天然纤维增强聚合物基摩擦材料的研究

基金项目:湖南省教育厅一般项目(07C093)

作者简介:吴 茵(1972-),女,副教授,主要从事高分子复合材料的

研究与教学工作。

材 料

天然纤维增强聚合物基摩擦材料的研究

吴 茵,周拥仔

(长沙理工大学,湖南长沙 410076)

摘 要:文章介绍了天然纤维主要是剑麻纤维与苎麻纤维的组成与性能,总结了剑麻纤维与苎麻纤维常用的物理和化学改性方法;简述了几种潜在能作为摩擦材料基体的热塑性树脂的性能,综述了天然纤维增强聚合物基复合材料以及天然纤维增强聚合物基摩擦材料的研究进展,最后得出由于天然纤维以及热塑性树脂的优异性能,天然纤维增强热塑性树脂摩擦材料的研究将会产生重大意义。关键词:剑麻纤维;苎麻纤维;改性;摩擦材料;热塑性树脂

中图分类号:TQ050 4 文献标识码:A 文章编号:1003-5540(2008)01-0033-04

自20世纪70年代以来,世界各国的研究者和汽车制造商都在为汽车摩擦片寻找石棉纤维的代用品。目前摩擦材料的主流增强纤维以钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、矿物纤维、粉末冶金以及其它有机合成纤维等为主。但使用单一纤维作为增强材料都存在一些弱点,因此目前往往采用几种纤维混杂来增强摩擦材料,以取长补短。虽然这些纤维在增强摩擦材料方面有各自的优点,但是与传统的石棉摩擦材料相比,应用于摩擦复合材料仍有以下缺点[1,2]:(1)增强纤维与基体的相容性较差;(2)价格较石棉类摩擦材料高很多;(3)摩擦材料性能不稳定,综合摩擦制动性能较之石棉摩擦材料还有一定差距。天然纤维由于其具有很多优异的特性而逐渐地被研究者所熟悉,比如其拉伸强度和断裂强度高、耐摩擦磨损、生态环保、可自然降解、是可再生资源以及轻质价廉等等。目前,天然纤维增强聚合物基复合材料用在汽车内饰件的研究比较多,而用于增强聚合物作为摩擦材料使用在国内外则比较少见。本文探讨了采用天然纤维作为增强体来制备新型复合摩擦材料的可能性,并指出天然纤维增强的摩擦材料在不久的将来会成为研究的热点。

1 天然纤维组成与性能

天然纤维主要有剑麻纤维、苎麻纤维和黄麻纤

维等麻类纤维,还有竹类纤维和麦秆等,这里主要介绍应用较广泛的剑麻纤维和苎麻纤维。

1 1 剑麻纤维的组成与性能

剑麻是多年生草本植物,剑麻纤维是从剑麻叶上获取的维管束纤维,这类纤维一般比较粗硬(也称硬纤维),长度较长、伸长率小、强度好、耐海水侵蚀、耐盐碱、耐低温,而且洁白并富有光泽。剑麻纤维是由纤维素、半纤维素、木质素、果胶等组成,其化学成分列于表1。

表1 剑麻纤维的化学组成

%

纤维素半纤维素木质素果胶水溶物蜡质素含水率65 8

12 0

9 9

0 8

1 2

0 3

10 0

纤维素是影响剑麻纤维的拉伸强度、弹性、可塑性等性能的主要因素。纤维素含量越多,纤维的模量越大。木质素含量少,则纤维色泽好,柔软富有弹性,可纺性及染色性均较好;反之则木质化程度高,纤维强度高,质地较硬。剑麻的木质素含量相对较高,而质地较硬。果胶含量多少也是直接影响纤维强度和硬度的因素。东华大学姜繁昌教授用电镜观察并分析的剑麻纤维的形态结构。观察得到剑麻单纤维无卷曲,表面较粗糙,且有横节和竖纹;由横截面形态得知一般剑麻束纤维由50~150根单纤维组成,单纤维横截面呈多角形或近似卵圆形,有中腔,但中腔大小不一;单纤维长度为1 5~4mm,单纤维密度为20~30nm [3]。

与其他天然植物纤维相比,剑麻纤维具有纤维长(1~1 4m)、色泽洁白、质地坚韧、富于弹性、拉伸

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第24卷第1期2008年2月

湖南有色金属

HUNAN NONFERROUS METALS

强度大、耐摩擦、耐酸碱、耐海水腐蚀以及耐低温等多种优良特性。剑麻纤维木质素和果胶含量较高,它的木质素含量高于苎麻(1 47%),低于黄麻(11 78%);而果胶含量高于苎麻(0 62%)和黄麻(0 38%);纤维素含量高于木材[4]。故剑麻纤维是这些天然纤维中较为理想的一种,而且由于剑麻纤维的密度小,其比强度和比模量较高。缺点是其力学性能的多分散性,这可能是剑麻在生长过程中由于环境条件的差异而导致其结构的不同;剑麻纤维既含有结晶成分也有非晶成分,因此剑麻纤维适于制备轻质、比强度和比模量高、价廉的纤维树脂基复合材料。表2是剑麻纤维与其他增强纤维的性能与价格的比较[5]。

表2 剑麻纤维与其他增强纤维的性能与价格的比较

项 目密度/g cm-3伸长率/%拉伸强度/MPa拉伸弹性模量/GPa比强度比模量相对价格剑麻1 452 0~2 5511~6359 4~22 05702 321苎麻1 53 6~3 8400~93861 4~1287002 1-黄麻1 31 5~1 8393~77326 53201 418亚麻1 52 7~3 2345~103527 54801 2130大麻-1 6690-4801 8-椰纤维1 230 01754 0~6 0--17

S玻纤2 52 8457086 085528-

E玻纤2 52 522000~350070 0--100

芳酰胺纤维1 43 3~3 73000~315063 0~67 0---碳纤维1 41 4~1 84000230~240---

1 2 苎麻纤维的组成与性能

苎麻纤维的化学组成主要是纤维素,其次是半纤维素、木质素、果胶、灰分、脂肪蜡质和其它成分。其化学组成列于表3[6]。

表3 苎麻纤维的化学组成%

纤维素半纤维素木质素果胶灰分脂肪蜡质其他成分

65~7514~160 8~1 54~52~50 5~1 04~8

苎麻纤维横截面为中空的腰圆形,纵向有横纹和竖节,其力学性能是麻纤维中最好的[7]。

苎麻纤维在麻类纤维中性能最好,这从表2中与其他天然麻类纤维的比较也可以看出来,其纤维素含量高,是唯一能以单纤维状态纺纱的麻类纤维,苎麻纺织品具有凉爽、透气、易于吸湿、散湿以及抗菌防蛀等优点;同时它还具有吸湿散湿快和抗菌、耐腐蚀的特点,适合于作复合材料的增强材料。但是苎麻纤维大分子结晶度和取向度高,纤维外表平直、粗硬、无卷曲、断裂伸长和勾结强度低,苎麻纤维分子结构紧密[8]。

2 天然纤维的改性

天然纤维的不均匀性及与基体树脂的粘合性差和抗湿能力差,使得天然纤维增强复合材料的应用受到了限制。通过对天然纤维的表面改性,降低其与基体树脂界面间的张力,提高纤维和树脂间的粘合性,以提高材料的力学性能和抗湿能力,可以大大拓宽天然纤维增强材料的应用范围。

2 1 剑麻纤维的改性[9]

剑麻纤维由于含有大量的羟基而呈现亲水性,而大部分聚合物是憎水的,因而不利于剑麻纤维与树脂基体的界面粘结;同时亲水性的纤维还容易吸取外界的水分,使材料在使用过程中在界面逐渐分层[1],从而造成性能下降。此外,剑麻纤维还存在着结构不均匀和尺寸稳定性差的缺陷。因此,在制备剑麻纤维树脂基复合材料前通常需要对纤维进行改性处理,以降低其亲水性及吸湿性,提高复合材料的界面粘结力。目前改性的方法有物理方法和化学方法两类。这些改性方法对纤维和基体之间的界面粘结产生不同的效果。

2 1 1 物理方法

物理方法不改变纤维的化学成分,通过影响纤维的结构和表面特性,由此改变纤维和基体的亲和力。剑麻纤维的物理方法包括热处理、放电处理、 射线辐照处理、蒸汽爆破处理、等离子体处理和拉伸处理等。

1 热处理。热处理是很常用的表面改性的方法,适度的热处理可以提高剑麻纤维的结晶度,使其断裂强度和初始模量有明显增加,吸水性略有下降,提高复合材料的综合性能。

2 放电处理。放电处理包括电晕和低温等离子体处理,可以改变植物纤维的表面能。

34湖南有色金属第24卷

3 射线辐照处理。Y射线辐照可在纤维表面引发活性基团,与基体反应后增强界面。

4 蒸汽爆破处理。蒸汽爆破处理主要是利用高温高压水蒸气处理纤维原料,并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化。

2 1 2 化学方法

化学改性,改变纤维表面性质和结构,或在其表面引入新的官能团,增加纤维与基体的相容性,改善界面性能,从而改善材料的力学性能和吸湿性能。

1 碱处理。最常见的化学改性方法是碱处理(丝光处理),通过适度的碱处理,可以溶去表面的半纤维素和木素及其它杂质,使纤维产生粗糙的表面形态。

2 碱+热处理。

3 化学偶联。接枝共聚合、有机硅烷处理。

4 乙酰化处理。

5 氰乙基化处理。

6 过氧化物处理[10]。促进嫁接的反应。

7 高锰酸钾处理[10]。与碱处理一样,可改善剑麻纤维表面的粗糙,提高纤维与基体的粘合。

2 2 苎麻纤维的改性[8]

苎麻纤维分子结构紧密,结晶度高和取向度高,纤维外表平直无卷曲,断裂伸长小,勾结强度低,导致在加工中存在可纺性能差,织物不耐磨,易起皱,穿着刺痒,且上染率低,色光萎暗等缺点,为此,需对其进行改性处理。

1 物理方法。(1)机械揉搓:如砂洗、软麻机等;

(2)机械挤压:如轧光等;(3)物理包覆:如包缠纱等;

(4)混纺:如麻涤混纺、麻毛混纺等可不进行柔软整理,但此类织物一般没有麻的个性。

2 化学方法[11]。(1)以碱法改性为基础:碱法处理、碱-尿素处理、磺化处理、乙酰化处理、烷基化处理甘油、阳离子改性、羟烷基处理技术和无甲醛型麻类变性纤维交联技术等;(2)乙二胺/尿素/水混合处理:与浓碱的作用相似,乙二胺/尿素/水混合液对苎麻纤维的晶内溶胀和消晶作用;(3)液氨处理:苎麻纤维液氨处理中,无论采取什么去氨方式,纤维均能得到较好膨化,说明液氨作为膨化剂对苎麻纤维的微观结构有明显的消晶作用和取向作用。

3 生物化学方法。纤维素酶。

4 特殊方法。低温等离子体技术、紫外、激光辐射、结晶变换处理[12]、墨塞丝光处理[13]。3 基体材料

摩擦材料的基体材料要选择良好的热性能、机械强度足够、弹性模量不能过大、良好的耐热性和耐分解性以及热分解产物少、分解速度慢及分解残留物有一定的摩擦性能等。

目前酚醛树脂及其改性材料常作为摩擦材料的基体,我们知道,酚醛树脂在一定的温度和压力作用下保持一定的时间而固化,固化后的塑料为不熔融的物质,具有耐热性好、不易变形、价廉等优点。近些年来,随着热塑性塑料发展,特别是热塑性树脂基复合材料的发展,热固性塑料(酚醛类)应用日趋下降。用酚醛类制作产品效率低,废品不能回收,色泽单一,不能满足市场竞争的需要。即便如此,由于热塑性树脂作为摩擦材料的基体的应用还不广,所以酚醛树脂作为摩擦材料的基体将在一定时间内还会存在。然而,热塑性树脂可通过添加各种填料和添加剂改性后达到和超过热固性树脂的性能,产品色泽选择范围大,可塑性强,具有一定的市场竞争力。下面介绍几种将在摩擦材料中大展身手的热塑性树脂[14]。

1 聚醚醚酮。聚醚醚酮(PEE K)树脂是耐高温热塑性树脂,它的结晶结构使其具有突出的耐热性能和力学性能,可在260!下长期使用,瞬间使用温度可达300!,在400!下短时间几乎不分解。它是一种性能优异的特种工程塑料,与其他特种工程塑料相比显示出诸多显著优势,除耐高温外,还有机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐辐照性、绝缘性稳定、耐水解和易加工等。

2 聚醚砜。聚醚砜(PES)树脂具有较高的耐热性,长期使用温度为180!。耐溶剂性好,用苯、甲苯等清洁剂清洗不开裂,与金属如铜、银、铝等粘接性好,抗蠕变性好。

3 聚苯硫醚。聚苯硫醚(PPS)具有高的热稳定性,良好的耐化学药品性,耐老化和阻燃性,长期使用温度为260!。有良好的耐无机酸、碱等性能。刚性好,但韧性差。冲击强度低。可以通过玻璃纤维或其他增强材料改性,能够大大提高冲击强度、耐热性和其他机械性能也能得到全面改进。

4 聚酰亚胺。聚酰亚胺(PI)是一种新型的耐高温聚合物。它不仅耐热性好还有优良的综合性能,其耐热和耐辐射性能是目前工业化生产的高分子材料中最好的。高温下具有突出的介电性能、力学性

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第1期吴 茵,等:天然纤维增强聚合物基摩擦材料的研究

能、耐辐射性能、耐燃性能、耐磨性能,制品尺寸稳定性好,耐有机溶剂,并且低温性能优良。均苯型聚酰亚胺等品种可以在-240~260!下长期使用,短期可在400!使用。

如果单独使用这些热塑性树脂做摩擦材料的基体,可能满足不了要求,目前现在这些树脂的研究也集中与它们的改性研究,这可以大大提高它们的综合性能,所以在选用这些树脂为基体时,可通过玻璃纤维、碳纤维等增强材料进行改性。

4 天然纤维增强聚合物基摩擦材料的

研究进展

由于天然纤维增强聚合物基摩擦材料的研究在国内外还不是很多,尤其是国内,然而,天然纤维增强聚合物基复合材料用在汽车内饰件的研究较多,主要研究其力学性能、机械性能等。如J L G Silva[15]等研究了天然纤维增强聚合物树脂,建立了数学模型估测单纤维与树脂之间的接触角,从而可以知道其对复合材料的机械性能的影响,而且还研究了处理过的天然纤维增强聚合物基的拉伸强度和弯曲强度比没处理的要高;P Antich[16]等研究了短剑麻纤维增强聚苯乙烯的机械性能,研究表明随纤维的增加,硬度呈现增加的趋势,在断裂处,拉伸强度和变形强度却下降;C P L Cho w[17]等研究了剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的吸湿性,研究了纤维的水浴(90 !)处理对复合材料的拉伸性能和冲击性能,拉伸强度和拉伸模量随水浴的时间增加而逐渐地下降,冲击强度却在升高,直到最大值;Bayer与其子公司Hennecke公司合作开发了一种利用亚麻纤维增强聚氨基甲酸酯生产汽车装饰物的技术。

天然纤维增强聚合物复合材料的研究正引起各国学者的重视,一方面由于剑麻纤维为天然纤维,是环保型的可再生资源,另一方面SF质轻、韧性好、价格便宜,可以降低复合材料的成本。美国国际填料公司(IFC)在生产刹车片和离合器垫片时,利用安全的环保的剑麻纤维来代替对人体有害的石棉纤维。剑麻纤维这种新型增强材料,不仅无毒无害,使用安全,而且可以改善产品的性能,例如提高产品的强度,降低材料的成本,提高抗拉强度,改善可加工性能和渗透性,同时可以保证纤维填料和树脂很好地粘接,便于操作和使用。IFC公司在汽车工业、家用模具制品尤其是热固性和热塑性制品的生产中也使用了剑麻纤维,使用证明在生产过程中可以改善可加工性和可塑性,并且降低了产品的收缩性、翘曲性,提高产品的尺寸稳定性。国内西安交通大学徐欣[1]等人研究了剑麻纤维增强聚合物基摩擦材料,并且用D MS定速摩擦实验机检测摩擦性能,比较研究了经过改性处理和未经处理的剑麻纤维增强摩擦材料的特性,并与无机矿物纤维/钢纤维混杂纤维增强摩擦材料进行了对比,得出剑麻纤维增强摩擦材料在不同温度条件下摩擦系数适中,摩擦系数随温度变化波动平稳;使用SEM分析了改性剑麻纤维增强复合材料磨损表面形貌,表明剑麻纤维经过高温摩擦后,其本体仍有大部分保留下来,其一可以继续发挥其摩阻性能,其二大大减少了热分解残留碳的数量,保证了材料整体的摩擦摩阻性能,由于剑麻纤维在高温摩擦过程中不可避免地发生热分解,因此与矿物纤维/钢纤维增强摩擦材料相比,其磨损率仍然偏高。

5 结束语

由于天然纤维机械性能、环保性能以及经济性好,经过处理的天然纤维增强聚合物复合材料是一种大有作为的结构材料[10]。而热塑性树脂在摩擦材料领域的应用还未完全开发出来,热固性树脂(酚醛类)在摩擦材料的应用还会存在,但是应该看到,热固性树脂因其固有的缺点,它的应用正日趋下降,随着热塑性树脂应用的兴起,以及天然纤维众所周知的优点,天然纤维增强热塑性树脂摩擦材料的研制在摩擦学界将产生重大影响。

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收稿日期:2007-11-25

Innovation of Financial Management in Zhuzhou Smelter Group Co Ltd

WANG Tao

(Zhuzhou Smelter Group Co Ltd ,Zhuzhou 412004,China)

Abstract:As economic globalization and high and new technology continue to develop,the era of a ?new economy #has ar rived The developmen of financial management must adapt to the basement of new economy That is to say,traditional fi nancial management have to get some new development Combining the actual conditions of Zhuzhou Smelter Group Co Ltd,this article put forward some recommendations about innovating financial management,suc h as refine ment of cost acc ounting,strengthening process control,optimizing management of enterprise fund,ec t Key words:financial management;innovation;funds;control

(上接第36页)

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收稿日期:2007-10-15

Research on Friction Material of Natural Fiber

Reinforced Polymer Matrix Composites

WU Yin,Z HOU Yong zi

(Changsha University o f Science and Technology ,Changsha 410076,China)

Abstract:The constitutes and performance of natural fiber that mainly sisal fiber and ramie fiber were introduced and the accustomed physical and chemical modification of sisal fiber and ramie fiber were summarized The performances of some king of thermoplastics matrices which can become the matrix of fric tion material were also formulated It also has been sum marized that the research and progress of natural fiber reinforced polymer matrix composites and natural fiber reinforced polymer matrix friction materials,and generalized that the research of natural fiber reinforced polymer matrix friction materi als would bring important meaning due to the excellence performance of friction material and thermoplastics matrices Key words:sisal fiber;ramie fiber;modification;friction material;thermoplastics matrices

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第1期王 涛:株洲冶炼集团公司财务管理创新