生物質在制動摩擦材料中的應用

蔡黎明，員榮平，王 慧，盛初之，馬永杰，付哲臻，楊衛民，呂亞非*

（1. 北京化工大學機電工程學院，北京100029； 2. 北京化工大學新型高分子材料制備與加工北京市重點實驗室，北京100029）

生物質在制動摩擦材料中的應用

蔡黎明1,2，員榮平2，王 慧2，盛初之2，馬永杰2，付哲臻2，楊衛民1，呂亞非2*

（1. 北京化工大學機電工程學院，北京100029； 2. 北京化工大學新型高分子材料制備與加工北京市重點實驗室，北京100029）

通過分析現有制動摩擦材料存在的環境問題，提出應用生物質開發環境友好型制動摩擦材料，即全部采用無毒、無環境污染、可生物降解的原材料如天然植物纖維、天然堅果殼粉和農業或林業廢棄物（蔗渣、木屑等），天然礦物纖維和填料、從生物質合成可取代酚醛的樹脂。生物質在制動摩擦材料中的主要作用有輕量、降低摩擦系數和改善耐磨性。在制動摩擦材料中引入生物質的關鍵是采用化學和物理處理方法提高熱穩定性和合成木質素樹脂。

制動摩擦材料； 生物質； 天然植物纖維； 堅果殼

制動摩擦材料廣泛用于交通、傳輸工具制動器襯片，是多組分、多相復合材料，由樹脂基體、纖維增強體和填料組成。近代制動摩擦材料的發展從石棉摩擦材料開始，經歷了半金屬（以鋼纖維為增強體）、低金屬和無石棉有機（包括無金屬、陶瓷型和環境友好型）摩擦材料。半金屬摩擦材料含 50%鋼纖維和鐵粉，低金屬摩擦材料含 25%鋼纖維和鐵粉，無金屬（不含任何金屬）和陶瓷（以陶瓷纖維、銅纖維、芳綸漿粕為增強體）摩擦材料不含鋼纖維和鐵粉，都以酚醛樹脂作為基體。對制動摩擦材料的基本要求是：（1）高性能，具有好的制動性能，保證剎車；（2）舒適性，減少噪音和剎車振動；（3）經濟性（低成本），選用低價格和輕量化的原材料以及提高摩擦材料壽命等途徑降低成本；（4）環境友好性，減少有毒物質的使用，提倡使用天然植物、生物和礦物材料[1]。

現有制動摩擦材料存在嚴重的環境問題（對水、土壤、空氣、聲的污染和對人體健康、植物生長的影響），主要有[2,3]：（1）石棉是致癌物；（2）重金屬鉛、鉻、汞、鎳，是致癌物；（3）銅纖維和銅粉嚴重污染水資源；（4）石英（結晶二氧化硅）是致癌物；（5）三氧化二銻（三硫化二銻在摩擦過程中發生氧化反應的產物），可能致癌；（6）金屬硫化物如三硫化二銻、二硫化鉬、硫化銅和含硫物質如煤矸石（工業固體廢棄物，含硫和多環芳烴致癌物），在摩擦過程中發生氧化反應后生成二氧化硫氣體，污染大氣環境；（7）鈦酸鉀晶須、碳化硅晶須和氮化硅晶須被質疑對人體有害（而它們的顆粒物則較少毒性）；（8）納米材料（直徑1~100 nm）的納米毒性，摩擦過程中產生納米尺寸的磨屑容易懸浮在大氣中，呼吸進肺部后，納米顆粒具有細胞滲透能力，應慎重使用；（9）鋼纖維，產生噪音（聲污染）；（10）炭纖維與人體皮膚接觸時會損傷皮膚。制動摩擦材料在制動過程中產生不規則形狀的磨屑并具有生物毒性[4]：直徑<2.5 m（PM2.5）的顆粒，可長時間懸浮在大氣中，是可吸入性氣溶膠；直徑2.5~10 m（PM10）的顆粒，是可吸入性顆粒物。這些磨屑為弱溶解顆粒或纖維，會吸進并沉積在肺部。我國是生產和消費摩擦材料的大國，來源于制動摩擦材料（原材料組成和摩擦過程中的化學反應）造成的環境污染和對人體的危害不容忽視。

1 環境友好型制動摩擦材料

完全環境友好型制動摩擦材料定義為無毒、無環境污染、可生物降解的摩擦材料。環境友好型制動摩擦材料的研究經歷了三個階段：（1）將目前所用的半金屬和無石棉有機摩擦材料配方中淘汰重金屬、石棉、銅纖維、銅粉和金屬硫化物；（2）以酚醛樹脂為基體，應用生物質的無石棉有機摩擦材料，目前已經開發成功，屬于部分環境友好型摩擦材料；（3）以生物質樹脂為基體，全部采用無毒、無環境污染、可生物降解的纖維和填料，實現摩擦材料的完全環境友好化（圖1）。

圖1 完全環境友好型摩擦材料的組成Fig.1 The composition of totally environment-friendly friction material

生物質在解決制動摩擦材料存在的環境問題方面起了重要作用。生物質是二氧化碳和水通過光合作用產生的有機物質，包括農業（天然植物纖維、秸稈、稻殼、玉米芯、蔗渣等）和林業（堅果殼、木材、木屑、樹葉等）的天然產物，是最有發展前途的可再生資源，可用于低成本、綠色聚合物和復合材料的原材料。目前，生物質在制動摩擦材料的應用受到廣泛關注，已成為構成環境友好型制動摩擦材料的關鍵組分。已有研究者分別采用生物質如天然植物纖維[5-9]、堅果殼粉[10]、蔗渣[11]等天然產物作為原材料，尤其是天然植物纖維經化學和物理方法處理后的熱穩定性提高[12]，促進了它們在制動摩擦材料的應用。但單一應用天然原材料不足以使制動摩擦材料完全綠色化，因為沒有考慮配方中其他組分的環境問題，而且采用的酚醛樹脂基體是不可生物降解的，是不完全的環境友好型制動摩擦材料。最近，從天然產物合成腰果酚型苯并嗪[13]和木質素樹脂[14]的報道提供了可以取代酚醛樹脂的可能性。因此可制備完全環境友好型制動摩擦材料：（1）木質素樹脂的制備（取代酚醛樹脂）；（2）天然原材料庫篩選，包括天然植物纖維、天然礦物纖維、天然堅果殼粉、天然貝殼粉、天然礦物纖維、天然礦物顆粒庫；（3）腰果酚型苯并嗪的制備（取代合成橡膠增韌木質素樹脂）。

2 生物質原材料庫的篩選

制動摩擦材料的原材料庫（圖2）包括：纖維庫（由合成有機聚合物纖維如芳綸、芳砜綸等、陶瓷纖維如硅酸鋁纖維等、金屬纖維如鋼纖維、銅纖維等、天然纖維如亞麻、劍麻等組成）、填料庫（由磨料如氧化鋁等、固體潤滑劑如石墨等、功能填料如蛭石可降低噪音等組成）和樹脂基體庫（酚醛及其改性樹脂）。生物質構成了一類新的原材料庫（圖3）包括：天然植物纖維庫：黃麻、大麻（漢麻）、亞麻、苧麻、劍麻等；天然堅果殼粉庫：核桃殼、杏殼、開心果殼等；農業和林業廢棄物庫：蔗渣、木屑、秸稈等，生物質煉制技術還可以合成新的可生物降解的木質素樹脂，可作為取代酚醛樹脂的基體用于摩擦材料。

圖2 制動摩擦材料原材料庫Fig.2 Brake friction materials raw materials library

圖3 生物質材料Fig.3 Biomass materials

2.1 化學和物理處理對生物質熱穩定性的影響

由于生物質是由纖維素、木質素、半纖維素等組成的有機物質，在制動摩擦材料中的基本要求是具有在摩擦過程的熱穩定性。對生物質原材料庫的篩選重點是提高它們的熱失重和研究它們對摩擦性能的影響。

天然植物纖維原麻以纖維束的形式存在。天然植物纖維的化學和物理處理方法見圖4(a)[12]，目的是去除木質素和半纖維素，保留纖維素，并使纖維素沿纖維軸方向撕裂（微纖化）[15]。經化學和物理處理的黃麻的熱失重曲線見圖4(b)[12]。處理后的黃麻的熱穩定性（熱分解溫度）和殘炭率明顯提高。

圖4 黃麻的處理方法及熱失重曲線Fig.4 Processing approach and thermogravimetric curves of jute

堅果殼經水洗、粉碎、篩濾、真空干燥后成約80目粉末狀物質。開心果殼粉分別經過化學（酸、堿）和物理（硅烷偶聯劑）處理后的熱失重曲線見圖5[16]。很明顯，堿處理的作用最大。堿處理的作用是使堅果殼中的木質素含量增大，所以殘炭率提高，但由于木質素的熱分解溫度比纖維素低，所以堿處理后的熱分解溫度也降低。

2.2 天然植物纖維對摩擦性能的影響

采用天然植物纖維黃麻、天然礦物纖維玄武巖和硅灰石為增強體，天然鋯英石（硅酸鋯）為磨料，

圖5 采用不同方法處理后開心果殼粉的熱失重曲線Fig.5 Thermogravimetric curves of pistachios nutshell powder treated by different ways

與不含黃麻摩擦材料的摩擦性能比較，含黃麻摩擦材料的摩擦系數降低，磨損率降低（耐磨性提高）。由于當黃麻含量高時，摩擦材料的熱衰退性較大，因應限制黃麻含量（體積分數）為5.6%。

圖6 不同含量黃麻對摩擦系數和磨損率的影響Fig.6 Effect of different content jute on friction coefficient and wear rate

3 結 論

生物質是價廉的可再生資源并可應用到制動摩擦材料中

發展完全環境友好型摩擦材料是今后摩擦材料領域的重點。生物質在制動摩擦材料中應用有兩個關鍵問題：（1）提高天然植物纖維和堅果殼等的熱穩定性，使之達到酚醛樹脂的水平；（2）用新型可生物降解的木質素樹脂取代目前普遍使用的酚醛樹脂。經化學和物理處理的生物質的熱分解溫度已經達到酚醛樹脂的水平，但殘炭率還低于酚醛樹脂。而從生物質（木質素）制備新型樹脂的研究正在嘗試中。

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Application of Biomass in Eco-friendly Brake Friction Composites

CAI Li-ming1,2,YUAN Rong-ping2,WANG Hui2,SHENG Chu-zhi2,MA Yong-jie2,FU Zhe-zhen2,YANG Wei-min1,LV Ya-fei2
（1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China；2. The Key Laboratory of Beijing City on Preparation and Processing of Novel Polymer Materials, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China）

After analyzing the environmental problems presented in brake friction composites, the novel formulations composed of biomass including natural fibers, nut shells, natural mineral fibers and fillers for preparing fully eco-friendly friction composites was proposed. The roles of biomass in friction composites are lightweight, depressing friction coefficient and modifying wear rate. The critical issues related to the application of biomass in friction composites are to increase thermal stability of the biomass by using chemical and physical treatments and synthesize lignin based resin to replace phenolic resin.

Brake friction composites; Biomass; Natural plant fibers; Nut shells

TS 721

A

1671-0460（2011）12-1268-04

2011-07-04

蔡黎明（1976-），女，北京人，博士，2009年畢業于北京化工大學材料學，研究方向：高分子聚合物及新材料研發。E-mail：huixinbenben@hotmail.com。

呂亞非（1955-），男，教授，博導，研究方向：功能高分子材料。E-mail：ylu623@gmail.com。