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第一节 干法压缩料生产工艺

浏览次数: 日期:2017-05-23

  摩擦材料的生产工艺,传统上分为干法生产工艺和湿法生产工艺两大类。其划分基础在于在塑料制备工序中所使用的粘合剂——树脂(或橡胶)是干态形式还是湿态形式。干法生产工艺,又分直接混合法和热辊炼法两种。直接混合法生产工艺中,干态形式的粘合剂为粉状树脂或粉状橡胶(例如丁晴橡胶粉末),两者在混料机中与其它组份材料进行混合。在热辊炼法生产工艺中,干态形式的粘合剂为粉状树脂(或块状橡胶),两者在炼胶机或炼塑机上通过热辊炼实现混合。湿法工艺包括直接混合法、浸渍法两种。在直接混合法中,液态形式的树脂为树脂溶液或水乳液树脂;液态形式的橡胶为胶浆或胶乳树脂和橡胶直接在捏合机中进行混合;在浸渍法工艺中,液态形式的树脂为树脂溶液(通常是以酒精为溶剂)液态形式的橡胶为橡胶浆(通常以汽油为溶剂)。树脂和橡胶通常浸渍方式浸渍到纱线布、编织带形式的纤维增强材料上。
  摩擦材料的生产工艺过程主要步骤如下:
  压塑料的制备      预成型      热压型      热处理       机械加工(磨饰、倒角、钻孔等)。
  对于盘式刹车片总成,还应包括盘式片的钢背处理和准备工序。
  对于粘接式鼓式蹄片总成,应包括制动蹄的处理和准备工序。
  在上面章节中我们将对各道生产步骤进行叙述和讨论。
  第一节  干法生产工艺
  干法生产工艺是国外应用最广泛的摩擦材料生产工艺形式。在我国则是于20世纪60年代期间被开始采用。此工艺的特点①是制得的压塑料为纤维粉状料。②压塑粉在热压成型操作中投料方便,压塑粉料在模腔中易分布均匀,流动性较好。并可以采用预成型工艺制成冷坯后再进行热压成型。③工艺较简单、产品性能可调性好。④混料过程中,纤维组份的伸展性好,制品强度高。⑤制品成本低。
由于这些优点现在绝大部份刹车片和性能要求不高的部份离合器片均采用干法工艺来制备压塑料。
  但是和湿法工艺相比,干法工艺在压塑料制备预成型和热压成型的操作过程会产生较多飞扬的粉尘及其对环境的造成污染。因此,加强操作过程中的自动化,连续化和密闭化,使生产环境达到环保要求,是干法生产必须要重视和解决的问题。
  二、干法压塑料制备
  1、直接混合法-直接混合法为各种压塑料制备方法归简单的一种工艺方法。在此工艺中,树脂为热塑性酚醛或其改性树脂(即二步法树脂)的粉状物,俗称树脂粉。橡胶可采用粉末状丁腈橡胶(丁腈橡胶粉)或橡胶屑(轮胎粉)。在有的配合中考虑到降低原料成本,也使用丁苯橡胶改性的热塑性酚醛树脂。
  在直接混合法中,将树脂粉橡胶填料和纤维投加到混料机中,进行充分搅拌,达到均匀混合后,将物料放出,得到粉状的混合物料,此种压塑粉料即可被用来热压成型制成刹车片和离合器片。
  直接混合法中使用的粉状树脂通常为商品树脂粉,合宜的技术指标应为:细度:140―200目;固化速度(150℃热板)35―45秒;六次含量7―10%;流动距离(  ℃)  mm;软化点95-110℃;发份含量    ≤1.5%;游离酚含量≤3%。
  上述使用丁腈橡胶粉的配方制品较典型的有轿车盘式刹车片。其它对耐热性和冲击强度要求较高的刹车片以及低硬度材质制品都可以采用这种工艺制造,在进行配方设计时,丁腈胶粉的加用比例多少可根据产品性能的需要而方便地调节,而不会产生工艺操作的不便。
  2、热辊炼法
  热辊炼法主要用于丁苯橡胶和树脂的共混改性。丁苯橡胶的商业产品为块状橡胶和乳胶而无粉状橡胶,因而不能采用适用于粉状树脂和粉状橡胶的直接混合法。在热辊炼法中,树脂为粉状热塑性酚醛树脂,橡胶为块状丁苯橡胶,两者在炼胶(塑)机上通过热辊炼操作实现共混改性。这种工艺在前面“橡胶”章节中已有详述。将块状橡胶在炼胶机上常温下进行塑炼,使橡胶弹性下降,塑性增加,(见前面“橡胶塑炼”章节)。塑炼好的胶片紧接着被用于热辊炼操作。
  热辊炼操作通常在开放式炼胶(塑)机上进行。将辊筒加热,辊筒温度由电加热或蒸汽加热来控制。前辊温度为  ℃,后辊温度为  ℃。辊筒转速互不相同,前辊为  速辊;转速  转/分,后辊为*速辊,转速为  转/分。
  开机后,将塑炼胶投加到两辊筒间,使其包覆在辊筒表面上后,投加橡胶配合剂和树脂固化剂和填料进行混合,混合过程中,将混合胶料用割刀切下,再投入辊筒间反复操作几次后,物料达初步混合,将小快状或粗粒状树脂投入辊筒,并逐步放大辊距,使物料能快速通过辊筒。树脂在辊筒热的作用下,很快被熔融,并和橡胶和其它组份逐步混合,随着辊炼的进行,物料逐步全部转移,并包覆上前辊,为了促使物料混合均匀,应反复将辊炼料切割下,再投入辊筒。在辊筒温度的作用下,六次和树脂发生进一步缩紧反应并放出氨气,树脂固化时间逐渐减短,流动性降低,辊炼胶料的颜色渐渐转变成黄绿色,当固化速度达到35-45秒(150℃)范围时,树脂已转变到乙阶段状态。辊炼结束,将辊炼胶料迅速用割刀切割下来,以薄片形式在料盘中冷却。薄片厚度应为5-7毫米左右。
  3、辊炼胶料的粉碎
  冷却后的辊炼胶片性脆,可先用机械方式或手工方式破碎或30-50mm小片,然后再在粉碎机中粉碎或100-200目的胶料细粉。即制得橡胶改性的热塑性酚醛树脂粉。粉碎设备介绍:
  上述这种采用热辊炼法制造橡胶改性的树脂已成为商品树脂,在许多树脂生产公司中作为一种树脂牌号出售,它可以和填料纤维的直接混合法的工艺方法在混料机中制或压塑粉料。
  接2、热辊炼操作几个工艺操作问题的讨论
  ①热辊炼操作的终点控制。
  在热辊炼操作过程中,热塑性酚醛树脂在固化剂六次甲基四胺的作用下,进一步缩紧,流动性变小,固化速度时间变短,这种变化随辊炼温度的增高而加快,且辊炼结束后,这种变化过程还会继续进行。对于辊炼终点一般控制为树脂的固化时间不低于25秒,超过此限度则压塑料固化时间太短,流动性变差,热压成型时压塑料未能均匀布满膜腔前已提前固化,造成压制的结构松散, 外观发白,缺陷空洞,边角缺陷等弊病。
  下料后的胶料片不应过厚,否则物料内部过热或散热不良(特别是高温季节),树脂会进一步缩聚变定过头,使流动性变差。
  ②六次甲基四胺在辊炼胶料的树脂中分布均匀非常重要。不均匀的分布会引起压塑料在热压成型时压制品起泡的弊病通常在辊炼过程中将物料用割刀切下,打卷,再投入,如此反复进行多次,来达到树脂橡胶配合剂六次通过粉碎混和的方式达到初步混合,再进行辊炼操作效果会更好些。
  ③辊炼胶料组份中,橡胶和树脂的用量比例可按产品性能要求不同在1:8-1:3之间变动。橡胶用时再增多,橡胶:树脂超过1:3后,辊炼胶料片的脆硬性降低,韧性增加,会造成粉操作困难,不能获得高细度的辊炼胶料粉。
  ④热辊炼操作中,常常在辊炼料中加入适量的矿物填料如重晶石粉、碳酸钙粉,它们分布在树脂和橡胶粒子中,使得粉碎操作时更易于制成高细度的胶料粉。
  4、辊炼胶料粉与填料、纤维组份投加到混料机中进行充分混合,制成干态的压塑粉料。此项操作步骤与直接混合法工艺操作是一样的。这样制成的压塑粉料然后进入热压成型工序,经压制成型制成刹车片和离合器片。
  三、干法工艺在塑料生产的混料设备
  干法工艺压塑料生产的混料设备,目前国内流行的主要有两种类型。一类是立轴式高速混料机;另一种是犁耙式混料机。
  1、立轴式高速混料机


  ①普通立式高速混料机
  这种混料机适用于石棉、钢纤维、海泡石纤维与树脂填料的混合。
  ②无石棉型矿物纤维及有机纤维与填料、树脂的专用型立式高速混料机。
  2、犁耙式混料机(Littfold混料机)


  对上述几种混料设备进行介绍,结构、优缺点。
  三、冷辊炼法生产工艺
  冷辊炼法生产工艺是将树脂橡胶、填料和纤维全部组份在炼胶(塑)机上,通过常温辊炼实现均匀混合,而制成压塑料。然后再进一步通过成型、固化(硫化)操作得到制品。在本工艺中所用树脂为粉状热塑性酚醛树脂,所用橡胶为块橡胶丁苯橡胶或丁腈橡胶。
  这种生产工艺的特点在于①辊炼操作在不加热的条件,即常温下进行。②通过辊炼所制得的压塑料为片状料或带状料,可直接进一步成型加工,而不需要象热辊炼法工艺那样将辊炼料粉碎成粉料,故而配方中橡胶对树脂的用量比例可不必受粉碎操作条件的限制,橡胶在组份中的用量比例可以高达10%或更多。
  由于上述特点,冷辊炼法工艺通常用于生产高橡胶比例低硬度的刹车片,或以橡胶为主要粘合剂,树脂为辅助粘合剂的软质摩擦材料制品,例如城市公交车辆刹车片,刹车带制品,自行车刹车片等。
  在冷辊炼法工艺中,软质刹车片和刹车带的生产工艺存在区别,在此处我们将分别予以介绍。
  1、软质刹车片(半硬质刹车片)生产工艺
  压塑料的制备——将经过塑炼的橡胶投入辊筒间,辊筒不予加热,待橡胶包辊后,加入硫黄辊炼。再加入树脂混匀。加小料(橡胶配合剂、树脂固化剂)混匀,加入全部填料混匀。加入纤维混匀。在各种组份投加和辊炼期间,应逐步加大辊间距,以便物料能不断通过辊间,反复被挤切。若辊间距不够在时,物料会堆积在辊筒上方,不能通过辊间,从而达不到好的混合效果。辊炼过程中,应多次反复将辊炼料用切割刀切下,打卷,再投入辊间,以加快混合速度。随着辊炼的进行,胶型树脂粉、填料和纤维逐渐深入橡胶料内部,最后达到均匀混合,全部过程15至20钟,在18英寸炼胶机上生产时,每次投料量可为25-30kg。
  冷辊炼结束后,即可下料,将辊间距放窄,用切刀将辊炼料切割下料。切下辊炼料即为压塑料,呈连续宽带片状,宽度应为辊筒上两端物料档板的距离,带片厚度宜为1—2mm。为便于下面热压成型操作,可在切割下料时,设置若干把等距间隔的割刀将带状料片刹车片产品宽度尺寸(或热压模具尺寸)裁割成若干条狭带片料。然后,再用裁切设备将此狭带片料沿长度方向按刹车片产品弧长(或模具弧长)裁切成长度和宽度相当于(应略小于)刹车片产品的长宽尺寸(或模具内腔长宽尺寸)的长方形片状料。这种料片质软,可折弯到90-120°而不断。
  综上述料片(即压塑料)按要求的投料重量叠放在热压模具中,按正常的热压工艺条件进行压制,得到压制品,再在热烘箱或硫化罐中进行热处理或硫化,使其充分固化,最后,经磨加工后得到软质刹车片成品。这种产品具有硬度低,冲击强度高,摩擦性能稳定,制动噪音低,适用于城市公交车辆的制动片。
  冷辊炼法的生产工艺举例。
  配方设计
  橡胶(丁苯或丁腈)  10-15%
  热塑性能酚醛树脂   6-8%
  填料         37-44%
  6级石棉       32-38%
  铜丝         1%
  此种配方的各种原料组份,按上面叙述的工艺步骤制造的刹车片,具有如下性能:
  布氏硬度(HB)    8-15
  抗冲击强度dJ/cm2   0.8-1.5
  100℃-300℃摩擦系数 0.32-0.40
  冷辊炼法制备软质刹车片的几个工艺问题讨论。
  ①使用的橡胶类型。通常使用丁苯橡胶和丁腈橡胶,考虑到原料价格,丁苯橡胶比丁腈橡胶具有明显优势。但从工艺操作和制品性能考虑,丁腈占优。丁腈橡胶的抗拉强度、伸长率和树脂的相容性都优于丁苯橡胶,在操作中易于成张,形成连续的带状料片,而这项工艺性能在冷辊炼法工艺中是相当重要的一点。生产者一般从产品成本和工艺可操作性两个要素前提下,根据生产实践累积的经验来决定这两种橡胶的用量搭配比例。
  ②辊筒温度的控制。冷辊炼法为常温操作,即形成带状料片的前提是橡胶在辊炼中作为连续基体,而树脂粉在辊炼料中以非连续的填料存在。这样的辊炼具有在很好的季度性和成张性。即辊筒不加热条件下进行操作。然而由于物料在辊筒间反复受到挤压剪切作用,摩擦生热导致辊温升高,但必须控制不使其超过60℃,不然物料在局部处的过热而接近软化点温度时,树脂的柔软性下降,成张性变差,不能得到连续带状料片,致使整个操作过程失败。
  ③组份中的纤维组份-石棉,一般使用5级石棉或6级石棉。5级石棉具有较好的机械强度,但其价格贵于6级石棉。软质刹车片中主要粘合剂为橡胶,产品的抗冲击强度远高于普通硬质刹车片,这主要由橡胶组份所提供,而非石棉。另一方面,5级石棉的纤维较长,松密度大;而6级石棉的纤维短,松密度低,中辊炼胶料中占有较小的体种百分比。因此在操作中,6级石棉比5级石更易被橡胶组份所粘合吸收,使辊炼胶料具有较好的成张性,而5级石棉由于在组份中占的体积百分比大,橡胶对其粘合作用较弱,操作中成张性差,有时会导致成张失败,辊料料成大片状断裂,导致操作失败。
  ④橡胶配合剂的问题。对于普通硬质刹车片,树脂是主要粘合剂,橡胶是辅助粘合剂,其用量比例仅为组份的1-5%。故橡胶配合剂(硫化剂、促进剂、助促进剂、防老剂)的品种和用量对刹车片的性能影响不大重要和明显;例如只加用硫黄,而不用促进剂、防老剂等配合剂。但对于软质刹车片来说,组份中粘合剂以橡胶为主,因此橡胶配合剂的品种及用量不容忽视,它们会对刹车片的性能产生明显影响。此外,橡胶的硫化工艺条件也是要注意的事项。
  ⑤冷辊炼法工艺所制得的压塑料为料片状,在压制成型操作中系将若干张料片叠放在热压模腔中进行压制。生产中有时会遇到一种质量问题——压制品的分层,即由于种种原因,压制片会沿料片叠放层间脱开而造成次废品。为避免和减少此种现象的发生,料片表面的净洁,避免粉屑和油污等不洁物,以避免影响料片层面间的粘结是必要的。有的生产企业把压制料片裁切成狭长条,向模腔内投料时将狭长条料片或不规则铺放,对消除压制片分层现象效果甚佳。
  ⑥软质刹车片多用于城市公交车辆和大客车上,制品硬度不宜太低。因这些车辆属大型车辆,制动压力较大,要求刹车片有足够的硬度和抗压强度。一般而言,合宜的制品硬度为HB 8-15或按用户提出的要求。
  调节制品硬度的手段有:调节树脂与橡胶的用量比例;改变橡胶组份中硫黄的用量比例。减少硫黄量查使硫化胶硬度降低,增加硫黄量则可使硫化胶硬度上升。
  冷辊炼法制造刹车片的工艺流程如下:
  橡胶塑炼      塑炼胶    树脂粉、填料、纤维冷辊炼     
  辊炼胶料     切割下料 狭带片料 裁切  压塑料片或条      热压成型     压制片面 热处理或硫化 磨加工     成品
  2、短纤维型橡胶刹车片带生产工艺
  刹车带是摩擦材料的一个产品种类,主要用于农机刹车片和工程机械摩擦材料。此种产品的特点是:①制动工作时的摩擦速度较慢,因而工作温度较低;②产品形状分可弯曲的连续带状制品,使用时,根据尺寸要求进行裁切。
  刹车带分短纤维型和连续纤维型两类产品。后者属湿法生产工艺,短纤维型刹车片带的制造属于干法生产工艺,以石棉短纤维为基材的刹车带称为石棉绒质橡胶刹车带。,其生产工艺流程如下:
  橡胶塑炼        塑炼胶 树脂粉、填料、纤维冷辊炼 辊料胶料 切割下料  狭带片料         压型 辊压  磨加工      卷绕
硫化       成品
  生产举例——一般配方:
  将橡胶投入开放式炼胶机中,在45±5℃温度条件下进行塑炼将塑炼好的橡胶(塑炼胶)加入橡胶配合剂、树脂粉和填料辊炼均匀,最后投入纤维,用刮刀胶料割下;再投入;如此反复6—10次,最后下料,将胶料片放置备用,贮放时间为24-38小时。
  将上述经贮存的辊炼胶料片投入炼胶机辊筒间,辊距调至1-1.5毫米,辊温控制50±5℃,用前面的方法继续辊炼,直至所有物料混炼均匀,特别是纤维在物料中混和均匀至无纤维小团为止。般用刮刀将物料割下,再投入7-10次。最后用割刀切割下料,胶料片的厚度和宽刀靠辊距和割刀来控制,这样制得的辊炼胶料片即可称为刹车带工艺中的压塑料片。
  胶片长度可分为两种,我国常用的刹车带长度有5米和8米两种规格。不够长度的胶片可投入炼胶机中重新辊压出片。根据产品厚度规格要求,将胶片通过制型机制成刹车带坯型。坯带厚度应比成品厚度厚2-2.5%
  将此坯带再在辊压机上由有一定花纹的辊筒辊压成型,辊筒表面为平纹布状花纹,以加强辊压强度和改善摩擦性能并提高产品美观性。
  将上述压好花纹的刹车带在砂轮外弧磨床上进行外弧面磨加工,经磨加工的刹车带的厚度应符合产品的厚度规格要求。然后,将其盘绕成园卷并包紧固定。
  最后将园卷状刹车带送入硫化罐进行硫化处理。
  硫化时间和蒸汽压力的掌握系根据产品配方组份,规格和性能要求通过实验而制定。一般采用蒸汽压力为3-4公斤/厘米2,硫化时间为90-180分钟。
  

 

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