DE2300375A1

DE2300375A1 - Reibelemente

Info

Publication number: DE2300375A1
Application number: DE2300375A
Authority: DE
Inventors: Alessandro William John D
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1972-01-06
Filing date: 1973-01-05
Publication date: 1973-07-12
Also published as: US3730920A; JPS4879798A; DE2300375B2; CA987423A; FR2167748A5; GB1416492A; AU5069573A; AU468069B2

Description

?ATE NTA NVA LTE

dr. W. Schalk · DIPL.-1NG. P.Wirth · dipl.-ing. G. Dannenberg dr.V.Schmied-Kowarziκ · dr. P. Weinhold · dr. D. Gudel

6 FRANKFURT AM MAIN CR. ESCHENHEIMER STRASSE 39

Wd/Eh f**"^he 0-8920

UNION CARBIDE CORPORATION

270 Park Avenue

New York, N.Y. 10017, U.S.A.

Reibelemente

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zusammensetzungen, die Mikrokügelehen enthalten und zur Herstellung von BeibelemerL-ten geeignet sind. Sie betrifft insbesondere Reibelemente, wie z.B. Fahrzeugbremsbeläge, die aus Zusammensetzungen hergestellt werden, welche Mikrokügelchen enthalten, durch lange Gebrauchsdauer gekennzeichnet sind und eine sehr gute Bremswirkung liefern. Aufgrund ihrer ausgezeichneten Eigenschaften können die erfindungsgemässen Reibelemente den starken Belastungen widerstehen, die häufig beim Abbremsen von Hochgeschwindigkeits* Fahrzeugen auftreten.

*) "microspheres" bzw. "microballons"

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Seitdem in zunehmendem Maße Motorfahrzeuge hergestellt werden, die grosser sind und höhere Geschwindigkeiten erreichen als je zuvor, steigt auch der Bedarf an wirksamen Bremssystemen für diese Fahrzeuge,, d.h. Bremssystemen, deren Beläge auch bei verhältnismässig hohen Temperaturen eine gute Bremswirkung zeigen. Verhältnismässig hohe Temperaturen entstehen, wenn der Bremsbelag längere Zeit mit der Bremstrommel oder Bremsscheibe in Berührung steht.

Die bisher üblichen Bremsbeläge werden im allgemeinen hergestellt, indem man Zusammensetzungen aus einem wärmehärtenden Harz, das als Bindemittel dient, und den sogenannten Reibteilchen, die den Belägen oder Reibelementen Reibeigenschaften und Festigkeit verleihen, zu geeigneten Gegenständen verformt oder anderweitig verarbeitet. .

Ein Nachteil der bekannten, die oben beschriebenen Reibelemente aufweisenden Bremssysteme ist darin zu sehen, dass diese Systeme ihre Wirksamkeit einbüssen. Diese Systeme sind durch, die Unfähigkeit gekennzeichnet, auch bei wiederholter und längerer Betätigung der Bremsen einen relativ konstanten, hohen Eeibungsgrad (ausgedrückt als "Reibungskoeffizient") beizubehalten und gleichzeitig eine annehmbare Abriebfestigkeit zu zeigen.

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Die vorliegende Erfindung liefert nun Zusammensetzungen, die besonders geeignet sind bei der Herstellung von Reibelementen mit ausgezeichneter Lebensdauer, d.h. die Verschleissfestigkeit und sehr gute Bremswirkung, die an ihrem relativ stabilen und hohen Reibungskoeffizienten erkennbar ist, aufweisen. Ausserden vermindern die erfindungsgemäßen Reibelemente die beim Betätigen der Bremsen auftretenden Geräusche, zeigen gute Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Eindringen von Wärme und somit verringerten Wärmeabbau, sind durch sehr gute Dimensionsfestigkeit gekennzeichnet und zeigen keine Wasser- und Ölabsorption, wodurch die Bremswirkung unter "nassen" Bedingungen verbesser-τ wird.

Die erfindungsgemäßen Reibelemente basieren auf Zusammensetzungen, die ein wärmehärtendes Harz-Bindemittel, Reibteilchen und Mikrokügelchen in solchen Mengen umfassen, daß die Reibeigenschaften der Zusammensetzungen verbessert werden.

Die Fig. 1 und 2 der beiliegenden Zeichnungen zeigen die Testleistungen der erfindungsgemäßen Reibelemente in Relation zum Reibungskoeffizienten.

Die zusammen mit einem wärmehärtenden Harz-Bindemittel und Reibteilchen verwendeten Mikrokügelchen sind bekannte, aus anorganischen und organischen Materialien hergestellte Produkte.

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Beispiele für Materialien, aus denen geeignete Mikrokügel ehen .hergestellt werden können, sind organische Materialien, wie thermoplastische und wärmehärtende Harze. Geeignete thermoplastische Harze sind z.B. Vinylharze, wie Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, Polyvinylbutyral, Polyvinylidenchlorid, Polystyrol, Mischpolymerisate aus Vinylchlorid und Vinylacetat, Mischpolymerisate aus Vinylidenchlorid und Acrylnitril und dgl.; Acrylharze, wie Polymethylmethacrylat und dgl.; Harze auf der Basis von <rt-Olefinen, wie Polyäthylen und dgl.; die Polyhydroxyätherharze der USA-Patentschrift 3 305 528; die Polysulfonharze der USA-Patentschrift 3 455 868; Polyamidharze und dgl. Ebenfalls geeignete Materialien sind z.B. Celluloseacetat, Celluloseaeetatbutyrat, Cellulosepropionat und dgl.

Beispiele für geeignete wärmehärtende Harze sind die phenolischen Harze, wie Phenolformaldehyd-Harze und dgl.; Formaldehydharze, wie Harnstoff-Formaldehyd, Melamin-Formaldehyd und dgl.; Alkydharze; Polysiloxanharze; Epoxyharze und dgl.

Wie bereits ausgeführt, können auch anorganische Materialien zur Herstellung der erfindungsgemäss geeigneten Mikrokügelchen verwendet werden. Beispiele für solche anorganischen Materialien sind Silikate, Polyborate, Polyphosphate, keramische Materialien und dgl. Ausserdem eignen sich auch Mikrokügelchen, hergpstelLt auslfetsH-stoff,ebenso wie die Metall- oder metallüberzogenen Mikrokügelchen der USA-Patentschrift 3 264 073.

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Verfahren zur Herstellung von Mikrokügelchen werden in den USA-Patentschriften 3 264 073 und 2 797 201 beschrieben.

Reibteilchen, die zusammen mit einem Bindemittel und Mikrokügelchen zu den erfindungsgemässen Zusammensetzungen verarbeitet werden, sind wärmefeste Materialien oder eine Mischung von Materialien, die den Zusammensetzungen und somit den daraus hergestellten Reibelementen beim Pressen gegen eine Oberfläche einen annehmbaren Reibungskoeffizienten verleihen, ohne dass die Oberfläche merklich abgerieben oder abgetragen wird.

Beispiele für Reibteilchen sind fadenartige Materialien, wie anorganische Fasern, z.B. Asbestfasern, Stahlwollfasern, Bronzefasern, Glasfaser und dgl.; organische Fasern, wie cellulose artige Fasern, Polyaerylnitrilfasern und dgl., die durch Yiärmebehandlung unschmelzbar gemacht wurden. Besonders geeignete fadenar— tige Materialien sind die Asbestfasern der USA-Patentschrift 3 455 868. Andere geeignete, wärmefeste Materialien sind körnige Materialien, wie Bariumsulfat, Korkstaub, Kieselerde, Glimmer, Metallteilchen, Ton, Bleioxyd, Calciumoxyd, Zinkoxyd, Zinkstaub, Graphit, Molybdändisulfid, Eisenoxyd,"Cardolite"-Harze, die gemäss USA-Patentschrift 2 317 587 als Reaktionsprodukte aus einem Aldehyd und Cashewnußschalenöl erhalten werden, lind dgl.

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Die organischen Bindemittel in den Zusammensetzungen zur Herstellung von Reibelementen sind warmehärtende Harze, wie die Arylimidharze; die Polyepoxyde der USA-Patentschrift 3 546 169; die Polyester der USA-Patentschrift 2 957 843; die phenolischen Harze der USA-Patentschrift 3 455 868, sowie die mit Öl modifizierten phenolischen Harze, die durch Kondensation einer Mischung aus einem Phenol, einem Aldehyd und einem trocknenden Öl, wie Leinsamenöl, Tungöl, Rizinusöl, Sojabohnenöl oder dgl., erhalten werden. Den wärmefesten, wärmehärtenden Harzen können auch thermoplastische Harze zugesetzt und diese Mischungen dann gemäss USA-Patentschrift 3 455 868 als Bindemittel verwendet werden.

Das organische Bindemittel wird in solchen Mengen angewendet, dass die Reibteilclien und Mikrokügelchen zu einer einheitlichen Masse verbunden werden. Die hierzu erforderliche Menge variiert und hängt zum Teil von der Menge und der Art der verwendeten Reibteilchen und Mikrokügelchen ab. Im allgemeinen beträgt die Menge an Bindemittel etwa 5 Gew.-$ bis etwa 49 Gew.-^, Vorzugs-* weise etwa 10 Gew.-^ bis etwa 25 Gew.-^, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, d.h. das Gewicht von organischem Bindemittel, Reibteilohen und Mikrokügelchen.

Wie bereits ausgeführt, werden die Mikrokügelchen in solcher Menge verwendet, dass die Reibungseigenschaften der Zusammensetzung verbessert werden. Im allgemeinen liegt diese Menge

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zwischen etwa 0,1 Gew.-$ und etwa 30 Gew.-^, vorzugsweise zwischen etwa 0,2 Gew.-^ und etwa 15 Gew.-^, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung.

Das Mischen der Komponenten der erfindungsgemässen Zusammensetzungen kann mittels des "nassen" Verfahrens der USA-Patentschrift 3 455 868 oder des sogenannten "trockenen" Verfahrens erfolgen, bei dem die Komponenten in einen Mischbehälter gegeben und in einer Farb-Sehüttelyorriehtung sorgfältig miteinander gemischt werden.

Die erfindungsgemässen Zusammensetzungen können durch bekannte Verfahren, wie sie z.B. in den nachfolgenden Beispielen beschrieben sind, zu Eeibelementen verformt werden. Diese Reibelemente .eignen sich als Kupplungs- und Bremsbeläge in Kränen für schwere Lasten, Aufzügen und Fahrzeugen aller Art, einschliesslich Automobile, Flugzeuge, Eisenbahnwagen und dgl.

Es wird hier ausdrücklich auf die Offenbarungen in den genannten Patentschriften hingewiesen. Falls erwünscht, können auch Mischungen der angeführten Materialien verwendet werden.

Es wurde eine Anzahl von Zusammensetzungen hergestellt und zu Platten verformt, worauf Proben dieser Platten auf ihre Bremswirkung und Gebrauchsdauer untersucht wurden. Zur Herstellung dieser Zusammensetzungen wurden die jeweiligen Komponenten in

*) "paint-shaker"

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einen Behälter gegeben, der einen Reibkopf*)nit 3 Gummistopfen aufwies, die zum Mischen der Materialien beitrugen und eine übermäßige Zerkleinerung der Fasern verhinderten. Jeder Behälter wurde sorgfältig in einer Parb-Schüttelvorrichtung geschüttelt. Dann wurde jede Zusammensetzung in der, für die gewünschte Dichte des verformten Endproduktes ausreichenden Menge in eine halb-positive, ein bestimmtes Volumen fassende Form (Hohlraum etwa 53 ecm) gegeben und unter folgenden Bedingungen zu Platten einer Grosse von 5 cm χ 15 cm ί 7,94 ^m verformt:

Verformungszyklus	15 Minuten
Temperatur	149°
Druck	140 kg/cm²
Gas-Entlüftung	nach 1,3,5 und 7 Minuten

Jede Platte wurde ausserdem wie folgt nachgehärtet:

4 Stunden bei 149°
4 Stunden bei 182°

Aus jeder Platten wurden Proben einer Grosse von 2,5 cm χ 2,5 cm χ 6,35mm geschnitten und auf ihren Eeibungskoeffizienten und ihre Verschleissfestigkeit untersucht. Die Prüfung erfolgte mit einer Hochleistungs-Reibungstestvorrichtung (Greening Associates, Detroit.). Diese Vorrichtung besitzt eine rotierende Metalltrommel, die von einem mit variabler Geschwindigkeit arbeitenden Motor angetrieben wird. Ein Thermoelement zwischen

"friction top" -

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Testtrommel und Motor misst die Temperatur der Trommel, die durch äussere Heizvorrichtungen und Druckluftkühlung reguliert wird. Yon dem Instrumentenbrett der Vorrichtung können die Temperatur der Trommel, die Reibungskraft zwischen der rotierenden

Trommel und der stationär gehaltenen Probe sowie die angewendete Kraft abgelesen werden.

Vor dem Test wurde die Oberfläche der rotierenden Trommel gereinigt und mit Sandpapier ("STo. 320 grit") behandelt. Ausserdem wurde jede Probe solange gegen die Oberfläche der mit 4»57m/sec. rotierende und auf 93° erwärmte Trommel gehalten, bis die Oberfläche der Probe glatt war. Dann wurde vor Beginn des Tests Gewicht und Dicke der Proben gemessen«

Der Test wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Eonstante Reibungskraft 15,9 kg

Konstante Geschwindigkeit

der Trommel 6,1 m/sec.

Kraftaufnahme konstant bei 1,27 PS

Dauer des Tests 19 bis 20 Minuten

Temperatur der Trommel 149° bis 482°

(Betrieb bei Standard SAE-J-66la-Trommelerhitzungsgeschwindigkeit)

Die erhaltenen Werte dienten zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten innerhalb eines Temperaturbereiches von 149° bis 482°. Diese Reibungskoeffizienten wurden dann in die Pig. 1 und 2 der Zeichnungen eingesetzt.

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- IO -

Hach dem Test wurden erneut Gewicht und Dicke der einzelnen Proben gemessen und die Gebrauchsdauer als Durchschnitt aus prozentualem Gewichtsverlust und prozentualer Dickeverminderung aufgezeichnet. Je niedriger dieser "Prozentsatz", umso besser ist die Gebrauchsdauer der Probe«

Nachstehend werden die untersuchten Zusammensetzungen und die erzielten Ergebnisse zusammengefasst. Die Mengen sind jeweils in Gew.-Teilen angegeben.

Zusammensetzung A

Asbestfasern 60

Bariumsulfat 10

Cardolite NC 111 10

Phenolformaldehyd-Binder 19

Phenolische Mikrokügelchen 1

Zusammensetzung B

Asbestfasern 60

Bariumsulfat "10

Cardolite HC. 111 10 .

Phenolformaldehyd-Binder 18

Phenolische Mikrokügelchen 2

Zusammensetzung 0

Asbestfasern 60

Bariumsulfat 10

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Cardolite HC 111 ' 10

Phenolformaldehyd-Binder 16

Phenolische Mikrokügelehen 4

Zusammensetzung D

Asbestfasern	59,7
Bariumsulfat	9,9
Oardolite HG 111	9,9
Phenolfornaldehyd-Binder	18,9
Glas-Mikrokügelchen	1,6
Zusammensetzung E
Asbestfasern	59,5
Bariumsulfat	9,8
Cardolite HC 111	9,8
Phenolformaldehyd-Binder	17,8
Grlas-Mikrokügelchen	3,1
Zusammensetzung I¹
Asbestfasern	58,7
Bariumsulfat	9,7
Cai7dolite HC 111	9,8
Phenolformaldehyd-Binder .	15,8
Glas-Mikrokügelehen	6,0

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	4%	60,5	2300375
Zusammensetzung G		10,1
Asbestfasern		10,1
Bariumsulfat		19,1
Cardolite NC 111
Phenolformaldehyd-Binder

Mikrokügelchen aus Yinylidenchlorid-Acrylnitril-Harz 0,2

Zusammensetzung H

Asbestfasern 62,0 ■

Bariumsulfat 10,3

Cardolite NC 111 10,3

Phenolformaldehyd-Binder 16,7

Mikrökügelchen'äus Vinylidenchlorid-Acrylnitril-Harz 0,7

Vergleich I

As"bestfasern 60

Bariumsulfat 10

Cardolite KC 111 10

Phenolformaldehyd-Binder 20

.Die verwendeten Asbestfasern (erhältlich von Johns-Manville) erhielten nach dem Quebec-Screen-Test die Bewertung 7 (J.G. Boss; Canadian Department of Mines Branch No. 707, Seiten 50-51,

'1931; überarbeitet Dezember 1942).

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"Cardolite HC 111" ist ein Kondensationsprodukt aus einem CashewnußschalenÖl und einem Aldehyd, das gemäss USA-Patentschrift 2 317 587 zu einer unschmelzbaren Form wärme gehärtet und zerkleinert wurde.

Als Bariumsulfat wurde ein pulverförmiges Material einer Teilchengrösse von etwa 325 mesh.(0,044 mm) verwendet.

Der Phenolforiaaldehyd-Binder war ein Phenolformaldehyd-Iiovolalrharz mit einen durchschnittlichen Molekulargewicht von etwa 590, das 9,1 Gew.-$ Hexamethylentetramin enthielt.

Die phenolischen Mikrokügelchen wurden aus einem Phenolformaläehydharz hergestellt.

Die aus einem Mischpolymerisat von Vinylidenchlorid und Acrylnitril hergestellten Mikrokügelchen sind unter der Bezeichnung "XD-4519.04" von der Dow Chemical Co. erhältlich.

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Proben

Zusammensetzung A Zusammensetzung B Zusammensetzung C Zusammensetzung D Zusammensetzung E Zusammensetzung P Zusammensetzung G Zusammensetzung H Vergleich I Vergleich I Vergleich I

	2300375
. Tester^ebnisse
Dichte, g/ecm	Abriebverlust, $
1,80	6,5
1,68	9,0
1,50	12,5
1,80	6,2
1,68	9,1
1,50	5,0
1,80	7,6
1,50	15,0
1,80	9,0
1,68	15,5
1,50	22,0

Die Pig. 1 und 2 der Zeichnungen zeigen deutlich, dass die erfindungsgemässen'Reibelemente eine wesentlich konstantere Bremswirkung, d.h. einen wesentlich stabileren Reibungskoeffizienten, besitzen als ßeibelemente der gleichen Dichte, die keine Mikrokügelehen enthalten.

Die Werte, auf denen die Pig. 1 und 2 beruhen, wurden mit Reibelementen ermittelt, die phenolische Mikrokügelchen enthalten. Bei Verwendung von Mikrokügelchen aus Glas oder einem Vinylidenchlorid-Aerylnitril-Mischpolymerisatanstelle der phenolischen Mikrpkügelchen werden ähnliche Ergebnisse erzielt.

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Bei Herstellung der Platten, aus denen die Proben geschnitten wurden, konnte folgende Beziehung zwischen der, in die 3?orm gegebenen Materialmenge und der Dichte des fertigen Gegenstandes festgestellt werden:

Beschiekungsnienge für alle

genannten Zusammensetzungen Dichte der geformten Platten

-1,80 g/ccm 1,68 g/ccm 1,50 g/ccm

95	β
89	g
80	g

- Patentansprüche ~

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Claims

Patentansprüche

1. Reibelement, insbesondere Bremsbelag, dadurch gekennzeichnet, daß es ein wärmehärtendes Harz als Bindemittel, Reibteilchen und Mikrokügelchen in einer zur Verbesserung der Reibungseigenschaften und der Lebensdauer der Zusammensetzung ausreichenden Menge umfaßt.

2. Reibelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es etwa 0,1 bis etwa 30 Gew.% Mikrokügelchen, vorzugsweise etwa 0,2 bis etwa 15 Gew.% enthält.

3. Reibelement nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß

es phenolische Mikrokügelchen, Glas-Mikrokügelchen oder Mikrokügelchen aus einem Vinylidenchlorid-Acrylnitril-Barz enthält.

4. Reibelement nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß es als Bindemittel ein phenolisches Harz, ein Phenol-Formaldehyd-Harz, ein Arylimid-Harz, ein Polyepoxyd oder ein Polyester enthält.

5. Reibelement nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß es das Bindemittel in einer Menge von etwa 5 bis etwa 49 Gew.% enthält.

6. Reibelement nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß es als Reibteilchen Asbestfasern und/oder Bariumsulfat enthält.

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