌入到黄麻纤维或其细胞腔中，因此，由微观犁切引起的犁沟很少见（见图2）。可见，磨粒磨损不是其主要磨损机制，这也是天然植物纤维与金属纤维增强摩擦材料磨损机理的不同之处。

在摩擦过程中，黄麻纤维、配方中各种填料及基体的硬度不同（尤其当温度升高到树脂的软化点后），从而接触不均匀（见图2-a、b、c），在高温、高压条件下接触点便形成局部粘着点，粘着磨损产生。

摩擦过程中，摩擦盘表面的微凸体作用在摩擦材料表面，在一定深度的表层材料处于微凸体的拉力、压力的交变作用，随着摩擦时间的延长及盘温的升高，磨损表面会形成微裂纹并进一步扩展，最终导致疲劳磨损发生（见图2-d），从而引起比磨损速率急剧增大。

3 结论

3.1 摩擦磨损试验结果表明

黄麻纤维长径比对摩擦因数均值的影响不十分明显，只是当长径比为15：1时，摩擦因数均值略高于其它长径比情形。比磨损速率总和随着纤维长径比的增大呈先减小后增大趋势，在长径比为15：1时比磨损率总和取得最小值，即2.95×10-7cm3·N-1·m-1。

3.2 磨损表面微观分析表明

粘着磨损及疲劳磨损是黄麻纤维增强摩擦材料磨损的主要机制。

参考文献

[1]Gao Da-wen，Hu Qi，Pan Hongyu etc.High-capacity adsorption of aniline using surface modification of lignocellulose-biomass jute fibers[J]. BioresourceTechnolgy.2015（193）：507-512.

[2]Zhang Yongbing，Wang Qiang，Fan Xuerong etc. Structural changes of lignin in the jute fiber treated by laccase and mediator system[J].Journal of Molecular Catalysis B： Enzymatic.2014（101）：133-136.

[3]Pramendra Kumar Bajpai，Inderdeep Singh， JitendraMadaan.Tribological behavior of natural fiber reinforced PLA composites[J].Wear.2013，297（1-2）： 829-840.

[4]刘微微，徐杰，杨亚洲.椰纤维增强树脂基摩擦材料摩擦磨损性能测试及分析[J].农业与技术，2015，35（3）：49-51.

[5]金永安，耿琴玉，胡学梅.苎麻纤维的改性和变性[J].毛纺科技，2004（7）：53-55.

[6]姜繁昌，邵宽.黄麻纺纱学[M].北京：纺织工业出版社， 1982.

[7]鲁博，张林文，曾竟成.天然纤维复合材料[M].北京：化学工业出版社，2005.

[8]PaivaJúnior C Z，Carvalho LH，Fonseca V M. Analysis of the tensile strength of polyester/hybrid ramie-cotton fabric composites[J].Polymer Testing，2004（23）：131-135

[9]杨亚洲. 仿生哑铃型黄麻纤维增强摩擦材料[D].长春：吉林大学，2006.