一種二元環保聚醚醚酮基剎車片材料及其制備方法與流程

本發明涉及一種二元環保聚醚醚酮基剎車片材料及其制備方法，具體地說是將表面化學改性的氮化碳C₃N₄與聚醚醚酮PEEK樹脂共混，該復合材料可用于高性能剎車片材料的工業化生產，屬于高分子復合材料技術及應用領域。

背景技術：

石棉基剎車片由于其在制動過程中會向環境中釋放石棉顆粒，對人體健康產生危害，因此已經被明令禁止使用。目前常用的剎車片材料主要可分為半金屬基剎車片和少金屬基剎車片兩類，但各自都存在著缺陷和不足。半金屬基剎車片中，金屬材料的大量加入顯著提高其導熱性但同時比重也相應增大，對對偶的損傷增大，使對偶磨損生銹、出現低頻噪音等問題。相比于半金屬基剎車片，少金屬基剎車片大幅降低鋼纖維含量、增加礦物纖維和各種功能填料，其缺點在于產品的磨損大，使用壽命短，易出現制動噪音，影響車輛制動的舒適性。因此，設計制備新型剎車片材料具有重要意義。

聚醚醚酮（PEEK）是在主鏈結構中含有一個酮鍵和兩個醚鍵的重復單元構成的高分子聚合物，具有優異的高溫力學性能和化學穩定性，屬于高性能塑料，具有耐高溫、耐化學腐蝕和易加工等特點，熔點為334℃，熱變形溫度高達316℃，長時間服役溫度為250℃，瞬時使用溫度可達300℃。氮化碳是一種硬度可以和金剛石相媲美而在自然界中尚未被發現的新型共價化合物，其熱重分析表明在600℃空氣氣氛中氮化碳仍可穩定存在，證明它是一種耐高溫、不易分解的材料。同時，在傳統的溶劑中（包括水、乙醇、DMF、THF、乙醚和甲苯等），氮化碳沒有表現出可溶性和反應活性，證明它在有機溶劑中的穩定性。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種長壽命、高可靠、環境友好的二元環保聚醚醚酮基剎車片材料及其制備方法。

基于PEEK和C₃N₄材料的特點，本發明將兩種材料復合。首先，兩種材料均表現出良好的耐溫性能，作為剎車片材料在某些苛刻條件下可以有效避免“熱衰退”現象的發生。同時，由于氮化碳結構中含有氫鍵和末端氨基，與聚醚醚酮復合時能夠表現出很好的相容性和交聯性，避免了粘結劑的使用。利用濃氨水對氮化碳進行表面化學改性，進一步縮短其層間距離，大幅提高其耐磨性能。改性氮化碳與聚醚醚酮共混后所得復合材料同時具有較高的摩擦系數和高的耐磨性能，且摩擦系數穩定。利用該材料制動時，材料應答性好，摩擦過程平穩，制動無尖叫，而且易于實現剎車片的工業化生產，生產效率和成品率高，生產成本低。

一種二元環保聚醚醚酮基剎車片材料，其特征在于該剎車片材料的組成及各組分的體積分數為：聚醚醚酮（PEEK）70~95份、表面化學改性氮化碳（C₃N₄） 5~30份；所述表面化學改性氮化碳為經過濃氨水改性處理的氮化碳。

如上所述二元環保聚醚醚酮基剎車片材料的制備方法，其特征在于該制備方法的具體步驟為：

1）將氮化碳粉體與濃氨水混合，常溫攪拌3~6h，然后離心、干燥即得表面化學改性氮化碳；

2）將表面化學改性氮化碳置于無水乙醇中常溫攪拌分散1~3h，然后加入聚醚醚酮粉體分散1~3h，乙醇揮發得到干燥的混合物；

3）將干燥的混合物轉移至雙螺桿擠出機中熔融后擠出，然后將熔融的擠出料經注射機注塑成型。

所述氮化碳與濃氨水的質量比為1:1~1:1.5。

步驟1）中所述離心的條件為：轉速2000~4000rpm，時間1~3h；所述干燥的條件為：溫度50~100℃，時間12~24h。

步驟2）中分散時攪拌的轉速為1000~3000rpm。

所述雙螺桿擠出機一區加熱溫度370~375℃，二區溫度380~385℃，三區溫度390~395℃，四區溫度400~405℃，螺桿轉速為100~300rpm；所述注射機的注射模具溫度為100~200℃，注射筒溫度350~450℃，注射背壓1~5MPa，注射壓力100~200MPa。

本發明與現有技術相比具有的優點：

1、相比目前應用的其他剎車片材料（普遍含有十幾種成分，如CN 101613516A，CN 101576135A，CN 102191016A和CN 101550976A等），本發明僅由兩種材料共混而成，無需添加任何粘結劑、增韌劑和金屬添加劑，制動時向環境排放少，具有環境友好的特點。

2、本發明所述二元復合剎車片材料以熱塑性PEEK為基體，可采用注塑的工藝高效生產剎車片，避免了傳統酚醛樹脂材料需要固化的繁瑣操作；利用本發明所述二元復合材料制備剎車片，生產效率和成品率高、加工成本低，因此更易實現大規模工業化生產。

3、本發明二元復合剎車片材料具有摩擦系數較高且穩定、磨損率低、耐高溫的特點，可廣泛應用于汽車、風電、采礦機械和運動器械等領域的制動機構，具有廣泛的應用和市場前景。

4、本發明所述二元復合剎車片材料表現出優異的摩擦學性能，體現了結構簡單、環境友好、摩擦系數穩定、使用壽命長、可靠性高、摩擦應答快和制動無尖叫等特點。在制動過程中，在金屬對偶表面可迅速形成均勻穩定的摩擦膜，從而對剎車片材料本身和對偶具有很好的保護作用。

附圖說明

圖1為實施例1和實施例3所用材料的XRD譜圖的比較。

圖2為實施例1-5的摩擦系數隨時間變化的比較。其中，摩擦性能測試是采用高速環塊摩擦磨損試驗機，在載荷50N、線速度1m/s、測試時間3h的條件下進行的。實施例3的摩擦系數穩定在0.61，相比實施例1和實施例5，其摩擦系數分別提高了60%和40%，且更趨穩定。

圖3為實施例1-5耐磨性能的比較。實施例3的磨損率為4.0×10^-7mm³/Nm。相比其他四種材料具有更高的耐磨性能。其中，相比實施例1和實施例5其耐磨性能分別提高了92%和70%。

具體實施方式

以下結合具體實施例對本發明做詳細描述，但實施例不用于限制本發明，凡采用本發明及相似方法的，均列入本發明保護范圍。

實施例1

將PEEK粉料置于150℃鼓風干燥箱中干燥3h后，轉移至雙螺桿擠出機中熔融后擠出；將熔融的PEEK擠出料經注射機注塑成型。

聚醚醚酮（PEEK）為英國威格斯（Victrex）公司生產，牌號為PEEK 450PF，平均粒度為50μm。

所用雙螺桿擠出機是由德國Berstorff公司生產的ZE25Ax44D擠出機。

雙螺桿擠出機一區加熱溫度370~375℃，二區溫度380~385℃，三區溫度390~395℃，四區溫度400~405℃，螺桿轉速為200rpm；注射機的注射模具溫度為180℃，注射筒溫度385℃，注射背壓4MPa，注射壓力180MPa。

實施例2

將PEEK粉料置于150℃鼓風干燥箱中干燥3h以上；篩分的粉體C₃N₄在90℃下干燥5h以上，然后進行復合材料的制備。方法如下：一、將體積分數為90份的PEEK和10份粉體C₃N₄置于雙螺桿擠出機中熔融混合并擠出；二、將熔融混合的擠出料經注射機注塑成型。其中，擠出和注塑參數與實施例1相同。

實施例3

將PEEK粉料置于150℃鼓風干燥箱中干燥3h以上；篩分的粉體C₃N₄在90℃下干燥5h以上，然后進行復合材料的制備。方法如下：一、將體積分數為10份的粉體C₃N₄常溫下置于濃氨水中改性、離心、干燥；二、將體積分數為90份的PEEK和改性干燥后的粉體C₃N₄置于雙螺桿擠出機中熔融混合并擠出；三、將熔融混合的擠出料經注射機注塑成型。其中，擠出和注塑參數與實施例1相同。

實施例4

將PEEK粉料置于150℃鼓風干燥箱中干燥3h以上；短切碳纖維SCF（單絲直徑為5~30μm，長度為50~300μm）在90℃下干燥5h以上，然后進行復合材料的制備。方法如下：一、將體積分數為90份的PEEK和10份短切碳纖維SCF置于雙螺桿擠出機中熔融混合并擠出；二、將熔融混合的擠出料經注射機注塑成型。其中，擠出和注塑參數與實施例1相同。

實施例5

將PEEK粉料置于150℃鼓風干燥箱中干燥3h以上；短切碳纖維SCF在90℃下干燥5h以上，然后進行復合材料的制備。方法如下：一、將體積分數為10份的短切碳纖維SCF常溫下置于濃氨水中改性、離心、干燥；二、將體積分數為90份的PEEK和上述改性干燥的短切碳纖維SCF置于雙螺桿擠出機中熔融混合并擠出；三、將熔融混合的擠出料經注射機注塑成型。其中，擠出和注塑參數與實施例1相同。