黄麻纤维摩擦性能评价

引言

石棉曾广泛应用于摩擦材料中，自20世纪70年代以来，由于其致癌性已被禁用。除石棉外，摩擦材料中经常使用的如铜纤维、三硫化二锑、石英、二硫化钼等物质也被证明存在严重的环境问题［1－2］。为满足制动摩擦材料的性能要求，摩擦材料发展了两个分支:半金属摩擦材料和无石棉有机(NAO)摩擦材料［3］。它们均以酚醛树脂为基体，再加上多种功能填料与空间填料制成。半金属摩擦材料以钢纤维为增强体，NAO摩擦材料以芳纶为增强体。近来，为解决摩擦材料的环境问题，出现了以天然植物纤维如苎麻［4］、剑麻［5］为增强体的摩擦材料，具有良好的摩擦性能。其中黄麻纤维更是作为增强纤维广泛应用于复合材料之中［6］。黄麻纤维经化学和物理方法处理可以提高其微纤化程度，同时增强热稳定性(热分解温度为350℃)［7］。榛子壳作为一种生物质材料，主要由木质素、半纤维素和纤维素组成，具有来源广泛、可生物降解和低成本的优点，可应用在树脂基复合材料中［8］。黄麻纤维和榛子壳的莫氏硬度均约为3，高于石墨(莫氏硬度约为2)，根据摩擦性能谱［3］，处于区与过渡区的边界，并且在高温下可降解产生炭，具有一定作用。摩擦材料的摩擦性能与配方的关系是非线性的，因此，需要引入适当的数学模型进行配方优化和性能评价。可拓评价法是将可拓学理论应用到摩擦材料的尝试，已经建立了用于不同试验设备如摩擦材料评价和筛选试验机(FAST)［9］、定速式摩擦材料试验机［10］和惯性台架试验机(dynamometor)［11］测定摩擦材料摩擦性能的评价模型。本文选用生物质黄麻纤维和榛子壳，配以其他天然矿物纤维(玄武岩、针状硅灰石)和填料(锆英石、重晶石、蛭石)，以酚醛树脂为基体，制备了完全不含铜纤维、三硫化二锑、石英、二硫化钼的新型环境友好型摩擦材料。利用CHASE摩擦试验机测定摩擦材料的性能，并对其结果进行可拓评价，得到了黄麻纤维的最佳含量。

1实验部分

1.1实验原料及设备黄麻纤维，广西东兴产;榛子壳，市售;针状硅灰石，工业级，营口阿斯创化工有限公司;锆英石，工业级，100目，营口阿斯创化工有限公司;重晶石，工业级，质量分数80%，枣阳市五联实业有限公司;蛭石，工业级，40目，河北省寿灵县精细矿产加工厂;短切玄武岩纤维(9～13μm级)，山西巴塞奥特科技有限公司;酚醛树脂，型号6818，济南圣泉波沃斯化工有限公司。ZN-04B型高速粉碎机，北京兴时利和科技发展有限公司;JFY60S型热压成型机，JF160型CHASE摩擦试验机，吉林省旺达机械有限公司。

1.2黄麻纤维和榛子壳的处理黄麻纤维的处理过程［6，12］:将切短的黄麻纤维(3～5mm)用蒸馏水清洗、烘干后，用碱液(12%NaOH水溶液)浸泡处理2h，再用自制的回流装置盐酸(1mol/L)蒸气处理1h，然后用碱液(2%NaOH水溶液)在80℃处理1h。榛子壳的处理过程:将榛子壳用蒸馏水洗净烘干后用高速粉碎机粉碎，经40目(直径为413μm)过滤网过滤得未处理的榛子壳粉。再置于碱液(12%NaOH水溶液)中磁力搅拌处理2h，洗净、烘干、粉碎过40目筛，得处理的榛子壳粉。

1.3摩擦材料的制备设计的环境友好型摩擦材料的配方见表1，按组成不同样品编号为J-0，J-5.6，J-9.0，J-14.6，J-23.6，所有样品特点是酚醛树脂基体的体积分数保持不变，其他组分随黄麻纤维体积分数提高而比例降低。将原材料按配方称好后放入高速搅拌机搅拌2min，倒入模具中用热压成型机热压成型，压制温度165℃，压力20MPa，经过3次放气每次5s，3次保压每次15s后，再压制5min。

1.4摩擦性能测试采用CHASE摩擦试验机对所制备的摩擦材料进行测试，试样尺寸为25.4mm×25.4mm，厚度约为6.5mm，试验工作面半径与试验鼓(铸铁)的半径一致。样品的摩擦系数直接得到。经过不少于20min的磨合后，分别测量样品的厚度t1与质量m1，再分别进行20次的初始基线试验、第一次衰退试验、第一次恢复试验、100次磨损试验、第二次衰退试验、第二次恢复试验和20次的最终基线试验，最后再次测量样品的厚度t2与质量m2，厚度磨损率ω1为1.5微观形貌分析处理后的黄麻纤维与榛子壳粉的微观形态用日立S4700型扫描电镜(SEM)观察，操作电压20kV。

2结果与讨论

2.1处理后黄麻纤维与榛子壳粉的微观形态经过处理后的黄麻纤维与榛子壳粉的微观形态见图1。经过处理的黄麻纤维直径约为10～30μm，榛子壳粉的直径约为100～400μm。

2.2黄麻纤维含量对摩擦系数的影响初始基线试验中摩擦系数随试验次数的变化见初始基线测试的鼓温变化区间为90～120℃。随着黄麻纤维的加入，摩擦系数明显降低。而且当加入体积分数为5.6%或者9.0%的黄麻纤维时，样品摩擦系数较稳定。摩擦材料在第一次衰退、恢复中摩擦系数随温度的变化见图3。黄麻纤维的加入可以使摩擦系数降低，这与基线试验的结果一致。第一次衰退、恢复过程的鼓温最高为290℃，低于黄麻纤维的热分解温度，随着黄麻纤维的加入并没有出现热衰退现象。J-14.6和J-23.6两组样品在升温过程中摩擦系数有上升趋势，而J-5.6和J-9.0则比较稳定。由初始基线与第一次衰退、恢复试验的结果可知，当鼓温低于黄麻纤维的热分解温度时，合适体积分数的黄麻纤维(5.6%～9.0%)可以降低和稳定摩擦系数，而过多含量的黄麻纤维并不利于稳定摩擦系数。摩擦材料在第二次衰退、恢复中摩擦系数随温度的变化见图4。第二次衰退过程中鼓温的最高温度为346℃，接近黄麻纤维的热分解温度。因此，含黄麻纤维的样品均出现了一定程度的热衰退(摩擦系数随着温度升高而降低)，并且衰退程度随着纤维含量的升高而升高。在热恢复过程中，J-5.6和J-9.0的热恢复性能(温度降低，摩擦系数恢复到正常值的程度)明显优于J-14.6和J-23.6。热衰退的原因主要是由于摩擦材料中的黄麻纤维和榛子壳粉在高温下的热降解炭化所造成的作用引起，而黄麻纤维含量的提高使热衰退与热恢复性能降低。由此可见，为了保持摩擦材料在高温区的摩擦性能和热恢复性能，摩擦材料中的黄麻纤维含量不能过高，体积分数应该≤9.0%。最终基线试验中摩擦系数随试验次数的变化见图5。在经过第二次衰退与恢复的高温测试后，鼓温在100℃左右进行第二次基线试验。由于第二次衰退、恢复中黄麻纤维以及其它有机物如酚醛树脂、榛子壳粉等的热降解，摩擦材料表面化学成分变化较大。含黄麻纤维样品的摩擦系数并没有像初始基线试验中明显低于J-0，而是样品的摩擦系数普遍较高。但J-9.0在经历高温摩擦后摩擦系数最稳定。

2.3黄麻纤维含量对磨损率的影响从图6可以看出，J-0中不含黄麻纤维，厚度磨损率和质量磨损率较高。随着黄麻纤维的加入，由于其弱作用，厚度磨损率和质量磨损率都有一定程度的降低，摩擦材料的耐磨损性能得到明显改善。由此可见，适量黄麻纤维的加入，可以降低磨损率，提高摩擦材料的耐磨性能。

2.4CHASE摩擦测试结果的可拓评价利用可拓学的基本原理，可以建立应用于CHASE摩擦测试结果的可拓学关联公式。在CHASE摩擦测试结果中，包括基线试验，第一次衰退、恢复，第二次衰退、恢复，最终基线试验和磨损率等数据进行评价，以确定各个配方的性能优劣。擦系数越接均值越好)，则M=∑i=1μin。假设基线试验(包括初始基线和最终基线)、第一次衰退与恢复、第二次衰退与恢复三个试验过程有相同的权重，对每个样品分别计算基线试验(包括初始基线和最终基线各20个摩擦系数)，第一次衰退与恢复共12个摩擦系数，第二次衰退与恢复15个摩擦系数，摩擦系数的综合关联度如式(2)～(5)根据式(10)进行计算的结果见表2，样品的性能优劣排序为J-9.0＞J-5.6＞J-14.6＞J-23.6＞J-0。其中J-9.0样品综合关联度最大，说明该配方摩擦性能(包含摩擦系数和磨损率)最优越，因此在摩擦材料中黄麻纤维的体积分数应为9.0%。

3结论

(1)当鼓温低于黄麻纤维热分解温度时，黄麻纤维具有降低和稳定摩擦系数的作用，但其体积分数不应高于9.0%，过多的纤维并不利于摩擦系数的稳定;当鼓温接近黄麻纤维热分解温度时，过多含量的黄麻纤维会导致热衰退严重并且影响热恢复性能。(2)黄麻纤维的加入，可使摩擦材料的厚度磨损率由0.047最低降至0.033，质量磨损率由0.066最低降至0.045。(3)可拓评价结果表明黄麻纤维体积分数为9.0%时，有最大的关联度，摩擦材料具有最佳的摩擦性能。