DE102012219303A1 - Friction and/or sliding liner, useful in brake disc, comprises plastic matrix containing graphite as filler, where the matrix in addition to the graphite comprises nanofiller and the graphite is combined with the nanofiller as microfiller - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Reib- und/oder Gleitbelag mit einer Kunststoffmatrix, die als Füllstoff Graphit enthält. Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung von Graphit in einem Reib- und/oder Gleitbelag. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Bremsscheibe mit einem Reib- und/oder Gleitbelag. The invention relates to a friction and / or sliding coating with a plastic matrix containing graphite as filler. The invention further relates to the use of graphite in a friction and / or sliding coating. The invention further relates to a brake disc with a friction and / or sliding coating.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Aufgabe der Erfindung ist es, die Verschleißfestigkeit von Reib- und/oder Gleitbelägen mit einer Kunststoffmatrix, die als Füllstoff Graphit enthält, zu erhöhen, ohne die mechanische Festigkeit in unerwünschter Weise zu beeinträchtigen. The object of the invention is to increase the wear resistance of friction and / or sliding coatings with a plastic matrix containing graphite as a filler without undesirably impairing the mechanical strength.
Die Aufgabe ist bei einem Reib- und/oder Gleitbelag mit einer Kunststoffmatrix, die als Füllstoff Graphit enthält, dadurch gelöst, dass die Kunststoffmatrix zusätzlich zu dem Graphit mindestens einen Nanofüllstoff enthält. Bei den Reib- und/oder Gleitbelägen handelt es sich vorzugsweise um technische Reib- und/oder Gleitbeläge für verschiedenste Anwendungen im allgemeinen Maschinenbau, für die Landwirtschaft, Medizin-, Sicherheits- oder Sanitärtechnik. Die Erfindung betrifft insbesondere Bremsbeläge und/oder Kupplungsbeläge für die Automobilindustrie. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Reib- und/oder Gleitbeläge für Windkraftbremsen verwendet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Kombination von Nanofüllstoffen mit Graphit in der Kunststoffmatrix einen Synergieeffekt bewirkt, durch den sowohl die tribologischen als auch die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Reib- und/oder Gleitbelägen verbessert werden. Als Nanofüllstoffe werden Partikel bezeichnet, deren Größenordnung im Nanometerbereich liegt. Die Partikel umfassen vorzugsweise eine durchschnittliche Korngröße, die größer als zehn Nanometer ist. Gleichzeitig weisen die Partikel vorzugsweise in mindestens einer Richtung eine Größe von weniger als hundert Nanometer auf. Die Partikel können verschiedene Geometrien aufweisen. So können die Partikel die Gestalt von Kugeln, Nadeln, Kristallen oder Röhrchen aufweisen. Die ausgehärtete Kunststoffmatrix mit den Füllstoffen wird auch als Komposit oder Verbundmaterial bezeichnet. The object is achieved in a friction and / or sliding coating with a plastic matrix containing graphite as a filler in that the plastic matrix contains at least one nanofiller in addition to the graphite. The friction and / or sliding linings are preferably technical friction and / or sliding linings for various applications in general mechanical engineering, agriculture, medical, safety or sanitary engineering. The invention particularly relates to brake linings and / or clutch linings for the automotive industry. According to a further aspect of the invention, the friction and / or sliding linings are used for wind power brakes. In the context of the present invention, it has surprisingly been found that the combination of nanofillers with graphite in the plastic matrix brings about a synergy effect which improves both the tribological and the mechanical properties in comparison to conventional friction and / or sliding linings. Nanofillers are particles whose size is in the nanometer range. The particles preferably comprise an average grain size greater than ten nanometers. At the same time, the particles preferably have a size of less than a hundred nanometers in at least one direction. The particles can have different geometries. Thus, the particles may have the shape of spheres, needles, crystals or tubes. The cured plastic matrix with the fillers is also referred to as a composite or composite material.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Reib- und/oder Gleitbelags ist dadurch gekennzeichnet, dass der Nanofüllstoff Nanosilikat enthält. Dabei wird vorzugsweise synthetisches, kugelförmiges oder sphärisches Nanosilikat als Nanofüllstoff verwendet. Das Nanosilikat wird vor dem Einbringen in die Kunststoffmatrix dispergiert. Bei den Nanosilikaten handelt es sich um Partikel aus Silikat, deren Größenordnung im Nanometerbereich liegt. A preferred embodiment of the friction and / or sliding coating is characterized in that the nanofiller contains nanosilicate. In this case, synthetic, spherical or spherical nanosilicate is preferably used as the nanofiller. The nanosilicate is dispersed in the plastic matrix prior to introduction. The nanosilicates are particles of silicate whose order of magnitude is in the nanometer range.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Reib- und/oder Gleitbelags ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix zwei bis fünfzehn Prozent, insbesondere etwa fünf oder zehn Prozent, Nanosilikat enthält. Bei den Prozentangaben in Bezug auf die Füllstoffe handelt es sich vorzugsweise um Volumenprozentangaben. Die Volumenprozentangaben sind vorzugsweise auf ein Harz bezogen, aus dem die Kunststoffmatrix gebildet ist. Bei einem Nanosilikatanteil von zehn Prozent zeigte sich die größte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Another preferred embodiment of the friction and / or sliding coating is characterized in that the plastic matrix contains two to fifteen percent, in particular about five or ten percent, nanosilicate. The percentages with respect to the fillers are preferably percentages by volume. The volume percentages are preferably based on a resin from which the plastic matrix is formed. A nanosilicate content of ten percent showed the greatest improvement in mechanical properties.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Reib- und/oder Gleitbelags ist dadurch gekennzeichnet, dass der Nanofüllstoff Nanoclays oder Montmorillonite enthält. Dabei handelt es sich vorzugsweise um organophile Nanoclays oder Montmorillonite. Die organophilen Nanoclays oder Montmorillonite (o-MMT) werden vorzugsweise vor dem Einbringen in die Kunststoffmatrix exfoliert. Montmorillonit ist ein Mineral aus der Gruppe der Tonminerale. Another preferred exemplary embodiment of the friction and / or sliding lining is characterized in that the nanofiller contains nanoclays or montmorillonites. These are preferably organophilic nanoclays or montmorillonites. The organophilic nanoclays or montmorillonites (o-MMT) are preferably exfoliated before introduction into the plastic matrix. Montmorillonite is a mineral from the group of clay minerals.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Reib- und/oder Gleitbelags ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix zwei bis zehn Prozent, insbesondere etwa fünf Prozent, Nanoclays oder Montmorillonite enthält. Bei den Prozentangaben in Bezug auf die Füllstoffe handelt es sich vorzugsweise um Volumenprozentangaben. Die Volumenprozentangaben sind vorzugsweise auf ein Harz bezogen, aus dem die Kunststoffmatrix gebildet ist. Another preferred embodiment of the friction and / or sliding coating is characterized in that the plastic matrix contains from two to ten percent, in particular about five percent, Nanoclays or Montmorillonite. The percentages with respect to the fillers are preferably percentages by volume. The volume percentages are preferably based on a resin from which the plastic matrix is formed.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Reib- und/oder Gleitbelags ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix zwei bis fünfzehn Prozent, insbesondere etwa fünf oder etwa zehn Prozent, Graphit enthält. Graphit ist ein Mineral und eine der natürlichen Erscheinungsformen des chemischen Elements Kohlenstoff in Reinform. Graphit dient in bekannter Art und Weise als Festschmierstoff, durch den der Verschleiß minimiert werden kann. Allerdings wirkt sich die Zugabe von Graphit alleine bei Reib- und/oder Gleitbelägen negativ auf deren mechanische Eigenschaften aus. Another preferred embodiment of the friction and / or sliding coating is characterized in that the plastic matrix contains from two to fifteen percent, in particular about five or about ten percent, graphite. Graphite is a mineral and one of the natural manifestations of the chemical element carbon in its purest form. Graphite is used in a known manner as a solid lubricant through which the wear can be minimized. However, the addition of graphite alone in friction and / or sliding coatings has a negative effect on their mechanical properties.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Reib- und/oder Gleitbelags ist dadurch gekennzeichnet, dass das Graphit als Mikrofüllstoff mit dem Nanofüllstoff kombiniert ist. Ein Mikrofüllstoff umfasst Partikel im Mikrometerbereich. So umfasst das Graphit zum Beispiel Partikel mit einer Korngröße von etwa zwanzig Mikrometer. Another preferred embodiment of the friction and / or sliding lining is characterized in that the graphite is combined as a microfiller with the nanofiller. A microfiller comprises particles in the micrometer range. For example, the graphite includes particles having a grain size of about twenty microns.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Reib- und/oder Gleitbelags ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix aus Epoxidharz gebildet ist. Bei dem Epoxidharz handelt es sich vorzugsweise um ein Zweikomponentensystem, das neben dem Harz, zum Beispiel einem Ether, einen Härter enthält. Durch die Zugabe des Härters wird eine Vernetzung durch Polyaddition ausgelöst. Durch die erfindungsgemäße Zugabe von Graphit als Mikrofüllstoff und von mindestens einem Nanofüllstoff können die Eigenschaften des Epoxidharzes im ausgehärteten Zustand besonders vorteilhaft verbessert werden. Another preferred embodiment of the friction and / or sliding coating is characterized in that the plastic matrix is formed of epoxy resin. The epoxy resin is preferably a two-component system containing a hardener in addition to the resin, for example, an ether. The addition of the hardener triggers crosslinking by polyaddition. The inventive addition of graphite as microfiller and of at least one nanofiller, the properties of the epoxy resin in the cured state can be particularly advantageously improved.
Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung von Graphit in Kombination mit mindestens einem Nanofüllstoff in einem Reib- und/oder Gleitbelag, insbesondere in einem vorab beschriebenen Reib- und/oder Gleitbelag. The invention further relates to the use of graphite in combination with at least one nanofiller in a friction and / or sliding coating, in particular in a previously described friction and / or sliding coating.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Bremsscheibe mit einem vorab beschriebenen Reib- und/oder Gleitbelag. The invention further relates to a brake disc with a previously described friction and / or sliding coating.
Die Erfindung betrifft ganz besonders vorteilhaft eine Windkraftbremse mit einem vorab beschriebenen Reib- und/oder Gleitbelag, insbesondere mit einer vorab beschriebenen Bremsscheibe. The invention particularly particularly relates to a wind power brake with a previously described friction and / or sliding lining, in particular with a previously described brake disk.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben sind. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which, with reference to the drawings, various embodiments are described in detail.
Es zeigen: Show it:
Die Erfindung betrifft Reib- und/oder Gleitbeläge mit einer Kunststoffmatrix. In die Kunststoffmatrix können Mikrofüllstoffe, wie Graphit, eingebracht werden, um den Verschleiß zu minimieren. Allerdings haben Mikrofüllstoffe, wie Graphit, einen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. The invention relates to friction and / or sliding coatings with a plastic matrix. Microplastic fillers, such as graphite, can be incorporated into the plastic matrix to minimize wear. However, microfillers, such as graphite, have a negative impact on the mechanical properties.
Nanofüllstoffe haben das Potential, die mechanischen und die tribologischen Eigenschaften von Verbundmaterialien mit einer Kunststoffmatrix zu verbessern. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden verschiedene Nanofüllstoffe getestet. Dabei hat sich die Verwendung von organophilen Montmorilloniten und von synthetischem, kugelförmigem Nanosilikat als besonders vorteilhaft erwiesen. Organophiles Montmorillonit wir abgekürzt als o-MMT bezeichnet und muss exfoliert werden, bevor es in dem Verbundmaterial, das auch als Komposit bezeichnet wird, verbesserte mechanische Eigenschaften zeigt. Nanosilikat muss zum gleichen Zweck dispergiert werden. Nanofillers have the potential to improve the mechanical and tribological properties of composite materials with a plastic matrix. In the context of the present invention, various nanofillers were tested. The use of organophilic montmorillonites and of synthetic, spherical nanosilicate has proven to be particularly advantageous. Organophilic montmorillonite, abbreviated as o-MMT, must be exfoliated before it exhibits improved mechanical properties in the composite material, which is also referred to as a composite. Nanosilicate must be dispersed for the same purpose.
Für die Kunststoffmatrix wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Epoxidharz verwendet, das unter der technischen Bezeichnung Ancarez RZ 4020 von der deutschen Firma Air Products GmbH vertrieben wird. Dabei handelt es sich einen Bisphenol-A Diclycidyl Ether (BADGE). Als Härter wird ein 3-Aminoehthyl-3,5,5-Trimethyl-Cyclohexylamin verwendet, das unter der Bezeichnung Ancamine 3473 ebenfalls von der Air Products GmbH vertrieben wird. For the plastic matrix, an epoxy resin was used in the context of the present invention, which is sold under the technical name Ancarez RZ 4020 by the German company Air Products GmbH. It is a bisphenol-A diclycidyl ether (BADGE). The hardener used is a 3-aminoethyl-3,5,5-trimethylcyclohexylamine, which is also marketed by Air Products GmbH under the name Ancamine 3473.
Als organophiles Montmorillonit wurde ein Produkt der amerikanischen Firma Nanocor Incorporated verwendet, das unter dem Handelsnamen Nanomer I.30E vertrieben wird. Dieses Produkt wird modifiziert durch sieben Prozent wt Octadecylamine und weist vor der Exfolierung eine Partikelgröße von zehn Mikrometer auf. The organophilic montmorillonite used was a product of the American company Nanocor Incorporated, which is marketed under the trade name Nanomer I.30E. This product is modified by seven percent wt octadecylamine and has a particle size of ten microns prior to exfoliation.
Als synthetisches, kugelförmiges Nanosilikat wird ein Produkt der deutschen Firma NANO Resins AG verwendet, das unter dem Handelsnamen Nanopox® F 400 vertrieben wird. Der Begriff Nanopox ist markenrechtlich geschützt. Das synthetische, kugelförmige Nanosilikat wurde in Form von Partikeln mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von zwanzig Nanometern verwendet. As a synthetic, spherical nanosilicate, a product of the German company NANO Resins AG is used, which is sold under the trade name Nanopox ® F 400. The term Nanopox is protected by trademark law. The synthetic, spherical nanosilicate was used in the form of particles with an average particle size of twenty nanometers.
Bei der Herstellung der Komposite oder Verbundmaterialien wurden die verschiedenen Komponenten mit den Füllstoffen vermischt. Die Nanoclays beziehungsweise Montmorillonite wurde durch Scherrmischen, vorzugsweise bei Drehzahlen von 10.000 Umdrehungen pro Minute, mit dem Epoxidharz vermischt. Zum Einbringen des Nanosilikats in das Epoxidharz wurden Standard-Mischprozesse, vorzugsweise bei 500 Umdrehungen pro Minute, angewendet. In making the composites or composite materials, the various components were mixed with the fillers. The nanoclays or montmorillonite was mixed with the epoxy resin by shear mixing, preferably at speeds of 10,000 revolutions per minute. For introducing the nanosilicate into the epoxy resin standard mixing processes were used, preferably at 500 revolutions per minute.
Die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Verbundmaterials wurden mit herkömmlichen Versuchen geprüft. Zur Ermittlung der Zugfestigkeit und der zugehörigen Module wurde gemäß
Im Hinblick auf die tribologischen Eigenschaften wurden ebenfalls bekannte Versuche zur Feststellung des abrasiven Verschleißes mit einem statischen Reibwert und einem dynamischen Reibwert angewendet. Dabei wurde eine Flächenpressung von einem Megapascal bei einer Prüftemperatur von 60 Grad Celsius und einer Gleitgeschwindigkeit von 6,6 Meter pro Sekunde aufgebracht. With regard to the tribological properties, known tests for determining the abrasive wear with a static coefficient of friction and a dynamic coefficient of friction have also been used. A surface pressure of one megapascal was applied at a test temperature of 60 degrees Celsius and a sliding speed of 6.6 meters per second.
Die Ergebnisse der Versuche sind in den
In den
In
Durch einen Pfeil
In
Die Balken
In
Durch einen Pfeil
In
Die Balken
Durch einen Pfeil
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch die Zugabe von zehn Prozent synthetischem, kugelförmigem Nanosilikat in ein Graphit/Epoxidharzgemisch der Verschleiß um 71 Prozent gesenkt werden konnte, verglichen mit reinem Epoxidharz. Dieser Effekt konnte nur in Kombination der beiden Füllstoffe beobachtet werden. In summary, the addition of ten percent synthetic spherical nanosilicate to a graphite / epoxy resin blend reduced wear by 71 percent compared to pure epoxy resin. This effect could only be observed in combination of the two fillers.
Durch die Zugabe der synthetischen, kugelförmigen Nanosilikate konnten die mechanischen Eigenschaften von Graphit-Epoxidharzkompositen ebenfalls verbessert werden. Dabei zeigte ein Nanosilikatanteil von zehn Prozent die größte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. The addition of synthetic, spherical nanosilicates also improved the mechanical properties of graphite-epoxy composites. A nanosilicate content of ten percent showed the greatest improvement in mechanical properties.
Durch die Zugabe von Nanomer I.30E zu einem Graphit-Epoxidharzkomposit konnte der Verschleiß von vierzig Prozent gesenkt werden, verglichen zu reinem Epoxidharz. Die Kombination von Graphit mit Nanopox® F400 wie mit Nanomer I.30E zeigte starke synergistische Effekte auf das Verschleißverhalten. Adding Nanomer I.30E to a graphite-epoxy resin composite reduced wear by 40 percent compared to pure epoxy resin. The combination of graphite with Nanopox ® F400 and Nanomer I.30E showed strong synergistic effects on wear behavior.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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