丁苯胶乳在纸基摩擦材料中的应用

王贝贝，陆赵情，陈　杰

（陕西科技大学 轻工与能源学院，陕西 西安　710021）

丁苯胶乳在纸基摩擦材料中的应用

王贝贝，陆赵情，陈杰

（陕西科技大学 轻工与能源学院，陕西 西安710021）

采用碳纤维、短切芳纶纤维和芳纶浆粕、竹纤维为原料，湿法成形制备纸基摩擦材料原纸；探讨了丁苯胶乳在摩擦材料原纸成形过程中对填料留着率和纸页成形的作用。实验结果表明：丁苯胶乳的加入提高了填料留着率和纸页强度；降低了纸页孔隙率，不过孔隙率降低得很小，对摩擦材料孔隙率的影响几乎不存在。

纸基摩擦材料；丁苯胶乳；留着率；纸页强度；孔隙率

纸基摩擦材料主要由纤维、填料、摩擦性能调节剂和胶粘剂构成，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［1］。随着对纸基摩擦材料配方和生产工艺的不断改进，目前发达国家的纸基摩擦材料已具有摩擦因数高、摩擦性能稳定、耐磨损性能良好、动静摩擦因数比可调和能量吸收能力高等一系列优良性能［2-6］，纸基摩擦材料被用于各类重型车辆和工程机械的湿式离合器和制动器中，特别是作为汽车自动变速器中湿式离合器的摩擦片材料，更具有广阔的应用前景［7］。

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。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［8-9］；由于采用的纤维原料在水相介质中润湿性较差，表面活性低，易于絮聚成团，成纸匀度低［10-11］；纤维之间结合力低，难以吸附填料、致使填料容易沉降。随着纸张品种增加及性能要求提高，胶乳在造纸中获得日益广泛的应用，被大量用作纸浆添加剂、纸张浸渍剂及纸张涂层剂等，以提高纸张的干、湿拉伸强度、抗撕裂强度、耐折强度及耐水、耐油和耐磨等性能［12］。

本实验主要采用丁苯胶乳作为纸基摩擦材料的调节剂，探究丁苯胶乳在摩擦材料原纸成形过程中对填料留着率、纸页成形的影响。

1　实验部分

1.1实验原料及仪器

实验原料：碳纤维，长3～5 mm；芳纶短切纤维，长3～6 mm；芳纶浆粕：长1 mm，打浆度13°SR；竹浆，打浆度13°SR；片状石墨，100～200目；硅藻土，100～200目；氧化铝，100～200目；分散剂，聚氧化乙烯（PEO），相对分子质量300万～400万，质量分数为0.01%；纤维黏结剂，羧基丁苯胶乳，固含量48%；助留剂，阳离子聚丙烯酰胺（CPAM），相对分子质量1 000万，质量分数0.05%；海泡石绒，工业品。

实验仪器：ZQJ 1-B纸页成形器；L&WSE-062抗张强度测定仪；NO.SE003标准纤维疏解器；爱利门道夫撕裂度仪；DMB 5-223IPL-5多媒体显微镜。

1.2实验步骤

制取纸基摩擦材料原纸的步骤如下。

1.2.1纤维处理

对位芳纶浆粕、竹浆纤维分别进行打浆处理，芳纶纤维打浆度30°SR，竹浆纤维打浆度20°SR，风干后计算水分，备用；芳纶短切纤维放入温度60℃的水中，加入适量的十二烷基本磺酸钠进行清洗，再用清水清洗，干燥备用；碳纤维使用浓硝酸浸泡，并用电动搅拌器适当搅拌，然后用水清洗后干燥，备用。

1.2.2制备均匀的混合浆料

将处理后的芳纶纤维、碳纤维、芳纶浆粕和竹浆，以及各种填料和摩擦性能调节剂加入疏解器中，加入0.01%的PEO，疏解2 000 r；然后加入一定量的丁苯胶乳，疏解300 r，使丁苯胶乳均匀分布在浆料中，充分吸附在纤维表面，并在纤维之间和纤维与填料之间形成结合力；再加入絮凝剂CPAM，疏解300 r，使浆料澄清，使纤维与填料、摩擦性能调节剂充分絮聚结合；最后加入一定量的PEO，疏解300 r，形成分散均匀的浆料。

1.2.3纸页抄造

采用纸样抄片器制备纸基摩擦材料原纸，纸浆浓度控制为0.06%，定量为100 g/m2。

1.3实验设计

实验中竹浆纤维为基体纤维，利用其良好的耐磨性能和廉价性；以芳纶纤维及其浆粕、碳纤维作为增强纤维；羧基丁苯橡胶颗粒被用于增加摩擦材料弹性，使之在工作时能与对偶更好地接触。填料为海泡石、硅藻土、三氧化二铝、二氧化硅和碳酸钙。其中，硅藻土的多孔结构，对于纸基材料的孔隙率提高有重要影响；三氧化二铝、二氧化硅和碳酸钙为硬质填料，以增强纸页的摩擦系数；摩擦性能调节剂为石墨；并以PEO作为分散剂，CPAM用作絮凝剂；羧基丁苯胶乳对纤维之间的结合、以及纤维对填料的吸附起到增强作用。

1.3.1羧基丁苯胶乳加入量对填料留着的影响

实验中羧基丁苯胶乳固含量为2%，加入量2%（相对于原纸质量分数，下同）；在使用一定量的CPAM下，调整羧基丁苯胶乳的加入量，分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%，制取浆料，测定留着率。

1.3.2羧基丁苯胶乳加入量对原纸性能影响

实验根据羧基丁苯胶乳助留体系对填料留着的实验设计方案，分别制取浆料，然后通过纸页成形器抄取手抄片，测定其抗张强度和撕裂强度。

1.3.3羧基丁苯胶乳加入量对孔隙率的影响

实验采用上一设计方案（羧基丁苯胶乳加入量相对于原纸性能影响的实验设计），抄取纸页进行孔隙率的测定。

1.4检测方法

1.4.1浆料留着率

按照一定比例配制浆料，疏解后浓度控制在0.45%，取500 mL浆料，通过动态虑水仪过滤100 mL滤液（这一步骤模拟纸页成形过程）；得到的滤液经定量滤纸过滤、烘干，并放入高温箱测定灰分。灰分质量即为填料流失质量，然后计算填料流失率。

1.4.2纸页孔隙率

孔隙率依据GB/T 13826—2008《湿式纸基摩擦材料》测定。其步骤如下：（1）将纸页烘干至恒重或干燥24 h，然后冷却至室温，称其质量（G1），准确到0.1 mg；（2）在室温下，干燥纸页全部浸入20号机油中，时间为24 h，使机油完全浸入纸页的孔隙；（3）将浸饱油的纸样浸没在油中称其质量（G2），准确到0.1 mg；（4）从油中取出纸样后，用滤纸小心地擦去试样表面附着油，不得挤压纸页，立即称量（G3），准确到0.1 mg。（5）按以下公式计算孔隙率：

P=（G3-G1）/（G3-G2）×100%

式中：P，孔隙率，%；G1，干燥试样的质量，g；G2，饱油试样在油中的质量，g；G3，饱油试样在空气中的质量，g。

1.4.3抗张强度和撕裂度

抗张强度和撕裂度分别采用L&W SE-062抗张强度测定仪和爱利门道夫撕裂度仪进行测试。

2　结果与讨论

2.1羧基丁苯胶乳加入量对填料留着率的影响

丁苯胶乳是一种合成胶乳，是由不同比例的苯乙烯和丁二烯单体在乳液或溶液中经催化剂催化共聚而成［13］，根据其分子结构又可分为非羧基丁苯胶乳和羧基丁苯胶乳等2种。在浆料中加入丁苯胶乳可以使浆料分散成均一的乳液，因为浆料中存在不饱和酸性基团，胶乳表面的羟基基团被纤维表面的碱性基团中和，丁苯胶乳离子化。离子化的羧基具有亲水性能而吸附在纤维的外部，并且表面羧基带有负电荷使胶乳成为阴离子型，这与浆料中的大部分纤维带有同性电荷，于是乳胶颗粒之间、纤维之间由于静电斥力形成均匀分散的浆料溶液，从而有效防止碳纤维、芳纶纤维以及填料的快速沉降。

图1显示了羧基丁苯胶乳加入量对填料留着率的影响。

图1　丁苯胶乳加入量对填料留着率的影响

由图1可知，随着丁苯胶乳加入量的增加，填料的留着率不断提高。当丁苯胶乳加入量为0%时，填料的留着率只有91.56%；随着丁苯胶乳加入量的增加，留着率的增加速率变慢，丁苯胶乳加入量为2%时，填料留着率为94.7%。其主要原因是纤维表面对填料吸附作用增强；但是填料颗粒细小、密度大、易沉降，容易随水流失，当丁苯胶乳加入量超过2%时，继续增加丁苯胶乳也很难提高填料的留着。

图2是羧基丁苯胶乳对填料留着机理显微结构图。

由图2显微镜观察可知：图2（a）未添加丁苯胶乳的浆料，填料在碳纤维和芳纶纤维表面几乎没有吸附，并且纤维之间比较分散；图 2（b）是加入丁苯胶乳后，增强纤维表面有少量的填料吸附，并且纤维之间相互缠结，在浆料内部形成一层交织的网，从微观结构说明了丁苯胶乳对浆料的留着作用。

图2　丁苯胶乳对填料留着机理显微结构图

2.2羧基丁苯胶乳加入量对抗张强度的影响

图3显示了羧基丁苯胶乳加入量对纸页强度的影响。

图3　丁苯胶乳加入量对纸页强度的影响

由图3可知，随着丁苯胶乳加入量的增加，抗张强度和撕裂度都不断增加。当丁苯胶乳加入量为0%时，抗张强度为2.7 kN/m，撕裂度为1 514 mN；当加入量为2%时，抗张强度为3.9 kN/m，撕裂度为1 774 mN。其主要原因是加入的丁苯胶乳分散在纤维表面，在CPAM作用下，丁苯胶乳被破乳，纤维之间絮聚缠绕，胶乳通过其黏结作用增强纤维之间的结合力，从而提高了抗张强度和撕裂度。当加入量超过2%时，撕裂度和抗张强度趋于平稳。其主要原因是在浆料中丁苯胶乳充分地吸附在纤维表面，形成饱和，过量的胶乳不会对纸页的强度产生较大的提高。

2.3羧基丁苯胶乳加入量对纸页孔隙率的影响

孔隙率对摩擦材料的工作状态具有重要影响。孔隙率越高，摩擦材料在液态油中摩擦时内部油液循环越快，能更快地将摩擦面产生的热量分散，降低摩擦材料的热损耗。摩擦材料的孔隙率由原料、纸页结构以及树脂含量共同决定。根据国家标准GB/T 13826—2008要求，纸基摩擦材料孔隙率约为25%～50%。

图4显示了羧基丁苯胶乳加入量对纸页孔隙率的影响。

图4　丁苯胶乳加入量对纸页孔隙率的影响

由图4可知，随着丁苯胶乳的加入量增加，纸页的孔隙率逐渐降低。当丁苯胶乳加入量0%时，孔隙率约为80%；加入量为2%，孔隙率为77%。丁苯胶乳加入量增加导致孔隙率降低的主要原因是，丁苯胶乳使填料吸附在纤维上，在纸页成形时留着在纸页中，填料填充了纸页内部的孔隙，从而降低了纸页的孔隙率。当丁苯胶乳含量超过2%时，填料留着率不再继续增加，孔隙率也不再变化；其主要原因是填料的体积分数很小，丁苯胶乳的加入，孔隙率下降很小，对摩擦材料孔隙率的影响几乎不存在。

3　结论

（1）由于羧基丁苯胶乳本身的黏着性，纤维与填料以及纤维之间的结合力增加，能有效提高填料的留着；当丁苯胶乳添加量为2%时，纸页的抗张强度达到3.9 kN/m，撕裂度为1 774 mN，提高了纸页的强度性能。

（2）羧基丁苯胶乳对纸页孔隙率有降低作用，降低的幅度很小，不会影响到纸基摩擦材料对于高孔隙率的要求。丁苯胶乳的加入对孔隙率的影响与对纸页增强作用以及助留作用相互印证。

［1］钟林新，付时雨，周雪松，等.纸基摩擦材料的摩擦性能及其机理研究现状［J］.中国造纸学报，2010，25（1）：96-101.

［2］任刚，邓海金，李明．汽车用纸基摩擦材料国内外研究进展［J］．汽车技术，2004（11）：1-4．

［3］Seong Jin Kim，Ho Jang.Friction and wear of friction materials containing two different phenolic resins reinforced with aramid pulp［J］.Tribology International，2000（33）：477-484.

［4］Nobutaka Chiba，Makoto Kano，Masayyuki Inoue.Mechanism of compression fatigue of wet friction materials［J］．JSAE Review，2001（22）：169-174．

［5］邓海金，李雪芹，李明．孔隙率对纸基摩擦材料的压缩回弹和摩擦磨损性能影响的研究［J］．摩擦学学报，2007，27（6）：544-548．

［6］高家诚，伍沙，王勇.纸基摩擦材料的研究现状［J］.功能材料，2009（3）：353-356，359.

［7］杨瑞丽，付业伟.纸基摩擦材料的国内研究进展［J］.材料导报，2006（10）：17-20.

［8］付业伟，李贺军，李克智，等.增强纸基摩擦材料研究［J］.材料科学与工程学报，2004（6）：802-805.

［9］胡健，张曾.混合纤维复合摩擦材料的研究［J］．中国造纸，2004，23（2）：24．

［10］费杰，王洪坤，黄剑锋，等.纸基摩擦材料的研究现状及进展［J］.陕西科技大学学报（自然科学版），2013（4）：42-45.

［11］周雪松，黄小华，郑炽离，等．芳纶复合纸基摩擦材料的初步研究［J］．造纸科学与技术，2005，24（2）：19．

［12］李志谦，管菅，何兆秋．丁苯胶乳在造纸工业中的应用［J］.西南造纸，2004，33（1）：51.

［13］袁世炬，黄再兵，张光彦．胶乳在造纸中的应用［J］.湖北造纸，2004（4）：6-9.

Styrene Butadiene Latex in the Application of Paper-based Friction Materials

WANG Bei-bei，LU Zhao-qing，CHEN Jie
（Shanxi University of Science&Technology，Institute of Light Industry and Energy，Xi'an 710021，China）

In this experiment，using carbon fiber，aramid fiber and aramid pulp and bamboo fiber as raw materials， preparation of paper-based friction materials by wet forming base paper；Styrene butadiene latex are discussed in the base paper forming process of friction material on the effect of filler retention and sheet forming.Experimental results show that the addition of styrene butadiene latex improve filler retention and sheet strength；Reduce the sheet porosity，but lower porosity is small，influence on friction material porosity almost non-existent.

paper-based friction material；styrene butadiene latex；retention rate；sheet strength；porosity

TS727+.2

A

1007-2225（2015）03-0017-04

王贝贝女士（1990-），在读硕士研究生；主要从事高性能纸基功能材料的研发；E-mail：15249271900 @163.com。

2015-04-07（修回）

本文文献格式：王贝贝，陆赵情，陈杰．丁苯胶乳在纸基摩擦材料中的应用［J］．造纸化学品，2015，27（3）∶17-20．