DE2617421A1 - Organischer reibstoff - Google Patents
Organischer reibstoffInfo
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Description
Organischer Reibstoff
Die Erfindung betrifft einen Reibstoff, insbesondere für den Einsatz
in Fahrzeugbremsen.
Übliche organische Bremsbeläge bestehen aus einer Mischung von
Asbestfasern und Füllmaterialien, die in einer von einem Phenolharz aufgebauten festen Matrix zusammengehalten werden. Die Phenolharze
werden durch die Kondensation von Phenol mit Formaldehyd in Gegenwart eines Katalysators erzeugt. Das Harz wird dann bei einer
Temperatur zwischen 15o und 25o°C polymerisiert, um eine wasserunlösliche und unschmelzbare Masse zu erzeugen. Phenol wird aus
Cumolhydroperoxid hergestellt, das bei der säurekatalysierten Alkalisierung
von Benzol mit Propylen anfällt. Unglücklicherweise ist der Vorrat an 3enzol aber kleiner geworden, da Änderungen in dem
Fraktionierungs- bzw. Crack-Verfahren von Erdöl vorgenommen worden
dind; dfese Änderungen waren für die Herstellung von bleifreien Benzinen
oder Benzinen mit niedrigem Bleigehalt erforderlich, die bei
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ORIGINAL INSPECTED
Betrieb der jetzt hergestellten Kraftfahrzeuge verwendet werden müssen. Wegen der Verknappung des Benzols ist es erforderlich, dass
ein Streckmittel oder ein Ersatz für Phenolharz gefunden wird, um bei der Herstellung von Reibstoffen die wirtschaftliche Stabilität
halten zu können.
Durch verschiedene Versuche wurde gefunden, daß die ölige Flüssigkeit
in der Doppelschale der Cashew-Nuß ein natürliches Phenolprodukt ist. Bei Erwärmen dieser Nußschalenflüssigkeit mit einem Härtemittel,
wie z.B. Hexamethylentetramin oder Formaldehyd polymerisiert die Flüssigkeit in eine wasserunlösliche Masse. Da die Cashew-Nu3-schalenflüssigkeit
gegenwärtig aus Südamerika und Asien importiert
Transportwird und da wegen der steil ansteigenden/Kosten der Preis für derartige
Cashew-Flüssigkeiten beachtlich angestiegen ist, ist es aber
nicht mehr wirtschaftlich, nur Cashew-Flüssigkeit einzusetzen und
es besteht daher der Bedarf nach einem Streckmittel bei der Herstellung von Bremsbelägen.
Es wird daher vorgeschlagen, Lignin oder ein Ligninderivat mit einem
Phenolharz zum Aufbau einer festen Matrix in einem Reibbelag zu kombinieren, da Lignin oder ein e?1Vfin Bindemittel ist, das die
Zellulosefasermatrix zu einer holzigen Struktur zusammenbindet. Weiterhin sind die Vorräte an Lignin derart groß, daß auch heute noch
viel Lignin zur Erzeugung von thermischer Energie verbrannt wird.
Die zugänglichste Ligninquelle ist ein Nebenprodukt der Zellstoff (pulp)- und Papierindustrie, die allein in der Lage ist, unbegrenzte
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Mengen an Lignin zur Verfügung zu stellen. Dieses Nebenprodukt fällt in der Papierindustrie auf folgende Weise an: Holzschliff
wird zur Erstellung einer Pulpe verwendet, aus der das Papier hergestellt wird. Diese Pulpe wird durch die Einwirkung einer Sulfitoder
SuIfat-Lösung auf die Holzspäne bearbeitet. Bei dem Sulfit-Verfahren
wird der Holzschliff in einen Kocher eingebracht, in dem die Späne in einer verdünnten Lösung von Calzium-Magnesium-Natrium-
oder Ammoniumbisulfit, freiem gasförmigem Schwefeldioxid und Wasser unter Druck gekocht werden. Am häufigsten wird Calziumbisulfit
benutzt. Das gasförmige Schwefeldioxid und Wasser bilden schwefelige Säure, die das Lignin sulfoniert und es wasserlöslich
macht, um eine Sulfitlauge zu bilden. Die Sulfitlauge wird dann abgezogen, so daß die Zellulosefasern, aus denen Papier hergestellt
wird, als Rest verbleiben. Wenn die Sulfitlauge mit Calziumhydroxid behandelt und erwärmt wird, fällt Lignosulfonat aus. Bei Abdampfung
des Wassers verbleibt ein braungefärbter feinteiliger Feststoff, der allgemein als Calziumlignosulfonat identifiziert wird.
Bei dem Sulfataufschluß bzw. Kraft-Verfahren werden die Holzschnitzel
in einen Zellstoffkocher eingebracht, in dem sie in einer Lösung aus Natriumhydroxid und Natriumsulfid gekocht werden. Die
Sulfid-Ionen reagieren mit dem Lignin in den Holzschnitzeln und bilden Natriumphenolatsalze, die in der Kochlauge löslich sind.
Da die Kochzeit beim Sulfataufschlu3 kürzer ist als beim Sulfitaufschluß
haben die Sulfid-Ionen für den Abbau des Kohlenwasserstoff teils des Zellulosematerials weniger Zeit. Daher ist der
Zellstoff des Sulfataufschlusses stärker als der Zellstoff des
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Sulfitaufschlusses und aus diesem Grunde wird normalerweise der Sulfataufschluß in der papierherstellenden Industrie eingesetzt.
Wegen der Kosten für Natriumhydroxid und Natriumsulfid wird die Kochlauge zur Wiedergewinnung des Natriums und des Schwefels verdampft.
Wenn jedoch anstelle einer Verdampfung eine Filterung vorgenommen wird, wird nach der Neutralisierung der Kochlauge ein
Kraft- bzw. Alkalilignin erzeugt. Das sich ergebende Kraft-Lignin
ist ein dunkelbrauner feinteiliger Feststoff (dark brown fine solid)
In dieser Beschreibung wird der Ausdruck "Lignin" austauschbar mit
Lignosulfonat und Kraft-Lignin verwendet. Im allgemeinen weisen die meisten Lignine die folgenden Eigenschaften auf: Sie besitzen
eine braune Farbgebung; ihre Dichte liegt zwischen 1,3 und 1,4 und der Brechungsindex beträgt ungefähr 1,6. Andererseits sind Lignosulfonate
löslich in Wasser, aber unlöslich in Mineralölen und Kohlenwasserstoffen, während Kraft-Lignine in wässrigen alkalischen
Lösungen und Aminen oder oxigenierten organischen Verbindungen lösbar sind, wobei verschiedene Träger zum Erreichen einer gleichmäßigen
Mischung erforderlich sind. Weiterhin zeigen die Lignosulfonate leine sichtbare Kristallforra, während RöntgenbeugungsUntersuchungen zeigen, daß Lignosulfat ein amorphes Polymer ähnlich dem
Kraft-Lignin ist. Weiterhin wurde gefunden, daß Kraft-Lignin einen Sinterpunkt besitzt und bei höheren Temperaturen wie Phenolverbindungen
zum Fließen neigt, während im Gegensatz dazu die Lignosulfonate nicht schmelzen, vor dem Verkohlen jedoch gewisse Erweichungserscheinungen
zeigen.
β C _
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Bei der Untersuchung organischer Elemente als Reibstoffe müssen nicht nur Änderungen beachtet werden, die in dem Gesamtreibungskoeffizienten
auftreten können, sondern der zusammengesetzte Reibstoff muß auch unter den beim Bremsen auftretenden Bedingungen thermisch
stabil sein.
Mittels thermogravimetriseher Analyse wurde gefunden, daß die thermische
Stabilität von Ligno-Sulfonat und Kraft-Lignin mit Phenolharzen in dem thermischen Betriebsbereich der meisten Fahrzeugbremsen
kompatibel ist. Aus dieser Erkenntnis heraus wird erfindungsgemäß ein Reibstoff vorgeschlagen, dem eine Ligninsubstanz zugesetzt
ist, um den Phenolharzanteil zu verringern, wobei jedoch ein im
wesentlichen gleichförmiger Reibungskoeffizient eingehalten wird.
Die Erfindung geht daher von einem organischen Reibstoff bestehend
aus einem Trägermaterial für den Aufbau der inneren Festigkeit des Reibstoffes, aus Füllstoffen für die Einstellung des Verschleißwertes,
des Reibwertes und des Geräuscherzeugungswertes und aus Bindemitteln aus.
Erfindungsgemäß weist das Bindemittel ein Phenolharz und ein Streckmittel
ausgewählt aus der Gruppe: Lignosulfat, Kraft-Lignin oder
Mischungen davon für den Aufbau einer Matrix zum Halten des Trägermaterials und der Füllstoffe in fester Beziehung auf.
Weitere Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Reibstoffes.
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Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren genauer beschrieben
werden. Es zeigt:
Fig. 1 eine graphische Darstellung des Reibungskoeffizienten eines ersten, bei verschiedenen Temperaturen
( C) eingesetzten Reibbelages, der aus organischen Reibverbindungen aufgebaut ist, die durch Ersatz
eines Teils des Phenolharzes durch eine Ligninsubstanz
modifiziert worden sind;
Fig. % eine graphische Darstellung der auf Gewicht bezogenen
Verschleißgeschwindigkeit des Reibbelags gemäß Fig. 1 bei verschiedenen Betriebstemperaturen (0C);
Fig. 3 eine graphische Darstellung vergleichbar der Darstellung gemäß Fig. 1 zur Darstellung des Reibungskoeffizienten
eines bei verschiedenen Temperaturen (0C) eingesetzten Reibbelags, der aus organischen
Verbindungen aufgebaut ist, die durch den Ersatz der zuvor eingesetzten Cashew-Reibungsteilchen durch
eine Lignin-Substanz modifiziert worden ist;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der auf Gewicht bezogenen Verschleißgeschwindigkeit der bei verschiedenen
Temperaturen (0C) eingesetzten Reibbeläge gemäß j Fig. 3;
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Bremsleitungsdrucks
(kg/cm ), bei verschiedenen Arbeitstemperaturen ( C),
welcher Druck für die Bremsen bei Einsatz eines Reibbelages erfordedich ist, bei dem in verschie-
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denen Prozentsätzen ein Phenolharzwerkstoff durch ein Ligninsubstitut ersetzt worden ist;
Fig. 6 eine graphische Darstellung des Verschleißes (mm)
der Bremsbeläge gemäß Fig. 5 bei verschiedenen Temperaturen (0C) des Bremsbelages;
Fig. 7 eine graphische Darstellung des Bremsleitungsdruk-
kes (kg/cm ) der für das zehnmalige aufeinanderfolgende Herunterbremsen eines Kraftfahrzeuges
von 96 km/h mit einer Verlangsamung von 4,57 m/s
bei Einsatz eines Lignin-modifizierten Brentsbelages
und
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Bremsleitungsdruk-
kes (kg/cm ), der für das fünfzehnmalige aufeinanderfolgende
Herunterbremsen eines Fahrzeuges von 96 km/
2 h bei einer Vetlangsamung von 4,57 m/s
beim Einsatz eines Lignin-modifizierten Bremsbelages
erforderlich war.
Wenn die Bremsen eines Fahrzeuges angelegt werden, kommt der Bremsbelag
an jedem Rad in Reibungseingriff mit einem anderen Bauteil, um die Drehbewegung des Rades zu verlangsamen. Durch den Reibungseingriff wird thermische Energie erzeugt, während die Bremstrommel
oder die Bremsscheibe auf dem Bremsbelag gleiten. Bei den üblichen organischen Bremsbelägen bleiben die Asbestfasern stabil, wenn sie
thermischen Änderungen bis zu 4 3o C ausgesetzt werden. Bei höheren Temperaturen zersetzen sich die Asbestfasern aber infolge von Was-
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serverlust. Wenn Asbest dehydriert wird, geht es in Forsterit oder
Olivin über, während das ebenfalls im Bremsbelag vorhandene Phenolic
Arz zu einem kohleartigen Harz reduziert wird, wenn die Matrix in Eingriff mit der Bremstrommel oder der Bremsscheibe kommt. Wenn jedoch
ein Phenolharz, das durch die Reaktion anes Phenols mit Formaldehyd in Gegenwart einer Säure zum Aufbau eines Novolaks erzeugt
wurde, in einem organischen Reibbelag eingesetzt wird, tritt ein Schmelzen des Phenolharzes an den Oberflächen aller Teilchen auf,
die zu einem Benetzen derselben führt und zu einer Reduzierung des
Verschleißes der die Reibung erzeugenden Elemente führt. Nach Härten des Phenolharzes wird die Matrixbindung erneut aufgebaut, die die
Reibungsfüllstoffe und die Asbestfasern in fester Lagebeziehung hält. Die Art von Bremsbelägen wurde von den meisten Kraft fahr zeug*·
hersteilern angenommen und wird im folgenden für die Ausarbeitung
unserer Hypothese benutzt, dass eine Lignin-modifizierte Reibungszusammensetzung sich in vergleichbarer Weise verhalten wird. Um
diese Hypothese zu belegen, wurden eine Reihe von Testversuchen an Reibstoffen in Form von Bremsbelägen vorgenommen, die Lignin
verschiedener Arten und in verschiedenen Prozentsätzen enthielten. Die Bremsbeläge wurden nach üblichen Techniken hergestellt, die
auf dem Gebiet der Herstellung organischer Bremsbeläge bekannt sind.
Die folgenden Lignosulfonate und Kraft-Lignine wurden untersucht, um zu Versuchsdaten zu gelangen, die die vorliegende Erfindung tragen.
In der Tabelle 1 sind dia Produktbeaeichnungen, die Hersteller,
die Form des Lignins und der Haupttyp des verwendeten Lignins charakterisiert.
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Hersteller
Form
Prodiakt 5ol Orzan S Orζan A
Marasperse C-21 G.P.Lignosite
Re ax 27 Reax 39 Indulin AT
a) C-Z a) C-Z a) C-Z
Puder Calzium-Lignosulfonat Puder Natrium-Lignosulfonat Puder Ammonium-Lignosulfonat,
Calzium- + Natrium-Lignosulfonat
b) | Amer-Can | Puder | entzuckert + raffinie |
c) | Georgia... | Lösung | entzückertes Calzium- Lignosulfonat |
d) | Westvaco.. | . Puder | Kraft-Lignin |
d) | Westvaco.. | . Puder | Kraft-Lignin |
d) | Westvaco.. | . Puder | Kraft-Lignin |
a): Chemical Products Division Crown-Zellerbach Corp.
Camas, Washington 986o7," USA b): American Can Corp. Chemical Products Div.
Greenwich, Conn. o638o, USA
c): Georgia Pacific, Portland, Oregon, USA d): Westvaco Polychemicals West Virginia Pulp & Paper Co.
North Charleston, South Carolina, USA
Wegen der leichten Zugänglichkeit des Produktes 5ol der Crown-Zellerbach
Corp. wurden die meisten Versuche mit Bremsbelägen aus einer organischen Zusammensetzung durchgeführt, die mit Calzium-Lignosulfonat
modifziert wurde. Damit soll nicht zum Ausdruck gebracht wer-
- Io 609847/0984
- Io -
den, daß das Produkt 5ol das mit größtem Vorteil einzusetzende Produkt
ist, da allein der Endeinsatz eines jeden Reibungsartikels bestimmen wird, welches Lignin von vielen zur Verfugung stehenden
Ligninsorten am besten für das besondere Produkt geeignet ist.
In der Tabelle 2 ist eine typische Zusammensetzung für ein Lignosulfonat,
wie z.B. das in Tabelle 1 identifizierte Produkt 5ol angegeben .
Tabelle 2 Zusammensetzung eines typischen Lignosulfonats
Verbindung Gew. -%
Calzium-Lignosulfonat 85 - 87 Kohlenhydrate 4-6
Zucker 1-3
Methoxyl (-OCH3) 8,6 - 9,ο
Tannin 5o,5 - 51,ο
Sulfat (wie SO4) 8,5 - 8,9
Asche (48 2,2°C während 12 h) 16 - 18 Feuchtigkeit (H2O) 6-8
Im Orzan S und Marasperse C-21 liegt eine Substitution des Calziums
durch Natrium in verschiedenen Mengen vor, die von dem eingesetzten
- 11 -
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Verfahren bei der Herstellung der Papierpulpe oder von dem Raffir
nierverfahren abhängig sind. Eine typische Zusammensetzung für ein Kraft-Lignin gemäß Tabelle 1 ist in der folgenden Tabelle 3 gegeben.
Zusammensetzung eines typischen Kraft-Lignins
Verbindung max. Gew.-%
rKraft-Lignin 99
Kohlenhydrate 1
Zucker . or5
Methoxyl (-OCH3) 13,9
Sulfat (wie SO4) o,5
Asche o,9 Feuchtigkeit (H3O) 3
! Durch thermogravimetrisehe Analyse wurde gefunden, daß ein Ligno-
: sulfonat oberhalb 426,7°C thermisch stabiler sein kann als ein
Kraft-Lignin. Aus diesem Grunde kann ein Lignosulfat zu einem
Bremsbelag für ein Bremssystem führen, das ein besseres Gesamtbetriebsverhalten zeigt.
In der Tabelle 4 sind die Anteile verschiedener Komponenten in
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Gew.-% aufgeführt, die in einer typischen organischen Bremsbelags-2usammensetzung
vorhanden sind, die als Zusammensetzung A identifiziert ist. Die Zusammensetzungen B, C, D und E weisen verschiedene
Lignosulfonate und die Zusammensetzungen F, G und H weisen
Kraft-Lignine auf.
Kraft-Lignine auf.
- 13 -
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M •Ρ»
Tab | eile | 4 | C | D | E | Modifizierung durch Kraft-Liqnin |
G | H | I t-· ta |
|
Bestandteil Typische Bereiche für organische |
spezifische Formulierung |
2o | 2o | 2o | F | 2o | 2o | |||
Reibstoffe | A | 3o | 3o | 3o | 2o | 3o | 3o | |||
Phenolharz Io - 3o | 27 | Modifizierung durch Lignosulfonate |
3o | |||||||
Asbestfasern 25 - 55 | 3o | B | 14 | 14 | 14 | 14 | 14 | |||
Cashew-Nuß- | 23 | 11 | 11 | 11 | 14 | 11 | 11 | |||
Reibstaub 8-25 | 14 | 3o | 18 | 18 | 18 | 11 | 18 | 18 | ||
a) Organische Materialien ο - 2o |
11 | 18 | ||||||||
b) Anorganische Materialien ο - 2o |
18 | 14 | 7 | |||||||
Produkt 5ol | 11 | 7 | ||||||||
Produkt 5ol | 18 | 7 | ||||||||
Orzan S | 4 | 7 | 7 | |||||||
Marasperse C-21 | 7 | |||||||||
c) Reax 27 d) Reax 27 + Formaldehyd-Produkt Reax 39 |
||||||||||
γό
a) Die organischen Materialien können eines oder alle der folgenden
Stoffe in beliebiger Kombination umfassen: elastomere Materialien
in Form von natürlichen oder synthetischen Abfallgummis, Latex, Rohmolasse, asphaltische Grundmaterialien usw.
b) Die anorganischen Materialien können eines oder alle der folgenden
Materialien in beliebiger Kombination umfassen: Graphit, Kohlenteilchen, Baryte, Schlämmkreide, Talk, Bims (rotton stone), Kieselerde
, Tonerde usw.
c) Kraft-Lignin weist eine geringe Thermoplastizität auf.
d) Der HauptHnderungsgrund für den Einsatz eines Kraft-Lignins ist
deren Mangel an Thermoplastizität. Es wurde jedoch gefunden, daß Ligninderivate in einem begrenzten Maße sich in einem geschmolzenen
Bindemittel vor einer Vernetzungsreaktion lösen, was stattfindet,
wenn ein Phenolnovolak schmilzt. Es ist wichtig, daß das Kraft-Lignin auf diese Weise eine gewisse Thermoplastizität zeigt.
d) Um die Reaktivität für Reax 27 zu erreichen, wurde das Kraft-Lignin
in einer Natriumhydroxid-Lösung in Gegenwart von Formaldehyd gelöst, während die Temperatur auf ungefähr 99 C angehoben wurde.
Diese Mischung, die einen pH-Wert von ungefähr 12 besitzt, kühlte ab, während der pH-Wert durch Zugabe von Salzsäure auf ungefähr
7 erniedrigt wurde. Die Reaktionsflüssigkeit wurde von der Mischung
abgezogen und der Niederschlag zu einem Pulver getrocknet, welches im wesentlichen ein Resol ist, das wir in der vorstehenden Tabelle
609847/098 4 - 15 -
- 15 als Reax 27 + Fonaaldehyd-Produkt bezeichnet haben.
Die Bestandteile einer jeden Zusammensetzung A-H wurden sorgfältig
gemischt und in eine kalte Vorform gelegt, um eine abgemessene Menge der Zusammensetzung in einer vorbestimmten Form vorliegen
zu haben. Nachdem wurde die Zusammensetzung in eine Halteform in Form des Bremsbelages überführt. Die Temperatur wurde langsam
angehoben, damit das Phenolharz und/oder Lignin formbar wurden. Eine Druckkraft gleicher Intensität wurde dann auf jede Zusammensetzung
ausgeübt, um das Harz und/oder Lignin zur Bildung einer Haltematrix zu veranlassen, indem Harz und/oder Lignin um die anderen
Bestandteile der Zusammensetzung herumfließen. Da die Dichte
der sich ergebenden Zusammensetzung direkt von der auf die erwärmte Zusammensetzung ausgeübte Druckkraft abhängig ist, wurde für jedes
Beispiel dieselbe Druckkraft verwendet. Jede Zusammensetzung verblieb so lange in der erwärmten Form, bis das Phenolharz und/oder
Lignin zu verfestigen begann. Wenn das Verfestigen bzw. Härten so ;weit fortgeschritten war, daß stabile Zusammensetzungen vorlagen,
wurden die geformten Zusammensetzungen in einen Ofen überführt,
in dem die Temperatur zum vollständigen Aushärten des Harzes und/ oder Lignins angehoben wurde, welche beiden Bestandteile die die
Asbestfasern und andere Reibung erzeugende Bestandteile haltende Matrix bilden.
jDie Zusamensetzungen A-E wurden zunächst in einem Probendynamometer
untersucht, um Abnutzung und Reibung in Abhängigkeit von
mm
der Temperatur zu untersuchen. Ein 25,4 χ 25,4/Stück des Reibungsmaterials wurde von jedem Bremsbelag gemäß den Zusammensetzungen
A-H abgetrennt. Jedes der den Zusammensetzungen A-H entsprechenden
Probestücken wurde auf dem Dynamometer placiert; jedes Probestück wurde 4o mal für eine Zeitdauer- von 2o s gegen eine gußeiserne
Trommel gebremst, die sich mit 525 U/min drehte, was bei den gegebenen Dimensionen einer Geschwindigkeit von 64,4 km/h entsprach.
Die Versuche wurden jeweils bei Temperaturen von 121,1°C; 176,7°C;
2o4,4°C; 232,20C, 26o°C; 287,8°C; 315,6°C und 343,3°C durchgeführt.
Das Aus gangs drehmoment wurde auf 4o3,2 kgx cm gehalten.
i
I
S In der Fig. 1 sind die Reibungskoeffizienten aufgetragen, die bei den vorstehend angegebenen Temperaturen bei den Proben A-H gemessen wurden.
I
S In der Fig. 1 sind die Reibungskoeffizienten aufgetragen, die bei den vorstehend angegebenen Temperaturen bei den Proben A-H gemessen wurden.
Die Fig. 2 zeigt die Verschleißgeschwindigkeit, die dem Reibungskoeffizienten
der verschiedenen Zusammensetzungen zugeordnet ist. Aus den Daten der Fig. 1 und 2 kann leicht abgelesen werden, daß
der Reibungskoeffizient für die Proben B-H gleich oder besser als bei einem bereits vom Markt angenommenen und kommerziell erhältlichen
Bremsbelag ist, der durch die Bezugslinie A dargestellt ist. Aus der Fig. 2 ist jedoch ersichtlich, daß bei den Bremsbelä-
gen, in denen Phenolharz durch Zucker-haltige Lignosulfonate ersetzt
worden ist (Proben B - D), die Verschleißgeschwindigkeit zunimmt, wenn die Temperatur des Drehteils 273,8°C übersteigt,
während bei der Probe E, bei der entzückertes Lignosulfonat einigesetzt
wurde, und bei den Proben F, G und H, bei denen Phenol-
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harz durch modifiziertes Kraft-Lignin ersetzt worden war, die
Verschleißgeschwindigkeit gegenüber der Vergleichsprobe A in dem untersuchten Temperaturbereich eine Abnahme erkennen läßt.
Um die Modifizierung des Bremsbelages A durch Substitution des Phenolharzes durch Lignin oder Lignin-Derivate vollständig erfassen
zu können, war es erforderlich, den Effekt der Elimination der Phenoleigenschaften des Cashew-Nuß-Reibungsstaubes in der Grundformulierung
der Zusammensetzung A zu erfassen. In der Tabelle 5 ist die Substituierung mit Lignin oder Modifikationen davon in
den Reibungszusammensetzungen (in Gew.-%) in folgender Weise erfaßt:
In den Proben I und J wurde die Gesamtmenge an Cashewnuß-Reibungsstaub ersetzt, in der Probe K wurde zusätzlich zu dem
Ersatz des Reibungsstaubes auch ein Teil des Phenolharzes ersetzt und in den Proben L und M wurden ungefähr 5o % des Cashewnuß-Reibungsstaubes
und des Phenolharzes in der sich ergebenden Zusammensetzung beibehalten. Wegen der leichteren Zugänglichkeit der
Lignosulfonate wurden diese bei der Ableitung der folgenden Zusammensetzungsformulierungen
allein benutzt. Aus den Versuchen, die an den Materialien in Fig. 4 vorgenommen wurden, kann geschlossen
werden, daß Kraft-Lignin sich in gleicher Weise in den untersuchten Zusammensetzungen verhalten würde.
- 18 -
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Bestandteile Proben
I | J | K | L | M | |
A | 27 | 27 | 2o | 2o | 2o |
27 | 3o | 3o | 3o | 3o | 3o |
3o | |||||
14 | 11 | 11 | 11 | 11 | 11 |
11 | 18 | 18 | 18 | 18 | 18 |
18 | 14 | ||||
Phenolharz
Asbestfasern
Cashewnuß-Reibungsstaub
a) Organische Materialien
b) Anorganische Materialien
c) Produkt 5ol
d) Produkt 5ol + Hexa
e) Produkt 5ol + Formaldehyd
f) Marasperse C-21 + Cashewnuß-Reib ungsstaub
g) Lignosit + Cashewnuß-
reibungsstaub 21
a) Die organischen Materialien können eines oder alle der folgenden
Stoffe in beliebiger Kombination umfassen: elastomere Materialien in Form von natürlichen oder synthetischen Abfallgummis, Latex,
Rohmolasse, asphaltische Grundmaterialien usw.
b) Die anorganischen Materialien können eines oder alle der folgenden
Materialien in beliebiger Kombination umfassen: Graphit, Kohlenteilchen, Baryte, Schlämmkreide, Talk, Bims (rotton stone),
Kieselerde, Tonerde usw.
- 19 -
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c) Bei dieser Probe wurde das Produkt 5ol direkt als Substitut für den Cashewnuß-Reibungsstaub eingesetzt.
d) Bei dieser Probe wurde das Produkt 5ol mit Hexamethylentetramin
auf eine Temperatur von ungefähr 2600C erwärmt, bei der es
polymerisierte und für eine das Zumischen zu der Zusammensetzungsmischung erleichternden Granulierung hinreichend hart war.
e) Bei dieser Probe wurde das Produkt 5ol mit Formaldehyd auf eine
Temperatur von ungefähr 177°C erwärmt, bei der es polymerisierte und ebenfalls für eine Granulierung ausreichend hart war.
f) Bei dieser Probe wurden gleiche Mengen an Marasperse C-21 und
Cashewnußschalenflüssigkeit Formaldehyd zugesetzt und bis zur PoIymerisierung
erwärmt. Der sich ergebende Stoff wurde bis zu einer Teilchengröße von -4o Mesh gemahlen, um die Zugabe des Stoffes
in die Zusammensetzungsmischung zu erleichtern.
g) Diese Probe entspricht der Probe gemäß f) mit der Ausnahme,
daß das Lignosulfonat im Vergleich zu der Puderform der anderen untersuchten Materialien hier in Lösungsform vorlag.
Die gleichen Versuche bezüglich des Reibungskoeffizienten und des
Verschleißes wurden wie bei den Proben gemäß Tabelle 4 an Segmenten mit Abmessungen 25,4 χ 25,4 mm durchgeführt, die aus den Probenzusammensetzungen
I, J, K, L und M gemäß Tabelle 5 herausgeschnitten! !wurden.
• 609847/0984
- 2ο -
In der Fig. 3 ist der Reibungskoeffizient für die Proben I, J, K,
L und M und der Reibungskoeffizient der Standardprobe A in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen.
Die Fig. 4 zeigt die dem Reibungskoeffizienten der Proben I, J, K,
L und M sowie der Vergleichsprobe A zugeordneten Verschleißgeschwin=
itgkeiten. Aus den Daten der Fig. 3 und 4 kann leicht abgelesen wer=
den, daß der Reibungskoeffizient im wesentlichen dem Reibungskoeffizienten der Standardprobe A entspricht und daß bei anfänglicher
Reaktion des Lignosulfats mit einem Härtemittel, wie z.B. Hexamethylentetramin
die Verschleißgeschwindigkeit sich der Verschleißgeschwindigkeit des Kraftlignin gemäß Fig. 2 annähert.
in
Aus den/Fig. I, 2, 3 und 4 dargestellten Daten wurde bestimmt, daß bis zu 5o % des in einem Bremsbelag erforderlichen Phenolharzes durch ein Kraft-Lignin- oder ein Lignosulfonat-Material ersetzt werden können, ohne daß eine Verringerung des Reibungskoeffizienten auftritt, während das substituierte Produkt eine angemessene Betriebslebensdauer zeigt. Wir konnten auch zeigen, daß eine Mischung von Lignin und Harnstoff das gesamte Phenolharz ersetzen kann und
Aus den/Fig. I, 2, 3 und 4 dargestellten Daten wurde bestimmt, daß bis zu 5o % des in einem Bremsbelag erforderlichen Phenolharzes durch ein Kraft-Lignin- oder ein Lignosulfonat-Material ersetzt werden können, ohne daß eine Verringerung des Reibungskoeffizienten auftritt, während das substituierte Produkt eine angemessene Betriebslebensdauer zeigt. Wir konnten auch zeigen, daß eine Mischung von Lignin und Harnstoff das gesamte Phenolharz ersetzen kann und
zu einem Reibstoff mit normaler Reibung und normalem Verschleiß-
widerstand führt.
iüm den Einsatz von Lignin und dessen Derivaten in verschiedensten
organischen Bremsbelägen noch deutlicher herauszustellen, erschien es erforderlich, die neuen Reibstoffe mit einem zweiten, bereits
auf dem Markt befindlichen organischen Bremsbelag zu vergleichen,
609847/0984 -21-
der eine andere spezifische Formulierung aufweist. In der Tabelle 5 sind verschiedene Verbindungen in Gew.-% aufgelistet, die zu
einem kommerziell erhältlichen Bremsbelag gehören, der als Probe P identifiziert ist. Die Proben Q, R und S betreffen Modifizierungen
mit Kraftligninen und die Proben T, U und V betreffen Proben mit
kommerziell erhältlichen Lignosulfaten.
- 22 -
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Tabelle 6 | - | Modifizierung Kraft-Lignin |
- | R | — | 8 | - | S | - | durch | — | 6 | - | Modifizierung dureli Licjnosulfonate |
— | 3 | V | - | 6 | |
Bestandteil Typische Bereiche für organische |
spezifische Formulierung |
- | Q | - | 9 | - | _ | - | T | - | U | - | 11 | - | ||||||
Reibstoffe | P | 13 | - | 43 | - | 43 | 11 | 14 | 43 | |||||||||||
a) Phenolharz Io - 3o | 17 | - | 43 | 23 | 23 | 17 | 43 | - | 43 | - | 23 | - | ||||||||
Asbestfasern 25 - 55 | 43 | - | 23 | Io | Io | - | 23 | 23 | - | Io | - | |||||||||
Cashewnuß-Reibstaub 8-25 | 23 | - | Io | - | Io | Io | - | |||||||||||||
b) Organische Materialien o- 25 | Io | 7 | 7 | 7 | ||||||||||||||||
c) Anorganische | 7 | 7 | 7 | |||||||||||||||||
Materialien ο - 2o | 7 | 4 | ||||||||||||||||||
d) Reax 27 + Formaldehyd-Produkt | - | |||||||||||||||||||
e) Reax 39 + Hexamethylentetramin | ||||||||||||||||||||
f) Indulin AT und Harnstoff (urea) + | ||||||||||||||||||||
Hexamethylentetramin | ||||||||||||||||||||
Indulin AT | ||||||||||||||||||||
Orζan A | ||||||||||||||||||||
Marasperse C-21 |
a) Das Phenolharz wurde durch Zugabe eines Epoxydharzes modifi- ■
ziert.
b) Die organischen Materialien können eines oder alle der folgenden
Stoffe in beliebiger Kombination umfassen: elastomere Materialien in Form von natürlichen oder synthetischen Abfallgummis, Latex,
Rohmolasse, asphaltische Grundmaterialien usw. .
; c) Die anorganischen Materialien können eines oder alle der folgenr
den Materialien in beliebiger Kombination umfassen: Graphit, Koh- '
lenteilchen, Baryte, Schlämmkreide, Talk, Bims {rotton stone), ■
Kieselerde, Tonerde usw.
• i
• d) Um die Reaktivität für Reax 27 zu erreichen, wurde das Kraft-
jLignin in einer Natriumhydroxid-Lösung in Gegenwart von Formalde- j
! hyd gelöst, während die Temperatur auf ungefähr 99°C angehoben wurde.
Diese Mischung, die einen pH-Wert von ungefähr 12 besitzt, kühlte ab, während der pH-Wert durch Zugabe von Salzsäure auf ungefähr
7 erniedrigt wurde. Die Reaktionsflüssigkeit wurde von der :
Mischung abgezogen und der Niederschlag zu einem Pulver getrocknet!,
! welches im wesentlichen ein Resol ist,das wir in der vorstehenden :
j Tabelle als Reax 27 + Formaldehyd-Produkt bezeichnet haben. \
e) Der Haupthinderungsgrund für den Einsatz eines Kraft-Lignins wie Reax 39 ist dessen Mangel an Thermoplastizität. Es wurde jedoch
gefunden, daß durch Hexamethylentetramin modifizierte Lignin-Derivate in einem geschmolzenen Bindemittel in einem begrenzten Ausmaß
vor einer Vernetzungsreaktion lösen, was stattfindet, wenn
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ein Phenolnovolak schmilzt.
t) Es ist wichtig, daß das Kraft-Lignin Tftermopiastizitat zeigt.
Die Thermoplastiζität kann dem Indulin AT oder anderen Kraft-Ligninen
durch eine Reaktion von Harnstoff in einer alkalischen Lösung
aufgeprägt werden. Es wurde jedoch gefunden, daß ein gleichmäßigeres
und gesteuert thermoplastisches Matsrial aus der nachstehend
beschriebenen im wesentlichen trackenan Mischung erhalten
wird. 25 - 35 Teile Harnstoff werdsn 75 - €5 Teilen F.raft-Lignin
augasetzt und in einem Behälter erwärmt. Wenn »sins ^irjücniaklösung
2uc,"asiat3t wird, wiri eine sehr thermoplastische Substanz erzeugt.
DxaseaSubstanz wird Hexamethylentetramin in ungefähr Io Teilen pro
loo Teile Harnstoff und Kraft-Lignin zugesetzt. Die sich ergebende
Mischung kann sich absetzen und das sich abgesetzt habende und getrocknete Material wird zu dsm als Reax 27 modifiziert bezeichneten
Material gemahlen.
Die Bestandteile in jeder der Zusammensetzungen P-V wurden miteinander
vermischt und zu einem Bremsbelag in derselben Weise ausgeformt, wie dies bei den Proben A-H beschrieben worden ist.
Um die Materialzusammensetzungen in den Bremsbelagproben P, Q, P-
und S zu testen, wurden die folgenden Versuche auf einem Inertialdynamometer durchgeführt. Das Inertialdynamometer wurde so eingestellt,
daß es ein Fahrzeug mit einer Radlast von 317,5 kg simu- liert,
wobei das Rad mit einer 55,9 mm Scheibensattelbremse ausgerüstet ist. Nach einer Glättfolge wurden 3oo Bremsungen mit
..... _ _ . ... . . .. - 25"»
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■j
einer Verlangsamung von 3,66 m/s herunter von einer Äquivalentgeschwindigkeit
von 8o km/h durchgeführt. Der Bremsleitungsdruck
wurde bei Rotortemperaturen von 121,1; 19o,5; 26o; und 315,6 0C
durchgeführt.
Die Fig. 5 zeigt die Änderung im Bremsleitungsdruck, die bei den
verschiedenen Temperaturen erforderlich war, um das Inertialdynamometer zu einem Halt zu bringen, während die Fig. 6 die den
den Herunterbremsungen gemäß Fig. 5 zugeordneten Bremsbelagverschleiß für verschiedene Temperaturen zeigt.Es ist bekannt, daß
der Bremsleitungsdruck umgekehrt proportional zum Reibungskoeffizienten
ist; aufgrund dieser Tatsache können die folgenden Aussagen gemacht werden. Der kommerziell erhältliche Bremsbelag P weist
bei höheren Temperaturen einen höheren Reibungskoeffizienten auf, was zu signifikantem Verschleiß führt. Der Bremsbelag Q hat den
stabilsten Reibungskoeffizienten mit dem geringsten Verschleiß in dem untersuchten Temperaturbereich. Im allgemeinen wurde der Reibungskoeffizient
bei allen Proben Q, R und S verbessert. Wenn jedoch das Phenolharz vollständig aus der Grundformulierung gemäß
Probe S fortgelassen wurde, ist das Verschleißverhalten extrem schlecht, wenn die Betriebstemperatur über 26o°C ansteigt. Daher
wird es für die meisten Bremsbeläge notwendig sein, einen gewissen Phenolharzanteil in der Zusammensetzung für den Bremsbelag vorzusehen
.
Um Daten vorweisen zu können, die den weiten Einsatz von Lignin als Harzstreckmittel belegen, wurden die Zusammensetzungen T, U
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und V für Bremsbeläge weiterhin mit dem Bremsbelag P auf einem Fahrzeug verglichen.
Das Testfahrzeug wies vorne Scheibenbremsen und hinten Trommelbremsen
auf. Es wurde bis zu einem Gesamtgewicht von 2948 kg beladen. Neue Drehkörper (Scheiben und Trommeln) wurden für jede Zusammensetzung
bei den Bremsversuchen verwendet. Bei den Versuchen wurde
alle o,64o km aus einer Geschwindigkeit von 96,5 km/h mit einer
Verzögerung von 4,57 m/s heruntergebremst. Nach Anhalten des Fahrzeugs
wurde durch Vollgasgeben das Fahrzeug schnell wieder auf die Testgeschwindigkeit von 96,5 km/h beschleunigt. In der Fig. 7 wurde
der Bremsdruck während eines Tests mit Io Anhaltevorgängen für die Bremsbelagszusammensetzungen T, U und V aufgetragen, die Lignin
enthalten. Es zeigt sich, daß im Vergleich zur Standardprobe P die Proben T, U und V zu einem höheren Bremsleitungsdruck führen
und somit einen niedrigeren Reibungskoeffizienten haben. Jedoch haben sich die entsprechenden Lignin-modifizierten Proben T, U und
V in dem nachfolgenden Versuch mit 15 Anhaltevorgängen derart stabilisiert, daß sie einen im wesentlichen gleichmäßigeren Reibungskoeffizjaiten
des Bremsbelages zeigen.
Die vorstehenden Versuche zeigen, daß ein in einem organischen Reibstoff eingesetztes Phenolharz durch eine Substituierung durch
Lignin modifiziert werden kann, derart, daß eine im wesentlichen äquivalente Zusammensetzung des Reibstoffes, insbesondere eines
Bremsbelages erzielt wird.
- 27 609847/0984
Claims (11)
1. Organischer Reibstoff, bestehend aus einem Trägermaterial für
den Aufbau der inneren Festigkeit des Reibstoffes, Füllstoffen für die Einstellung des Verschleißwertes, des Reibwertes und
des Geräuscherzeugungswertes und aus Bindemitteln, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Phenolharz und ein Streckmittel
ausgewählt aus der Gruppe Lignosulfonat, Kraft-Ltgnin
oder Mischungen davon für den Aufbau einer Matrix zum Halten des Trägermaterials und des Füllstoffes in fester Beziehung
zueinander aufweist.
2. Reibstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es bis
zu 3o Vol.-% eines Phenolstreckmittels ausgewählt aus der Gruppe! Lignosulfat, Kraft-Lignin und Derivaten davon enthält.
3. Reibstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Streckmittel ein Lignosulfat ist.
4. Reibstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Lignosulfat durch eine anfängliche Reaktion mit Hexamethylentetramin zur Verbesserung seiner Stabilität modifiziert
worden ist.
5. Reibstoff nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß
das Streckmittel ein Kraft-Lignin ist.
- 28 • 609847/0984
6. Reibstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraft-Lignin
durch eine anfängliche Reaktion mit Harnstoff zur Verbesserung seiner Thermoplastizität modifiziert worden ist.
7. Reibstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraft-Lignin durch eine anfängliche Reaktion mit Formaldehyd
zur Verbesserung seines Flußverhaltens modifiziert worden ist.
8. Reibstoff bestehend ais einem Trägermaterial für den Aufbau
der inneren Festigkeit des Reibstoffes, Füllstoffen für die Einstellung des Verschleißwertes,des Reibwertes und des Geräuscherzeugungswertes
und aus Bindemitteln, gekennzeichnet
bis zu
durch/55 Vol.-% Asbestfasern, bis zu 25 Vol.-% organischen Füllstoffen ausgewählt aus der Gruppe: Abfallgummi, Latex, Rohmolasse und Asphaltbasismaterialien, bis zu 2o Vol.-% anorganische Füllstoffe ausgewählt aus der Gruppe: Graphit, Kohlenstoff, Baryt, Schlämmkreide, Talk, Bims, Kieselerde und Tonerde; bis zu 25 Vol.-% Cashewnuß-Pulver; bis zu 35 Vol.-% Phenolharz und bis zu 3o Vol.-% Lignin, wobei das Lignin und das Phenolharz zum Aufbau einer Bindung für das Festhalten der Asbestfasern, der anorganischen Füllstoffe, der organischen Füllstoffe und des Cashewnuß-Pulvers in fester Beziehung zueinander aushärten.
durch/55 Vol.-% Asbestfasern, bis zu 25 Vol.-% organischen Füllstoffen ausgewählt aus der Gruppe: Abfallgummi, Latex, Rohmolasse und Asphaltbasismaterialien, bis zu 2o Vol.-% anorganische Füllstoffe ausgewählt aus der Gruppe: Graphit, Kohlenstoff, Baryt, Schlämmkreide, Talk, Bims, Kieselerde und Tonerde; bis zu 25 Vol.-% Cashewnuß-Pulver; bis zu 35 Vol.-% Phenolharz und bis zu 3o Vol.-% Lignin, wobei das Lignin und das Phenolharz zum Aufbau einer Bindung für das Festhalten der Asbestfasern, der anorganischen Füllstoffe, der organischen Füllstoffe und des Cashewnuß-Pulvers in fester Beziehung zueinander aushärten.
9. Organische Basis für Reibungsstoffe, dadurch gekennzeichnet,
daß sie bis zu 21 Vol.-% Ligninteilchen mit einer Größe klei- :
ner als 4o Mesh (ο,42 mm) enthält.
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10. Organische Basis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ligninteilchen aus durch eine Reaktion mit Formaldehyd modifiziertem Lignosulfonat bestehen.
11. Organische Basis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ligninteilchen aus einem durch eine Reaktion mit Hexamethylentetramin
modifizierten Lignosulfonat bestehen.
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Leerseite
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- 1976-04-21 GB GB16152/76A patent/GB1529091A/en not_active Expired
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