固化工艺对玻璃纤维织物增强材料摩擦性能的影响

孔令乾，纪 芮，陈文超，杨洪芳

(1. 德州学院 纺织服装学院，山东 德州 253023；2. 中国科学院 兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)



固化工艺对玻璃纤维织物增强材料摩擦性能的影响

孔令乾1，2，纪 芮1，陈文超1，杨洪芳1

(1. 德州学院 纺织服装学院，山东 德州 253023；2. 中国科学院 兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

针对石棉摩擦材料的分解产物致癌且严重污染环境的问题，以力学性能优异的玻璃纤维织物为基体，以酚醛-缩醛黏合剂为固化剂，制成新型无石棉复合摩擦材料。研究了固化温度和固化时间、玻璃纤维织物的纤维方向以及酚醛-缩醛黏合剂对该材料摩擦性能的影响。结果表明：当固化温度为180 ℃，固化时间为1 h时，该复合材料表现出优异的摩擦磨损性能，摩擦因数为0.25，且磨损最小；复合摩擦材料中垂直于纤维方向的磨损量比平行于纤维方向的少；该玻璃纤维复合材料摩擦磨损性能符合使用要求，又因其成本较低、耐热性好、机械强度良好等优点，可被广泛应用于各个领域。

玻璃纤维织物；酚醛树脂；固化工艺；摩擦性能

自动力机械与机动车辆出现后，摩擦片被广泛使用在传动和制动机构中。最初，以棉织品、皮革等作为摩擦片基材制成刹车片或刹车带，其缺点是耐热性较差。因车辆速率与载重的增长，此类摩擦片达不到更高的使用要求，人们便开始探寻新型摩擦材料，石棉型摩擦材料因此而诞生。

石棉是一种天然的矿物纤维，纤维长度较长，具有较高的机械强度、散热性和耐热性能。长久以来，石棉型摩擦材料因其摩擦因数高、磨损量小、成本低等优点而被广泛采用。近几十年，人们逐渐发现石棉对人体健康产生危害性。伴随着刹车片温度的持续升高，石棉型摩擦材料易高温脱水从而导致摩擦效能减弱。同时，石棉及其高温分解产物具有致癌作用，且严重污染环境，所以许多国家已经开始禁止使用石棉摩擦材料[1]。在我国，无石棉刹车片的研究和国外相比还有很大的差距，有的企业还是依赖国外提供无石棉刹车片[2]，所以亟待研制出新型无石棉摩擦材料。

国内外汽车行业对无石棉摩擦材料的研究非常活跃，并已开发了一批石棉摩擦材料的替代品。最早发展起来的无石棉摩擦材料是钢纤维，其耐热性好，导热系数大，可适用于汽车高速、重载时的制动要求，但具有振颤、生锈、强度降低等缺点，而且热传导率高，在高温时甚至出现黏结剂失效、刹车失灵的现象，仍需进一步改进[3]。剑麻纤维作为植物纤维对环境界面友好，但作为增强材料的最大问题是其高温分解炭化，导致摩擦材料的摩擦系数出现波动[4]，因此，剑麻纤维需经过改性处理才能达到工业要求，过程繁琐且消耗时间。各类型摩擦材料中性能最好的是碳纤维摩擦材料，具有质轻、抗拉强度高、耐高温、耐磨损、导热导电等特点，特别适合生产飞机或某些高档轿车的刹车片[5]。但由于其成本较高，使用范围受到限制，产量较少。

相比较上述增强纤维而言，玻璃纤维的强度是块状玻璃的10倍，远超其他天然纤维、合成纤维等材料，是理想的增强材料[6-9]。考虑到其性能突出、环保无害且成本低，与市场消费水平最为适合，本文采用玻璃纤维作为摩擦材料的增强纤维[10-11]。酚醛-缩醛型黏合剂具有优异的耐湿热老化、耐水等性能，可被用来浸渍玻璃、石棉和其他类似的物质提高机械强度、电性能等[12]。常用的有酚醛-缩丁醛和酚醛-缩甲醛2类。酚醛-缩丁醛型黏合剂的使用温度与高温强度都比酚醛-缩甲醛型黏合剂低，但耐老化性优良；酚醛-缩甲醛黏合剂在高温下强度较高，且有良好的耐水性以及耐化学介质等性能。酚醛-缩醛型黏合剂可改善摩擦材料噪音大、摩擦性不稳定与易产生裂纹等缺点[13]，因此对其在摩擦材料方面的研究非常活跃。采用酚醛-缩醛-有机硅胶黏合剂(甲苯-204)为固化剂，经过模压、固化形成玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料，可满足摩擦材料的各性能要求。关于玻璃纤维摩擦材料已有部分报道，张士华等[14]在MM-200型摩擦磨损试验机上研究了在干摩擦和水润湿条件下，不同玻璃纤维含量对锦纶复合材料摩擦磨损特性的影响；方琳等[15]对几种玻璃纤维织物增强酚醛树脂复合材料进行了双向滑动摩擦试验，考察织物结构和基体树脂对复合材料的摩擦磨损性能的影响。有关玻璃纤维织物复合材料摩擦性能方面的研究很多，但涉及固化工艺对玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料摩擦磨损性能影响的却不多。固化工艺对固化物的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、动态力学性能和样品断面的形貌有一定的影响[16]，因此，本文基于固化工艺对玻璃纤维复合材料摩擦性能进行了深入研究。

1 实验部分

1.1 材 料

玻璃纤维织物(幅宽为10 cm,平纹组织，经纬密均为32根/10 cm，纱线含1 000根单丝，单丝直径为11 μm，原丝线密度为13 tex)；酚醛-缩醛黏合剂(上海新光化工厂)。CFT-I型材料表面性能综合测试仪(兰州中科凯华科技开发有限公司)；DZF-6090型真空干燥箱(上海林频仪器股份有限公司)。

1.2 试样制备工艺

首先，将玻璃纤维织物剪成长度为10～15 cm的试样，并保证其表面平整洁净；使用油画笔将酚醛-缩醛胶黏剂均匀涂刷在玻璃纤维织物的表面，涂刷2～3次，每次间隔晾置20～30 min，胶层不黏时，在固化压力为0.2 MPa下进行模压固化，放置24 h后即完成样品制备的工艺过程。再将样品放入真空干燥箱内，分别按160、170、180、190 ℃，1 h以及180 ℃，0.5、2、3 h进行固化后得到试样。

1.3 摩擦磨损实验

摩擦磨损测试无固定标准，材料的摩擦性能随载荷、温度、速度、对偶材料等因素的变化而变化，因此本文实验所给的摩擦性能是基于本文测试条件下的结果。在材料表面性能综合测试仪上进行往复式测试。实验条件为：加载载荷10 N，时间10 min，转速600 r/min。测定不同固化温度和固化时间下材料的摩擦因数和磨损率，同一规格的样品分别取出至少3个试样进行实验。在制备试样时严格控制各组分含量及制备工艺参数，以保证重复性。摩擦因数的波动在10%以内。测试结束后，保存及对比采样频率的数据，观察其磨损量并选择出最佳固化温度。

2 结果与讨论

2.1 试样摩擦性能重复性

固化温度为160 ℃，固化时间为1 h时，3个试样的摩擦因数如图1所示。由图可见结果重复性较好。

图1 固化温度为160 ℃，固化时间为1 h时3个试样的摩擦因数Fig.1 Friction coefficients of three glass fiber fabric samples cured at 160 ℃ for 1 h

2.2 固化温度对材料摩擦性能的影响

设定固化压力为0.2 MPa，固化时间为1 h，在不同固化温度(160、170、180、190 ℃)下，对玻璃纤维增强酚醛树脂基复合材料进行固化。在摩擦实验过程中可明显发现，玻璃纤维复合材料在磨损时噪声减少，磨损量减少。

图2示出试样经过摩擦磨损实验后，实物材料的磨损对比图。不难看出，不同的固化温度下材料的表面特征不同，对玻璃纤维抗磨损性能的影响也有所不同。试样在160 ℃下经固化后，表面平整，结构清晰，基本无气泡形成；在摩擦实验后，可明显观察试样中纤维的断裂情况，磨损量大。170 ℃时，试样表面不如160 ℃时的平整，存在少量气泡，且在摩擦实验后发现，试样中纤维断裂数量及磨损量较160 ℃有所改善。180 ℃固化时，试样表面虽有大量气泡产生，但实验后的磨损量却大大减少。190 ℃实验后发现，试样中纤维断裂数量急剧上升且摩擦磨损量增大。通过实物图可得知，玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料在180 ℃固化时，磨损量低于其他3个固化温度时试样的磨损量。

图2 不同温度下制备的玻璃纤维织物复合材料磨损表面Fig.2 Worn surface of glass fiber fabric composite prepared at 160 ℃(a), 170 ℃(b), 180 ℃(c) and 190 ℃(d)

图3示出玻璃纤维复合材料在固化时间为1 h，固化温度分别为160、170、180、190 ℃的摩擦因数。由图可看出：复合材料在160 ℃固化时摩擦因数最高，在0.4上下波动；在170 ℃与190 ℃固化时，复合材料在最开始曾出现过较小的摩擦因数，但跑和阶段后，其摩擦因数逐渐变大，在0.3上下波动；180 ℃固化时材料摩擦因数波动小，且有最小值，在0.25左右，并趋于稳定。作为摩擦制动材料要求材料具有适宜而稳定的摩擦因数，摩擦因数太高会有噪声、材料的过度磨损以及卡死、龟裂等现象发生，应避免[17]。

图3 不同固化温度下固化1 h后材料的摩擦因数Fig.3 Friction coefficients of glass fiber fabric composites cured at different temperatures for 1 h

综合图2、3的分析可知，在固化时间为1 h的条件下，固化温度为180 ℃时复合材料不仅耐热、耐腐蚀等性能良好，同时还拥有优异的抗磨损性。另外，还需要进一步考虑与分析在固化温度相同的情况下，不同的固化时间对玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料的摩擦磨损性能的影响，进而得到更好的摩擦材料。

2.3 固化时间对材料摩擦性能的影响

通过前期实验以及数据分析得知，玻璃纤维复合材料在180 ℃固化时，比其他3个温度固化时的抗磨损性好且摩擦因数稳定，因此，需要考察玻璃纤维增强酚醛树脂基复合材料在固化温度为180 ℃，不同固化时间下的摩擦性能。

图4示出复合材料在0.5、1、2、3 h 4个固化时间下，经摩擦磨损实验所得到的摩擦因数。由图可知：固化时间为3 h时，摩擦因数在0.4以上波动，数值较高；0.5 h和2 h的数据波动相似，摩擦因数平稳后稳定在0.30左右；1 h时，摩擦因数开始时很小，虽然摩擦因数随实验时间有所上升，但较其他3条曲线的摩擦因数都低，且趋于稳定，约为0.25。

图4 不同固化时间复合材料的摩擦因数Fig.4 Friction coefficient of glass fiber fabric composite cured for different time periods

图5示出材料经摩擦实验后的实物对比图。可看出：固化时间为3 h时复合材料的磨损量最大，纤维断裂数量最多，破坏了材料表面结构；固化时间为2 h时,复合材料的磨损量有所减少，但表面结构还是有明显的破坏；0.5 h时，复合材料的表面结构较完整，纤维断裂数量明显较少；在固化时间为1 h时，复合材料的表面结构最为完整，纤维断裂数量最少，磨损量少。因此，玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料在固化时间为1 h时，其抗磨损性及其他性能最为突出。

图5 180 ℃下固化不同时间时的复合材料磨损图Fig.5 Worn surfaces of glass fiber fabric composites after curing at 180 ℃ for 0.5 h (a), 1 h(b), 2 h(c), and 3 h(d)

通过图4、5的分析可得，固化温度为180 ℃的玻璃纤维复合材料在固化时间为1 h时，其抗磨损性能最好。

总之，经过实验与数据分析可得知，玻璃纤维增强酚醛树脂基复合材料在固化温度为180 ℃、时间为1 h时，不仅满足摩擦材料耐热、机械性能等要求，且抗磨损性能最好。对于该酚醛-缩醛黏合剂，厂家给出的指导固化温度为180 ℃，固化时间为2 h，但实验得出的最佳固化温度为180 ℃，时间为1 h，有所不同。这是因为当黏合剂与玻璃纤维接触并混合后，黏合剂的比表面积会迅速增加数倍甚至几十倍，导致黏合剂的活化能升高，有利于缩短固化时间。

2.4 玻璃纤维对复合材料摩擦性能的影响

首先，玻璃纤维的纤维长度对制备工序及制品的性能也有很大的影响。在制备复合材料的过程中纤维易相互纠缠产生丝节，丝节之间形成交接面的概率逐渐增大[18]。当涂刷酚醛-缩醛黏合剂时，丝节之间的交接面易被黏结起来；经模压、固化后，会出现富胶、浸润不匀的现象，且在应力释放过程中开裂。

图6示出固化温度为190 ℃，固化时间为1 h的复合材料经摩擦实验后的摩擦图。从图中清晰地观察到，复合材料中垂直于纤维方向的磨损量比平行于纤维方向的磨损量少，这说明纤维取向对复合材料摩擦磨损是有影响的。沿垂直纤维方向的摩擦因数比沿平行方向的低，且在纤维垂直方向上磨损率较低[19]。分析其原因有2个方面：垂直方向上纤维与对磨材料接触时间短；垂直方向上纤维易受到剪切力而发生位移，位移后的空间由酚醛树脂胶黏剂填补，胶黏剂的硬度低于玻璃纤维，可起润滑作用。

图6 固化温度为190 ℃、固化时间为1 h的复合材料经摩擦实验后的磨损图Fig.6 Worn surfaces of glass fiber fabric composite after curing at 190 ℃ for 1 h

2.5 黏合剂对复合材料摩擦性能的影响

酚醛树脂及其改性材料常作为摩擦材料的基体，耐热性好，不易变形，且价格低廉，可提高复合材料的耐磨损性能[20]。

在固化温度为180 ℃、固化不同时间的条件下，通过图4、5可得知，复合材料在固化时间为1 h时各性能指标最好。当固化时间较短(0.5 h)，黏合剂未完全固化，而过长(2、3 h)时黏合剂发生部分老化，酚醛-缩醛黏合剂没有发挥其提高被黏物机械强度与抗磨损性能的作用，因此复合材料的磨损量较大。在固化时间为1 h时不难发现，复合材料在180 ℃的固化温度下抗磨损性能最好。这是因为当固化温度过低(160、170 ℃)时，胶层交联密度过低，不能完全完成固化反应；温度过高(190 ℃)时，降低了胶接强度，胶液流失或胶层脆化。因而，要考虑到固化剂的固化条件，以便制备出抗磨损性能更强的复合材料。

3 结 论

1)探讨了在固化时间为1 h，不同固化温度下复合材料的摩擦性能。结果表明，测试条件下的摩擦材料在固化温度为180 ℃时磨损量最少。

2)分析了在固化温度为180 ℃的前提下，不同固化时间对复合材料摩擦性能的影响。结果表明，摩擦材料在固化时间为1 h时的抗磨损性能最为优异。

综上所述，采用酚醛-缩醛黏合剂为固化剂，以玻璃纤维为基体，固化温度为180 ℃、固化时间为1 h时，制成的玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料摩擦性能优异。经优化后的复合材料摩擦学性能符合使用要求，又因其具有成本低、环保、耐热性好、机械强度好等优点，可被广泛应用于各个领域。

FZXB

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Influence of curing process on tribological properties of glass fiber composite

KONG Lingqian1,2, JI Rui1, CHEN Wenchao1, YANG Hongfang1

(1.CollegeofTextileandClothing,DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China; 2.StateKeyLaboratoryofSolidLubrication,LanzhouInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China)

Decomposition products of asbestos friction material are carcinogenic and have severe pollution on the environment. In order to develop new non-asbestos friction materials, glass fiber fabric which has excellent mechanical properties in comparison with asbestos was used as substrate, and phenolic resin was used as curing agent. By molding and curing, the friction material products were prepared. The influence of curing temperature, curing time, fiber orientation and phenolic resin on the tribological properties of glass fiber composite was studied in this paper. The results show that the optimum condition is curing time of 1 h and curing temperature of 180 ℃. Under this condition, the wear rate of the composite is the lowest with a friction coefficient of 0.25. The friction and wear properties of the glass fiber composite meet the application requirements. Furthermore, it can be widely used in various fields due to the advantages of low-cost, environmental friendiness, good heat resistance and mechanical strength.

glass fiber fabric；phenolic resin；curing process；friction property

10.13475/j.fzxb.20160802206

2016-08-09

2017-01-16

国家自然科学基金资助项目(51505065)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2015EQ021)；山东省高校科技发展计划项目(J16LC55)；德州学院人才引进项目(2015kjrc21，2015kjrc22)

孔令乾(1984—)，男，讲师，博士。主要研究方向为织物摩擦学。杨洪芳，通信作者，E-mail:fangaijia@126.com。

TB 332

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