陸趙情 陳 杰 張大坤

(陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安，710021)

紙基摩擦材料具有摩擦因數(shù)高、摩擦性能穩(wěn)定、動靜摩擦因數(shù)比可調(diào)、耐磨損性能良好、能量吸收能力高等諸多優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用于各類重型車輛和工程機械的離合器和制動器中，特別是作為汽車自動變速器中離合器的摩擦片材料［1-2］。紙基摩擦材料主要由纖維、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑和膠黏劑構(gòu)成，其中原紙的制備采用了傳統(tǒng)的抄紙工藝，將纖維、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑在水相介質(zhì)中分散，并最終以脫水的方式成形［3-4］。摩擦材料中采用多種高性能增強纖維和填料等，在水介質(zhì)中的潤濕性較差，漿料分散不均，容易導(dǎo)致成紙勻度降低，所以漿料懸浮液分散好壞是影響紙基摩擦材料原紙成形的一個重要因素［5-6］。

紙基摩擦材料中增強纖維的主要作用表現(xiàn)為增加摩擦材料的機械強度，提高和改善材料的摩擦性能，特別是對摩擦材料耐熱性能和耐磨損性能有很大的改善［5，7-8］。紙基摩擦材料最常用的增強纖維有芳綸纖維、碳纖維、玻璃纖維和其他有機合成纖維。由于對汽車離合器和摩擦片綜合性能的要求不斷提高，單一的某種纖維很難實現(xiàn)摩擦材料對性能的要求，所以紙基摩擦材料都是由多種纖維混合組成，以獲得良好的綜合性能［4，6，8］。但是有機合成纖維表面活性低，比表面積小，疏水性強，不易被水浸濕，難分散，難成形，因此用有機纖維抄紙難度就很大［5，7］。

填料也是摩擦材料中不可缺少的組分，其在摩擦材料中主要起改善物理性能、調(diào)節(jié)摩擦性能及降低成本的作用。填料的種類繁多且作用各異，其作用效果以及對摩擦材料物理性能的影響有如下規(guī)律:增大產(chǎn)品緊度，提高表面硬度，降低抗彎曲強度，降低沖擊強度;增大摩擦因數(shù)，降低磨耗，表面光潔度變差［9］。

原紙的勻度是影響摩擦材料的一個重要因素，因為它影響到浸漬膠黏劑的均勻分布，進而影響到材料的強度，所以對于摩擦材料原紙成形的研究是一個重要的課題。本實驗在漿料中添加聚氧化乙烯 (PEO)作為纖維分散劑，通過測定成紙的勻度和抗張強度，探討PEO對漿料的分散效果;添加陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)助劑，通過測定漿料的Zeta電位變化和抗張強度，分析CPAM對漿料的分散和紙張成形的影響［10-11］。

1 實驗

1.1 實驗原料

表1所示為實驗制取紙基摩擦材料原紙的組分以及漿料助劑。原紙定量為90 g/m2。

摩擦材料組分的主要纖維基體是竹漿，竹漿具有比木漿更優(yōu)良的摩擦性能，且能降低成本;加入海泡石絨的主要作用是分散和吸附漿料中的物料，采用芳綸纖維及芳綸漿粕、碳纖維為增強纖維，填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑為:硅藻土、石墨、氧化鎂、碳酸鈣以及丁腈橡膠粉，原料配比見表2。

1.2 實驗儀器

電動攪拌器，標(biāo)準(zhǔn)漿樣疏解機，紙樣抄取器，Mütek-Szp06 Zeta電位測定儀，AutoProeIV9510壓汞儀，擺錘式抗張試驗機。

1.3 實驗步驟

制取漿料和原紙的步驟如下:

(1)對芳綸纖維和碳纖維進行表面預(yù)處理:在60℃的水中加入適量的十二烷基苯磺酸鈉、芳綸纖維和碳纖維，采用JJ-1精密增力電動攪拌器攪拌10 min，用清水清洗后干燥備用。

(2)制備增強纖維漿:將預(yù)處理后的芳綸纖維和碳纖維，以及芳綸漿粕、海泡石絨和一定打漿度的竹漿放入標(biāo)準(zhǔn)疏解機中，加入一定量的PEO，疏解2000轉(zhuǎn)。

(3)制備混合漿料:在增強纖維漿中加入填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑，攪拌均勻后，再加入十二烷基苯磺酸鈉，攪拌200轉(zhuǎn)后加入羧基丁腈膠乳，再攪拌300轉(zhuǎn)使膠乳均勻分散在漿料中并充分吸附在纖維和填料上;加入CPAM并攪拌300轉(zhuǎn)，使丁腈膠乳與纖維、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑充分絮聚并結(jié)合;再加入一定量的PEO攪拌后形成分散均勻的漿料。

(4)抄造原紙:采用紙樣抄取器制備紙基摩擦材料原紙，紙漿濃度控制為0.05%，紙張定量設(shè)定為90 g/m2。

1.3.1 PEO對紙張勻度的影響實驗

在疏解機中加入芳綸纖維和芳綸漿粕、碳纖維、海泡石絨和竹漿，然后加入 PEO(用量分別為0、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%)。制取手抄片后測定其厚度和抗張強度，從而探討PEO對紙張勻度的影響。

1.3.2 CPAM對漿料性能的影響實驗

疏解機中分別加入芳綸纖維和芳綸漿粕、碳纖維、海泡石絨、竹漿纖維、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑，依次加入PEO攪拌，再加入丁腈膠乳攪拌，然后加入CPAM(用量分別為0、0.08%、0.16%、0.24%、0.32%)。分析漿料的Zeta電位及紙張抗張強度，探討CPAM對漿料性能的影響。

1.4 性能測試

1.4.1 漿料Zeta電位測定

將漿料按照1%的漿濃在標(biāo)準(zhǔn)纖維紙漿疏解機中攪拌均勻，取500 mL，用Mütek-Szp06 Zeta電位測定儀測定漿料的Zeta電位。

1.4.2 紙張勻度測定

紙張勻度測定采用兩種間接的辦法表征，第一種是測定紙張厚度，計算紙張厚度方差的大小，方差反映了紙張勻度，方差較小，其勻度較好，方差較大，勻度較差。測試方法是選取不同實驗條件下的原紙，在其不同的地方測得9組數(shù)據(jù)，求其平均值，然后計算方差。第二種是測定紙張的抗張強度，再根據(jù)抗張強度求其方差，方差大的紙張勻度差，方差小的紙張勻度好，每種手抄片取9組數(shù)據(jù)的平均值。

表1 實驗中采用的紙基摩擦材料原紙組分及漿料助劑

注 表中未標(biāo)明配比的組分，總和為40%。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEO用量對紙張厚度的影響

PEO用作纖維分散劑，其相對分子質(zhì)量應(yīng)該大于300萬。從分散效果來說，相對分子質(zhì)量在200萬以下的PEO，其用量要成倍增加。PEO作為纖維分散劑的作用是使纖維分散均勻、減少絮聚成團，從而提高成紙勻度。其原理是:通過增加水溶液的黏度，并在水中形成大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加空間位阻，使?jié){料中的纖維具有較好的懸浮性而不致過快地沉降;PEO具有的黏附性，作用類似潤滑劑，會吸附在纖維表面，形成一層滑而不黏的水合膜，從而達到阻止纖維絮聚結(jié)團的效果。在過去的造紙工藝中，人們廣泛采用PEO作為纖維分散劑，使用后不會出現(xiàn)長纖維繞結(jié)和并條的現(xiàn)象，紙張勻度好［11］。

本實驗采用PEO作為紙漿分散劑抄造手抄片，其厚度及厚度方差的變化情況見圖1。從圖1可以看到，不同PEO用量下紙張厚度的變化不大，但紙張厚度的方差卻出現(xiàn)了較大的起伏，表現(xiàn)為:不使用PEO或者過量使用PEO紙張厚度方差均較大，而當(dāng)PEO用量在0.2%左右時，紙張厚度方差較小，這說明紙張的勻度較好。隨著PEO用量的增加，紙張厚度方差增大，這說明PEO用量過大反而不利于纖維的分散，這是因為PEO的增稠作用使水溶液的稠度變大，纖維在其中運動的位阻增大，影響了纖維的分散。

圖1 不同PEO用量下紙張厚度及其方差

2.2 PEO用量對紙張抗張強度的影響

通過測定手抄片的抗張強度并計算得到了抗張強度的方差，結(jié)果見圖2。從圖2可以看到，紙張抗張強度在不同的PEO用量下基本相同，抗張強度方差波動趨勢是由大變小，再逐漸變大，這從側(cè)面反映出紙張勻度也是跟隨PEO用量的增大，由差到好，再逐漸變差這樣一個趨勢，其實質(zhì)也是紙張中物料分布的表現(xiàn)。當(dāng)PEO用量為0.2%左右時，漿料的分散效果達到最佳。

圖2 不同PEO用量下紙張抗張強度及其方差

2.3 CPAM對漿料性能的影響

CPAM是線性高分子化合物，相對分子質(zhì)量從800萬～1500萬，外觀為白色粉狀細粒。其具有多種活潑的基團，可與許多負電性物質(zhì)吸附，同時又能與植物纖維或者表面基團含有氫基的物質(zhì)吸附形成氫鍵，從而形成架橋連接，將物質(zhì)絮聚成微團。在造紙工業(yè)中，CPAM作為造紙助劑被廣泛應(yīng)用，含氨基甲?；乃苄躁栯x子聚合物的CPAM作為紙張增強劑，具有增強、助留、助濾等功能，因此可有效地提高紙張的勻度和強度。本實驗主要分析了CPAM加入前后漿料Zeta電位的變化情況，并分析了CPAM對紙張強度和勻度的影響。

表3給出了加入CPAM后漿料Zeta電位的變化，從表3可以看出，漿料的電負性較大，這主要因為漿料中的物料較多，其中加入的丁腈膠乳的電負性最大。結(jié)果就是漿料中各物料的獨立性很強，不利于填料以及摩擦性能調(diào)節(jié)劑在纖維上的吸附和被丁腈膠乳黏結(jié)在纖維的表面上，從而會造成填料等分布不均勻而在紙張中分層;隨著CPAM的加入，漿料的Zeta電位減小，當(dāng)用量達到 0.32%時，Zeta電位為-2.7 mV。從實驗中觀察到的現(xiàn)象來看，隨著CPAM的加入，漿料中的物料在絮聚，并形成微團，漿料的乳白色變淺并逐漸澄清，抄紙中漿料的濾水性能也越來越好;但是隨著CPAM用量的增大，漿料絮聚程度越來越大，出現(xiàn)大的漿團，造成紙張成形時紙料分布不均勻。

表3 不同CPAM用量下漿料的Zeta電位

圖3所示的是漿料加入CPAM后，對紙張的增強效果以及對紙張勻度的影響。從圖3可以看到，隨著CPAM的加入，紙張勻度稍有改善，但是當(dāng)CPAM用量超過0.16%后，紙張抗張強度方差急劇上升，紙張勻度變差。CPAM對于紙張強度的提高很明顯，不使用CPAM時，紙張抗張強度大約為0.15 kN/m，當(dāng)CPAM用量為0.16%時，抗張強度接近0.64 kN/m。這是因為丁腈膠乳作為黏結(jié)劑吸附纖維、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑，而CPAM的絮聚作用使得填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑吸附在纖維和海泡石絨上面，從而有效地提高填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑的分散和在紙漿中的留著程度。當(dāng)CPAM用量超過0.16%時，紙張抗張強度平均值在降低，出現(xiàn)這種情況是因為，紙張的勻度不好引起局部抗張強度過大或者過小。出現(xiàn)這種抗張強度先增加后減小的原因是CPAM對Zeta電位的影響。這有利于物料的分布和丁腈膠乳對纖維、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑的黏結(jié)作用，有利于提高紙張的強度和勻度;當(dāng)CPAM用量過大時，反而會使?jié){料中出現(xiàn)大的絮聚團，顯然大的絮聚團有損紙張的勻度。

圖3 不同CPAM用量下紙張抗張強度及其方差

綜上所述，加入CPAM能夠很好地提高紙張的抗張強度，有助于物料的均勻分散，CPAM用量在0.16%時效果最好，過多的使用 CPAM反而影響效果。

3 結(jié)論

采用碳纖維、短切芳綸纖維、芳綸漿粕、竹漿以及海泡石絨為原料，并用抄紙的方法抄造摩擦材料原紙。通過在漿料中添加聚氧化乙烯 (PEO)和陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)，探討了PEO和CPAM對漿料分散性能和紙張勻度和抗張強度的影響。

3.1 PEO有良好的分散作用，當(dāng)用量在0.2%左右時，對漿料的分散效果最好，成紙的勻度較高。

3.2 在漿料中加入CPAM，有助于提高填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑在纖維和海泡石絨表面的吸附，當(dāng)其用量在0.16%左右時，其漿料中有微絮聚團，但不會出現(xiàn)大的團塊，成紙的抗張強度較大，勻度也較好。

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