本發(fā)明涉及一種二元環(huán)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(xué)改性的氮化碳C₃N₄與聚醚醚酮PEEK樹脂共混，該復(fù)合材料可用于高性能剎車片材料的工業(yè)化生產(chǎn)，屬于高分子復(fù)合材料技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

石棉基剎車片由于其在制動(dòng)過程中會(huì)向環(huán)境中釋放石棉顆粒，對人體健康產(chǎn)生危害，因此已經(jīng)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(dǎo)熱性但同時(shí)比重也相應(yīng)增大，對對偶的損傷增大，使對偶磨損生銹、出現(xiàn)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(diǎn)在于產(chǎn)品的磨損大，使用壽命短，易出現(xiàn)制動(dòng)噪音，影響車輛制動(dòng)的舒適性。因此，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)中含有一個(gè)酮鍵和兩個(gè)醚鍵的重復(fù)單元構(gòu)成的高分子聚合物，具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，屬于高性能塑料，具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕和易加工等特點(diǎn)，熔點(diǎn)為334℃，熱變形溫度高達(dá)316℃，長時(shí)間服役溫度為250℃，瞬時(shí)使用溫度可達(dá)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(fā)現(xiàn)的新型共價(jià)化合物，其熱重分析表明在600℃空氣氣氛中氮化碳仍可穩(wěn)定存在，證明它是一種耐高溫、不易分解的材料。同時(shí)，在傳統(tǒng)的溶劑中（包括水、乙醇、DMF、THF、乙醚和甲苯等），氮化碳沒有表現(xiàn)出可溶性和反應(yīng)活性，證明它在有機(jī)溶劑中的穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種長壽命、高可靠、環(huán)境友好的二元環(huán)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(diǎn)，本發(fā)明將兩種材料復(fù)合。首先，兩種材料均表現(xiàn)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(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，由于氮化碳結(jié)構(gòu)中含有氫鍵和末端氨基，與聚醚醚酮復(fù)合時(shí)能夠表現(xiàn)出很好的相容性和交聯(lián)性，避免了粘結(jié)劑的使用。利用濃氨水對氮化碳進(jìn)行表面化學(xué)改性，進(jìn)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(fù)合材料同時(shí)具有較高的摩擦系數(shù)和高的耐磨性能，且摩擦系數(shù)穩(wěn)定。利用該材料制動(dòng)時(shí)，材料應(yīng)答性好，摩擦過程平穩(wěn)，制動(dòng)無尖叫，而且易于實(shí)現(xiàn)剎車片的工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率和成品率高，生產(chǎn)成本低。

一種二元環(huán)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?jǐn)?shù)為：聚醚醚酮（PEEK）70~95份、表面化學(xué)改性氮化碳（C₃N₄） 5~30份；所述表面化學(xué)改性氮化碳為經(jīng)過濃氨水改性處理的氮化碳。

如上所述二元環(huán)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?cái)嚢?~6h，然后離心、干燥即得表面化學(xué)改性氮化碳；

2）將表面化學(xué)改性氮化碳置于無水乙醇中常溫?cái)嚢璺稚?~3h，然后加入聚醚醚酮粉體分散1~3h，乙醇揮發(fā)得到干燥的混合物；

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

所述氮化碳與濃氨水的質(zhì)量比為1:1~1:1.5。

步驟1）中所述離心的條件為：轉(zhuǎn)速2000~4000rpm，時(shí)間1~3h；所述干燥的條件為：溫度50~100℃，時(shí)間12~24h。

步驟2）中分散時(shí)攪拌的轉(zhuǎn)速為1000~3000rpm。

所述雙螺桿擠出機(jī)一區(qū)加熱溫度370~375℃，二區(qū)溫度380~385℃，三區(qū)溫度390~395℃，四區(qū)溫度400~405℃，螺桿轉(zhuǎn)速為100~300rpm；所述注射機(jī)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(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)：

1、相比目前應(yīng)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(fā)明僅由兩種材料共混而成，無需添加任何粘結(jié)劑、增韌劑和金屬添加劑，制動(dòng)時(shí)向環(huán)境排放少，具有環(huán)境友好的特點(diǎn)。

2、本發(fā)明所述二元復(fù)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(chǎn)剎車片，避免了傳統(tǒng)酚醛樹脂材料需要固化的繁瑣操作；利用本發(fā)明所述二元復(fù)合材料制備剎車片，生產(chǎn)效率和成品率高、加工成本低，因此更易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

3、本發(fā)明二元復(fù)合剎車片材料具有摩擦系數(shù)較高且穩(wěn)定、磨損率低、耐高溫的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于汽車、風(fēng)電、采礦機(jī)械和運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域的制動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有廣泛的應(yīng)用和市場前景。

4、本發(fā)明所述二元復(fù)合剎車片材料表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境友好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、使用壽命長、可靠性高、摩擦應(yīng)答快和制動(dòng)無尖叫等特點(diǎn)。在制動(dòng)過程中，在金屬對偶表面可迅速形成均勻穩(wěn)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(hù)作用。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1和實(shí)施例3所用材料的XRD譜圖的比較。

圖2為實(shí)施例1-5的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的比較。其中，摩擦性能測試是采用高速環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在載荷50N、線速度1m/s、測試時(shí)間3h的條件下進(jìn)行的。實(shí)施例3的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.61，相比實(shí)施例1和實(shí)施例5，其摩擦系數(shù)分別提高了60%和40%，且更趨穩(wěn)定。

圖3為實(shí)施例1-5耐磨性能的比較。實(shí)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(shí)施例1和實(shí)施例5其耐磨性能分別提高了92%和70%。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)描述，但實(shí)施例不用于限制本發(fā)明，凡采用本發(fā)明及相似方法的，均列入本發(fā)明保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

將PEEK粉料置于150℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥3h后，轉(zhuǎn)移至雙螺桿擠出機(jī)中熔融后擠出；將熔融的PEEK擠出料經(jīng)注射機(jī)注塑成型。

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

所用雙螺桿擠出機(jī)是由德國Berstorff公司生產(chǎn)的ZE25Ax44D擠出機(jī)。

雙螺桿擠出機(jī)一區(qū)加熱溫度370~375℃，二區(qū)溫度380~385℃，三區(qū)溫度390~395℃，四區(qū)溫度400~405℃，螺桿轉(zhuǎn)速為200rpm；注射機(jī)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(shí)施例2

將PEEK粉料置于150℃鼓風(fēng)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(jìn)行復(fù)合材料的制備。方法如下：一、將體積分?jǐn)?shù)為90份的PEEK和10份粉體C₃N₄置于雙螺桿擠出機(jī)中熔融混合并擠出；二、將熔融混合的擠出料經(jīng)注射機(jī)注塑成型。其中，擠出和注塑參數(shù)與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例3

將PEEK粉料置于150℃鼓風(fēng)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(jìn)行復(fù)合材料的制備。方法如下：一、將體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)為90份的PEEK和改性干燥后的粉體C₃N₄置于雙螺桿擠出機(jī)中熔融混合并擠出；三、將熔融混合的擠出料經(jīng)注射機(jī)注塑成型。其中，擠出和注塑參數(shù)與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例4

將PEEK粉料置于150℃鼓風(fēng)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(jìn)行復(fù)合材料的制備。方法如下：一、將體積分?jǐn)?shù)為90份的PEEK和10份短切碳纖維SCF置于雙螺桿擠出機(jī)中熔融混合并擠出；二、將熔融混合的擠出料經(jīng)注射機(jī)注塑成型。其中，擠出和注塑參數(shù)與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例5

將PEEK粉料置于150℃鼓風(fēng)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(jìn)行復(fù)合材料的制備。方法如下：一、將體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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(jī)中熔融混合并擠出；三、將熔融混合的擠出料經(jīng)注射機(jī)注塑成型。其中，擠出和注塑參數(shù)與實(shí)施例1相同。