摘要
为了改善纸基摩擦材料原纸表面碳纤维沉积以及强度性能，研究了添加磷酸三丁酯（TBP）和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）对原纸碳纤维沉积以及强度性能的影响。结果表明，添加TBP可有效改善碳纤维在原纸表面的沉积，TBP用量为3 wt%时，原纸表面无聚集的碳纤维沉积，但强度下降；当CPAM和TBP用量分别为0.03 wt%和3 wt%时，原纸的抗张指数、内结合强度与对照组（TBP用量3 wt%）相比分别提升了23.9%和82.0%，同时改善了原纸表面碳纤维的沉积。
纸基摩擦材料是一种由纤维、黏结剂、摩擦性能调节剂和填料等组成的复合材料，主要用于各类重型车辆和工程机械的湿式离合器和制动器中，特别是作为汽车自动变速器的湿式离合器的摩擦片材料，具有广阔的应用前
然而实验中发现，在打浆和抄造过程中，纤维混合体系会产生大量泡沫，疏水的碳纤维会聚集到泡沫表面，造成碳纤维在原纸表面出现严重的沉积现象，为此必须在体系中加入消泡剂。经过选择，磷酸三丁酯（TBP）是该体系较理想的消泡剂，其消泡效果好，能够明显降低碳纤维的聚集程度。但是，TBP的加入会显著降低原纸强度。原纸的强度以及碳纤维在原纸中的分散直接影响纸基摩擦材料性能，尤其是碳纤维在原纸表面分散不均会造成纸基摩擦材料摩擦性能不稳定。因此，需要考虑加入其他助剂，在保持碳纤维分散性的同时，提高原纸强度。
本课题研究了TBP对碳纤维在原纸表面沉积的影响，分析了TBP降低原纸强度的机理；为提高原纸强度，探究了阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）与TBP对纸基摩擦材料原纸强度的影响。
主要原料及试剂：漂白硫酸盐针叶木浆板，山东世纪阳光纸业有限公司；短切碳纤维（平均长度3 mm、直径6 μm），中复神鹰碳纤维股份有限公司；芳纶短切纤维（平均长度3 mm、直径10 μm），中蓝晨光化工有限公司；芳纶浆粕（主纤长度1.0~3.0 mm，直径10.0 μm，微纤长度0.1~2.0 μm），中蓝晨光化工有限公司；TBP，分析纯，天津大茂化学试剂厂；CPAM（平均相对分子质量500万，电荷密度3 mmol/g），上海麦克林生化科技有限公司。
主要仪器及设备：瓦利打浆机，No2505型，日本KRK公司；标准疏解机，73-18型，瑞典L&W公司；快速纸页成型器，RK-3A型，奥地利PTI公司；动态滤水测定仪，DSC75，美国PRM公司；浆料Zeta电位测定仪，SZP-10，东莞市英特耐森精密仪器有限公司；抗张强度测试仪，062969921型，瑞典L&W公司；内结合强度测定仪，PN-IBTF型，杭州品享科技有限公司；扫描电子显微镜，SU-1510型，日本日立公司。
将漂白硫酸盐针叶木浆、碳纤维、芳纶纤维、芳纶浆粕分别进行疏解，转数10000转；然后按照质量比5∶2∶2∶1进行混合，使用瓦利打浆机打浆至打浆度40 °SR；最后加入一定量的助剂并搅拌均匀，在快速纸页成型器上进行抄片，定量100 g/
纸张的定量、抗张强度、内结合强度分别按照《纸和纸板定量的测定》（GB/T 451.2—2002）、《纸和纸板抗张强度的测定》（GB/T 12914—2008）和《纸和纸板内结合强度的测定》（GB/T 26203—2010）进行测定。
采用动态滤水测定仪（DDJ）测定浆料的留着率：取1000 mL浓度为3~5 g/L的浆料倒入DDJ的滤水筒中，按设定的用量加入CPAM和TBP，设定相应的搅拌速度及混合时间，然后在预定的转速下进行脱水，取最初的200 mL滤液，测定滤液的浓度，首程留着率R按
| （1） |
式中，S、S0分别是200 mL滤液和1000 mL浆料中的固形物含量，g。
碳纤维的疏水性及密度
图1 碳纤维在原纸表面的分布
Fig. 1 Distribution of carbon fiber on the surface of base paper
TBP作为消泡剂，可有效地使已形成的泡沫膜处于不稳定的状态而迅速消除细小泡沫，降低碳纤维因泡沫合并而出现的聚集，进而改善其在原纸表面的沉
图2 TBP用量对原纸表面碳纤维沉积的影响
Fig. 2 Effect of TBP dosage on carbon fiber deposition on the surface of base paper
由
图3 TBP的消泡机理
Fig. 3 Defoaming mechanism of TBP
碳纤维密度较小，表面光滑，且缺乏化学活性基团，导致纤维间的结合力差，碳纤维的加入会导致纸张强度降低。TBP对原纸强度性能的影响如
图4 TBP用量对原纸强度性能的影响
Fig. 4 Effect of TBP dosage on strength properties of base paper
由
影响纸张强度的因素之一是纤维结合力，其中，氢键结合力在纤维结合中占据着主要影
图5 TBP对纤维结合的影响
Fig. 5 Effect of TBP on fiber binding
虽然TBP通过消泡作用可有效减少碳纤维在原纸表面的沉积，但对原纸强度具有负面影响。因此考虑在体系中添加具有增强作用的助剂来维持原纸的强度，本研究选用CPAM作为增强剂。
为了改善碳纤维在原纸表面沉积的同时提高原纸的强度，本研究在TBP用量3 wt%的条件下，考察了CPAM用量对原纸强度性能的影响，结果如
图6 CPAM用量对原纸强度性能的影响
Fig. 6 Effect of CPAM dosage on strength properties of base paper
由
CPAM在抄纸过程中具有增强和助留助滤的作
图7 CPAM用量对浆料Zeta电位及首程留着率的影响
Fig. 7 Effect of CPAM dosage on Zeta potential and first-pass slurry retention of pulp
注 TBP用量3 wt%。
CPAM同时具有絮聚作用。CPAM对原纸厚度方差的影响如
图8 CPAM用量对原纸厚度方差的影响
Fig. 8 Effect of CPAM dosage on thickness variance of base paper
注 TBP用量3 wt%。
在确认CPAM与TBP复配使用可有效提高原纸强度的基础上，在CPAM用量为0.03 wt%、TBP用量为3 wt%的条件下，考察CPAM与TBP复配使用对于碳纤维在原纸表面沉积的影响，以未添加助剂的纸样作为对照，结果见
图9 添加不同助剂原纸表面照片
Fig. 9 Photos of the surface of base paper with different reagents
注 （a）空白样；（b）CPAM用量0.03 wt%；（c）CPAM、TBP用量分别为0.03 wt%及3 wt%；（d）TBP用量3 wt%，图10同。
图10 添加不同助剂原纸表面SEM图（×50）
Fig. 10 SEM images of the surface of base paper with different reagents (×50)
由
以上研究表明，TBP与CPAM复配使用可以改善碳纤维在原纸表面的沉积，选取CPAM用量0.03 wt%与TBP用量3 wt%作为最佳复配用量。实验组（CPAM、TBP用量分别为0.03 wt%及3 wt%）、对照组（（TBP用量3 wt%）和空白样（未添加助剂）的强度性能指标对比结果见
| 强度指标 | 内结合强度/J· | 抗张指数/N·m· |
|---|---|---|
| 实验组 | 46.4 | 17.6 |
| 对照组 | 25.5 | 14.2 |
| 空白样 | 43.0 | 17.9 |
由
本课题研究了添加磷酸三丁酯（TBP）和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）对纸基摩擦材料原纸表面碳纤维沉积以及原纸强度性能的影响。结果表明，添加TBP可以改善碳纤维在原纸表面的沉积，但由于其与纤维结合后形成空间位阻导致纤维间结合力下降，进而降低了原纸强度。CPAM和TBP复配使用可在基本保持原纸强度的同时改善原纸表面碳纤维的沉积，为后续的树脂浸渍、热压固化并得到满足性能要求的纸基摩擦材料奠定良好的基础。
参 考 文 献
张日盈. 石墨和纸页成型方法对湿式纸基摩擦材料性能的影响［D］. 广州： 华南理工大学， 2019. [百度学术]
ZHANG R Y. Effect of Graphite and Paper Forming Method on Properties of Wet Paper-based Friction Materials［D］. Guangzhou： South China University of Technology， 2019. [百度学术]
陈 杰. 高性能纤维复合纸基摩擦材料的研究［D］. 西安： 陕西科技大学， 2014. [百度学术]
CHEN J. Study on High Performance Fiber Composite Paper-based Friction Material ［D］. Xi'an： Shaanxi University of Science and Technology， 2014. [百度学术]
WERKEN N， TEKINALP H， KHANBOLOUKI P， et al. Additively Manufactured Carbon Fiber-Reinforced Composites： State of the Art and Perspective［J］. Additive Manufacturing， 2019， 31（2019）： 25-30. [百度学术]
黄 鹏. 减摩剂及预氧丝对树脂基摩擦材料性能的影响［D］.大连： 大连理工大学， 2020. [百度学术]
HUANG P. Effect of Antifriction Agent and Preoxygen Filament on Properties of Resin Based Friction Materials ［D］. Dalian： Dalian University of Technology， 2020. [百度学术]
KIM S J， CHO M H， LIM D S， et al. Synergistic Effects of Aramid Pulp and Potassium Titanate Whiskers in the Automotive Friction Material［J］. Wear， 2001， 251（2）： 1484-1491. [百度学术]
于安军， 范志平， 靳高岭， 等.对位芳纶浆粕纤维的应用研究进展［J］.高科技纤维与应用， 2021， 46（2）： 62-67. [百度学术]
YU A J， FAN Z P， JIN G L， et al. Research progress of para-Aramid Pulp Fibers ［J］. High Technology Fiber & Application， 2021， 46（2）： 62-67. [百度学术]
李坤鹏. 汽车用纸基摩擦材料纸页结构与成纸性能的研究［D］. 济南： 齐鲁工业大学， 2017. [百度学术]
LI K P. Study on Paper Structure and Paper Forming Properties of Friction Material Based on Automobile Paper ［D］. Ji'nan： Qilu University of Technology， 2017. [百度学术]
WANG H M， LIU Z， HUI L F， et al. Biomass-derived Porous Carbon Materials for Supercapacitor Electrodes： A Review［J］. Paper and Biomaterials， 2020， 5（2）： 60-75. [百度学术]
张 雪， 刘 媛， 杨 斌， 等. 碳纤维表面改性对复合材料性能的影响［J］. 功能高分子学报， 2017， 30（4）： 444-449. [百度学术]
ZAHNG X， LIU Y， YANG B， et al. Effect of Surface Modification on Properties of Carbon Fiber Composites ［J］. Journal of Functional Polymers， 2017， 30（4）： 444-449. [百度学术]
李 刚， 陈勃翰， 刘 静. 碳纤维表面改性技术研究进展［J］. 化工新型材料， 2017， 45（538）： 45-47. [百度学术]
LI G， CHEN B H， LIU J. Research Progress of Surface Modification Technology of Carbon Fiber ［J］. New Chemical Materials， 2017， 45（538）： 45-47. [百度学术]
李玉铭， 石 岩. 磷酸三丁酯对GRC水泥流动性的作用［J］. 哈尔滨理工大学学报， 2001（4）： 13-14. [百度学术]
LI Y M， SHI Y. Effect of Tributyl Phosphate on Fluidity of GRC Cement ［J］. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2001（4）： 13-14. [百度学术]
董 勇， 伍锦秀， 徐 媚， 等. 制浆造纸工业用消泡剂的开发及应用进展［J］. 精细化工， 2021， 38（5）： 898-906. [百度学术]
DONG Y， WU J X， XU M， et al. Development and Application Progress of Defoamer for Pulp and Paper Industry［J］. Fine Chemicals， 2021， 38（5）： 898-906. [百度学术]
何北海. 造纸原理与工程［M］. 北京： 中国轻工业出版社， 2012. [百度学术]
HE B H. Principle and Engineering of Papermaking ［M］. Beijing： China Light Industry Press， 2012. [百度学术]
张岩强. 造纸厂中消泡剂的选择与应用［C］// 全国特种纸技术交流会暨特种纸委员会年会.衢州， 2015. [百度学术]
ZHANG Y Q. Selection and Application of Defoamer in Paper Mill ［C］// National Special Paper Technology Exchange Conference and Special Paper Committee Annual Conference. Quzhou， 2015. [百度学术]
MILAD T， HOSSEIN J， RESALATI Y， et al. Effects of Cationic Starch in the Presence of Cellulose Nanofibrils on Structural， Optical and Strength Properties of Paper From Soda Bagasse Pulp［J］. Carbohydrate Polymers， 2018， 194： 1-8. [百度学术]
张晓慷. 壳聚糖在CPAM水分散体系中的应用及其机理的探讨［D］. 青岛： 青岛科技大学， 2014. [百度学术]
ZHANG X K. Application and Mechanism of Chitosan in Water Dispersion System of CPAM ［D］. Qingdao： Qingdao University of Science and Technology， 2014. [百度学术]
张 伟. CPAM在纤维上的吸附特性及其助留助滤性能研究［D］. 广州： 华南理工大学， 2014. [百度学术]
ZHANG W. Study on Adsorption Characteristics and Retention and Filtration Performance of CPAM on Fiber ［D］. Guangzhou： South China University of Technology， 2014. [百度学术]
杨慧荣. 聚丙烯酰胺高效环压增强剂的合成及应用机理的研究［D］. 济南： 齐鲁工业大学， 2014. [百度学术]
YANG H R. Study on Synthesis and Application Mechanism of CPAM High-efficiency Cyclic Pressure Enhancer ［D］. Ji'nan： Qilu University of Technology， 2014. [百度学术]
张琛霞， 王高升， 孔军军， 等. 玉米秸秆高得率浆细小组分特性及其对纸浆性能影响［J］. 中国造纸， 2019， 38（7）： 28-35. [百度学术]
ZHANG C X， WANG G S， KONG J J， et al. Fine Component Characteristics of Corn stalk High Yield Pulp and Its Effect on Pulp Properties［J］. China Pulp & Paper， 2019， 38（7）： 28-35. [百度学术]