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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
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
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
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
成本高：需橡胶和大量有机溶剂制浆
存在问题：①油溶性酚醛树脂
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
②树脂热稳定性低
•
研究内容： 以水溶性PF
代替
高温分解
热衰退，摩擦系数
油溶性PF
对水溶性PF进行改性研究，提高热稳定性
O-
OH
+
OH-
OH
O-
OH
OH
CH2OH
+
HCHO
CH2OH HOH2C
+
+
CH2OH
CH2OH
CH2OH
OH
H2C
CH2OH
CH2
OH
CH2OH
CH2
......
HO
OH
OH
HOH2C
CH2OH
CH2OH
m
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)
关于离合器面片摩擦磨损性能的国家标准GB/T 5764-2011
试验温度
100℃
150℃
摩擦系数
0.25～0.60
0.25～0.60
指定摩擦系数的允
许偏差（△u）
±0.08
±0.10
磨损率（V）/[107cm3/（N.m）]
0～0.5
试验温度指试验机圆盘摩擦面温度。
0～0.60
200℃
250℃
300℃
0.25～0.60
0.20～0.60
0.20～0.60
±0.12
±0.12
±0.14
0～0.80
0～1.00
0～1.20
摩擦系数范围包括允许偏差在内。
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
100
d
e
Mass remain/%
90
a
b
80
c
70
60
100
200
300
400
500
600
700
Temperature/،‫و‬
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
800
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。
②磷酸用量对树脂耐热性能的影响
100
b
95
weight/%
90
a
85
c
80
75
70
65
60
100
200
300
400
500
600
700
800
Temperature/℃
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
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。
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。
③摩擦样品的摩擦系数随温度变化的曲线
0.45
0.45
0.40
0.40
u
0.35
0.35
b
a
0.30
0.30
0.25
0.25
0.20
0.20
0.15
0.15
100
150
200
250
300
350
Temperature/،‫و‬
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
④两组样品在不同温度下的磨损率
a
b
Wear rate/10-7cm3/N*m
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0.0
0.0
100
150
200
250
300
350
Temperature/℃
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
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
b-硼酸改性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
d-硼酸改性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
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
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。
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
100
95
a
weight/%
90
bc
85
d e
80
75
70
65
100
200
300
400
500
600
700
800
Temperature/℃
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
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%。
②改性水溶性酚醛树脂耐热性
100
weight/%
95
a
c
b
90
85
80
75
70
100
200
300
400
500
600
700
Temperature/℃
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
800
改性树脂耐热性
5%
10%
未改性树脂
365℃
450℃
4%硼酸/铜粉改性树脂
382℃
475℃
4%硼酸/凹凸棒土改性
树脂
396℃
486℃
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。
③摩擦样品的摩擦系数
0.5
0.5
a
Friction coefficient(u)
0.4
0.3
0.4
c
0.3
b
0.2
0.2
0.1
0.1
100
150
200
250
300
350
Temperature/℃
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
④摩擦样品的磨损率
Wear rate/10-7cm3/N*m
0.5
a
b
c
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
100
150
200
250
300
350
Temperature/℃
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
⑤磨损表面形貌观察
a-样品在100℃磨损后的表面形貌
c-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
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
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
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
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。
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。
THANKS
!