硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶比例对摩擦材料性能的影响

第29卷 第18期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.18

84 2013年 9月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2013

硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶比例对摩擦材料性能的影响

刘军恒1,2，何春霞1,2※，刘 静1,2，付菁菁1,2，陆德荣1,2

（1. 南京农业大学工学院，南京 210031； 2. 江苏省智能化农业装备重点实验室，南京 210031）

摘 要：为探究硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶的质量比（BPF/NBR）对复合摩擦材料力学性能、耐热性能和摩擦磨损性能的影响，采用不同比例的丁腈橡胶和硼改性酚醛树脂作为复合摩擦材料基体，添加碳纤维、钢纤维、石墨、氧化铝粉和沉淀硫酸钡制成复合摩擦材料。对复合摩擦材料的密度、硬度、压缩强度和摩擦磨损性能进行了测试，用变焦距体视显微镜观察磨损表面，并分析其磨损机理。用差分扫描量热仪对摩擦材料进行耐热性分析。结果表明：BPF/NBR质量比对复合摩擦材料的力学性能、耐磨及耐热性影响较大；当硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶质量比为6∶1时，复合摩擦材料有最高的密度、硬度和压缩强度，分别为1.933 g/cm3、105 HRL和134 MPa；当硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶质量比为5∶1时，摩擦材料的磨损量最小；随着BPF/NBR比例增大，复合摩擦材料表面抗犁削作用增强，黏着转移减弱。利用丁腈橡胶二次改性硼改性酚醛树脂能显著提高硼改性酚醛树脂的耐热性能，且硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶的最佳比例介于4∶1和5∶1之间。

关键词：摩擦材料，酚醛树脂，橡胶，共混改性，摩擦磨损，耐热性能 doi ：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.18.011

中图分类号：TB332 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-18-0084-06

刘军恒，何春霞，刘 静，等. 硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶比例对摩擦材料性能的影响[J]. 农业工程学报，2013，29(18)：84－89.

Liu Junheng, He Chunxia, Liu Jing, et al. Effects of ratio of boron modified phenolic resin to nitrile butadiene rubber on properties of friction materials[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(18): 84－89. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

随着汽车、飞机等速度的不断提高，对传动、制动等摩擦材料的要求更加严格，而基体作为摩擦材料的重要组成部分一直是开发与研究的重点。酚醛树脂、环氧树脂、丁苯橡胶和聚四氟乙烯均可被用作摩擦材料的基体[1-4]，但是环氧树脂、丁苯橡胶和聚四氟乙烯由于较差的耐磨性能、耐热性能和黏

酚醛树结性能[5-6]限制了其在摩擦材料方面的应用。

脂在耐热性能、黏结性能、力学性能、成型加工性能和成本等方面的优势，使其成为复合摩擦材料最常用黏结剂基体材料[7-9]。然而，纯酚醛树脂存在脆性大、韧性差、硬度高、耐热性不足、强度低及使用时噪音大等缺陷[10]，极大影响摩擦材料性能，因此，对酚醛树脂进行改性是提高其综合性能的有效

收稿日期：2013-04-08 修订日期：2013-08-26

基金项目：国家科技支撑计划子课题资助项目（2011BAD20B03－02），中央高校基本科研业务费专项基金资助项目（KYZ200921）。 作者简介：刘军恒（1987－），男，河北邢台人，主要从事复合摩擦材料研究与应用。南京 南京农业大学工学院210031。 Email ：[email protected]

※通信作者：何春霞（1960－），女，教授，主要从事新型工程材料的应用与研究，木塑复合材料的应用与研究。南京 南京农业大学工学院210031。Email:[email protected].

方法。目前对酚醛树脂改性的研究主要是利用不同

改性剂改性酚醛树脂并作为摩擦材料的基体，陈孝飞等 [11]对硼改性酚醛树脂的固化动力学进行研究表明：改性酚醛树脂近似凝胶温度为350℃，剧烈分解温度为500～800℃，而纯酚醛树脂的热分解温度仅为340～360℃ [12]；Cevdet Kaynak等 [13]研究了丁腈橡胶酚醛树脂的机械性能，结果表明：丁腈橡胶改性酚醛树脂抗弯强度提高25%、冲击强度提高56%、断裂韧性提高20%。文献[11]和[13]表明硼和丁腈橡胶分别能较大程度地提高酚醛树脂的耐热性能和机械性能。虽然目前国内外对酚醛树脂

王进福等[18]利用B 4C 二次改的改性研究较多[14-17]，

性丁腈橡胶改性酚醛树脂，提高了摩擦材料的耐热性能、冲击强度和耐磨损性能；陈海燕等[19]研究了丁腈橡胶与硼、腰果壳油双改性酚醛树脂共混比例多摩擦材料的性能影响，属于三相改性酚醛树脂，表明当丁腈橡胶和酚醛树脂占总量的20%～25%，且硼、腰果壳油双改性酚醛树脂与丁腈橡胶比例为2∶1时制得的摩擦材料具有良好的摩擦性能和力学性能；但有关用丁腈橡胶对硼改性酚醛树脂进行二次改性并作为摩擦材料基体的相关研究甚少。

本研究利用丁腈橡胶对硼改性酚醛树脂进行二次改性并作为摩擦材料的基体，以碳纤维和钢纤

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维为增强纤维，添加石墨、氧化铝粉和沉淀硫酸钡制成摩擦材料，研究树脂和橡胶质量比对复合摩擦材料之物理、力学性能和摩擦磨损性能的影响。 1 试验部分

1.1 原料

硼改性酚醛树脂购自蚌埠市天宇高温树脂材料有限公司；丁腈橡胶购自黄山华兰科技有限公司；碳纤维，长径比8∶1，购自南京智宁塑料填料研究所；钢纤维购自南阳市军龙实业总公司；石墨，平均直径30 μm ，购自锦州斌宏隆塑料有限公司；沉淀硫酸钡，粒度为400目，购自上海高全化工制品有限公司。 1.2 试样制备

取适量碳纤维、钢纤维、石墨和Al 2O 3粉，用1%的KH550硅烷偶联剂处理，并用功率为80 W，频率为40 kHz的超声波振荡30 min并烘干；利用高速混料机将碳纤维、钢纤维、石墨、Al 2O 3粉、硼改性酚醛树脂（boron modified phenolic resin, BPF ）和丁腈橡胶（nitrile butadiene rubber, NBR）按表1配方混合，采用模压法压制成型，模压温度160℃，模压压力10 MPa，保温保压15 min。表1为本研究的丁腈橡胶二次改性硼改性酚醛树脂为基体摩擦材料配方方案。

表1 不同硼改性酚醛树脂/丁腈橡胶比例的复合摩擦材料

配方

Table1 Composition of frictional composites with different

BPF/NBR ratio

硼改性酚醛树碳纤维 钢纤维 石墨 Al 2O 3 粉 BaSO 4沉淀No. 脂/丁腈橡胶 Carbon Steel Graphite Al 2O 3 Deposit

BPF / NBR fiber /% fiber /% /% particles /% BaSO 4/% B1 2∶1 17.5 17.5 5 3 17 B2 3∶1 17.5 17.5

5

3 17 B3 4∶1 17.5 17.5 5 3 17 B4 5∶1 17.5 17.5 5 3 17 B5

6∶1

17.5 17.5 5

3

17

1.3 试验方法

用DH-300型电子比重计（东莞宏拓仪器有限公司）测量复合摩擦材料的密度；用XHR-150型塑料洛氏硬度计按GB/T5766-2007（上海联尔实验设备有限公司）测量复合摩擦材料的洛氏硬度；用CSS-44100型电子万能材料试验机（长春试验机研究所）按GB/T1448-2005测量复合摩擦材料的压缩强度；用M-2000A 型摩擦磨损试验机（宣化科华试验机有限公司）按GB3960-83测量摩擦材料的摩擦磨损性能，配副材料为45钢，直径为30 mm，测试压力分别为100、150和200 N，转速为200 r/min，测试时间为2 h；采用尼康SMZ1000型

变焦距体视显微镜观察摩擦磨损表面的微观结构；利用DZ3335差热扫描量热仪（南京大展机电技术研究所）分析复合摩擦材料的耐热性能。

2 结果与讨论

2.1 树脂与橡胶比例对复合摩擦材料的物理与力学性能影响

图1a 为不同BPF/NBR质量比对摩擦材料密度的影响，可以发现，随BPF/NBR比例增大（即橡胶含量降低），材料的密度逐渐增大。这是由于丁腈橡胶掺入酚醛树脂中，在高温时会有部分碳化，生成典型的硬炭，即玻璃碳，有小分子放出，黏结剂体积收缩大，因胶联结构而造成材料中少量的分散闭气孔存在，使材料密度降低 [18]；随着橡胶含量降低，这种趋势减小，故呈现出材料密度随BPF/NBR比例增大而增大的趋势。图1 b和c 分别为不同BPF/NBR对摩擦材料之硬度和压缩强度的影响，可以得出随BPF/NBR比例增大材料硬度和压缩强度一般均逐渐增大；但仅在BPF/NBR比例为4∶1时，硬度和压缩强度反而有所降低，可能是在BPF/NBR比例为4∶1时，橡胶与酚醛树脂充分反应，使制件的孔隙率最大，在材料试验过程中，当受到较大压缩载荷时，孔隙壁坍塌，使硬度和压缩强度降低。 2.2 树脂与橡胶比例对复合摩擦材料的摩擦磨损性能影响

图2为100、150和200 N 3种载荷下5种配比复合摩擦材料的摩擦磨损性能。由图2 a 可以发现，当树脂与橡胶比例大于2∶1时，同种配比的摩擦材料随着测试载荷增加，复合摩擦材料的摩擦系数逐渐减小；这可能是由于载荷越大，受摩擦热影响，摩擦磨损过程中填料更易脱离树脂的黏结，形成有机润滑层，从而使摩擦系数降低。在100 N载荷下，随着树脂和橡胶比例的增大，摩擦材料的摩擦系数呈现波动趋势。在150和200 N 2种载荷下，随着树脂和橡胶比例的增大，复合摩擦材料的摩擦系数呈现先减小后增大的趋势，当比例为2∶1时摩擦系数最大。摩擦系数先减小的一方面原因是由于材料的硬度随着橡胶含量的降低而增加，改变了摩擦对偶的贴合性，降低了摩擦的真实接触面积。同时橡胶具有黏弹性，而随着树脂与橡胶比例的增加，更多的丁腈橡胶与硼改性酚醛树脂反应生成二次改性的酚醛树脂，导致橡胶的黏着分量降低，摩擦系数减小。而当BPF/NBR比例达到5∶1时，此时树脂含量较高，摩擦材料受摩擦热影响而分解的组分相应增加，被树脂包裹的纤维裸露出来，增大了摩擦系数，所以摩擦系数又逐渐提高。当BPF/NBR比例为4∶1时摩擦系数最小，仅为0.307，可能此

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时橡胶的黏弹性与摩擦材料的热分解影响均较低，从而导致了较低的摩擦系数。

图1 不同BPF/NBR的复合摩擦材料的物理、力学性能

Fig.1 Physical and mechanical

properties of frictional composites with different BPF/NBR ratio

图2 不同BPF/NBR的复合摩擦材料的摩擦磨损性能

Fig.2 Friction and wear properties of frictional composites with different BPF/NBR ratio

由图2b 发现，相同载荷下随着BPF/NBR质量比的增大，磨损量先减小后增大。当BPF/NBR比例为2∶1时磨损量最大，这可能是由于树脂含量较少时，各组元之间黏结不牢，在摩擦过程中摩擦界面发生黏着时，易出现黏着强度大于组份与基体之间的结合强度的情况，同时在摩擦界面以下的内

聚区发生机械变形时，摩擦材料与对偶摩擦面上的微凸体之间的机械啮合阻力也大于组份与基体之间的结合强度，使组份材料从摩擦表面被拖出而剥落，故磨损量较大[19]。当BPF/NBR比例为5∶1时磨损量最小，可能是因为此配比下丁腈橡胶完全与硼改性酚醛树脂反应生成了二次改性的硼改性酚

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醛树脂，而二次改性的树脂黏结性和耐热性均有所提高使得其他组份被剥落的量减小和受摩擦热分解的基体的量减小，从而使磨损量最小。而当BPF/NBR比例达到6∶1时，磨损量又开始回升，这是因为未被丁腈橡胶二次改性的硼改性酚醛树脂含量增加，这部分酚醛树脂受摩擦热影响而分解的组分相应增加所致[20]。

2.3 磨损表面形貌及摩擦磨损机理分析

图3所示为200 N载荷下不同BPF/NBR比例的复合摩擦材料磨损表面的形态图。可以发现，磨损表面分布着大量的剥落凹坑和与摩擦方向一致的磨痕，其磨损方式主要是黏着转移和犁削磨损。BPF/NBR越小，复合摩擦材料摩擦表面的剥落凹坑越大越深，说明树脂含量相对较少的组分，因局部摩擦生热，材料表面软化，存在塑性流变现象，摩

擦面上的微凸体在与摩擦对偶面的接触应力超过实际接触点处屈服强度时，更易发生塑性变形而脱离基体向对偶面转移，形成剥落凹坑，磨损率较大。材料在摩擦过程中，一方面要克服黏着阻力，另一方面还要克服较硬的微凸体的犁沟阻力，因此摩擦系数较大。当BPF/NBR比例为2∶1时，复合摩擦材料表面的硬质凸起处容易因应力集中而产生局部塑性变形，除了发生黏着转移外，还产生了银纹（如图3a 中硬质颗粒周围）。随着BPF/NBR比例增大，材料表面犁沟加深，剥落凹坑减少变浅，说明犁削作用增强，黏着转移减弱。这是由于树脂的热分解使纤维和粒子裸露，增强了磨粒磨损。当BPF/NBR比例为5∶1时，犁削作用的增强和黏着转移的减弱正好使磨损量达到最小。

图3 200 N 载荷下不同BPF/NBR的复合摩擦材料磨损表面显微图

Fig.3 Micrographs of worn surfaces of frictional composites with different BPF/NBR ratio under 200 N load

2.4 树脂与橡胶比例对复合摩擦材料耐热性能的影响

图4所示为不同BPF/NBR摩擦材料的功率补偿差示扫描量热分析（DSC ）曲线。可以发现，180℃以后B1、B2和B3均有2个吸热峰，第1个吸热峰均为270℃左右，但不太明显，这可能是因为当BPF/NBR比例为2∶1、3∶1和4∶1时丁腈橡胶含量相对较多，有部分丁腈橡胶未能与酚醛树脂反应，形成不太明显的吸热峰；第2个吸热峰为370℃左右，则是丁腈橡胶对硼改性酚醛树脂二次改性后的树脂之吸热峰。说明B1、B2和B3的组成成分为二次

改性的硼改性酚醛树脂和部分未完全参与改性的丁腈橡胶。B4和B5均只有一个吸热峰，为370℃左右，说明此时丁腈橡胶均已经与树脂发生反应。则B4和B5的组成成分为硼改性酚醛树脂和二次改性的硼改性酚醛树脂。B4比B5的吸热峰面积大，这是因为B4比B5丁腈橡胶含量高，有更多的酚醛树脂与丁腈橡胶反应生成二次改性的酚醛树脂，二次改性的酚醛树脂熔融所需的热量比单纯的硼改性酚醛树脂熔融所需热量大，耐热性更好。B4与B3相比，在180℃到370℃之间B4吸热面积更大，是因为B4中的硼改性酚醛树脂比B3中的丁腈橡胶耐热

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性能更好；然而，在370℃附近B3的吸热面积超越B4，是因为B3中含有更多的二次改性的硼改性酚醛树脂。因此可以推断，丁腈橡胶二次改性硼改性酚醛树脂比硼改性酚醛树脂耐热性更好，且硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶的最佳比例在4∶1和5∶1之间。

图4 不同BPF/NBR的复合摩擦材料的耐热性能 Fig.4 Thermal stability of frictional composites with different

BPF/NBR ratio

3 结 论

1）复合摩擦材料基体中硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶的质量比对其力学性能、摩擦磨损性能和耐热性能的影响较大。当BPF/NBR比为6∶1时，复合摩擦材料的密度、硬度和压缩强度最大，分别为1.933 g/cm3、105 HRL和134 MPa；BPF/NBR比为5∶1时，复合摩擦材料的磨损量最小。

2）复合摩擦材料的主要磨损方式为黏着转移和犁削磨损，随着BPF/NBR比例增大，材料表面抗犁削作用增强，黏着转移减弱。

3）利用丁腈橡胶二次改性硼改性酚醛树脂可以显著提高硼改性酚醛树脂的耐热性，并且硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶的最佳比例在4∶1和5∶1之间。

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Effects of ratio of boron modified phenolic resin to nitrile butadiene

rubber on properties of friction materials

Liu Junheng, He Chunxia

1,2

1,2※

, Liu Jing1,2, Fu Jingjing1,2, Lu Derong1,2

(1. College of Engineering, Nanjing Agriculture University, Nanjing 210031, China ;

2. The Key Laboratory of Intelligence Agriculture Equipment of Jiangsu Province, Nanjing 210031, China )

Abstract: Phenolic resin, epoxy resin, styrene butadiene rubber and polytetrafluoroethylene can be used as friction material matrix. Due to poor wear resistance, heat resistance and adhesive properties of epoxy resin, styrene butadiene rubber and polytetrafluoroethylene, their applications in friction materials are limited. The advantages of phenolic resin on the heat resistance, adhesive property, mechanical properties, processing properties and lower cost make it become the most commonly used in adhesive base material of composite friction material. However, the pure phenolic resins are brittle, poor toughness, high hardness, poor heat resistance, low strength and large noise during using stage, so modification is an effective method to improve the comprehensive performance.

The effects of different ratio of boron modified phenolic resin (BPF) and nitrile butadiene rubber (NBR) on mechanical properties, thermal stability, friction and wear properties of the friction material were investigated. Filled with carbon fibers, steel fibers, graphite particles, Al2O 3 particles and deposit BaSO4 particles, the friction material was prepared with different ratios of boron modified phenolic resin with NBR, which was used as the matrix material. The friction material was formed by die pressing in the temperature of 160℃ and in the load of 10 MPa. The density of the friction material was tested by DH-300 electronic densimeter, the hardness of the friction material was tested by XHR-150 plastic Rockwell hardness tester, the compression strength of the friction material was tested by CSS-44100 electronic universal material testing machine, and the friction and wear properties of the friction material was tested by M-2000A friction and wear testing machine in the loads of 100, 150 and 200 N. The thermal stability of the friction material was analyzed by SMZ1000 zoom stereo microscope. The results showed that the BPF/NBR ratio affected the mechanical properties, wear resistance and heat resistance of the friction material considerably. When BPF/NBR ratio was 6:1, the friction material has the highest density,

105 HRL and 134 MPa respectively . When BPF/NBR hardness and compression strength，which are 1.933 g/cm3、

ratio was 5:1, the friction material has the least wear lost. With the increasing of BPF/NBR ratio, the plowing resistance of the friction material was enhanced and the adhesive transfer was weakened. The thermal stability of the BPF was enhanced when modified again by NBR, and the best ratio was between 4:1 and 5:1.

Key words: friction materials, phenolic resins, rubber, matrix modification, friction and wear performance, thermal stability

（责任编辑：刘丽英）