鐵路貨車廢摩擦材料再生利用研究現狀

郭　娜張建武彭　健付　華

（1.中車石家莊車輛有限公司，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043）

鐵路貨車廢摩擦材料再生利用研究現狀

郭娜1張建武1彭健2付華2

（1.中車石家莊車輛有限公司，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043）

摘要：本文簡要介紹了國內外關于國體廢棄物的再生利用的研究現狀，并以鐵路貨車廢閘瓦摩擦材料熱解回收料為主要填料制備汽車制動襯片的成功應用，為實現廢摩擦材料再生利用提供了回收工藝與回收思路。

廢摩擦材料；回收；再生利用

0.前言

鐵路貨車用閘瓦（剎車片）基本結構由鋼背和高分子復合摩擦材料組成，是在一定的生產工藝下將基體、增強相、摩擦學性能調節劑等，再經過熱壓成型制備而成。閘瓦作為消耗量極大的磨損元件，每年產生的廢棄物量巨大。反復制動后的閘瓦摩擦體中的樹脂基體高溫碳化，制動性能下降。

由于分離與循環利用技術的復雜，回收成本較高，國內外還沒有企業對廢棄的閘瓦（剎車片）進行回收利用。廢棄的車輛閘瓦（片）作為工業固體垃圾，目前主要是深埋回填，其中的高聚物降解時間漫長，加之其中的金屬、無機稀土填料等，對土壤造成很大的改變，同時占用較大的土地資源，并對環境造成了極大危害。

本文分兩部分：第一部分是對國內外固體廢棄物的研究現狀進行概括，第二部分是對鐵路貨車廢閘瓦摩擦材料再生利用研究進行分析。

1.國內外關于國體廢棄物的再生利用的研究

1.1 國內關于固體廢棄物的研究

1995年，李藻初、李惠海等人對廢棄的剎車片中銅的回收利用進行了研究。他們在破碎后的廢棄剎車片中加入硫酸、水等后，經過濾、置換、結晶等工序將廢棄剎車片中的銅轉化為無水硫酸銅，從而實現了對廢棄剎車片中銅的回收利用，既保護了環境，又節約了資源，具有可觀的經濟效益。

1998年，莊學功對合成閘瓦加工過程中收集的粉塵和合成閘瓦廢品經粉碎成的一定粒度的粉料進行了回收利用的研究。當廢粉的加入量在10%～15%時，材料的磨耗和摩擦系數較不添加廢粉的摩擦材料波動很小。另外，他也指出廢粉可以用于建筑裝飾材料、墻體材料、酚醛模塑料等日用品以及利用廢粉制造耐熱減摩材料。

2009年，魏儒東對低摩合成閘瓦生產過程中廢料的回收利用進行了研究。所研究的廢料是摩擦材料流動到模腔內間隙而形成的大量料皮以及閘瓦清理時從瓦體、瓦背上剔落下的飛邊毛刺。

研究結果表明，在低摩合成閘瓦中摻入5%廢料，可節約3.5%左右的原材料，而且能保證低摩合成閘瓦的各項性能符合鐵路標準要求。

楊振，張燦等人通過對摩擦企業在生產中所產生的磨削粉、鉆削粉等廢料的特性進行分析，以磨削粉作為摩擦材料組分進行了實驗研究。磨削粉經過粉碎篩選等加工處理后，按新設計的材料生產配方以質量比在12%以內直接添加可以制造出合格的摩擦片，從而為摩擦企業的廢料綜合利用提供了理論依據，而且減少企業廢料排放來保護環境。

1.2 國外關于固體廢棄物的研究

To-Mai Wang、Kung-Hsu Hou等人用水淬的方法從廢棄的礦渣中得到了礦渣纖維，并且他們用所制得的礦渣纖維作為增強體、苯酚甲醛樹脂為基體制備了復合材料。實驗結果表明，摻入礦渣纖維的苯酚甲醛樹脂的平均摩擦系數增大，而且磨損率降低，實現了廢棄礦渣纖維在復合摩擦材料中的應用。

J. Myalski、J. Sleziona在廢棄的熱固性環氧樹脂的復合材料中加入復合循環材料，調查顯示，廢棄的材料可以取代昂貴的增強纖維，碳化的復合循環材料有利于在高溫條件下保持摩擦系數的穩定性，防止摩擦材料的熱破壞，從而提高了復合材料的摩擦使用溫度，實現了固體廢棄物的循環利用。

Nandan Dadkar、Bharat S. Tomar等人將粉煤灰成功融入酚醛樹脂的基體中。實驗結果表明，當粉煤灰的含量最高時，復合材料的摩擦系數也最大。復合材料的熱衰退性強烈依賴于樹脂的含量，而且隨粉煤灰含量的減少而降低。但是，摩擦波動性隨著粉煤灰含量的增大而降低。復合材料磨損時產生的磨屑作為第三相存在與摩擦界面，從而提高了材料的熱恢復性。他們所作的工作表明了粉煤灰在摩擦磨損方面的應用有著巨大的潛力。

美國對玻璃鋼的回收利用采用熱分解、玻纖分離、粉碎法和用作能源4種途徑，應用于增強混凝土、增強裝飾用灰泥和增強熱塑性復合材料3個方向。

美國廢舊輪胎回收利用及工業化處理方法主要有4種：

①翻新利用法。

②傳統填埋法（大多要求切塊后填埋）。

③④生產橡膠粉。

④熱能利用法（工業鍋爐、水泥窯爐、發電鍋爐等）。

傳統填埋法對環境和生態資源帶來嚴重的污染與破壞，因此，這種處理方法也逐漸被取締。美國廢舊輪胎的回收利用主要包括以下6個方面：

①廢舊輪胎翻新作為新輪胎使用。

②廢舊輪胎做工業染料利用其熱能。

③廢舊輪胎碎塊作為市政建筑工程材料利用。

④廢舊輪胎膠粉用作橡膠制品填料。

⑤廢舊輪胎熱裂解回收油品和炭黑等。

⑥廢舊輪胎原形改制為器具材料。

Yoginder P. CHUGH，Peter FILIP等人對工業廢棄物在摩擦材料的發展進行了研究。他們認為在剎車片中可以加入45%的粉煤灰或者是10%磁鐵礦廢棄物，剎車片的性能可能不會下降。利用特定的固定廢棄物可以減少剎車片中其他原料的含量。這樣不僅降低了生產成本，而且保護了環境、節約了資源。

2.鐵路貨車廢閘瓦摩擦材料再生利用研究

（1）采用熱解分離工藝，通過熱裂解作用實現廢閘瓦摩擦材料與鋼背。熱裂解作用破壞廢摩擦材料中樹脂的分子結構，使酚醛樹脂的黏結作用失效。實現廢摩擦料與鋼背的分離。

（2）廢摩擦料的粉碎與篩分工藝，采用電磁粉碎與機械粉碎結合的方式，對熱解后的廢摩擦材料塊體進行粉碎，通過震蕩篩分方式，選取粒度適當的粉末，稱為熱解回收料。

（3）以熱解回收料再生利用工藝，重新進行復合材料的配方設計。以熱解回收料為主要填料，加入黏結劑、無機填料、摩擦學性能調節劑等，運用均勻設計和正交設計的配方設計方法，重新設計復合摩擦材料的配方。

（4）新復合摩擦材料的制備工藝。各原料均勻混合后，采用熱壓成型的方法制備新復合摩擦材料。熱壓成型工序完成之后，需要對產品進行熱處理，已消除產品內部的殘余應力和微裂紋，提高產品的質量。

（5）復合摩擦材料的摩擦磨損性能、物理機械性能的測試。按國標GB5763-2008的要求，測定復合摩擦材料在各個溫度梯度階段的熱衰退、熱恢復摩擦系數和磨損率，同時測定摩材料的剪切強度、熱膨脹率、壓縮應變和沖擊強度。

[1]李藻初，李惠海.回收廢剎車片中銅的試驗研究[J].再生資源研究，1995（4）：23-25.

[2]莊學功.合成閘瓦廢粉的再生利用[J].鐵道物資科學管理，1998，2（16）：36.

[3]魏儒東.低摩合成閘瓦生產過程中廢料的回收利用[J].鐵道技術監督，2009，37（6）：14-16.

[4]王汝友.汽車廢棄物綜合利用研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[5]陳曉松，張枝苗，李珊珊，等.廢玻璃鋼粉/環氧樹脂復合材料的研究[J].熱固性樹脂，2012，27（6）：61-64.

[6]陳曉松，侯文順.廢棄玻璃鋼的資源化研究進展[J].熱固性樹脂，2012， 27（5）：75-79.

[6]楊振，張燦，楊勃妮，等.摩擦材料企業磨削粉廢料再利用的研究[J].山東化工，2013，4（12）：16-24.

[7] WANG TO-MAI, HOU KUNGHSU, CHANG YUNG TUNG, et al. The preparation of slag fiber and its application in heat resistant friction composites[J]. Materials and Design, 2010, 31：4296-4301.

[8] J. MYALSKI, J. SLEZIONA. The assessment of possibilities for utilization of composites with thermosetting matrix[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 162-163: 96-101.

[9] NANDAN DADKAR, BHARAT S. TOMAR, BHABANI K.SATAPATHY. Evaluation of flyash-filled and aramid fibre reinforced hybrid polymer matrix composites (PMC) for friction braking applications[J]. Materials and Design, 2009, 30: 4369-4376.

[10] ZHAO J, CHANG X. -M, CHANG J. M, et al. Sound insulation property of wood-waste tire rubber composite[J]. Composites Science and Technology, 2010, 70: 2033-2038.

[11]張林文，黃勇，王繼輝.美國玻璃鋼回收利用概況[J].纖維復合材料，1998，3（32）：32-34.

[12]朱永康.美國廢舊輪胎回收與綜合利用概況[J].橡塑資源利用，2011(1)：30-35.

[13] CHUGH YOGINDER P, FILIP PETER, MOHANTY SAMARAT, et al. A Collaborative Program for Development of Frictional Materials Using Industrial Wastes [C]. International Conference on Engineering Education and Research "Progress Through Partnership": 609-621.

TH117.3

A

項目來源：河北省科技支撐計劃項目《機車車輛閘瓦摩擦材料的回收再利用技術研究》（14273805D）。