PEO和CPAM对纸基摩擦材料原纸性能的影响

陆赵情 陈 杰 张大坤

(陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安，710021)

纸基摩擦材料具有摩擦因数高、摩擦性能稳定、动静摩擦因数比可调、耐磨损性能良好、能量吸收能力高等诸多优良性能而被广泛应用于各类重型车辆和工程机械的离合器和制动器中，特别是作为汽车自动变速器中离合器的摩擦片材料［1-2］。纸基摩擦材料主要由纤维、填料、摩擦性能调节剂和胶黏剂构成，其中原纸的制备采用了传统的抄纸工艺，将纤维、填料和摩擦性能调节剂在水相介质中分散，并最终以脱水的方式成形［3-4］。摩擦材料中采用多种高性能增强纤维和填料等，在水介质中的润湿性较差，浆料分散不均，容易导致成纸匀度降低，所以浆料悬浮液分散好坏是影响纸基摩擦材料原纸成形的一个重要因素［5-6］。

纸基摩擦材料中增强纤维的主要作用表现为增加摩擦材料的机械强度，提高和改善材料的摩擦性能，特别是对摩擦材料耐热性能和耐磨损性能有很大的改善［5，7-8］。纸基摩擦材料最常用的增强纤维有芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维和其他有机合成纤维。由于对汽车离合器和摩擦片综合性能的要求不断提高，单一的某种纤维很难实现摩擦材料对性能的要求，所以纸基摩擦材料都是由多种纤维混合组成，以获得良好的综合性能［4，6，8］。但是有机合成纤维表面活性低，比表面积小，疏水性强，不易被水浸湿，难分散，难成形，因此用有机纤维抄纸难度就很大［5，7］。

填料也是摩擦材料中不可缺少的组分，其在摩擦材料中主要起改善物理性能、调节摩擦性能及降低成本的作用。填料的种类繁多且作用各异，其作用效果以及对摩擦材料物理性能的影响有如下规律:增大产品紧度，提高表面硬度，降低抗弯曲强度，降低冲击强度;增大摩擦因数，降低磨耗，表面光洁度变差［9］。

原纸的匀度是影响摩擦材料的一个重要因素，因为它影响到浸渍胶黏剂的均匀分布，进而影响到材料的强度，所以对于摩擦材料原纸成形的研究是一个重要的课题。本实验在浆料中添加聚氧化乙烯 (PEO)作为纤维分散剂，通过测定成纸的匀度和抗张强度，探讨PEO对浆料的分散效果;添加阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)助剂，通过测定浆料的Zeta电位变化和抗张强度，分析CPAM对浆料的分散和纸张成形的影响［10-11］。

1 实验

1.1 实验原料

表1所示为实验制取纸基摩擦材料原纸的组分以及浆料助剂。原纸定量为90 g/m2。

摩擦材料组分的主要纤维基体是竹浆，竹浆具有比木浆更优良的摩擦性能，且能降低成本;加入海泡石绒的主要作用是分散和吸附浆料中的物料，采用芳纶纤维及芳纶浆粕、碳纤维为增强纤维，填料和摩擦性能调节剂为:硅藻土、石墨、氧化镁、碳酸钙以及丁腈橡胶粉，原料配比见表2。

1.2 实验仪器

电动搅拌器，标准浆样疏解机，纸样抄取器，Mütek-Szp06 Zeta电位测定仪，AutoProeIV9510压汞仪，摆锤式抗张试验机。

1.3 实验步骤

制取浆料和原纸的步骤如下:

(1)对芳纶纤维和碳纤维进行表面预处理:在60℃的水中加入适量的十二烷基苯磺酸钠、芳纶纤维和碳纤维，采用JJ-1精密增力电动搅拌器搅拌10 min，用清水清洗后干燥备用。

(2)制备增强纤维浆:将预处理后的芳纶纤维和碳纤维，以及芳纶浆粕、海泡石绒和一定打浆度的竹浆放入标准疏解机中，加入一定量的PEO，疏解2000转。

(3)制备混合浆料:在增强纤维浆中加入填料和摩擦性能调节剂，搅拌均匀后，再加入十二烷基苯磺酸钠，搅拌200转后加入羧基丁腈胶乳，再搅拌300转使胶乳均匀分散在浆料中并充分吸附在纤维和填料上;加入CPAM并搅拌300转，使丁腈胶乳与纤维、填料、摩擦性能调节剂充分絮聚并结合;再加入一定量的PEO搅拌后形成分散均匀的浆料。

(4)抄造原纸:采用纸样抄取器制备纸基摩擦材料原纸，纸浆浓度控制为0.05%，纸张定量设定为90 g/m2。

1.3.1 PEO对纸张匀度的影响实验

在疏解机中加入芳纶纤维和芳纶浆粕、碳纤维、海泡石绒和竹浆，然后加入 PEO(用量分别为0、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%)。制取手抄片后测定其厚度和抗张强度，从而探讨PEO对纸张匀度的影响。

1.3.2 CPAM对浆料性能的影响实验

疏解机中分别加入芳纶纤维和芳纶浆粕、碳纤维、海泡石绒、竹浆纤维、填料和摩擦性能调节剂，依次加入PEO搅拌，再加入丁腈胶乳搅拌，然后加入CPAM(用量分别为0、0.08%、0.16%、0.24%、0.32%)。分析浆料的Zeta电位及纸张抗张强度，探讨CPAM对浆料性能的影响。

1.4 性能测试

1.4.1 浆料Zeta电位测定

将浆料按照1%的浆浓在标准纤维纸浆疏解机中搅拌均匀，取500 mL，用Mütek-Szp06 Zeta电位测定仪测定浆料的Zeta电位。

1.4.2 纸张匀度测定

纸张匀度测定采用两种间接的办法表征，第一种是测定纸张厚度，计算纸张厚度方差的大小，方差反映了纸张匀度，方差较小，其匀度较好，方差较大，匀度较差。测试方法是选取不同实验条件下的原纸，在其不同的地方测得9组数据，求其平均值，然后计算方差。第二种是测定纸张的抗张强度，再根据抗张强度求其方差，方差大的纸张匀度差，方差小的纸张匀度好，每种手抄片取9组数据的平均值。

表1 实验中采用的纸基摩擦材料原纸组分及浆料助剂

注 表中未标明配比的组分，总和为40%。

2 结果与分析

2.1 PEO用量对纸张厚度的影响

PEO用作纤维分散剂，其相对分子质量应该大于300万。从分散效果来说，相对分子质量在200万以下的PEO，其用量要成倍增加。PEO作为纤维分散剂的作用是使纤维分散均匀、减少絮聚成团，从而提高成纸匀度。其原理是:通过增加水溶液的黏度，并在水中形成大分子网络结构，增加空间位阻，使浆料中的纤维具有较好的悬浮性而不致过快地沉降;PEO具有的黏附性，作用类似润滑剂，会吸附在纤维表面，形成一层滑而不黏的水合膜，从而达到阻止纤维絮聚结团的效果。在过去的造纸工艺中，人们广泛采用PEO作为纤维分散剂，使用后不会出现长纤维绕结和并条的现象，纸张匀度好［11］。

本实验采用PEO作为纸浆分散剂抄造手抄片，其厚度及厚度方差的变化情况见图1。从图1可以看到，不同PEO用量下纸张厚度的变化不大，但纸张厚度的方差却出现了较大的起伏，表现为:不使用PEO或者过量使用PEO纸张厚度方差均较大，而当PEO用量在0.2%左右时，纸张厚度方差较小，这说明纸张的匀度较好。随着PEO用量的增加，纸张厚度方差增大，这说明PEO用量过大反而不利于纤维的分散，这是因为PEO的增稠作用使水溶液的稠度变大，纤维在其中运动的位阻增大，影响了纤维的分散。

图1 不同PEO用量下纸张厚度及其方差

2.2 PEO用量对纸张抗张强度的影响

通过测定手抄片的抗张强度并计算得到了抗张强度的方差，结果见图2。从图2可以看到，纸张抗张强度在不同的PEO用量下基本相同，抗张强度方差波动趋势是由大变小，再逐渐变大，这从侧面反映出纸张匀度也是跟随PEO用量的增大，由差到好，再逐渐变差这样一个趋势，其实质也是纸张中物料分布的表现。当PEO用量为0.2%左右时，浆料的分散效果达到最佳。

图2 不同PEO用量下纸张抗张强度及其方差

2.3 CPAM对浆料性能的影响

CPAM是线性高分子化合物，相对分子质量从800万～1500万，外观为白色粉状细粒。其具有多种活泼的基团，可与许多负电性物质吸附，同时又能与植物纤维或者表面基团含有氢基的物质吸附形成氢键，从而形成架桥连接，将物质絮聚成微团。在造纸工业中，CPAM作为造纸助剂被广泛应用，含氨基甲酰基的水溶性阳离子聚合物的CPAM作为纸张增强剂，具有增强、助留、助滤等功能，因此可有效地提高纸张的匀度和强度。本实验主要分析了CPAM加入前后浆料Zeta电位的变化情况，并分析了CPAM对纸张强度和匀度的影响。

表3给出了加入CPAM后浆料Zeta电位的变化，从表3可以看出，浆料的电负性较大，这主要因为浆料中的物料较多，其中加入的丁腈胶乳的电负性最大。结果就是浆料中各物料的独立性很强，不利于填料以及摩擦性能调节剂在纤维上的吸附和被丁腈胶乳黏结在纤维的表面上，从而会造成填料等分布不均匀而在纸张中分层;随着CPAM的加入，浆料的Zeta电位减小，当用量达到 0.32%时，Zeta电位为-2.7 mV。从实验中观察到的现象来看，随着CPAM的加入，浆料中的物料在絮聚，并形成微团，浆料的乳白色变浅并逐渐澄清，抄纸中浆料的滤水性能也越来越好;但是随着CPAM用量的增大，浆料絮聚程度越来越大，出现大的浆团，造成纸张成形时纸料分布不均匀。

表3 不同CPAM用量下浆料的Zeta电位

图3所示的是浆料加入CPAM后，对纸张的增强效果以及对纸张匀度的影响。从图3可以看到，随着CPAM的加入，纸张匀度稍有改善，但是当CPAM用量超过0.16%后，纸张抗张强度方差急剧上升，纸张匀度变差。CPAM对于纸张强度的提高很明显，不使用CPAM时，纸张抗张强度大约为0.15 kN/m，当CPAM用量为0.16%时，抗张强度接近0.64 kN/m。这是因为丁腈胶乳作为黏结剂吸附纤维、填料和摩擦性能调节剂，而CPAM的絮聚作用使得填料和摩擦性能调节剂吸附在纤维和海泡石绒上面，从而有效地提高填料和摩擦性能调节剂的分散和在纸浆中的留着程度。当CPAM用量超过0.16%时，纸张抗张强度平均值在降低，出现这种情况是因为，纸张的匀度不好引起局部抗张强度过大或者过小。出现这种抗张强度先增加后减小的原因是CPAM对Zeta电位的影响。这有利于物料的分布和丁腈胶乳对纤维、填料和摩擦性能调节剂的黏结作用，有利于提高纸张的强度和匀度;当CPAM用量过大时，反而会使浆料中出现大的絮聚团，显然大的絮聚团有损纸张的匀度。

图3 不同CPAM用量下纸张抗张强度及其方差

综上所述，加入CPAM能够很好地提高纸张的抗张强度，有助于物料的均匀分散，CPAM用量在0.16%时效果最好，过多的使用 CPAM反而影响效果。

3 结论

采用碳纤维、短切芳纶纤维、芳纶浆粕、竹浆以及海泡石绒为原料，并用抄纸的方法抄造摩擦材料原纸。通过在浆料中添加聚氧化乙烯 (PEO)和阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)，探讨了PEO和CPAM对浆料分散性能和纸张匀度和抗张强度的影响。

3.1 PEO有良好的分散作用，当用量在0.2%左右时，对浆料的分散效果最好，成纸的匀度较高。

3.2 在浆料中加入CPAM，有助于提高填料和摩擦性能调节剂在纤维和海泡石绒表面的吸附，当其用量在0.16%左右时，其浆料中有微絮聚团，但不会出现大的团块，成纸的抗张强度较大，匀度也较好。

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