DE2944864C2 - Verwendung von Kieselsäurefasern zur Herstellung von Reibbelägen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Kieselsäurefasern bei der Herstellung von Reibbelägen, 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 1100°C 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 einer Unterlage wie z. B. einem Metallträger befestigen zu können.

Es sind bereits eine ganze Reihe von Reibbelägen bekannt, die zum Teil die erwähnten Eigenschaften in mehr oder weniger zufriedenstellendem 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 weitgehendst 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.

Aus der DE-OS 28 29 481 ist zwar ein Reibmr.erial bekannt, das u. a. nicht aus Asbest bestehende Fasern enthält. Dort werden in allgemeiner Form auch Kieselsäurefasern erwähnt. Hierbei handelt es sich jedoch um übliche technisch zugängliche Kieselsäurefasern, wie sie durch Auslaugen von Glasfasern erhalten werden. Solche Fasern sind jedoch sehr spröde und weisen eine geringe Längsfestigkeit auf, so daß sich ihr Einsatz bei der Herstellung von Reibbelägen bislang nicht durchsetzen konnte.

Es besteht deshalb noch ein Bedürfnis nach Reibbelägen, bei deren Herstellung Kieselsäurefasern zum Einsatz gelangen können.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Reibbelag zur Verfugung zu stellen, der ohne die bisher üblicherweise verwendeten Asbestfasern aber unter Einsatz von Kieselsäurefasern aufgebaut ist, der sich gut auf einfache Art und Weise verarbeiten läßt und gute Gebrauchseigenschaften aufweist. Aufgabe der Erfindung ist ferner die Herstellung eines Reibbelags, 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 die Herstellung eines Reibbelags der vielseitig einsetzbar ist und eine geringe Agressivität 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 eine Verwendung nach Anspruch 1 gelöst. In den Ansprüchen 2 bis 8 werden besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verwendung wiedergegeben.

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. FoI-gende 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 Kieselsäurefasern bereits eine weitere Faserkomponente der oben erwähnten Arten vorhanden ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin-

b5 dung werden die Reibbeläge durch Verpressen von kieselsäurehaltigen Stäbchenmassen erhalten.

Das gemäß der Erfindung hergestellte Reibmaterial wird vorzugsweise als Reibbelag bei Scheiben- und

Trommelbremsen, als Reibbelag von Kupplungen sowie als Scheibenmaterial bei Mehrscheibenkupplungen eingesetzt

Unter Kieselsäurefasern im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Fasern zu verstehen, die als Hauptbestandteil SiO? oder polymere Kieselsäure enthalten, wie sie formal gesehen durch Kondensation von Orthokieselsäure entsteht. Die Übergänge zwischen hochkondensierter Kieselsäure und dem reinen SiO: sind fließend.

Vorzugsweise haben die Kieselsäurefasern der vorliegenden Erfindung im entwässerten Zustand einen SiO:-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 Natronwasserglssfasern nach Behandlung mit verdünnter Salzsäure und Trocknen bei Temperaturen bis etwa 12O⁰C entstehen. Bevorzugt werden jedoch bei Temperaturen über 800⁰C getemperte, praktisch wasserfreie und SiOH-gruppenarme Kieselsäurefasern. Die Fasern sind vorzugsweise praktisch frei von sonstigen Oxiden wie AIiO j, MgO usw.

Die Herstellung 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 Wasserglasfasern mit sauren Verbindungen erhalten worden sind. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden Kieselsäurefasern verwendet, wie sie nach der Lehre der DE-OS 29 OO 991 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, Bündeln oder Büscheln, 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.

Stäbchenmassen, 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 Stahlwolle sehr günstig ist. In Reibbelägen, die in Kupplungen eingesetzt werden, sind Messingdrähte 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 sina 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. enthalten, das Mitverarbeiten von üblichen Zusätzen ist möglich. Auch der Einsatz von Polytetrafluorethylen 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.

Übliche Bindemittel, Füllmaterialien, Zusätze sowie entsprechende Herstellungsverfahren werden in der Literatur vielfach beschrieben. In diesem Zusammenhang 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 Präparation 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 her-

zustellen, 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 sind, zum Hinsatz gelange?.

Es war besonders überraschend, daß sich die erfindungsgemäß hergestellten Reibbeläge so vorteilhaft, insbesondere als Reibbeläge in Bremsen und Kupplungen einsetzen lassen. Sie sind ferner sehr gut geeignet als Scheiben bei sogenannten Mehrscheibenkupplungen.

Die Reibmaterialien lassen sich gut durch mechanische Mittel bearbeiten, so ist es ohne weiteres möglich, sie durch Schleifen, Bohren, Fräsen usw. ».uf entsprechende Form zu bringen. Entgraten, Einbringen von Nuten oder spiralförmigen Vertiefungen ist ohne Schwierigkeiten möglich.

Eine aus dem erfindungsgemäß hergestellten Reibbelag 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 gemäß der Erfindung hergestellten Reibmaterialien 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 erfindungsgemäß hergestellten 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 synchronisierten Getrieben sehr kurze Schaltzeiten erreichen. Auch die Verträglichkeit 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.

B e i s ρ i e I 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 000dtex. Die Garndrehung ist 120 Drehungen pro Meter, die Zwirndrehung 150 Drehungen pro Meter. Vier dieser Zwirne werden zu einem Band zusammengefaßt und durch ein Tauchbad es geführt, das eine übliche Imprägniermischung enthält. Diese Mischung besteht im .vcsentlichen aus Phenolharz, Natur- und Syntheselatices (50 Gewichtsteile), sowie Ruß- und Graphit (20 Gewichtstelle), Kaolin (15 Gewichtsteile), Zinkoxid (5 Gewichtsteile) und Schwefel (10 Gewichtsteile) und Äthylmethylketon als Lösungsmittel.

Nach dem Imprägnieren werden die Bändchen bis zur Klebefreiheit getrocknet, sodann zu einem scheibenförmigen Vorformling einer Dicke von etwa 6 mm gewikkelt und anschließend verpreßt, das Yerpressen geschieht bei einem Druck von 120 bar und einer Temperatur von 180⁰C. Die Enddicke der Scheibe beträgt etwa 3 mm.

Beispiel 2
Herstellungeines 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 (8)

Patentansprüche:

1. Verwendung von Kieselsäurefasern, die durch Trockenverspinnen von Natronwasserglas und Behandlung der Natronwasserglasiasern zur Umwandlung des Natriumsilikais in Kieselsäure mit wäßrigen, wasserstoffionenhaltigen Säure- oder Salzlösungen erhalten worden sind, zur Herstellung von Reibbelägen, die aus einem Fasermaterial, einem polymeren Bindemittel, Füllmitteln sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen aufgebaut sind.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kieselsäurefasern eine Zugfestigkeit von 200 bis 800 N/mm- und einen Ε-Modul von 10 · 10^J bis 100 - 10^J N/mm² aufweisen.

3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Kieselsäurefasern kurzgeschnitten sind und eine Stapellänge von J bis 40 mm aufweisen.

4. Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kieselsäurefasern eine Stapellänge von 5 bis 15 mm aufweisen.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung des Reibbelags Kieselsäurefasern und Fasern aus vollaromatischen Polyamiden verwendet.

6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Reibbelägen von Scheiben- und Trommelbremsen.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Reibbelägen von Kupplungen.

8. Verwendung nach Anspruch 7 zur Herstellung von Reibbelägen als Scheibenmaterial bei Mehrscheibenkupplungen.