Nghiên cứu chế tạo vật liệu ma sát (VLMS) trên cơ sở các hệ polime - compozit : Đề tài NCKH. QG.97.07

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

Đề tài: ĐẶC BIỆT CÂP ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

BÁO CÁO TỔNG KẾT KÊT QUẢ NGHIÊN c ú u
CHẾ TẠO VẬT LIỆU MA SÁT (VLMS) TRÊN
c ơ SỞ CÁC HỆ POLYME COMPOSITE

Chủ nhiệm đế tài:
PGS. IS. Ngô Duy Cường
V 'Ị
•

. ÍAV 1 !iCN>, : ■ if.

>»■ Đ T ỊŨ O Ũ H

HÌI nội - 1/2000

■' '


THUYẾT MINH ĐỂ TÀI NGHIÊN

cúu KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
$€> .< 71.0*

2. Mã số:

1. Tên đề tài:

Tiếng Việt: Nghiên cứu chế tạo vật liệu ma sát (VLMS) trên cơ sở các hệ
polime - compozit
Tiếng Anh: Synthesis Reserch Machanical Properties of Material
Friction based on Polymer Composities.
3. Thời gian thực hiện: 24 tháng (từ tháng 6/1997 đến tháng 6/1999)
4. Theo hướng nghiên cứu ưu tiên: Công nghệ ứng dụng
5. Họ và tén chủ nhiệm đề iài: Ngô Duy Cường
Học hàm, học vị, chuyên môn: PGS. TS Hoá học, Cao phân tử
Chức vụ: Phó chủ nhiệm khoa hoá
Đon vị công tác: Khoa hoá, ĐHKH Tự Nhiên, ĐHQGHN
Địa chỉ: 19 Lê Thánh Tông

sỏ'điện thoại: 8.253.503

6. Các đơn vị phối hợp chính:
- Viện Hoá Công nghệ thuộc Bộ Công nghiệp nặng
- Nhóm nhiệt động học khoa Hoá ĐHKHTN
- Bộ môn Phân tích, bộ môn Hữu cơ ĐHKHTN
7. Danh sách những người tham gia thực hiện chính:
Họ và tên
Phan Văn Ninh

Học hàm, học vị

Đo~n vị, cơ quan

PGS, TS

Viện Hoá Cóng nahiệp
Bộ Côns nghiệp nặng

Vũ Nsọc Ban

PGS. TS

Khoa Hoá

Hoàng Thọ Tín

PGS. TS

Khoa Hoá

Nsuyển Đức Huệ

PGS. TS

Khoa Hoá


8. Tình hình nghiên cứu:

Trong nước:
Vật liệu ma sát là một trong những loại vật liệu có mặt trong hầu hết các
cơ cấu chuyển lực, hãm tốc độ, v.v... Nguyên tắc của việc chế tạo VLMS
compozite là phối hợp hay hay nhiều thành phần khác nhau trên cơ sở các hợp
chất cao phân tử, chất độn, chất gia cường, v.v... nhằm tạo ra vật liệu ma sát

đáp ứng những yêu cầu khắt khe nhất của công nghệ và thực tiễn. VLMS trên
cơ sở các polime chịu được mài mòn cao, hệ số ma sát lớn, bền với môi
trường, không bị ăn mòn, v.v... ở nước ta trong những năm gần đây có một số
cơ sở nghiên cứu vấn đề này như Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Kĩ thuật
Quân sự, Khoa Hoá trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà nội, v.v... Trên cơ sở những
kết quả nghiên cứu thu được, nhà máy "Gạch lát - Má phanh ôtô" đã sản xuất
VLMS trên cơ sở chất kết dính là nhựa phenol - focmandehit, chất độn là sợi
amiãng, nhưng chất lượng chỉ bằng 70% so vói sản phẩm nhập ngoại. Vì vậy
việc nghiên cứu nâng cao chất lượng tương đương với sản phẩm nhập ngoại là
cần thiết.
Ngoài nước:
Ở các nước công nghiệp phát triển việc nghiên cứu và sản xuất VLMS trên
cơ sở các hệ polime compozite đã rất được quan tâm. Thí du, ở Anh quốc từ
năm 1952 đã thành lập trung tâm quốc gia chuyên nghiên cứu về ma sát.
Có một báo cáo cho biết, nếu được đầu tư đúng mức cho nghiên cứu, thì
Anh Quốc có mỗi năm tiết kiệm được 500 triệu bảng Anh cho VLMS.
9. M ục tiêu của đề tài: Nghiên cứu và chế tạo thử thành công VLMS trên cơ
sỏ' các hệ polime - compozit về chỉ tiêu tính năng cơ lí tương đương với VLMS
nhập ngoại.
10. Nội dung nghiên cứu:
1 - Nghiên cứu tổng hợp chất kết dính trên cơ sở nhựa phenol- focmandehit
biến tính bằns dầu hạt điều (cacdanol)
2 - Nghiên cứu chế tạo bột ma sát, khảo sát ảnh hưởns của nó đến tính
cơ lí của VLMS.

nãn^


3 - Khảo sát ảnh hưởng của các loại bột độn đến tính năng cơ lí của VLMS.
Chế tạo-thử nghiệm má phanh ô tô, má phanh xe máy trên cơ sở VLMS

tổng hợp được.
11. Nhu cầu kinh tế - xã hội, khoa học, đào tạo:
1 - Nâng cao đáng kể chất lượng VLMS làm các chi tiết truyền lực,
má phanh xe các loại.
2 - Đào tạo hai sinh viên cao học và 5 sinh viên

làm luận văn tốtnghiệp.

12. Mô tả phương pháp nghiên cứu:
Tổng hợp chất kết dính polime. Tổng hợp các

bột độn. Chế tạo

VLMS.

Khảo sát tất cả các tính năng cơ lí - hóa VLMS.
13. Dự kiến các kết quả đạt được:
1 - Các kết quả khoa học: Chế tạo thành công một loại VLMS có thành phần
dầu đào lộn hột; VLMS đạt các tính năng cơ lí tương đương VLMS
nhập ngoại.
2 - Số ìượng các công trình dự kiến sẽ công bố: 2 bài báo.
14. Tiến độ thực hiện:
1TT

Nội dung công việc

Sản phẩm đạt được

!1
1

Nghiên cứu tổng hợp
chất kết dính
Nghiên cứu tổng hợp
một số bột độn
Nghiên cứu tính trộn
hợp các cấu tử
Nghiên cứu các tính
năng cơ lí của VLMS
Nghiên cứu chế tạo
thử nghiệm phanh xe
máy

Chế tạo thử trên cơ
sở các chất tổng hợp

3
4
5

Thời gian bắt
đầu/kết thúc
6/97 - 6/98
6/97 4- 6/98

Chế tạo thành công
VLMS

6/97 ^ 6/98
6/97 - 6/99

Má phanh xe máy
các loại

4

6/97 -T 6/99

Người thực
hiên
Tất các thành
viên đề tài
Tất các thành
viên đề tài
Tất các thành
viên đề tài
Tất cả thành
viên đề tài
Tất cả thành
viên đề tài.


MỤC LỤC
Trang
Mở đầu

7

Chương 1. Tổng quan

8

1. Vật liệu ma sát

8

1.1. Lịch sử phát triển

8

1.2. Khái quát chung về vật liệu PC

8

1.3. Các thành phần chính trong tổ hợp vật liệu ma sát

9

1.4. Yêu cầu và ứng dụng của VLMS
2. VLMS trên cơ sở nhựa phenol - cacdanol - focmandehit
2.1. Nhựa phenol - cacdanol - focmandehit

10
11
11

2.2. Cao su
2.3. Hệ chất độn
3. Khả năng phản ứng giữa phenol - focmadehit biến tính
bằng cacdanol

12

3.1. Nhựa cacdanol - focmandehit

13

3.2. Nhựa phenol - focmadehit biến tính bằng cacdanol

14

3.3. Quá trình đóng rắn chựa novolac và nhựa novolac cacdanol
bằnghexamin

15

4. Khả năng ứngdụng của nhựa phenol - focmadehit và nhựa
phenol - focmandehit biến tính bằng cacdanol dùng làm chất
kết dính cho VLMS

15

5. Cao su

17

6. Hệ chất độn

18

Chương 2. Thực nghiệm

22

2.1. Hoá chất

22

2.2. Phân tích hoá học

9?

2.2.1. Phân tích hàm lượne phenol

02

2.2.2. Phân tích hàm lượn2 focmandehit

04

5


2.2.3. Xác định hàm lượng phenol tự do trong nhựa

25

2.3. Xác định các tính chất cơ lí

25

2.3.1. Xác định độ mài mòn

25

2.3.2. Xác định hệ số ma sát

26

2.3.3. Độ cứng Brinel

27

Chương 3. Kết quả và thảo luận

28

3.1. Tổng hợp chất kết dính

28

3.2. Lựa chọn tỉ lệ nhựa thích hợp cho hỗn hợp vật liệu ép

29

3.3. Tổng hợp bột ma sát

30

3.4. Lựa chọn tỉ lệ cao su thích hợp cho tổ hợp vật liệu

32

3.5. Gia công và kết quả đo tính chất cơ lí của vật liệu

33

3.5 .1. Cắt mạch cao su, phối trộn các thành phần phụ gia
và lưu hoá

33

3.5.2. Đơn phối liêu

34

3.5.3. Qui trình ép mẫu

34

3.6. Chế tạo mẫu vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa phenolic và sợi
Kevlar

35

3.7. Chế tạo mẫu vật liệu trên cơ sở nhựa phenolic, bột amiăng
và sợi Kevlar

36

Kết luận

38

Tài liệu tham khảo

39

6


MỞ ĐẨU
Vật liệu ma sát (VLMS) trên cơ sở các polime là một loại vật liệu
compozit đặc biệt được sử dụng trong các cơ cấu hãm của các hệ thống truyền
động. Mặc dù VLMS, trên cơ sở polime có hệ thống ma sát không thật cao
nhưng do độ mài mòn nhỏ, ít gây tiếng ổn, bền với mối trường ăn mòn và các
dung môi hữu cơ, nên ngày càng được sử dụng rộng rãi.
Cùng vói sự phát triển của các ngành khoa học khác, khoa học về mat sát
cũng được nghiên cứu từ lâu nhưng các lí thuyết về mát - mài mòn vẫn không
ngừng được bổ xung và phát triển. Bắt đầu từ lí thuyết cổ điển, lí thuyết phân
tử, lí thuyết về điện cho đến lí thuyết hiện đại ngày nay.
VLMS cũng như các loại vật liệu khác luôn được các nhà nghiên cứu, nhà
sản suất quan tâm và cải tiến không ngừng để nâng cao chất lượng và đáp ứng
yêu cầu thực tiễn. VLMS trên cơ sở nhựa phenol - fomandehit đã được nghiên
cứu và đưa vào ứng dụng ở một số nước khác. Vật liệu này có độ mài mòn
nhỏ, hệ số ma sát tương đối cao, bển vói môi trường hoá chất. Do nhiệt toả ra
trén bề mặt của VLMS trong quá trình sử dụng nên sau một thời gian VLMS
thường trở nên cứng, đòn trong quá trình vận hành tạo tiếng ồn khó chịu, sản
phẩm sẽ bị mòn nhanh hơn và giảm hệ số ma sát. Để khấc phục những tổn tại
nêu trên, đã tiến hành nghiên cứu giảm độ cứng và nâng cao một số tính năng

cơ lí của VLMS.
Nội dung nghiên cứu:
1. Nghiên cứu tổng hợp chất kết dính trên cơ sở nhựa phenol focmandehit biến
tính bằng dầu hạt điều (cacdanol).
2. Nghiên cứu chế tao bôt ma sát, khảo sát ảnh hưởng của nó đến tính năn^ cơ
lí của vật liệu ma sát.
3. Khảo sát ảnh hưởng của các loại bột độn đến tính năng cơ lí của VLMS.
Chế tạo thử nghiệm má phanh xe máy trên cơ sở VLMS tổng hợp được.

7


Chương 1
TỔNG QUAN
1. Vật liệu ma sát.
1.1. Lịch sử phát triển.
Cùng với sự phát triển của các nghành khoa học khác, khoa học về ma sát
phát triển không ngừng, được gắn liền với các ngành công nghiệp như cồng
nghiệp ôtô, giao thông đường sắt và gia công kim loại.
Khoa học ma sát và mài mòn đã được các nhà khoa học như I. V.
Gragenxki và E- M. Svexôba người Nga nghiên cứu [1].
Các hiện tượng ma sát tuy đã được nghiên cứu từ lâu nhưng các ỉí thuyết
về ma sát - mài mòn vẫn không ngừng được bổ sung và phát triển cùng vơí sự
phát triển của các ngành khoa học khác [1; 14; 29-33].
1.2. Khái quát chung vê vật liệu polime compozit (PC).
Vật liệu PC là loại vật liệu gồm hai hay nhiều pha trong đó có pha tạo
hình (matrix) là polime và các pha khác là phụ gia tăng cường. Tuỳ thuộc vào
bản chất của phụ gia mà vật liệu polime compozit có thể được chia thành:
- Vật liệu có phụ gia phân tán
- Vật liệu được tăng cường bằng sợi ngắn hay phiến

- Vật liệu được tăng cường bằng sơi liên tục
- Vật liệu độn khí
- Vật liệu hỗn hợp polime - polime.
Độ bền của vật liệu polime - compozit phụ thuộc vào bản chất hoá học và
cấu trúc của nhựa nền, của chất độn (chất tăng cường) liên kết bề mạt phán
chia pha giữa nhựa nền và chất độn (chất tăng cường) [2-8; 27;] 6],

s


Nhựa phenol - focmandehit (PHENOL - FOCMANDEHIT) là loại polime
được phát hiện đầu tiên và có nhiều ưu điểm nén được sử dụng rống rãi cho
đến ngày nay. Ưu điểm của loại nhựa PHENOL - FOCMANDEHIT là cách
điện tốt, bền hoá chât và có độ bền nhiệt cao hơn so với các loại nhựa thông
dụng khác như epoxy, polieste không no,... [9; 10; 12; 15].
Các sản phẩm từ nhựa phenol rất phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vưc như công nghiệp điện tử, dân dụng, hàng không, giao thông vận
tải và trong lĩnh vực quán sự. Chủng loại sản phẩm cũng rất đa dạng từ vật liệu
ép, đúc, làm chất kết dính trong công nghiệp sản xuất gỗ dán cho đến sơn
keo,... Vật liệu ép trên cơ sở nhựa phenol - focmandehit sử dụng làm VLMS là
một trong những ứng dụng của nhựa PF [4; ; 5; 6; 12; 13].
Nhựa phenol - focmandehit có độ bền nhiệt cao: nhiệt độ làm việc từ 150
-r 200°c. Do tính chất này mà vật liệu polime - compozit trên cơ sở nhựa
phenol - focmandehit với những chất độn thích hợp như sợi thuỷ tinh, sợi
amiăng có khả năng làm việc ở những nhiệt độ cao tới 250°c hoặc trong
những điều kiện nhiệt độ làm việc thay đổi trong phạm vi rộng mà không có
nguy cơ bị thayđổi kích thước.
Nhựa phenol - focmandehit có khả nãng chịu mài mòn tương đương so vói
đồng và nhôm [9; 16; 17; 18].
Hệ số ma sát của nhựa phenol - focmandehit tương tự như các loại nhựa

nhiệt rắn khác, nằm trong khoảng 0,2^ 0,3, tương đối thấp so với cao su và kim
loại nhưng với các chất độn thích hợp có thể tăng hệ số ma sát của vật liệu tới
0,7+0,8 [9],
1.3. Các thành phần chính trong tổ họp vật liệu ma sát.
VLMS là một loại vật polime - compozit đặc biệt, ngoài nhữnơ yêu cầu
chung đối với vật liệu poĩime - compozit, còn phải đáp ứng Iihữnơ đòi hỏi
riêng của VLMS. Các cập ma sát dùng trong các cơ cấu hãm cần phải thoả

9


mãn những yêu cầu: hệ số ma sát ổn đinh, độ chịu mài mòn cao, chịu được áp
lực lớn; bề mãt không bị cào xước, tách lớp. hay dính vào vật liệu cán hãm
trong quá trình sử dụng; các VLMS không bị cháy hoặc sinh khói khi sử dụng
[20-24].
VLMS cũng như các loại vật liệu polime - compozit khác gồm hai phần
chính là kết dính và chất độn.
Chất kết dính cần phải có những đặc điểm sau [9]:
- Có khả năng phủ hoàn toàn lên chất độn và các chất tăng cường.
- Có cấu trúc mạng lưới không gian sau khi đóng rắn.
- Có khả năng hồi phục trong quá trình hoá rắn để làm giảm ứng suất nội.
- Chất kết dính chứa các nhóm hoạt động hay phân cực.
Hệ chất độn cần đáp ứng những yêu cầu [8; 9; 11; 20]:
- Chất độn tăng cường các tính, chất cơ lí cho VLMS như tăng độ bền va
đập, giảm độ biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực.
- Tăng một số tính chất về nhiệt của sản phẩm như độ bền nhiệt, khả năng
dẫn nhiệt, tính ổn đinh của các tính chất cơ lí khác như nhiệt độ của bề mặt và
toàn bộ vật liệu tãng lên trong quá trình sử dụng.
- Thav đổi độ mài mòn và các tính chất về ma sát của vật liệu.
1.4.

Yêu cầu và ứng dụng của VLMS.

a) Yêu càu.
Các nhà nghiên cứu người Nga như I.v . Grasenxiki. B.I. Coxtexki đã
nshiên cứu, phát triển và đưa ra một số yêu cầu chi tiết đối với VLMS [11].
- Hệ số ma sát đủ lớn. với trường hợp sử dụng làm má phanh cho các loại
xe tải nhẹ căc loại cần phải lớn hơn hoặc bằng 0.2, nếu khôns; sẽ khỏns đảm
bảo an toàn cho quá trình sử dụng.

10


- Hệ số ma sát, mài mòn phải ổn định, trong quá trình phanh chỉ được
phép thay đổi khống quá 15% đối với các loại xe du lịch hoặc xe tái dễ khống
chế máy móc trong khi vận hành.
- Dưới tác dụng của nhiệt

to ả

ra trong quá trình vận hành các

CO'

cấu ma

sát thì lớp bề mặt không được tróc, bám dính vào bề mặt cần hãm.
b) ứng dụng của VLMS.
VLMS ra đời cùng với sự phát triển của các phương tiện giao thông vận
tải, đó là một phần không thể thiếu được trong tất cả các cơ cấu hãm để làm

chậm hoặc ngừng hẳn chuyển động của máy móc, xe cộ. VLMS còn có mặt
trong các chi tiết truyền động của các khớp nối để truyền chuyển động cho các
bộ phần cơ khí khác.
Trên thế giới VLMS cũng được cảc nhà khoa học và sản xuất quan tâm.
Năm 1976 ở Mĩ người ta đã kết luận rằng việc ứng dụng kĩ thuật ma sát sẽ tiết
kiệm được 12 4- 16 tỉ đôla trong một năm. Ở Anh từ những năm 1966 đã thừa
nhận hàng năm hiệu quả kinh tế do ứng dụng các thành tựu kĩ thuật ma sát
học là 500 triệu bảng Anh tương đương với 2% thu nhập của nền kinh tế quốc
dân [11].
2. VLMS trên cơ sỏ chựa phenol - cacdanol - focmandehit.
2.1. Nhựa phenol - cacdanol - focm andehit (PCF).
Một trong những yếu tố quan trọng hàng đầu ảnh hưởng đến chất lượng
của vật liệu polime - compozit là tính chất cơ lí hoá học của nhựa nền (chất
kết dính). Trong vật liệu polime - compozit chức năng của nhựa nền rất đa
dạng tuỳ thuộc vào ngoại lực mà vật liệu chịu tác động.
Nhựa phenol - focmandehit cũng như một số loại nhựa nhiệt rắn khác
chứa nhiều nhóm chức trong mạch, có độ phân cực lớn, có sức căng bề mạt
khoảng 35 -r 45 din.cm’1 rất thuận tiện khi sử dụng làm chất kết dính và cho


vặt liệu polime - compozit. Ngoài ra chất đóng rắn urotropin có khả năng tăng
liên kết của các nhóm chức trên bề mặt chất độn với nhựa nền [8: 21; 22].
Các nhựa phenol - focmandehit được tổng hợp từ phản ứng trùng ngưng
các phenol với focmandehit hoặc đổng trùng ngưng các phenol có nhóm thế
khác nhau với focmandehit.
Quá trình biến tính nhựa phenol - focmandehit để sử dụng làm chất kết
dính cho VLMS có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau với mục
đích thay đổi một phần hay toàn bộ các tính chất của sản phẩm.
Để nhựa phenol - focmandehit đáp ứng được những yêu cầu của VLMS
theo các công trình nghiên cứu [3, 4] đã lựa chọn phương pháp biến tính nhựa

phenol - focmandehit bằng cacdanol.
OH

(11=0,2,4,6)
Từ cấu trúc hoá học của cacdanol có thể nhận thấy cacdanol có thể có ba
khả năng phản ứng là phản ứng của hiđro hoạt động trong nhân thom, phản
ứng của nhóm hiđroxiphenol và phản ứng nối đôi ở mạch [4],
3. Khả năng phản ứng giữa phenol-focmandehit biến tính bàng cacdanol.
Như ta đã biết, cả phenol và cacdanol đều có khả nâng tham gia phản ứng
trùng ngưng với focmandehit. Tuy nhiên để hiểu rõ quá trình và thấy được sự
ảnh hưởng của tỉ lệ cấu tử trong hệ phản ứng phenol - cacdanol - focmandehit,
ta cần nghiên cứu từng quá trình phản ứng giữa phenol - focmandehit và
cacdanol - focmadehit. Phản ứng trùng ngưng giữa phenol và focmandehit đã
được biết tò lâu. Sau đây ta xét khả năng phản ứns giữa cacdanol và
focmadehit để tons hợp nhựa cacdanol - focmandehit.

12


3.1. Nhựa cacdanoỉ - focmandehit.
Cacdanol có khả năng tham gia phản ứng trùng ngưng với focmadehit cả
trong môi trường axit và trong môi trường kiềm. Cơ chế phản ứng được diễn tả
như sau:
a) Phản ứng trong môi trường ơxit (H+).

c=0 + H + — ►

C -O H
H

Sự tạo thành cacbon cation phân tử HCHO tạo điều kiện cho phản ứng ở
nhân thơm xảy ra dễ dàng hơn. Quá trình phản ứng tiếp tục xảy ra:
OH

OH

OH

OH

Quá trình ngưng tụ tiếp tục xảy ra để tạo polime.
b) Phản ứng trong môi trường kiềrìì (OH~).
Xúc tác thường dùng là NH4OH
OH

OH

OH

CH2OH

Sau đó quá trình khâu mạch tiếp tục xảy ra tưcms tự phản ứng giữa phenol
và focmandehit với xúc tác là bazơ.
Một đặc điểm quan trọng của phản ứng giữa cacdanol và focm andehit là
điều kiện phản ứng có hoặc không có dung môi.
-

Nếu khồng dùng dung môi thì khó tách nước ra khỏi hệ phản ứns vì

nhựa rất nhót, khó điều chỉnh phản ứng.

13


- Nếu dùng dung môi khóng hoà tan được sản phẩm là polime thì phản
ứng sẽ phân lớp.
- Nếu dùng dung môi hoà tan được sản phẩm thì nhựa tạo thành sẽ tan
vào dung môi làm cho hệ đồns nhất hơn, dễ tách nước ra khỏi hệ.
3.2. Nhựa phenol - focmandehit biến tính bằng cacdanol.
Vì trong phân tử cacdanol có chứa nhóm thế R làm giảm khả năng phân
cực của cacdanol. Do đó, phản ứng giữa cacdanol và focmandehit không thực
hiện đổng thể được. Đồng thời dẫn đến tốc độ phản ứng xảy ra chậm, phản
ứng không đạt hiệu suất cao. Trong khi đó, phenol không chứa nhóm thế (-R )
như cacdanol nên có khả năng tan được trong nước, do đó phản ứng xảy ra dễ
dàng hơn. Chính vì vậy, khi cho phenol, cacdanol đồng thời phản ứng với
focmandehit, do phenol phản ứng với focmandehit dễ dàng hơn, nên tốc độ
phản ứng của hệ ba cấu tử trên cũng xảy ra nhanh hơn, hiệu suất phản ứng đạt
cao hơn. Bên cạnh đó, sản phẩm thu được từ phản ứng đổng trùng ngưng giữa
phenol, cacdanol và focmandehit cồ những tính chất cơ lí hoá mong muốn.
Sản phẩm thu được còn kết hợp các tính chất của cả hai loại nhựa phenolic và
nhựa cácdanol - focmandehit.
Phản ứng trung ngưng giữa phenol, cacdanol và focmandehit cũng có thể
tiến hành với điều kiện phản ứng là xúc tác axit hoặc bazơ.
Nhựa phenol - cacdanol - focmandehit thường được tổng hợp theo hai criai
đoạn [1.2].
- Giai đoạn 1: Giai đoạn metyl hoá ở nhiệt độ 60 4- 65°c tronơ 2 °ũờ
- Giai đoạn 2: Thực hiện ở nhiệt độ

95°c trong

1.5 giờ.

Xúc tác cho phản ứng là dung dịch Nh.OH 25% với tỉ lê 69c trons kroner
so với phenol.

14


Tuỳ thuộc và tỉ lệ các cấu tử tham gia phản ứng mà nhựa nhận được có các
tính chất cơ lí khác nhau.
3.3. Quá trình đóng rắn nhựa novolac và nhựa novolac cacdanol bằng
hexamin. [9],
Hexamin là một hợp chất hữu cơ có nhiều ứng dụng trong cóng nghiệp
sản xuất nhựa. Hexamin còn có nhiều tên gọi khác như hexametylen tetramin,
urotropin, aminoform. Đó là một chất rắn ở dạng tinh thể màu trắng. Công
thức phân tử là C6H 12H4.
Công thức cấu tạo:

c h 2- ỏ h 2- c h 2

N
/C H z CT2x

N\

CHf

Quá trình đóng rắn thường được thực hiện ở nhiệt độ 160 -ỉ- 180°c.
4. Khả nâng ứng dụng của nhựa phenol - focmandehit và nhựa phenol focmandehit biến tính bàng cacdanol dùng làm chất kết dính cho vật
liệu ma sát.

Việc sử dụng nhựa phenol - focmandehit và nhựa phenol - cacdanol focmandehit làm chất kết dính cho vật liệu ma sát đã được quan tâm đến từ
láu [1; 2; 9].
Trong nhiều trường hợp vật liệu ma sát trên cơ sỏ' nhựa phenol focmandehit có khả năng thay thế cho vật liệu ma sát trên cơ sỏ' kim loại, do
có nhiều ưu điểm sau:
-

Nhưa phenol - focmandehit có tính chất cơ, lí, hoá hoc thav đổi trons

một phạm vi rộng có khả năng biến tính bởi các hợp chất cao phán tử. hệ chất
độn, chất tàng cường.

15


—Giá thành nhựa rẻ, dễ gia công đối với tất các san phâm co hình dạng
phức tạp.
—Nhựa phenol - focmandehit bền vói tác động của môi trường ăn mòn,
hoá chất và đặc biệt là độ bền nhiệt cao.
—Nhựa tạo thành có khối lượng riêng nhỏ, khoảng 1,15 H- 1,31 g/cm?,
khối lượng riêng của các chất độn tăng cường cũng thấp, do đó vật liệu tạo
thành có khối lượng riêng không cao, khoảng 1,23 -f 1,67 g/cm?, thấp hơn từ 2
-ỉ- 3 lần so với kim loại thồng thường. Tỉ lệ giữa độ bền và khối lượng riêng
của vật liệu trên cơ sở nhựa phenol - focmandehit cao hơn so với các kim loại
thông thường như: đồng, nhôm...
Một trong những yêu cầu quan trọng đối với vật liệu ma sát, đó là hệ số
ma sát có độ bền đối vói nhiệt. Hệ số ma sát của nhựa phenol - focmandehit
tương tự như loại nhựa nhiệt rắn khác, thấp hơn so với cao su và kim loại
thông thường, nhưng khi có chất độn tăng cường thì có thể tăng hệ số ma sát
của vật liệu gấp 2 hoặc 3 lần.
Nhựa phenol - focmandehit và nhựa phenol - cacdanol - focmandehit cũng

như một số loại nhựa nhiệt rắn khác có chứa nhiều nhóm chức trong mạch, có
độ phân cực rất lớn rất thuận tiện khi sử dụng làm chất kết dính cho vật liệu
ma sát. Trong trường hợp này, do có nhóm thế trong phân tử cacdanol nên
phenol - cacdanol - focmandehit có độ nhớt cao hơn so với nhựa phenol focmandehit. Do đó, nó tăns khả năng thấm ướt bề mặt chất độn của nhựa và
vì vậy nó làm tăng độ bền liên kết giữa nhựa nền và các chất độn tãns cườns.
Điều này có ảnh hưởng đến tính ổn định của vật liệu ma sát.
Một chỉ tiêu quan trọng khác đối với vật liệu ma sát là tính bền đối với
nhiệt độ. Khi làm việc ở nhiệt độ cao có thể dẫn tới hệ số ma sár bị giảm và độ
mài mòn cao.

16


Nhựa phenol - focmandehit có độ bền nhiệt cao đáp ứng được yêu cầu
này. Nhưng nó lại có độ cứng cao, độ bền va đập thấp, do đó độ mài mòn cao,
hệ số ma sát bị suy giảm. Ngược lại nhựa phenol - cacdanol - focmandehit có
độ mền dẻo cao, có khả năng bám dính bề mặt tốt hơn nên có hệ số ma sát cao
và độ mài mòn thấp. Nhưng tính bền đối với nhiệt lại không bằng nhựa phenol
- focmandehit.
Do đó, khi nghiên cứu khả năng sử dụng hai loại nhựa này để làm chất kết
dính cho vật liệu ma sát, cần phải tập trung vào hai nhiệm vụ:
1. Nghiên cứu tìm ra được tỉ lệ phenol - cacdanol - focmandehit thích hợp
để sản phẩm thu được vừa có độ mềm dẻo cao vừa bền với nhiệt độ. Nhờ vậy
tăng được hệ số ma sát và giảm mài mòn.
2. Lựa chọn các chất độn tăng cường thích hợp, có khả năng trộn hơp tốt
với nhựa nền để tăng cường những tính năng cơ, lí, hoá của nhựa nền.
Về thành phần hoá học, nhựa phenol có công thức ở dạng tổng quát sau:

—c h 2

5. Cao su.
Để có một loai VLMS có các tính chất cơ lí hoá cao đổng<-2 thời có đô. cứnơo
thấp, theo các công trình nghiên cứu của các tác giả đã lựa chọn việc sử dụnơ
cao su nitril để làm giảm độ cứng của vật liệu [3; 4 ; 9‘ 30; 31].
Đã có nhiều công trình nghiên cứu về tác dụng của cao su trong việc biến
tính nhựa phenonic [9; 24; 25]. Nguyên tắc chung để biến tính nhựa bằng cao
su là trộn nhựa vói cao su sau đó cho đóng rắn. Trong quá trình đónơ rắn cao
su có thể phản ứng với nhựa và cùng tham gia vào quá trình lưu hoá cao su và
được coi nhừ một mắt xích trong mạng lưới [9],


Trộn hỗn hợp nhựa phenol - focmandehit với cao su nhằm tạo ra một loại
sán phẩm kết hợp được những tính chất ưu việt của các loại nhựa ban đầu
đổng thời có rihững tính chất quí báu của cao su như độ mềm dẻo cao. khả
năng hồi phục lớn và hệ số ma sát cao.
Cao su butadien nitril là sản phẩm đổng trùng hợp 1,3 butandien và
acrylonitrl có mặt xúc tác như trietanolamin, pesunfatkali. Tính chất của nó
phụ thuộc rất nhiều vào tỉ lệ các cấu tử tham gia phản ứng. Hàm lượng nhóm
nitril trong sản phẩm phản ứng càng cao thì cao su càng cứng, khả năng chịu
môi trường càng cao [7],
Một trong những ưu điểm của cao su butandien nitril so vói các loại cao
su khác là khả năng trộn hợp tốt với các loại polime phân cực trong đó được
nhắc đến nhiều nhất là khả năng trộn hợp của cao su nitril với nhựa phenol focmandehit. Tổ hợp cao su butadien nitril với phenol - focmandehit có nhiều
tinh chất quí giá như: chịu nhiệt cao, chỏng xé rách tốt, bền với ozon, oxi và
có độ kết dính ngoại cao. Điều này giải thích tại sao cao su

nitril thườnơ

được sử dụng trong tất cả LVMS trên cơ sở nhựa phenol - focmandehit [9].
Trong phần nghiên cứu này đã sử dụng cao su butadien nitril làm tác nhân

giảm độ cứng của VLMS.
ố. Hệ chất độn.
Chất độn sử dụng trong vật liệu polime - compozit rất đa dạng và đónơ vai
trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của vật liệu. Dưới tác độnơ của
ngoại lực, chat độn đong vai tiò là thành phân chính chiu các ứncr suất tâp
trung. Nhựa phenol - focmandehit có tính dòn cao, khi đó chất độn đónơ vai
trò chính trong việc cải tạo tính chất cơ lí của vật liệu là tàng khả năng chịu va
đập.
Ngoài ra, chất độn có các chức năng như tăng độ cứiis của vật liệu độ co ngót khi gia công vật liệu. Bên cạnh đó, chất độn còn có một số tính
chất hoá học như chịu môi trường ăn mòn. bền nhiệt và chịu mài mòn Một số

18


loại chất độn còn có khả năng tãng độ cách điện và biến đổi tính chất ma sát
của sản phẩm.
Ảnh hưởng của chất độn đến tính chất cơ lí của vật liệu trên cơ sở nhựa
phenol - focmandehit được trình bày ở bảng 1 [1].
Bảng 1. Ảnh hưởng của bột độn đến tính chất cơ lí của vật liệu.
Nhựa

Tính chất cơ lí
Không độn

Bột gỗ

Bột amiăng

Sợi thuỷ

tinh

Độ co ngót, cm/cm

0,08

0,006

0,003

0,005

10

62

82

85

150

160

175

175

1,154

1,4

1,5

1,6

Độ bền uốn, Mpa
Nhiệt độ làm việc, °c
Khối lượng riêng g/cm?

Một trong những chất độn thưòng được sử dụng trong VLMS là bột
amiăng và sợi kevlar.
Bột amiăng là chất độn có nguồn gốc khoáng chất, có cấu trúc tự nhiên
dạng sợi. Amiãng có nhiều loại nhưng lại thông dụng là crysolit (hiđrat magie
silicat), 3M g0.2Si0.2H 20 . Amiăng dễ thấm ướt các loại nhựa khác nhau.
Amiăng trơ về hoá học, trong môi trường kiềm amiăng có thể chịu được ở

100°c trong một thời gian dài.
Ưu điểm lớn nhất của amiăng là không cháy và tuỳ thuộc vào thành phần
có thể bị phân huỷ ở nhiệt độ rất cao trong khoảng 1770

1450°c [4], Tính

chất đó đã đáp ứng được yêu cầu của VLMS là cần phải có

độ bền nhiệt cao

trong quá trình sử dụns.
Sợi aramid Kevlar (Kevlar là một trong những nhãn hiệu đãng k í của
họ sợi aramid thuộc sở hữu Công ty Du Pont, Wilmington, Delware USA) là

19


sợi hữu cơ đã xuất hiện trên thị trường từ năm 1971. Sợi Kevlar có công thức
hoá học là poli-para-phenylene terephtalamide (viết tắt là PPD-T) được sản
xuất trong công nghiệp bởi quá trình trùng naưng của

para-phenylene

diamine (H2H -C 6H4-N H 2) và terephtaloyl dichloride dung dung môi amit [12,13, 14].

+ 2n HC
n

Độ bền của phân tử trong sợi Kevar được tăng cường bởi những liên kết
hydro nội phân tử. Hơn nữa Kevlar có cấu trức thẳng, gần như 100 % tinh thể
và có độ đinh hướng rất cao của các phân tử dọc theo trục của sợi. Do vậy, sợi
Kevlar có hai tính chất nổi bật [14; 15].
1. Độ bền ứng suất và độ cứng cao (Kevlar 49).
2. Độ bền ứng suất và độ dẻo dai cao (Kevlar 29).
Như chỉ ra ở bảng dưới, tính dai và độ bền ứng suất của sợi Kevlar 49 và
Kevlar 29 đều cao hơn hẳn các loại sợi hữu cơ thông dụng như sợi Nylon-66.
Những tính chất nổi bật này thu được bằng cổng nghệ polyme tinh thể lỏng

[14].

20

Bans 1. Tính chất của sợi aramid Kevlar và sợi Nylon-66.
Loại sợi

Tính dẻo dai

Độ giãn dài

Độ bền ứng suất

Kevlar 49

(2760 MPa)

2,5 %

124000 Mpa

4,0 %

62000 Mpa

18 %

5520 Mpa

Kevlar 29
Nylon-66

—

(985 MPa)

Nhờ các tính năng ưu việt trên, sợi Kevlar được dùng để tăng cường cao su
(trong các sản phẩm lốp xe, dây curoa, vòi cao su ...) và tăng cường chất dẻo
(vỏ tàu thuyền và nhiều bộ phận của ô tô, máy bay ... )• Tổ hợp của Kevlar 49
với sợi thuỷ tinh hay sợi graphite có khả nãng cân bằng độ bền nén và độ bền
kéo của sản phẩm. Ngoài ra, sợi Kevlar 29 còn được sử dụng cho quần áo,
máy móc bảo vệ chống nhiệt và chống cắt; sản xuất dây cáp và đặc biệt là
VLMS (phanh, đĩa ly hợp ... ) [14].

21


Chương 2
THỰC NGHIỆM
2.1. Hoá chất.
- Phenol tinh khiết, hàm lượng 97% do nhà máy hoá chất Đức Giang sản
xuất
- Focmandehit 36,5% do nhà mày hoá chất Đức Giang sản xuất.
- Cacdanol chưng cất từ vỏ hạt điều tại 245 ±

5°c ở 5 -i- 10 mmHg.

- Dầu vỏ hạt điều.
- Axit clohiđric 37% do nhà máy hoá chất Đức Giang sản xuất.
- Bộ amíăng.
- Sợi Kevlar của Mỹ.
- Oxit kẽm, oxit magie tinh khiết
- Cao su butađienitril CKH-26 của Nga

- Axít strearic
2.2. Phân tích hoá học.
2.1.1. Phán tích hàm lượng phenol (phưong pháp Koppese) dựa trên phản
ứng phenol và brom.

Br

Y

Với lượng dư brom, quá trình brom hoá tiến hành sáu hon và tạo ra:


OH

Br

OH
Br
+

X
Hi - ■ ỉI

Br2

Br

—B:
+ HBr

B)

Khi có dung dịch iotđua kali trong hỗn hợp phản ứng, brom dư và brom
thay thế nhóm hiđroxyl sẽ tác dụng với iot theo tỉ lệ đương lượng:
OBr

+ KBr + 1/2I2

Sau đó định phân iot tạo ra bằng dung dịch natritiosunphat 0,1N
I2 + 2Na2S20 3 =' Na2S40 6 + 2NaI
Dung dịch bromit - bromat được chuẩn bị bằng cách hoà tan 2,1 g kali
bromat và 9 ,25 gam kali bromit vào .một lít nước cất.
Phươììg pháp định phân phenol
Cân 2 -r 3 gam phenol trên cân phân tích, hoà tan trong nước cất và chứa
vào bình đựng nước 500 ml dung dịch, cho vào bình tam giác 250 ml, thêm
vào đó 50 ml dung dịch bromit - bromat, 5 ml axit HC1 (d = 1,19) và lắc đều.
Sau 15 phút, cho thêm 5 ml dung dịch KI 10%. Để yên 10 phút và chuẩn
lượng iot tạo ra bằng Na2s20 3 0,1 N với chất chỉ thị là hổ tinh bột. Đổng thời
so sánh

với

mẫu trống.

Hàm lượng phenol được tính theo công thức:
Ph =

2000 X (Vị - Y . ) X m X k

s

Vị - thể tích dung dịch Na2s20 30,1 dùng định phán mảu kiểm tra, ml.
v r thể tích dung dịch Na2S20 , 0.1 N dùns định phán mẫu nghiên cứu ml

23


m = 0,001567- lượng phenol tính bằng gam với 1 ml dung dịch

Na2s20 ? 0,1N.
K-ihệ số điều chỉnh
g- trọng lượng mẫu, g
2.2.2. Phán tích hàm lưọĩig focmandeh.it.
Nguyên tắc của phương pháp sử dụng sunfit natri là xác đinh lượng NaOH
tạo ra do focmadehit phản ứng với sunfit theo phương trình.
H20 + HCHO + Na2S 04 = H 0C H 2S 0 2Na + NaOH
Chuẩn bị dung dịch natri sunfit 2N.
Cân 126 gam Na2SO? trên cân phân tích. Sau đó hoà tan vào nước cất chứa
trong bình đinh mức 1000 mỉ. Để dung địch trong 48 giờ cho ổn đinh.
Phương pháp định phán focmandehit.
Dùng pipet lấy 10 ml dung dịch focmandehit cho vào bình định mức 500
ml đã có sẵn 100 ml nước cất. Cho nước cất tới ngấn bình, lắc đều cẩn thận và
lấy ra 100 ml để đinh phân. Dung dịch định phân chứa trong bình tam giác,
thêm vào đó 50 ml dung dịch N2SO? 2N, cho vào đó vài giọt chất chỉ thị
phenol phatalein và lắc đều, để yên 10 phút. Sau đó đinh phân bằng dung dịch
axit clohiđric IN cho tới khi mất màu. Đồng thời tiến hành định phân kiểm
tra.
Hàm lượng focmadehit được tính theo công thức:
[a-b]

X

k

X

0,03

X

100

X = ----------------------------- -

—

10.5

a- thể tích dung dịch HC1 1 N dùng định phân dung dịch kiểm tra ml
b- thể tích dung dịch HC1 1 N dùng để định phân duns dịch nghiên cứu,
ml
k- hệ số điều chỉnh

24


0,03- lượng CH20 tính theo gam tương ứng với ] ml dung dịch HC1 IN.
2.2.3. Xác định hàm lượng phenol tự do trong nhựa.
Cân khoảng 4 V 5 gam nhựa có độ chính xác 1CT4 gam, cho vào bình cầu
dung tích 300 ml, cho thêm vào đó 20 ~ 25 ml nước cất đê tạo dung dịch nhũ

tương. Chưng cất bằng hơi nước bão hoà cho đến khi nước chưng ra không bị
đục khi đó thử bằng dung địch nước brom. Lấy nước chưng ra cho vào bình
định mức 1000 ml và cho thêm nước cất đến ngấn bình. Định phân giống như
phần 2.2.1.
Hàm lượng phenol tự do (P) tính theo công thức:
( a - b ) x 0,001567 X k X 100

"

25 X g

Tronơ đó:
g- trọng lượng mẫu, g
k- hệ số điều chỉnh
a- lượng dung dịch Na2s 20 3 dùng định phân mẫu kiểm tra, ml
b- lượng dung dịch Na2S203 dùng phân mẫu nghiên cứu, ml
2.3. Xác định các tính chất cơ lí.
2.3.1. Xác định độ mài mòn.
Độ mài mòn được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D I 044-94 trên máy
Taber - Abraser - 5130 (Mỹ) với bánh xe thử mài mòn CS-10. Tải trọnơ đặt
lên mẫu là 1000 gam. Tốc độ quay của máy là 72 v/phút. Môi trườnc đo:
không khí. nhiệt độ 25°c, độ ẩm 50 ± 2%.
a) Chuẩn bị mẫu thử.

Mẫu thử độ mài mòn là hình chữ nhật có kích thức 100

X

100 mm có

khoan lỗ (ị) = 6,5 mm ở giữa. Mẫu được mài nhẵn, làm sạch và để ổn định ở
nhiệt độ phòng trons 24 giờ.

25