CN1176685A - 用于摩擦材料的组合物和由其形成的制品 - Google Patents

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Abstract

一种含有母体、纤维、填料和摩擦改良剂的组合物,其中有效量的选自纤维、填料、摩擦改良剂以及它们的混合物的至少一种所说组分是具有有效纵横比的促进固化化合物以致使所说的组合物在电磁能的存在下被快速地固化,以及一种固化这样的组合物的方法。由此组合物组成的制品适用于生产摩擦材料,例如刹车片、鼓形衬和离合器。

Description

用于摩擦材料的组合物和由其形成的制品
                  发明背景
1.发明领域
本发明涉及一种制造摩擦材料用的组合物及制造摩擦材料的方法。更具体地说，本发明涉及一种适用于制造摩擦材料的能通过电磁能快速固化的组合物。
2.现有技术描述
用作刹车片的摩擦材料通常是通过混合摩擦改良剂、增强纤维以及母体直至得到想望的掺合物时为止。然后，将此掺合物放置在模具中，压缩到想望的密度，并在常规的电或蒸汽室中加热一段固定的时间以完成固化剂与母体之间的反应。
不需要使用炉子的制造摩擦材料方法也是公知的。然而，这样的方法具有低的固化速率。参见例如美国专利No4617165(12～24小时固化)。还知道通过温度范围设定在约200～400℃的常规炉中蒸发存在于预固化的摩擦材料掺合物中的挥发性物质能将固化时间减少到约四小时。参见美国专利№4537823和4605595。虽然，这些方法是耗时较少的，但是生产这样材料的母体不能被均匀地固化。
根据已知方法生产的许多摩擦材料还必须经过火焰和等离子体的单独的焦烧处理，以便进一步地改进其摩擦表面。这样的常规的焦烧处理不仅费钱，而且由此所得到的烧焦层非常簿。
还知道微波会引起加热某些类型的化合物，参见Newnham等人，“微波和物质之间的基本相互作用机理(Fundamental InteractionMechanisms Between Microwaves and Matter)”，21陶瓷会刊(CeramicTransactions)，微波：材料加工中的理论和应用(Microwave：Theory AndApplication in Materials Processing)51-68(1991)。使用电磁能改进材料微结构，即，生产没有诸如裂纹和空隙缺陷的材料之原理已被应用到制造压实含碳物质中的成形焦炭的方法中，如美国专利№44l2841中所述。在摩擦材料领域中，高频波加热器已被用来在低温下预热树脂片以便减少其孔隙率并由此在它们被切断和固化前达到更好的压实，参见美国专利№3950149(砂轮生产)，并且已被用来加热金属背衬板以便软化处于该板与相连的闸衬之间的粘合剂层，参见美国专利№4668850。
希望有适用于生产摩擦材料的、能快速固化的组合物以便能减少其制造时间。还希望能有这样的组合物并由此使包含这样组合物的摩擦材料在无损于已知摩擦材料任何机械性能的前提下具有诸如致密的、均匀固化的预磨整剖面或烧焦剖面、选择性的孔隙率和可调整的压缩性等性能。
                发明概述
本发明提供一种适用于生产摩擦材料的，具有诸如致密的、均匀固化的预磨整剖面或烧焦剖面、选择性的孔隙率和可调整的压缩性等性质的能快速固化的组合物，还提供一种快速制造这种摩擦材料的方法。
根据本发明，提供一种由以下组分组成的组合物：
a)用于调整所说组合物的摩擦和磨损性能的摩擦改良剂；
b)增强所说组合物的纤维；
c)改进所说组合物稠度的填料；和
d)粘合所说组合物各组分的母体，其中至少一种有效量的所说组分选自纤维、填料、摩擦改良剂和它们的混合物，该组分是由具有这样的有效纵横比的促进固化化合物组成的，以致使所说组合物在电磁能的存在下被快速地固化。
本发明的另一方面是提供一种包括以下步骤的制造摩擦材料的方法：
a)在一容器中混合母体、纤维、填料和摩擦改良剂以制得材料混合物，其中至少一种有效量的所说组分选自纤维、填料、摩擦改良剂和它们的混合物，该组分是由具有这样的有效纵横比的促进固化化合物组成的，以致使所说的摩擦材料在电磁能的存在下被快速地固化；
b)将所说混合物成型成所说的摩擦材料；和
c)将所说的摩擦材料在电磁辐射下曝露一段足以固化所说母体的时间。
本发明的又一方面是提供一种用于刹车片的摩擦材料，它具有从磨损面到与背衬板的啮合面变化的摩擦系数，所说的摩擦材料是通过以下步骤制造的：
a)混合母体、纤维、填料、摩擦改良剂、粘合剂和具有有效纵横比的促进固化化合物以形成一种混合物，所说的促进固化化合物的导电性促进电磁能偶合；
b)将所说的混合物放置在模具中；
c)对在所说模具中的所说的混合物进行一段时间足以在所说的促进固化化合物中引起想望的热反应的电磁辐射，以致使所说的粘合剂固化。
摩擦材料诸如根据本发明生产的刹车片不仅能就地被快速、均匀和直接地加热，而且它们还具有梯度交联形态。于是，最高的摩擦系数将出现在沿发生最大固化度的刹车片的摩擦表面上。反之，最低的固化度将出现在沿毗邻金属背衬板并与摩擦表面相反的刹车片表面上，由此避免摩擦材料—板结合的变劣。梯度形态的另一好处是摩擦材料的减振性，以及与此相关的冲击性和吸收噪声性均有所提高。另外，通过仅仅提高固化温度，使本发明摩擦材料的表面挥发并形成致密的、均匀的烧焦剖面，由此改进了摩擦材料与转子的相互摩擦作用。
作为选择性加热组合物中某些化合物的能力之结果，根据本发明生产的摩擦材料的性能还能被巧妙地设计以满足特殊应用，即，孔隙率可被调整以改进褪色性能和耐磨耗性，参见美国专利№4735975，或者在希望降低噪声的情况下能增加摩擦材料的性能。还能够调整本发明组合物的固化度，并随之调整由其组成的摩擦材料的总强度。
本发明的方法由于快速、同时的固化与烧焦步骤以及取消了模塑后的冷却步骤而还有利于导致减少制备摩擦材料的循环时间。由其生产的摩擦材料可被形成各种各样的形状与尺寸，还具有相当或超过现有技术的摩擦材料的机械和摩擦性能。
附图简述
当参考下面有关本发明优选实施方案的详细说明和附图后会对本发明有更充分的了解并且还可以看出本发明的另外一些优点，在这些附图中：
图1(a)～1(c)是显示摩擦材料中促进固化化合物的不同分布的立体图。
发明详述
除非另有说明外，所有的参比均以重量百分比表示。
本发明涉及一种由以下组分组成的组合物，所说的组分为：a)用于调整所说组合物的摩擦和磨损性能的摩擦改良剂；b)增强所说组合物的纤维；c)改进所说组合物稠度和加工性的填料；和d)粘合所说组合物各组分的母体，其中至少一种有效量的所说组分选自纤维、填料、摩擦改良剂和它们的混合物，该组分是由具有这样的有效纵横比的促进固化化合物组成的，以致使所说的组合物在电磁能存在下被快速地固化。
本发明组合物的第一种组分是摩擦改良剂，它可以被称为摩擦料、磨料摩擦改良剂或润滑剂摩擦改良剂。摩擦料摩擦改良剂的例子包括腰果、坚果壳、磨屑。磨料摩擦改良剂的例子包括氧化镁(MgO)、氧化铁(Fe3O4)、金属粉末诸如铁粉、铜屑、铝粉和钢粉。润滑剂摩擦改良剂的例子包括二硫化钼(MoS2)、三硫化锑(SbS3)、石墨和它们的混合物。
本发明的组合物含有，以组合物的总重量计，约0.1～约99％的摩擦改良剂，并且优选为约1～约60％、更优选为约2～约50％和最优选为约3～约40％的摩擦改良剂。
本发明组合物的第二种组分是纤维组分，它可选自合成或有机纤维、陶瓷纤维、金属纤维和它们的混合物。
适用的合成纤维包括任何类型在固态时为各向同性的聚合物。优选的各向同性聚合物是由于其分子结构之故而各向异性的。特别优选的各向异性聚合物是热致变聚合物，即当被加热到某一特定温度范围时它会形成各向同性熔体的各向异性聚合物，这是该聚合物的一个特征。当处于熔融状态时这些特别优选的热致变聚合物显示出按剪切或拉伸流动方向取向的剪切或拉伸流动的倾向。这样取向的熔体在凝固后与各向同性聚合物相比显示相对较大的结构和机械各向异性。
一般说来，用于本发明实践的各向异性聚合物基本上是聚合物骨架中含有相对高芳香性程度的直链棒状聚合物。有用的各向异性聚合物的例子全芳族聚酯，例如，如在美国专利№5104599和5225489中描述的聚酯，在此引入这两篇文献作为参考。
有用的聚甲亚胺的典型被述于美国专利№4048148中；有用的聚酯酰胺的典型被描述于美国专利№4272625中，在此引入这两篇文献作为参考。
优选的各向异性聚合物是具有由一种或多种选自芳族二醇、芳族二胺、芳族羟胺、芳族羟基酸和芳族氨基酸的化合物与一种或多种选自芳族二羧酸、芳族羟基酸和芳族氨基酸的化合物反应衍生的重复部分(recurring moieties)的聚合物。更优选的各向异性聚合物是具有由一种或多种选自芳族二醇、芳族二胺、芳族羟胺、芳族羟基酸和芳族氨基酸的化合物与一种或多种芳族二羧酸、或芳族羟基酸或芳族氨基酸的自身反应的衍生物、或二种或多种选自芳族羟基酸和芳族氨基酸的化合物反应衍生的重复部分(recurring moieties)的聚合物。
有用的有机纤维的例子是由酚醛树脂或改性酚醛树脂如线型酚醛清漆树脂、酚醛氰酸盐树脂、酚醛环氧树脂等，和芳族液晶聚合物如感胶离子液晶聚合物形成的有机纤维。这样的有机纤维的例子包括作为可能的母体化合物的上述化合物的纤维。
用于本发明实践中的其他有机纤维的例子包括，例如，石墨和碳纤维诸如由聚乙烯、聚乙烯醇、saras、芳族聚酰胺、尼龙、聚苯并咪唑、聚噁二唑、聚亚苯基(“PPR”)、石油沥青和煤焦油沥青(各向同性的)、中间相沥青、纤维素和聚丙烯腈组成的纤维碳化而得到的那些纤维。
在芳族聚酰胺纤维情况下，主要由芳族聚酰胺形成的适用的芳族聚酰胺纤维描述于美国专利№3671542中，在此引入该文献作为参考。优选的芳族聚酰胺纤维具有至少约为20g/d的韧度、至少约为400g/d的拉伸模量和至少为约8焦耳/克的断裂能，而特别优选的芳族聚酰胺纤维具有至少约为20g/d的韧度、至少约为480g/d的拉伸模量和至少约为20焦耳/克的断裂能。最优选的芳族聚酰胺纤维具有至少约为20g/d的韧度、至少约为900g/d的拉伸模量和至少为约30焦耳/克的断裂能。特别有用的芳族聚酰胺纤维是由聚(对苯二甲酰对苯二胺)和聚(间亚苯基)组成的。
在液晶共聚多酯情况下，适用的纤维被公开于例如美国专利№3975487；4118372；和4161470，在此引入这三篇文献作为参考。具有约15～约30g/d和优选为约20～约25g/d的韧度，和约500～1500g/d和优选为约1000～约1200g/d的拉伸模量的这样的共聚多酯是特别符合要求的。
本发明的组合物含有，以组合物的总重量计，约0.1～约90％(重量)、并且优选为约0.1～约50％(重量)的上述合成或有机纤维。
可存在于本发明组合物中的其他纤维包括无机纤维，诸如陶瓷或金属纤维。用于本发明实践中有用的无机长丝的例子是由包括石英、铝硅酸镁、非碱性锌硼氧化铝、非碱性铝硅酸铁、硼酸镉和氧化铝的玻璃组成的纤维，它们包括以η、δ和θ相态的“saffil”纤维；石棉；硼；陶瓷如金属和非金属氧化物例如，碳化硅、硼化钛、碳化锆和氮化硼；和金属诸如镍、钢、铁、bass、铝、铜、钛和合金诸如锰、钛、镍和铝。
在本发明的优选实施方案中，有用的无机纤维是玻璃纤维如S-玻璃、S2-玻璃、E-玻璃等等；陶瓷纤维诸如碳化硅纤维等；芳族聚酰胺或聚酯纤维例如芳族聚酰胺，液晶共聚多酯等等。本发明的组合物含有约0～约90％、优选为约1～约60％的非金属无机长丝，和约0～约90％、优选为1～约65％的金属纤维。
纤维可以排列成具有各种构型的网状物。此处所用的术语“纤维”被定义为一种伸长体，其长度尺寸远大于任何截面的宽度和厚度尺寸。因此，此处所用的术语“纤维”包括具有规则或不规则截面的单丝伸长体、复丝伸长体、带、条、簿膜等等，以及上述的一种或多种材料的组合。例如，许多长丝可以组合在一起形成各种线形式的加捻或未加捻的纤维束。长丝或纱可以成为毡、针织或织造织物(平纹、纤维席纹、缎纹和四经破缎纹等)而形成网状物，制造成非织造织物，排列成平行层，或通过任何一种常规技术形成织造织物。
在本发明的优选实施方案中，将纤维基本上平行和单向排列而形成其中母体材料基本上覆盖单个纤维的单轴向层。两个或更多的层能被用来形成一层带有多层包覆的单向纤维的层，其中每一层相对于其毗邻层旋转。一个例子是一种具有相对于第一层以+45°、-45°、90°和0°旋转的第二层、第三层、第四层和第五层的复合材料，但是，这样的安排并不是必须的。其他的例子包括以0°/90°布置的纤维或长丝层。制造这样优选的网状物的方法与材料被详细地介绍于美国专利№4457985；4613535；4748064；4916000；4403012；4623574；和4737402中，此处引入这些文献作为参考。
权利要求保护的组合物的第三种组分是填料。任何本技术领域已知的填料均适合于本发明，它们包括，但并不限于，橡胶屑、白垩粉、云母、海运煤、wallestonite、矾土、碳化硅、蓝晶石、粘土、二氧化硅、黄铜屑、铜粉、锌、铁粉、铝、重晶石(bartyles)(BaSO4)和它们的混合物。
本发明的组合物含有，以组合物的总重量计，约0.1～约99％、优选为约1～约80％、更优选为约5～约75％、最优选为约3～约60％的填料。
请求保护的本发明的第四种组分是选自热塑性树脂、热固性树脂和它们的混合物的母体(或“粘合剂”)。所使用的树脂类型并不是关键性的并且基本上任何本领域技术人员已知的热塑性或热固性树脂均可使用。
用作本发明组合物的母体组分的优选树脂是非杂环芳族聚合物例如酚醛树脂和酚醛衍生物，芳族聚酰胺，芳族聚酯和其他芳族聚合物诸如聚亚苯基树脂和中间相沥青，和它们的共聚物和混合物。更优选的树脂是酚醛树脂及各种改性酚醛树脂例如其中的羟基已被衍生成带有可交联部分诸如氰酸盐、环氧和烷基基团的改性酚醛树脂。最优选的树脂是在固化期间不产生挥发物的耐高温树脂如氰化酚醛树脂和酚醛三嗪树脂，更优选的是氰化酚醛树脂。氰化酚醛树脂和酚醛三嗪树脂的例子可从，例如，美国专利№4831086中发现，此处引入该文献作为参考。
本发明的组合物含有，以组合物的总重量计，约0.5～约99％、优选为约3～约60％、更优选为约6～约55％和最优选为约6～约45％(重量)的上述母体。
一般说来，适用于本发明的母体、纤维、填料和摩擦改良剂组分均是市埸上可购到的或能够通过就每一种组分所引证的文献中介绍的方法方便地制备的。
本发明的一个重要特征在于，至少一种有效量的选自摩擦改良剂、填料、纤维和它们的混合物组分，具有能有效地吸收电磁能的有效构型或“纵横比”，以致组合物的X-Y平面被均匀地固化到想望的程度。此处所用的术语“纵横比”是该组分的长度与其直径之比。
另一个重要的特征在于，足够量的具有这样的合适纵横比的这些组分还是“促进固化的”化合物。此处所用的术语“促进固化的”化合物是指介电损耗为约0.000001～约1.0、优选为约0.05～约0.6和/或电阻率为约1×10-10～约1×10+8欧姆—厘米、优选为约1×10-8～约1×10+4欧姆—厘米的组分。
选用于本发明的“促进固化的”摩擦改良剂和/或填料组分的例子具有选自1)“磨碎的”、“切碎的”或“短的”圆柱体；2)“长”圆柱体；3)片；4)颗粒；或5)它们的混合形式的构型。同样，适用的“促进固化的”纤维组分既可以是“磨碎的”、“切碎的”构型，也可以是“短的”圆柱体构型或“长”圆柱体构型，或它们的混合形式的构型。
此处所用的术语“切碎的”或“短的”纤维是指长度等于或大于约0.01厘米，直径等于或小于约1厘米，和“纵横比”大于约1.05的纤维状或针状纤维。短纤维的纵横比优选为约1.5～约3000，并且更优选为约1～约2500。
此处所用的术语“长纤维”是指直径类似于短纤维的直径和长度为约1厘米至约无限长的纤维。长纤维的“纵横比”至少为大于约3。
此处所用的术语“颗粒”是指长度近似等于其直径和纵横比约为1的摩擦改良剂或填料组分的结构。
此处所用的术语“片”是指长度等于或大于约0.001厘米，直径等于或小于约10厘米，和“纵横比”小于约0.995的摩擦改良剂或填料组分的结构。
尽管对组分的纵横比或长度没有规定出上限，和对颗粒的直径没有规定出下限，但是适用于本发明的“固化促进剂”化合物的有效纵横比优选为大于约0.1、更优选为大于约0.2和最优选为大于约0.3。
在本发明的优选实施方案中，本发明的促进固化化合物的平均长度约为0.00005厘米～约5厘米、更优选为约0.005厘米～约1.5厘米、和最优选为约0.05厘米～约1.25厘米，其中促进固化化合物的长度分布可在约X±0.1X～约X±X，优选为从约X±0.2X～约X±X，更优选为从X±0.3X～约X±X，最优选为约X±0.4X～约X±X的范围内变化，而就获得最好的结果来说为在约X±0.5X～约X±X之间，此处X是促进固化化合物的平均长度。
促进固化化合物的平均直径为约0.00005～约0.05厘米，优选为约0.0005cm～约0.025厘米，而最优选为约0.0005～约0.01厘米，在混合物中促进固化化合物组分的直径分布等于或小于约Y±Y，优选为约Y±0.2Y～约Y±Y，更优选为约Y±0.3Y～约Y±Y，最优选为约Y±0.4Y～约Y±Y，而就获得最好的结果来说为在约Y±0.5Y～约Y±Y之间，此处Y是混合物中的促进固化化合物的平均直径。如以上所指出的那样，该直径是可以在很大范围内相对于长度分布而变化的。
成型各种形状的固化促进剂化合物的方法在本技术领域中是公知的并被介绍于，例如，Savage Carbon-Carbon Composites(1993)中。
一般说来，适用于本发明的“促进固化的”化合物包括其导电性会促进电磁能偶合、优选微波能偶合的材料。微波具有在约0.3GHz～约300GHz的频率下为约100厘米～约0.1厘米的波长。这些“促进固化的”化合物的例子包括碳诸如fullerines、石墨和金钢石；金属诸如铝(Al)、铁(Fe)、铜(Cu)、钴(Co)、镁(Mg)和钼(Mo)；混合价氧化物诸如氧化铁(FeO3)、氧化亚铜(CuO)、三氧化二钴(Co2O3)、氧化镍(NiO)；和硫化物半导体材料诸如硫化铅(PbS)、硫化铁(FeS2)和硫化铁铜(CuFeS2)以及它们的混合物。优选的促进固化化合物包括石墨和磁性颗粒诸如铁、氧化铁、硫化铁和硫化铁铜，而石墨更被优选。
我们已经发现，通过掺入有效量的这样的具有专门构型的促进固化组分，并根据规定的范围将这样的组分分布在本发明的组合物中，这些促进固化的组分有助于减少模塑/固化循环时间和提高加热组合物的效率而不会对得到的摩擦材料的性能产生负面的影响。此处所用的术语“有效”量的促进固化的化合物，是指为了得到想望的固化度所需要的“促进固化的”化合物的量。本技术领域的熟练人员能方便地确定出提供想望固化度所需要的促进固化化合物的适宜量和尺寸。据信，每一种促进固化化合物在电磁能存在下均起吸收和产生热的“导体”作用，并由此提高本发明组合物的固化速率。
本发明的组合物还可以包括改进外观与性质的另外组分。这样的其他添加剂包括颗粒填料、着色料、抗氧剂、稳定剂等等。这些添加剂的性质可宽广地改变并且取决于被含在组合物中的促进固化化合物和母体的性质、组合物的预期用途等等。这样的添加剂的量可以在很宽的范围内变化。添加剂的量，以组合物的总重量计，可以在约0～约80％、优选为在约30～约50％之间变化。
商业可购得的冲击改善剂，诸如橡胶，即，橡胶粉，和弹性体也可任选地在本发明的组合物中使用。这样的冲击改善剂可以以，按组合物的总重量计，为约0～约30％、优选为约0.5～约10％的量使用。
还可以在本发明的组合物中，以按组合物的总重量计，为约0～约35％、优选为约0～约10％的量使用pH调节剂诸如氢氧化钙(Ca(OH)2)。
本发明的组合物可以在环境的条件下通过现有技术惯用的混合技术，诸如干混合、熔体混合，或在挤出机或其他类型的混合机中混合所有的主要成分和任何的任选成分来制备。
适用于本发明的固化促进剂化合物可以如图1中所示的任何一种组合被配置在摩擦材料中，例如，图1显示粒状的促进固化化合物。例如，摩擦材料可以是由全部均匀分散的一种促进固化化合物或多种化合物组成的单一结构，如图1a中所示。另外，该材料可以是由1)一层由促进固化化合物或多种化合物组成的层与相毗邻的一层由没有促进固化化合物的本发明组合物组成的层(图1b)；或2)被夹心在两层或多层由没有促进固化化合物的本发明组合物组成的层之间的一层或多层由促进固化化合物组成的层(图1c)组成的多层结构。
当根据在French，“Crosslink Density from Sol-Gel Contents”，All(3)J.Macromol.Sci.643～666(1977)中所提供的方法用丙酮提取固化后的组合物时，固化后的组合物具有低百分率的丙酮提取物，这表明它具有高的固化度，即，大于99％。这是因为在交联期间随着化合物分子量的增加它在丙酮中的溶解度减少之故。
本发明的组合物可制成许多制品，其例子包括摩擦材料如鼓形衬(drum linings)、离合器和汽车、滚轮、飞机、火车、自行车等等的刹车片。
本发明组合物的另一种实施方案包括固化促进剂化合物，诸如连续的碳纤维和石墨纤维，和在碳—碳复合材料排列中的母体。这样的碳—碳复合材料特别适用于飞机或赛车的刹车片。具有纵横比接近无限大的固化促进剂化合物，即，长丝，被优选用于碳—碳复合材料中。这样的碳—碳复合材料可以通过现有技术的已知方法，诸如通过树脂压铸、浸渍和拉挤成型来制备。参见Savage，Carbon-Carbon Composites(1993)。
本发明的另外方面涉及一种制造摩擦材料的方法，该方法包括使用常规技术，诸如干混合或熔体混合、或在挤出机或其他类型的混合机中混合，掺合母体、填料、纤维和摩擦改良剂，以及任何其他任选成分的初始步骤。
然后，一般通过用掺合物填充具有想望的合适形状和尺寸的模具，将得到的掺合物成型成想望的最终产品。任何将掺合物放置到模具中和输送所说的模具或摩擦材料本身到加热室的常规技术均可被使用。这样的技术是本技术领域中所公知的并被介绍于美国专利№4617165、4537823和4605595中。
模具的尺寸、形状和成分可以根据摩擦材料制品的想望的最终用途来变化。在制品被用作制动重型车辆的刹车片或鼓形衬的情况下，模具的尺寸，即，长度和宽度一般较大，即，从约0.05cm3～约300000cm3。反之，在制品被用作制动较小的车辆，即，自行车的情况下，那么模具一般就较小。
模具的形状可以是不规则或规则的。有效形状的例子包括，例如，立方形、长方形、圆柱形和多边形诸如三角形、五角形和六角形。在本发明的优选实施方案中，模具是立方形、长方形或圆柱形。模具的形状另外取决于促进固化化合物的排列情况，即，如以上所述的单一或多层结构。
模具应由诸如聚合物复合材料，即，玻璃纤维增强复合材料，或由金属，可经受所施加的高固化温度，构成。
当处于加热室中时，摩擦材料既可以在模具内也可以在通过已知的现有技术的常规加压装置加压后被曝露于所施加的功率至少为约0.05W、优选为约0.05W～约1000KW和更优选为约500W～约500KW，和频率为约0.954GHz～约2.45GHz的电磁辐照下。磁性(或“感应”)和介电(或“微波”)加热可被用作本发明所需电磁能的来源。优选微波加热，因为它具有更高程度的仅对本发明组合物中的某些化合物加热的选择性。
摩擦材料被曝露于温度约10℃～约2500℃、优选为约20℃～约300℃的辐照下时间为约1～约3小时、优选为约3～约60分钟，同时仍处在加热室中以便固化摩擦材料中的母体。
据信，通过使用这样的传导性促进固化化合物，当曝露在电磁辐照下时，处于毗邻于每一单独的促进固化化合物的摩擦垫的母体和其他组分被加热和烧掉。这，以及微波能量从内向外加热物质的现象，有助于本发明摩擦材料与通过常规方式固化的那些材料相比具有高的微孔结构。
因此，本发明摩擦材料的孔隙率和总强度可以通过选择固化促进剂化合物的合适纵横比和分布来控制，在固化期间固化促进剂化合物吸收电磁能并随之增加温度。毗邻固化促进剂化合物的所有有机材料在曝露于电磁能期间可能被“烧掉”而在摩擦材料中留下孔或微孔。通过如此调整固化促进剂化合物的布局并由此调整组合物的孔隙率，垫片与固定片之间的摩擦阻力与“噪声”或可能被控制，即，随着孔隙率增加，“噪声”降低。
由于电磁能的波不仅被吸收到摩擦材料表面而且在固化期间还被在其上搁置摩擦材料的板所反射，因此，制得的摩擦材料具有梯度交联结构。这意味在固化过程中摩擦材料表面被曝露于更高的温度下，经受更高程度的固化，并由此形成具有深度可在约0.0005cm～约1.5cm、优选为约0.01cm～约0.3cm之间的烧焦表面。有利的是，由于电磁能波从背衬板被反射，毗邻背衬板的摩擦材料层只被曝露在低温下，因此在固化过程中摩擦材料—板结合也未被削弱。
提供以下的实施例以便更完全了解本发明。为说明本发明的原理与实践而提出的具体工艺、条件、材料、比例和报导的数据是例证性的，而不应构成对本发明范围的限制。
按以下的方法测定根据实施例生产的固化材料的下述性质：
a)强度(Pa)与密度(gm/cc)：圆表面直径约为1.95cm(0.75英寸)和厚度约为1.905cm(0.25英寸)的试样通过重量分析法来测定其密度。为了测定抗压强度，其他具有类似尺寸的试样被放在装有测力计的液压机压板中。抗压强度是通过破坏该试样所需的极限力被试样的表面积除而确定的。抗挠强度是通过ASTM D790所述的方法测定的。
b)孔隙率：试样的孔隙率是由密度按下式计算：
％孔隙率＝100×(理论密度-实际密度)/理论密度其中理论密度等于各组分的比重之和。
c)动态力学性能：试样的杨氏模量(Pa)与损耗角(Tanδ)＝(损失的杨氏模量/存贮的杨氏模量)是通过在Ferry，“聚合物的粘弹性质(Viscoelastic Properties of Polymers)”，124(3rd Ed.1978)和Nielsen，“聚合物和复合材料的机械性能(MechanicalProperties of Polymers and Composites)”，54(1976)中所述的方法测定的。
将每一其尺寸为约3.8cm×约0.635cm×约0.312cm的试样或条放置在从Rheometrics，Inc.得到的流变动态分光仪(RheometricDynamic Spectrometer)中，以约3℃/分钟的速率加热，在氩存在下应变循环频率为1赫兹。研究的温度范围为25℃～400℃。
d)固化热(J/g)：
将每一试样用研钵与研杵研磨成粉末。将约8.5毫克～约10毫克的粉末在温度为约10℃～约250℃和在氮存在下以约5.0度/分钟的扫描速率在从Perkin-Elmer公司得到的串联热分析系统差示扫描量热计(Series Thermal Analysis System Differential Scanning Calorimeter)中加热2分钟。
e)丙酮提取：
将玻璃纤维套筒在费歇尔科学等温真空炉(Fisher Scientific isothermvacuum oven)中预热约10分钟至约110℃。然后将套筒在室温下的费歇尔科学干燥机(Fisher Scientific desiccator)中再放置10分钟，然后称重。将模塑制品试样研碎成粉末，然后将粉末放入到冷却的套筒中并称重。在由Fisher Scientific公司得到的玻璃回流机器中在回流下用丙酮提取被粉末填充的套筒，时间约2小时。然后将此粉末填充的套筒放入到上述室温的干燥机中，时间约为20分钟，然后称重。
f)摩擦与磨耗：
通过Chase试验(试验方法SAE J661)评估模塑制品的摩擦与磨耗。实施例1：摩擦材料组合物的制备
在约0.5升(二夸脱)的Patterson-Kelly掺合机中将3.0g得自杜邦化学公司、商品名为“凯弗拉(Kevlar)”的聚芳族酰胺浆与0.4g粒径约为0.03cm的石墨粉在3825rpm速度下混合约3分钟。向其中添加6.0g粒径约为0.124cm的石墨屑和4.9g三硫化锑，然后将得到的混合物在3825rpm下再混合5分钟。
将得自Borden Chemicals(Ohio)的商品名为“Durite FD-2166A”的6.0g含有约7.5％(重量)的六亚甲基四胺的热固性酚醛树脂、3.4g的槚如坚果壳摩擦粉、4.5g的橡胶粉和33.2g的硫酸钡(BaSO4)添加到混合物中，接着在约3825rpm下再混合6分钟。
然后向其中添加8.0g的云母，接着在约3835rpm下再混合10分钟。
向其中添加1.2g的L/D比约为15的碳纤维、20g的L/D约为6的铜纤维、6g的粒径为0.03cm的锌粉和9.0g的L/D比约为10的剑麻纤维，接着在约3825rpm下再混合20分钟。实施例2：摩擦材料的模塑
在环境条件下将120g由实施例1生产的组合物放置到#9DT-0035Raloid Tooles模具内。将该模具放置到已预热到250℃的40吨Wabash压机中，然后闭合压机。
在闭合压机的模具内保持压力为约204大气压(3kpsi)和时间约30分钟后，模具内的温度升高到约148℃。然后将压机的温度调整到“自热”并保持约3.5分钟。然后用流动水通过压板内部约35分钟而将模具冷却到室温。对比例3-1：通过常规的加热方法固化热压的制品
在已预热到260℃的费歇尔科学炉中用循环热空气固化根据实施例2中所述的方法生产的模塑制品试样14小时。固化试样的性质评估结果被概括于表1中。
在进入炉中时试样的温度约为110℃。固化后在固化试样中裂缝和浮物(floats)是明显可见的。这说明具有高初始温度的摩擦材料组合物不能通过使用常规的能量而被成功地固化。反之，在常规炉中固化前，为了生产没有裂缝和浮物的材料必须将该摩擦材料冷却到室温左右。实施例3：微波能固化
在得自Cober Electronics公司的BPH7000微波炉中用微波能固化根据实施例2中所述的方法生产的模塑制品试样，固化条件为：1.2KW和2.45gHz，时间为约1分钟。固化试样的性质评估结果被概括于表1中。
          表1
  实施例     性    质
  密度(g/cc) 抗压强度GPa(kpsi) 丙酮提取物(1)(wt％) Tg，℃(最大tanδ) 重量损失(％) 厚度损失(％)
  对比例3-1   2.453   0.0845(12.3)   1.10   249.0   2.6 3.3
  实施例3；试样1   2.120   0.0779(11.3)   1.10   200.0   2.2   7.1
  实施例3；试样2(2)   2.367   0.0834(12.1)   0.877   259.0   2.7   3.8
  实施例3；试样2(3)   2.403   0.0848(12.3)   0.510   259.2   2.5   3.3
(1)完全固化垫片，最大理论丙酮可提取物为1.2239wt％。
(2)热压条件：同试样1，除了模具温度为204℃而不是148℃外。
(3)热压条件：同试样1，除了模具温度在408大气压(6kpsi)下为234℃而不是在204大气压(3kpsi)下为148℃外。
从表1可以看出，通过电磁能固化的制品具有相当于或优于通过常规加热固化的制品的物理和摩擦学性质。
当进入炉时试样的温度约为110℃。固化后在试样中没有可见的裂缝或浮物。这说明具有高的预固化温度的本发明摩擦材料组合物能在微波炉中被有效地固化。因此，冷却预固化组合物的步骤被省略掉，这进一步地减少生产固化的摩擦材料之循环时间。另外，在炉中固化期间由于不必将组合物从室温开始加热而使能的消耗也被减少。实施例4.1：化学成分—固化促进剂的作用
在150ml烧杯中将约4g的实施例1的酚醛树脂与约1g的各种固化促进剂化合物分别相掺混并搅拌到直至均匀时为止。将5g所得到的掺合物成型为垫片并以与实施例3中所述的相同方式和相同条件固化，除了固化时间为20秒钟外。对固化的摩擦材料进行丙酮提取试验的结果被示于表2中。表2
经微波(1.2kw，2.45Ghz，20秒)后在5g试样的酚醛树脂中的丙酮提取物，wt％
  酚    醛    树    脂     100％
    酚醛树脂/石墨1(石墨1：L/D＝1.2；D＝0.08cm)     1.7％
    酚醛树脂/石墨2(石墨2：L/D＝1.1；D＝0.03cm)     0.0％
    酚醛树脂/石墨3(石墨3：L/D＝0.3；D＝0.124cm)     61.6％
    酚醛树脂/铜纤维(铜纤维：L/D＝6；D＝0.03cm)     0.0％
    酚醛树脂/锌(锌：L/D＝1.0；D＝0.04cm)     100％
    酚醛树脂/剑麻纤维(剑麻纤维：L/D＝10；D＝0.06cm)     100％
    酚醛树脂/碳纤维(碳纤维：L/D＝15；D＝0.03cm)     100％
从表2中可见，固化促进剂的尺寸与种类均影响摩擦材料的固化度。显然，石墨和铜纤维是微波能固化酚醛树脂的有效促进剂，而其他组分对促进固化反应的帮助很小。另外还证实，石墨化合物在低纵横比时更为有效。
由微波能进行固化反应的控制参数是摩擦材料的质量、比热、介电性、几何形状、热损耗机理、偶合效率、其中所产生的有用能、以及微波/介电加热的输出功率。在所有条件都相同的情况下，在一定的限度内固化速率可以通过增加电磁加热装置的输出功率来增加。例如，输出功率从1.2kW增加到7kW，本发明组合物的固化时间将从约20秒钟降低到约3秒钟。实施例4.2：母体性质的影响
将50g得自AlliedSignal Inc，Morristown，New Jersey、重均分子量为约3745、数均分子量为约1291和分子量分布约为2.9的PT树脂，和50g的实施例1的热固性酚醛树脂分别进行模塑与固化，模塑与固化的方式与条件均与实施例2和3中所述的相同，除了固化时间为60秒钟外。固化后组合物的丙酮提取率被示于表3中。
表3：树脂对固化的影响
树脂中的丙酮可提取物，wt％
  酚醛树脂   PT树脂
树脂(单独)     79.5     54.42
从表3中可看出，PT树脂与酚醛树脂相比对微波能是更易起反应的，即，低的丙酮提取物表示高的固化度。实施例5：梯度固化
根据实施例2所述的方法生产的制品试样在实施例3的炉中在条件：3.6kW和2.45GHz下用微波能固化1分钟。从固化试样的顶部(磨擦面)、中部和底部(毗邻金属板)取出尺寸为约3.8cm×约0.635cm×约0.312cm的试条。试样的动态力学性能与丙酮提取物被概括于表4中。
              表    4
    取样位置   DMA，(Tanδ值) 在Tanδ峰值时的Tg(℃)   丙酮提取物(Wt％)
顶部(磨擦表面)     0.028     260.0     0.70
    中    部     0.040     220.0     0.73
底部(毗邻金属板)     0.065     206.0     0.94
“Tanδ”被用来测定摩擦材料的减振性。更具体地说，Tanδ越高固化度就越低，而材料的减振能力也就越大。
从表4可见，用微波能固化的试条具有梯度固化，其底层具有较低的固化度，即，较高的丙酮提取率和玻璃化转变温度，并因此具有比其顶表面层更大的粘弹性。由于此底层在固化后仍保持其大部分的粘弹性，制得的试条能够吸收大量在实际制动期间产生的振动能。因此，这不仅是本发明刹车片的冲击性能而且还能减轻噪声的传播。
反之，由于在常规炉中固化的刹车片是全部均匀固化的，所以它具有较低的粘弹性，因此其减振性能与冲击性能也较差。
现已对本发明作了相当详细的说明，应该理解，无需严格遵守如此详细的说明，本技术领域的熟练人员可以做出另外的变化和改进，所有这些均在如所附权利要求书所定义的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种由以下组分组成的组合物：
a)用于调整所说组合物的摩擦和磨损性能的摩擦改良剂；
b)增强所说组合物的纤维；
c)改进所说组合物稠度的填料；和
d)粘合所说组合物各组分的母体，其中至少一种有效量的所说组分选自纤维、填料、摩擦改良剂和它们的混合物，该组分是由具有这样的有效纵横比的促进固化化合物组成的，以致使所说组合物在电磁能的存在下被快速地固化。
2.权利要求1的组合物，其中所说的促进固化化合物的介电损耗为约0.000001～约1.0，和电阻率为约1×10-10～约1×10+8欧姆—厘米。
3.权利要求2的组合物，其中所说的促进固化化合物选自fullerines、石墨、金钢石、铝、铁、铜、钴、镁、钼、氧化铁、氧化亚铜、三氧化二钴、氧化镍、硫化铅、硫化铁、硫化铁铜以及它们的混合物。
4.权利要求1的组合物，其中所说的纤维是以基本上平行和单向方式排列的。
5.权利要求1的组合物，其中许多所说的纤维是以至少一层形式排列的，其中在所说层中在所说纤维之间的旋转角为约0°～约90°。
6.权利要求1的组合物，其中至少一种选自填料、纤维、摩擦改良剂和它们的混合物的所说组分在所说的组合物中是无规分散的。
7.权利要求1的组合物，其中所说的纵横比大于约0.1。
8.一种由权利要求1的组合物组成的制品。
9.一种制造摩擦材料的方法，该方法包括以下步骤：
a)在一容器中混合母体、纤维、填料和摩擦改良剂以制得材料混合物，其中至少一种有效量的所说组分选自纤维、填料、摩擦改良剂和它们的混合物，该组分是由具有这样的有效纵横比的促进固化化合物组成的，以致使所说的摩擦材料在电磁能存在下被快速地固化；
b)将所说混合物成型成所说的摩擦材料；和
c)在足以固化所说母体的条件下将所说的摩擦材料曝露于电磁辐射之中。
10.一种用于刹车片的摩擦材料，它具有从磨损面到与背衬板的啮合面变化的摩擦系数，所说的摩擦材料是通过以下步骤制造的：
a)混合纤维、填料、摩擦改良剂、粘合剂和具有有效纵横比的促进固化化合物以形成一种混合物，所说促进固化化合物的导电性促进电磁能偶合；
b)将所说的混合物放置在模具中；
c)对在所说模具中的所说的摩擦材料进行一段时间足以在所说的促进固化化合物中引起想望的热反应的电磁辐射以致使所说的粘合剂固化。
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