丁腈橡胶共混多巴胺改善电机摩擦片热衰退性能的研究

Abstract: The study systematically investigated the enhancement of thermal stability in nitrile rubber through dopamine (DA) blending modification and its application performance in motor brake friction pads, employing Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR), Thermogravimetric Analysis (TGA), Limiting Oxygen Index (LOI) analysis, and operational simulation tests (MM3000 friction-wear test bench, 1:1 motor brake test platform). Experimental results demonstrated that with 6 wt% DA addition: 1) The decomposition temperatures at second and third stage maximum degradation rates increased by 4.8% ( ΔT=249C) and 7.6% ( ΔT=419C respectively; 2) The oxygen index reached 28.5%, representing a 32.6% improvement over the control group; 3) The modified friction pads exhibited a friction coefficient decay rate of only 4.86% in high-speed ranges (24003600r/min) , with 83.3% torque retention after 20,000 consecutive braking cycles -a17.2% enhancement compared to Blank Group A . Mechanistic analysis revealed that DA improves thermal stability in high-temperature regimes through redox reactions that quench free radicals, providing theoretical foundation for developing next-generation heat-resistant braking materials.

Keywords: Dopamine modification; Motor friction pads; Thermal fade suppression电机摩擦片已广泛地应用起重、运输、冶金、矿山、建筑等领域，是电机的重要部件，直接关系到电机的性能与安全。电机摩擦片的摩擦材料层主要由有机粘结剂、增强纤维及填料三大部分组成。丁腈橡胶（Acrylonitrile-Butadiene Rubber，NBR）因其耐油性极佳，韧性好等特点而被广泛地应用于电机制动系统，作为粘接剂的重要组成部分，起到粘接、增韧的作用[1]。但NBR 分子链中不饱和双键的存在使电机摩擦材料在频繁制动过程中容易高温老化分解，导致橡胶结构破坏，从而降低电机制动安全性[2]。酚醛树脂因其高交联度的刚性结构使其耐热性远高于NBR[3]。因此，提高NBR 耐热性是改善电机摩擦片频繁制动热衰退性能的关键。

NBR 共混是最常见的改性方式之一 。DA 是调控人体多种生理功能的一种中枢神经递质，其中的儿茶酚（3,4-Dihydroxyphenethylamine，DOPA）功能基团容易被氧化成醌类结构，因而具有优异的自由基淬灭特性[4,5]。采用DA 共混改性NBR(记为DA/NBR)可有效阻断自由基链式反应，延缓橡胶高温老化分解进程。因而可提高电机摩擦片高速制动下的热稳定性，降低热衰退，保证电机安全制动性能[6]。

1 试验

酚醛树脂、丁腈橡胶 N41、丁苯橡胶、盐酸多巴胺(DA)、升华硫、鳞片石墨 190、硫酸钡、钢纤维、聚丙烯腈纤维、矿物纤维。

1.2 设备和仪器

开放式双辊塑炼机、密炼机、四柱液压机、固化炉、衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪（Attenuated TotalReflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy，ATR-FTIR）、热失重分析仪（Thermogravimetric Analysis，TGA）、氧指数分析仪、电子天平、摩擦磨损试验台、1：1 电机制动试验台。

1.3 制备

1.3.1 DA/NBR 的制备

首先将NBR 生胶加入到开放式双辊塑炼机，待生胶短时间剪切包辊后，按NBR 的质量百分比依次加入定量的硬脂酸、硫磺及不定量的 DA 进行混炼 3min，调节辊距后出片，室温静置熟化 24h。根据 DA 的质量百分比（0、2%、4%、6%、8%）的不同分别得到不同含量的 DA/NBR，分别记为 KB、DA/NBR(2 wt%)、DA/NBR(4wt%)、DA/NBR(6 %wt)、DA/NBR(8 %wt)。

.3.2 电机摩擦片的制造工艺

将酚醛树脂和DA/NBR 加入密炼机，密炼一定时间后，按表1 所示陆续加入其它原材料密炼。密炼结束后对混合料进行破碎，在模具中依次加入破碎料、钢件和破碎料后一体压制成型后出模，最后将压制产品放入热固化炉中梯度升温固化，出炉后进行后处理，得到A(空白组)、B、C、D、E 不同组别的电机摩擦片配方样品。

1.4 测试与表征

（1）衰减全反射傅里叶红外光谱（ATR-FTIR）分析

采用 ATR-FTIR 对共混改性橡胶DA/NBR 样品表面的化学结构分析，扫描速度为4 cm^-1/min ，测试范围500-4000 cm-1。

（2）热氧失重分析（TGA-DTG）

通过热分析仪测试DA/NBR 样品的TGA 曲线，测试温度范围为40℃～800℃，升温速度10℃/min，氧气氛围。

（3）极限氧指数分析（Limiting Oxygen Index，LOI）

使用氧指数分析仪测试 DA/NBR 样品在氮氧混合气体中维持燃烧所需的最低氧气浓度，室温测试，每组制备5 个平行试样，结果取平均值。

（4）摩擦磨损性能分析

采用MM3000 型摩擦磨损试验台测试电机摩擦片的一次停车制动平均摩擦系数，试验条件一致，试验结果为5 次循环测试结果的平均值。

（5）静态扭矩分析

采用 1：1 电机制动试验台进行电机摩擦片静态扭矩测试，以及 20000 次连续制动后的电机摩擦片静态扭矩测试，对A、B、C、D、E 组电机摩擦片样品的

连续制动条件一定，静态扭矩测试方法一致，结果为5 次连续测试结果的平均值。

2 结果与讨论

2.1 DA/NBR 的表面结构和热稳定性

通过ATR-FTIR 测试对改性前的试样KB 和共混改性后的试样DA/NBR(2 wt%）的表面结构进行分析，如图 1 和表 2 所示。在 KB 和 DA/NBR(2 wt%)的 ATR-FTIR 中均出现了几个特征峰，包括 1437 cm-1、2233 cm-1、2842 cm-1 和 2920 cm-1波数处的特征峰，分别对应-CH 的平面弯曲振动峰，-CN 的特征吸收峰，-CH3的反对称和对称吸收振动峰。在DA 共混改性NBR 后的试样中新增几处特征峰，包括1258cm-1、1351cm-1、1572cm-11726 cm-1波数处的特征峰，分别对应 C-N 的弯曲振动吸收峰，C-OH 的弯曲振动吸收峰，芳环中 C=C 的弯曲振动和N-H 的剪切振动峰的叠加，酯基中C=O 的伸缩振动吸收峰，这些存在于DA 分子中的-NH2, -OH 和苯环结构中。通过表面结构分析分析，表明DA 通过共混分布于NBR 中。

如图 2 所示为 KB 和 DA/NBR(2 wt%)在空气氛围下的 TGA-DTG 曲线。NBR 在空气中的热氧老化是一个极其复杂的过程[7,8]，通过 TGA 曲线可以发现 NBR 的热分解经历了三个阶段，在 350-460℃时橡胶分子链发生热氧降解(第一阶段极限降解速率对应的温度记为 T),460-530℃时橡胶链发生分解反应(第二阶段极限降解速率对应的温度记为 T2)，530-600℃时残余分子链进一步降解(第三阶段极限降解速率对应的温度记为 T3)。通过DTG 曲线可以观察到DA/NBR(2 wt%)的初始降解温度T0和T2、T3较改性前更高，这是因为DA 的邻苯二酚基团通过可逆氧化还原反应淬灭自由基，即使在较高的温度下依旧能抑制氧化降解反应，提高 NBR 的高温热稳定性[9]。表3 统计了DA 含量对NBR 热分解温度的影响，可以看出，当DA 含量增加到6%时，DA/NBR耐热性趋于稳定，较改性前 T0、T1、T2、T3分别增加了 10℃、9℃、24℃（记为ΔT2）和 41℃（记为ΔT3），提高了2.7%、2%、4.8%和7.6%，这表明DA 的自由基淬灭特性在高温阶段（第二、第三阶段）活性更高。结合样品的氧指数测试结果，同样可以发现当 DA 含量增加到 6%时，NBR 的氧指数浓度为 28.5%，较未改性提高了 32.6% ，阻燃性达到最佳。通过TGA-DTG 和LOI 分析，表明DA 共混可有效提高NBR 热稳定性。

为了更好地反应电机摩擦片在实际制动工况下的摩擦磨损性能，采用1:3000 摩擦磨损试验台在干燥条件下的一次停车制动试验，对电机摩擦片 A、B、C、D、E 组样品的摩擦系数进行了对比，并计算 2400 r/min到 3600 r/min 的衰退量和衰退率见表4。A 组使用未改性的 NBR，为空白组，2400→3600 r/min 速度段摩擦系数衰退明显，摩擦系数降低了0.057，衰退率 10.5% 。B、C 组样品中使用了耐热性的 DA/NBR，2400→3600 r/min摩擦系数衰退率小幅度降低，降到了 9.67% 、8.62%。从 B、C 组样品的数据可以看出随着 NBR 中 DA 含量的增加，对改善摩擦系数衰退起到了 制作用。随着 DA/NBR 中DA 含量的进一步提升，电机摩擦片D、E 组样品的摩擦系数稳定性明显增加， 摩擦系数衰退明显减弱，衰退率下降到 4.86%和4.72% ，也表明NBR 中 DA 添加量 片的制动热衰退改善效果达到最佳，但高速阶段摩擦系数越高往往伴随着磨耗量的 %时 了 32.2g_⨀ 。通过 1:3000 摩擦磨损试验，表明DA/NBR 的热稳定性的提 制动下的热衰退性能。

电机摩擦片样品的静态扭矩是指电机在静止状态下能够输出的最大扭矩，衡量电机在启动或保持位置时的能力，关系到电机在实际使用和制动过程中的安全性 。通过1：1 电机制动试验台测试电机摩擦片A、B、C、D、E 新样品的静态扭矩及20000 次连续制动后的静态扭矩，具体测试数据见表5。表5 数据显示，原始新样品静态扭矩均值为4560 ± 35N.m，组间差异不超过 1.6%_< 。经20000 次连续制动后，A 组（未改性）扭矩衰减率达 33.9% （4568→39023N.m），而 D 组（6 wt% DA）衰减了 16.7% （4573→4358N.m）。值得注意的是，制动后扭矩保持率与 DA 含量呈正相关，当 DA 添加量为 2 wt%时扭矩保持率为 71.6% ，提升了 5.5% ，但 6 wt% DA 时可再次提升 11.7% ，特别是当DA 含量≥6 wt%时，制动后扭矩曲线趋于稳定。这表明DA 的自由基淬灭特性有效缓解了制动热冲击导致的材料结构破坏，从而保持摩擦界面的稳定性。

3 结论

（1）DA 共混改性NBR，其最佳作用阈值为 6%_∘ 改性后T2 提升 4.8% （ ΔT2=24C ），T3 提升 7.6% （Δ3=41℃），氧指数提高 32.6% 。

（2）DA 自由基淬灭特性具有显著的高温活性：DA=6%改性时，T0 和 T1 提升率 <3% ，而 T3 和 T4 提升率＞4.5%。

（3）优化配方摩擦性能满足：DA=6%改性时，MM3000 摩擦磨损试验高速段（ 24003600r/min ）衰退率4.86%，磨耗量32.2g；电机摩擦片样品20000 次高速制动后扭矩保持率 83.3%_c 。（4）热稳定性改善存在显著阈值效应：DA 含量＞6%时性能增幅收窄。

参考文献：

[1] 朱景芬. 我国 NBR 的现状及发展趋势[J]. 橡胶工业. 2000, 47(9): 555-564.

[2] 王思静. 橡胶老化特征及防护技术研究进展[J]. 合成材料老化与应用. 2009, 38(3):41-

[3] 李志强, 王海燕. 丁腈橡胶/酚醛树脂共混体系的热氧老化行为[J]. 高分子材料科学与工程, 201834(5): 89-94.

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[10] 国家市场监督管理总局. 电机制动摩擦片通用技术条件: GB/T 39814-2021[S]. 北京: 中国标准出版社, 2021.