DD224641B1 - Verfahren zur herstellung von reibwerkstoffen - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Reibwerkstoffen fur zum Beispiel Reibklotze fur Pressen, Stanzen, Scheren, Bremsklotze fur Scheibenbremsen fur Kraftfahrzeuge und Schienenfahrzeuge, fur Tromrnelbremsbelage als Bremsband oder formgepreßter Trommelbremsbelag oder aber fur Kupplungsbelage auf textiler Grundlage, mit überwiegend Kautschuk als Bindemittel, wobei als Kautschuk-Typen vorzugsweise Styrol-Butadien-Copolymere, Nitril-Butadien-Copolymere, Polybutadiene und Naturkautschuk vorgesehen sind

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Der überwiegende Teil der bekannten Reibwerkstoffe enthalt Asbest Diese Reibwerkstoffe bilden den Stand der Technik und genügen hinsichtlich ihrer mechanischen und reibtechnischen Eigenschaften unterschiedlich gut den differenzierten Einsatzbedingungen Neben Asbest enthalten sie Bindemittel, zum Beispiel Kautschuk und/oder warmehartbares Harz, Füllstoffe sowie auf Reibung und Verschleiß wirkende Modifikatorsn in einer Vielzahl von Kombinationen Es ist weiterhin bekannt, an Stelle von Asbest als Verstärkungsmittel neben Metallen in Form von Fasern auch Kohlenstoffasern, Keramikfasern, Polymerfasern und Glasfasern zu verwenden Glasfasern zeichnen sich neben einer guten Verfügbarkeit, vertretbaren Preis und eines technologischen Verhaltens, welches nicht den Ein- völlig neuer Misch und Verarbeitungsprinzipien erfordert, durch eine ausreichend gute thermische Beständigkeit aus Die Verwendung von Glasfasern in Reibmatenal ist unter anderem beschrieben in DD-AP 138 075,138 076, DE-OS 1 905118,1 905 119,2 014 540,2 150 845,2 231 101,2 323 997,2 833 289, US-PS 4 137 214 Die gesundheitsgefahrdende Wirkung des Asbestes wurde nachgewiesen und es entspricht dem Wissensstand, daß durch lungengangigen Staub insbesondere die Ausbildung von Krankheiten wie Asbestose, Tumore der Lunge, des Rippen- und Bauchfelles beim Umgang des Menschen mit Asbest oder asbesthaltigen Matenalien auftreten können Weltweit entstanden aus diesem Grunde staatliche Forderungen und technische Vorschriften, welche die Verwendung von Asbest einschränken oder verbieten Diesen Bestrebungen entgegen stehen vor allem auf dem Gebiet der Reibwerkstoffertigung die universelle Eignung des Asbestes, dessen vergleichsweise geringer Preis und ein bisher fehlender allgemeingültiger Nachweis fur entsprechende Alternativen Die Eignung von Glasfasern an Stelle von Asbest ist unter anderem durch die oben aufgeführten Erfindungsbeschreibungen nachgewiesen, und zwar fur spezielle Anwendungsfalle Neben bekannten Eigenschaften, die den Reibvorgang direkt betreffen, wie Gleit- und Haftreibwert, geringer Reibwerkstoff- und Gegenmaterialverschleiß, werden an den Reibwerkstoff spezielle Forderungen gestellt, die sich aus dem Verwendungszweck, etwa zur Verarbeitung zu Reibklotzen, Bremsbelage fur Trommelbremsen oder Kupplungsbelage ergeben Fur Reibklotze zur Verwendung in Pressen, Stanzen, Scheren ist beispielsweise eine große Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Einwirkungen erforderlich So treten an den Abstutzflachen solcher Reibklotze schlagartig einsetzende Druckbelastungen bis zu 10 MPa auf, wobei zur verschleißbedingten Auswechslung der Reibklotze mehrere Millionen Schaltspiele gefordert werden Die bekannten Reibmatenalien auf der Basis von Glasfasern als Veistarkungsmittel weisen diese komplexen Wert an Harte, Elastizität, Zähigkeit und Weiterreißwiderstand nicht aus Trommelbremsbelage aus Bremsband oder als formgepreßtes Erzeugnis fur Kraftfahrzeug und Industriebremsen erfordern Eigenschaften, die die Funktionssicherheit der Bremse als Sicherheitselement bestimmen Durch ausreichende Materialfestigkeit ist zu garantieren, daß das Bremsband oder der Bremsbelag auch bei zeitweiser Überlastung nicht zerstört wird Der Widerstand gegen Rißbildung muß so groß sein, daß ein vorzeitiges Auswechseln des Reibmatenals vor der naturlichen Belagverschleißgrenze vermieden wird Bremsband soll eine große Flexibilität aufweisen, um den verschiedenen Einsatzbedingungen (Reibdurchmesser, Umschlingungswinkel) zu genügen Die mechanische Festigkeit muß bei allen Einsatzbedingungen und über die gesamte Einsatzzeit gewahrleistet sein Die Gleit und Haftreibwerte müssen den allgemeinen Anforderungen eines auf mittlere Beanspruchungshohe

ausgelegten Reibmatenals entsprechen Als mittlere Beanspruchungshohe sollen Parameter gelten, wie sie zum Beispiel in Pkw- und Kleintransportertrommelbremsen, Zweiradtrommelbremsen und im überwiegenden Teil der Industnebremsen einschließlich solcher in Hebezeugen verwendet werden Sie sollen charakterisiert werden mit Bremsanfangstemperatur bis 250°C, kurzzeitig bis 350°C, spezifische Flachenpressung bis 1,5 MPa und Gleitgeschwndigkeiten zu Bremsbeginn bis 15 m/s Unter diesen Bedingungen sollen Reibwerkstoff- und Gegenmaterialverschleißwerte annähernd in der Größenordnung der bisherigen lasbesthaltigen Materialien liegen Die gegenwartig bekanrten Reibwerksioffe mit Glasfasern als Verstärkungsmittel konnten die Summe der geforderten Eigenschaften, die an Bremsbander und formgepreßte Belage gestellt werden, nicht in erstrebter Weise erfüllen Als eine der wesentlichsten Ursachen wurde die solchen Erzeugnissen anhaftende große Harte und Steifigkeit erkannt Auf die den Glasfasern anhaftende abrasive Wirkung wird in den eingangs genannten Erfindungsbeschreibungen hingewiesen Durch die Verwendung von Harz als Bindemittel wird diese Erscheinung keinesfalls abgeschwächt, eher verstärkt Die faserverstärkten Harzerzeugnisse anhaftende Steifigkeit stellt sich in der Anpassung an die verschiedensten Anwendungsfallle im Bereich leichter bis mittlerer Belastungsfalle entgegen, sodaß durch geringe Rezepturvarianten kaum spurbare Eigenschaftsveranderungen bemerkbar werden, wodurch die Anwendungsbreite harzgebundener Reibwerkstoffe allgemein sehr eng ist Von Kupplungsringen wird gefordert, daß sie neben den den Reibvorgang direkt betreffenden Eigenschaften besondere Widerstandsfah gkeit gegenüber Fliehkräften, das heißt, eine ausreichend hohe Drehzahlfestigkeit auch bei Temperaturbelasttng sowie eine Mmdestflexibilitat fur den Einsatz auf axial gefederten Mitnehmerscheiben ausweisen sollen Um den hohen Anforderungen zu entsprechen, werden in Cen genannten Reibungskupplungen bevorzugt scheibenförmige Reibbelage im aufgenieteten, aufgeklebten oder aufgepreßtem Zustand eingesetzt Die zum Teil auf der Grundlage von Sahuttmassen zumeis· mit Armierungsanteilen in Form von Kurzfasern fur geringere spezifische Beanspruchung oder als textiles bzw lhalbtextiles Material mit Armierungsteilen in Form von Geweben, Zwirnen, Garnen, Rovings oder anderen in spiralgewickelter Form oder wildgewickelter Form (scatter wound) und gewebeartig odei ahnlicher Ausfuhrung fur hohe spezifische Belastungen enthalten zumeist Asbest Da jedoch die Forderungen nach asbestfreien Produkten immer zwingender werden, und diese Forderungen deshalb und auch wegen der objektiv vorhandenen Gesundheitsgefahrdung nicht mehr ignoriert werden können, ist die Suche nach geeigneten Losungen dringend erforderlich Dabei ist davon auszugehen, daß die bekannten technischen Losungen entweder die geforderten Reibeigenschaften nicht aufweisen oder die verwendeten, den Asbest ersetzenden Fasern als Verstärkungsmittel das Endprodukt wesentlich verteuern

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung asbestfreien Reibwerkstoffes zu schaffen, dessen Materialkosten in vertretbaren Grenzen liegt und dessen Eigenschaften den herkömmlichen Reibmatenalien nicht nachstehen,

Darlegung des Wesens der Erfindung ·

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von asbestfreien Reibwerkstoffen zu schaffen, welches geeignet ist zur Herstellung von Reibklotzen mit großer Harte, hoher Elastizität, Zähigkeit und Weiterreißfestigkeit, zur Herstellung von Bremsband und formgepreßten Trommelbremsbelage mit großer Harte und Elastizität und genugenden Widerstand gegen Rißbildung und zur Herstellung von Kupplungsbelagen mit hoher Drehzahlfestigkeit und guter Flexibilität, wobei fur alle Anwendfungsfalle des Verfahrens das Reibverhalten sowie der Reibbelag- und Gegenmaterialverschleiß bezogen auf die bekannter Reibwerkstoffe mit Glasbestandteilen als Verstärkungsmittel verbessert werden soll und das bisherige Qualitatsmveau garantiert werden soll Die Aufgabe wird dadurch gelost, daß der als Bindemittel wirkende Kautschuk, durch vorzugsweise Glasfasern und üblichen reib- und verschleißbeeinflussenden Stoffen verstärkt, zu einer Mischung verarbeitet oder als Bestandteil eines strangformigen Gebildes oder Gewebestreifens nach entsprechender Vorformung im Semi Ebonit Bereich vulkanisiert wird Allgemein werden bei der Vulkanisation von Kautschukmischungen mit Schwefel als Vulkanisationsmittel zwei Konzentrationsbereiche angewendet, in denen die verschiedenen erforderlichen Werkstoffeigenschaften der Vulkanisate gezielt beeinflußt werden Gemeint sind der Bereich Weichgummi mit bis 5% Schwefel auf Kautschuk und der Hartgummibereich mit nr ehr als 25% Schwefel auf Kautschuk Vulkanisate mit Schwefelanteden zwischen 5 und 25<3ew ·% auf Kautschuk;, sogenannte „Semi Ebonite", gelten als minderwertig und werden nicht zur Anwendung empfohlen In der Fachliteratur ist auf diese Tatsache hingewiesen, zum Beispiel in „Roh- und Hilfsstoffe der Gummiindustrie" VEB Deutscher Verlag fur Grundstaffindustrie Leipzig 1968, Seite 177, oder auch Heinisch, „Kautschuk-Lexikon" A W Gentner Verlag Stuttgart 1977, Seite 230 Obwohl also die kautschukverarbeitende Industrie eine Vulkanisation im Semi-Ebonit Bereich allgemein ablehnt, ist im vorliegenden Falle die Eignung unter Beachtung nachfolgender Hinweise zur Losung der Aufgabenstellung nachweisbar Der Anteil des Schwefels bezogen auf den Kautschuk soll erfindungsgemaß zwischen 17-22 Gew % eingestellt werden Bei Unterschreitung ve η 17 Gew ·% Schwefel auf Kautschuk nimmt allgemein die Festigkeit des geformten Korpers soweit ab, daß eine Verwendung desselben fur den Anwendungszweck nicht mehr ratsam ist, obwohl die Anwendung fur leichte Anwendungsfalle noch möglich sein kann Ein Überschreiten von 22 Gew % Schwefel auf Kautschuk wiederum erhöht zwar die Festigkeit, hat aber den Nachteil hinsichtlich anderer wichtiger Eigenschaften, zum Beispiel des Belagverschleißes Der Bereich von 17 bis 22 Gew % Schwefel auf Kautschuk, also innerhalb des Semi-Ebonit Bereiches, stellt somit den gunstigsten Bereich fur die vorgesehenen Anwendungsfal e dar

Fur die Herstellung von Reibwerkstoffmischungen zur erfindungsgemaßen Weiterverarbeitung zu Reibklotze fur Pressen, Scheren, Stanzen, Reibklotze fur Scheibenbremsbelage fur Kraftfahrzeuge und Schienenfahrzeuge sowie Trommelbremsbelage oder Bremsband hat es sich als vorteilhaft erwiesen, hochdisperse Füllstoffe, wie SiOj, AI₂O₃, AVSiO₃ oder Ca/SiO₂ in die Mischung einzubringen Die Verwendung hochdisperser Füllstoffe als Verstärkungsmittel in Kautschukmischungen ist üblich In der kautschukverarbeitenden Industrie werden solche m ähnlicher Weise eingesetzt wie aktive und halbaktive Ruße Die vorgenannten hochdispersen Füllstoffe rufen in Verbindung mit Glasfaser, die in Kautschukmischungen mit Vulkanisation inn Semi-Ebonit-Berei3h abgemischt und so vulkanisiert werden, fur die Anwendung als Reibmatenal eine gute thermische Beständigkeit desselben hervo· Ruße haben in diesem Falle nicht die erwarteten Ergebnisse gebracht Daraus ergibt sich, daß die Verwendung von Rohstoffen entsprechend den allgemeinen Wissensstand nicht zwangsläufig auch fur den vorgesehenen Verwendungszweck geeignete

Produkte ergibt Desweiteren werden trotz Verwendung hochdisperser Füllstoffe bei Verwendung in Vulkanisaten im Weichgummi- und Hartgummibereich, also außerhalb des Semi-Ebonit-Bereiches, nicht die komplexen Eigenschaften erreicht wie bei Anwendung des erfindungsgemaßen Verfahrens Es ist auch möglich, an Stelle von Glasfasern qualitativ und in ihrem allgemeinen Verhalten bessere und dementsprechend teurere Fasern, wie zum Beispiel Stahlfasern oder Mischungen von Stahlfasern mit anderen Fasern zu verwenden, obwohl das vorgeschlagene Verfahren primär die Verwendung von Glasfasern fordern soll Auch die Verwendung anderer mineralischer nichtasbestoser Fasern ist möglich

Zweckmaßigerweise werden dabei Kurzfasern, wie Stapelfasern, mill-Fasern, Kurzschnitte und dergleichen in geeigneten Knetmischgeraten mit Kautschuk in fester, gelöster oder dispergierter Form mit den oben genannten hochdispersen Füllstoffen sowie Vulkanisationsmittel und -Hilfsmitteln vermischt, gegebenenfalls durch Kaltpressen vorgeformt und durch Heißpressen zu Belagen verarbeitet oder kalt oder warm gewalzt und verdichtet und so in Bandform vulkanisiert Als Variantengrenzen der Reibbelagbestandteile fur das vorgeschlagene Verfahren wurden ermittelt 15 bis 60 VoI -% Kautschukbindemittel

3 bis 50 VoI -% Glasfasern (Stahlfasern oder ein Gemisch)

3 bis 50 VoI -% hochdisperser anorganischer Füllstoff

1 bis 50 VoI -% sonstige Füllstoffe, Reibung und Verschleiß beeinflussende Zusätze und Schwefel, letzteres in einer Menge von mehr als 5 Gew -% und weniger als 25 Gew -% bezogen auf den Kautschukanteil Dieses Verfahren kann in beschriebener Weise auch bei der Herstellung von Kupplungsringen angewendet werden, soweit es sich um sogenannte „fasergepreßte" Kupplungsringe handelt, also solche, die aus einer Schuttmasse hergestellt werden Der Erfindungsgedanke schließt jedoch die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens fur spiralgewickelte und wildgewickelte (scatter wound) Kupplungsringe nicht aus Zweckmäßiger Weise werden dabei fadenförmige Gebilde, wie Garne, Zwirne, Seiden, Rovings oder Strange aus Glas mit einer Matrix aus beispielsweise fullstoffhaltigem Kautschuk versehen, die Schwefelanteile zwischen 5 und 25 Gew -%, bevorzugt 10 bis 20 Gew % auf Kautschuk berechnet, enthalt Dabei kann erforderlichenfalls ein üblicher Vulkanisationsbeschleuniger zugesetzt werden Die Verwendung hochdisperser anorganischer Füllstoffe ist auch hier zu empfehlen, jedoch nicht immer erforderlich, da die notwendige Festigkeit bereits durch die Armierung realisiert wird Selbstverständlich tonnen an Stelle von Glasfasern auch Mineralfasern, wie 2um Beispiel Basalt- oder Keramikfasern oder Fasergemische hieraus oder mit Glas gute Ergebnisse zeigen, obwohl das erfindungsgemaße Verfahren primär auf die Verwendung von Glas ausgerichtet ist Der Faseranteil kann im Falle der Herstellung solcher gewickelter Ringe bis 95 Gew -% betragen Das vorgeschlagene Verfahren ist auch anwendbar fur die inzwischen veraltete, aber teilweise noch angewendete Methode zur Herstellung textiler Kupplungsringe durch Verwendung von Gewebestrerfen In diesem Falle wird ein Glasgewebe mit einer Kautschukmatrix, ähnlich der, wie sie fur die Herstellung gewickelter Ringe vorgeschlagen wurde, versehen, das Gewebe in Diagonalstreifen geschnitten und diese in gewohnter Weise zu Kupplungsringen geformt

Ausfuhrungsbeispiele

Die nachfolgend ausgewählten Beispiele sollen Hinweise fur die Herstellung von Reibmatenal mit guten anwendungstechnischen Kenndaten geben

Beispiel 1 40 VoI % Acrylnitril-Butadien-Kautschuk

20 VoI % E-Glasfasern

15 VoI % hochdisperser anorganischer Füllstoff

15 VoI % andere übliche Füllstoffe

5 VoI % Reibmodifikator

5 VoI-%Verschleißmodifikator dazu ein Vulkanisationssystem, bestehend aus

19 Gew-% Schwefel auf Kautschuk 3 Gew % ZnO auf Kautschuk

1,5 Gew -% Stearinsaure auf Kautschuk

1 Gew -% Beschleuniger auf Kautschuk

werden in einem Innenmischer homogenisiert und nachfolgend mittels einer Reißmuhle zerkleinert Diese Mischung kann in bekannter Weise über die Verfahrensschritte Vorformen und Heißpressen zu Reibbelagen fur Scheibenbremsbelage und Brems bzw Reibklotze fur Pressen, Scheren, Stanzen verarbeitet werden Eine drucklose thermische Nachbehandlung ist zu empfehlen

Beispiel 2 35 VoI -% Nitrilkautschuk 30VoI % E-Glasfasern 10 VoI -% hochdisperser anorganischer Füllstoff

20 VoI -% andere organische Füllstoffe

5 VoI -% Verarbeitungs und Konfektionshilfsmtttel 18 Gew % Schwefel auf Kautschuk werden in einem Innenmischer homognisiert und

a) mittels eines 3·Walzenkalanders zu einem endlosen Fell entsprechender Dicke gezogen, dieses Fell in Streifen definierter Breite und Lange geschnitten und diese Streifen drucklos vulkanisiert Es entsteht ein Bremsband mit den in der Aufgabe der Erfindung geforderten Eigenschaften, das gut spanabhebend bearbeitet werden kann

b) mittels eines 3-Walzenkalanders zu einem Fell entsprechender Dicke geformt, dieses Fell zu rechteckigen Abschnitten definierter Lange und Breite zerteilt und diese Abschnitte unter Druck und Hitze zu einem Trommelbremsbelag verarbeitet

Beispiel 3 250 Teile (Trockenmasse) Nitr IButadienkautschuk in Latexform

50 Teile (Trockenmasse) Schwefel

werden mit Verdickungsmittel und Stabilisatoren, wie ζ B Verdicker AN und Stabilisator 1216 des VEB Kombinates BUNA-Werke in an sich bekannter Weise vermischt und bildet so die Imprägnierung fur fadenförmiges Ε-Glas (z B als Seiden- oder Faserzwirn), welches derart durch das Imprägniermittel gefuhrt wird, daß 30 Gew -% Festanteile des Bindemittels (Kautschuk/Schwefelgerr isch) mit 70 Gew ·% Glasfasern nach Trocknung vorliegen Hierzu sind folgende Varianten möglich

a) Das fadenförmige Gebilde besteht aus A oder E-Glas

b) Das fadenfomige Gebilde besteht aus Mischgarn Glasfaserorganische Fasern ζ B Viskosefaser, wobei das Verhältnis zwischen Glasfaser und organischer Faser 99 1 bis 50 50 bezogen auf das Gewicht betragen kann

c) Das fadenförmige Gebilde besteht aus einem Mischgarn aus Glasfasern, Mineralfasern und organischen Fasern, wobei das Verhältnis Gldsfasern zu Mineralfasern von 99 1 bis 50 50 und das Verhältnis anorganische Fasern zu organische Fasern 99 1 bis 50 50 jeweils Gew % betragen kann Als Mineralfasern seien hier Basaltfasern vorgeschlagen

d) Der oben genannten Impragnierlosung werden an sich bekannte Reibstoffe und/oder Reibmodifikatoren, wie Erdalkalisulfate oder oxide und/oder disperse silikatische Füllstoffe und/oder Ruße, Grafit, Hartstoffe und dergleichen zugesetzt, wobei das Verhältnis Kautschuk-Trockenmasse zu Füllstoff Anteil von 99 1 bis 40 60 betragen kann

Das so behandelte fadenförmige Gebilde wrd nach den bekannten Verfahren zu einem scheibenförmigen Rohling gewickelt und dieser Rohling unter Druck und Hitze geformt und vulkanisiert

Beispiel 4 35VoI Teile Acrylnitril-Butadienkautschuk 3 VoI Teile Schwefel

50 VoI -Teile E-Glasstapelfaser

10 VoI -Teile hochdisperse anorganische Füllstoffe

zuzüglich Vulkanisationsbeschleuniger

werden in einem Innenmischer, Luftwirbelmischer oder Kneter homogenisiert und nachfolgend zerkleinert, daraus scheibenförmige Korper geformt und diese nachfolgend unter Druck und Hit2e vulkanisiert und erforderlichenfalls nachgehartet Die so erhaltenen Preßlinge tonnen auch wie die nach Beispiel 4 durch Schleifen, Bohren, Senken zu Kupplungsringen bearbeitet werden

Claims (5)

1 Verfahren zur Herstellung von Reibwerkstoffen mit vorzugsweise Glas als Verstärkungsmittel und Kautschuk der Typen Styrol-Butadien-Copolymere, Nitril-Butadien-Copolymere, Polybutadiene und Naturkautschuk als Bindemittel fur die Herstellung von Reibklotze fur Pressen, Stanzen, Scheren, Bremsklötze fur Scheibenbremsbelage fur Kraftfahrzeuge und Schienenfahrzeuge, fur Trommelbremsbelage als Bremsband oder formgepreßte Trommelbremsbelage oder aber fur Kupplungsbelage auf textiler Grundlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibwerkstoff im Semi-Ebonitbereich, also mit mehr als 5 Gew -% und weniger als 25 Gew -% Schwefel auf den im Reibwerkstoff enthaltenen Kautschuk bezogen vulkanisiert wird

2 Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Reibwerkstoff ein anorganischer hochdisperser Füllstoff, wie SiO₂, AI₂O₃, AI/SiO₂, oder Ca/SiO₂ in einer Menge von 3 bis 50 VoI -% eingemischt wurde

3 Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vulkanisation im Semi-Ebonitbereich erfolgt, nachdem ein fadenförmiges Gebilde wie Garn, Zwirn, Seide, Roving oder Strang aus Glas mit einer Matrix versehen und spiralförmig oder nach dem scatter-wound-Verfahren zu einem ringförmigen Gebilde vorgeformt wird

4 Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle von Glas oder in Mischung mit Glas Stahlfasern oder mineralische Fasern verwendet werden

5 Verfahren nach Punkt 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle von Glas oder in Mischung mit Glas Mineralfasern und/oder organische Fasern verwendet werden