水溶性酚醛树脂离合器面片的制备及高温摩擦稳定性的研究

1. 水溶性酚醛树脂离合器面片的制备及高温摩擦稳定性的研究水溶性酚醛树脂离合器面片的制备及高温摩擦稳定性的研究 -------毕业答辩 报告人：黄 勇 导 师：乌学东

2. 主要内容 研究背景介绍 Ba(OH)2催化制备水溶性PF及摩擦材料 NaOH 催化制备水溶性PF及摩擦材料 结论与展望

3. 一、研究背景 摩擦材料：依靠摩擦作用执行传动或制动的一类材料 车辆中常见的摩擦材料 离合器面片 刹车片 • 组要成分：黏结剂--------酚醛树脂，橡胶 增强材料-----有机或无机纤维 填 料----------性能调节剂及填充料

4. 有机溶剂 填料 • 离合器面片制备工艺：树脂、橡胶-----------------------浆料------连续纤维 浸渍浆料------ 烘干、缠绕----热压成型---后处理 存在问题：①油溶性酚醛树脂 ②树脂热稳定性低 高温分解 热衰退，摩擦系数 成本高：需橡胶和大量有机溶剂制浆 危险性：有机溶剂易燃易爆，污染环境 生产复杂：树脂生产时需低压脱水 • 研究内容： 以水溶性PF 代替 油溶性PF • 对水溶性PF进行改性研究，提高热稳定性

5. 合成条件：甲醛与苯酚摩尔比大于1 碱性催化剂 [氨水，Ba(OH)2，NaOH] 耐热改性：C-C:332 kJ/mol ;C-O: 326 kJ/mol;P-O: 410kJ/mol ;B-O:515kJ/mol (中国石油大学化学数据速查手册)

6. 关于离合器面片摩擦磨损性能的国家标准GB/T 5764-2011

7. 二、Ba(OH)2催化制备水溶性PF及摩擦材料 ①不同量硼酸对树脂耐热性能的影响 a-未改性PF b-0.5%硼酸改性PF c-1%硼酸改性PF d-2%硼酸改性PF e-4%硼酸改性PF 图2.1 不同量硼酸改性水溶性酚醛树脂固化的热重曲线 Fig.2.1 TGA curves of the cured water phenolic resins modified boric acid

8. 酚醛树脂热失重一般分作三段：①进一步固化，释放H2O等小分子物质；酚醛树脂热失重一般分作三段：①进一步固化，释放H2O等小分子物质； ② 酚醛树脂热分解，释放CO2，H2O，甲烷等； ③树脂炭化过程。 图2.1中，400℃时，失重率分别为 a-13.66%， b-11.24%， c-11.94%，d-9.43%， e-6.56%. 随硼酸加入量的增加，树脂热稳定性随之提高。 树脂溶液的稳定性：加入硼酸量为树脂固体含量8%时，5h左右树脂凝胶； 4%时，10天左右凝胶； 加入硼酸量低于4%时，树脂稳定保存时间超过10天。

9. ②磷酸用量对树脂耐热性能的影响 a-未改性PF b-2%磷酸改性PF c-4%磷酸改性PF 图2.2 不同量磷酸改性水溶性酚醛树脂固化的物热重曲线 Fig.2.2 TGA curves of the cured water phenolic resins modified boric acid

10. 温度为450℃时，失重率分别为 未改性树脂16.80%， 2%磷酸改性树脂 9.88%， 4%磷酸改性树脂12.60% 800℃时，树脂残余量分别为 未改性树脂61.62%， 2%磷酸改性树脂64.28%， 4%磷酸改性树脂65.93%。 磷酸改性树脂可提高树脂热稳定性和残炭率。 改性树脂溶液稳定性，加入磷酸量6%时，树脂溶液凝胶； 加入磷酸量4%时，溶液颜色加深，5天左右变浑浊； 加入磷酸量2%时，溶液颜色加深，5天左右变浑浊。 考虑树脂水溶液稳定性及树脂耐热性，选用4%硼酸改性树脂制备摩擦样品，并与未改性树脂制备的摩擦样品进行性能对比。

11. 摩擦样品的制备： 水溶性酚醛树脂，填料以水为溶剂制备浆料----------玻璃纤维，芳纶浸渍浆料------烘干、缠绕-------热压成型------热处理、打磨等。 制备浆料时，使用水代替了有机溶剂，同时也避免了橡胶的使用。

12. ③摩擦样品的摩擦系数随温度变化的曲线 a-未改性PF摩擦样品 b-改性PF摩擦样品 图2.3 摩擦样品摩擦系数随温度变化曲线 Fig.2.3 Plots of the friction coefficient as a function of disk temperature

13. ④两组样品在不同温度下的磨损率 a-未改性PF摩擦样品 b-硼酸改性PF摩擦样品 图 2.4 摩擦样品磨损率随温度变化 Fig. 2.4 The change of the wear rate as a function of disk temperature

14. ⑤磨损表面形貌观察 a-未改性PF摩擦样品在100℃磨损后的表面形貌 c-未改性PF摩擦样品在200℃磨损后的表面形貌 e-未改性PF摩擦样品在350℃磨损后的表面形貌 b-硼酸改性PF摩擦样品在100℃磨损后的表面形貌 d-硼酸改性PF摩擦样品在200℃磨损后的表面形貌 f-硼酸改性PF摩擦样品在350℃磨损后的表面形貌 图2.5 摩擦实验后样品的磨损表面形貌 Fig. 2.5 Worn surfaces morphology of the materials after tribological test

15. 本章小结 • 硼酸，磷酸的加入可以提高树脂热稳定性，但会降低树脂水溶液的稳定性； • 使用4%硼酸改性树脂与未改性树脂制备的摩擦样品，在高温下热衰退程度均比 较大，使用改性树脂制备的摩擦样品的热衰退和磨损率相对较小； • 改性树脂与未改性树脂制备的样品，在高温区域的摩擦稳定性低，摩擦系数波 动幅度大，不适用于摩擦材料实样的制备。

16. 三、NaOH催化制备水溶性PF及摩擦材料 ①不同量纳米凹凸棒土对树脂耐热性能的影响 a-水溶性酚醛树脂 b-加0.5%凹凸土树脂 c-加1%凹凸土树脂 d-加2%凹凸土树脂 e-加3%凹凸土树脂 图3.1 水溶性酚醛树脂固化物的热重曲线 Fig.3.1 TGA curves of the cured water phenolic resins

17. 温度为350℃时，失重率分别为 a-6.27%,b-5.70%, c-5.26% ,d-5.25%, e-6.63% 随着纳米凹凸棒土的加入，树脂热稳性性提高，但纳米凹凸棒土加入量过多时，容易团聚使得树脂耐热性降低。 加入1%纳米凹凸棒土的效果较好，使用硼酸与纳米凹凸棒土改性树脂时，纳米凹凸棒土的加入量为树脂固体含量1%。

18. ②改性水溶性酚醛树脂耐热性 a-未改性PF b-硼酸/微米Cu改性PF c-硼酸/纳米at改性PF 图3.2 水溶性酚醛树脂固化物的热重曲线 　　 Fig.3.2 TGA curves of the cured water phenolic resins

19. 改性树脂耐热性 树脂水溶液稳定性， 4%硼酸/凹凸棒土改性树脂 存放14天左右时，颜色加深，流动性变差。 4%硼酸/超细铜粉改性树脂 存放7天左右 时，溶液底部有铜粒子的沉淀。 选用以上三组水溶性酚醛树脂作为粘接剂制备摩擦样品。

20. ③摩擦样品的摩擦系数 　　a-未改性PF摩擦样品 b-硼酸/铜粉改性PF摩擦样品 c-硼酸/凹凸土改性PF摩擦样品 图3.3 摩擦样品摩擦系数随温度变化曲线 　 Fig. 3.3 Plots of the friction coefficient as a function of disk temperature

21. ④摩擦样品的磨损率 a-未改性PF样品 b-硼酸/铜粉改性PF样品 c-硼酸/凹凸土改性PF样品 图3.4 摩擦样品磨损率随温度变化 Fig.3.4 The change of the wear rate as a function of disk temperature

22. ⑤磨损表面形貌观察 a-样品在100℃磨损后的表面形貌 b-样品在350℃磨损后的表面形貌 c-样品在100℃磨损后的表面形貌 d-样品在350℃磨损后的表面形貌 图3.5 未改性树脂样品摩擦试验后的磨损表面形貌 Fig.3.5 Worn surfaces morphology of the material with water-soluble PF after tribological test

23. a-样品在100℃磨损后的表面形貌 b-样品在350℃磨损后的表面形貌 c-样品在350℃磨损后的表面形貌 图3.6 硼酸/铜粉改性树脂样品摩擦试验后的磨损表面形貌 Fig.3.6 Worn surfaces morphology of the material with boric acid and copper powder modified water-soluble PF after tribological test

24. a-样品在100℃磨损后的表面形貌 b-样品在350℃磨损后的表面形貌 c-样品在350℃磨损后的表面形貌 图3.7 硼酸/凹凸棒土改性树脂样品摩擦试验后的磨损表面形貌 Fig.3.7 Worn surfaces morphology of the material with boric acid and attapulgite modified water-soluble PF after tribological test

25. 本章小结 • 使用纳米凹凸棒土改性水溶性酚醛树脂，可以提高树脂耐热性，但纳米凹凸棒土用量超过3%时，纳米粒子团聚，使得树脂热稳性性降低 • 使用4%硼酸加超细铜粉与4%硼酸加纳米凹凸棒土改性水溶性的酚醛树脂，在一定程度上可以提高树脂的耐热性能，在树脂分解温度区域内，其失重量小于未改性水溶性酚醛树脂； • 经过4%硼酸加纳米凹凸棒土改性的树脂制备的样品在高温区域摩擦磨损性能稳定，经过4%硼酸加微米级铜粉改性的树脂制备的样品的磨损率较小。3组样品摩擦磨损性能均符合标准GB/T 5764-2011。

26. 四、结论与展望 结论： • 制备摩擦材料用的水溶性酚醛树脂时，NaOH相对于Ba(OH)2更适用于作催化剂； • 使用硼酸或磷酸对水溶性酚醛树脂进行改性，可提高树脂耐热性能，但会降低树脂水溶液的稳定性； • 使用4%硼酸加1%纳米凹凸棒土改性水溶性酚醛树脂作为粘接剂制备摩擦样品，样品的摩擦磨损性能优异，高温区域具有较高摩擦稳定性。 展望： • 配方的优化；降低树脂用量，调节纤维、填料种类与用量； • 制备离合器面片实样，模拟实际工况，进行惯性台架实验。

27. THANKS !