CZ40993A3

CZ40993A3 - Process for producing articles from complex material

Info

Publication number: CZ40993A3
Application number: CZ93409A
Authority: CZ
Inventors: Lindgaard Torben; Morgan Thomas David
Original assignee: Obtec As
Priority date: 1990-09-14
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1993-07-14
Also published as: ES2082992T3; DE69117298D1; HUT67391A; PL169609B1; DK0548176T3; AU8528791A; EP0548176A1; WO1992005023A1; CA2091334A1; EP0548176B1; JPH06500745A; US5888645A; DK220990D0; GR3019838T3; DE69117298T2; ATE134332T1; AU654675B2; BR9106847A

Description

Oblast vynálezu

Vynález se týká způsobu výroby produktů z komplexního materiálu, při němž se připraví komplexní materiál, z tohoto materiálu se tvářením vyrobí nevypálené těleso, produkt se vytvrdí pomocí tvrditelného pojivá, tvořícího matrici a popřípadě se matrice po vytvrzení dále zpracovává. Vynález se rovněž týká zařízení k provádění tohoto způsobu a získaných produktů.

Získané produkty jsou vhodné pro celou řadu použití, zvláště v, případech, kdy produkt si má zachovat svůj tvar a své vlastnosti:· při působení teplot vyšších než je teplota tání běžných termoplastických materiálů, tj. nad 1000 °C. Typickými příklady těchto produktů mohou být frikční vložky a obložení, komutátory, pryžové části, stínící materiály proti působení tepla, elektrické izolace, konektory, konstrukční části strojů, magnetu a ložiska.

Dosavadní stav techniky

V britském patentovém spisu č. 2 012 204 se popisuje složitá sestava, tvořená podložkou a alespoň jedním frikčním členem, který je vyroben ze směsi fenolaldehydové pryskyřice, vytvrditelné teplem a plniva. Při provádění popsaného postupu se forma zahřeje na teplotu pryskyřice, obvykle v rozmezí 160 až 180 °C a na směs se vykonává tlak, obvykle v rozmezí 210 až 350 MPa po dobu v rozmezí 2 až 10 sekund.

V evropském patentovém spisu č. 352 363 se popisuje frikční prvek, obsahující akrylový polymer, tento prvek se vyrábí slisováním směsi, obsahující organické pojivo, vytvrditelné teplem, zesilující vláknitý materiál a účinné množství vláknitého akrylového polymeru za vzniku materiálu ve tvaru předrobku, který se lisuje při zvýšené teplotě a pak se vylisovaný materiál podrobí dostatečné teplotě pro vytvrzení, načež se zpracuje na frikční prvky, například kotoučové brzdy, obložení a vložky. Tlak při lisování je v rozmezí 14 až 35 MPa, k vytvrzení se používá zahřátí na teplotu v rozmezí 175 až 315 °C na dobu 15 minut, načež se výrobek ještě několik hodin podrobí následnému tepelnému zpracování.

Nevýhodou těchto postupů je skutečnost, že ke slisování materiálu je zapotřebí použít vysokého tlaku, alespoň 20 až 50 MPa k dosažení dostatečného slisování, což vyžaduje nákladné zařízení.

Mimoto by z ekonomických důvodů mělo docházet k vytvrzení vytvrditelného pojivá matrice při vyšší teplotě typicky alespoň 135 až 250 °C, aby bylo možno zajistit, že tep loty vytvrzení bylo dosaženo ve všech částech výrobku. V pří pádě, že se při vytvrzení užije nižších teplot, je zapotřebí dlouhé doby tváření a tvrzení, což omezuje celkovou rychlost výroby.

Doba vytvrzení závisí na povaze tvrditelného pojivá matrice a na rozměrech výrobku. V případě větších výrobků, jako jsou frikční prvky pro brzdová obložení může být doba vytvrzení 15 minut až 75 minut i delší a až po této době je dosaženo dostatečné mechanické pevnosti a produkt je nutno vyjmout z formy a přenést do pece k následnému tepelnému zpracování.

Další nevýhoda těchto postupů spočívá v tom, že se zahřátí provádí přenosem tepla vedením z formy do zpracovávaného materiálu, takže je velmi obtížné řídit homogenitu tohoto přenosu tepla a tím může dojít k nerovnoměrné polymeraci tvrditelného pojivá, tvořícího matrici.

Po zjištění nevýhod, které jsou spojeny s přenosem tepla vedením přes formu byly vyvíjeny snahy dosáhnout homogenního a zrychleného přenosu energie do zpracovávaného materiálu.

V evropském patentovém spisu č. 347 299 se popisuje použití mikrovlnného zahřívání komplexních materiálů z nenasycené polyesterové pryskyřice, plněné sklem při tlaku až 20 MPa. Ve zveřejněné SRN patentové přihlášce 29 06 842 se popisuje použití vysokofrekvenčního mikrovlnného zahřívání s frekvencí 2450 MHz v případě lisování materiálu, vytvrditelných působením tepla, ani jeden z těchto postupů není vhodný pro komplexní materiály, obsahující značnější množství kovů. Mimoto je zapotřebí elektrické izolace, takže celé zařízení je velmi složité.

V evropském patentovém spise č. 93 655 se popisuje způsob výroby komplexního organokovového materiálu, který obsahuje pryskyřici, vytvrditelnou působením tepla, práškový kov a další přísady, které mají dodat výslednému materiálu určité vlastnosti po současném přívodu tepla a působení tlaku, přičemž tlak pomáhá zajistit dobrou elektrickou vodivost materiálu.

Tento postup vyžaduje vysoký obsah elektricky vodivého materiálu s podstatnou ztrátou hysterese.

V britských patentových spisech č. 2 106 823 a

135 412 se popisuje způsob odporového zahřívání a sintrování kovových frikčních materiálů a také postup pro výrobu různých sestav s použitím tohoto materiálu a zpracování tohoto materiálu při použití odporového zahřívání. I tyto postupy vyžadují dostatečně vysoký podíl elektricky vodivého materiálu.

Kromě již svrchu uvedených nevýhod vzniká při těchto postupech vysoká pravděpodobnost vzniku výrobků, které obsahují dutiny a v nichž není distribuce jednotlivých složek materiálu rovnoměrná, zvláště v těch případech, kdy komplexní materiál obsahuje částice materiálů s různými rozměry a různou hustotou a/nebo obsahuje jednu nebo větší počet složek ve velmi nízké koncentraci.

Byly navrhovány také další způsoby zahřívání při použití energie ultrazvuku.

V US patentovém spisu č. 4 487 728 se popisuje způsob lisování specifických termoplastických materiálů ve formách s větším počtem dutin . Tímto způsobem se získají sintrované polotovary, které je dále možno zpracovávat tvářením za tepla na požadovaný tvar.

V US patentovém spisu č. 4 548 771 se popisuje způsob vulkanizace běžných pryžových materiálů, obsahujících 75 % objemových základního elastomeru, celý materiál je tedy svou povahou elastomerní, a do 25 % objemových plniva. Postup spočívá v tom, že se užije ultrazvuku s maximální intensitou 31 W/cm a tato intenzita se v průběhu 3 až 5 minut asymptoticky snižuje na 40 až 45 % počáteční intenzity, čímž je možno se vyhnout degradaci elastomeru příliš vysokým teplem. V tomto patentovém.': spisu není navrhováno žádné opatření, které by se týkalo vytvrzení komplexních materiálů s obsahem vytvrditelného pojivá v matrici v množství nižším než 5 až 50 % objemových.

Způsoby výroby frikčních prvků ve dvou stupních spočívají v tom, že se materiál předehřeje působením ultrazvuku a pkk se použije tlaku.

V publikaci WPI Acc. č. 83-26393K/11 je uvedena anotace japonské patentové přihlášky č. 58 020 413 (australská patentová přihláška č. 86289-82), popisuje se způsob lisování frikčních materiálů tak, že se na podložce uloží kov a pak se dutina formy vyplní částicemi frikčního materiálu uloženého na podložce, tyto částice se roztaví zahřátím působením ultrazvuku a pak se materiál i s kovem lisuje a současně se frikční materiál navaří na kov.

Uvádí se také postupy s využitím ultrazvuku, při nichž se současně působí ultrazvukem a tlakem na frikční materiál. Při tomto postupu, při němž se současně užívá ultrazvukového zahřívání a působení tlaku však dochází k tomu, že vzhledem ke zvýšenému tlaku dochází ke snížení rychlosti působení ultrazvukových oscilací.

V publikaci WPI Acc. č. 84-265815/43 se popisuje anotace japonské patentové přihlášky č. 59 023 804, v níž se uvádí způsob výroby frikčních produktů pro brzdy tak, že se předehřívá frikční práškový materiál, obsahující anorganická, organická a/nebo kovová vlákna, přísady pro úpravu tření, filtr a.· organický materiál, napomáhající vazbě a práškový materiál se lisuje za horka.

V publikaci WPI Acc. č. 85-046916/08 se uvádí anotace japonské patentové přihlášky č. 60 004 536, popisující způsob lisování frikčních prvků, který spočívá v tom, že se na dno formy uloží kov s adhesivním materiálem, na tento kov se uloží práškový frikční materiál, který se pak předehřeje působením ultrazvuku, načež se působí na frikční materiál bud ultrazvukovým vibračním zařízením nebo horkým lisem, čímž dojde k vypuzení plynů a páry z frikčního materiálu. Při následném lisování působením vysokého tlaku na frikční materiál pak již není zapotřebí odvádět plyny a lisování je možno provést ve velmi krátkém čase.

V publikaci Patent Abstract of Japan sv. 11, č. 1 (M-550) je uvedena anotace japonské patentové přihlášky č.

181 630, v níž se popisuje použití ultrazvukové energie při zahřívání sintrovatelných práškových materiálů. Tyto materiály se působením ultrazvuku zahřívají až k dosažení teploty tání, při níž dochází k sintrování v místech dotyku jednotlivých částic. Uvedený postup je navrhován zejména pro výrobu porézních materiálů, které neobsahují žádné polymerní pojivo.

Podstata vynálezu

Podstatu vynálezu tvoří způsob výroby soudržných výrobků s vysokou hustotou z komplexního materiálu.

Vynález se rovněž týká způsobu výroby produktů se sníženou porézností bez přítomnosti dutin.

Vynález se rovněž týká způsobu, při němž je možno vytvrdit vytvrditelné pojivo, tvořící matrici homogenním způsobem v krátkém časovém období.

Bylo přepokládáno, že energii ultrazvuku není možno využít k vytvrzení práškových materiálů, obsahujících vytvrditelné pojivo, tvořící matrici, pod tlakem v průběhu postupu, při němž současně dochází k zahřívání a vytvrzení vzhledem k tomu, že se pak energie ultrazvuku nemůže dostatečně šířit práškovým materiálem k vyvolání a udržení postupu, při němž dochází k vytvrzení působením tepla.

Nyní bylo neočekávaně zjištěno, že ve skutečnosti je možno dosáhnout slisování, zahřátí a vytvrzení ve velmi dobré kvalitě v případě, že se pečlivě volí použitý tlak a amplituda ultrazvukových vln.

Podstatu vynálezu tedy tvoří způsob výroby produktů z komplexního materiálu, při němž se

a) připraví komplexní materiál, tvořený směsí

i) vytvrditelného pojivá, tvořícího matrici, ii) alespoň jednoho částicového materiálu a iii) popřípadě dalších přísad,

b) vytvoří se nevytvrzený produkt tvářenína zhuštění# komplexního materiálu na požadovaný tvar,

č) produkt se vyrobí vytvrzením tvrditelného pojivá v matrici tohoto nevytvrzeného produktu a

d) popřípadě se matrice produktu, získaného ve stupni c) podrobí následnému tepelnému zpracování, přičemž množství pojivá, které je vytvrditelné a tvoří matrici se pohybuje v rozmezí 5 až 50, s výhodou 15 až 45 a zvláště 20 až 35 % objemových zhuštěného materiálu v nevytvrzeném produktu a tvorba nevytvrzeného produktu ve stupni b) a jeho vytvrzení ve stupni c) se provádí tak, že postup je tvořen

i) zhuštovací a·zahřívací fází, v níž je materiál současně vystaven působení tlaku a ultrazvukové energie, použitý tlak je vyšší než vnitřní tlak par a amplituda ultrazvukových vln se volí tak, aby byly překonány vnitřní třecí síly, požadovaného zhuštění se dosahuje současným působením tlaku a pohybu mezi částicemi, rovnoměrné vnitřní zahřátí je uskutečněno v podstatě třením mezi jednotlivými částicemi, a dostatečné množství energie ultrazvuku se mění na teplo za vzniku soudržné nevytvrzené matrice s teplotou, při níž je pojivo připraveno pro vytvrzení, ii) následnou počáteční vytvrzovací fází, v níž je pojivo vytvrzeno na požadovaný stupeň současným použitím tlaku a energie ultrazvuku a iii) popřípadě konsolidační fází, při níž se pojivo vytvrdí do požadovaného stupně pouze působením tlaku, přičemž se nevytvrzený produkt vytvrdí na stupeň, zajištující bezpečné zacházení a tvarovou stálost produktu.

Svrchu uvedenou volbou ultrazvukového záření je možno zajistit správný způsob rozpadu ultrazvukové energie. Přener-t sená ultrazvuková energie se primárně přenáší jako oscilační energie částicového materiálu, která se pak mění na rovnoměrně rozložené teplo.

Požadované vysoké hustoty je takto· možno snadno dosáhnout současným působením vhodně upraveného zevního tlaku a řízeným pohybem mezi částicemi.

Požadovaná homogenita vytvrzené matrice je zajištěna homogenní přeměnou energie ultrazvuku na energii tepelnou, čímž je současně možno dosáhnout požadovaného rychlého vzestupu teploty.

Tlak a přeměna energie ultrazvuku

Tlak, kterého se užije při provádění způsobu podle vynálezu se může měnit v širokém rozmezí. Obvykle je vhodný tlak 1 až 20 MPa, s výhodou 7 až 10 MPa v případě, že se ultrazvuk přivádí za stálého tlaku.

V případě, že se užije stálé amplitudy ultrazvukových oscilací, je možno užít tlaku 0,5 až6, s výhodou 1 až 4 MPa.

Energie ultrazvuku se může měnit v širokém rozmezí. Obvykle se užívá frekvence přibližně 18 KHz, s výhodou 18 až 40, nejvýhodněji přibližně 20 kHz.

Zvláště kritipkou hodnotou je amplituda ultrazvukových oscilací, která by měla být příslušně nízká v závislosti na použitém tlaku. Při použití tlaku pro zhuštění práškového materiálu by použitý tlak měl Boučasně zajistit dostatečnou vazbu mezi generátorem ultrazvuku a materiálem. Zvýšený tlak na druhé straně zvyšuje pravděpodobnost snížení oscilace. Je tedy zřejmé, že je spíše zapotřebí snížit ampli tudu ultrazvukových vln než ji zvýšit. Tohoto snížení je mož no dosáhnout použitím obráceně zapojeného zesilovače ultrazvuku.

V dalším možném provedení je možno současně použít tlak a ultrazvuk se stálou amplitudou ultrazvukových osciř lácí. Postupuje se tak, že se na začátku postupu užije počátečního tlaku 1 MPa a ultrazvuk se přivádí 2- až 5 sekund, pak se nechá tlak zvýšit na 3 MPa v průběhu 3 až 5 sekund za stálého působení ultrazvuku, načež se působení ultrazvuku přeruší a materiál se na 20 až 30 sekund vystaví pouze tlaku 3 MPa, načež se forma ochladí. Tímto způsobem je postup možno provádět při daleko vyšším tlaku.

Ve srovnání se známými postupy je možno způsobem podle vynálezu získat výrobky s daleko homogennější konsistencí, s řízenou porositou a se sníženým množstvím nežádoucích dutin. Další výhoda způsobu podle vynálezu spočívá ve snížené době vytvrzení, kdy doba tváření a vytvrzení je často až desetkrát kratší než u běžných postupů. Například typické zpracování brzdového obložení způsobem podle vynálezu je 3 až 5 sekund.

Způsob podle vynálezu je možno použít také pro výrobu produktu z komplexního materiálu na alespoň jednom nosném prvku.

V dalším výhodném provedení může částicový materiál obsahovat výztužný materiál, elektricky vodivý materiál a/nebo oba tyto typy materiálu.

V případě, že je požadována ještě vyšší produkce, je možno produkt částečně vytvrdit v zařízení podle vynálezu a pak přenést k následnému teplému zpracování běžným prodlouženým zahříváním.

Vytvrditelné pojivo, tvořící matrici

Při provádění způsobu podle vynálezu je možno jako pojivo, tvořící matrici použít jakékoliv vytvrditelné pojivo, schopné dát vznik zesítěné nebo trojrozměrné výsledné struktuře.

Pojivo, tvořící matrici zahrnuje teplem vytvrditelné polymery, například kondenzační polymery formaldehydu,s fenolem, močovinou, melaninem nebo resorciňerti, 'diallýlftalát a diallylisoftalát, polyesterové pryskyřice, včetně nenasycených polyesterů adičního typu a kondenzačních pryskyřic, získaných reakcí polyolů a multifunkčních karboxylových kyselin, například kyseliny adipové nebo tereftalové, vinylestery, epoxidové polymery včetně diglycidyletheru bisfenolu A, epoxy-novolakové pryskyřice, získané reakcí epichlorhydrinu a fenolo-novolakové pryskyřice, vytvrzené obvyklým způsobem přidáním aminů nebo anhydridů, polyamidimidové polymery, polyimidové polymery, polyurethany, včetně polymeračních produktů polyolů.;a diisokyanátů, jako trimethylolpropan- a toluendiisokyanátu a silikonové polymery, odolné proti působení tepla, včetně fenylmethyl- nebo methylhydroxyfunkčních silanolových produktů, které se uvedou do reakce s fenolovými pryskyřicemi, epoxidovými pryskyřicemi, polyesterovými pryskyřicemi nebo dalšími materiály povahy pryskyřice, obsahujícími hydroxylové skupiny.

Částiaový materiál

Při provádění způsobu podle vynálezu je možno použít jakýkoliv částicový materiál včetně anorganických částic, jako jsou uhličitan vápenatý, oxidy kovů, baryt, oxid křemičitý, například písek, jíl, skleněné kuličky, tuha, uhlíková čerň nebo práškový koks, zpevňující materiály, například syntetická vlákna, odolná proti působení tepla včetně anorganických látek, vláken z aromatických polyamidů, novolakových vláken, skleněných vláken, uhlíkových vláken, minerální vlny, houbového železa, dendritické mědi, a drceného magnetického železa s obsahem neodymu a boru, minerální materiály, odolné proti působení tepla, s prodlouženými krystaly a poměrem větším než 3 včetně wollastonitu, attapulgitu a sepiolitu a krystaly typu slídy, odolné proti působení tepla včetně muskovitu, flogopitu, lepidolitu, biotitu a slídovitého hematitu

Je možno použít také organické částice nebo vlákna, například piliny a textilní vlákna a zejména grafitisovaná uhlíková vlákna, dále vodivá plniva včetně vodivé uhlíkové černi, dále vodivé polymery včetně polyethylenoxidu nebo elektronicky vodivé polymery včetně polyacetylenu.

Další přísady

Při provádění způsobu podle vynálezu je možno v materiálu použít ještě další přísady, jako antioxidační látky, antistatika, barviva, vazná činidla, činidla proti vznícení, pěnotvorné látky, stabilizátory proti působení tepla, modifikátory reakce na náraz, kluzné látky, činidla, napomáhající vytvrzení, jako iniciátory, urychlovače a katalyzátory vytvrzení, změkčovadla, konzervační látky a látky, napomáhající dalšímu zpracování, například látky, podporující vyjmutí z formy nebo snižující viskozitu a podobně.

Zařízení k provádění způsobu podle .vynálezu

Podstatu vynálezu tvoří také zařízení k provádění způsobu podle vynálezu, které může zajistit dostatečnou rychlost výroby, rovnoměrnou kvalitu a nízké náklady ve srovnání s dosud používanými zařízeními.

Toto zařízení je tvořeno elektrickým oscilátorem, generátorem ultrazvuku, systémem pro přenos energie ultrazvuku, tvořeným zesilovačem amplitudy ultrazvuku a sonotrodem, dále je zařízení tvořeno uzavřenou lisovací formou a ústrojím, vykonávajícím tlak, přičemž zařízení?pro zesílení amplitudy je zařazeno tak, že dochází ke snížení amplitudy ultrazvuku.

Produkty způsobu podle vynálezu

Podstatu vynálezu tvoří rovněž získané produkty, které obsahují zhuštěný, tepelně stálý a soudržný materiál.

Příkladem těchto produktů může být obložení kotoučových brzd, tvrdé magnetické prvky, produkty z měkkého železa, produkty, tkané ze skelných vláken, elektrické izolace, odolné proti působení tepla a podobně.

Podstatu vynálezu tvoří tedy produkty, které byly získány způsobem podle vynálezu.

Vysvětlení pojmů

Pod pojmem částicový materiál se v průběhu přihlášky rozumí materiál v sypné formě, zejména ve formě prášku a s výhodou ve formě suchého prášku. Práškový materiál může obsahovat také vlákna k zesílení příštího výrobku, plniva v částicové formě a podobně, tyto složky mohou samy o sobě být komplexní.

Pod pojmem komplexní materiál se v průběhu přihlášky rozumí směs vytvrditelného pojivá, tvořícího matrici s alespoň jedním částicovým materiálem a popřípadě dalšími přísadami, jako jsou plniva, změkčovadla, zpevňující látky, katalyzátory, pigmenty nebo barviva.

Pod pojmem složený materiál se rozumí kombinace dvou nebo většího počtu odlišných materiálů, obsahujících částicový materiál a matrici, přičemž tyto materiály se od sebe liší svým složením nebo velikostí částic. Složky složeného materiálu si uchovávají svoji identitu, to znamená, že se v sobě navzájem nerozpouštějí nebo se spolu nespojují, přestože jejich účinek je sinergní. Obvykle je možno jednotlivé složky identifikovat a vymezit jejich vzájemné rozhranní

Pod pojmem matrice se rozumí v podstatě homogenní spojitá fáze ve složeném materiálu, do níž je zavzat částicový materiál složeného materiálu.

Pod pojmem vytvrditelné pojivo tvořící matrici se rozumí prekursor pro vznik matrice·, který se mění v průběhu zpracování složeného materiálu na v podstatě homogenní spojitou fázi při svém vytvrzení.

Pod; pojmem vytvrzení se rozumí irreversibilní změna pojivá, konsolidovaného chemickou reakcí, při níž dochází ke zpevnění pojivá.

Vynález bude dále popsán v souvislosti s přiloženými výkresy.

Na obr. 1 je v řezu znázorněna výroba obložení kotoučové brzdy způsobem podle vynálezu ve schematické formě.

Na obr. 2 je znázorněna distribuce střihového namáhání v obložení kotoučových brzd, vyrobených způsobem podle vynálezu ve srovnání s namáháním obložení kotoučových brzd, které bylo vyrobeno známým způsobem.

Popis výkresů

Na obr. 1, na němž je schematicky znázorněn způsob VýřoíSý obložení'' Kotoučové ‘brzdy*‘je' použito zařízení 3.0, které je tvořeno elektrickým oscilátorem 11, v němž se vytvářejí elektrické oscilace v rozmezí 18 až 200 kHz, dále obsahuje zařízení 10 generátor ultrazvuku 120 s piezoelektrickým krystalem, převádějícím elektrické oscilace na mechanické oscilace a obráceně zapojený zesilovač 121, který zvyšuje nebo snižuje amplitudu mechanických oscilací k dosažení její požadované distribuce pokud jde o maximální, minimální a uzlové hodnoty oscilace, dále zařízení 10 obsahuje sonotrodu 122 pro přenos maximální energie ultrazvuku na brzdové obložení 150, 151, 152, které je lisováno a vytvrzeno, formu 130 s pohyblivými částmi a dutinou 131“ a ústrojí 140, 141 pro aplikaci požadovaného tlaku ve formě 130 a tím i na základní desku 152 brzdového obložení 150, 151, které je lisováno a tvrzeno.

V tomto případě bylo užito specifického zařízení s elektrickým oscilátorem 1300 P (Branson Sonic Power A/S, Kastrup,Dánsko).

Zesilovač a sonotroda

Přenos energie ultrazvuku ze eonotrody 122 na komplexní materiál závisí na amplitudě a frekvenci ultrazvukových oscilací a na tlaku, při němž jě energie ultrazvuku na tento materiál přenášena.

Avšak aby bylo možno přenášet dostatečné množství energie na počátku lisování bez úplného potlačení oscilací, je nutno volit optimální kombinaci amplitudy ultrazvukových oscilací a použitého tlaku. Je proto vhodné snížit amplitudu oscilací obráceným zapojením zesilovače v případě, že se užije vysokého tlaku při lisování.

V případě materiálu s velmi dobrým,průběhem změn.........

při zahřívání do plastického stavu může být zapotřebí snížit tlak k udržení přeměny ultrazvukové energie na požadovaném stupni.

To znamená, že při navrhování zařízení podle vynálezu pro výrobu určitého specifického produktu se užije tvaru sonotrody 122, který odpovídá tvaru produktu a tím se současně dosáhne maximálního přenosu ultrazvukové energie s požadovanou frekvencí a amplitudou v závislosti na materiálu, který má být lisován a tvrzen a v závislosti na použitém tlaku. Zesilovač 121 je konstruován tak, aby odpovídal požadavkům na sonotrodu 122 při běžném použitém generátoru ultrazvuku 120.

Mimoto pro optimalizaci přenosu energie ultrazvuku na materiály, zvláště složené materiály, obsahující celou řadu složek je možno v průběhu zpracování měnit frekvenci a amplitudu ultrazvuku a současně použitý tlak.

Praktické provedení vynálezu bude osvětleno následujícími příklady.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Výroba obložení kotoučových brzd z materiálu bez obsahu asbestu.

Brzdové obložení z materiálu, který neobsahuje asbest bylo, tak jak je znázorněno na obr. 1, připraveno slisováním frikčního materiálu 150 typu A, jehož složení bude dále uvedeno s podkladovou vrstvou 151 se složením B, obě tyto složky, j.sou..,liso.vány._J;sp.Qle.čně,..se. .základní . deskou,.152... z.. ,Q.c_eli načež se všechny tři vrstvy současně dále zpracovávají při tlaku 15 MPa a energii ultrazvuku 165 kW/kg, tj. 3,3 kW na 20 g komplexního materiálu při použití obráceně zapojeného zesilovače Black 1 : 2,5 Booster (Branson Sonics Power A/S, Kastrup, Dánsko).

A. Složení frikčního materiálu v procentech objemových

Arteficiální anorganická vlákna: 16,2 % novolakofenolové pojivo, tvořící matrici: 14,8 % práškový nitrilový elastomer: 8,2 % baryty: 10,5 % granulovaný elektrodový grafit: 5,5 % hematit: 6,0% muskovitová slída: 16,0 % křemičitan vápenatý: 10,0 % koks: 6,0 % sirník olovnatý: 6,8 %.

B. Složení podkladové vrstvy, podporující adhesi, v % objemových

Novolakofenolové pojivo, tvořící matrici: 25 % prášková nitrilová pryž: 12 % minerální vlákna 4164: 63 %.

g materiálu A a 10 g materiálu pro podkladovou 2 vrstvu B se uloží do dutiny formy s objemem 16 cm v zařízení, znázorněném na obr. 1.

Na dno dutiny 131 formy 130 se uloží základní deska 152 z oceli a na ní se uloží materiál B.-pro podkladovou vrstvu 151 a pak frikční materiál A. Současně se o několik mm oddálí deska 141 ~ustrojí 140 pro zajištění tlaku.

Pak se prostřednictvím základní desky 152 aplikuje tlak. Po dosažení tlaku 13,8 MPa se přivádí ultrazvuk s frekvencí 20 kHz při 3300 W po dobu 6 sekund, načež se vypne. Tlak se udržuje ještě 6 sekund a pak se uvolní. Hotové brzdové obložení se z formy vyjme oddálením desky 141

Pak se brzdové obložení podrobí poyytvrzení obvyklé mu následnému tepelnému zpracování v peci za přístupu vzdu chu 10 hodin při teplotě 160 °C.

Postup je možno práádět také současným použitím ultrazvuku a tlaku při počátečním tlaku 1 MPa za působení ultrazvuku 2 až 3 sekundy, pak se tlak zvýší rovnoměrně na 3 MPa v průběhu 3 až 4 sekund za stálého působení ultrazvuku. Pak se přenos ultrazvukové energie přeruší a ještě 24 sekund se udržuje tlak na 3 MPa za současného chlazení formy.

Srovnání vlastností brzdového obložení

Připravené brzdové obložení bylo srovnáváno s brzdovým obložením, které bylo rovněž připraveno kombinací směsi A, materiálu B s adhesivními vlastnostmi a základní desky z oceli, tyto materiály však byly vytvrzeny známým způsobem působením tepla.

Jeden vzorek B2 byl získán tak, že 17 brzdových obložení po zpracování způsobem podle vynálezu bylo podrobeno střihovému namáhání nad 5 MPa, jak je znázorněno na obr. 2.

Průměrná pevnost těchto sedmnácti brzdových obložení při střihovém namáhání přibližně 6,7 MPa byla v rozmezí 6 áž '7,4 MPa, minimální přijatelná hodnota je 5,0 MPa.

Pro srovnání bylo užito 100 brzdových obložení, vytvrzených působením tepla obvyklým způsobem, všechny tyto vzorky měly průměrnou hodnotu pevnosti při střihovém namáhání 6,0 MPa, avšak podstatně větší rozptyl 4,0 až 8,0 MPa.

Další vzorek Bl, byl získán tak, že 57 brzdových obložení, vyrobených způsobem podle vynálezu bylo podrobeno střihovému namáhání pří hodnotě vyšší než 5,0 MPa, jak je znázorněno na obr. 2.

Všechna tato brzdová obložení měla pevnost při střihovém namáhání přibližně 6,0 MPa, tj. v rozmezí 5,2 až 7,4 MPa, nejnižší přijatelná hodnota je 5,0 MPa.

Je tedy zřejmé, že kromě kratší doby zpracování, která je pouze několik sekund ve srovnání s minutami při běžném vytvrzení teplem má způsob podle vynálezu ještě tu výhodu, že vzniká pevnější výrobek, přičemž rozptyl pevnosti u tohoto výrobku je nižší než u běžných výrobků.

Frikční zkoušky

Bradová obložení, vyrobená způsobem podle vynálezu byla podrobena zkouškám na běžném zařízení, používaném k provádění těchto zkoušek (Allied Signál GmbH, Reinbed, SRN) na němž je možno provádět zkoušky při stálé rychlosti otěru standardním způsobem.

Zkoušky byly prováděny při 660 ot/min a při stálém kroutícím momentu 120 Nm na brzdovém obložení, jaké se užívá na předním kole motocyklů s obsahem 750 ml.

Výsledky pro běžná obložení (zkouška č. 8) a pro obložení, připravené způsobem podle vynálezu (zkouška čr 188) jsou uvedeny v následující -tabulce !.

Tabulka 1

Výsledky frikčních zkoušek

materiál .	8 . .	...... 188
AV/U	0,405	0,441
min u	0,2	0,23
max /U	0,51	0,55
za studená ^u	0,4	0,44
zeslabení ^u	0,2	0,23
opotřebení vzorek 1	D,9	1

opotřebení vzorek 2 feříklad 2

Tvrdé magnetické prvky

Magnety byly vyrobeny z magnetického materiálu s obsahem neodymu a boru v suspenzi v novolakofenolovém pojivu pro tvorbu matrice následujícím způsobem. 100 g drcené slitiny kovů bylo/důkladně promíseno s 10 g pojivá a směs byla uložena do válcové dutiny formy a zpracovávána při tlaku 20 MPa ultrazvukem s frekvencí 20 KHz a při tepelné energii 500 kJ na kilogram materiálu.

Příklad 3

Magnetické jádro z měkkého materiálu

100 g uhlíkového železa se středním průměrem částic 6 až 8 mikrometrů bylo důkladně promíseno s 50 g 30% alkoholového roztoku bisfenylepoxid. Pak byly přidány 2 g anhydridu kyseliny ftalové a směs byla usušena. Vzniklý materiál byl vytvrzen ve formě, v níž byl matriál; zpracováván na požadovaný tvar za současného dostatečného zesítění polymerního pojivá k udržení tvaru v průběhu následného tepelného zpracování po vytvrzení. Materiál byl zpracováván při tlaku 20 MPa za současného působení ultrazvuku s frekvencí 20 kHz při celkové/energii 100 kJ na 1 kg materiálu.

Hotový výrobek byl podroben následnému tepelnému zpracování 20 minut při teplotě 150 °C.

Hotovým výrobkem byl válcový magnet s velmi nízkými ztrátami v důsledku hýsterese.

Příklad 4

Materiál, vyrobený z tkaných skelných vláken

Tkanina ze skelných vláken byla nasycena kapalným polyesterovým polymerním pojivém s obsahem 10 % hmotnostních práškového uhličitanu vápenatého, 1 % benzoylperoxidu a 1 % naftenátu kobaltnatého. Materiál byl tvrzen 5 sekund při tlaku 12 MPa za současného působení ultrazvuku s frekvencí 2O?kHz při celkové energii 50 kJ na kg materiálu.

Příklad 5

Elektrická izolace odolná proti působení tepla

Směs 70 % amorfního oxidu křemičitého a 30 % silikonového polymerního pojivá byla uložena do formy pro výrobu izolátorů a zpracovávána při tlaku 20 MPa za současného působení ultrazvuku s frekvencí 20 kHz při celkové použité energii 1000 kJ na kg materiálu.

Příklad 6

Komutátor

Komutátor elektrického motoru se zevním průměrem 20 mm, výškou 24 mm a vnitřním otvorem s průměrem 10 mm byl připraven z 13 g směsi, obsahující 30 % hmotnostních fenolové pryskyřice jako pojivá a 70 % hmotnostních plniva, tvořeného směsí skelných vláken a oxidu křemičitého.

Směs byla přenesena do formy s vnitřním průměrem 20 mm ve formě prášku a byla uložena do měděného prstence komutátoru. Pak byl komutátor lisován tlakem 16 MPa a sou22 časně vystaven působení ultrazvuku s frekvencí 20 kHz na dobu 7 sekund. Pak byl komutátor ponechán 25 sekund ve formě ke zchlazení, načež by. podroben následnému tepelnému zpracování 8 hodin při teplotě 180 °C.

Komutátory, získané tímto způsobem neměly žádnou vnitřní porozitu a zkoušky prokázaly, že expanse materiálu při rozdrcení je 60 mikrometrů a mez pevnosti v tlaku 210aáž 400; kg při průměru 301„kg.c

Pevnost v tlaku byla podstatně zlepšena ve srovnání s komutátory, získanými běžným způsobem. V axiálním směru byla síla, působící v podélném směru pro tři komutátorové trubice 7500, v radiálním směru 454, 504 a 468 kg při rozdrcení .

Je možno předpokládat, že podstatně zlepšené fyzikální vlastnosti jsou způsobeny zlepšení orientace vláken v složeném materiálu v důsledku použití ultrazvuku.

Při běžných postupech se lisuje materiál, předem zpracovaný do určitého tvaru nebo materiál, ukládaný do dutiny formy. V průběhu tohoto uložení mají vláknité materiály, užité pro zpevnění tendenci orientovat se podélně a rovnoběžně s osou. To snižuje celkovou pevnost výsledného výrobku. V případě, že obdobné výrobky jsou zpracovávány při použití ultrazvuku, získá se výrobek, v němž nedochází do tak značné míry k přednostní orientaci vláken v axiálním směru. Vzhledem k tomu, že větší počet vláken je orientován tangenciálně nebo rovnoběžně s obvodem, je možno dosáhnout rovnoměrnějších a lepších výsledků při zkouškách na pevnost produktu. Testy na pevnost v tlaku v podélném i radiálním směru jsou zlepšené a rozptyl získaných výsledků je menší než u výrobků, získaných známým způsobem.

Příklad 7

Kartáček komutátoru

Kontaktní kartáček pro použití v elektrických moto2 rech s velkou 22 mm a příčným průřezem 1 cm byl vyroben z materiálu s následujícím složením v % objemových:

granulovaná elektroda z grafitu 0-0,5 mm 30 % práškový grafit Lonza KS6 15 % vodivá čerň Ketjen EC 7 % práškový bronz 90/10 3 % fenolová pryskyřice J1311H 32 % uhlíková vlákna Sigrafil SF01MNT 4 % novolaková vlákna Kynol KFO2O3 3 % novolaková vlákna Kynol KFO5BT 3 % práškový sirník mědný 3 % .

Materiál se naplní do formy s délkou v řezu 25 mm a výškou 10 mm, konečné rozměry jsou 25 x 10 x 10 mm.

Pístem se aplikuje tlak 10 MPa. Současně se užije ultrazvuk po dobu 2,3 sekundy a pak se tlak udržuje ještě 3 sekundy před vyjmutím kartáčku z formy.

Výsledný produkt měl měrný odpor 0,128 Ohm.cm.

Zastupuje:

Oř. ZDENKA KORtJZOVÁ

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1.Způsob výroby produktů z komplexního materiálu, při němž se

a) připraví komplexní materiál, tvořený směsí

i) vytvrditelného pojivá, tvořícího matjrici, ii) alespoň jednoho částicového materiálu a iii) popřípadě dalších přísad,

b) vytvoří se nevytvrzený produkt tvářením a zhuštěním materiálu na požadovaný tvar,

c) produkt se vyrobí vytvrzením tvrditelného pojivá v matrici tohoto nevytvrzeného produktu a

d) popřípadě se matrice produktu, získaného ve stupni c) podrobí následnému tepelnému zpracování, vyznačující se tím, že množství pojivá, které je vytvrditelné a tvoří matrici, se pohybuje v rozmezí 5 až 50, s výhodou 15 až 45 a zvláště 20 až 35 % objemových zhuštěného materiálu v nevytvrzeném produktu a tvorba nevytvrzeného produktu ve stupni b) a jeho vytvrzení ve stupni c) se provádí postupem, tvořeným

i) zhušřovací a zahřívací fází, v níž je materiál současně vystaven působení tlaku a ultrazvukové energie, použitý tlak je vyšší než vnitřní tlak par a amplituda ultrazvukových vln se volí tak, aby byly překonány vnitřní třecí síly, požadovaného zhuštění se dosahuje současným působením tlaku a vzájemného pohybu mezi částicemi, rovnoměrné vnitřní zahřátí je uskutečněno v podstatě třením mezi jednotlivými částicemi, ii) iii) a dostatečné množství energie ultrazvuku se mění na tepelnou energii za vzniku soudržné nevytvrzené matrice s teplotou, při níž je pojivo připraveno k vytvrzení, následnou počáteční vytvrzovací fází, v níž je pojivo vytvrzeno na požadovaný stupeň současným použitím tlaku a energie ultrazvuku a popřípadě konsolidační fází, při níž se pojivo vytvrdí do požadovaného stupně pouze působením tlaku, přičemž se nevytvrzený produkt vytvrdí na stupeň, zajištující bezpečné zacházení a tvarovou stálost produktu.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující setím, že se tlak udržuje na konstantní hodnotě v rozmezí 1 až 20, s výhodou 6 až 12 a zvláště 7 až 10 MPa.
3. Způsob podle nároků la2, vyznačuj ící se tím, že celková energie ultrazvuku na jednotku hmotnosti komplexního materiálu při použití tlaku je v rozmezí 33 až 16500, s výhodou 50 až 5000 a zvláště 100 až 800 kJ/kg
4. Způsob podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že se užije ultrazvukové energie v rozmezí 33 až 660, s výhodou 50 až 400 a zvláště 66 až 165 kW/kg.
5. Způsob podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že se užije ultrazvuku s frekvencí nad 18 kHz, s výhodou v rozmezí 18 až 40 a zvláště 20 RHz.
6. Způsob podle nároků 1 až 5,vyznačující se tím, že se výrobek podrobí dalšímu tepelnému zpracování .
7. Způsob podle nároků laž 6, vyzná ču j ící se tím, že výrobek obsahuje ještě alespoň jeden podkladový materiál.
8. Způsob podle nárokůl až 7, vyznačující se tím, že částicový materiál obsahuje ještě materiál pro zpevnění, >který se volí ze skupiny anorganických materiálů včetně uhličitanu vápenatého, oxidů kovů, barytu, oxidu křemičitého, například písku, dále jílu, skleněných kuliček, grafitu, uhlíkové černi nebo práškového koksu, uměle vyrobená vlákna, odolná proti působení tepla, například anorganická vlákna, vlákna z aromatického polyamidu, novolaková vlákna, skelná vlákna, minerální vlnu, uhlíková vlákna, železnou houbu, dendritiokou měá a drcené magnetické železo ve formě slitiny s neodymem a borem, minerální materiály, odolné proti působení tepla s prodlouženou krystalovou formou a poměrem větším než 3, například wollastonit, attapulgit nebo sepiolit a krystalické materiály slídovité formy, odolné proti působení tepla, například muskovit, flogopit, lepidolit, biotit a slídový hematit.
9. Způsob podle nároků laž 8, vyznačuj ící se tím, že se jako částicový materiál užije elektricky vodivý materiál ze skupiny grafitovaná uhlíková vlákna, vodivá plniva včetně vodivé uhlíkové černi, vodivé polymery včetně polyethylenoxidu nebo elektronicky vodivé polymery včetně polyacetylenu.
10. Způsob podle nárokůj.l až 9, vyznačující se tím, že matricí je tvrdý netavitelný vytvrzený polymer, získaný vytvrzením tvrditelného pojivá, tvořícího matrici působením tepla.
11. Způsob podle nároků 1 až 10, vyznačující setím, že se pojivo pro tvorbu matrice volí ze skupiny polymerů, vytvrditelných teplem, kondenzačního typu, například kondenzačních polymerů formaldehydu s fenolem, močovinou, melaninem nebo resorcino-lem, diallylftalátu a diallylisoftalátu, polyesterových pryskyřic, včetně nenasycených polyesterů adičního typu a kondenzačních pryskyřic, získaných reakcí polyolů a multifunkčních karboxylových kyselin, například kyseliny adipové nebo tereftalové, vinylesterů, epoxidové polymery, například diglycidylether bisfenolu A, epoxy-novolakové pryskyřice, získané reakcí epichlorhydrinu a fenolonovolakové pryskyřice, vytvrzené běžným přidáním aminů nebo anhydridů, polyamidimidové polymery, polyimidové polymery, polyurethany, včetně polymeračních produktů polyolů a diisokyanátů, například trimethylolpropan a toluendiisokyanát a silikonové polymery, odolné proti působení tepla včetně fenylmethyl- nebo methylhydroxyfunkčních silanolových produktů, které se uvádějí do reakce s fenolovými pryskyřicemi, epoxidovými pryskyřicemi, polyesterovými prysl^řicemi a dalšími materiály typu pryskyřic s obsahem hydroxplových skupin
12. Způsob podle nároků laž 11, vyznačující se tím, že výrobkem je obložení kotoučových brzd, tvořené vrstvou frikčního mate riálu, podkladovou vrstvou, podporující adhesi a základní deskou z oceli, elektricky vodivý materiál nebo komutátorový kartáček s obsahem elektricky vodivého materiálu.
13. Výrobek z komplexního materiálu, tvořený matricí, alespoň jedním částicovým materiálem a popřípadě dalšími přísadami, vyrobený způsobem podle - nároků 1 až 11.
14. Zařízení k provádění způsobu podle vynálezu, tvořené

a) elektrickým oscilátorem, bj generátorem ultrazvuku,

c) systémem pro přenos ultrazvukové energie, tvořeným zersilovačem a sonotrodou,

d) uzavřenou formou a

e) ústrojím pro zajištění tlaku, vyznačující se tím, že zesilovačem ultrazvuku je obráceně zapojený zesilovač amplitudy ultrazvuku.