DE2804327A1

DE2804327A1 - Asbestfreies friktionselement

Info

Publication number: DE2804327A1
Application number: DE19782804327
Authority: DE
Inventors: George J Bohrer
Original assignee: HK Porter Co Inc
Current assignee: BBA Group PLC
Priority date: 1977-02-02
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1978-08-03
Also published as: IE46315B1; ES466492A1; IL53900A; AU508920B2; AR222148A1; AU3285978A; FR2379563B1; BE863509A; SE7801195L; NL172090C; US4130537A; NL7801096A; IE780184L; IT1105175B; MX146618A; FR2379563A1; IL53900A0; CA1121079A; IT7847860A0; DE2804327C2

Description

PATENTANWÄLTE

DipK-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZI&8 O 4 3 2 Dipl.-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD ■ Dr. D. GUDEL

281134 £T 6 FRANKFURT/M.

Ό GR. iSCHENHE.MER STR.39

30. Januar 1978 Case: 76115-D

Gu/Rb/Pi/Schu

H. K. Porter Company, Inc.

Porter Building

Pittsburgh, Pennsylvania 15219

USA

Asbestfreies Friktionselement

809831/1017

Beschreibung

Die Erfindimg betrifft eine Zusammensetzung bei der Herstellung von geformten Friktionselementen, wie z.B. Kupplungsbelägen, Bremsklötzen oder Bremsbelägen oder dergleichen. Die Erfindung ermöglicht es, derartigen Friktionselementen Eigenschaften zu verleihen, die den Eigenschaften bekannter Friktionselemente vergleichbar sind, wobei dem zunehmenden Bedürfnis Rechnung getragen wird, Arbeiter vor gesundheits-. schädlichen, in der Luft enthaltenen Substanzen zu schützen, da Asbest als der herkömmliche Bestandteil derartiger Friktionselemente eliminiert wird.

Das Mineral Asbest spielt seit langem bei der Herstellung von Gegenständen eine Rolle, die hitzebeständig sein müssen. Schon vor Marco Polo's Zeit, der den Venezianern von seinen Reisen nach Sibirien berichtete, wo er faserförmige, zu Gewebe gewobene Substanzen kennenlernte, die selbst in einem Feuer unbrennbar blieben, war die Hitzebständigkeit von Asbest bekannt. Es ist daher nicht verwunderlich, daß Asbest der hauptsächliche Bestandteil von Friktionselementen war, die in den Brems- und Kupplungsanordnungen von Automobilen verwendet wurden, die hohen Betriebstemperaturen und Drucken

809831/101?

standhalten müssen. Die US-Patente 1 608 Ί65, 2 025 039, 2 218 535, 2 431 883, 2 702 770, 3 086 131 und 3 437 546 sind für die Zeitspanne, die fast 50 Jahre umfaßt, repräsentativ, in der Asbest als hauptsächlicher aktiver Friktions- oder Reibungsbestandteil in Friktionsmaterialien eingesetzt wurde.

Wenn das in Friktionselementen verwendete Asbest in Form eines Garnes verwendet wird, wird das Garn oder der Faden gewöhnlicherweise mit einem Kern aus dünnem Metalldraht versehen, um die zur Handhabung des Garnes während der Herstellung eines Friktionselements benötigte Zugfestigkeit zu verwirklichen. Fachleute fanden jedoch heraus, daß es nötig ist, die Asbestfasern mit einer festeren faserigen Substanz zu verstärken, z.B. mit Baumwolle, um Asbest in die Form eines Garnes spinnen zu können. Die Fachleute benutzten üblicherweise daher bevorzugt ein Garn aus «etwa 75 bis 85 % Asbest und 15 bis 25% Baumwolle, vgl. z.B. die US-PS 2 052 808,

2 130 520, 2 855 081, 3 068 131, 3 365 O41 und 3 429 766. Die Lehre dieser Patente verdeutlicht, daß die Hinzunahme von Baumwolle oder einer anderen Faser in das Asbestmaterial erfolgte, um die Spinnfähigkeit oder die Zugfestigkeit des Garns zu erhöhen, der Zusatz wurde daher eher geduldet als angestrebt. Die Notwendigkeit, eine begrenzte Menge anderer Fasern, z.B. Baumwolle in Asbestgarn vorzusehen, welches zur Herstellung von Friktionselementen benutzt werden sollte, wurde tatsächlich derart hingenommen, daß die jüngeren Patente nur von "Asbestgarn" sprechen, ohne speziell derartige andere Fasern zu erwähnen, vgl. z.B. die US-PS 3 437 546 und

3 600 258. Ferner wurde auch die Verwendung von zellulosehaltigen Fasern in Kombination mit Asbest vorgeschlagen, um die unerwünschte Eigenschaft, daß unter der Reibungswärme bei Betrieb ein Schwund (fading) auftritt, zu verringern, vgl. US-PS 2 702 770.

809831/1.017

-Y-

Seit dem Erlaß des Arbeitsplatz-Sicherhe'its- und Gesundheitsgesetzes (Occupational Safety and Health Act) von 1970 hat die Arbeitsplatz-Sicherheits- und Gesundheitsbehörde (Occupational Safety and Health Administration (OSHA) ) Richtlinien herausgebracht, die den berufsbedingten Kontakt am Arbeitsplatz mit Asbest regeln, und es hat den Anschein, daß diese Richtlinien zunehmendbis zu dem Punkt verschärft werden, an dem kein Kontakt mit Asbest mehr auftreten darf. Die zur Zeit gültigen OSHA-Richtlinien begrenzen unter anderem die Zahl der Asbestfasern pro Volumeneinheit an Luft, denen ein Arbeiter über eine gegebene Zeitperiode ausgesetzt werden darf. Die Aufstellung derartiger Richtlinien rührt von der Wahrscheinlichkeit her, daß ein Kontakt mit Asbest krebserregend für die Menschen ist.

Die höchsten Konzentrationen an Asbeststaub sind wahrscheinlich, mit der Ausnahme von Asbestminen, in Asbest-Textilfabriken anzutreffen, in denen Asbestfasern zubereitet, kardiert, gesponnen, gewogen etc. werden. Astbeststaub ist jedoch außerdem in denjenigen Fabriken vorhanden, in denen Friktions- oder Bremsmaterialien hergestellt werden. Je nach den speziellen Fabrikbedingungen tragen Verfahrensschritte, wie z.B. das Mischen, das Formen, Pressen und Erhitzen von Asbest enthaltenden Materialien, das Schleifen, Absanden, Schneiden und Bohren von Asbest enthaltenden Gegenständen, das Verbinden (Bonding), Vernieten, Inspizieren und Verpacken fertiger Friktionselemente, die Asbest enthalten, alle dazu bei, daß Asbest in der Luft vorhanden ist. Es ist daher ein erstrebenswertes, wertvolles (und in der Zukunft vielleicht zwingend erforderliches) Ziel, Asbest als einen Bestandteil von Friktionsmaterialien zu eliminieren.

809831/101?

28Ü4327

Es wurde die Verwendung von Glasfasern in Friktionsprodukten vorgeschlagen. Einige dieser früheren Vorschläge betrafen die Verwendung von Glasfasern zur Verstärkung von Asbest enthaltenden Friktionselementen, zuerst als Unterlagematerialien für herkömmlich hergestellte Friktionselemente (vgl. z.B. die US-PS 3 061 131 und 3 365 041) und anschließend als Teil der Reibungsfläche selbst (z.B. die US-Patente 3 429 766, 3 526 306, 3 520 390 und 3 600 358). Der Zweck für die Verwendung von Glasfasern bestand darin, die Berstfestigkeit der Friktionselemente zu erhöhen (die Berstfestigkeit ist ein Maß für die Zentrifugalkräfte, die durch ein Friktionselement ohne eine Auflösung in Einzelbestandteile ausgehalten werden können. Die Prüfung der Berstfestigkeit wird normalerweise bei erhöhten Temperaturen durchgeführt).

In letzter Zeit wurde vorgeschlagen, Glasfasern allein oder zusammen mit Metalldraht oder Metallspänen zur Herstellung von Friktionselementen zu verwenden, die kein Asbest enthalten (vgl. z.B. die US-PS 3 743 5Si und 3 967 037). In diesen Fällen dienen die Glasfasern nicht nur zur Erhöhung der Berstfestigkeit und der Abnutzungs-Widerstandsfähigkeit, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, sondern sie dienen auch als aktiver Reibungsbestandteil. Im allgemeinen werden derartige Friktions- oder Reibungselemente mittels bekannter Verfahren hergestellt, bei denen ein herkömmliches, durch Wärme aushärtbares organisches Bindemittel verwendet wird, um die Glasfasern in eine Masse zu binden.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß Glas als aktiver Reibungsbestandteil eines Friktionselements in den meisten gewerblichen Anwendungen im Vergleich mit herkömmlichen,· Asbest enthaltenden Reibungsflächen, zu "aggres£v" ist. Diese

809831/101?

2ÖÜ4327

Aggressivität wird oftmals während simulierter oder tatsächlicher Betriebsbedingungen als Geräusch, Vibration und/oder unregelmäßige Brems- oder Reibungseffekte festgestellt, wenn das Friktionselement eine Paßflache berührt, und es kann keiner dieser Effekte von der in hohem Wettbewerb stehenden Automobilindustrie hingenommen werden.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile bekannter Zusammensetzungen für Friktionselemente auf zweierlei Weise:

(1) Gemäß der Erfindung wird eine Friktionsmaterialzusammensetzung angegeben, die kein Asbest als Bestandteil enthält und dennoch Betriebseigenschaften besitzt, die mit denen von Asbest enthaltenden Friktionselementen vergleichbar sind, und

(2) die Erfindung ermöglicht die Verwendung von Glas als ein aktiver Reibungsbestandteil von Friktionselementen ohne die oben genannten festgestellten Nachteile während des Betriebs,,

Gemäß der Erfindung besteht eine Zusammensetzung zur Herstellung von einem asbestfreien Friktionselement mit reduzierter Aggressivität aus nicht schmelzbar en organischen Faserund Glasfaser-Verstärkungskonstituenten und aus einer vernetzbaren Polymer-Bindemittel. Das Bindemittel bildet in vernetztem Zustand eine Matrix für die Glas- und nichtschmelzbaren organischen Fasern in dem Friktionselement.

Das im Rahmen der Erfindung verwendbare vernetzbare Polymerbindemittel wird üblicherweise in Friktionselementen verwendet und als "Bindemittel" oder "Bindezement" bezeichnet.

Das Bindemittel enthält ein vernetzbares Harz, wie z.B. ein vernetzbares Phenolharz. Der Begriff "Phenolharz" soll in der hier benutzten Bedeutung aushärtbare Harze umfassen, die auf der Kondensation eines Aldehyds und eines Phenols basieren.

809831/1017

-Kl-

W 28Ü4327

Die Aldehyde, die bei der Ausbildung der_Phenolharze verwendbar sind, umfassen unter anderem die Formaldehyde, Acetaldehyde, Akrolein und dergleichen. Die zur Bildung der Phenolharze nützlichen Phenole bestehen aus denjenigen Phenolen, die zur elektrophilen aromatischen Substitution in der Lage sind, so z.B. Phenol, Resorcin., Katechol, Aminophenol und dergleichen. Sowohl die Phenolaldehydharze vom Resol-Typ als auch vom Novalak-Typ sollen von dem Begriff "Phenolharz" umfaßt sein. Die Resol-Harze sind durch ihre Ausbildung durch basische Katalyse, und die Novalak-Harze durch ihre Ausbildung mittels saurer Katalyse gekennzeichnet. Im allgemeinen sind die Resolharze höheijmethyloliert als die Novalak-Harze. Die Wahl zwischen dem Resol- und dem Novalakharz in einem speziellen System ist abhängig von den anderen Materialien in dem System. In den Bindemitteln v/erden üblicherweise Phenolformaldehydnovalakharze bevorzugt verwendet.

Zusätzlich zu dem Phenolharz enthält der Bindezement üblicherweise ein Elastomer. Der Begriff "Elastomer" soll in der hier benutzten Bedeutung sowohl die natürlichen als die synthetischen Gummimaterialien umfassen. Der Begriff "natürlicher Gummi" kennzeichnet den elastischen Peststoff, der vom Saft oder dem Latex des Haveabaums erhalten wird, dessen Hauptkonstituent das Homopolymer von 2-Methyl-1,3-Butadien· (Isopren) darstellt. Der Begriff "synthetischer Gummi" umfaßt die Kohlenwasserstoffketten-Gummis, die auf. mindestens zwei Prozent eines konjugierten, ungesättigten Monomers basieren, wobei die Konjugation in der 1-3-Position innerhalb der Monomerkette vorliegt, und das fertige Polymer in seinem ungehärteten Zustand eine Ausdehnfähigkeit von mindestens 20C$ und eine Speicherfähigkeit von mindestens 90?ό besitzt, wenn es innerhalb seiner Dehnungsgrenzen gestreckt wird und plötzlich freigegeben wird. Als konjugierte ungesättigte Monomere lassen sich zur Herstellung von synthetischem Kohlenwasser-

809831/101?

stoffkettengummi unter anderem Chloropren, Butadien, Isopren, Cyclopentadien, Dicyclopentadien oder dergleichen verwenden. Andere Olefine, die eine freie anionische oder kationische . Radikal-Interpolymerisation bilden können, um die Kohlenwasserstoffkette mit dem konjugierten ungesättigten Monomer zu "bilden, sind bei der Herstellung von synthetischem Gummi nützlich. Diese Olefine sind typischerweise mit Monoathylen ungesättigte Monomere. Diese mit Monoathylen ungesättigten Monomere umfassen unter anderem die Acrylmonomere, wie z.B. Methacrylsäure, Acrylsäure, Acrylnitril, Methacrylnitril, Methakrylsäuremethylester Methakrylsäureester, Äthylacrylat, Äthylmethacrylat und ähnliche Stoffe; mono-olefinische Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Äthylen, Propylen, Styren, Alphamethylstyren und dergleichen, und andere funktionale ungesättigte Monomere wie z.B. Vinylpyridin, Vinylpyrrolidon und ähnliche funktionale vinylische Monomere. Innerhalb des Begriffs "synthetischer Gummi" liegen ebenfalls die Nichtkohlenwasserstoff ketten-Gummis , wie z.B. Silikongummis. Das vernetzbare Polymerbindemittel enthält bevorzugt natürlichen Gummi- und/oder einen synthetischen Kohlenwasserstoffkettengummi.

Bei der Auswahl eines Elastomers zur Verwendung in der Bindemittelzusammensetzung soll darauf geachtet werden, daß die chemische Zusammensetzung des speziellen Elastomers die Funktion oder die Lebensdauer des Friktionselements und der damit zusammenhängenden Apparate nicht beeinträchtigt.

Zusätzlich zu den Polymerbestandteilen des Bindemittels können andere zur Herstellung von Bindemitteln verwendete Materialien benutzt werden.

Es lassen sich dem Bindemittel Vulkanisierstoffe zusetzen, um die ungesättigten Gummis zu vernetzen. Beispiele für derartige Vulkanisiermittel sind Schwefel, Zinkoxid (zum Vulkanisieren von Neopren), Peroxide, Dinitrosobenzen oder dergleichen.

809831/1017

28Q4327

Es lassen sich Vulkanisationsbeschleuniger, wie z.B. Zinkoxid, Stearinsäure oder dergleichen verwenden.

Es lassen sich dem Bindemittel Polyamine hinzufügen, um die Vernetzung und Wechselreaktion des Phenolharzes und des Elastomers zu beschleunigen. Typische Polyamine sind Hexamethylen, Tetra-Amin, Diäthylentriamin, Tetraäthylenpentam'in, Diphenylguanidin oder dergleichen.

Dem Bindemittel lassen sich Füllstoffe hinzufügen, um die physikalischen Endeigenschaften zu modifizieren und die Kosten des Friktionselements zu reduzieren, wobei derartige übliche Füllstoffe Ruß, Ton, Graphit, Bleisulphat, Putzerde, Glimmer, Kalk und dergleichen enthalten.

Typische Zusammensetzungen von Bindemitteln und deren Herstellungsverfahren sind in den US-PS 2 702 770, 3 437 546, 2 196 570, 3 520 390 und 3 959 194 offenbart, deren Inhalt durch dieses Zitat Offenbarungsbestandteil der vorliegenden Anmeldung ist.

Typischerweise wird die Zusammensetzung des Bindemittels mit allen Begleitstoffen in einem Lösungsmittel für lösbare Polymerkonstituenten aufgelöst und/oder dispergiert. Es wird dabei ausreichend viel Lösungsmittel verwendet, um die richtige Viskosität der Bindemittel-Lösung-Dispersion zur Kombination mit den Glasfasern und den organischen Fasern zu erhalten, um das richtige Verhältnis von Bindemittel zu Verstärkungsbestandteilen zu erzielen. Die nichtschmelzbaren organischen Fasern und die Glasfasern bilden zusammen bevorzugt einen Anteil, der im Bereich von 20 bis 75 Gewichtsprozent,bezogen auf das Gesamtgewicht des fertigen Friktionselements liegt, und der insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 30 bis 65 Gewichtsprozent liegt. Wenn der Anteil an organischen und

809831/101?

IH 28Ü4327

Glasfasern zu klein ist, ergibt sich eine ungeeignete Verstärkung des Friktionselements. Ist der Anteil an organischen Fasern und an Glasfasern zu hoch, so zeigt das Friktionselement eine übergroße Abnutzung.

Zur Durchführung der Erfindung eignen sich solche Glasfasern, die typischerweise bei der Verstärkung ausgehärteter Harzmaterialien verwendet werden. Die Oberfläche der Glasfasern muß mit einer Überbrückungsverbindung (bridging composition) behandelt werden, um das Glas (chemisch und/oder physikalisch wirksam mit der Matrix des Friktionselements zu verbinden.

Während der Herstellung werden die einzelnen Glasfasern mit einem Leim oder Kleister behandelt, der ein Haftmittel enthält, welches die Glasoberfläche mit der Matrix verbindet. Diese Haftmittel umfassen sowohl die Silanhaftmittel als auch die Haftmittel vom Werner-Komplextyp. Typische Silanhaftmittel sind Vinyl, Alkyl, Beta-chloropropyl, Phenyl, Thioalkyl, Thio-alkary, Methacrylat oder Methakrylsäureester, Epoxy und Merkaptosilane, deren Hydrolyseprodukte,Polymere von deren Hydrolyseprodukte und Mischungen dieser Stoffe. Haftmittel vom Werner-Typ sind derartige Haftmittel, die ein trivalentes Kernatom, wie z.B. Chrom enthalten, und die mit einer organischen Säure, z.B. der Methacrylsäure koordiniert sind. Derartige Stoffe sind in der US-PS 2 611 718 offenbart, wobei dieses Patent durch die vorliegende Bezugnahme Bestandteil der Offenbarung sein soll.

Normalerweise wird die gesamte Leimzusammensetzung mit einem Wert von unterhalb 2 Gew.% bezüglich des Glasgewichts, insbesondere im Bereich von 0,2 bis 1,0 Gew.% verwendet, während das Haftmittel ungefähr 2 bis 6 Gew.?o der Leimfeststoffe beträgt. Typische Leimzusammensetzungen und Verfahren sind in

809831/101?

2BU4327

den US-PS 3 933 711 und 3 946 132 offenbart, die durch diese Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Beschreibung sein sollen.

Zusätzlich zu den mit Leim versehenen Glasfasern lassen sich beschichtete Glasfasern als der faserige Glasbestandteil des Friktionselements verwenden. Beschichtete Glasfasern unterscheiden sich von den mit Leim versehenen Glasfasern dadurch^ daß die Zusammensetzung an der Oberfläche der Glasfasern im Bereich zwischen 5 und 50 Gevr.%, üblicherweise zwischen 15 und 35 Gew.%, bezogen auf das Glasgewicht, vorhanden ist. Die zur Zeit im Rahmen der Erfindung bevorzugt verv;endete Glasform ist die mit RFL-beschichtete Glasfaser.und die Abkürzung "RFL" bedeutet und umfaßt den trockenen Rückstand einer Beschichtungszusaramensetzung, die einen natürlichen Gummi und/oder einen synthetischen Kohlenv/as s er stoff kettengummi oder ein Phenolharz enthält. Bevorzugt besteht die elastomere Komponente des RFL-Stoffs zwischen ungefähr 5 und 15/0 eines polymerisieren Vinylpyridinmonomers und eines Resorcinolformaldehydharzes. Die mit RFL beschichteten Glasfasern werden typischerweise dadurch hergestellt, daß einzelne, mit Leim versehene Glasfasern mit einer RFL-Beschichtungszusammensetzung beschichtet v/erden. Die Beschichtungszusammensetzung besteht aus einem Elastomer in Latexform und einem Phenolharz in wässriger Lösung. Typische Verfahren und Bestandteile zur Herstellung von RFL-beschichteten Glasfasern sind in den US-PS 2 691614, 2 817 616, 2 822 311, 3 973 071 und 3 925 286 offenbart, die durch diese Bezugnahme zum Bestandteil der Beschreibung werden sollen.

Die physikalische Gestalt der Glasfasern, gleichgültig ob mit Leim versehen und/oder beschichtet, kann gemäß dem spe-

809831/101?

ziellen Verfahren zur Herstellung des Friktionselements variieren. Es lassen sich z.B. Glasfasern in Form von Litze, Garn, Seil, zerhackter Litze, Vorgespinst, Band, Gewebe, Matte, Glaswolle oder dergleichen bei der Herstellung des Friktionselements verwenden. Bei der Herstellung von Kupplungsscheiben werden bevorzugt Glasfasern in kontinuierlicher Form und mit RFL-Beschichtung verwendet, um die Berstfestigkeit des Friktionselements zu erhöhen, während gleichzeitig bequeme Herstellungsverfahren für das Friktionselement anwendbar sind.

Zwei Arten von RFL-beschichteten Glasfasergarnen haben sich bei der Herstellung von erfindungsgemäßen Friktionselementen als besonders nützlich erwiesen. Es handelt sich dabei um die unter dem Handelsnamen Hycor^ erhältlichen RFL-beschichteten Glasfasergarne, die von der Firma PPG Industries, Inc. hergestellt werden und um das RFL-beschichtete Glasfasergarn mit der Behandlung 065» welches von der Firma Owens-Corning Fiberglass Corp. hergestellt wird.

Die bei der Durchführung der Erfindung nützlichen nichtschmelzbaren organischen Fasern sind solche Fasern mit einer Zersetzungstemperatur, die größer als 204°C (40O⁰F) und bevorzugt größer als 316⁰C (600⁰F) und unterhalb 427°C (800°F) liegt. Der obere Grenzwert für die Zersetzungstemperatur ist erforderlich, damit eine Carbonisierung der Faser während des Betriebs des Friktionselements stattfindet.Ferner muß die Faser in der bei der Herstellung eines speziellen Friktionselements verwendeten Bindemittelzusammensetzung und dem speziellen Lösungsmittel unlösbar sein. Es lassen sich sowohl natürliche organische Fasern als auch synthetische organische Fasern als nichtschmelzende organische Fasern verwenden. Typische natürliche organische Fasern sind Baumwolle, Jute, Hanf, Sisal, Wolle oder dergleichen. Typische regenerierte

809831/101?

organische Fasern sind viskose Fäden, Kupferammoniumfasern oder dergleichen; als synthetische Fasern lassen sich z.B. die Aramidfasern von Dupont, die unter dem Namen Nomex verkauft werden, und ähnliche Fasern verwenden, die innerhalb des oben angegebenen Zersetzungstemperaturbereichs liegen. Eine natürliche organische Faser wird bevorzugt, insbesondere wird Baumwolle bevorzugt.

Bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines Friktionselements ist das fertige Friktionselement asbestfrei. Das Verhältnis von Glas zu nichtschmelzender organischer Faser muß gesteuert werden, um die gewünschten Eigenschaften des fertigen Friktionselements zu erhalten. Sofern zu viel nichtschmelzende organische Fasern im Verhältnis zum Glas verwendet wird, wird der Reibungskoeffizient und die Festigkeit des Elements unerwünscht verringert. Wenn ein ungenügender Anteil an nichtschmelzender organischer Faser im Verhältnis zur Glasfaser verwendet wird, besitzt das Friktionselement eine unerwünschte aggressive Charakteristik. Es soll daher ein Bereich des Gewi chtsverhältniss es von 90:10 bis 35J65» bevorzugt von 75ί25 bis 60:40 von Glas zu nichtschmelzender organischer Faser eingehalten werden.

Es sollten daher, bezogen auf das Gewicht des Glases, 10 bis Gev/.?6, bevorzugt 31 bis 67 Ge\i.% der nichtschmelzbaren organischen Faser verwendet werden, um das Friktionselement herzustellen. Obwohl asbestfreie Friktionselemente schon vorgeschlagen wurden, zeigten derartige Friktionselemente einen unerwünschten Grad an Aggressivität, und sie waren daher in der Automobilindustrie nicht auf breiter Basis akzeptiert. Gemäß dieser Erfindung ist die Aggressivität, die sich während des Betriebs des Friktionselements zeigt und durch das Vorhandensein der Glasfasern bewirkt wird, durch Hinzufügung

809831 /1017

einer wirksamen Menge von nichtschmelzenden organischen Fasern verringert oder beseitigt.

Zusätzlich zur Verbesserung der Eigenschaften der Friktionselemente, deren Fasergehalt aus 1OO?6 Glas besteht, reduzieren viele Kombinationen von Glas und nichtschmelzenden organischen Fasern das Gewicht des Friktionselements, Eine derartige Verringerung des Gewichts stellt ein allgemeines Ziel der Automobilhersteller dar. um den Benzinverbrauch pro Kilometer zu verbessern und andere begleitende Vorteile, die mit einer Gewichtsverringerung einhergehen, zu verwirklichen. Darüberhinaus trägt bei Kupplungs-Friktionselementen ein leichteres Gewicht zu einer verbesserten Ansprechbarkeit während der Betätigung bei.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Einbringung des Glases und der nichtschmelzenden organischen Faser in das Friktionselement besteht darin, ein Material herzustellen, welches aus Glasfasern und organischen Fasern besteht. Dies kann z.B. eine gedrehte Kordel sein, die aus Glaslitze oder Garn und einer organischen Faserlitze oder -garn mit den gewünschten Gewichtsverhältnissen besteht. Ferner läßt sich ein Gewebe aus Glasgarn und organischem Fasergarn mit dem gewünschten Verhältnis weben, um eine Gewebebahn herzustellen.

Erfindungsgemäße Friktionselemente lassen sich mit Verfahren herstellen, die den Fachleuten bekannt sind. Im allgemeinen werden die nichtschmelzenden organischen Fasern und das Glas mit dem formulierten vernetzbaren Polymerbindemittel imprägniert, um eine imprägnierte Mischung zu schaffen. Die Bindemittellösung sollte eine genügend kleine Viskosität besitzen, um die organischen Fasern und das Glas zu benetzen. Der imprägnierte Stoff wird dadurch getrocknet, daß das Lösungsmittel des Bindemittels verdampft, um eine "B"-Stufe zu

8098 3 1/1017

-TS-

^ 28Ü4327

bilden. Die Zusammensetzung der B-Stufe· wird unter Wärme und Druck in eine Form gegossen, um das vernetzbare Polymerbindemittel zu vernetzen. Der gegossene Gegenstand läßt sich dann durch maschinelle Bearbeitung auf seine Endform bringen.

Ein übliches Verfahren zur Herstellung von Friktionselementen, insbesondere von Kupplungsscheiben, besteht darin, eine Vorform mittels einer von zwei noch näher zu erläuternden Verfahren zu bauen. Eine "Vorform" stellt einen lockerstrukturierten Gegenstand in der B-Stufe dar, der aus gewobenen oder gewickelten Verstärkungsbestandteilen zusammengesetzt ist, die mit einem vernetzbaren Bindemittel imprägniert sind, wobei die Vorform ungefähr dem Aufbau des fertigen Friktionselements ähnelt. Die Vorform wird unter Wärme und Druck vergossen, um die Endgestalt zu erhalten;und das Bindemittel zu vernetzen.

Ein spezielles Verfahren zum Aufbau einer Vorform besteht in der Herstellung eines Bandes, welches aus einem oder mehreren fortlaufenden Garnlitzen oder -schnüren besteht, die parallel angeordnet sind und mit einem Bindemittel imprägniert sind und in die B-Stufe ausgehärtet sind* Wenn fortlaufende Glas- und organische Fasern verwendet werden, können die Litzen oder Garne dieser Materialien verdrillt oder unverdrillt sein, um eine zusammengesetzte Schnur zu bilden. Wenn entweder die Glasfasern oder die organischen Fasern in einer diskontinuierlichen Form vorliegen, wird eine konti-. nuierliche Litze oder Garn verwendet, die als ein Stück aufgebaut ist. Die fortlaufenden Litzen oder Garne aus Fasermaterial werden durch einen Tauchtank hindurchgeleitet, der die vernetzbare organische Bindemittellösung enthält, die auf eine Viskosität eingestellt ist, die ausreicht, um eine angemessene Imprägnierung der faserigen Komponenten zu liefern und das Bindemittel aufzunehmen. Die eigentliche Aufnahme des

809831/1017

Bindemittels wird durch eine Form (die) eingestellt, und die imprägnierte Ware wird durch einen Trockenturm hindurchgeführt, der auf einer Temperatur gehalten wird, die ausreicht, um das Lösungsmittel aus der Bindemittellösung zu verdampfen und die B-Stufe herzustellen. Die physikalischen Eigenschaften einer typischen imprägnierten Ware der B-Stufe sind in der US-PS 3 600 258 dargestellt. Die imprägnierte Ware der B-Stufe wird auf Trommeln zur weiteren Verarbeitung gespeichert.

Zur Herstellung einer Vorform werden ein oder mehrere imprägnierte Bänder der B-Stufe in eine Maschine derjenigen Bauart eingegeben, die in der US-PS 2 263 500 offenbart ist und durch diese Bezugnahme ein Teil der Beschreibung sein soll, um einen gewickelten Körper (Vorform) mit gewünschter Größe, Gestalt und Gewicht zu erzeugen. Die Vorform wird Wärme und Druck ausgesetzt, um ein ausgehärtetes Friktionselement gemäß bekannten Verfahren herzustellen.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Zusammensetzung zur Herstellung von Friktionselementen angegeben wird, die das Herstellen der Friktionselemente unter Verwendung bestehender gewerblicher Verfahren und Einrichtungen ermöglicht.

Ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Vorform besteht darin, ein Gewebe aus Glasgarn und Baumwollgarn zu erzeugen. Dieses Gewebe wird mit dem vernetzbaren Polymerbindemittel imprägniert, durch Trocknen in die B-Stufe gebracht, zu einer Vorform der gewünschten Gestalt, Abmessung und Gewicht geformt, die gegossen, maschinell bearbeitet und endverarbeitet werden soll. Dieses Verfahren ist in der US-PS 2 096 692 offenbart, die durch diese Bezugnahme Bestandteil der Beschreibung werden soll.

809831/1017

-3Q-

Im folgenden wird eine spezielle Ausführüngsform der Erfindung erläutert; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und es sind eine Vielzahl möglicher Abwandlungen und Variationen möglich.

Beispiel

Eine aus Glas und Baumwolle zusammengesetzte Schnur wird dadurch hergestellt, daß ein Strang eines 3s/2 Baumwollgarns und zwei Stränge aus RFL-beschichteten Hycor-Glasfasern gefacht werden. Die RFL-beschichteten Hycor-Glasfasern waren vom Typ K-15 1/0 mit 1,5 Verdrillungen pro 2,5 cm (1 Zoll) und 17 Gew.?o der RFL-Beschichtung, bezogen auf das Glasgewicht. Die drei Stränge wurden auf einer drehbaren Verdrillmaschine zusammengefacht, um ein einziges zusammengesetztes Seil oder Schnur zu erzeugen, das zwei Verdrillungen pro 2,5 cm (1 Zoll) und ein Gewicht von 174m pro 0,454 Kg (191 yards pro pound). Zwei der auf oben genannte Weise gebildeten einzeln zusammengesetzten Seile v/erden auf einem Allma-Drillrahmen zusammengefacht und bilden ein zweifach Zusammengesetzes Seil, welches zwei Verdrillungen pro 2,5 cm (1 Zoll) besitzt. Das zweifach zusammengesetzte Seil besitzt ein Gewicht von 364 m pro 0,454 Kg (400,7 yards pro pound), einen Durchmesser von 0,17 + 0,0125 cm (0,068 + 0,005 Zoll) und eine Zusammensetzung aus 61 Gew.% Glasfasern und 39 Gew.% Baumvrollfasern.

Das zweifach zusammengesetzte Seil wird durch einen Tauchtank hindurchgeleitet, der folgende Zusammensetzung enthält:

809831 /101?

- ftj -

Bestandteil Gewichtsteile auf einer

trockenen Peststoffe-Basis

natürlicher Gummi 9.74

Butadienstyren-Gummi 6.39

Ruß 7.37

Ton 4.00

Graphit 8.OO

Bleisulphat 12.00

Zinkoxid 3-00

Schwefel 9.00

Putzerde 2.00

Glimmer 11.00

Kalk 1.00

Diphenylguanidin 0.50

Hexamethylentetramin 0.50

Phenolharz 25.50

eingestellt auf einen Feststoff gehalt von 50 Gew.% in einem Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel

Das imprägnierte Seil wird dann durch eine Form hindurchgeleitet, die so eingestellt ist, daß eine derartige Bindemi ttelaufnähme erfolgt, die zur Erzeugung eines Friktionselements erforderlich ist, welches aus 50 Gew.% einer vernetzten Matrix und 50 % Glas und Baumvrolle besteht. Das imprägnierte Seil wird durch einen Trockenturm hindurchgeführt, um die imprägnierte Ware gemäß einer B-Stufe zu trocknen. Die Zusammensetzung der B-Stufe wird in Trommeln

809831/1017

-2S-

zur weiteren Verarbeitung gesammelt. Die imprägnierte Ware der B-Stufe wird in eine Vorform-Maschine der in der US-PS 2 263 500 genannten Art eingegeben, um eine Vorform zu erzeugen. Die Vorform wird vier Minuten lang bei etwa 15O°C (300⁰F) und etwa 140 Kp/cm (2000 psi) vergossen, um das Polymerbindemittel zu vernetzen. Der Gegenstand wird dann aus der Form entfernt und in einen Ofen gebracht, urn seine Temperatur von 150⁰C über einen Zeitraum von einer Stunde auf etwa 204°C zu erhöhen. Der Gegenstand wi.od dann 5 Stunden lang bei 205°C erhitzt und dann aus dem Ofen genommen.

Der gegossene Gegenstand wurde maschinell bearbeitet, um eine ringförmige Kupplungsscheibe mit den Abmessungen 25»4 cm χ 17 cm χ 0,32 cm (10 χ 6,75 x 0,125 Zoll) herzustellen. Zwei derartige Kupplungsscheiben werden auf ein "Reihen (in line)"-Kupplungsdynamometer mit einem 60 PS-Elektromotor und einer Borg & Beck-Kupplungs- und Schwungradanordnung befestigt. Ein Drehmomentarm ist mit der Kupplungsplattenanordnung verbunden, der ein Drehmoment über eine Hagan — Thrustorq-Meßeinrichtung überträgt. Die Kupplung wird mittels eines LuftZylinders in Eingriff und außer Eingriff gebracht.

Die Kupplungsflächen oder -scheiben werden bezüglich Abnutzung getestet, wobei die Kupplung 650 mal in Intervallen von 4 Sekunden Dauer mit einer Scheibenlast von etwa 545 Kg in Eingriff gebracht werden, während das Schwungrad mit 1175 Umdrehungen pro Minute angetrieben wird. Das Drehmoment wird während des Versuchs auf einem Esterline-Angus-Aufzeichnungsgerät aufgezeichnet. Nach dem Abnutzungstest wurde ein Schwundtest (fade test) von 15 Sekunden Dauer durchgeführt. Ein zweiter Schwundtest wurde derart durchgeführt, daß die Kupplung 90 Sekunden lang mit einer Scheibenbelastung von etwa 341 Kg (750 pound) in Eingriff gebracht wurde.

809831 /101?

28Ü4327

Die Testergebnisse der Kupplungsoberfläche gemäß dem Beispiel waren folgende:

Abnutzungstest: 0,007 cm Dickenverlust auf der Druckplattenseite

0,00575 cm Dickenverlust auf der Schwungradseite

Das durchschnittliche Drehmoment während des Versuchs betrug 38,74 mkg (298,0 Fuß pound) mit einem mittleren Reibungskoeffizient von 0,361, der zwischen 0,361 und 0,400 variierte.

Erster Schwundtest (15 Sekunden):

Der Reibungskoeffizient startete bei 0,44 und endete bei

Zweiter Schwundtest (90 Sekunden):

Der Reibungskoeffizient startete bei 0,44 und endete bei

Der Kupplungsbetrieb wurde während des Abnutzungsversuchs von einem erfahrenen Versuchsfachmann beobachtet; der Kupplungsbetrieb schien in jeder Hinsicht frei von aggressiven Eigenschaften zu sein, da der Betrieb durchgehend weich und leise war.

Die Kupplungsfläche oder -scheibe gemäß dem Beispiel der Erfindung wurde für einen Ford F-100, Baujahr 1974, angefertigt, der einen Hubraum von 4949 cm⁵ (302 Kubikzoll) und ein Dreiganggetriebe besaß. Die Kupplungsscheibe wurde an dem Fahrzeug angebracht, und es wurde ein Straßentest von erfahrenen Testfachleuten über 5000 Meilen im Stadtverkehr von Detroit vorgenommen. Der Betrieb der Kupplung zeigte sich über die gesamte Laufstrecke frei von aggressiven Eigenschaften.

809831/1017

Eine gemäß dem Beispiel der Erfindung hergestellte Kupplungsscheibe besitzt im Vergleich zu asbesthaltigen Kupplungsscheiben ein gleiches Maß an Friktion oder Reibung und gleiche EingriffsCharakteristiken, sie besitzt eine bessere Berstfestigkeit und einen besseren Oberflächenstarteingriff, und sie besitzt bessere oder gleiche Abnutzungseigenschaften. Die erfindungsgemäßen Priktionselemente sind daher den herkömmlichen kommerziellen Friktionselementen gleichartig oder überlegen, es ist bei ihnen jedoch Asbest aus der Friktionselementzusammensetzung eliminiert.

Es versteht sich, daß vielerlei Abwandlungen der speziellen Materialien und Verfahren des angegebenen Beispiels vorgenommen werden können, ohne daß man den Rahmen der Erfindung verläßt. Die Fachwelt hat diesbezüglich erkannt, daß bestimmte Zementzusammensetzungen eine Auswirkung auf den Reibungskoeffizient besitzen, den ein fertiges Friktionselement während des Eingriffs mit einer Eingriffsfläche besitzt. Das Phenolharz, die Elastomer- und Graphitbestandteile der Bindemittelzusammensetzung trachten gegenüber den restlichen Bestandteilen des Bindemittels danach, den Reibungskoeffizienten eher zu erniedrigen als zu erhöhen. Es können daher Veränderung der Formulierung der Bindemittelzusammensetzung notwendig sein, um den für einen speziellen Verwendungszweck gewünschten genauen Reibungskoeffizienten zu erhalten. Die zur Erzielung eines speziellen Reibungskoeffizienten erforderliche Veränderung der Formulierung muß die Herstellungsbedingungen eines speziellen Friktionselementes berücksichtigen. Wenn z. B. die Aufnahme des Bindemittels während der Herstellung eines ein zellulosehaltiges Fasermaterial aufweisendes Friktionselemenis von Bedeutung ist (d.h. wenn die Porosität des zellulosehaltigen Materials innerhalb eines gegebenen Bereichs gehalten werden muß), kann der Anteil an den Reibungskoeffizienten absenkenden Bestandteilen verringert werden, um den letztlich erhaltbaren

8 0 9 8 3 1/10 1?

Reibungskoeffizienten auf den gewünschten Wert zu heben. Alternativ kann, wenn die Porosität keine Herstellungsvariable ist, die organische Faserkomponente verringert werden, um den letztlich erhaltenen Reibungskoeffizienten des fertigen Friktionselementes auf den gewünschten Wert zu bringen.

Der Patentanwalt

Dr. D·. Gudel

S09831/-1017

Claims

28Q4327 Patentansprüche

1. Stoffzusammensetzung zur Herstellung eines asbestfreien Friktionselementes, wobei die Zusammensetzung ein vernetzbares Polymer-Bindemittel und verstärkende Bestandteile enthält, wobei Glasfasern ein verstärkender Bestandteil sind,

dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht^schmelzendes organisches Paser- oder Fibermaterial als weiterer verstärkender Bestandteil in der Stoffzusammensetzung in einer derartigen Menge vorhanden ist, daß alle von den Glasfasern herrührenden aggressiven Eigenschaften des Friktionselementes abgeschwächt und gemildert sind.

2. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Glasfasern bestehende verstärkende Bestandteil mit einem Elastomer beschichtet ist.

3. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Glasfasern bestehende verstärkende Bestandteil mit RFL (trockener Rückstand einer Beschichtungszusammensetzung, die einen natürlichen Gummi und/oder einen synthetischen Kohlenwasserstoffketten-Gummi oder ein Phenolharz enthält) beschichtet ist.

4. Stoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das nicht schmelzende organische Fasermaterial im Bereich zwischen 10 - 185 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der Glasfasern, enthalten ist.

ORlGfWAL !NSPECTED 809831 /101?

Z8Ü4327

5. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht schmelzende organische Fasermaterial im Bereich von 33 - 67 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der Glasfasern, enthalten ist.

6. Stoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht schmelzende organische Fasermaterial im Bereich zwischen 2 und 50 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Stoffzusammensetzung, enthalten ist.

7. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht schmelzende organische Fasermaterial im Bereich zwischen 7,5 bis 25 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Stoffzusammensetzung, enthalten ist.

8. Stoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht schmelzende organische Fasermaterial aus der Gruppe Baumwolle, Jute, Hanf, Sisal, Kunstseide oder Rayon, Wolle und Aramidfasern ausgewählt ist.

9. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht schmelzende organische Fasermaterial Baumwolle ist.

10. Stoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von nicht schmelzenden organischen Fasern zu den Glasfasern im Bereich von

809831/101?

10 : 90 bis 65 : 35 liegt.

11. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von nicht schmelzenden organischen Fasern zu den Glasfasern im Bereich von 25 : 75 und 40 : 60 liegt.

12. Stoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet _r, daß die nicht schmelzenden organischen Pasern tmd die Glasfasern zusammen genommen im Bereich von 20 bis Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Stoffzusammensetzung, liegen.

13. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 12_? dadurch gekennzeichnet, daß die nicht schmelzenden organischen Fasern und die Glasfasern zusammen genommen mit einem Anteil.' im Bereich von 30 bis 65 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Stoffzusammensetzung, enthalten sind.

14. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschichtungsstoff RFL, der einen trockenen Rückstand aus einem natürlichen Gummi und/oder einem synthetischen Kohlenwasserstoffketten-Gummi oder einem Phenolharz enthält, mit einem Anteil im Bereich von 5 bis 50 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der Glasfasern, enthalten ist.

15. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschichtungsstoff RFL mit einem Anteil im Bereich von 15 bis 35 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der Glasfasern, enthalten ist,

0 9 8 31/1017

28Ü4327

16. StoffZusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurchgekennzeichnet , daß die nicht schmelzenden organischen Fasern und die Glasfasern die Form eines Garnes besitzen.

17. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strang des nicht schmelzenden organischen Garns und mindestens ein Strang des Glasgarns im wesentlichen Seite an Seite verlaufen und ein Band bilden.

18. StoffZusammensetzung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht schmelzende organische Garn und das Glasgarn zu einem Gewebe verwoben sind.

19. Stoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkenden Bestandteile 25 bis 40 Gewichtsanteile Baumwollfasern und 60 bis 75 Gewichtsanteile Glasfasern enthalten, die mit dem Beschichtungsmaterial RFL beschichtet sind.

20. Formteil aus der Stoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 19,

dadurch gekennzeichnet, daß es zur Herstellung eines asbestfreien Friktionselementes verwendet wird.

21. Asbestfreies Friktionselement, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Stoffzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 hergestellt ist.

Der Patentanwalt

Dr. D. Gudel 809831/101?"