DE69425619T2

DE69425619T2 - Asbestfreies Reibungsmaterial

Info

Publication number: DE69425619T2
Application number: DE69425619T
Authority: DE
Inventors: Boyd, Jr.; Arvind Patil
Original assignee: Textron Systems Corp
Current assignee: Textron Systems Corp
Priority date: 1993-10-06
Filing date: 1994-09-09
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2014-09-10
Also published as: JPH07238964A; CA2130203A1; AU706260B2; US5508109A; KR100318997B1; EP0647793B1; ES2152295T3; US5605755A; DE69425619D1; AU7022594A; KR950011671A; EP0647793A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Reibbelagwerkstoffe und spezieller Faserfüllstoffe in Reibbelagwerkstoffen.
Reibbelagwerkstoffe werden in vielen Formen verwendet. Der hierin verwendete Begriff "Reibbelagwerkstoffe" bezieht sich auf eine Komponente einer Baugruppe, die an einem sich bewegenden Körper angebracht ist.
Bei Gebrauch wird der Reibbelagwerkstoff gegen ein anderes Bauteil gepresst. Bei dem sich bewegenden Körper bewegen sich entweder der Reibbelagwerkstoff oder das andere Bauteil derart, dass ein Andrücken des Reibbelagwerkstoffes an das andere Bauteil eine Reibungskraft erzeugt, die die Bewegung des Körpers verzögert oder eine Antriebskraft mit dem anderen Bauteil koppelt. Beispielsweise wird in einer an einem Wagen angebrachten Bremsbaugruppe ein Bremsklotz gegen eine Bremsscheibe gepresst. Die in der Bremsbaugruppe erzeugte Reibungskraft verzögert die Bewegung des Wagens. In einem anderen Beispiel wird in einem Wagen mit Getriebebaugruppe eine mit den Rädern des Wagens gekuppelte Kupplungsplatte gegen eine Kupplungsplatte gepresst, die an der Maschine angebracht ist. Die Reibungskraft zwischen den Kupplungsplatten verbindet die Antriebskraft von der Maschine mit den Rädern und bringt den Wagen zum fahren.
Die vielleicht größte und bedeutendste Anwendung von Reibbelagwerkstoffen erfolgt bei Bremsen. Ein weitverbreitetes Vorgehen bei der Herstellung von Bremsbelagwerkstoffen besteht darin, dass zunächst eine Mischung erzeugt wird. Bei diesem Verfahren werden verschiedene Füllstoffe mit einem wännehärtbaren Kunstharz gemischt und sodann bei einer erhöhten Temperatur gepresst, bis das Kunstharz aushärtet und die Füllstoffe zu einer zusammenhängenden Masse zusammenhält. Der Bremsbelagwerkstoff kann mit zahlreichen Arten von Befestigungsmitteln entweder während des Pressens oder danach versehen werden, so dass er an einem Fahrzeug befestigt werden kann.
Die speziellen Füllstoffe und Mengen, die in irgendeinem Bremsbelagwerkstoff zum Einsatz gelangen, sind im allgemeinen ein streng bewahrtes Geheimnis des Herstellers. Es gibt jedoch bestimmte Merkmale von Bremsbelagwerkstoffen, die allgemein gemessen und zum Vergleich mit anderen Materialien verwendet werden.
Von Bedeutung sind Druck- und Biegefestigkeiten des Bremsbelagwerkstoffes. Während des Bremsens und in einem geringerem Maße unmittelbar bei der Handhabung der Materialien wirken auf die Bremsbelagwerkstoffe verschiedene Kräfte ein. Trotz dieser Kräfte darf der Bremsbelagwerkstoff weder vorzeitig reißen noch auseinanderfallen. Zur Prüfung der Bremsbelagwerkstoffe werden die Biege- und Druckfestigkeiten des Materials gemessen, indem auf Prüfkörper Kräfte aufgebracht werden, bis sie brechen. Da sich der Bremsbelagwerkstoff infolge Erwärmung durch Reibung während des Einsatzes aufheizt, werden diese mechanischen Eigenschaften sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhter Temperatur gemessen.
Ausserdem wird, da sich der Bremsbelagwerkstoff während des Einsatzes aufheizt, der Wärmeausdehnungskoeffizient des Bremsbelagwerkstoffes gemessen. Wenn sich das Material beim Erhitzen zu stark ausdehnt, wird in dem Bremsbelagwerkstoff eine innere Spannung erzeugt, die ein Reißen des Materials verursacht.
Ebenfalls von Bedeutung sind die Reibungseigenschaften der Bremsbelagwerkstoffe. Wenn der Bremsbelagwerkstoff gegen ein Bauteil gepresst wird, muss zur einwandfreien Funktion der Bremse eine ausreichende Reibungskraft erzeugt werden. Im Idealfall wird diese Reibungskraft bei allen Temperaturen und Verschleißbedingungen gleich sein. Wenn die Reibungskraft beispielsweise abnimmt, wenn sich die Bremse aufheizt, so tritt eine sehr unangenehme Erscheinung auf, die als "Hochtemperatur-Fading" bezeichnet wird. Dementsprechend werden Reibungseigenschaften an einem Dynamometer gemessen, um die Bedingungen zu simulieren, denen das Bremsbelagwerkstoff beim tatsächlichen Einsatz ausgesetzt ist.
Bei der Bemessung von Reibkomponenten müssen zwischen den verschiedenen Parametern der Reibbelagwerkstoffe Kompromisse eingegangen werden. Beispielsweise bedeutet ein hoher Reibungskoeffizient, der oftmals wünschenswert ist, allgemein eine hohe Abnutzungsgeschwindigkeit, die unerwünscht ist. Ausserdem diktiert darüber hinaus die vorgesehene Anwendung, welche Eigenschaften wünschenswert sind. Beispielsweise könnte der Reibbelagwerkstoff in den Vorderbremsen von Autos anders sein als der Reibbelagwerkstoff in den Hinterbremsen. Als ein anderes Beispiel ist eine hohe Druckfestigkeit wünschenswert, da derartige Materialien auf Riss und Bruch weniger anfällig sind. Jedoch kann auch eine niedrige Druckfestigkeit, da sie zur Folge haben kann, dass das Material weicher ist und sich der Oberfläche eines anderen Bauteils anpassen wird, an das es angedrückt wird. Ein solches Merkmal könnte in einer Bremse ebenfalls von Bedeutung sein, da es zu einer gleichmäßigeren Abnutzung und einer größeren Arbeitsfläche des Reibbelagwerkstoffes führt. Dementsprechend werden die gemessenen Eigenschaften als eine Maßstab mit einer gewissen Interpretation auf der Grundlage der vorgesehenen Anwendung des Reibbelagwerkstoffes und der subjektiven Bewertung der wünschenswerten Kompromisse genommen.
Einige Verfahren zur Herstellung von Bremsbelagwerkstoffen sind mehrstufige Verfahren. In einem mehrstufigen Verfahren wird die Mischung zunächst zu einem Vorformling geformt, der gelegentlich als "Grünlingszustand" bezeichnet wird. Der Vorformling wird sodann bei einer erhöhten Temperatur gepresst, bis das Kunstharz plastisch wird, fließt und härtet und den Vorformling zusammenhält.
Die Mischung muss ebenfalls über eine gute Grünfestigkeit verfügen. Mit anderen Worten muss die Mischung, wenn sie zu einem Vorformling geformt wurde, zusammenhalten und der Handhabung widerstehen, so dass sie in eine Warmpresse zur Erzeugung des fertigen Materials eingesetzt werden kann. Die Grünfestikgeit wird indirekt gemessen, indem das Rückstellvermögen des Materials gemessen wird. Das Rückstellvermögen wird gemessen, indem die Mischung bei einem vorgegebenen Druck für eine vorgegebenen Zeitdauer gepresst wird. Danach wird der Druck weggenommen und die Zunahme der Dicke der Mischung nach einer vorgewählten Zeitdauer gemessen. Eine geringere Zunahme der Dicke weist auf eine höhere Grünfestigkeit hin. Als Faustregel ist ein Maximum von 10 Prozent Dickenzunahme (d. h. 10% Rückstellvermögen) wünschenswert, um in einem mehrstufigen Verfahren Bremsen zu erzeugen.
Üblicherweise haben Bremsbelagwerkstoffe eine grosse Menge Asbest enthalten. Asbest ist ein in der Natur vorkommendes Fasermaterial. Es liefert gute Grünfestigkeit, Biegefestigkeit und Druckfestigkeit und es war bei erhöhten Temperaturen sehr stabil. Es lieferte außerdem gute Reibeigenschaften und war sehr billig. Asbest wird heutzutage nicht mehr bevorzugt, was auf die Bedenken zurückzuführen ist, dass eine unsachgemäße Handhabung während der Herstellung des Reibbelagwerkstoffes Arbeiter schädigen könnte. Als Ergebnis suchte man in der Bremsen-Industrie lange Zeit nach einem Ersatzstoff für Asbest.
KEVLAR® (Warenzeichen der Dupont für Aramid-Fasern) ist in Bremsen verwendet worden, um Asbest zu ersetzen. In der US-A-4 374 211 wird ein Gemisch von aufgeschlossenen und unaufgeschlossenen KEVLAR-Fasern verwendet. Die Fasermasse ist stark fibrilliert und liefert eine sehr gute Grünfestigkeit. Das nicht aufgeschlossene KEVLAR vermittelt dem Bremsbelagwerkstoff Verstärkung. KEVLAR verfügt außerdem über ein akzeptables Hochtemperaturverhalten und ein Erweichen bei Temperaturen oberhalb von 300ºC. Leider ist es relativ kostspielig, was eine weiter verbreitete Anwendung verhindert.
Es sind andere fibrillierte Fasern in Bremsbelagwerkstoffen verwendet worden. In der US-A-4 886 706 wird beispielsweise eine fibrillierte Polyacrylnitril-Faser beschrieben, die zur Verstärkung von Reibbelagwerkstoffen verwendet wurde. In ähnlicher Weise wird in den US-A-4 866 107 und EP-A-264 096 die Verwendung von fibrillierten Acryl-Fasern in Reibbelagwerkstoffen beschrieben. Derartige fibrillierte Fasern liefern gute Grünfestigkeit, aber auch Festigkeit bei Raumtemperatur. Allerdings erweichen Acryl-Fasern allgemein bei Temperaturen oberhalb von 200ºC, weshalb von ihnen nicht erwartet wird, dass sie Hochtemperaturfestigkeit liefern oder Reibeigenschaften verbessern.
In Reibbelagwerkstoffen sind zahlreiche andere Arten von Fasern verwendet worden, um Asbest zu ersetzen. "Halbmetallische" Systeme beziehen typischerweise Stahl-, Messing- oder Kupfer-Fasern als Hauptverstärkungsmaterial ein. Carbonfasern oder Carbonpartikel werden gelegentlich in halbmetallischen Bremsen verwendet, da sie bei ihrer Abnutzung ein Pulver erzeugen, das die Metallfasern daran hindert, zu abrasiv zu sein. Carbonfasern sind außerdem auch separat als Verstärkungsmaterial verwendet worden. Das "SAE Technical Paper 911951" beschreibt vorteilhafte Wirkungen von Carbonfasern in Bremsen.
Allerdings liegen die in diesem Beitrag beschriebenen Carbonfasern wahrscheinlich mit mehr als 95% Kohlenstoff vor und sind daher kostspielig zu produzieren. Geschnittene, oxidierte Polyacrylnitril(PAN)- Fasern haben einen Kohlenstoff-Gehalt von etwa 60% und sind weniger kostspielig als Fasern, die vollständig carbonisiert sind. Sie sind ebenfalls in Reibbelagwerkstoffen verwendet worden.
Es wurden auch Kombinationen von Fasern vorgeschlagen. Die US-A-5 004 497 beschreibt eine Kombination von fibrillierten Aramid-Fasern und Carbonfasern. Die US-A-4 373 038 beschreibt eine Mischung von Aramid-Fasern, Mineralfasern und Metallfasern. In den vorgenannten US-A-4 866 107 und der obengenannten EP-A-264 096 wird erwähnt, dass fibrillierte PAN-Fasern als vollständiger oder teilweise Ersatz für Fasern verwendet werden können, die konventionell in Reibbelagwerkstoffen Anwendung finden. Die US-A-4 508 855 beschreibt eine Mischung von Acryl-Fasern und feuerfesten Fasern. In Reibbelagwerkstoffen ist fibrilliertes PAN als ein teilweiser Ersatz für KEVLAR verwendet worden. Die EP-A-444 473 beschreibt eine Kombination von fibrillierten Acryl-Fasern mit Glasfasern, hitzebeständigen organischen und anorganischen Fasern oder metallischen Fasern mit einem warmhärtenden Kunstharz und einem Reibungsmodifizierer.
Angesichts des vorstehend ausgeführten Hintergrundes besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Gewährung eines Fasermaterials mit relativ geringen Kosten zur Verwendung in Reibbelagwerkstoffen.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe, eine Fasermischung zu gewähren, die zu einer Friktionsmischung in einem der Verfahrensschritte zugesetzt und leicht dispergiert werden kann.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe, mit Fasern verstärkte Reibbelagwerkstoffe zu gewähren, die den Reibbelagwerkstoff mit guter Grünfestigkeit, guten mechanischen Eigenschaften und guten Reibungseigenschaften schaffen.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe, eine Fasermischung zu gewähren, die zu einer Friktionsmischung in einem der Verfahrensschritte zugesetzt und leicht dispergiert werden kann.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe, mit Fasern verstärkte Reibbelagwerkstoffe zu gewähren, die den Reibbelagwerkstoff mit guter Grünfestigkeit, guten mechanischen Eigenschaften und guten Reibungseigenschaften schaffen.
Ein erster Aspekt der Erfindung gewährt eine Fasermischung zur Verwendung in Reibbelagwerkstoffen, umfassend:
(a) eine Komponente mit grosser Oberfläche, bestehend aus einer fibrillierten Synthesefaser; und
(b) eine Festigkeitskomponente,
wobei die Komponente mit grosser Oberfläche und die Festigkeitskomponente gleichmäßig gemischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeitskomponente ein oxidierter Carbonfaser- Präkursor ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung gewährt ein Verfahren zum Herstellen der vorstehend festgelegten Fasermischung, gekennzeichnet durch die Schritte:
a) gleichzeitiges Schneiden der Komponente mit grosser Oberfläche und der Festigkeitskomponente;
b) Verfeinern der geschnittenen Fasern, um mindestens die Faser zu fibrillieren, die fibrilliert werden kann.
Ein dritter Aspekt der Erfindung gewährt einen Reibbelagwerkstoff, aufweisend:
a) ein Kunstharzbindemittel
b) eine Fasermischung, wie vorstehend festgelegt und
c) Füllstoffe.
Bevorzugt weist der Reibbelagwerkstoff auf fibrillierte Synthesefasern in Gewichtsprozent vorzugsweise zwischen 1% und 6% und kurze Längen von oxidiertem Carbonfaser-Präkursor in Gewichtsprozent vorzugsweise zwischen 1% und 6%. Bevorzugt hat der Reibbelagwerkstoff ein Verhältnis von fibrillierter zu oxidierter PAN vorzugsweise im Bereich von 10 : 1 bis 1 : 10. Der Carbonfaser-Präkursor ist vorzugsweise kürzer als etwa 6,5 mm (ein Viertel inch).
Die Erfindung wird besser verstanden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen, worin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens, das zur Herstellung von Mischfaser anwendbar ist;
Fig. 2A eine graphische Darstellung der Daten eines zweiten Fadings und der Erholung für die Proben von Beispiel 1;
Fig. 2B eine graphische Darstellung der Daten eines zweiten Fading und der Erholung für die Proben von Beispiel H.
Wir haben entdeckt, dass eine verwendbare Faserverstärkung für Reibbelagwerkstoffe eine Mischung von fibrillierter Polyacrylnitril-Faser und oxidierter Polyacrylnitril(PAN)-Faser ist. Wie die folgenden Beispiele zeigen, gewährt eine derartige Mischfaser Grünfestigkeit, mechanische Eigenschaften und Reibungseigenschaften, die im Vergleich zu KEVLAR sehr günstig sind. Diese vorteilhaften Eigenschaften werden immerhin mit einer Synthesefaser erreicht, die sehr viel kostengünstiger ist.
Die US-A-4 886 706 (auf die hiemit Bezug genommen wird) beschreibt ein Verfahren zu Herstellen einer fibrillierten PAN-Faser. Wie es hierin angewendet wird, ist das Verfahren der US-A- 4886706 zur gleichzeitigen Verarbeitung von PAN- und oxidierten PAN-Fasern modifiziert. Fig. 1 zeigt ein Kabel von PAN-Fasern 16 und ein Kabel von oxidierten PAN-Fasern 15.
Die Kabel 15 und 16 werden mit Hilfe von fünf Zuführungsrollen 17 zugeführt, in eine Absaugvorrichtung 18 gezogen und in einem Schneideapparat 19 geschnitten. Schneideapparat 19 ist so eingestellt, dass er Kabel 15 und 16 in Längen zwischen vorzugsweise etwa 1 mm und 50 mm schneidet. Mehr bevorzugt liegen die geschnittenen Längen zwischen etwa 5 mm und 20 mm und am meisten bevorzugt bei etwa 10 mm.
Wahlweise versorgt Behälter 32 das geschnittene Kabel 32 mit einer verdünnten Additiv-Lösung 31, wobei die verdünnte Additiv-Lösung 31 über Rohr 33 einem Wirbelkessel 21 zugeführt wird.
Es kann jedes beliebige Additiv der US-A-4 886 706 verwendet werden. Beispielsweise ließe sich PEG-400-Monopelargonat verwenden. Vorzugsweise wird dem Wirbelkessel 21 auch ein Schaumverhütungsmittel über Rohr 35 gleichzeitig mit der Zugabe der verdünnten Additiv-Lösung 31 dem Wirbelkessel 21 zugesetzt. Ein geeignetes Schaumverhütungsmittel 34 ist das von der Dow Coming Midland, Michigan, hergestellte, das als H-10 bekannt ist. Das Schaumverhütungsmittel wird vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 14 cm³/Min zugesetzt.
Das geschnittene Kabel 20 wird gemeinsam mit Schaumverhütungsmittel 34 und Lösung 31 dem ersten Refiner 6 mit einer Anteil von fünfzig Pound Lösung 31 auf jeweils ein Pound Faser (bezogen auf Trockenbasis) zugeführt. Dem Schneideapparat 19 wird Faser mit einer Geschwindigkeit von etwa zwei Pound Faser (bezogen auf Trockenbasis) pro Minute zugeführt. Das Nass-Gel wird in den Refinern 6 und 7 verfeinert, wonach über Zentrifuge 8 von dem aufgeschlossenen Faser/Additiv überschüssige Flüssigkeit entfernt wird. Das Additiv/verfeinertes Gel 22 gelangt über einen Förderer 23 von der Zentrifuge 8 in einen Trockner 24, wobei der Trockner weitgehend alles Wasser aus dem Additiv/verfeinerten Gel 22 entfernt und bewirkt wird, dass die Gel-Struktur zusammenbricht. Die fertige Mischfaser 50 tritt aus dem Trockner 24 und wird in konventioneller Weise verpackt.
Vorzugsweise wird die verdünnte Additiv-Lösung wiederverarbeitet. Zusätzlich zu der Additiv/Nass-Gel-Mischung 22 tritt aus der Zentrifuge 8 über Rohr 26 auch eine aus einer sehr verdünnten Additiv-Lösung 25 bestehende überschüssige Flüssigkeit zusammen mit Schaum (nicht gezeigt), die während des Verfeinerungsprozesses erzeugt worden sind. Diese Abgänge werden über Rohr 26 in ein Abflussbehälter 36 geführt. Im Abflussbehälter 36 wird die Flüssigkeit 25 von dem Schaum abgetrennt. Die Flüssigkeit wird sodann über Rohr 27 zum Behälter 32 für verdünntes Additiv gepumpt (mit Pumpe 37). Da Flüssigkeit 25 eine geringere Konzentration an Additiv aufweist als die Konzentration, die für die Anwendung mit dem geschnittenen Kabel erforderlich ist, wird dem Behälter 32 für verdünntes Additiv eine sehr verdünnte Lösung aus Wasser und Additiv aus dem Abflussbehälter 36 zusammen mit einer konzentrierten Additiv-Lösung 28 aus einem anderen Behälter 29 zugeführt. Die konzentrierte Additiv- Lösung 28 wird über Rohr 30 zum Behälter 32 für verdünntes Additiv zugeführt. Die von Rohr 33 bereitgestellte Lösung hat vorzugsweise eine Konzentration zwischen 0,1% und 1 Gewichtsprozent und typischerweise etwa 0,3%.
Mischfaser 50 enthält ein gleichförmiges Gemisch von fibrillierten und oxidierten PAN-Fasern. Refiner 6 und 7 dienen zum Fibrillieren des PAN-Kabels 16. Allerdings brechen die Refiner 6 und 7 eher oxidiertes PAN 15 zu kurzen regellosen Längen, als dass sie oxidiertes PAN 15 fibrillieren. Bevorzugt wird eine Länge von 3 bis 20 mm und am meisten bevorzugt eine Länge von weniger als 10 mm. Die Standardabweichung der Länge beträgt bevorzugt mindestens 0,5 mm und mehr bevorzugt 1 mm oder mehr.
Refiner 6 und 7 sind kommerziell verfügbare Anlagen, wie sie in der Papierindustrie oft zum Einsatz gelangen. Refiner 6 und 7 sind gemeinsam so bemessen, dass sie PAN-Kabel 16 zu Fasern fibrillieren; die eine Oberfläche von vorzugsweise mehr als 10 m²/g, mehr bevorzugt oberhalb von 40m'/g und am meisten bevorzugt zwischen 60 und 80 m²/g aufweisen.
Das Kabel von PAN-Faser 16 ist von der Art, wie es in der vorgenannten US-A-4-886 706 beschrieben wurde. Das oxidierte Kabel 15 wird erzeugt, indem ein PAN-Kabel oxidiert wird. Beispielsweise kann das PAN-Kabel von Courtaulds of Coventry, England, in einem oxidierenden Ofen bis zu einer Temperatur von 450ºF für eine Dauer von zwei bis vier Stunden erhitzt werden. Das resultierende oxidierte Kabel hat einen Kohlenstoff-Gehalt zwischen 60 und 70 Gewichtsprozent. Das Kabel hatte ungefähr 320.000 Filamente und eine Denier-Zahl pro Filament von näherungsweise 1,5 und eine Oberfläche zwischen 1 und 2 m'/g. Wahlweise könnte das oxidierte Kabel in einem carbonisierenden Ofen weiter erhitzt werden, um den Kohlenstoff-Gehalt des Kabels bis auf 99,5 Gewichtsprozent zu erhöhen. Ein carbonisiertes Kabel würde seine Festigkeit bei höheren Temperaturen bewahren als ein oxidiertes Kabel. Allerdings bedeutet der Schritt des Carbonisierens des Kabels für den Herstellungsprozess zusätzliche Kosten und wird vorzugsweise weggelassen.
Nach dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren diktiert das Verhältnis der Zahl der Enden, multipliziert mit der Denier-Zahl pro Filament PAN-Kabel 16, zu der Zahl der Enden, multipliziert mit der Denier-Zahl pro Filament PAN-Kabel 15, das Gewichtsverhältnis von fibrilliertem zu oxidiertem PAN in Mischfaser 50. Bevorzugt wird ein Gewichtsverhältnis von 1 : 10 bis 10 : 1, wobei ein Verhältnis von 1 : 1 bis 3 : 1 mehr bevorzugt ist. Das am meisten bevorzugte Verhältnis liegt zwischen 1 : 1 und 3 : 2.
Eine nach der vorliegenden Erfindung erzeugt Mischfaser ist für die Herstellung von Reibbelagwerkstoffen verwendbar, wie die nachfolgenden Beispiele veranschaulichen.

BEISPIEL I

Die Mischung in Tabelle I soll repräsentieren, was bei der Herstellung von Reibbelagwerkstoffen verwendet werden könnte.

TABELLE I

Material Gewichtsprozent
Bayerit 21,54
Phenolharz 18,60
Graphit-Partikel 2,15
pulverisierte Mineralfaser 37,72
Gummistaub 2,84
Friktionspartikel 6,36
Vermiculit 10,79
Es wurde ein Masterbatch entsprechend den Anteilen in Tabelle I hergestellt. Er wurde für 10 Minuten in einem Eirich-Mischer (Modell R02) entsprechend der Beschreibung in der vorgenannten US-A- 4 886 706 gemischt. Für die Friktionspartikel wurde Typ 10A-40 von der Colloid Chemical, Inc. von Cedar Knolls, NJ, verwendet. Es wurden vier Proben des Masterbatch zugemessen. Zu der ersten, als C1 bezeichneten, wurden keine Fasern zugesetzt. Zu der zweiten, als 0, bezeichneten, wurden 3% fibrillierte PAN-Fasern zugesetzt. Zu der dritten; als C3 bezeichneten, wurde 3% KEVLAR-Pulpe zugesetzt. Zu der vierten, als C4 bezeichneten, wurden 1,5% fibrilliertes PAN und 1,5% aufgeschlossenes KEVLAR zugesetzt. Zu der fünften, als 11 bezeichneten, wurden 3% eines Gemisches aus fibrilliertem PAN und oxidiertem PAN zugesetzt. Das Gewichtsverhältnis von fibrilliertem PAN und oxidiertem PAN betrug näherungsweise 3 : 2.
Die Proben wurden sodann für zusätzliche 5 Minuten oder solange gemischt, bis die Fasern gleichförmig in dem gesamten Reibbelagwerkstoff dispergiert waren. Die Mischungen wurden danach in eine erste Form gegeben und gepresst, um einen Vorformling im Grünlingszustand zu erzeugen. Das Material wurde sodann bei 91,4 kg/cm² (1.300 psi) für 30 Sekunden gepresst, für 15 Sekunden entspannt und danach wiederum bei 91,4 kg/cm² (1.300 psi) für 30 Sekunden gepresst. Die Vorformlinge wurden ausgeformt und in eine zweite Form gegeben, wo sie bei einer erhöhten Temperatur gepresst wurden, um einen Block zu erzeugen. Hier wurden die Blöcke bis 165ºC (330ºF) erhitzt und bei 91,4 kg/cm² (1.300 psi) für 30 Sekunden gepresst, für 15 Sekunden entspannt und für 11 Minuten bei 175,8 kg/cm² (2.500 psi) gepresst. Die Blöcke wurden bearbeitet, um Proben für standardisierte Prüfungen für Biegefestigkeit (ASTM D790), Druckfestigkeit (ASTM D695), Wärmeausdehnungskoeffizienten (ASTM 696) sowie für Reibungs- und beschleunigte Abnutzungseigenschaften bereitzustellen. Die Blöcke für die Biegeprüfung wurden auf eine Breite von 1,36 cm (0,5") und eine Dicke von 0,68 cm (0,25") und eine Länge von 13,63 cm (5") bearbeitet und mit einer Reaktionseinspannweite von 10,9 cm (4") getestet. Die Prüfung wurde mit einer Querkopfgeschwindigkeit von 1,36 cm/Min (0,5"IMin) ausgeführt. Die Blöcke lili die Kompressionsprüfung waren 0,68 cm (0,25")-Würfel. Sie wurden mit einer Querkopfgeschwindigkeit von 0,136 cm/Min (0,05"/Min) getestet. Der Wärmeausdehnungskoeffizient wurde von Raumtemperatur bis 187ºC (400ºF) an Blöcken von 5,41 cm · 0,68 cm · 0,68 cm (2" · 0,25" · 0,25") gemessen.
Separat wurde eine 10 g-Probe jeder Mischung bei 175,8 kg/cm² (2.500 psi) für 1 Minute in eine Presse gegeben. Es wurde die Dicke der Probe gemessen und die Presse entspannt. Nach vier Minuten wurde die Dicke wiederum gemessen und die prozentuale Dickenzunahme als das Rückstellvermögen aufgezeichnet. An allen Proben wurden die gleichen Prüfungen mit der Ausnahme von C1 ausgeführt, der es an einer ausreichenden Grünfestigkeit mangelte, um bei den nachfolgenden Prüfungen gehandhabt werden zu können. Tabelle 11 zeigt die Ergebnisse der ASTM-Prüfungen, die einen Mittelwert von fünf Proben wiederspiegeln. Tabelle III zeigt die Messergebnisse für die den Reibungskoeffizienten und die Abnutzungsdaten der SAE-Prüfung. Fig. 2A zeigt in graphischer Form die Daten aus dem "zweiten Fading- und Erholungsabschnitt" der SAE J661-Prüfung. Die Ergebnisse der 5AE J661-Prüfling geben einen Mittelwert von drei Proben wieder. In Tabelle III werden die Ergebnisse eines "beschleunigten Abnutzungsversuchs" gezeigt, die von Greening ausgeführt wurden. Einige aus der Fachwelt halten diesen Versuch für eine genauere Vorhersage der Abnutzung, als es die Abnutzungskomponente der J661-Prüfung ist. TABELLE II TABELLE III

BEISPIEL II

Unter Verwendung der Mischung von Tabelle! wurden drei Proben wie in Beispiel I hergestellt, indem eine ganze Faser zugesetzt wurde. Die erste Probe, die mit I, bezeichnet wurde, enthielt 1,5% fibrilliertes PAN und 1,5% oxidiertes PAN, das auf eine mittlere Länge von 58 mil geschnitten wurde. Die zweite Probe, die mit 13 bezeichnet wurde, enthielt 1,5% fibrilliertes PAN und 1% oxidiertes PAN. Die dritte Probe, die mit 14 bezeichnet wurde, enthielt 1,5% fibrilliertes PAN und 0,5% oxidiertes PAN. Die Proben wurden den gleichen Prüfungen unterzogen wie in Beispiel I mit der Ausnahme, dass lediglich zwei Proben 14 anstatt drei verwendet wurden, da eine Probe bei der Prüfung beschädigt wurde. Tabelle IV zeigt die Prüfergebnisse für die ASTM-Prüfung an diesen Proben zusammen mit C2 von Beispiel I mit einem Gehalt von 3% fibrilliertem PAN. Tabelle V zeigt die Ergebnisse der Messungen des Reibungskoeffizienten und der Abnutzungsdaten der SAE J661-Prüfung. Fig. 2B zeigt in graphischer Form die Daten aus dem "zweiten Fading- und Erholungsabschnitt" der SAE J661-Prüfung. TABELLE IV TABELLE V
Wie vorstehend beschrieben, enthält die bevorzugte Mischfaser fibrillierte und oxidierte PAN- Fasern, die in nur einem Verarbeitungsschritt gemischt und fibrilliert werden. Es können jedoch verschiedene alternative Materialien und Verarbeitungsverfahren anwenden. Beispielsweise könnten die Fasern als Bestandteil separat hergestellt und wie in einem Littleford-Mischer gemischt werden. Alternativ könnten die Komponenten als Bestandteil zu einem Batch von Reibbelagwerkstoffen separat zugesetzt und danach gemischt werden.
Alternativ sind die genauen angegebenen Materialien nicht erforderlich, wenn auch bevorzugt. Beispielsweise wurde ein PAN-Faserkabel mit näherungsweise 37.000 Filamenten verwendet, um die Proben in den Beispielen herzustellen. Praktisch könnte jede beliebige Zahl von Filamenten verwendet werden. Außerdem ließe sich anstelle des fibrillierten PAN jede beliebige Faser mit großer Oberfläche verwenden. Anstelle des hierin beschriebenen Homopolymers könnten PAN-Copolymere verwendet werden. Alternativ könnte jede beliebige Synthesefaser verwendet werden, die sich fibrillieren läßt, um die erforderliche Oberfläche zu ergeben. Beispielsweise könnten Kunstseide oder Nylon verwendet werden.
Anstelle des oxidierten PAN kann jeder beliebige oxidierte Carbonfaser-Präkursor verwendet werden. Beispielsweise könnten Kunstseide- oder Pechfasern verwendet werden.
Als eine andere mögliche Modifikation können der PAN-Faser Materialien vor dem Fibrillieren oder vor dem Oxidieren zugesetzt werden, um die Reibeigenschaften des Materials zu verbessern. Beispielsweise könnten der zum Verspinnen der PAN-Fasern verwendeten Spinnlösung Metalloxide zugesetzt werden, wie beispielsweise Al&sub2;O&sub3; oder SiO&sub2;. In ähnlicher Weise könnte Kohleschwarz-Pigment oder anderes Kohlenstoff-haltiges Material zugesetzt werden.

Claims

1. Fasermischung zur Verwendung in Reibbelagwerkstoffen, umfassend:

(a) eine Komponente mit grosser Oberfläche, bestehend aus einer fibrillierten Synthesefaser; und

(b) eine Festigkeitskomponente,

wobei die Komponente mit grosser Oberfläche und die Festigkeitskomponente gleichmäßig gemischt werden,

dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeitskomponente ein oxidierter Carbonfaser-Präkursor ist.

2. Fasermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass DIE Komponente mit grosser Oberfläche eine Oberfläche von mehr als 10 m²/g hat.

3. Fasermischung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die grosse Oberfläche von mehr als 40 m²/g beträgt.

4. Fasermischung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die fibrillierte Synthesefaser eine fibrillierte Polyacrylnitril-Faser ist.

5. Fasermischung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyacrylnitril ein Homopolymer von Acrylnitril ist.

6. Fasermischung nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeitskomponente eine Oberfläche von weniger als 2 m²/g hat und eine Zugfestigkeit von mehr als 930 Kcm² (150 ksi) und einen Zugelastizitätsmodul von mehr als 10 · 10&sup6; hat.

7. Fasermischung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oxidierte Carbonfaser- Präkursor oxidierte Polyacrylnitril-Faser umfasst.

8. Fasermischung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oxidierte Carbonfaser- Präkursor zwischen 50 und 85 Gewichtsprozent Carbon aufweist.

9. Fasermischung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Länge des oxidierten Carbonfaser-Präkursors kleiner ist als 13 mm (0,5 inch).

10. Verfahren zum Herstellen der Fasermischung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) gleichzeitiges Schneiden der Komponente mit grosser Oberfläche und der Festigkeitskomponente;

b) Verfeinern der geschnittenen Fasern, um mindestens die Faser zu fibrillieren, die fibrilliert werden kann.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Verfeinerns ein Dispergieren der Fasern in einer Flüssigkeit umfasst.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt des Trocknens der verfeinerten Faser.

13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente mit grosser Oberfläche eine Polyacrylnitril-Faser umfasst.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyacrylnitril-Faser ein Polyacrylnitril-Elementarfadenkabel ist.

15. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeitskomponente eine oxidierte Polyacrylnitril-Faser ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeitskomponente ein oxidierte Polyacrylnitril-Elementarfadenkabel ist.

17. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente mit grosser Oberfläche ein Polyacrylnitril- Elementarfadenkabel ist und die Festigkeitskomponente ein oxidiertes Polyacrylnitril- Elementarfadenkabel ist und das Verhältnis der Zahl der Filamente des Polyacrylnitril-Elementarfadenkabels zur der Zahl der Filamente des oxydierten Polyacrylnitril-Elementarfadenkabels im Bereich von 10 : 1 bis 1 : 10 liegt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zahl der Filamente des Polyacrylnitril-Elementarfadenkabels zur der Zahl der Filamente des oxydierten Polyacrylnitril- Elementarfadenkabels zwischen 3 : 1 und 1 : 3 liegt.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Denier- Zahl des Polyacrylnitril-Elementarfadenkabels zur Denier-Zahl des oxydierten Polyacrylnitril- Elementarfadenkabels zwischen 1 : 1 und 3 : 2 liegt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyacrylnitril- Elementarfadenkabel etwa 37.000 Filamente enthält und das oxidierte Polyacrylnitril-Elementarfadenkabel etwa 320.000 Filamente enthält.

21. Reibbelagwerkstoff, aufweisend:

a) ein Kunstharzbindemittel;

b) eine Fasermischung nach Anspruch 1; und

c) Füllstoffe.

22. Reibbelagwerkstoff nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermischung aufweist: fibrillierte Polyacrylnitril-Fasern als die Komponente mit grosser Oberfläche und oxidierte Carbonfaser- Präkursor einer mittleren Länge von weniger als 25,4 mm (1 inch) als die Festigkeitskomponente.

23. Reibbelagwerkstoff nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die fibrillierte Polyacrylnitril-Faser und der oxidierte Carbonfaser-Präkursor in einer Gesamtmenge von weniger als 10 Gewichtsprozent vorliegen.

24. Reibbelagwerkstoff nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die fibrillierte Polyacrylnitril-Faser und der oxidierte Carbonfaser-Präkursor in einem Gewichtsverhältnis von 10 : 1 bis 1 : 10 vorliegen.

25. Reibbelagwerkstoff nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass Verhältnis zwischen 3 : 1 und 1 : 3 liegt.

26. Reibbelagwerkstoff nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass Verhältnis zwischen 3 : 2 und 1 : 1 liegt.

27. Reibbelagwerkstoff nach einem der vorgenannten Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der oxidierte Carbonfaser-Präkursor oxidierte Polyacrylnitril-Faser ist und einen Kohlenstoff-Gehalt zwischen 50 und 85 Gewichtsprozent der Faser hat.

28. Reibbelagwerkstoff nach einem der vorgenannten Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der oxidierte Carbonfaser-Präkursor eine mittlere Länge von weniger als 20 mm und eine Abweichung von größer als 0,5 mm hat.

29. Reibbeiagwerkstoff nach einem der vorgenannten Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die fibrillierte Polyacrylnitril-Faser eine Oberfläche von größer als 40 m²/g hat.