DE102020123040A1

DE102020123040A1 - Verfahren zur Herstellung von Nasslaufreibpapier

Info

Publication number: DE102020123040A1
Application number: DE102020123040.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Steinmetz; Gregor Mattern
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2022-01-13
Also published as: EP4179142A1; JP2023534670A; CN115702276A; JP7516650B2; WO2022012708A1; US20240035235A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nasslaufreibpapiers zumindest enthaltend einen Faseranteil aus zumindest einer Fasersorte, einen Anteil zumindest eines Füllstoffs und einen Anteil eines Binders auf Phenolharzbasis. Um ein Nasslaufpapier in verbesserter Weise, insbesondere mit verbesserten Klebeigenschaften vorzuschlagen, werden der Faseranteil, der Füllstoffanteil und der als alkalische Phenolatlösung gelöste Binder gemeinsam in einem Papierherstellungsprozess zu einer Pulpe verarbeitet und der Binder wird anschließend mittels eines Fällungsmittels, bevorzugt verdünnter Schwefelsäure, ausgefällt und die auf einem Langsieb aufgebrachte Pulpe wird getrocknet und unter Temperaturzufuhr ausgehärtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nasslaufreibpapiers zumindest enthaltend einen Faseranteil aus zumindest einer Fasersorte, einen Anteil zumindest eines Füllstoffs und einen Anteil eines Binders auf Phenolharzbasis.
Aus der Druckschrift GB-A-2 205 592 ist ein als Nasslaufreibpapier beschriebenes Reibbelagsmaterial aus einem porösen Fasergrundmaterial, einem inerten Füllstoff und Phenolharz bekannt, wobei das Fasergrundmaterial in einer wässrigen Aufschlämmung, das Phenolharz in Form einer Emulsion und der Füllstoff zu einer Stammlösung verarbeitet werden. Die Stammlösung wird in Form eines Papierherstellungsverfahrens in ein Langsieb ausgebracht, gewalzt und getrocknet. Während des Trocknungsprozesses wird das Phenolharz unter Temperatureinfluss gehärtet. Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Verfahrens zur Herstellung eines Nasslaufreibpapiers. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, die Herstellung eines Nasslaufreibpapiers zu vereinfachen und dessen Eigenschaften zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Herstellung eines Nasslaufreibpapiers beziehungsweise eines schichtförmigen Reibmaterials für Reib-, Kupplungs- und/oder Bremseinrichtungen insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Das Nasslaufreibpapier enthält einen Faseranteil aus zumindest einer Fasersorte, beispielsweise Aramidfasern, Kohlefasern, Baumwollfasern wie beispielsweise Linterfasern und/oder dergleichen, einen Anteil zumindest eines Füllstoffs, beispielsweise Kieselgur wie beispielsweise Celite, Graphit, Koks und/oder dergleichen sowie einen Anteil eines Binders auf Phenolharzbasis, beispielsweise Phenol-Resol und/oder dergleichen. Weitere Anteile wie beispielsweise Silikonharz, Silane, Flockungsmittel, Retentionsmittel, Reibpartikel und/oder dergleichen können vorgesehen sein.
Das Nasslaufreibpapier wird in einem Papierherstellungsprozess hergestellt. Dies bedeutet, dass beispielsweise aus dem Faseranteil und dem zumindest einen Füllstoff eine Aufschlämmung wie Pulpe oder Suspension gebildet wird. Die Fasern liegen dabei in kurz geschnittener Form beispielsweise mit einer Länge von wenigen Millimetern vor. Die stark wasserhaltige Pulpe enthält zudem den Binderanteil, bei dem ein Phenolharzteil gegebenenfalls neben anderen Harzanteilen als Phenolat vorliegt, indem das Phenolharz in einer stark alkalischen Lösung, beispielsweise in einer Natron- oder Kalilauge gelöst wird.
Die Pulpe wird einem an sich bekannten Papierherstellungsprozess zu dem Nasslaufreibpapier verarbeitet. Beispielsweise wird die Pulpe auf ein Langsieb verbracht und in einer Nasspresseneinheit gewalzt und auf die entsprechende Dicke gebracht. Anschließend wird die Pulpe gegebenenfalls unter weiterem Walzen getrocknet. Hierbei können in einer Trockenphase entsprechende Walzen auf gegenüber den Walzen der Nassphase höhere Temperaturen gebracht werden, um das verbleibende Lösungsmittel, beispielsweise Wasser zu Verdampfen.
Erfindungsgemäß wird der in der Pulpe als Phenolat des Phenolharzes gelöst vorliegende Phenolharzanteil ausgefällt. Hierzu wird der pH-Wert der alkalischen Pulpe durch Zugabe von Säure gesenkt, beispielsweise die Pulpe neutralisiert, wodurch das Phenolat in ein nicht lösliches Phenolharz überführt wird und ausgefällt wird. Als Fällungsmittel kann beispielsweise eine verdünnte Säure wie beispielsweise 5%-ige Schwefelsäure verwendet werden. Der Fällungsvorgang erfolgt bevorzugt in der Nassphase bei Raumtemperatur beziehungsweise Umgebungstemperatur des Papierherstellungsprozesses.
Durch den Fällvorgang und bevorzugt einem Einsatz von Retentionsmittel kann eine über den gesamten Bereich der auf dem Langsieb liegenden Pulpe gleichmäßige Verteilung von gefällten Phenolharzpartikeln erzielt werden. Auf diese Weise kann nach dem Press- wie Walzverfahren des Papierherstellungsprozesses und Trocknung des fertiggestellten Nasslaufreibpapiers eine laterale und über dessen Dicke zwischen den beiden Oberflächen eine Gleichverteilung der Phenolharzpartikel erzielt werden, so dass die Reibqualität eines aus dem Nasslaufreibpapier hergestellten Reibpartners im Wesentlichen über dessen Lebensdauer gleichbleibende Reibeigenschaften aufweist. Weiterhin kann eine Partikelgröße ausgefällter Binderpartikel wie Phenolharzpartikel mittels einer vorgegebenen Zugaberate des Fällungsmittels eingestellt werden. Insbesondere können durch eine entsprechende Zugaberate des Fällungsmittels beispielsweise in Höhe von 0,5 kg/s besonders kleine Partikeldurchmesser des Phenolharzes, insbesondere Phenol-Resol im Bereich von 200 bis 1600 Nanometern erzielt werden, die die Fasern beziehungsweise Faserverbände des Faseranteils durchdringen und sich in gleichmäßiger Verteilung an die Fasern anlagern.
Durch Zugabe entsprechender Flockungsmittel und/oder Retentionsmittel kann ein geeignetes Zeta-Potential beispielsweise in Höhe von 80 mV ± 8 mV eingestellt werden, so dass ein hoher Umsatz der Flockung im Wesentlichen eine 100%-ige Anlagerung des Phenolharzes erzielt werden kann.
Verbesserte Verstärkungseigenschaften beispielsweise im Klebeprozess des Nasslaufpapiers auf einem entsprechenden Träger wie Trägerblech oder dergleichen wird durch eine entsprechende Einstellung der rheologischen Eigenschaften der Pulpe erzielt. Hierbei hat sich eine Einstellung der Viskosität auf kleiner 3000 Pa*s bezogen auf eine Standzeit von 800 s als vorteilhaft erwiesen. Es versteht sich, dass sich die Viskosität bei anderen Standzeiten ändern kann und eine Rückführung der Viskosität auf die angegebene Standzeit zur Bestimmung deren Viskosität notwendig werden kann.
Der Härtegrad des Binders wie beispielsweise Phenolharzes und damit seine Abriebfestigkeit, Elastizität, Temperaturbeständigkeit und/oder dergleichen kann in einer Trockenphase des Papierherstellungsprozesses eingestellt werden. Hierbei kann an den Walzen eine einheitliche Temperatur oder graduell von Walze zu Walze der Trockenphase ein steigender oder abnehmender Temperaturverlauf eingestellt werden. Die positiven Eigenschaften des Nasslaufpapiers, insbesondere dessen Verstärkungswirkung bei dessen Verkleben auf einem Trägermaterial hängt von der Einstellung des Aktivierungspotentials des Aushärteprozesses des Binders ab. Hierzu werden das Phenolharz und dessen Reaktionspartner in vorteilhafter Weise derart eingestellt, dass die Aktivierungsenergie des Aushärtungsprozesses größer 60 KJ/mol mit einem Frequenzfaktor In20 und einer Reaktionsordnung < 1,5 beträgt.
Eine vorteilhafte Zusammensetzung zur Herstellung des Nasslaufreibpapiers kann beispielsweise

- einen Faseranteil von 40 bis 60 Gew-%, insbesondere ein Gemisch aus Aramidfasern, Linterfasern und Carbonfasern,
- einen Binderanteil von 30 bis 40 Gew-%, insbesondere Phenolharz, vorliegend als Phenolat in alkalischer Lösung,
- einen Füllstoffanteil von 20 bis 40 Gew-%, insbesondere Celite enthalten.

Eine besonders vorteilhafte Zusammensetzung enthält in Gewichtsprozent beispielsweise

- 26% Aramidfaser
- 6% Linterfaser
- 9% Carbonfaser
- 30 % Phenolharz wie Phenolresol, vorliegend als Phenolat in stark alkalischer Lösung mit anschließender Fällung,

Es versteht sich, dass von dem erfinderischen Gedanken auch das beschriebene Nasslaufreibpapier, insbesondere hergestellt gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren, umfasst ist. Das Nasslaufreibpapier weist eine gleichmäßige Verteilung von Harzpartikeln zwischen dessen beiden gegenüberliegenden Oberflächen auf. Die Partikelgröße von aus dem Binderanteil gebildeten Binderpartikeln beträgt in bevorzugter Weise zwischen 200 und 1600 nm.
Das Nasslaufreibpapier liegt nach der Beendigung des Papierherstellungsprozesses in Bogenform oder Rollenform vor. Die Herstellung von Reibbelägen aus diesem Nasslaufreibpapier erfolgt abhängig von einem späteren Einsatz als radial oder axial wirksamer Reibbelag durch Stanzen, Ausschneiden oder dergleichen in Ringform oder ringsegmentförmig mit radialen oder axialen Reibflächen. Anschließend an den Papierherstellungsprozess oder in der Trockenphase können an den vorgesehenen Reibflächen Profilierungen der Oberflächen des Reibbelags beziehungsweise des Nasslaufreibpapiers beispielsweise durch eine unterschiedlich intensive Pressung vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich können anwendungsspezifisch notenwendige Durchstiche vorgesehen werden.
Es versteht sich, dass im Sinne der Erfindung ein aus dem Nasslaufreibpapier hergestellter Reibbelag, Bremsbelag und/oder dergleichen von der Erfindung umfasst und als Teil des Patentbegehrens geltend gemacht werden kann.
Zusammenfassend sind im Herstellungsverfahren eines vorgeschlagenen Nasslaufpapiers zumindest ein, vorteilhafterweise mehrere der nachfolgenden Einstellparameter von Vorteil:

- Die Einstellung der Partikelgröße der gefällten Harzpartikel erfolgt mittels einer Kombination aus den Eigenschaften des Binders, insbesondere ein Phenol-Resol und der Fällungsbedingungen des Phenolats mittels eines eingestellten pH-Werts der verwendeten Säure wie Schwefelsäure und der Fällungsgeschwindigkeit, das heißt Zugaberate der Säure.
- Die rheologischen Eigenschaften werden durch entsprechende Wasser- oder Lösungsmittelzugaben und gegebenenfalls Fließmittelzugaben eingestellt, um die Verstärkungswirkung durch ausreichendes Fließen des Harzes sicherzustellen.
- Die Einstellung des Zeta-Potentials wird durch die Qualität des Binders, beispielsweise dessen Polarität und der Art sowie Anzahl der funktionellen Gruppen sowie die Eigenschaften der Pulpe eingestellt. Die Einstellung des beschriebenen Zeta-Potentials dient als Voraussetzung, dass die ausgefällten Partikel sicher an den Faseranteil gebunden werden.
- Das Reaktionsverhalten mit der angegebenen Aktivierungsenergie dient dazu, dass das Nasslaufpapier in Kombination mit der Einstellung der Trocknung der Pulpe die notwendige Aushärtung erreicht, ebenso eine gute Endaushärtung während des Klebeprozesses während einer Verklebung mit einem Trägermaterial. Durch entsprechende Einstellung der Aktivierungsenergie wird einerseits erzielt, dass ein Haften des Nasslaufpapiers am Trockenzylinder während der Trockenpartie der Papiermaschine vermieden wird und andererseits Klebezeiten des Nasslaufpapiers an dem Trägermaterial in bevorzugter Weise deutlich unter einer Minute betragen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2205592 A [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Nasslaufreibpapiers zumindest enthaltend einen Faseranteil aus zumindest einer Fasersorte, einen Anteil zumindest eines Füllstoffs und einen Anteil eines Binders auf Phenolharzbasis, dadurch gekennzeichnet, dass der Faseranteil, der Füllstoffanteil und der als alkalische Phenolatlösung gelöste Binder gemeinsam in einem Papierherstellungsprozess zu einer Pulpe verarbeitet werden und der Binder anschließend mittels eines Fällungsmittels, bevorzugt verdünnter Schwefelsäure, ausgefällt wird und die auf einem Langsieb aufgebrachte Pulpe getrocknet und unter Temperaturzufuhr ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Binder ein Phenolat-Resol eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zetapotential der Pulpe im Wesentlichen 80 mV entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulpe auf eine Viskosität kleiner 3000 Pa*s bezogen auf eine Standzeit von 800 s eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund des Fällungsprozesses Partikel des Binders mit eine Partikelgröße zwischen 200 und 1600 nm ausgefällt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder auf eine Aktivierungsenergie größer 60 KJ/mol mit einem Frequenzfaktor In20 und einer Reaktionsordnung < 1,5 während dessen Aushärtung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Partikelgröße ausgefällter Binderpartikel mittels einer vorgegebenen Zugaberate des Fällungsmittels und dessen Art eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder in einer Trockenphase des Papierherstellungsprozesses auf einen vorgegebenen Härtegrad gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Härtegrad des Binders während der Aushärtung der Pulpe mittels eines vorgegebenen Temperaturverlaufs eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faseranteil von 30 bis 60 Gew-%, insbesondere ein Gemisch aus Aramidfasern, Linterfasern und Carbonfasern, ein Binderanteil von 20 bis 40 Gew-%, insbesondere Phenolat-Resol und ein Füllstoffanteil von 20 bis 40 Gew-%, insbesondere Celite verwendet wird.