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DE69421169T2 - Composite fibers made from potassium hexatitanate and titanium dioxide - Google Patents

Composite fibers made from potassium hexatitanate and titanium dioxide

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Publication number
DE69421169T2
DE69421169T2 DE1994621169 DE69421169T DE69421169T2 DE 69421169 T2 DE69421169 T2 DE 69421169T2 DE 1994621169 DE1994621169 DE 1994621169 DE 69421169 T DE69421169 T DE 69421169T DE 69421169 T2 DE69421169 T2 DE 69421169T2
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fiber
potassium
fibers
titanium dioxide
crystals
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DE1994621169
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Yuji Aramaki
Isamu Kobayashi
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Kubota Corp
Original Assignee
Kubota Corp
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Description

Verbundfasern aus Kaliumhexatitanat und TitandioxidComposite fibers made of potassium hexatitanate and titanium dioxide

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbundfasern aus Kaliumhexatitanatkristallen und Titandioxidkristallen mit hervorragenden Charakteristiken bezüglich der Abriebbeständigkeit, Wärmebeständigkeit, Wärmeisolierung, Hitzebeständigkeitseigenschaften und Verstärkungseigenschaften, und eignet sich für Friktionsmaterialien für Bremsvorrichtungen von Kraftfahrzeugen, Eisenbahnwagen, Flugzeuge, Industriemaschinen etc.The present invention relates to composite fibers of potassium hexatitanate crystals and titanium dioxide crystals having excellent characteristics in terms of abrasion resistance, heat resistance, heat insulation, heat resistance properties and reinforcing properties, and is suitable for friction materials for braking devices of automobiles, railroad cars, aircraft, industrial machines, etc.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Friktionsmaterialien, die Chrysotil-Asbestfasern beinhalten, wurden herkömmlicherweise für Bremsvorrichtungen verwendet. Allerdings weist das Chrysotil-Asbest beinhaltende Friktionsmaterial eine geringe thermische Beständigkeit auf und dessen Reibungskoeffizient nimmt rasch ab bei relativ niedrigen Temperaturen, wobei es zu einem Fading kommt, während das Friktionsmaterial sich deutlich bei hohen Temperaturen abnutzt. Somit bestand der Wunsch, diese Probleme zu beheben. Außerdem besteht eine Tendenz, den Einsatz von Asbest einzudämmen aufgrund seiner krebserregenden Eigenschaft vom Standpunkt der Umwelthygiene, so daß eine starke Nachfrage für die Entwicklung von Substituten für Chrysotil-Asbestfasern besteht.Friction materials containing chrysotile asbestos fibers have been conventionally used for braking devices. However, the friction material containing chrysotile asbestos has low thermal resistance and its friction coefficient decreases rapidly at relatively low temperatures, causing fading, while the friction material wears out significantly at high temperatures. Thus, there has been a desire to solve these problems. In addition, there is a tendency to restrict the use of asbestos due to its carcinogenic property from the standpoint of environmental hygiene, so there is a strong demand for the development of substitutes for chrysotile asbestos fibers.

Um der Forderung nachzukommen, wurden Versuche unternommen, in verschiedenen Gebieten für technische Anwendungen Kaliumtitanatfasern zu verwenden, welche durch die allgemeine Formel K&sub2;O nTiO&sub2; angegeben sind, und für welche Kaliumhexatitanatfaser (K&sub2;Ti&sub6;O&sub1;&sub3;), Kaliumtetratitanatfaser (K&sub2;Ti&sub4;O&sub9;) und Kaliumoctatitanatfaser (K&sub2;TigO&sub1;&sub7;) als Substitute für Asbestfasern typisch sind. Unter diesen ist Kaliumhexatitanatfaser wirksam bei der Verhinderung des Fadings aufgrund seiner hohen Wärmebeständigkeit, da es eine Mohs-Härte von etwa 4 besitzt, daher mit geringerer Wahrscheinlichkeit bei den benachbarten Materialien Abrieb erzeugt und sich daher zum Beispiel zur Verhinderung einer ungewollten Bremsbetätigung eignet, da es eine geringere Hygroskopizität besitzt und mit Wasser nicht reagiert. Aufgrund dieser Eigenschaften wurde diese Faser zur Verwendung für Friktionsmaterialien für Kfz-Bremsbeläge etc. vorgeschlagen. (Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichungen SHO 61-191599 und HEI 1-294553).In order to meet the demand, attempts have been made to use potassium titanate fibers represented by the general formula K₂O nTiO₂ in various fields for technical applications, of which potassium hexatitanate fiber (K₂Ti₆O₁₃), potassium tetratitanate fiber (K₂Ti₄O₉) and potassium octatitanate fiber (K₂TigO₁₇) are typical as substitutes for asbestos fibers. Among them, potassium hexatitanate fiber is effective in preventing fading due to its high heat resistance, since it has a Mohs hardness of about 4, is therefore less likely to cause abrasion to the adjacent materials and is therefore suitable for preventing accidental brake operation, for example, since it has a lower It has hygroscopicity and does not react with water. Due to these properties, this fiber has been proposed for use in friction materials for automobile brake pads, etc. (Unexamined Japanese Patent Publications SHO 61-191599 and HEI 1-294553).

Man stellte allerdings fest, daß, obwohl das die Kaliumhexatitanatfasern beinhaltende Friktionsmaterial eine erhöhte Abriebbeständigkeit besitzt, der Reibungskoeffizient davon bei niedrigen Temperaturen (bis zu etwa 250ºC) eher geringer ist als derjenige des die Chrysotil-Asbestfasern beinhaltenden Friktionsmaterials. Mit der Zunahme der Geschwindigkeit von Fahrzeugen ist ein höherer Reibungskoeffizient des Friktionsmaterials für Bremsvorrichtungen in den letzten Jahren erforderlich und es ist die Bereitstellung von Friktionsmaterialien erwünscht, welche einen hohen Friktionskoeffizienten über einen niedrigen bis hohen, breiten Temperaturbereich beibehalten.However, it has been found that although the friction material containing the potassium hexatitanate fibers has an increased abrasion resistance, the friction coefficient thereof at low temperatures (up to about 250ºC) is rather lower than that of the friction material containing the chrysotile asbestos fibers. With the increase in the speed of vehicles, a higher friction coefficient of the friction material for braking devices is required in recent years, and it is desired to provide friction materials which maintain a high friction coefficient over a low to high wide temperature range.

Die US-A-3 779 784 beschreibt eine Verbundfaser mit einem Kern aus einem Einzelkristall K&sub2;Ti&sub6;O&sub1;&sub3;, welcher durch eine Umhüllung aus TiO&sub2; umschlossen ist.US-A-3 779 784 describes a composite fiber with a core made of a single crystal K₂Ti₆O₁₃ which is enclosed by a cladding made of TiO₂.

Die JP-A-04 321 517 beschreibt polykristalline Kaliumhexatitanatteilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1-100 um und einer Dicke von 0,01-2 um sowie deren Herstellung.JP-A-04 321 517 describes polycrystalline potassium hexatitanate particles with an average diameter of 1-100 µm and a thickness of 0.01-2 µm and their production.

Die JP-A-50 09 462 beschreibt ein Friktionsmaterial, welches durch Binden von Kaliumtitanatfasern mit einem anorganischen oder organischen Bindemittel und Formen der Mischung erhalten wird.JP-A-50 09 462 describes a friction material obtained by binding potassium titanate fibers with an inorganic or organic binder and molding the mixture.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Fasermaterial bereit, welches die obenstehende Forderung erfüllt, d. h. eine polykristalline Faser mit einer Verbundphase oder Struktur, welche aus Kaliumhexatitanatkristallen und damit vermischten Titandioxidkristallen besteht.The present invention provides a fiber material which satisfies the above requirement, i.e., a polycrystalline fiber having a composite phase or structure consisting of potassium hexatitanate crystals and titanium dioxide crystals mixed therewith.

Übrigens ist Rutil-Priderit-Kaliumhexatitanat-Verbundfaser als polykristalline Faser mit einer Verbundstruktur bekannt, welche Kaliumhexatitanatkristalle und andere Kristalle umfaßt (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichungen SHO 60-34617 und SHO 60-259627), wohingegen sich diese Verbundfaser von der Verbundfaser der vorliegenden Erfindung dadurch unterscheidet, daß sie Priderit enthält. Die Priderit enthaltende Verbundfaser zeigt nicht nur eine niedrigere Festigkeit, sondern ist auch mit dem Problem behaftet, daß sie völlig braun wird.Incidentally, rutile priderite-potassium hexatitanate composite fiber is known as a polycrystalline fiber having a composite structure comprising potassium hexatitanate crystals and other crystals (unexamined Japanese Patent Publications SHO 60-34617 and SHO 60-259627), whereas This composite fiber differs from the composite fiber of the present invention in that it contains priderite. The composite fiber containing priderite not only exhibits lower strength but also has a problem that it turns completely brown.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Folglich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundfaser aus polykristalliner Struktur gemäß Anspruch 1, eine Verbundfaser aus polykristalliner Struktur, erhalten durch dieses Verfahren gemäß Anspruch 3, sowie ein Friktionsmaterial gemäß Anspruch 6 bereit.Accordingly, the present invention provides a method for producing a composite fiber of polycrystalline structure according to claim 1, a composite fiber of polycrystalline structure obtained by this method according to claim 3, and a friction material according to claim 6.

Die Verbundfaser der vorliegenden Erfindung ist eine polykristalline Faser mit einer Verbundphase, in welcher Kaliumhexatitanatkristalle und Titandioxidkristalle in einem gemischtem Zustand vorliegen. Die Verbundphase ist eine Struktur, welche durch Schmelzherstellungsverfahren erhalten wird, bei welchem bei Entfernung von Kalium aus einer Masse oder einem Klumpen aus Kaliumdititanatfasern unter gleichzeitiger Lockerung des Kumpens in einer Waschflüssigkeit K&spplus; - Ionen herausgelöst werden, bis der Kaliumgehalt der Fasern auf 1 bis 13,5 Gew.-% abnimmt, was bewirkt, daß der Titangehalt der Fasern den Titangehalt von Kaliumhexatitanat übersteigt, Kaliumhexatitanatkristalle durch eine Wärmebehandlung gebildet werden und das überschüssige Titan sich gleichzeitig zu Titandioxidkristallen bildet.The composite fiber of the present invention is a polycrystalline fiber having a composite phase in which potassium hexatitanate crystals and titanium dioxide crystals exist in a mixed state. The composite phase is a structure obtained by melt-making processes in which, when potassium is removed from a mass or lump of potassium dititanate fibers while loosening the lump in a washing liquid, K+ ions are dissolved out until the potassium content of the fibers decreases to 1 to 13.5 wt%, causing the titanium content of the fibers to exceed the titanium content of potassium hexatitanate, potassium hexatitanate crystals are formed by a heat treatment, and the excess titanium simultaneously forms into titanium dioxide crystals.

Wenn Verbundfasern der vorliegenden Erfindung für ein Friktionsmaterial für Bremsvorrichtungen verwendet werden, ist es erwünscht, daß die Verbundfasern in einer Menge von 3 bis 50 Gew.-% eingeschlossen werden.When composite fibers of the present invention are used for a friction material for braking devices, it is desirable that the composite fibers be included in an amount of 3 to 50% by weight.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die Fig. 1 bis 4 sind Mikrophotographien, welche Verbundfasern der Erfindung zeigen;Figures 1 to 4 are photomicrographs showing composite fibers of the invention;

Die Fig. 5 ist eine Mikrophotographie, welche eine herkömmliche Einzel-Phasen-Faser aus Ka liumhexatitanat zeigt;Fig. 5 is a photomicrograph showing a conventional single-phase fiber made of Ka lium hexatitanate;

Die Fig. 6 ist eine Graphik, welche die Messungen des Reibungskoeffizienten zeigt, welcher für Scheibenbelagproben durch eine Reibung bei konstanter Geschwindigkeit und einen Abriebtest erhalten wurde;Figure 6 is a graph showing the measurements of the coefficient of friction obtained for disk pad samples by a constant speed friction and abrasion test;

Die Fig. 7 ist eine Graphik, welche die Messungen der Abriebrate zeigt, die für die Scheibenbelagproben durch den Test erhalten wurde;Figure 7 is a graph showing the wear rate measurements obtained for the disk pad samples by the test;

Die Fig. 8 ist eine Graphik, welche die Messungen des Reibungskoeffizienten zeigt, der für Scheibenbelagproben durch eine Friktion bei konstanter Geschwindigkeit und einen Abriebtest erhalten wurde;Figure 8 is a graph showing the measurements of the coefficient of friction obtained for disk pad samples by a constant speed friction and abrasion test;

und die Fig. 9 ist eine Graphik, welche die Messungen der Abriebrate zeigt, welche für die Scheibenbelagproben durch den Test erhalten wurde.and Fig. 9 is a graph showing the measurements of the wear rate obtained for the disk pad samples by the test.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die Verbundfaser der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine polykristalline Faser mit einer Verbundstruktur ist, welche im wesentlichen aus Kaliumhexatitanatkristallen (K&sub2;Ti&sub6;O&sub1;&sub3;) und Titandioxidkristallen (TiO&sub2;) besteht, welche in einem gemischten Zustand vorliegen. Ein vorteilhaftes Merkmal der polykristallinen Verbundstruktur der Faser gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch ein Schmelzverfahren erhalten werden.The composite fiber of the present invention is characterized in that the fiber is a polycrystalline fiber having a composite structure consisting essentially of potassium hexatitanate crystals (K₂Ti₆O₁₃) and titanium dioxide crystals (TiO₂) which are in a mixed state. An advantageous feature of the polycrystalline composite structure of the fiber according to the present invention can be obtained by a melting process.

Das indem Schmelzverfahren verwendete Rohmaterial ist eine Mischung einer unter Erwärmung zu Titanerde oder Titandioxid (TiO&sub2;) umwandelbaren Titanverbindung und einer unter Erwärmung zu Kaliumoxid (K&sub2;O) umwandelbaren Kaliumverbindung in einem Verhältnis, das dadurch ein TiO&sub2;/K&sub2;O-Molverhältnis von 1,5 bis 2,5 erhalten wird. Das Schmelzverfahren umfaßt die Schritte der Erwärmung der Mischung auf etwa 950 bis etwa 1100ºC zur Herstellung einer Schmelze, des Kühlens der Schmelze zu Erzielung eines Klumpens aus Kaliumdititanatfasern, des Behandelns des Faserklumpens in einer Waschflüssigkeit, um K&spplus;-Ionen herauszulösen, bis der Kaliumgehalt der Fasern auf 1-13,5 Gew.-% abnimmt (dieser Prozentanteil basiert auf Fasern in einem wasserfreien Zustand), während die Fasern gelockert werden, und des Wärmebehandelns der resultierenden Fasern bei einer Temperatur von 900 bis 1300ºC.The raw material used in the melting process is a mixture of a titanium compound convertible to titania or titanium dioxide (TiO₂) when heated and a potassium compound convertible to potassium oxide (K₂O) when heated in a ratio to thereby obtain a TiO₂/K₂O molar ratio of 1.5 to 2.5. The melting process comprises the steps of heating the mixture to about 950 to about 1100°C to produce a melt, cooling the melt to obtain a lump of potassium dititanate fibers, treating the fiber clump in a washing liquid to extract K+ ions until the potassium content of the fibers decreases to 1-13.5 wt.% (this percentage is based on fibers in an anhydrous state) while loosening the fibers, and heat treating the resulting fibers at a temperature of 900 to 1300ºC.

Die als eines der Rohmaterialien verwendete Titanverbindung ist eine gereinigte Anatase, ein gereinigtes Rutil oder dergleichen. Der Grund ist der, daß, da natürlich vorkommender Anatasesand oder Rutilsand große Mengen an Verunreinigungselementen (Fe, Si, Cr, Al, Zr, V und dergleichen) enthält, möglicherweise zahlreiche Risse in den Fasern durch die Wärmebehandlung auftreten und es schwierig ist, die Fasern auf der geeigneten Größe zu halten. Folglich ist es wünschenswert, gereinigte Anatase oder gereinigtes Rutil mit einer relativ hohen Reinheit (mindestens etwa 98%) zu verwenden. Die mit der Titanverbindung vermischte Kaliumverbindung ist typischerweise Kaliumcarbonat (K&sub2;CO&sub3;). Kaliumhydroxid, -nitrat etc. sind ebenfalls verwendbar.The titanium compound used as one of the raw materials is a purified anatase, a purified rutile or the like. The reason is that since naturally occurring anatase sand or rutile sand contains large amounts of impurity elements (Fe, Si, Cr, Al, Zr, V and the like), numerous cracks may occur in the fibers by the heat treatment and it is difficult to keep the fibers at the appropriate size. Consequently, it is desirable to use purified anatase or purified rutile with a relatively high purity (at least about 98%). The potassium compound mixed with the titanium compound is typically potassium carbonate (K2CO3). Potassium hydroxide, nitrate, etc. are also usable.

Das Mischverhältnis der Titanverbindung und der Kaliumverbindung ist 1,5 bis 2,5 bezüglich des TiO&sub2;/K&sub2;O-Molverhältnisses, um zu bewirken, daß die Schmelze davon Fasern aus Kaliumdititanatkristallen (K&sub2;Ti&sub2;O&sub5;) als primäre Phase (die zu Beginn auftretende Phase) während der Kühlungs-Verfestigungs-Verarbeitung bildet. Der resultierende Klumpen von Kaliumdititanatfasern kann von Kalium befreit werden und relativ einfach aufgrund seiner Kristallstruktur gelockert werden. Vom Standpunkt einer leichteren Dispergierung in Wasser beträgt das Molverhältnis vorzugsweise 1,7 bis 2,0.The mixing ratio of the titanium compound and the potassium compound is 1.5 to 2.5 in terms of the TiO₂/K₂O molar ratio in order to cause the melt thereof to form fibers of potassium dititanate crystals (K₂Ti₂O₅) as the primary phase (the phase appearing at the beginning) during cooling-solidification processing. The resulting lump of potassium dititanate fibers can be freed of potassium and loosened relatively easily due to its crystal structure. From the standpoint of easier dispersion in water, the molar ratio is preferably 1.7 to 2.0.

Der durch Kühlen der geschmolzenen Mischung zur Verfestigung erhaltene Faserklumpen ist ein bündelförmiges Aggregat von Kaliumdititanatfasern, die als Primär-Phasen-Fasern entlang eines Temperaturgradienten in dem Abkühlungs-Verfestigungs-Vorgang gezüchtet werden.The fiber lump obtained by cooling the molten mixture for solidification is a bundle-shaped aggregate of potassium dititanate fibers grown as primary phase fibers along a temperature gradient in the cooling-solidification process.

Die Menge der K&spplus;-Ionen, die durch die Kaliums-Entfernungs-Lockerungs-Verarbeitung herausgelöst werden, ist so eingestellt, daß der Kaliumgehalt der Fasern 1 bis 13,5 Gew.-% beträgt. Das TiO&sub2;/K&sub2;O-Molverhältnis der Fasern (hydratisiertes Kaliumtitanat) ist größer als 6. Die Menge der herauszulösenden K&spplus;-Ionen wird in dieser Weise eingestellt, da keine Titandioxidkristalle durch Wärmebehandlung gebildet werden wenn diese geringer ist.The amount of K+ ions to be dissolved out by the potassium removal-loosening processing is adjusted so that the potassium content of the fibers is 1 to 13.5 wt.%. The TiO₂/K₂O molar ratio of the fibers (hydrated potassium titanate) is greater than 6. The amount of K+ ions to be dissolved out is adjusted in this way because no titanium dioxide crystals formed by heat treatment if this is lower.

Obwohl Wasser oder Heißwasser als Waschflüssigkeit für die Kaliumentfemungsbehandlung verwendbar ist, ist es wünschenswert, eine wäßrige Säurelösung zu verwenden, die auf eine passende Konzentration eingestellt ist, wie 0,01- bis 1%-ige wäßrige Lösung von Schwefelsäure, 0,01- bis 1%-ige wäßrige Lösung von Salzsäure oder 0,1- bis 2%-ige wäßrige Lösung von Essigsäure, um eine effiziente Behandlung zu gewährleisten. Sofern erforderlich, wird die Behandlung unter Rühren unter Verwendung eines Propellers, Mischers oder dergleichen durchgeführt. Die Menge der herauszulösenden K&spplus;- Ionen ist einstellbar, beispielsweise unter Verwendung einer anderen Waschflüssigkeit, oder durch Variieren der Menge der Waschflüssigkeit, der Rührintensität oder der Behandlungszeit.Although water or hot water is usable as the washing liquid for the potassium removal treatment, it is desirable to use an aqueous acid solution adjusted to an appropriate concentration such as 0.01 to 1% aqueous solution of sulfuric acid, 0.01 to 1% aqueous solution of hydrochloric acid or 0.1 to 2% aqueous solution of acetic acid to ensure efficient treatment. If necessary, the treatment is carried out with stirring using a propeller, mixer or the like. The amount of K+ ions to be extracted is adjustable, for example, by using a different washing liquid or by varying the amount of the washing liquid, the stirring intensity or the treatment time.

Die aus der Waschflüssigkeit entnommenen Fasern (polykristalline Fasern von hydratisiertem Kaliumtitanat) besitzen eine chemische Zusammensetzung entsprechend einer gemischten Phase von Kaliumhexatitanatkristallen und Titandioxidkristallen, behalten aber gewisse Merkmale des Vorläufers, d. h. Kaliumdititanatkristalle bezüglich ihrer kristallinen Struktur, bei, so daß die Fasern wärmebehandelt werden und dadurch zu Kaliumhexatitanatkristallen und Titandioxidkristallen geformt werden.The fibers taken out of the washing liquid (polycrystalline fibers of hydrated potassium titanate) have a chemical composition corresponding to a mixed phase of potassium hexatitanate crystals and titanium dioxide crystals, but retain certain characteristics of the precursor, i.e. potassium dititanate crystals, in terms of their crystalline structure, so that the fibers are heat treated and thereby formed into potassium hexatitanate crystals and titanium dioxide crystals.

Die Wärmebehandlung wird durch Warmhalten der Fasern auf einer Temperatur von 900 bis 1300ºC wie zuvor erwähnt bewerkstelligt. Die Untergrenze der Behandlungstemperatur beträgt 900ºC, da, falls die Temperatur niedriger ist (insbesondere nicht höher als 800ºC), die erhaltene Verbundfaser eine schlechte Kristallinität besitzt und chemisch instabil ist. Die Obergrenze beträgt 1300ºC, um ein Schmelzen der Kaliumhexatitanatkristalle zu vermeiden.The heat treatment is accomplished by keeping the fibers at a temperature of 900 to 1300ºC as mentioned above. The lower limit of the treatment temperature is 900ºC because if the temperature is lower (especially not higher than 800ºC), the obtained composite fiber has poor crystallinity and is chemically unstable. The upper limit is 1300ºC to avoid melting of the potassium hexatitanate crystals.

Wenn die Wärmebehandlung bei niedrigeren Temperaturen (bis zu etwa 970ºC) in dem obenstehenden Bereich durchgeführt wird, ist die Form von Titandioxid Anatase, während die Form von Titandioxid Rutil ist, wenn die Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen (mindestens etwa 1050ºC) in dem obenstehenden Bereich durchgeführt wird. Bei der Wärmebehandlung in einem mittleren Temperaturbereich (etwa 1000ºC) ist die Form von Titandioxid eine gemischte Phase von Anatase und Rutil.When the heat treatment is carried out at lower temperatures (up to about 970ºC) in the above range, the form of titanium dioxide is anatase, while when the heat treatment is carried out at higher temperatures (at least about 1050ºC) in the above range, the form of titanium dioxide is rutile. When heat treated in a medium temperature range (about 1000ºC), the form of titanium dioxide is a mixed phase of anatase and rutile.

Obwohl die Umformung der Kristallstruktur durch die Wärmebehandlung in dem vorgenannten Temperaturbereich während mehrerer Minuten durchgeführt werden kann, betrifft die Behandlungszeit die Verdichtung von Kristallkörnern sowie die Faserfestigkeit, so daß die Wärmebehandlung für mindestens 10 Minuten, vorzugsweise 0,5 bis 3 Stunden, durchgeführt wird, wodurch eine erhöhte Faserfestigkeit erzielt wird.Although the transformation of the crystal structure by the heat treatment in the above-mentioned temperature range can be carried out for several minutes, the treatment time affects the densification of crystal grains as well as the fiber strength, so that the heat treatment is carried out for at least 10 minutes, preferably 0.5 to 3 hours, thereby achieving increased fiber strength.

Wie zuvor erwähnt, sorgt gemäß dem beschriebenen Herstellungsverfahren die Wärmebehandlung (für die Umwandlung der Kristallstruktur von Fasern) für die Bildung einer polykristallinen Verbundstruktur, in welcher Kaliumhexatitanatkristalle in einem solchen Zustand vorliegen, daß sie mit Titandioxidkristallen vermischt sind. Die Kristallisierung von Titandioxid ist auf den Kaliumentfernungs-Lockerungs-Vorgang zurückzuführen, welcher der Wärmebehandlung vorausgeht, durch welche K&spplus;-Ionen herausgelöst werden, bis der Kaliumgehalt der Fasern auf 13,5 Gew.-% oder weniger zurück gegangen ist. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß dieser Prozentwert auf Fasern in einem wasserfreien Zustand basiert. Wenn die chemische Zusammensetzung der Fasern (Kristalle von hydratisiertem Kaliumtitanat), wie sie gewonnen wurden, nachdem K&spplus;- Ionen aus dem Primär-Phasen-Faserklumpen herausgelöst worden sind (Kristalle von Kaliumdititanat) als TiO&sub2;/K&sub2;O-Molverhältnis angegeben wird, werden diese Fasern, die bis zu 13,5 Gew.-% Kalium beinhalten, durch "TiO&sub2; / K&sub2;O > 6" angegeben und übersteigen damit Kaliumhexatitanatfasern (TiO&sub2; / K&sub2;O = 6) bezüglich des Titangehalts. Folglich werden durch die Wärmebehandlung Kaliumhexatitanatkristalle gebildet, und es wird auch der Überschuß an Titan zu Titandioxidkristallen kristallisiert, so daß die Verbundphase von Kaliumhexatitanatkristallen und Titandioxidkristallen, die damit vermischt sind, gebildet wird. Je nach der Temperatur der Wärmebehandlung werden die Titandioxidkristalle zu einer Rutil-Phase oder Anatase-Phase gebildet.As previously mentioned, according to the manufacturing process described, the heat treatment (for converting the crystal structure of fibers) provides for the formation of a polycrystalline composite structure in which potassium hexatitanate crystals are in a state of being mixed with titanium dioxide crystals. The crystallization of titanium dioxide is due to the potassium removal-loosening process that precedes the heat treatment, by which K+ ions are dissolved out until the potassium content of the fibers has decreased to 13.5% by weight or less. It should be noted that this percentage is based on fibers in an anhydrous state. When the chemical composition of the fibers (hydrated potassium titanate crystals) obtained after K+ ions are dissolved out from the primary phase fiber lump (potassium dititanate crystals) is expressed as TiO2/K2O molar ratio, these fibers containing up to 13.5 wt% of potassium are expressed as "TiO2/K2O > 6" and thus exceed potassium hexatitanate fibers (TiO2/K2O = 6) in titanium content. Consequently, potassium hexatitanate crystals are formed by the heat treatment, and the excess titanium is also crystallized into titanium dioxide crystals, so that the composite phase of potassium hexatitanate crystals and titanium dioxide crystals mixed therewith is formed. Depending on the temperature of the heat treatment, the titanium dioxide crystals are formed into a rutile phase or anatase phase.

Der Anteil von Titandioxidkristallen in der Kaliumhexatitanatkristall-Titandioxidkristall- Verbundfaser beträgt, obwohl nicht streng genommen von den erforderlichen Charakeristika der Faser oder deren Verwendung abhängig, vorzugsweise mindestens 1 Vol.% (etwa 6 Mol-%), damit die Faser vollständig die Wirkung ihrer vermischten Phase zeigt.The proportion of titanium dioxide crystals in the potassium hexatitanate crystal-titanium dioxide crystal composite fiber, although not strictly dependent on the required characteristics of the fiber or its use, is preferably at least 1 vol% (about 6 mol%) in order for the fiber to fully exhibit the effect of its mixed phase.

Die Verbundfaser der vorliegenden Erfindung wird in der Form einer plattenförmigen polykristallinen Faser mit einem Durchmesser von etwa 20 bis etwa 50 um und einer Länge von etwa 100 bis etwa 400 um hergestellt, obwohl die Fasergröße von den strukturellen Bedingungen abhängt, insbesondere von den Behandlungsbedingungen des Kaliumentfernungs-Lockerungs-Verfahrens für den Primär-Phasen-Faserklumpen.The composite fiber of the present invention is produced in the form of a plate-shaped polycrystalline fiber having a diameter of about 20 to about 50 µm and a length of about 100 to about 400 µm, although the fiber size depends on the structural conditions, particularly on the treatment conditions of the potassium removal-loosening process for the primary phase fiber lump.

Wie bereits erwähnt, liegen die Titandioxidkristalle als Rutil-Phase, Anatase-Phase oder gemischte Phase davon mit einer spezifischen Kristallstruktur vor, je nach dem Kaliumgehalt der Fasern oder der Wärmebehandlungstemperatur. Die Rutilphase besitzt eine höhere Härte als die Anatasephase (Rutil-Phase etwa 7,0 bis 7,5, Anatase-Phase etwa 5,5 bis 6,0 Mohs-Härte), so daß die Verbundfaser eine höhere Abriebbeständigkeit zeigt, wenn sie Titandioxidkristalle als Rutilphase enthält, als wenn sie die Titandioxidkristalle als Anatase-Phase enthält.As mentioned above, the titanium dioxide crystals exist as rutile phase, anatase phase or mixed phases thereof with a specific crystal structure depending on the potassium content of the fibers or the heat treatment temperature. The rutile phase has a higher hardness than the anatase phase (rutile phase about 7.0 to 7.5, anatase phase about 5.5 to 6.0 Mohs hardness), so that the composite fiber exhibits a higher abrasion resistance when it contains titanium dioxide crystals as rutile phase than when it contains the titanium dioxide crystals as anatase phase.

Im Vergleich mit der Einzelphasenfaser von Kaliumhexatitanat besitzt die polykristalline Verbundfaser der vorliegenden Erfindung, die aus Kaliumhexatitanatkristallen und Titandioxidkristallen besteht, eine höhere Abriebbeständigkeit und Reibungskoeffizienten sowie eine verbesserte Festigkeit als die Auswirkungen einer Mischung aus zwei Phasen. Außerdem verleiht die Mischung aus zwei Phasen der Faseroberfläche winzige Erhebungen oder Einschnitte bzw. Vertiefungen, die für eine erhöhte Haftfestigkeit an der Grenzfläche sorgen, wenn die Faser mit anderem Material verklebt wird.Compared with the single phase fiber of potassium hexatitanate, the polycrystalline composite fiber of the present invention consisting of potassium hexatitanate crystals and titanium dioxide crystals has higher abrasion resistance and friction coefficients and improved strength than the effects of a two-phase mixture. In addition, the two-phase mixture imparts minute protrusions or recesses to the fiber surface, which provide increased bonding strength at the interface when the fiber is bonded to other material.

Ein Friktionsmaterial, bei welchem die Verbundfasern von Kaliumhexatitanat und Titandioxid mit den vorgenannten Charakteristika darin eingebracht sind, besitzt einen höheren Reibungskoeffizienten als das Friktionsmaterial, bei welchen die Einzelphasenfaser von Kaliumhexatitanat verwendet wird. Die Verbundfaser weist eine hohe thermische Stabilität ihres Reibungskoeffizienten auf und behält den hohen Reibungskoeffizienten über einen hohen bis niedrigen, breiten Temperaturbereich bei. Bei niedrigen bis hohen Temperaturen besitzt das Friktionsmaterial der vorliegenden Erfindung auch eine höhere Abriebbestandigkeit als das Chrysotil-Asbestfaser beinhaltende Friktionsmaterial.A friction material in which the composite fibers of potassium hexatitanate and titanium dioxide having the above-mentioned characteristics are incorporated therein has a higher friction coefficient than the friction material using the single-phase fiber of potassium hexatitanate. The composite fiber has a high thermal stability of its friction coefficient and maintains the high friction coefficient over a high to low, wide temperature range. At low to high temperatures, the friction material of the present invention also has a higher abrasion resistance than the friction material containing chrysotile asbestos fiber.

Die Verbundfaser der vorliegenden Erfindung ist von polykristalliner Struktur und weist daher lokal Hohlräume an den Grenzflächen der Kristallkörner auf. Die Hohlräume haben während der Anwendung eine dämpfende Funktion, so daß das die vorliegende Verbundfaser beinhaltende Friktionsmaterial den zusätzlichen Vorteil des Abriebs der benachbarten Materialien mit abgeschwächtem Ausmaß besitzt.The composite fiber of the present invention is of polycrystalline structure and therefore has local voids at the interfaces of the crystal grains. The voids have a dampening function during use, so that the friction material comprising the present composite fiber has the additional advantage of abrasion of the adjacent materials to a lesser extent.

Wenn die Verbundfaser der vorliegenden Erfindung für Friktionsmaterialien verwendet wird, ist es erwünscht, daß das Friktionsmaterial die Verbundfaser in einer Menge von 3 bis 50 Gew.-% enthält. Die Untergrenze des Gehalts ist 3 Gew.-%, da bei Vorliegen in kleineren Mengen die Faser ihre Wirkung nicht vollständig entfalten kann, während die Obergrenze 50 Gew.-% beträgt, da, wenn diese Grenze überschritten wird, der Effekt der Verleihung von verbesserten Friktions- und Abriebcharakteristika nahezu ausgeglichen wird.When the composite fiber of the present invention is used for friction materials, it is desirable that the friction material contains the composite fiber in an amount of 3 to 50% by weight. The lower limit of the content is 3% by weight because if it is present in smaller amounts, the fiber cannot fully exhibit its effect, while the upper limit is 50% by weight because if this limit is exceeded, the effect of imparting improved friction and abrasion characteristics is almost canceled out.

In das Friktionsmaterial der vorliegenden Erfindung kann weiterhin mindestens einer von verschiedenen faserförmigen Füllstoffen eingeschlossen sein, die als Fasern bekannt sind, welche für Friktionsmaterialien angewendet werden, wenn dies erforderlich ist, und zwar zusätzlich zu der Verbundfaser aus Kaliumhexatitanat und Titandioxid. Beispiele für solche Füllstoffe sind synthetisch organische Fasern (Aramid-Faser etc.), Metallfasern (Stahlfaser, nichtrostende Stahlfaser, Kupferfaser, Messingfaser etc.), Kohlenstoffaser, Glasfaser, Tonerde-Silika-Faser, Silika-Faser, Steinwolle, Schlackenwolle und Holzpulpe. Diese Füllstoffe werden in einer geeigneten Menge (z. B. 1 bis 60 Gew.-%) zusammen mit der Verbundfaser von Kaliumhexatitanat und Titandioxid beispielsweise zum Zwecke der Verstärkung des Friktionsmaterials verwendet.The friction material of the present invention may further include at least one of various fibrous fillers known as fibers used for friction materials, if necessary, in addition to the composite fiber of potassium hexatitanate and titanium dioxide. Examples of such fillers are synthetic organic fibers (aramid fiber, etc.), metal fibers (steel fiber, stainless steel fiber, copper fiber, brass fiber, etc.), carbon fiber, glass fiber, alumina-silica fiber, silica fiber, rock wool, slag wool, and wood pulp. These fillers are used in an appropriate amount (e.g., 1 to 60% by weight) together with the composite fiber of potassium hexatitanate and titanium dioxide, for example, for the purpose of reinforcing the friction material.

Falls erforderlich, werden diese Faserfüllstoffe in oberflächenbehandelter Form mit einem Haftmittel verwendet, um beispielsweise eine verbesserte Dispergierfähigkeit und Haftung an dem Bindemittel zu bekommen. Beispiele für brauchbare Haftmittel sind Silan-Haftmittel (wie Vinylsilan, Aminosilan, Epoxysilan, Methacryloxysilan und Mercaptoxysilan) sowie Titanat- Haftmittel (wie Isopropyltrüsostearoyltitanat und Di(dioctylpyrophosphat)-ethylentitanat).If necessary, these fiber fillers are used in surface-treated form with a coupling agent, for example to obtain improved dispersibility and adhesion to the binder. Examples of useful coupling agents are silane coupling agents (such as vinylsilane, aminosilane, epoxysilane, methacryloxysilane and mercaptoxysilane) and titanate coupling agents (such as isopropyl tristearoyl titanate and di(dioctyl pyrophosphate)ethylene titanate).

Das Friktionsmaterial der vorliegenden Erfindung kann weiterhin verschiedene Additive beinhal ten, welche allgemein als Friktions- und Abriebmodifizierungsmittel verwendet werden. Beispiele für brauchbare Additive sind organische Pulver, wie vulkanisierte oder nicht vulkanisierte, natürliche oder synthetische Kautschukpulver, Cashew-Harz-Teilchen oder -Granalien, Harzstaub und Kautschukstaub; anorganische Pulver, wie natürliches oder künstliches Graphit, Molybdändisullid, Antimontrisuifid, Bariumsulfat, Calciumcarbonat und Xonotlit; flockenförmige anorganische Füllstoffe, wie Glimmer und Vermiculit; metallische Pulver, wie Kupfer, Aluminium, Zink, Eisen und nichtrostende Stahlpulver; Metalloxidpulver, wie Tonerde-, Silika-, Chromoxid-, Titanoxid-, Eisenoxid-, Antimontrioxid-, Kupferoxidpulver; etc. Diese Additive werden einzeln verwendet oder es werden mindestens zwei davon in Kombination in einer geeigneten Menge (z. B. 20 bis 80 Gew.-%) entsprechend den erforderlichen Friktionscharakeristika des Produkts, wie den Reibungskoeffizient-Abriebbeständigkeits- und Vibrationscharakteristika verwendet. Ebenfalls brauchbar sind Korrosionsinhibitoren, Abriebmittel und ähnliche Hilfsmittel in einer geeigneten Menge (z. B. bis zu 60 Gew.-%), falls erforderlich. Daher wird das Friktionsmaterial in der Form einer solche Additive oder Mittel beinhaltenden Zusammensetzung hergestellt, wie dies der Fall bei herkömmlichen Friktionsmaterialien ist.The friction material of the present invention may further contain various additives which are generally used as friction and abrasion modifiers. Examples of useful additives are organic powders such as vulcanized or unvulcanized, natural or synthetic rubber powders, cashew resin particles or granules, resin dust and rubber dust; inorganic powders such as natural or artificial graphite, molybdenum disulfide, antimony trisulfide, barium sulfate, calcium carbonate and xonotlite; flaky inorganic fillers such as mica and vermiculite; metallic powders such as copper, aluminum, zinc, iron and stainless steel powders; metal oxide powders such as alumina, silica, chromium oxide, titanium oxide, iron oxide, antimony trioxide, copper oxide powders; etc. These additives are used individually or at least two of them are used in combination in an appropriate amount (e.g., 20 to 80% by weight) according to the required friction characteristics of the product such as friction coefficient, abrasion resistance and vibration characteristics. Also usable are corrosion inhibitors, abrasives and similar aids in an appropriate amount (e.g., up to 60% by weight) if required. Therefore, the friction material is prepared in the form of a composition containing such additives or agents, as is the case with conventional friction materials.

Beispiele für geeignete Bindemittel sind die für Friktionsmaterialien des beschriebenen Typs verwendeten, wie Harze, die Epoxyharz, Phenolharz, Formaldehydharz, Polyesterharz, Polyamidharze, Alkydharz, Silikonharz, Polyimidharz und ähnliche wärmehärtbare Harze sowie diese Harze in ihrer modifizierten Form; und Kautschuke, einschließlich natürlicher Kautschuk, Styrol- Butadien-Kautschuk und Nitril Kautschuk.Examples of suitable binders are those used for friction materials of the type described, such as resins containing epoxy resin, phenolic resin, formaldehyde resin, polyester resin, polyamide resin, alkyd resin, silicone resin, polyimide resin and similar thermosetting resins, as well as these resins in their modified form; and rubbers, including natural rubber, styrene-butadiene rubber and nitrile rubber.

Wie herkömmliche Friktionsmaterialien kann das Friktionsmaterial der vorliegenden Erfindung hergestellt werden durch Dispergieren der Fasern in einem als Bindemittel dienenden Harz, um eine Ausgangszusammensetzung mit darin auf Wunsch eingeschlossenen Friktions- und Abrieb- Modifizierungsmitteln und anderen Additiven, und durch Formen der Zusammensetzung mit einer Düse oder dergleichen unter Erwärmung und Anwendung von Druck zu Verfestigung. Alternativ kann das Friktionsmaterial durch Dispergieren der Ausgangszusammensetzung, z. B. in Wasser, Positionieren der Dispersion über einem Sieb, Formen der Dispersion zu einer Tafel durch Herausdrücken von Wasser und Pressen der Tafel unter Erwärmung unter einem erhöhtem Druck zur Verfestigung hergestellt werden. Das so geformte oder gestaltete Produkt kann in geeigneter Weise maschinell bzw. mechanisch bearbeitet werden oder geschliffen werden.Like conventional friction materials, the friction material of the present invention can be prepared by dispersing the fibers in a resin serving as a binder to form a starting composition with friction and abrasion modifiers and other additives optionally included therein, and molding the composition with a die or the like under heating and applying pressure to solidify it. Alternatively, the friction material can be prepared by dispersing the starting composition, e.g., in water, positioning the dispersion over a screen, molding the dispersion into a sheet by squeezing out water, and pressing the sheet under heating at an elevated pressure for solidification. The product thus formed or designed can be machined or mechanically processed or ground in a suitable manner.

BEISPIELEEXAMPLES Herstellung von FasernProduction of fibres (1) Verbundfaser von Kaliumhexatitanat und Titandioxid (Beispiele der Erfindung)(1) Composite fiber of potassium hexatitanate and titanium dioxide (examples of the invention) a. Herstellung von Rohmateriala. Production of raw material

Gereinigtes Anatasepulver (99,8% in Reinheit) und Kaliumcarbonatpulver (99,5% in Reinheit) für die industrielle Anwendung wurden zusammen vermischt in einem Verhältnis, das ein TiO&sub2; / K&sub2;O - Molverhältnis von 1,8 ergibt.Purified anatase powder (99.8% in purity) and potassium carbonate powder (99.5% in purity) for industrial use were mixed together in a ratio giving a TiO₂/ K₂O molar ratio of 1.8.

b. Erwärmung zum Schmelzenb. Heating to melt

Das Rohmaterial wurde in einen Platintiegel gegeben und unter Erwärmung auf 1050ºC während 40 Minuten geschmolzen.The raw material was placed in a platinum crucible and melted by heating to 1050ºC for 40 minutes.

c. Abkühlung zur Verfestigungc. Cooling to solidify

Die Schmelze wurde in einen schüsselförmigen Behälter (aus Kupfer) gegossen unter Erhalt eines Klumpens aus Kaliumdititanatfasern.The melt was poured into a bowl-shaped container (made of copper) to obtain a lump of potassium dititanate fibers.

d. Kaliumentfernungs-Lockerungs-Behandlungd. Potassium removal loosening treatment

Der Faserklumpen wurde in eine wäßrige Lösung von Schwefelsäre gegeben, welche unter Zugabe von Schwefelsäure zu Wasser in der 150-fachen Menge (auf Gewichtsbasis) des Faserklumpens hergestellt wurde. K&spplus;-Ionen wurden dazu gebracht, sich unter Rühren mit einem Propeller sich aus den Fasern herauszulösen, während die Fasern gelockert wurden.The fiber lump was placed in an aqueous solution of sulfuric acid, which was prepared by adding sulfuric acid to water in an amount 150 times (by weight) of the fiber lump. K+ ions were caused to dissolve out of the fibers by stirring with a propeller while loosening the fibers.

e. Wärmebehandlunge. Heat treatment

Die gelockerten Fasern wurden aus der Lösung entnommen, entwässert, getrocknet (in Luft) und anschließend zwei Stunden lang in einem Tonerdetiegel wärmebehandelt.The loosened fibers were removed from the solution, dewatered, dried (in air) and then heat-treated in an alumina crucible for two hours.

(2) Einzelphasenfaser von Kaliumhexatitanat (Vergleichsbeispiel)(2) Single phase fiber of potassium hexatitanate (comparative example)

Eine plattenförmige, polykristalline Faser aus Kaliumhexatitanat-Einzelphase wurde unter den gleichen Behandlungsbedingungen wie obenstehend hergestellt, mit der Ausnahme, daß die wäßrige Schwefelsäurelösung für die Kaliumentfernungs-Lockerungs-Behandlung durch Wasser (in der 150 - fachen Menge des Faserklumpens) ersetzt wurde.A plate-shaped, polycrystalline fiber of potassium hexatitanate single phase was prepared under the same treatment conditions as above, except that the aqueous sulfuric acid solution for the potassium removal-loosening treatment was replaced by water (150 times the amount of the fiber lump).

Die Tabelle 1 zeigt die Konzentration der Säurelösung, die Wärmebehandlungstemperatur, die Kristallphase des Faserendprodukts etc. entsprechend den Beispielen der Erfindung sowie das Vergleichsbeispiel. Tabelle 1 Table 1 shows the concentration of the acid solution, the heat treatment temperature, the crystal phase of the final fiber product, etc. according to the examples of the invention and the comparative example. Table 1

Anmerkung:Annotation:

6 TK: Kaliumhexatitanatkristalle6 TK: potassium hexatitanate crystals

(A) : Anatase-Phase von Titandioxidkristallen(A) : Anatase phase of titanium dioxide crystals

(R) : Rutil-Phase von Titandioxidkristallen(R) : Rutile phase of titanium dioxide crystals

(*): Der K-Gehalt der Fasern wurde nach der Wärmebehandlung ermittelt und gibt den Wert in den Fasern in deren wasserfreien Zustand an.(*): The K content of the fibres was determined the heat treatment and indicates the value in the fibres in their water-free state.

Die Nr. 1 bis Nr. 6 sind Beispiele der Erfindung, und die Nr. 11 ist ein Vergleichsbeispiel. Jedes der Faserendprodukte liegt in der Form einer plättchenförmigen, polykristallinen Faser vor, die etwa 30 um durchschnittlicher Faserdurchmesser und etwa 200 um durchschnittliche Faserlänge mißt (ermittelt unter Bezugnahme auf Photographien durch das Abtastelektronenmikroskop).Nos. 1 to 6 are examples of the invention, and No. 11 is a comparative example. Each of the fiber final products is in the form of a plate-shaped polycrystalline fiber measuring about 30 µm in average fiber diameter and about 200 µm in average fiber length (determined by reference to photographs by the scanning electron microscope).

Die Fig. 1 bis 5 zeigen Bilder (Vergrößerung: · 2000) unter einem Abtastelektronenmikroskop der Faserendprodukte, die in den jeweiligen Beispielen erhalten wurden (6TK: Kaliumhexatitanatkristalle, T: Titandioxidkristalle).Figs. 1 to 5 show images (magnification: 2000) under a scanning electron microscope of the fiber end products obtained in the respective examples (6TK: potassium hexatitanate crystals, T: titanium dioxide crystals).

Die Fig. 1, 2, 3 und 4 zeigen die Verbundfasern der Beispiele Nr. 1, Nr. 3, Nr. 4 bzw. Nr. 5 der Erfindung, und die Fig. 5 zeigt die Einzelphasenfaser aus Kaliumhexatitanat von Vergleichsbeispiel Nr. 11.Figs. 1, 2, 3 and 4 show the composite fibers of Examples No. 1, No. 3, No. 4 and No. 5 of the invention, respectively, and Fig. 5 shows the single-phase potassium hexatitanate fiber of Comparative Example No. 11.

Obwohl die am Ende erhaltenen Fasern der Beispiele der Erfindung und des Vergleichsbeispiels sich in Form oder Größe nicht besonders unterscheiden, ist die Faser des Vergleichsbeispiels eine Einzelphasenfaser lediglich aus Kaliumhexatitanatkristallen, wohingegen jene der Beispiele der Erfindung eine Verbundphase aufweisen, welche Kaliumhexatitanatkristalle und Titandioxidkristalle umfaßt, die in vermischter Form mit den vorgenannten Kristallen in einem dispergierten Zustand vorliegen.Although the final fibers of the examples of the invention and the comparative example are not particularly different in shape or size, the fiber of the comparative example is a single phase fiber of only potassium hexatitanate crystals, whereas those of the examples of the invention have a composite phase comprising potassium hexatitanate crystals and titanium dioxide crystals mixed with the aforementioned crystals in a dispersed state.

Es wird weiterhin Bezug genommen auf die Fig. 1 bis 4, welche die Fasern der Erfindung zeigen. Ein Vergleich zwischen den Fig. 2, 3 und 4 (die gezeigten Kalium-entfernten Fasern besitzen alle einen Kaliumgehalt von 9%, während die Wärmebehandlungstemperatur 950ºC bei Fig. 2, 1050ºC bei Fig. 3 oder 1150ºC bei Fig. 4 beträgt) zeigt, daß die Korngröße der Verbundfaser zunimmt mit einem Anstieg der Wärmebehandlungstemperatur. Ein Vergleich zwischen den Fig. I und 3 (die Wärmebehandlungstemperatur ist 1050ºC in beiden Fällen, während der Kaliumgehalt 4, 4% bei Fig. 1 oder 9,0% bei Fig. 3 ist) offenbart, daß die Menge an Titandioxid-Kristallphase mit einer Abnahme des Kaliumgehalts zunimmt. Diese Resultate zeigen, daß der Typ der Verbundphase der die Erfindung verkörpernden Verbundfaser nach Wunsch regulierbar ist durch Variierung der Menge von Kalium, welche durch das Kaliumentfernungs-Verfahren und die Temperatur des Wärmebehandlungsverfahrens herausgelöst wird.Reference is further made to Figures 1 to 4 which show the fibers of the invention. A comparison between Figures 2, 3 and 4 (the potassium-removed fibers shown all have a potassium content of 9% while the heat treatment temperature is 950°C in Figure 2, 1050°C in Figure 3 or 1150°C in Figure 4) shows that the grain size of the composite fiber increases with an increase in the heat treatment temperature. A comparison between Figs. 1 and 3 (the heat treatment temperature is 1050°C in both cases, while the potassium content is 4.4% in Fig. 1 or 9.0% in Fig. 3) reveal that the amount of titanium dioxide crystal phase increases with a decrease in potassium content. These results demonstrate that the type of composite phase of the composite fiber embodying the invention can be controlled as desired by varying the amount of potassium dissolved out by the potassium removal process and the temperature of the heat treatment process.

Übrigens sind größere Kristallkörner von Vorteil, da die Faser dann eine höhere Verdichtung besitzt und eine höhere Festigkeit zeigt.By the way, larger crystal grains are advantageous because the fiber then has a higher density and shows greater strength.

Festigkeit von FasernStrength of fibers

Einige der Verbundfasern der Erfindung und die Einzelphasenfaser von Kaliumhexatitanat wurden zu Proben verfestigt unter Verwendung eines Phenolharzbindemittels und danach auf ihre Biegefestigkeit, Biegung bei Bruch und Verformung der Fasern getestet.Some of the composite fibers of the invention and the single phase fiber of potassium hexatitanate were consolidated into samples using a phenolic resin binder and then tested for their flexural strength, bending at break and deformation of the fibers.

Die Proben wurden aus den Fasern Nr. 4, Nr. 5 und Nr. 11 wie in Tabelle 1 aufgelistet durch die folgende Verfahrensweise hergestellt. Die Faser (70 Gew.-%) und 30 Gew.-% Phenolharz wurden zusammen vermischt, und die Mischung wurde verdichtet (unter einem Druck von 30 MPa bei Raumtemperatur während 1 Minute) und (unter einem Druck von 15 MPa bei einer Temperatur von 170ºC während 5 Minuten) zu einem verfestigten Stück geformt. Das Formteil wurde wärmebehandelt (bei 180ºC während 3 Stunden). Die so hergestellte Probe war 7 · 15 · 70 mm groß.The samples were prepared from fibers No. 4, No. 5 and No. 11 as listed in Table 1 by the following procedure. The fiber (70 wt%) and 30 wt% phenolic resin were mixed together and the mixture was compacted (under a pressure of 30 MPa at room temperature for 1 minute) and molded (under a pressure of 15 MPa at a temperature of 170°C for 5 minutes) into a solidified piece. The molded piece was heat treated (at 180°C for 3 hours). The sample thus prepared was 7 x 15 x 70 mm in size.

Die erhaltenen Proben wurden einem 3-Punkt-Biegetest unterzogen (Spannweite: 40 mm, Kreuzkopfgeschwindigkeit: 0,5 mm/min). Die Tabelle 2 zeigt die Resultate. Tabelle 2 The obtained samples were subjected to a 3-point bending test (span: 40 mm, crosshead speed: 0.5 mm/min). Table 2 shows the results. Table 2

Die Resultate in Tabelle 2 offenbaren, daß die Proben Nr. 4 und Nr. 5, welche jeweils die Verbundfaser der Erfindung umfassen, eine höhere Biegefestigkeit als die Probe Nr. 11 aufweisen, welche die Einzelphasenfaser aus Kaliumhexatitanat umfaßt.The results in Table 2 reveal that Samples No. 4 and No. 5, each comprising the composite fiber of the invention, have higher bending strength than Sample No. 11, which comprises the single-phase fiber of potassium hexatitanate.

Friktions- und AbriebcharakteristikaFriction and abrasion characteristics (Abriebbeständigkeit und Reibungskoeffizient)(Abrasion resistance and friction coefficient) Beispiel 1example 1

Aus einigen der Verbundfasern der Erfindung und der Einzelphasenfaser aus Kaliumhexatitanat wurde jeweils ein Friktionsmaterial (Scheibenbelag) hergestellt, welches danach auf seine Friktionscharakteristika getestet wurde.A friction material (disc lining) was prepared from some of the composite fibers of the invention and the single-phase fiber made of potassium hexatitanate, which was then tested for its friction characteristics.

Der Scheibenbelag für die Tests wurde durch die folgende Verfahrensweise hergestellt. Die untenstehende Mischung wurde unter denselben Bedingungen wie für die Herstellung der Proben für den vorgenannte Faserfestigkeitstest verdichtet, geformt und wärmebehandelt, weiter gefolgt von einem Schleifen. Auf diese Weise wurden die Testbeläge A1, A2, B und C erhalten.The disc pad for the tests was prepared by the following procedure. The below mixture was compacted, molded and heat treated under the same conditions as for the preparation of the samples for the above-mentioned fiber strength test, further followed by grinding. In this way, the test pads A1, A2, B and C were obtained.

Faser 30 Gew.-%Fiber 30 wt.%

Bindemittel (Phenolharz) 20 Gew.-%Binder (phenolic resin) 20 wt.%

Friktions- und Abrieb-Modifizierungsmittel (Bariumsulfat) 50 Gew. -%Friction and abrasion modifier (barium sulfate) 50 wt.%

Die für die Testbeläge A1, A2 und B verwendeten Fasern sind Nr. 4, Nr. 5 bzw. Nr. 11 in Tabelle 1, und die für den Testbelag C verwendete Hauptfaser ist Chrysotil-Asbestfaser (Klasse 6).The fibres used for test coverings A1, A2 and B are No. 4, No. 5 and No. 11 in Table 1, respectively, and the main fibre used for test covering C is chrysotile asbestos fibre (class 6).

Teststücke wurden aus den Testbelägen geschnitten und einer Reibung bei konstanter Geschwindigkeit und einem Abriebtest unterzogen (Scheibenreibungsfläche: FC250 graues Gußeisen, Oberflächendruck: 1 MPa, Reibungsgeschwindigkeit: 7 m/s), vorgeschrieben in JIS D4411, "Motor Vehicle Brake Linings" (Kraftfahrzeugbremsbeläge), und dabei auf ihren Reibungskoeffizienten und die Abriebrate getestet. Die Messungen des Reibungskoeffizienten sind in Fig. 6 gezeigt, und diejenigen der Abriebbrate in Fig. 7).Test pieces were cut from the test linings and subjected to constant speed friction and abrasion tests (disk friction surface: FC250 gray cast iron, surface pressure: 1 MPa, friction speed: 7 m/s) prescribed in JIS D4411, "Motor Vehicle Brake Linings" and tested for their friction coefficient and abrasion rate. The measurements of the friction coefficient are shown in Fig. 6 and those of the abrasion rate in Fig. 7).

Die Fig. 6 zeigt, daß die Testbeläge A1 und A2 der Erfindung über den gesamten Bereich einer niedrigen bis hohen Temperatur einen höheren Reibungskoeffizienten beibehalten als der Testbelag B (welcher die Einzelphasenfaser aus Kaliumhexatitanat einschließt). Weiterhin weisen die Testbeläge A1 und A2 einen höheren Reibungskoeffizienten bei höheren Temperaturen auf als der Testbelag C (welcher Chrysotil-Asbestfaser einschließt).Fig. 6 shows that test pads A1 and A2 of the invention maintain a higher coefficient of friction than test pad B (which includes the single phase fiber of potassium hexatitanate) over the entire low to high temperature range. Furthermore, test pads A1 and A2 have a higher coefficient of friction at higher temperatures than test pad C (which includes chrysotile asbestos fiber).

Die Fig. 7 zeigt, daß die Testbeläge A1 und A2 der Erfindung eine niedrige Abriebrate aufweisen und eine hohe Abriebbeständigkeit bei höheren Temperaturen besitzen.Fig. 7 shows that the test coatings A1 and A2 of the invention have a low abrasion rate and have a high abrasion resistance at higher temperatures.

Beispiel 2Example 2

Unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 wurde die folgende Mischung zur Herstellung der Tesstbeläge A3, B3 und C3 verdichtet, geformt und wärmebehandelt, gefolgt von einem Schleifen.Under the same conditions as in Example 1, the following mixture was compacted, molded and heat treated to produce test pads A3, B3 and C3, followed by grinding.

Faser-1 16 Gew.-%Fibre-1 16 wt.%

Faser-2 3 Gew.-%Fibre-2 3 wt.%

(Aramidfaser: Kevlarpulpe, 2 mm Länge, Toray Industries, Inc.) Bindemittel (Phenolharz) 9 Gew.-%(Aramid fiber: Kevlar pulp, 2 mm length, Toray Industries, Inc.) Binder (phenolic resin) 9 wt.%

Organische Additive (Cashew-Staub etc.) 9 Gew.-%Organic additives (cashew dust etc.) 9 wt.%

Sonstige 63 Gew.-%Other 63 wt.%

(Graphit und ähnliches Gleitmittel, Bariumsulfat und ähnliches anorganisches Pulver, Metallpulver, Oxidpulver)(graphite and similar lubricants, barium sulfate and similar inorganic powders, metal powders, oxide powders)

Bezüglich dieses Beispiels sind die Komponenten der von der Faser-1 verschiedenen Testbeläge typisch für die derzeitig in. Kraftfahrzeugbremsbelägen verwendeten. Die für die Testbeläge A3 und B3 verwendeten Fasern-1 sind Nr. 5 bzw. Nr. 11, wie in Tabelle 1 angegeben. Die für den Testbelag C3 verwendete Faser ist Chrysotil-Asbestfaser (Klasse 6).With respect to this example, the components of the test pads other than Fiber-1 are typical of those currently used in automotive brake pads. The Fiber-1 used for Test Pads A3 and B3 are No. 5 and No. 11, respectively, as shown in Table 1. The fiber used for Test Pad C3 is chrysotile asbestos fiber (Class 6).

Teststücke wurden aus den Testbelägen geschnitten und einer Reibung bei konstanter Geschwindigkeit und einem Abriebtest in derselben Weise wie in Beispiel 1 unterzogen. Die Testresultate sind in den Fig. 8 und 9 beschrieben.Test pieces were cut from the test pads and subjected to constant speed friction and abrasion testing in the same manner as in Example 1. The test results are described in Figs. 8 and 9.

Die Fig. 8 zeigt, daß der Testbelag A3 der Erfindung einen höheren Reibungskoeffizienten als die Testbeläge B3 und C3 über den gesamten Bereich von niedrigen bis hohen Temperaturen beibehält.Figure 8 shows that the test pad A3 of the invention maintains a higher coefficient of friction than the test pads B3 and C3 over the entire range from low to high temperatures.

Die Fig. 9 zeigt, daß der Testbelag A3 der Erfindung bei höheren Temperaturen eine geringere Abriebrate aufweist und abriebbeständiger ist als der Testbelag C3.Figure 9 shows that the test coating A3 of the invention has a lower abrasion rate at higher temperatures and is more abrasion resistant than the test coating C3.

Die Kaliumhexatitanat-Titanerde-Verbundfaser der vorliegenden Erfindung besitzt eine größere Härte, Abriebbeständigkeit, Scherfestigkeit etc. als die Einzelphasen-Kaliumhexatitanatfaser als Auswirkungen des Vorhandenseins von Titandioxidkristallen. Wenn die vorliegende Verbundfaser in den Friktionsmaterialien für Automobile und ähnliche Bremsvorrichtungen eingebracht wird, können der Gleitfläche verbesserte Friktions- und Abriebcharakteristika verliehen werden.The potassium hexatitanate-titanium oxide composite fiber of the present invention has greater hardness, abrasion resistance, shear strength, etc. than the single-phase potassium hexatitanate fiber as effects of the presence of titanium dioxide crystals. When the present composite fiber is incorporated into the friction materials for automobiles and the like braking devices, improved friction and abrasion characteristics can be imparted to the sliding surface.

Die Verbundfaser der vorliegenden Erfindung ist an Stelle der Einzelphasenfaser von Kaliumhexatitanat für andere Anwendungen von Nutzen, beispielsweise als Füllmaterial für wärmebeständige, abriebbeständige Beschichtungsmassen, als Verstärkungsfaser für verstärkte Kunststoffe und für hitzebeständige oder wärmeisolierende Materialien zur Verleihung verbesserter Materialcharakteristika.The composite fiber of the present invention is useful in place of the single phase fiber of potassium hexatitanate for other applications, such as as a filler for heat-resistant, abrasion-resistant coating compositions, as a reinforcing fiber for reinforced plastics, and for heat-resistant or heat-insulating materials to impart improved material characteristics.

Die vorausgehende Beschreibung der Ausführungsformen und Beispiele dient der Erläuterung der vorliegenden Erfindung und sollte nicht als Einschränkung der in den anhängigen Ansprüchen definierten Erfindung oder als eine Einengung von deren Umfang verstanden werden. Die vorliegende Erfindung ist daher nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt, sondern kann auf verschiedene Weise durch einen Fachmann auf dem Gebiet modifiziert werden.The preceding description The embodiments and examples are intended to illustrate the present invention and should not be construed as a limitation of the invention defined in the appended claims or as a narrowing of its scope. The present invention is therefore not limited to the described embodiments and examples, but can be modified in various ways by a person skilled in the art.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer Verbundfaser mit polykristalliner Struktur, bestehend aus Kaliumhexatitanatkristallen und damit durch ein Schmelzverfahren vermischten Titandioxidkristallen, wobei das Verfahren die Schritte des Erhitzens als Ausgangsmaterial einer Mischung aus einer Titanverbindung, welche durch Erhitzen in Titandioxid umwandelbar ist, und einer Kaliumverbindung, welche durch Erhitzen in Kaliumoxid umwandelbar ist, in einem Verhältnis, das in einem TiO&sub2;/K&sub2;O-Molverhältnis von 1,5 bis 2,5 resultiert, um eine Schmelze herzustellen, des Kühlens der Schmelze zur Erzielung eines Klumpens aus Kaliumdititanatfasern, des Behandelns des Faserklumpens in einer Waschflüssigkeit, um K&spplus; Ionen herauszulösen, während die Fasern gelockert werden, bis der Kaliumgehalt der Faser auf 1 bis 13,5 Gew.-% auf der Basis eines wasserfreien Zustandes der Faser abnimmt, und des Wärmebehandelns der resultierenden Fasern bei einer Temperatur von 900 bis 1.300ºC umfaßt.1. A process for producing a composite fiber having a polycrystalline structure consisting of potassium hexatitanate crystals and titanium dioxide crystals mixed therewith by a melting process, the process comprising the steps of heating, as a starting material, a mixture of a titanium compound convertible into titanium dioxide by heating and a potassium compound convertible into potassium oxide by heating in a ratio resulting in a TiO₂/K₂O molar ratio of 1.5 to 2.5 to produce a melt, cooling the melt to obtain a lump of potassium dititanate fibers, treating the lump of fibers in a washing liquid to remove K⁺ ions while loosening the fibers until the potassium content of the fiber decreases to 1 to 13.5 wt.% based on an anhydrous state of the fiber, and heat treating the resulting fibers at a temperature of 900 to 1300°C. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1.050ºC oder höher reguliert wird.2. The method according to claim 1, wherein the heat treatment is controlled at a temperature of 1,050°C or higher. 3. Verbundfaser mit polykristalliner Struktur, bestehend aus Kaliumhexatitanatkristallen und damit vermischten Titandioxidkristallen, erhalten durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.3. A composite fiber having a polycrystalline structure consisting of potassium hexatitanate crystals and titanium dioxide crystals mixed therewith, obtained by the process according to claim 1. 4. Verbundfaser nach Anspruch 3, wobei der in der Faser beinhaltete Kaliumgehalt 1 bis 13,5 Gew.-% beträgt.4. The composite fiber according to claim 3, wherein the potassium content contained in the fiber is 1 to 13.5 wt%. 5. Verbundfaser nach Anspruch 3, wobei der in der Faser beinhaltete Kaliumgehalt 4,4 bis 11,2 Gew.-% beträgt.5. The composite fiber according to claim 3, wherein the potassium content included in the fiber is 4.4 to 11.2 wt%. 6. Friktionsmaterial, bei dem Fasern mit einem Harzbindemittel verfestigt sind, wobei das Friktionsmaterial dadurch gekennzeichnet ist, daß es polykristalline Verbundfasern nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5 in einer Menge von 3 bis 50 Gew.-% beinhaltet.6. Friction material in which fibers are solidified with a resin binder, the friction material being characterized in that it contains polycrystalline composite fibers according to at least one of claims 3 to 5 in an amount of 3 to 50% by weight.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10224552B3 (en) * 2002-05-31 2004-01-08 Tmd Friction Europe Gmbh Device for detecting the amount of spray water to which a brake pad is exposed on wet roads

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