DE2944864A1

DE2944864A1 - Reibbelag

Info

Publication number: DE2944864A1
Application number: DE19792944864
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Karlheinz 5600 Wuppertal Hillermeier; Dipl.-Chem. Dr. Arno 8761 Wörth Wegerhoff
Original assignee: Akzo GmbH
Current assignee: Akzo Patente 5600 Wuppertal De GmbH
Priority date: 1979-11-07
Filing date: 1979-11-07
Publication date: 1981-05-21
Also published as: DE2944864C2

Description

Reibbelag
Die Erfindung betrifft Reibbeläge, wie sie beispielsweise in automatischen Getrieben, als Belag bei Kupplungen oder Bremsen usw., zum Einsatz gelangen.
Reibbeläge der oben erwähnten Art sollen eine ganze Reihe von Eigenschaften aufweisen. So ist es z.B. erforderlich, daß der Reibbelag möglichst wärmebeständig ist, da er beim Einsatz als Bremsbelag Bremsenergie aufnehmen muß und dabei Temperaturen bis 11000C auftreten können. Er soll möglichst abriebbeständig sein, damit die Lebensdauer der Reibbeläge hoch ist.
Der Reibbelag muß ferner leicht bearbeitbar sein, so daß man ihn ohne Schwierigkeiten in eine gewünschte Form bringen kann. Schließlich ist es oft auch erwünscht, daß man ihn auf einer oder mehreren Seiten aufrauhen kann, um gegebenenfalls das Material mittels eines Klebemittels auf eine Unterlage wie z.B. einen Metallträger befestigen kann.
Es sind bereits eine ganze Reihe von Reibbelägen bekannt, die zum Teil die erwähnten Eigenschaften in mehr oder weniger zufri£denstellendem Umfang aufweisen. Trotzdem besteht noch das Bedürfnis nach verbesserten Reibbelägen, die auf einfache Art und Weise herstellbar sind und sich vielseitig einsetzen lassen.
In den meisten der bekannten Reibbeläge wird als Faserkomponente Asbest eingesetzt, gegen dessen Verwendung in letzter Zeit aus Gründen des Umweltschutzes erhebliche Bedenken vorgebracht werden; Asbest soll gesundheitsschädlich insbesondere krebserregend oder krebsfördernd sein. Man rechnet deshalb mit Maßnahmen des Gesetzgebers, die zum Ziele haben sollen, in absehbarer Zeit den Einsatz von Asbest entweder vollständig zu verbieten oder doch weitgehenst auszuschließen. Ganz abgesehen davon ist Asbest auch ein Rohstoff, der nicht in unbegrenzten Mengen zur Verfügung steht.
Es besteht somit weiter ein Bedürfnis nach Reibbelägen, in denen als Faserkomponente kein Asbest mehr vorhanden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Reibbelag zur Verfügung zu stellen, der ohne die bisher üblicherweise verwendeten Asbestfasern aufgebaut ist, der sich auf einfache Art und Weise verarbeiten läßt und gute Gebrauchseigenschaften aufweist. Aufgabe der Erfindung ist ferner ein Reibbelag, der eine gute Wärmebeständigkeit aufweist, in dem die verwendeten Verstärkungsfasern eine gute Bindung zu dem Einbettungsmaterial aufweisen, der hohe Abriebfestigkeiten besitzt, der sich durch einen besonders homogenen Aufbau auszeichnet, über eine lange Lebensdauer verfügt und insbesondere beim Einsatz als Bremsbelag nicht die üblichen Quietschgeräusche verursacht. Aufgabe der Erfindung ist ferner ein Reibbelag, der vielseitig einsetzbar ist und eine geringe Aggressivität gegenüber dem eingesetzten Gegenmaterial besitzt und über einen hohen Reibwert verfügt und dynamische und statische Reibungskoeffizienten besitzt, die in einem günstigen Verhältnis zueinander stehen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Reibbelag gelöst, der im wesentlichen aus einem Fasermaterial, einer polymeren Bindemittelmasse, Füllmittel sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen aufgebaut ist und der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Fasermaterial ganz oder teilweise aus Kieselsäurefasern besteht. Die Kieselsäurefasern, die erfindungsgemäß in dem Reibbelag zum Einsatz gelangen, sind vorzugsweise durch Trockenverspinnen von Natronwasserglas und Behandeln der Natronwasserglasfasern zur Umwandlung des Natriumsilikats in Kieselsäure mit wäßrigen, wasserstoffioenhaltigen Säure-oder Salzlösungen erhalten worden. Die Kieselsäurefasern 2 können eine Zugfestigkeit von etwa 200 bis 800 N/mm2 und einen E-modul von 10 x 103bis 100 x 103 N/mm2 aufweisen.
Vorzugsweise gelangen die Kieselsäurefasern kurzgeschnitten zum Einsatz und besitzen eine Stapellänge von etwa 1 bis 40 mm, wobei Kieselsäurefasern mit einer Ausgangsstapellänge von 5 bis 15 mm besonders geeignet sind. Der Anteil an Kieselsäurefasern in dem Reibbelag kann z.B. 5 bis 70 Gew.% betragen.
Es ist zweckmäßig, wenn das Fasermaterial neben Kieselsäurefasern noch weitere Fasern enthält, sei es in Form eines Fasergemisches oder auf die Weise, daß das Fasermaterial aus zwei oder mehreren Garnsorten aus jeweils unterschiedlichen Fasern hergestellt wurde. Folgende Kombinationen von Fasern sind sehr geeignet: Kieselsäurefasern und Polyacrylnitrilfasern, Kieselsäurefasern und Viskosefasern, Kieselsäurefasern und Kohlenstoff-Fasern insbesondere auch Kieselsäurefasern und Fasern aus vollaromatischen Polyamiden und Kieselsäurefasern und Metallfasern, insbesondere Stahlwolle. Metallfasern sind auch vorteilhaft, wenn neben Kieselsaurefasern bereits eine weitere Faserkomponente der oben erwähnten Arten vorhanden ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Reibbeläge durch Verpressen von kieselsäurehaltigen Stäbchenmassen erhalten.
Das Reibmaterial gemäß der Erfindung wird vorzugsweise als Reibbelag bei Scheiben- und Trommelbremsen, als Reibbelag von Kupplungen sowie als Scheibenmaterial bei Mehrscheibenkupplunten einge#etzt.
Unter Kieselsäurefasern im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Fasern zu verstehen, die als Hauptbestandteil SiO2 oder polymere Kiebelsäure enthalten, wie sie formal gesehen durch Kondensation von Orthokieselsäure entsteht. Die Übergänge zwischen hochkondensierter Kieselsäure und dem reinen SiO2 sind fließend.
Vorzugsweise haben die Kieselsäurefasern der vorliegenden Erfindung im entwässerten Zustand einen Si02-Gehalt von über 95 Gew.-%, insbesondere über 98 oder sogar 99,5 und mehr Gew.-%.
Es können Wasser enthaltende und SiOH-Gruppen aufweisende Fasern eingesetzt werden, welche z.B. aus Natronwasserglasfasern nach Behandlung mit verdünnter Salzsäure und Trocknen bei Temperaturen bis etwa 1200C entstehen. Bevorzugt werden jedoch bei Temperaturen über 8000C getemperte, praktisch wasserfreie und SiOH-gruppenarme Kieselsäurefasern. Die Fasern sind vorzugsweise praktisch frei von sonstigen Oxiden wieA12°3' MgO usw.
Die lierstellung derartiger Kieselsäurefasern kann z.B.
durch Auslaugen von Glasfasern mit Säuren geschehen. Vorzugsweise werden im Rahmen der Erfindung jedoch Kieselsäurefasern eingesetzt, die durch Trockenverspinnen von Natronwasserglas zu Wasserglasfasern und durch anschließendes Behandeln der Wasserglas fasern mit sauren Verbindungen erhalten worden sind. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden Kieselsäurefasern verwendet, wie sie nach der Lehre der deutschen Patentanmeldung, Aktenzeichen P 29 00 991.4 vom 12.1.1979 erhalten werden.
Unter Fasermaterial im Rahmen der Erfindung sind zu verstehen Fasern als solche, d.h. Fasern mit begrenzter Länge, also Stapelfasern, und Fasern von praktisch endloser Länge d.h.
Filamente, ferner Fasern in Form von Matten, Vliesen, Filzen, sundeln oder büschel, Garnen, Zwirnen, Seilen, Bändern, Geweben u.dgl.
Kieselsäurefasern können im Rahmen der Erfindung in den verschiedensten Aufmachungen eingesetzt werden. So ist es möglich, die Fasern als Kurzschnitt von gleicher oder verschiedener Stapellänge einzusetzen. Günstige Faserlängen sind 3, 6, 12 und 24 mm. Kurzschnittfaserbündel werden vor allem bei Bremsbelägen verwendet.
Die Fasern können auch als Filamente, als Garn, Seil usw.
eingesetzt werden. Auch ist die Verwendung als Gewebe oder Vliese möglich. Garne gelangen vor allem bei der Herstellung von Kupplungsbelägen, Vliese vor allem bei Reibbelägen, die bei automatischen Getrieben verwendet werden, zum Einsatz.
Stähchenmassen, welche Kieselsäurefasern enthalten, können erhalten werden, indem man Kieselsäurefilamente mit Bindemittel, Füllmittel, Lösungsmittel und ggf. weiteren Zusätzen vermengt, das Gemisch durch eine Kalibrierdüse extrudiert, und das Extrudat nach Entfernen des Lösungsmittels, schneidet bzw. granuliert. Die erhaltenen Stäbchen, blatt- oder granulatförmigen Teilchen können dann in einfacher Weise durch Pressen bei entsprechenden Temperaturen zu Reibbelägen geformt werden.
Die Kieselsäurefasern können allein oder unter Mitverwendung von einer oder mehreren der weiter oben erwähnten Fasersorten zum Einsatz gelangen; günstig sind Zusätze von Metallfasern oder -drähten, auch wenn neben den Kieselsäurefasern noch andere Fasern vorhanden sind.
Bei Verwendung von mehreren Faserarten kann im Rahmen der Erfindung von einem Fasergemisch ausgegangen werden, das durch einfaches Vermischen von Kieselsäurefasern und weiteren Fasern erhalten wird. Es ist aber auch möglich, verschiedene Fasern ohne vorheriges Mischen zu verarbeiten, z.B. indem man zunächst aus Kieselsäurefasern ein Garn und zum anderen beispielsweise aus Fasern aus vollaromatischen Polyamiden ein weiteres Garn herstellt und diese beiden unterschiedlichen Garne zusammen weiterverarbeitet z.B.
zu einem Zwirn. Es ist auch möglich, Garne aus Kieselsäurefasern und zum Beispiel vollaromatischen Polyamiden zusammenzufachen und anschließend gemeinsam zu schneiden, um eine gute Durchmischung zu haben. Es hat sich gezeigt, daß für Bremsbeläge die Mitverwendung von Qtahlwolle sehr günstig ist. In Reibbelägen, die in Kupplungen eingesetzt werden, sind Messingdrahte als Zusatz sehr geeignet. Auf diese Weise kann das Wärmeleitvermögen und auch der Reibwert vorteilhaft beeinflußt werden.
Unter vollaromatischen Polyamiden sind sogenannte Aramide zu verstehen, die aus aromatischen Dicarbonsäuren und aromatischen Diaminen bzw. aromatischen Aminocarbonsäuren erhalten werden.
Als Bindemittel oder Matrix, in welche das Fasermaterial eingebettet ist und als Verstärkung dient, können übliche polymere Verbindungen verwendet werden. Bekannt sind Harze auf Basis von Phenolen, die z.B. durch Kondensation von Phenol und Aldehyden wie Formaldehyd oder Acrolein erhalten werden. Es ist auch möglich, als Bindemittel Melaminharze und dgl. zu verwenden. Es können übliche Lösungsmittel genommen werden. Der Reibbelag gemäß der Erfindung kann übliche Füllmittel wie Ruß, Metalloxide, Kaolin usw. eflthalten,das Mitverarbeiten von üblichen Zusätzen ist möglich. Auch der Einsatz von Polytetrafluoräthylen als Bindemasse ist möglich. Das Verformen zu Reibbelägen üblicher z.B. ring-, platten-, quader- oder kegelförmiger Gestalt wie Scheiben, Ringen, Blöcken u.dgl. kann nach an sich bekanntem Verfahren geschehen. Auch die weitere mechanische Bearbeitung z.B. das Einbringen von Vertiefungen oder öffnungen kann auf übliche Weise erfolgen.
Ubliche Bindemittel, Füllmaterialien, Zusätze sowie entsprechende Herstellungsverfahren werden in der Literatur vielfach beschrieben. In diesem Zu#ammenhang sei auf die in der Zeitschrift Gummi, Asbest, Kunststoffe in den Jahrgängen 1973 und 1974 veröffentlichte Artikelserie "Entwicklungen von Reibbelägen für Kupplungen und Bremsen von H. Bohmhammel verwiesen, in der Einzelheiten über die Herstellung von Reibbelägen angegeben werden.
Die Kieselsäurefasern können in dem Reibmaterial ohne besondere Präparation zum Einsatz gelangen. Es ist aber auch möglich, die Fasern, bevor sie eingebettet werden, mit einer speziellen Praparation zu versehen. Zu Präparationen, die sich im Rahmen der Erfindung besonders bewährt haben, gehören Polyurethane, Epoxidharze, Latices sowie Phenolharze auf der Basis von Phenol und Formaldehyd. Es reicht im allgemeinen aus, wenn die eingesetzten Fasern mit 1 bis 7 Gew.% der Präparation versehen sind.
Ihre Verarbeitung kann sodann auf an sich bekannte Art und Weise geschehen. So ist es möglich, unter Einsatz der Kieselsäurefasern, gegebenenfalls unter Mitverwendung weiterer Fasern, ein Garn, ein Seil, eine Matte, ein Vlies, ein Gewebe oder ähnliche Gebilde herzustellen, dieses mit dem Bindematerial zu imprägnieren und aus dieser Masse sodann z.B. durch Pressen, wobei gegebenenfalls noch vorhandenes Lösungsmittel entfernt werden muß, einen entsprechenden Formkörper, z.B.
eine Scheibe oder einen Klotz, zu bilden. Die Verarbeitung von Kieselsäure enthaltenden Stäbchenmassen durch Pressen ist besonders vorteilhaft.
Die Scheiben können sodann als solche bzw. nachdem sie auf eine Unterlage gebracht worden sindtzum Einsatz gelangen.
Es war besonders überraschend, daß sich die erfindungsgenzaßen Reibbeläge so vorteilhaft, insbesondere als Reibbeläge in Bremsen und Kupplungen einsetzen lassen. Sie sind ferner sehr gut geeignet als Scheiben bei sogenannten Mehrscheibenku#plungen.
Die Reibmaterialien lassen sich gut durch mechanlsche Mittel bearbeiten, so ist es ohne weiteres möglich, sie durch Schleifen, Bohren, Fräsen usw. auf entsprechende Form zu bringen. Entgraten, Einbringen von Nuten oder spiraltörmigen Vertiefungen ist ohne Sc}lwierigReiten möylich.
Eine aus dem Reibbelag gemäß der Erfindung hergestellte Scheibe läßt sich sehr gut aufrauhen, so daß sie mit ihrer aufgerauhten Seite unter Verwendung eines Klebers einwandfrei mit einer Unterlage, die ihrerseits wieder aufgerauht sein kann, fest verbunden werden kann. Die Haftung zwischen Unterlage und Reibmaterial ist ausgezeichnet.
Die Reibmaterialien gemäß der Erfindung sind sehr beständig gegen den Einfluß von Wärme, weisen einen geringen Abrieb und damit eine hohe Lebensdauer beim Einsatz als Kupplungs-und Bremsbeläge auf. Das Material besitzt eine hohe Elastizität sowie hohe Reibwerte sowohl bei statischer als auch bei dynamischer Belastung. Bei Bremsen, die Bremsbeläge aus erfindungsgemäßem Reibmaterial enthalten, tritt das vielfach übliche Quietschen nicht mehr auf.
Der Reibbelag ist nicht aggressiv gegenüber Gegenmaterialien wie z.B. Stahl oder Guß. Aufgrund der günstigen Oberflächeneigenschaften und ihrer guten Benetzbarkeit ist die Haftung zwischen Kieselsäurefasern und Bindemittel ausgezeichnet, was sich in einer guten Homogenität des Reibbelages bemerkbar macht. Infolge des Reibverhaltens lassen sich bei synchronisiebten Getrieben sehr kurze Schaltzeiten erreichen. Auch die Verträslichkeit der Kieselsäurefasern mit den übrigen eingesetzten Stoffen ist sehr zufriedenstellend.
Die Reibbeläge haben ein gutes Berstverhalten und besitzen hohe Berstfestigkeiten, wie sie vor allem für Kupplungsbeläge gefordert werden.
Die Erfindung wird durch folgende Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1 Herstellung eines Kupplungsreibbelages.
Aus einem Garn aus Kieselsäurefasern und einem Garn aus einer vollaromatischen Polyamidfaser wird im Volumenverhältnis 1:1 ein Mischzwirn hergestellt mit einem Gesamttiter von 12 000 dtex. Die Garndrehung ist 120 Drehungen pro Meter, die Zwirndrehunq 150 Drehungen pro Meter. Vier dieser Zwirne werden zu einem Band zusammengefaßt und durch ein Tauchbad geführt, das eine übliche Imprägniermischung enthält. Diese Mischung besteht im wesentlichen aus Phenolharz. Natur- und Syntheselatices (50 Gewichtsteile), sowie RuB- und Graphit (20 Gewichtsteile), Kaolin (15 Gewichtsteile) Zinkoxid (5 Gewichtsteile) und Schwefel (10 Gewichtsteile) und athylmethylketon als Lösungsmittel.
Nach dem Impräqnieren werden die Bändchen bis zur Klebefreiheit getrocknet, sodann zu einem scheibenförmigen Vorformling einer Dicke von etwa 6 mm gewickelt und anschließend verpreßt, das Verpressen geschieht bei einem Druck von 120 bar und einer Temperatur von 1800C. Die Enddicke der Scheibe beträgt etwa 3 mm.
Beispiel 2 Herstellung eines Bremsbelages Ein Kieselsäurefilamentgarn und ein Filamentgarn aus vollaromatischem Polyamid wird im Volumenverhältnis 2:1 gefacht und dann mittels einer üblichen Schneidevorrichtung zu Faserkurzschnitt einer Stapellänge von 6 mm geschnitten.
30 Volumenteile dieses Kurzschnittgemisches werden mit 70 Volumenteilen eines Bindemittelgemisches vermischt und auf übliche Weise zu einem Bremsbelag verarbeitet.
Das Bindemittelgemisch enthält - alle Zahlenangaben sind Volumenteile - Phenol-Kresolharz (30), synthetischen Kautschuk (10), Baryt (5), Schiefermehl/Kaolin-Gemisch (10), Graphit (5), Molybdänsulfid (5), Eisenspäne/Kupferpulvergemisch 3:1 (5).

Claims

Patentansprüche 1. Reibbelag, der im wesentlichen aus einem Fasermaterial, einer polymeren Bindemittelmasse, Füllmittel sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial ganz oder teilweise aus Kieselsäurefasern besteht.
2. Reibbelag nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kieselsäurefasern, die durch Trockenverspinnen von Natronwasserglas und Behandlung der Natronwasserglasfasern zur Umwandlung des Natriumsilikats in Kieselsäure mit wäßrigen, wasserstoffionenhaltigen Säure- oder Salzlösungen erhalten worden sind.
3. Reibbelag nach den Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet durch Kieselsäurefasern einer Zugfestigkeit von 200 bis 800 N/mm2 und einem E-Modul von 10 ~ 103 bis 100 ~ 103 NImm2.
4. Reibbelag nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch kurzgeschnittene Kieselsäurefasern einer Stapellänge von 1 bis 40 mm.
5. Reibbelag nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Kieselsäurefasern einer Stapellänge von 5 bis 15 mm.
6. Reibbelag nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Anteil von Kieselsäurefasern von 5 bis 70 Gew.%.
7. Reibbelag nach den Ansprüchen l bis 6, gekennzeichnet durch ein Fasermaterial aus Kieselsäurefasern und Polyacrylnitrilfasern.
8. Reibbelaq nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Fasermaterial aus Kieselsäurefasern und Viskosefasern.
9. Reibbelag nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Fasermaterial aus Kieselsäurefasern und Kohlenstoff-Fasern.
10.Reibbelag nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Fasermaterial aus Kieselsäurefasern und Fasern aus vollaromatischen Polyamiden.
11.Reibbelag nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial als weiteren Faserbestandteil Metallfasern enthält.
12.Reibbelag nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfasern Stahlwolle sind.
13.Reibbelag nach den Ansprüchen 1 bis 12, erhalten durch Verpressen von Kieselsäurefasern enthaltenden Stäbchenmassen.
14.Verwendung des Reibbelags nach den Ansprüchen 1 bis 13 als Reibbelag bei Scheiben- und Trommelbremsen.
15.Verwendung des Reibmaterials nach den Ansprüchen 1 bis 13 als Reibbelag von Kupplungen.
16.Verwendung des Reibmaterials nach den Ansprüchen 1 bis 13 als Scheibenmaterial bei Mehrscheibenkupplungen.
17. Reibbelag nach Anspruch 2 bis 16, gekennzeichnet durch Kieselsäurefasern, die durch Trockenverspinnen von Natronwasserglas, Behandeln der Natronwasserglasfasern mit verdünnter Salzsäure und anschließendes Tempern der Fasern bei Temperaturen über 8000C erhalten worden sind.