生物质在制动摩擦材料中的应用

蔡黎明，员荣平，王 慧，盛初之，马永杰，付哲臻，杨卫民，吕亚非*

（1. 北京化工大学机电工程学院，北京100029； 2. 北京化工大学新型高分子材料制备与加工北京市重点实验室，北京100029）

生物质在制动摩擦材料中的应用

蔡黎明1,2，员荣平2，王 慧2，盛初之2，马永杰2，付哲臻2，杨卫民1，吕亚非2*

（1. 北京化工大学机电工程学院，北京100029； 2. 北京化工大学新型高分子材料制备与加工北京市重点实验室，北京100029）

通过分析现有制动摩擦材料存在的环境问题，提出应用生物质开发环境友好型制动摩擦材料，即全部采用无毒、无环境污染、可生物降解的原材料如天然植物纤维、天然坚果壳粉和农业或林业废弃物（蔗渣、木屑等），天然矿物纤维和填料、从生物质合成可取代酚醛的树脂。生物质在制动摩擦材料中的主要作用有轻量、降低摩擦系数和改善耐磨性。在制动摩擦材料中引入生物质的关键是采用化学和物理处理方法提高热稳定性和合成木质素树脂。

制动摩擦材料； 生物质； 天然植物纤维； 坚果壳

制动摩擦材料广泛用于交通、传输工具制动器衬片，是多组分、多相复合材料，由树脂基体、纤维增强体和填料组成。近代制动摩擦材料的发展从石棉摩擦材料开始，经历了半金属（以钢纤维为增强体）、低金属和无石棉有机（包括无金属、陶瓷型和环境友好型）摩擦材料。半金属摩擦材料含 50%钢纤维和铁粉，低金属摩擦材料含 25%钢纤维和铁粉，无金属（不含任何金属）和陶瓷（以陶瓷纤维、铜纤维、芳纶浆粕为增强体）摩擦材料不含钢纤维和铁粉，都以酚醛树脂作为基体。对制动摩擦材料的基本要求是：（1）高性能，具有好的制动性能，保证刹车；（2）舒适性，减少噪音和刹车振动；（3）经济性（低成本），选用低价格和轻量化的原材料以及提高摩擦材料寿命等途径降低成本；（4）环境友好性，减少有毒物质的使用，提倡使用天然植物、生物和矿物材料[1]。

现有制动摩擦材料存在严重的环境问题（对水、土壤、空气、声的污染和对人体健康、植物生长的影响），主要有[2,3]：（1）石棉是致癌物；（2）重金属铅、铬、汞、镍，是致癌物；（3）铜纤维和铜粉严重污染水资源；（4）石英（结晶二氧化硅）是致癌物；（5）三氧化二锑（三硫化二锑在摩擦过程中发生氧化反应的产物），可能致癌；（6）金属硫化物如三硫化二锑、二硫化钼、硫化铜和含硫物质如煤矸石（工业固体废弃物，含硫和多环芳烃致癌物），在摩擦过程中发生氧化反应后生成二氧化硫气体，污染大气环境；（7）钛酸钾晶须、碳化硅晶须和氮化硅晶须被质疑对人体有害（而它们的颗粒物则较少毒性）；（8）纳米材料（直径1~100 nm）的纳米毒性，摩擦过程中产生纳米尺寸的磨屑容易悬浮在大气中，呼吸进肺部后，纳米颗粒具有细胞渗透能力，应慎重使用；（9）钢纤维，产生噪音（声污染）；（10）炭纤维与人体皮肤接触时会损伤皮肤。制动摩擦材料在制动过程中产生不规则形状的磨屑并具有生物毒性[4]：直径<2.5 m（PM2.5）的颗粒，可长时间悬浮在大气中，是可吸入性气溶胶；直径2.5~10 m（PM10）的颗粒，是可吸入性颗粒物。这些磨屑为弱溶解颗粒或纤维，会吸进并沉积在肺部。我国是生产和消费摩擦材料的大国，来源于制动摩擦材料（原材料组成和摩擦过程中的化学反应）造成的环境污染和对人体的危害不容忽视。

1 环境友好型制动摩擦材料

完全环境友好型制动摩擦材料定义为无毒、无环境污染、可生物降解的摩擦材料。环境友好型制动摩擦材料的研究经历了三个阶段：（1）将目前所用的半金属和无石棉有机摩擦材料配方中淘汰重金属、石棉、铜纤维、铜粉和金属硫化物；（2）以酚醛树脂为基体，应用生物质的无石棉有机摩擦材料，目前已经开发成功，属于部分环境友好型摩擦材料；（3）以生物质树脂为基体，全部采用无毒、无环境污染、可生物降解的纤维和填料，实现摩擦材料的完全环境友好化（图1）。

图1 完全环境友好型摩擦材料的组成Fig.1 The composition of totally environment-friendly friction material

生物质在解决制动摩擦材料存在的环境问题方面起了重要作用。生物质是二氧化碳和水通过光合作用产生的有机物质，包括农业（天然植物纤维、秸秆、稻壳、玉米芯、蔗渣等）和林业（坚果壳、木材、木屑、树叶等）的天然产物，是最有发展前途的可再生资源，可用于低成本、绿色聚合物和复合材料的原材料。目前，生物质在制动摩擦材料的应用受到广泛关注，已成为构成环境友好型制动摩擦材料的关键组分。已有研究者分别采用生物质如天然植物纤维[5-9]、坚果壳粉[10]、蔗渣[11]等天然产物作为原材料，尤其是天然植物纤维经化学和物理方法处理后的热稳定性提高[12]，促进了它们在制动摩擦材料的应用。但单一应用天然原材料不足以使制动摩擦材料完全绿色化，因为没有考虑配方中其他组分的环境问题，而且采用的酚醛树脂基体是不可生物降解的，是不完全的环境友好型制动摩擦材料。最近，从天然产物合成腰果酚型苯并嗪[13]和木质素树脂[14]的报道提供了可以取代酚醛树脂的可能性。因此可制备完全环境友好型制动摩擦材料：（1）木质素树脂的制备（取代酚醛树脂）；（2）天然原材料库筛选，包括天然植物纤维、天然矿物纤维、天然坚果壳粉、天然贝壳粉、天然矿物纤维、天然矿物颗粒库；（3）腰果酚型苯并嗪的制备（取代合成橡胶增韧木质素树脂）。

2 生物质原材料库的筛选

制动摩擦材料的原材料库（图2）包括：纤维库（由合成有机聚合物纤维如芳纶、芳砜纶等、陶瓷纤维如硅酸铝纤维等、金属纤维如钢纤维、铜纤维等、天然纤维如亚麻、剑麻等组成）、填料库（由磨料如氧化铝等、固体润滑剂如石墨等、功能填料如蛭石可降低噪音等组成）和树脂基体库（酚醛及其改性树脂）。生物质构成了一类新的原材料库（图3）包括：天然植物纤维库：黄麻、大麻（汉麻）、亚麻、苎麻、剑麻等；天然坚果壳粉库：核桃壳、杏壳、开心果壳等；农业和林业废弃物库：蔗渣、木屑、秸秆等，生物质炼制技术还可以合成新的可生物降解的木质素树脂，可作为取代酚醛树脂的基体用于摩擦材料。

图2 制动摩擦材料原材料库Fig.2 Brake friction materials raw materials library

图3 生物质材料Fig.3 Biomass materials

2.1 化学和物理处理对生物质热稳定性的影响

由于生物质是由纤维素、木质素、半纤维素等组成的有机物质，在制动摩擦材料中的基本要求是具有在摩擦过程的热稳定性。对生物质原材料库的筛选重点是提高它们的热失重和研究它们对摩擦性能的影响。

天然植物纤维原麻以纤维束的形式存在。天然植物纤维的化学和物理处理方法见图4(a)[12]，目的是去除木质素和半纤维素，保留纤维素，并使纤维素沿纤维轴方向撕裂（微纤化）[15]。经化学和物理处理的黄麻的热失重曲线见图4(b)[12]。处理后的黄麻的热稳定性（热分解温度）和残炭率明显提高。

图4 黄麻的处理方法及热失重曲线Fig.4 Processing approach and thermogravimetric curves of jute

坚果壳经水洗、粉碎、筛滤、真空干燥后成约80目粉末状物质。开心果壳粉分别经过化学（酸、碱）和物理（硅烷偶联剂）处理后的热失重曲线见图5[16]。很明显，碱处理的作用最大。碱处理的作用是使坚果壳中的木质素含量增大，所以残炭率提高，但由于木质素的热分解温度比纤维素低，所以碱处理后的热分解温度也降低。

2.2 天然植物纤维对摩擦性能的影响

采用天然植物纤维黄麻、天然矿物纤维玄武岩和硅灰石为增强体，天然锆英石（硅酸锆）为磨料，

图5 采用不同方法处理后开心果壳粉的热失重曲线Fig.5 Thermogravimetric curves of pistachios nutshell powder treated by different ways

与不含黄麻摩擦材料的摩擦性能比较，含黄麻摩擦材料的摩擦系数降低，磨损率降低（耐磨性提高）。由于当黄麻含量高时，摩擦材料的热衰退性较大，因应限制黄麻含量（体积分数）为5.6%。

图6 不同含量黄麻对摩擦系数和磨损率的影响Fig.6 Effect of different content jute on friction coefficient and wear rate

3 结 论

生物质是价廉的可再生资源并可应用到制动摩擦材料中

发展完全环境友好型摩擦材料是今后摩擦材料领域的重点。生物质在制动摩擦材料中应用有两个关键问题：（1）提高天然植物纤维和坚果壳等的热稳定性，使之达到酚醛树脂的水平；（2）用新型可生物降解的木质素树脂取代目前普遍使用的酚醛树脂。经化学和物理处理的生物质的热分解温度已经达到酚醛树脂的水平，但残炭率还低于酚醛树脂。而从生物质（木质素）制备新型树脂的研究正在尝试中。

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Application of Biomass in Eco-friendly Brake Friction Composites

CAI Li-ming1,2,YUAN Rong-ping2,WANG Hui2,SHENG Chu-zhi2,MA Yong-jie2,FU Zhe-zhen2,YANG Wei-min1,LV Ya-fei2
（1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China；2. The Key Laboratory of Beijing City on Preparation and Processing of Novel Polymer Materials, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China）

After analyzing the environmental problems presented in brake friction composites, the novel formulations composed of biomass including natural fibers, nut shells, natural mineral fibers and fillers for preparing fully eco-friendly friction composites was proposed. The roles of biomass in friction composites are lightweight, depressing friction coefficient and modifying wear rate. The critical issues related to the application of biomass in friction composites are to increase thermal stability of the biomass by using chemical and physical treatments and synthesize lignin based resin to replace phenolic resin.

Brake friction composites; Biomass; Natural plant fibers; Nut shells

TS 721

A

1671-0460（2011）12-1268-04

2011-07-04

蔡黎明（1976-），女，北京人，博士，2009年毕业于北京化工大学材料学，研究方向：高分子聚合物及新材料研发。E-mail：huixinbenben@hotmail.com。

吕亚非（1955-），男，教授，博导，研究方向：功能高分子材料。E-mail：ylu623@gmail.com。