鐵路貨車廢摩擦材料再生利用研究現(xiàn)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043）

鐵路貨車廢摩擦材料再生利用研究現(xiàn)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043）

摘要：本文簡要介紹了國內(nèi)外關(guān)于國體廢棄物的再生利用的研究現(xiàn)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(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)由鋼背和高分子復(fù)合摩擦材料組成，是在一定的生產(chǎn)工藝下將基體、增強(qiáng)相、摩擦學(xué)性能調(diào)節(jié)劑等，再經(jīng)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(chǎn)生的廢棄物量巨大。反復(fù)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(huán)利用技術(shù)的復(fù)雜，回收成本較高，國內(nèi)外還沒有企業(yè)對廢棄的閘瓦（剎車片）進(jìn)行回收利用。廢棄的車輛閘瓦（片）作為工業(yè)固體垃圾，目前主要是深埋回填，其中的高聚物降解時(shí)間漫長，加之其中的金屬、無機(jī)稀土填料等，對土壤造成很大的改變，同時(shí)占用較大的土地資源，并對環(huán)境造成了極大危害。

本文分兩部分：第一部分是對國內(nèi)外固體廢棄物的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(jìn)行分析。

1.國內(nèi)外關(guān)于國體廢棄物的再生利用的研究

1.1 國內(nèi)關(guān)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(jìn)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(jīng)過濾、置換、結(jié)晶等工序?qū)U棄剎車片中的銅轉(zhuǎn)化為無水硫酸銅，從而實(shí)現(xiàn)了對廢棄剎車片中銅的回收利用，既保護(hù)了環(huán)境，又節(jié)約了資源，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1998年，莊學(xué)功對合成閘瓦加工過程中收集的粉塵和合成閘瓦廢品經(jīng)粉碎成的一定粒度的粉料進(jìn)行了回收利用的研究。當(dāng)廢粉的加入量在10%～15%時(shí)，材料的磨耗和摩擦系數(shù)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(chǎn)過程中廢料的回收利用進(jìn)行了研究。所研究的廢料是摩擦材料流動到模腔內(nèi)間隙而形成的大量料皮以及閘瓦清理時(shí)從瓦體、瓦背上剔落下的飛邊毛刺。

研究結(jié)果表明，在低摩合成閘瓦中摻入5%廢料，可節(jié)約3.5%左右的原材料，而且能保證低摩合成閘瓦的各項(xiàng)性能符合鐵路標(biāo)準(zhǔn)要求。

楊振，張燦等人通過對摩擦企業(yè)在生產(chǎn)中所產(chǎn)生的磨削粉、鉆削粉等廢料的特性進(jìn)行分析，以磨削粉作為摩擦材料組分進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。磨削粉經(jīng)過粉碎篩選等加工處理后，按新設(shè)計(jì)的材料生產(chǎn)配方以質(zhì)量比在12%以內(nèi)直接添加可以制造出合格的摩擦片，從而為摩擦企業(yè)的廢料綜合利用提供了理論依據(jù)，而且減少企業(yè)廢料排放來保護(hù)環(huán)境。

1.2 國外關(guān)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(qiáng)體、苯酚甲醛樹脂為基體制備了復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻入礦渣纖維的苯酚甲醛樹脂的平均摩擦系數(shù)增大，而且磨損率降低，實(shí)現(xiàn)了廢棄礦渣纖維在復(fù)合摩擦材料中的應(yīng)用。

J. Myalski、J. Sleziona在廢棄的熱固性環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料中加入復(fù)合循環(huán)材料，調(diào)查顯示，廢棄的材料可以取代昂貴的增強(qiáng)纖維，碳化的復(fù)合循環(huán)材料有利于在高溫條件下保持摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，防止摩擦材料的熱破壞，從而提高了復(fù)合材料的摩擦使用溫度，實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的循環(huán)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰的含量最高時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)也最大。復(fù)合材料的熱衰退性強(qiáng)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(fù)合材料磨損時(shí)產(chǎn)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(fù)性。他們所作的工作表明了粉煤灰在摩擦磨損方面的應(yīng)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(yīng)用于增強(qiáng)混凝土、增強(qiáng)裝飾用灰泥和增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3個方向。

美國廢舊輪胎回收利用及工業(yè)化處理方法主要有4種：

①翻新利用法。

②傳統(tǒng)填埋法（大多要求切塊后填埋）。

③④生產(chǎn)橡膠粉。

④熱能利用法（工業(yè)鍋爐、水泥窯爐、發(fā)電鍋爐等）。

傳統(tǒng)填埋法對環(huán)境和生態(tài)資源帶來嚴(yán)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(yè)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(yè)廢棄物在摩擦材料的發(fā)展進(jìn)行了研究。他們認(rèn)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(chǎn)成本，而且保護(hù)了環(huán)境、節(jié)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(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，使酚醛樹脂的黏結(jié)作用失效。實(shí)現(xiàn)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(jī)械粉碎結(jié)合的方式，對熱解后的廢摩擦材料塊體進(jìn)行粉碎，通過震蕩篩分方式，選取粒度適當(dāng)?shù)姆勰Q為熱解回收料。

（3）以熱解回收料再生利用工藝，重新進(jìn)行復(fù)合材料的配方設(shè)計(jì)。以熱解回收料為主要填料，加入黏結(jié)劑、無機(jī)填料、摩擦學(xué)性能調(diào)節(jié)劑等，運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)和正交設(shè)計(jì)的配方設(shè)計(jì)方法，重新設(shè)計(jì)復(fù)合摩擦材料的配方。

（4）新復(fù)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(fù)合摩擦材料。熱壓成型工序完成之后，需要對產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，已消除產(chǎn)品內(nèi)部的殘余應(yīng)力和微裂紋，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

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

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

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

[3]魏儒東.低摩合成閘瓦生產(chǎn)過程中廢料的回收利用[J].鐵道技術(shù)監(jiān)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(xué)，2012.

[5]陳曉松，張枝苗，李珊珊，等.廢玻璃鋼粉/環(huán)氧樹脂復(fù)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(jìn)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(yè)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(fù)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

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項(xiàng)目來源：河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目《機(jī)車車輛閘瓦摩擦材料的回收再利用技術(shù)研究》（14273805D）。