CN114394617A - 钛酸钾粉末及其制造方法、摩擦调整材料、树脂组合物、摩擦材料以及摩擦部件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够避免安全卫生上的担忧并且在用于摩擦材料时赋予优异的摩擦特性的钛酸钾粉末。一种由平均长径30μm以上、平均短径10μm以上并且平均纵横比为1.5以上的柱状钛酸钾颗粒构成的粉末，其特征在于，上述柱状钛酸钾颗粒由组成式K2TinO2n+1〔式中，n＝5.5～6.5〕表示。
Description
本案是申请日为2017年12月4日、申请号为201780077068.1(PCT/JP2017/ 043434)、发明名称为钛酸钾粉末及其制造方法、摩擦调整材料、树脂组合物、摩擦材料以及摩擦部件的分案申请。
技术领域
本发明涉及钛酸钾粉末及其制造方法、摩擦调整材料、树脂组合物、摩擦材料以及摩擦部件。
背景技术
在构成各种车辆、工业机械等的制动装置的制动摩擦衬片(Brake lining)、制动盘摩擦块(disc pad)、离合器摩擦片(clutch facing)等的摩擦部件中，要求摩擦系数高且稳定、抗衰退性优异、耐磨耗性优异、转子攻击性低。为了满足这些特性，使用了如下的摩擦部件，其具有由含有石棉、无机填充材料、有机填充材料等以及将这些结合的酚醛树脂等热固性树脂(结合材料)的树脂组合物形成的摩擦材料。
但是，石棉被确认有致癌性并且容易粉尘化，因此，由于操作时的吸入所引起的环境卫生上的问题，其使用受到限制。因此，作为代替品，提出了将不具有致癌性且不会像金属纤维那样使转子受损、摩擦特性也优异的钛酸钾的纤维状颗粒用作基材纤维或摩擦调整材料的摩擦材料，并正在使用。特别是通式K2Ti6O13所示的六钛酸钾纤维具有如下特征：具有隧道结构的结晶结构，熔点高，化学稳定，钾离子不易溶出。因此，由含有六钛酸钾纤维的树脂组合物形成的摩擦材料的耐热性、耐磨耗性、增强性等优异。作为六钛酸钾纤维的制造方法，已知：将通过加热生成二氧化钛的化合物(以下，称为钛源)和通过加热生成氧化钾的化合物(以下，称为钾源)以TiO2/K2O的摩尔比成为约6的方式混合并作为起始原料，对其进行烧制，通过固相反应来制造的烧制法；将钛源和钾源以TiO2/K2O的摩尔比成为约2的方式混合后作为起始原料，将其加热熔融，使该加热熔融物朝一个方向凝固，得到作为初生相纤维二钛酸钾凝集成束状的纤维块，通过对该纤维块进行水·酸洗，使钾离子溶出，并且解开纤维彼此的凝集，将经过该处理并回收的水和钛酸钾纤维干燥，进行烧制处理来制造的熔融法；等。
但是，钛酸钾纤维由于大多为平均纤维径为0.1μm～0.5μm、平均纤维长为10μm～20μm的纤维，含有世界卫生组织(WHO)所规定的WHO纤维(长径为5μm以上、短径为3μm以下且纵横比为3以上的纤维状颗粒)，因此，期待能够避免安全卫生上的担忧并且实现作为摩擦材料的要求特性的六钛酸钾颗粒。
于是，专利文献1中，提出了能够通过将钛源和钾源以TiO2/K2O的摩尔比成为约2的方式混合并烧制，得到二钛酸钾颗粒，将所得到的二钛酸钾颗粒和钛源以TiO2/K2O的摩尔比成为约6的方式混合并烧制来制造纵横比3以下的六钛酸钾颗粒。专利文献2中，提出了能够通过将对板状钛酸镁钾或钛酸锂钾进行酸处理得到的板状钛酸浸渍于氢氧化钾溶液中，之后进行烧制来制造板状六钛酸钾。专利文献3中，提出了通过将钛源和钾源以TiO2/K2O的摩尔比成为约2的方式配合，边机械化学粉碎边混合，对所得到的粉碎混合物进行烧制，对所得到的不定形状的二钛酸钾颗粒进行酸处理而使钾离子溶出后，进行烧制，由此能够制造不定形状六钛酸钾颗粒。专利文献4中，提出了通过将平均粒径为0.1mm～10mm的凝集体或造粒体的钛源和钾源以TiO2/K2O的摩尔比成为约6的方式混合，以速度0.5℃/分钟～2℃/分钟升温至1000℃～1300℃的范围之后进行烧制，由此能够制造平均短径3μm～10μm、平均纵横比为1.5～10的六钛酸钾颗粒。专利文献5中，提出了通过将钛源和钾源以TiO2/K2O的摩尔比成为约6的方式混合，升温至超过1000℃的最高烧制温度时，从1000℃至最高烧制温度以升温速度为15℃/分钟以下的方式升温加热并烧制，之后，从最高烧制温度至500℃以100℃/分钟以上的降温速度进行冷却，将所得到的冷却物进行粉碎处理，由此能够得到平均粗细(平均短径)为2μm～6μm、平均长度(平均长径)为3μm～10μm的六钛酸钾凝集而成的平均粒径20μm～100μm的颗粒。
另一方面，为了提高耐磨耗性，摩擦部件中使用的树脂组合物除钛酸钾以外还配合有铜纤维、铜粉末。这可以认为是因为在摩擦材料与转子(对象材料)摩擦时，由于铜的延展性而在转子表面形成凝着覆膜，该凝着覆膜作为保护膜发挥作用，由此能够维持高温下的高摩擦系数。但是，含有铜的摩擦部件含有在制动时生成的磨耗粉末，存在成为河川、湖、海洋污染等的原因的可能性，因此，铜的使用量在北美受到限制。因此，期待在不含铜成分或铜含量少的配方中也能够实现作为摩擦材料的要求特性的钛酸钾颗粒。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11－228300号公报
专利文献2：日本特开2001－253712号公报
专利文献3：国际公开第2008/123046号
专利文献4：日本特开2008－266131号公报
专利文献5：国际公开第2014/148374号
发明内容
发明要解决的技术问题
但是，专利文献1～专利文献4的方法中，由于无法使颗粒生长得较大，因而无法得到充分的增强性，摩擦特性不充分。另外，以制造柱状、纤维状颗粒为目的的专利文献1和专利文献4的方法存在含有环境基准以上的WHO纤维的担心。专利文献5的方法中，虽然颗粒形状大，但是由于不具有纵横比，因而无法期待充分的增强性。另外，由于对微细的柱状颗粒的凝集物进行粉碎处理来调整粒径，因此存在产生纤维状颗粒的担心。
本发明的目的在于提供一种钛酸钾粉末和该钛酸钾粉末的制造方法、使用该钛酸钾粉末的摩擦调整材料、树脂组合物、摩擦材料、以及摩擦部件，该钛酸钾粉末能够避免安全卫生上的担忧并且在用于摩擦材料时赋予优异的摩擦特性。
用于解决技术问题的技术方案
本发明提供以下的钛酸钾粉末、摩擦调整材料、树脂组合物、摩擦材料、摩擦部件、以及该钛酸钾粉末的制造方法。
项1一种钛酸钾粉末，其特征在于，其是由平均长径30μm以上、平均短径10μm以上并且平均纵横比为1.5以上的柱状钛酸钾颗粒构成的粉末，上述柱状钛酸钾颗粒由组成式K2TinO2n+1〔式中，n＝5.5～6.5〕表示。
项2如项1所述的钛酸钾粉末，其特征在于，长径30μm以上并且短径10μm以上的颗粒的含量为50体积％以上。
项3如项1或项2所述的钛酸钾粉末，其特征在于，纤维状颗粒的含量为0.3体积％以下。
项4如项1～项3中任一项所述的钛酸钾粉末，其特征在于，比表面积为0.3m2/g～3m2/g。
项5一种摩擦调整材料，其特征在于，包含项1～项4中任一项所述的钛酸钾粉末。
项6一种树脂组合物，其特征在于，含有项1～项4中任一项所述的钛酸钾粉末和热固性树脂。
项7如项6所述的树脂组合物，其特征在于，在上述树脂组合物的合计量100质量％中，铜成分的含量以铜元素计为0.5质量％以下。
项8如项6或项7所述的树脂组合物，其特征在于，其用于摩擦材料。
项9一种摩擦材料，其特征在于，其为项6～项8中任一项所述的树脂组合物的成型体。
项10一种摩擦部件，其特征在于，具有项9所述的摩擦材料。
项11一种钛酸钾粉末的制造方法，其特征在于，包括：将通过加热生成二氧化钛的化合物或二氧化钛与碳酸钾边机械粉碎边混合，准备粉碎混合物的工序(A)；将上述粉碎混合物在二氧化碳浓度为1体积％～60体积％的气氛下加热并烧制，准备二钛酸钾的工序(B)；和从上述二钛酸钾溶出钾成分之后，进行加热、烧制的工序(C)。
项12如项11所述的钛酸钾粉末的制造方法，其特征在于，上述工序(B)中的烧制温度在800℃～1000℃的范围内。
项13如项11或12所述的钛酸钾粉末的制造方法，其特征在于，在上述二钛酸钾的水性浆料中混合酸，将上述水性浆料的pH调整为11.5～12.5，由此来进行上述工序(C)中的钾成分的溶出。
项14如项11～13中任一项所述的钛酸钾粉末的制造方法，其特征在于，上述工序(C)中的烧制温度在600℃～1300℃的范围内。
发明的效果
本发明的钛酸钾粉末能够避免安全卫生上的担忧并且在用于摩擦材料时赋予优异的耐摩擦性。另外，摩擦系数高且稳定，能够赋予优异的抗衰退性。
附图说明
图1为构成合成例1中得到的粉末的颗粒的SEM照片。
图2为构成合成例2中得到的粉末的颗粒的SEM照片。
图3为构成合成例3中得到的粉末的颗粒的SEM照片。
图4为构成合成例4中得到的粉末的颗粒的SEM照片。
图5为构成合成例5中得到的粉末的颗粒的SEM照片。
图6为表示合成例1～合成例6中得到的粉末的X射线衍射图的图。
图7为表示实施例2中的原料(二钛酸钾)、二钛酸钾的酸处理后和所得到的钛酸钾粉末(六钛酸钾)的X射线衍射图的图。
图8为构成实施例4中得到的粉末的颗粒的SEM照片。
图9为表示实施例5和比较例5～比较例8中得到的摩擦材料的平均摩擦系数和摩擦材料磨耗量的关系的图。
具体实施方式
以下，对实施本发明的优选方式的一例进行说明。但是，下述的实施方式仅为例示。本发明不受下述实施方式的任何限定。
＜钛酸钾粉末＞
本发明的钛酸钾粉末是由平均长径30μm以上、平均短径10μm以上并且平均纵横比为1.5以上的柱状钛酸钾颗粒构成的粉末。此外，本发明中的柱状只要满足上述平均长径、平均短径和平均纵横比即可，包括棒状、柱状、圆柱状、棱柱状、条状、大致圆柱形状、大致棱柱形状、大致条形状等的形状，是指整体形状为大致柱状。
关于本发明中的平均长径和平均短径，利用扫描型电子显微镜(SEM)观察的图像解析，将与颗粒外切的长方形中具有最小面积的长方形的长边作为长径、短边作为短径进行测量，是从各自的面积分布求出的累积面积50％径。另外，平均纵横比是通过上述方法分别测定平均长径和平均短径、并算出其比率(平均长径/平均短径)的值。
本发明的柱状钛酸钾颗粒的平均长径为30μm以上，优选为30μm～200μm，更优选为35μm～100μm。平均短径为10μm以上，优选为10μm～130μm，更优选为15μm～65μm。平均纵横比为1.5以上，优选为1.5～5，更优选为1.5～3，更加优选为1.5～2.5。通过将平均长径、平均短径和平均纵横比设为上述范围，在使用摩擦材料时，能够赋予优异的耐磨耗性，摩擦系数高且稳定，赋予优异的抗衰退性。
本发明的钛酸钾粉末优选长径30μm以上并且短径10μm以上的颗粒的含量为50体积％以上，更优选为80体积％以上，更加优选为90体积％以上。上述含量是使用通过上述方法测得的长径和短径以长径×短径×短径算出颗粒体积并进行体积换算而得到的值。
另外，本发明的钛酸钾粉末优选通过激光衍射散射法求出的粒度分布中的累积体积50％的粒径即平均粒径为30μm～200μm，更优选为35μm～100μm。在平均粒径处于上述范围内的情况下，用于摩擦材料时，能够进一步提高摩擦特性。
本发明的钛酸钾粉末优选纤维状颗粒的含量为0.3体积％以下，优选为0.2体积％以下，进一步优选为0.1体积％以下。通过使纤维状颗粒的含量在上述范围，能够避免安全卫生上的担忧。
在本发明中，纤维状颗粒是指通过上述方法测得的长径为5μm以上、短径为3μm以下、纵横比为3以上的颗粒。纤维状颗粒的含量是使用通过上述方法测得的长径和短径以长径×短径×短径算出颗粒体积并体积换算得到的值。
本发明的钛酸钾粉末的比表面积优选为0.3m2/g～3m2/g，更优选为0.4m2/g～2m2/g，进一步优选为0.5m2/g～1m2/g。上述比表面积能够根据JIS Z8830进行测定。钛酸钾粉末的比表面积过大时，与粘合剂树脂的湿润面积变得过大，与树脂组合物整体的强度相关的结合材料的量有时变少。在将钛酸钾粉末用于摩擦材料、特别是用于制动块用摩擦材料时，由于树脂组合物中热固性树脂的配合量少，因此，如果钛酸钾粉末的比表面积过大，则树脂组合物的机械强度有时降低。另外，钛酸钾粉末的比表面积过大时，吸湿性变高，如果在摩擦材料的表面附着水(水分)或者摄入内部从而摩擦材料吸湿、吸水，则与干燥时相比，摩擦系数极度变高，有时发生在制动时产生的制动噪声(鸣响)。因此，通过将钛酸钾粉末的比表面积设为0.3m2/g～3m2/g，能够获得机械强度和摩擦磨耗特性进一步取得平衡的树脂组合物，能够期待抑制鸣响。
在本发明的钛酸钾粉中，钛酸钾由组成式K2TinO2n+1〔式中，n＝5.5～6.5〕表示。这样，由于本发明的钛酸钾粉末为六钛酸钾以及与其相近的组成，因此具有隧道结构的结晶结构，具有熔点高且化学稳定、钾离子(碱成分)不易溶出这样的特征。被认为是由碱成分引起热固性树脂的固化障碍，热固性树脂发生劣化(强度降低)，因此，由于本发明的钛酸钾粉末具有碱不易溶出这样的特征，所以从机械强度的观点考虑是优选的。
以更进一步提高分散性以及更进一步提高与热固性树脂的密合性为目的，本发明的钛酸钾粉末可以利用硅烷偶联剂(氨基硅烷偶联剂等)、酞酸酯系偶联剂等通过通常的方法施以表面处理。
此外，本发明的钛酸钾粉末可以为摩擦调整材料。
＜钛酸钾粉末的制造方法＞
本发明的钛酸钾粉末的制造方法的特征在于，包括：将通过加热生成二氧化钛的化合物或二氧化钛与碳酸钾边机械粉碎边混合，准备粉碎混合物的工序(A)；将上述粉碎混合物在二氧化碳浓度为1体积％～60体积％的气氛下加热并烧制，准备二钛酸钾的工序(B)；和从上述二钛酸钾溶出钾成分之后，进行加热、烧制的工序(C)。
工序(A)是将通过加热生成二氧化钛的化合物或二氧化钛(以下，称为钛源)与碳酸钾边机械粉碎边混合，准备粉碎混合物的工序。
作为钛源，只要是含有钛元素且不阻碍通过加热生成二氧化钛的原材料或者是二氧化钛即可，没有特别限定，作为这样的化合物，例如，可以列举二氧化钛、亚氧化钛、原钛酸或其盐、偏钛酸或其盐、氢氧化钛、钛过氧酸或其盐等。这些能够单独使用或者组合2种以上使用。这些之中，优选二氧化钛。这是由于二氧化钛与碳酸钾的混合性和反应性更加优异并且廉价。作为二氧化钛的结晶型，优选为金红石型或锐钛型。
钛源由于进行后述的机械粉碎进行混合，形状没有特别限定，从操作性更容易的方面考虑，优选为平均粒径0.1μm～500μm的粉末。上述粉末中，也包括由于1次颗粒难以单分散而形成二次颗粒的粉末以及将其进行造粒得到的造粒物。在本发明中，钛源的平均粒径是指通过激光衍射散射法求出的粒度分布中的累积体积50％的粒径。
碳酸钾由于进行后述的机械粉碎进行混合，形状没有特别限定，从操作性更容易的方面考虑，优选平均粒径0.1mm～1mm的粉末。上述粉末中，也包括由于1次颗粒单分散困难从而形成了二次颗粒的粉末以及将其进行造粒得到的造粒物。在本发明中，碳酸钾的平均粒径是指通过激光衍射散射法求出的粒度分布中的累积体积50％的粒径。
钛源与碳酸钾的混合比例以钛元素和钾元素的氧化物换算来计算，优选TiO2/K2O的摩尔比为1.5～2.5。
在能够制造目标钛酸钾粉末的范围内，也可以将碳酸钾的一部分设为碳酸钾以外的、通过加热生成氧化钾的化合物(以下，也称为其它的钾源)。作为其它的钾源，例如，可以列举氢氧化钾、氧化钾等。使用其它的钾源时，碳酸钾与其它的钾源的混合比率以钾原子换算的摩尔比计，优选设为碳酸钾﹕其它的钾源＝50﹕50～90﹕10。
作为机械粉碎，可以列举边施加物理冲击边粉碎的方法。具体而言，可以列举利用振动磨的粉碎处理。可以认为，进行利用振动磨的粉碎处理时，由于混合粉体因磨碎引起的剪切应力，同时发生原子排列的扰乱和原子间距离的减少，发生不同种颗粒的接点部分的原子移动，结果，可以得到准稳定相。由此，可以认为，得到了反应活性高的粉碎混合物。为了对原料进一步高效地赋予剪切应力，机械粉碎优选为不使用水、溶剂等的干式处理。
边进行机械粉碎边进行混合的时间没有特别限制，一般优选为0.1小时～2小时的范围内。
工序(B)是将工序(A)中准备的粉碎混合物在二氧化碳浓度为1体积％～60体积％的气氛下加热并烧制，准备二钛酸钾的工序。
将工序(A)中准备的粉碎混合物在如上所述调整了二氧化碳浓度的气氛下进行加热、烧制。二氧化碳浓度的调整只要在将粉碎混合物从室温加热升温，粉碎混合物的温度达到碳酸钾的反应开始温度之前开始即可，从操作性的观点考虑，通常，优选从加热开始时(室温)进行。另外，二氧化碳浓度的调整可以直至烧制反应结束为止，但从操作性的观点考虑，优选进行直至烧制反应后冷却至300℃为止。
作为二氧化碳浓度的调整方法，只要是成为上述浓度范围的方法即可，没有特别限制，例如，有：流通二氧化碳与氮、氩等不活泼气体、或空气等的混合气体的方法；使用在加热、烧制时产生二氧化碳、不与钛源、碳酸钾反应而消失的有机化合物的方法；等。
二氧化碳浓度为1体积％～60体积％，优选为7体积％～55体积％。使用碳酸钾和二氧化钛利用烧制法生成二钛酸钾时，在升温过程中开始反应，生成四钛酸钾纤维，四钛酸钾纤维与残留的碳酸钾反应，生成二钛酸钾。由于这些反应是生成二氧化碳的反应，因此，使反应在二氧化碳气氛下进行时，各化合物的生成温度向更高温侧偏移。可以认为，通过使四钛酸钾纤维的生成在更高温中进行，更长径的成长进展，此后的二钛酸钾的生成中短径的成长进展，由此，生长为粗大的柱状颗粒。二氧化碳的浓度过高时，碳酸钾的一部分未反应，有时残留四钛酸钾纤维，因而不优选。另外，二氧化碳浓度过低时，有时二钛酸钾的形状成为阿米巴状，因而不优选。
粉碎混合物的烧制温度优选在800℃～1000℃的范围内，更优选在850℃～950℃的范围内。烧制温度过低时，有时颗粒成长变得不充分。烧制温度过高时，有时钛酸钾熔融而难以控制形状。关于烧制时间，在上述温度范围中优选为1小时～8小时，更优选为2小时～5小时。从室温(20℃)至上述烧制温度的升温速度优选为0.5℃/分钟～10℃/分钟，更优选为1℃/分钟～5℃/分钟的速度。另外，在烧制反应后，冷却至室温(20℃)，从上述烧制温度至300℃的冷却速度优选为0.5℃/分钟～10℃/分钟，更优选为1℃/分钟～5℃/分钟的速度。
工序(B)的烧制只要能够控制二氧化碳浓度即可，能够采用公知的烧制方法，例如，能够使用电炉、旋转窑、管状炉、流动烧制炉、隧道窑等的各种烧制方式。
工序(C)是从工序(B)中准备的二钛酸钾溶出钾成分之后进行加热、烧制的工序。
钾成分的溶出，例如能够通过在二钛酸钾的水性浆料中混合酸而调整水性浆料的pH来进行。由于通过水性浆料的pH调整使钾成分从二钛酸钾溶出，能够通过该pH控制钾成分的溶出量，在其后的烧制中能够维持二钛酸钾的颗粒形状并且制造不同组成的钛酸钾。例如，将水性浆料的pH调整为7.5～8.5时，能够制造K2TinO2n+1〔式中，n＝7.5～8.5〕的钛酸钾。另外，将水性浆料的pH调整为11.5～12.5，能够通过其后的烧制制造K2TinO2n+1〔式中，n＝5.5～6.5〕的本发明的钛酸钾。
水性浆料的浓度没有特别限制，能够从大的范围适当选择，考虑操作性等，优选为1质量％～30质量％，更优选为2质量％～20质量％。
作为上述酸，没有特别限定，例如，能够使用硫酸、盐酸、硝酸等的无机酸、乙酸等的有机酸。酸也可以根据需要并用2种以上。
此外，水性浆料的pH的测定在混合酸并通常搅拌1小时～5小时之后进行。酸通常以水溶液的形态使用。酸水溶液的浓度没有特别限制，能够在大的范围适当选择，通常设为1质量％～98质量％即可。
使钾成分溶出之后，通过吸滤等进行过滤，进行脱水处理。脱水处理后进行烧制，由此能够得到作为最终生成物的由柱状钛酸钾颗粒构成的钛酸钾粉末。此时的烧制温度优选在600℃～1300℃的范围内，更优选在700℃～1000℃的范围内。关于烧制时间，在上述温度范围优选为0.5小时～8小时，更优选为1小时～6小时。烧制温度过低时，有时结晶转变变得不充分。烧制温度过高时，有时钛酸钾熔融而难以控制形状。烧制时间过短时，有时结晶转变变得不充分。另外，烧制时间过长时，有时生产效率变差。
工序(C)的烧制的气氛条件没有特别限制，例如，在大气气氛下进行即可。
工序(C)的烧制能够通过电炉、旋转窑、管状炉、流动烧制炉、隧道窑等的各种烧制方式进行。烧制后也可以根据需要进行筛处理、分级等。
如上操作，能够制造由粗大的柱状钛酸钾颗粒构成的钛酸钾粉末。
＜树脂组合物＞
本发明的树脂组合物的特征在于含有本发明的钛酸钾粉末和热固性树脂，可以根据需要还含有本发明钛酸钾粉末以外的钛酸盐化合物粉末(以下，有时简称为“钛酸盐化合物粉末”)、其它材料。
以下，对本发明的树脂组合物的各构成成分进行说明。
(钛酸钾粉末)
钛酸钾粉末能够从特征在于作为由平均长径30μm以上、平均短径10μm以上且平均纵横比为1.5以上的柱状钛酸钾颗粒构成的粉末且柱状钛酸钾颗粒由组成式K2TinO2n+1〔式中，n＝5.5～6.5〕表示的上述钛酸钾粉末中适当选择任意的钛酸钾粉末使用。
关于本发明的树脂组合物中的钛酸钾粉末的含量，例如在将本发明的树脂组合物用于摩擦材料时，相对于树脂组合物的合计量100质量％，优选为3质量％～50质量％，更优选为3质量％～30质量％，进一步优选为5质量％～20质量％。通过将本发明的钛酸钾粉末的含量设为3质量％～50质量％，能够赋予优异的耐磨耗性，摩擦系数高且稳定，赋予优异的抗衰退性。
(热固性树脂)
热固性树脂作为与钛酸钾粉末等一体化并赋予强度的结合材料使用。因此，能够从作为结合材料使用的公知的热固性树脂中适当选择任意的材料使用。例如可以列举：酚醛树脂；丙烯酸弹性体分散酚醛树脂、有机硅弹性体分散酚醛树脂等的弹性体分散酚醛树脂；丙烯酸改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂等的改性酚醛树脂；甲醛树脂；三聚氰胺树脂；环氧树脂；丙烯酸树脂；芳香族聚酯树脂；尿素树脂；等。能够将这些中的1种单独使用或者组合2种以上使用。其中，从进一步提高耐热性、成型性、摩擦特性的观点考虑，优选酚醛树脂、改性酚醛树脂。
关于树脂组合物中的热固性树脂的含量，例如在将本发明的树脂组合物用于摩擦材料时，相对于树脂组合物的合计量100质量％，优选为3质量％～20质量％。通过将热固性树脂的含量设为3质量％～20质量％的范围，适当量的结合材料填充在配合材料的间隙，能够得到更进一步优异的摩擦特性。
(钛酸盐化合物粉末)
在本发明中，除了本发明的钛酸钾粉末、热固性树脂的材料以外，根据需要，在不损及本发明的优异的发明效果的范围内，作为摩擦调整材料，能够配合本发明的钛酸钾粉末以外的钛酸盐化合物粉末。
作为能够在本发明中使用的钛酸盐化合物，可以列举：六钛酸钾(除了本发明的钛酸钾)、六钛酸钠、八钛酸钾等的具有隧道结构的结晶结构的钛酸盐化合物；K0.2～ 0.7Mg0.4Ti1.6O3.7～4的钛酸镁钾、K0.5～0.7Li0.27Ti1.73O3.85～3.95等的钛酸锂钾的具有层状结构的结晶结构的钛酸盐化合物等。这些之中，通过将钛酸锂钾与本发明的钛酸钾粉末组合使用，能够进一步提高耐磨耗性。
钛酸盐化合物粉末为由球状、层状、板状、柱状、块状、或不定形状等非纤维状颗粒构成的粉末。纤维状颗粒的含量优选为0.3体积％以下，优选为0.2体积％以下，进一步优选为0.1体积％以下。通过使纤维状颗粒的含量在上述范围，能够避免安全卫生上的担忧。
钛酸盐化合物粉末的通过激光衍射散射法求出的粒度分布中的累积体积50％的粒径即平均粒径优选为1μm～30μm以下，更优选为3μm～20μm。在平均粒径处于上述范围内的情况下，在用于摩擦材料时能够进一步提高摩擦特性。
钛酸盐化合物粉末的比表面积优选为0.3m2/g～3m2/g，更优选为0.4m2/g～2m2/g，进一步优选为0.5m2/g～1m2/g。上述比表面积能够根据JIS Z8830测定。钛酸盐化合物粉末的比表面积过大时，与粘合剂树脂的湿润面积变得过大，与树脂组合物整体的强度相关的结合材料的量有时变少。在将钛酸盐粉末用于摩擦材料、特别是用于制动块用摩擦材料时，由于树脂组合物中的热固性树脂的配合量少，因而如果钛酸盐化合物粉末的比表面积过大，则树脂组合物的机械强度有时降低。另外，钛酸钾粉末的比表面积过大时，吸湿性变高，如果在摩擦材料的表面附着水(水分)或者摄入内部从而摩擦材料吸湿、吸水，则与干燥时相比，摩擦系数极度变高，有时发生在制动时产生的制动噪声(鸣响)。因此，通过将钛酸盐化合物粉末的比表面积设为0.3m2/g～3m2/g，能够获得进一步取得了机械强度和摩擦磨耗特性的平衡的树脂组合物，能够期待进一步抑制鸣响。
关于本发明的树脂组合物中的钛酸盐化合物粉末的含量，例如在将本发明的树脂组合物用于摩擦材料时，相对于树脂组合物的合计量100质量％，优选为3质量％～15质量％。
(其它材料)
在将本发明的树脂组合物用于摩擦材料时，除了上述本发明的钛酸钾粉末、热固性树脂的材料以外，可以根据需要配合其它材料。作为其它材料，例如可以列举以下的纤维基材、摩擦调整材料等。
作为纤维基材，可以列举：芳香族聚酰胺(芳酰胺)纤维、原纤化芳酰胺纤维、丙烯酸纤维、纤维素纤维、酚醛树脂纤维等的有机纤维；铜、氧化铝、铁、锌、锡、钛、镍、镁、硅等的金属单质或合金形态的纤维、铜纤维、铸铁纤维等的以金属为主成分的直线形状或弯曲形状的金属纤维；玻璃纤维、石棉、陶瓷纤维、生物分解性陶瓷纤维、生物分解性矿物纤维、生体溶解性纤维、硅灰石纤维、硅酸盐纤维、矿物纤维等的钛酸盐纤维等的无机纤维；耐火纤维、PAN系碳纤维、沥青系碳纤维、活性碳纤维等的碳系纤维；等。能够将这些中的1种单独使用或者组合2种以上使用。
作为摩擦调整材料，可以列举轮胎橡胶、丙烯酸橡胶、异戊二烯橡胶、NBR(丁腈橡胶)、SBR(苯乙烯丁二烯橡胶)、氯化丁基橡胶、丁基橡胶、有机硅橡胶等的未硫化或硫化橡胶粉末；腰果粉、三聚氰胺粉末等的有机填充材料；硫酸钡、碳酸钙、碳酸锂、氢氧化钙(熟石灰)、蛭石、粘土、云母、滑石等的无机粉末；铜、青铜、铝、锌、铁、锡等的金属单质或合金形态的金属粉末等的无机填充材料；金刚砂(碳化硅)、氧化钛、氧化铝(氧化铝)、氧化硅(二氧化硅)、氧化镁(氧化镁)、氧化锆(氧化锆)、硅酸锆、氧化铬、氧化铁、铬铁矿、石英等的磨削材料；合成或天然石墨(石墨)、磷酸盐覆盖石墨、炭黑、焦炭、三硫化锑、二硫化钼、硫化锡、硫化铁、硫化锌、二硫化钨、聚四氟乙烯(PTFE)等的固体润滑材料等。能够将这些之中的1种单独使用或者组合2种以上使用。
关于树脂组合物中的其它材料的含量，例如在将本发明的树脂组合物用于摩擦材料时，相对于树脂组合物的合计量100质量％，优选为44质量％～94质量％，更优选为64质量％～89质量％。
本发明的树脂组合物中，通过在树脂组合物的合计量100质量％中，铜成分的含量以铜元素计为0.5质量％以下、优选不含有铜成分，与现有的摩擦材料相比，能够形成为环境负荷少的组合物。此外，在本发明中，“不含有铜成分”是指铜纤维、铜粉以及包含铜的合金(黄铜或青铜等)和化合物的任一种都不作为树脂组合物的原材料配合。
(树脂组合物的制造方法)
本发明的树脂组合物能够通过如下方法来制造：(1)用混合机(罗地格混合机(loedige mixer)、加压捏合机、艾氏混合机(Eirich mixer)等)混合各成分的方法；(2)制备所期望的成分的造粒物，用混合机(罗地格混合机、加压捏合机、艾氏混合机等)将根据需要的其它成分混合的方法等。
本发明的树脂组合物的各成分的含量能够根据所期望的摩擦特性适当选择，能够使用上述的制造方法来制造。
另外，本发明的树脂组合物可以通过制作以高浓度含有特定的构成成分的母料、在该母料中添加并混合热固性树脂等来制备。
＜摩擦材料和摩擦部件＞
在本发明中，能够将本发明的树脂组合物在常温(20℃)进行预成型，将所得到的预成型物加热加压成型(成型压力10MPa～40MPa、成型温度150℃～200℃)，根据需要对所得到的成型体在加热炉内实施热处理(150℃～220℃、保持1小时～12小时)，此后对该成型体施加机械加工、磨削加工，制造具有规定的形状的摩擦材料。
本发明的摩擦材料可以以该摩擦材料成为摩擦面的方式形成的摩擦部件的形式使用。作为能够使用摩擦材料形成的摩擦部件，例如可以列举(1)仅摩擦材料的构成、(2)具有背衬等的基材和设置于该基材之上、赋予摩擦面的本发明的摩擦材料的构成等。
上述基材用于进一步提高摩擦部件的机械强度，作为材质，能够使用金属或纤维强化树脂等。例如，可以列举铁、不锈钢、玻璃纤维强化树脂、碳纤维树脂等。
摩擦材料中，通常在内部形成大量微细的气孔，形成高温时的分解生成物(气体、液状物)的逸出通道，实现防止摩擦特性降低，并且，降低摩擦材料的刚性，改善衰减性，由此防止鸣响的发生。在通常的摩擦材料中，以气孔率为10％～20％的方式管理材料的配合、成型条件。
本发明的摩擦部件具有优异的耐磨耗性，摩擦系数高且稳定，具有优异的抗衰退性，因此能够适当地用于构成各种车辆、工业机械等的制动装置的制动摩擦衬片、制动盘摩擦块、离合器摩擦片等。将摩擦材料用作制动盘摩擦块(盘式制动器)的摩擦部件时，优选以摩擦材料的洛氏硬度为80HRS～95HRS的方式管理材料的配合、成型条件。
实施例
以下，对于本发明，基于具体的实施例进一步详细地进行说明。本发明不受以下实施例的任何限定，在不变更其要旨的范围内能够适当变更后实施。
＜钛酸钾粉末的制造＞
在以下的合成例、实施例、比较例中，钛酸钾的组成利用X射线衍射测定装置(Rigaku公司制造、型号“Ultima IV”)确认。构成钛酸钾粉末的颗粒和构成钛酸盐化合物粉末的颗粒的形状利用扫描型电子显微镜(SEM、日立高新技术公司制造、型号“S－4800”)观察。对于构成钛酸钾粉末的颗粒的长径和短径，从SEM的倍率400倍的照片(纤维状颗粒中为1000倍的照片)使用图像解析软件(三谷商事社制造、商品名“WinRooF2015”)进行测定，计算平均长径、平均短径、平均纵横比和颗粒含量。钛酸钾粉末和钛酸盐化合物粉末的比表面积利用自动比表面积测定装置(micromeritics公司制造、型号“TriStarII3020”)测定。钛酸钾粉末和钛酸盐化合物粉末的由激光衍射得到的平均粒径利用激光衍射式粒度分布测定装置(岛津制作所公司制造、型号“SALD－2100”)测定。
(合成例1)
将以TiO2/K2O＝2.0(摩尔比)的方式秤量的氧化钛和碳酸钾用振动磨边粉碎边混合0.5小时。
将所得到的粉碎混合物填充于氧化铝船，在管状炉中花4小时从室温升温至880℃，此后，在880℃烧制4小时。此后，花4小时冷却至室温(20℃)，得到粉末。在从加热开始至冷却结束的期间，通过对炉内导入空气，将炉内的二氧化碳浓度控制为0％(与大气同等)。
所得到的粉末的组成为K2Ti2O5(二钛酸钾)。构成粉末的颗粒的形状如图1的SEM照片所示为阿米巴状。将结果示于表1。另外，将粉末的X射线衍射图示于图6。
(合成例2～合成例6)
将从加热开始至冷却结束的期间在炉内流通的气体从空气变更为二氧化碳和空气的混合气体，将炉内的二氧化碳控制为表1所述的CO2浓度，除此以外，以与合成例1同样的方法进行。
所得到的粉末的组成、构成粉末的颗粒的形状示于表1。此外，构成合成例2～合成例5的粉末的颗粒的形状通过图2～图5所示的SEM照片确认。另外，在图6表示合成例1～合成例6中得到的粉末的X射线衍射图。此外，确认到了构成作为使用合成例1～合成例6中得到的粉末制作的最终生成物的粉末的六钛酸钾等的颗粒也具有大致相同的形状。
[表1]
＜六钛酸钾的制造＞
(比较例1)
将合成例2中制造的二钛酸钾用作原料，制备20质量％浆料250ml。在其中添加98质量％硫酸并搅拌1小时，调整为pH12。对该pH调整后的浆料进行过滤、水洗、干燥后，填充于坩埚，在大气气氛下用电炉在900℃烧制4小时，由此得到粉末。
所得到的粉末的组成为K2Ti6O13(六钛酸钾)。构成粉末的颗粒形状为柱状。颗粒的平均长径为20μm、平均短径为12μm、平均纵横比为1.7。纤维状颗粒含量为0.09体积％，长径30μm以上并且短径10μm以上的颗粒含量为43体积％。粉末的比表面积为0.7m2/g。由激光衍射得到的平均粒径为23μm。将结果示于表2。
(实施例1～实施例3)
除了将原料变更为表2所述的合成例中制造的原料以外，与比较例1同样操作进行。所得到的末的组成、构成粉末的颗粒形状、平均长径、平均短径、平均纵横比、纤维状颗粒含量、长径30μm以上并且短径10μm以上的颗粒含量、粉末的比表面积、由激光衍射得到的平均粒径的结果如表2所示。
此外，在图7表示实施例2中的原料(二钛酸钾)、二钛酸钾的酸处理后、以及所得到的钛酸钾粉末(六钛酸钾)的X射线衍射图。
[表2]
(实施例4)
将以成为TiO2/K2O＝2.0(摩尔比)的方式秤量的氧化钛和碳酸钾用振动磨边粉碎边混合0.5小时。
将所得到的粉碎混合物填充于管状炉，花4小时从室温(20℃)升温至880℃，此后，在880℃烧制4小时。此后，花4小时冷却至室温(20℃)，得到K2Ti2O5(二钛酸钾)的粉末。在从加热开始至冷却结束的期间，通过在炉内流通二氧化碳和空气的混合气体，将炉内的二氧化碳浓度控制为8体积％。
使用所得到的二钛酸钾，制备20质量％浆料250ml。在其中添加98质量％硫酸并搅拌1小时，调整为pH12。对该浆料进行过滤、水洗、干燥后，填充于坩埚，在大气气氛下用电炉在900℃烧制4小时，由此得到粉末。
所得到的粉末的组成为K2Ti6O13(六钛酸钾)。构成粉末的颗粒形状为柱状。颗粒的平均长径为35μm、平均短径为19μm、平均纵横比为1.9。纤维状颗粒含量为0.06体积％。长径30μm以上并且短径10μm以上的颗粒含量为87体积％。粉末的比表面积为0.9m2/g。由激光衍射得到的平均粒径为37μm。将结果示于表3。将构成粉末的颗粒的SEM照片示于图8。
(比较例2)
将以成为TiO2/K2O＝2.0(摩尔比)的方式秤量的氧化钛和碳酸钾用振动磨边粉碎边混合0.5小时。
将所得到的粉碎混合物填充于坩埚，用电炉在大气气氛下在860℃烧制4小时。将所得到的烧制体用锤击式粉碎机破碎，得到K2Ti2O5(二钛酸钾)的粉末。
使用所得到的二钛酸钾，制备20质量％浆料250ml。在其中添加98质量％硫酸并搅拌1小时，调整为pH12。对该浆料进行过滤、水洗、干燥后，填充于坩埚，用电炉在大气气氛下在600℃烧制1小时，由此得到粉末。
所得到的粉末的组成为K2Ti6O13(六钛酸钾)。构成粉末的颗粒的形状为阿米巴状。纤维状颗粒含量为0.04体积％。长径30μm以上并且短径10μm以上的颗粒含量为4体积％。粉末的比表面积为8.0m2/g。由激光衍射得到的平均粒径为13μm。将结果示于表3。
(比较例3)
将氧化钛与碳酸钾、碳酸锂以Ti﹕K﹕Li＝1.73﹕0.8﹕0.27(摩尔比)的比例配合，填充于坩埚之后，用电炉在大气气氛下在1030℃烧制3小时。将所得到的烧制体用锤击式粉碎机粉碎，将粉碎品分散在水中，制成10质量％浆料，搅拌1小时，进行湿式破碎。在过滤、干燥后通过筛孔75μm的筛，进行分级。所得到的生成物利用X射线衍射确认为钛酸锂钾。
使用所得到的钛酸钾锂，制备10质量％浆料500ml。在其中添加98质量％硫酸调整为pH1.6，搅拌5小时后，进行过滤，水洗，将该滤饼再次分散于400ml的水中，以成为pH13.75的方式添加40质量％氢氧化钾水溶液，搅拌5小时。此后，进行过滤、水洗、干燥，填充于坩埚后，用电炉在大气气氛下在700℃烧制3小时，由此得到粉末。
所得到的粉末的组成为K2Ti6O13(六钛酸钾)。构成粉末的颗粒的形状为板状。纤维状颗粒含量为0.03体积％。长径30μm以上并且短径10μm以上的颗粒含量为26体积％。粉末的比表面积为1.5m2/g。由激光衍射得到的平均粒径为21μm。将结果示于表3。
(比较例4)
将以TiO2/K2O＝2.0(摩尔比)的方式秤量的氧化钛和碳酸钾在自动乳钵中粉碎混合，将此进行0.5小时。将所得到的粉碎混合物75g填充于坩埚后，用电炉在大气气氛下在800℃烧制3小时。
将所得到的烧制体用锤击式粉碎机破碎，以成为TiO2/K2O＝6的方式添加TiO2(锐钛矿)，进行利用自动乳钵的粉碎混合0.5小时。将所得到的混合粉末在1150℃烧制2小时，将烧制体用锤击式粉碎机破碎，由此得到粉末。
所得到的粉末的组成为K2Ti6O13(六钛酸钾)。构成粉末的颗粒的形状为柱状。颗粒的平均长径为11μm、平均短径为5μm、平均纵横比为2.2。纤维状颗粒含量为3.06体积％。长径30μm以上并且短径10μm以上的颗粒含量为0体积％。粉末的比表面积为0.4m2/g。由激光衍射得到的平均粒径为11μm。将结果示于表3。
[表3]
＜摩擦材料的制造＞
(实施例5～实施例9、比较例5～比较例12)
根据表4和表6的配合比率配合材料，用艾氏混合机混合后，得到实施例和比较例的树脂组合物。此外，表4和表6中各成分的配合量的单位为树脂组合物中的质量％。将所得到的树脂组合物进行预成型(成型压力25MPa)，加热加压成型(成型压力20MPa、成型温度150℃)，进一步进行热处理(220℃)。将所得到的成型体加工为面积5.5cm2的扇型，得到摩擦材料。此外，将表6中使用的钛酸盐化合物粉末(八钛酸钾粉末1、八钛酸钾粉末2、钛酸锂钾粉末、钛酸镁钾粉末)的结晶结构、颗粒形状、纤维状颗粒含量、长径30μm以上并且短径10μm以上的颗粒含量、比表面积、由激光衍射得到的平均粒径示于表5。
＜摩擦材料的物性评价＞
对于用上述方法制成的实施例和比较例的摩擦材料，根据JIS D4421测定洛氏硬度，将结果示于表4和表6。硬度的标尺(scale)使用S标尺。根据JIS D4418测定气孔率。根据JIS D4417测定比重。将结果记载于表4和表6。
＜摩擦材料的摩擦特性评价＞
对于用上述方法制成的实施例和比较例的摩擦材料，使用dynamo试验机和灰铸铁FC250型转子以根据JASO C406的条件进行摩擦试验，测定平均摩擦系数(试验整体的平均)、摩擦材料磨耗量(试验前后的摩擦材料的厚度之差)、转子磨耗量(试验前后的转子的质量之差)。将结果示于表4和表6。
在上述摩擦试验中，根据下述式(1)计算第一衰退(fade)中的衰退率，将结果示于表4和表6。
衰退率(％)＝〔最低摩擦系数/第1次摩擦系数〕×100 (1)
[表4]
[表5]
[表6]
如表4所示，根据本发明的实施例5的摩擦材料与比较例5～比较例8相比，衰退率大。衰退率越接近100％，表示抗衰退性越优异，可知根据本发明的实施例5的摩擦材料与其它的摩擦材料相比，抗衰退性优异。
另外，已知现有的摩擦材料的平均摩擦系数越高，摩擦材料的磨耗量(摩擦材料磨耗量)越多，但是如图9所示，比较例6～比较例8的摩擦材料也具有同样的趋势。但是，可知作为含有本发明钛酸钾粉末的摩擦材料的实施例5得到了尽管平均摩擦系数高、但摩擦材料的磨耗量少这种无法预期的效果。可以认为，通过使用本发明的钛酸钾粉末，摩擦材料表面的增强性提高，由此，能够实现高摩擦系数且低磨耗量。
如表5和表6所示，可知根据本发明的实施例5的摩擦材料即使不含有铜成分，与作为现有的使用了具有隧道结构的结晶结构的钛酸盐化合物粉末的摩擦材料的比较例9～比较例10相比，衰退率高，磨耗量少。另外，可知根据本发明的实施例5的摩擦材料即使不含有铜成分，与作为现有的使用了具有层状结构的结晶结构的钛酸盐化合物粉末的摩擦材料的比较例11和比较例12相比，衰退率和平均摩擦系数高。
Claims (3)
1.一种钛酸钾粉末的制造方法，其特征在于，包括：
将通过加热生成二氧化钛的化合物或二氧化钛与碳酸钾边机械粉碎边混合，准备粉碎混合物的工序(A)；
将所述粉碎混合物在二氧化碳浓度为7体积％～60体积％的气氛下通过加热来升温，在800℃～1000℃的范围内烧制，准备二钛酸钾的工序(B)；和
从所述二钛酸钾溶出钾成分之后，进行加热、烧制的工序(C)，
所述工序(B)中的二氧化碳浓度的调整从加热开始时进行。
2.如权利要求1所述的钛酸钾粉末的制造方法，其特征在于：
在所述二钛酸钾的水性浆料中混合酸，将所述水性浆料的pH调整为11.5～12.5，由此来进行所述工序(C)中的钾成分的溶出。
3.如权利要求1或2所述的钛酸钾粉末的制造方法，其特征在于：
所述工序(C)中的烧制温度在600℃～1300℃的范围内。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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