DE3433139A1

DE3433139A1 - Faserhaufwerk fuer reibbelaege

Info

Publication number: DE3433139A1
Application number: DE19843433139
Authority: DE
Inventors: Reiner Ing.(grad.) 8901 Aindling Bode
Original assignee: Sigri 8901 Meitingen GmbH; Sigri GmbH
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 1984-09-08
Filing date: 1984-09-08
Publication date: 1986-03-20
Also published as: FR2570089B1; GB8522304D0; GB2164067A; GB2164067B; FR2570089A1; IT1185683B; IT8522052A0

Description

SIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH Meitingen, den 7. SE?.

Faserhaufwerk für. Reibbeläge

Die Erfindung betrifft ein Faserhaufwerk aus thermisch stabilisierten Polyacrylnitrilfasern für Reibbeläge und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Kupplungen und Bremsen enthalten als verschleißbeständiges Element Reibbeläge, deren Reibungskoeffizient von den Betriebsbedingungen, z.B. der Temperatur oder der atmosphärischen Zusammensetzung, im wesentlichen unabhängig sein muß. Die meisten Reibbeläge enthalten faserförmige Komponenten, bisher fast ausschließlich Asbest, der wegen seiner Cancerogenität durch nichttoxische Stoffe ersetzt werden soll. Mögliche Substitutionswerkstoffe sind u.a. Metallfasern, Glasfasern, Kohlenstoffasern und thermisch stabilisierte Polyacrylnitrilfasern (Chemiefasern/Textilindustrie 32, 1982, 422-432). Thermisch stabilisierte Polyacrylnitrilfasern sind unschmelzbar, flammfest und haben einen hohen Abrasionswiderstand. Sie werden hergestellt vor allem durch oxidative Vernetzung der MoIekülstränge beim Erhitzen der Fasern in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre auf etwa 300 ⁰C. Die Verwendung der Fasern in Reibbelägen befriedigte bisher nicht, vor allem wegen der ungleichförmigen Verteilung der Fasern im Reibbelag. Beim Mischen mit den anderen Komponenten des

PA 84/12 Dr.We/Ma - 4 -

Belags bilden die Fasern beständige Agglomerate, die in dem fertigen Reibbelag mehr oder weniger nesterartig verteilt sind. Das Reibverhalten derartiger Beläge streut entsprechend beträchtlich. Es ist bekannt, den Verteilungsgrad von thermisch stabilisierten Polyacrylfasern in Koks- und Graphitpulver enthaltenden Gemischen, die zur Herstellung von Graphitelektroden verwendet werden, durch Mischen in Hochgeschwindigkeitsmischern zu verbessern, deren Rührflügel mit Umfangsgeschwindigkeiten von 5 bis 50 m/s bewegt werden (DE-OS 26 59 374). Beim Mischen der Komponenten von Reibbelägen führt dieses Verfahren nicht zum Erfolg, vermutlich wegen der großen Dichteunterschiede der Komponenten. Es ist schließlich bekannt, Kohlenstoff-Kurzschnittfasern und Kunstharzpulver enthaltende Gemenge in einem Fließbett aufzulockern und dann das lockere Gemenge zu mischen (US-PS 4 335 965). Auch dieses Mischverfahren ist zum Mischen der Komponenten eines Reibbelags weniger geeignet.

Die Fasern aus thermisch stabilisiertem Polyacrylnitril sind beim Mischen beträchtlichen mechanischen Spannungen unterworfen, die vor allem wegen der Sprödigkeit der Fasern zum Faserbruch oder gar zum vollständigen Zermahlen führen können. Es ist bekannt, die Handhabbarkeit, z.B. die Knickfestigkeit, textiler Gebilde durch Beschichten der Fasern mit einer Schlichte zu verbessern. Werden die Fasern zu einem Verbundkörper, z.B. einem Reibbelag, verarbeitet, muß die Schlichte offensichtlich mit der jeweiligen Matrix kompatibel sein. Diese Bedingung beschränkt die Verwendungsbreite der Schlichten, so daß die zahlreich bekanntgewordenen Schlichten mit Vorteil jeweils nur

PA 84/12 Dr.We/Ma - 5 -

für eine Faserart und ein bestimmtes Matrixsystem verwendet werden können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein für Reibbeläge geeignetes Faserhaufwerk aus thermisch stabilisierten Polyacrylnitrilfasern zu schaffen, dessen Fasern beim Verarbeiten des Haufwerks im wesentlichen nicht zerbrechen, in Mischungen mit anderen Komponenten von Reibbelägen gleichförmig verteilt werden können und in die Matrix des Reibbelags fest eingebunden werden.

Die Aufgabe wird mit einem Faserhaufwerk dadurch gelöst, daß

a) das Haufwerk aus Faserabschnitten mit Längen von 0,5 bis 20 mm besteht, die durch Schneiden eines Multifilamentgarns mit wenigstens 100.000 Filamenten und einem Titer von 35 bis 45 ktex gewonnen sind,

b) die Filamente mit einem Resol beschichtet sind,

c) das Haufwerk in einem Luftstrom verwirbelt ist und

d) eine Schüttdichte von 30 bis 180 g/l hat. 25

Überraschend wurde gefunden, daß mit Resol beschichtete Filamente bei den üblichen Verfahren zur Herstellung von Reibbelägen nicht zerbrechen, in Form eines Faserhaufwerks gleichmäßig mit den Komponenten des Reibbelags gemischt werden können und in eine phenolharzhaltige Matrix fest eingebunden werden. Für die gleichmäßige Verteilung der Fasern ist offenbar die Auflockerung des Faserhaufwerks eine notwendige Bedingung. Bei einer Schüttdichte oberhalb von 180 g/l steigt der

PA 84/12 Dr.We/Ma - 6 -

Anteil verklumpter Aggregate derartig an, daß eine für die Funktionsfähigkeit des Reibbelags ausreichende Gleichverteilung der Fasern nicht erreicht wird. Unterhalb einer Schüttdichte von 30 g/l wird eine befriedigende Verteilung der Fasern nur mit sehr langen Mischzeiten erzielt. Eine zweite Bedingung für die Gleichverteilung der Fasern ist ihre Verwirbelung in einem Luftstrom. Die Fasern sind aus einem Multifilamentgarn mit wenigstens 100.000 Filamenten und einem Titer von 35 bis 45 ktex gewonnen, die Länge der Faserabschnitte beträgt 0,5 bis 20 mm. Sie wird im einzelnen durch die Art des Reibbelags bestimmt, für den das Faserhaufwerk vorgesehen ist. Die Zugfestigkeit der Fasern und der Elastizitätsmodul betragen vorteilhaft

2 2

wenigstens 0,2 kN/mm bzw 7 kN/mm . Der Anteil der Reso!beschichtung an der Fasermasse richtet sich ebenfalls nach der jeweiligen Verwendung des Faserhaufwerks, gute Ergebnisse erzielt man mit einem Harzanteil von 5 bis 25 Gew.%.

Zur Herstellung des Faserhaufwerk aus thermisch stabilisierten Polyacrylnitrilfasern werden Multifilamentgarne mit wenigstens 100.000 Filamenten aufgefächert und durch einen mit einer Resol-Lösung gefüllten Trog gezogen. Die Resol-Konzentration beträgt etwa 5 bis 25 %, das Lösungsmittel ist zweckmäßig Wasser. Andere brauchbare Lösungsmittel sind Ethanol oder Methanol. Bei dieser Behandlung benetzt die Lösung, deren Viskosität etwa 100 bis 500 mPa · s beträgt, die Oberfläche der Filamente und bildet einen geschlossenen Film. Dem Imprägniertrog nachgeschaltet ist ein Trockenkanal, in welchem die beschichteten Garne durch Erhitzen auf etwa 120 bis 150 C getrocknet werden und das Resol partiell gehärtet wird. Der Resolharzkörper soll nach der thermischen Behandlung nicht mehr kleben.

PA 84/12 Dr.We/Ma - 7 -

Anschließend wird das beschichtete Garn in Abschnitte von 0/5 bis 20 mm Länge zerlegt. Zum Zerschneiden des Garns eignen sich alle für die Herstellung von Kurzschnittfasern verwendeten Werkzeuge, z.B. Schneidbalken oder rotierende Messer, vorausgesetzt, die Streuung der Faserlänge ist nicht zu groß. Die Faserabschnitte werden dann in einem Luftstrom verwirbelt und ein Faserhaufwerk wird in einem Filter oder Zyklon abgeschieden. In bekannter Weise kann man das Schneiden und Verwirbeln 3^er Fasern in einem Aggregat zusammenfassen, z.B. einer Schneidmühle. Bei gegebener Länge der Faserabschnitte wird die Schüttdichte des Faserhaufwerks über die Geschwindigkeit des Gasstroms in der Wirbelkammer eingestellt.

Die Erfindung wird anhand eines Beispiels näher erläutert:

Multifilamentgarn aus thermisch stabilisierten PoIyacrylnitril mit 320.000 Filamenten, Titer 40 ktex,

Dichte 1,40 g/cm , dessen Zugfestigkeit 0,25 kN/mm²

2
und E-Modul 9 kN/mm betrug , wurde mit einer wässerigen Resol-Lösung beschichtet. Die Lösung enthielt 20 % Resol-Harz, die Viskosität war etwa 150 mPa · s (20 ⁰C). Das Garn wurde durch einen mit der Lösung gefüllten Trog gezogen - Tauchzeit etwa 1 min -, über Quetschwalzen zum Ausquetschen des überschüssigen Imprägniermittels geführt und in einem Trockenkanal in einem Luftstrom auf etwa 130 ⁰C erhitzt. Die Resolaufnähme betrug knapp 10 %, die Schichtdicke des Resol-Harzfilms, der nach der thermischen Behandlung nicht mehr klebte, ca. 1 bis 2 ,um. Das beschichtete Garn wurde mit einem Schneidbalken in Abschnitte von etwa 3 bis 10 mm Länge zerlegt, die Abschnitte in einem linearen Luftstrom mit einer

PA 84/12 Dr.We/Ma - 8 -

- ^:; " "■' .3A33139

Geschwindigkeit von etwa 200 m/s aufgewirbelt und in einem Filter abgeschieden. Die Schüttdichte des gebildeten Faserhaufwerks betrug ca. 50 g/l.

Zur Herstellung eines Reibbelags für Kupplungen wurde in einem schnellaufenden Zwangsmischer mit Pflugscharschaufeln ein Ansatz, enthaltend 20 % Phenolformaldehydharz, 15 % Stahlfasern, 20 % Eisen- und Kupferpulver, 15 % anorganische Füllstoffe (Calciumcarbonat, Bariumsulfat, Aluminiumoxid), 10 % organische Füllstoffe (Gummistaub) und 20 % des oben beschriebenen Faserhaufwerks, enthaltend beschichtete Fasern aus thermisch stabilisierten Polyacrylnitril, gemischt, das Gemisch bei einer Temperatur von etwa 150 C zu Reibbelägen verpreßt und das Phenolformaldehyd-Harz durch Erwärmen auf etwa 180 C ausgehärtet. Die mikroskopische Prüfung der Reibbeläge zeigte bei dem überwiegenden Teil der Fasern keine Verkürzung der Faserlänge, eine gleichförmige Verteilung der Fasern und die sehr gute Einbindung der beschichteten Fasern in der Phenolformaldehydharz-Matrix. Der qualitative Befund wurde bestätigt durch die kleine Streuung der auf einen Prüfstand ge-. messenen Verschleißrate und die Berstdrehzahl, die größer ist als bei Belägen, die nichtbeschichtete Fasern enthalten.

PA 84/12 Dr.We/Ma

Claims

84/12 Patentansprüche

1. Faserhaufwerk aus thermisch stabilisierten PoIyacrylnitrilfasern für Reibbeläge, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Haufwerk aus Faserabschnitten mit Längen von 0,5 bis 20 mm besteht, die durch Schneiden eines Multifilamentgarns mit wenigstens 100.000 Filamenten und einem Titer von 35

bis 45 ktex gewonnen sind,

b) die Filamente mit einem Resol beschichtet sind,

c) das Haufwerk in einem Luftstrom verwirbelt ist und

d) eine Schüttdichte von 30 bis 180 g/l hat.

2. Faserhaufwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zugfestigkeit

2 der Fasern wenigstens 0,2 kN/mm und der Elasti-

2 zitätsmodul wenigstens 7 kN/mm betragen.

3. Faserhaufwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die beschichtete Faser 5 bis 20 Gew.% Resol enthält.

PA 84/12 Dr.We/Ma - 2 -

4. Verfahren zur Herstellung eines Faserhaufwerks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß

a) ein Multifilamentgarn aus thermisch stabilisiertem Polyacrylnitril mit wenigstens 100.000 Filamenten und einem Titer von 35 bis 45 ktex mit einer Resol-Lösung beschichtet und das beschichtete Garn getrocknet wird,

b) die beschichteten Fasern in 0,5 bis 20 mm lange Abschnitte zerlegt werden und

c) durch Verwirbeln in einem Luftstrom ein Faserhaufwerk mit einer Schüttdichte von 30 bis 180 g/l gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine wässerige Resollösung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet , daß 5 bis 25 % Resol enthaltende wässerige Lösungen verwendet werden.

PA 83/12 Dr.We/Ma