DE3856383T2

DE3856383T2 - Reibungsmaterialien, welche Acrylfasern enthalten

Info

Publication number: DE3856383T2
Application number: DE3856383T
Authority: DE
Inventors: Leigh Tucker Doxsee; Robert E. Evans; Michale P. O'toole
Original assignee: Sterling Chemicals International Inc
Current assignee: Sterling Chemicals International Inc
Priority date: 1988-07-26
Filing date: 1988-10-18
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2008-10-19
Also published as: US4866107A; NO892513D0; DE3856383D1; ES2139561T3; MX164144B; EP0352363A1; EP0352363B1; JPH0241365A; DK631388A; DK631388D0; CA1317392C; NO892513L; ATE188022T1; JP2870542B2; DK175751B1; GR3032979T3

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft die Einarbeitung einer fibrillierten Acrylpolymerpulpefaser in asbestfreie Reibmaterialien zum Zwecke der Verbesserung der strukturellen Festigkeit von Vorformlingen. Die Vorformlinge dienen als Zwischenprodukte in der Herstellung von Reibelementen.
Wegen der Gefährdung von Gesundheit und Sicherheit, die auf Asbest zurückzuführen ist, besteht seit langem der Wunsch, einen Ersatz für asbesthaltige Reibmaterialien zu finden. Zahlreiche Versuche, Asbest zu ersetzen, haben zu einem umfassenden technischen System geführt, das sich zumindest in drei Hauptkategorien von asbestfreien Mischungen einteilen läßt. Dies sind: (1) halbmetallische Materialien, (2) organische asbestfreie Materialien und (3) Kohlenwasserstoff-Kaltformungsmaterialien. Solche Kategorien sind im allgemeinen in U. S. Patent Nr. 3.856.120; 4.137.214 bzw. 4.125.496 dargestellt. Andere typische asbestfreie Mischungen sind in U. S. Patent Nr. 4.278.584; 4.226.758; 4.226.759; und 4.219.452 enthalten, wobei alle diese Patente hierin zum Zwecke der Bezugnahme zitiert werden.
Die Beseitigung von Asbest aus Reibmaterialmischungen hat jedoch zu einem ernsthaften Herstellungsproblem geführt. Das Problem besteht darin, daß die asbestfreien Vorformlinge, die normalerweise vor dem Heißpressen und Warmhärten bei Umgebungstemperatur formgestanzt werden, im allgemeinen keine annehmbare strukturelle Festigkeit aufweisen, um der anschließenden Handhabung und Lagerung ohne Bruch standhalten zu können. Asbesthaltige Zusammensetzungen besitzen andererseits die notwendige strukturelle Festigkeit, um einer solchen Handhabung zu widerstehen.
Beispiele für Versuche, natürliche und synthetische Fasern anstelle der Asbestfasern in der Herstellung von Reibmaterialien zu verwenden, finden sich auch in den folgenden Druckschriften: U. S. Patent Nr. 4.145.223, worin die Einarbeitung von Glasfasern, Stahlfasern, organischen synthetischen Fasern wie aus Phenolharzen und Keramikfasern offenbart ist; Offengelegte UK Anmeldung Nr. 2027724 A, in welcher voroxidierte Acrylfasern gelehrt werden; U. S. Patent Nr. 4.197.223 und UK Patent Nr. 1604827, in welchen Mischungen aus anorganischen und organischen Fasern wie Glasfasern, Mineralwollen, Aluminiosilikatfäsern, Zellstoff-, Jute-, Sisal- oder Baumwoll-Lintersfasern gelehrt werden; U. S. Patent Nr. 4.374.211 und 4.384.640, die Aramidpolymere lehren; U. S. Patent Nr. 4.418.115; 4.508.855; 4.539.24ß; 4.656.203; Offengelegte GB Anmeldung Nr. 2129006A; Offengelegte Japanische Anmeldung 87/106133; Offengelegte Japanische Anmeldung 87/89784; und Offengelegte Japanische Anmeldung 87/149908, die alle verschiedene Polymerfasereinarbeitungen lehren und auch alle hierin zum Zwecke der Bezugnahme zitiert werden. Aus EP 264096 ist eine asbestfreie Reibmaterialzusammensetzung für ein Reibelement bekannt, die ein wärmehärtbares Bindemittel, ein Faserverstärkungsmaterial und eine effektive Menge einer fibrillierten Acrylfaser umfaßt.
In allen diesen Verweisstellen wird jedoch das kritische Verhältnis zwischen Faserlänge und einem Mahlgrad nach kanadischem Standard (Canadian Standard Freeness; CSF) der Acrylfaser nicht erkannt, welches der entscheidende Punkt des hierin beschriebenen, erfindungsgemäßen Konzeptes ist. Diese Erfindung löst das Problem der strukturellen Festigkeit, das bei asbestfreien Vorformlingen auftritt, durch die Einarbeitung einer wirksamen Menge einer fibrillierten Acrylfaser mit einem einzigartigen Verhältnis von Faserlänge zu CSF in das Reibmaterial, so daß eine ausreichende strukturelle Festigkeit garantiert erreicht werden kann, um der anschließenden Handhabung und/oder Lagerung des Vorformlings vor einer Weiterverarbeitung standzuhalten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine asbestfreie Reibmaterialzusammensetzung, wie jene der halbmetallischen, organischen, asbestfreien oder Kohlenwasserstoff-Kaltverformungsart. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung ist zur Verwendung bei der Formung eines Reibelements geeignet und umfaßt ein wärmehärtbares Bindemittel, ein Faserverstärkungsmaterial und wenigstens 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht aller Bestandteile, einer fibrillierten Acrylpolymerfaser, wobei die Zusammensetzung eine gute strukturelle Festigkeit von Vorformlingen gewährleistet, die anschließend aus ihr gebildet werden. Nach der Bildung einer Mischung der Reibmaterialzusammensetzung der Erfindung kann ein Reibelement hergestellt werden, indem die üblichen Schritte des Komprimierens der Mischung zur Bildung eines Vorformlings, des Pressens des Vorformlings bei erhöhten Temperaturen, des Behandelns des gepreßten Materials bei einer ausreichenden Temperatur, um eine Aushärtung herbeizuführen, und dann des Bildens eines Reibelements, wie Scheibenbremsen, Reibkissen, Kupplungsbelägen und dergleichen, aus dem gehärteten Material, durchgeführt werden.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Es wurde entdeckt, daß Vorformlinge aus asbestfreiem Reibmaterial durch die Einarbeitung relativ geringer Mengen fibrillierter Acrylpolymerfasern in das Reibmaterial deutlich verbessert werden können, vorausgesetzt, der Effizienzindex, wie in der Folge definiert, der Fasern liegt im Bereich von etwa 0,8 bis etwa 2,0. Acrylpulpefasern sind an sich gut bekannt, wie durch den zuvor zitierten Stand der Technik gezeigt wurde, und können für gewöhnlich in Vorformlingen in Mengen enthalten sein, die von einer effektiven Menge, die dem Vorformling eine gute strukturelle Festigkeit verleiht, bis zu etwa 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht aller Bestandteile, reichen. Aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen ist kein besonderer Vorteil in dem Überschreiten des 15%-Wertes erkennbar. Es wird bevorzugt, etwa 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-%, auf derselben Basis, zu verwenden; da solche Mengen für gewöhnlich angemessen sind, um das Erreichen einer guten strukturellen Festigkeit des Vorformlings zu garantieren, und dazu dienen, die Biegefestigkeit zu optimieren.
Der "Effizienzindex" der fibrillierten Acrylfasern, wie hierin verwendet, ist als die Quadratwurzel der maximalen Faserlänge mal der durchschnittlichen Faserlänge, dividiert durch den Mahlgrad nach kanadischem Standard mal 1000 definiert, d. h.;
wobei L die Faserlänge und CSF der Mahlgrad nach kanadischem Standard ist.
Es hat sich unerwartet herausgestellt, daß, wenn der Effizienzindex innerhalb der zuvor definierten Grenzen liegt, der daraus hergestellte Artikel im Sinne der gemessenen Bruchlast und Steifigkeit gleich oder besser als die meisten, im Handel erhältlichen Reibmaterialien ist.
Pulpefasern, die in der vorliegenden Erfindung zweckdienlich sind, sind fibrillierte Acrylfasern, wobei die Faser einen Mahlgrad nach kanadischem Standard (CSF) von 150 bis 350, vorzugsweise von 175 bis 325 hat. Die fibrillierte Faserlänge muß im Bereich von 0,15 Inch bis 0,45 Inch, vorzugsweise von 0,2 Inch bis 0,4 Inch (3,8 bis 11 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 mm) liegen.
Bevorzugte Fasern sind Fasern mit einem Acrylnitrilgehalt von mindestens 85% (bezogen auf das Gewicht des Acrylnitrilmonomergehalts zu dem Gesamtmonomergehalt der Vorpo lymerisationsmischung). Besonders zweckdienliche Fasern haben einen Acrylnitrilgehalt von mehr als etwa 89% und insbesondere zwischen 89 und 91,5% auf derselben Basis. Das bevorzugte Comonomer umfaßt Methylmethacrylat, das vorzugsweise in Werten von wenigstens etwa 8,5 Gew.-% vorhanden ist, wie zuvor besprochen wurde.
Eine noch mehr bevorzugte fibrillierte Faser ist jene, die aus einer statistischen Zweikomponentenfaser hergestellt wird, die aus einer 50/50 Mischung eines 90/10 Acrylnitril/Methylmethacrylat-Copolymers und eines 93/7 Acrylnitril/Methylmethacrylat-Copolymers besteht. Es können ohne Einschränkung andere Comonomere verwendet werden, vorausgesetzt, ihr Einschluß führt weder in der Möglichkeit der Faserfibrillierung noch bei den Eigenschaften der erzeugten fibrillierten Faser zu einer deutlichen Beeinträchtigung. Die Kombinierbarkeit solcher anderen Monomere kann leicht von einem Fachmann durch einfache Experimente bestimmt werden; siehe U. S. 3.047.455, das hierin zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird.
Die Messung des Mahlgrades nach kanadischem Standard erfolgt laut der Beschreibung eines Tests, der in einem Artikel mit dem Titel "Freeness of Pulp" angeführt ist; Normvorschlag 1943; offizieller Standard 1946; überarbeitet 1958 und offizielles Testverfahren 1985; erstellt von The Technical Committee of the Tappi Association. Ohne sich auf diese Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen, daß Fasern, die in der Herstellung der fibrillierten Fasern zweckdienlich sind, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, jene sind, in welchen die Comonomermischung eine in die seitliche Richtung schwache und in die Längsrichtung starke Faser liefert. Für Fasern auf Acrylnitrilbasis kann der fibrillierte Faservorläufer durch herkömmliches Naßspinn-, Trockenspinn- oder Schmelzspinnverfahren hergestellt werden. In der besten Ausführungsform, die zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Anmeldung erwogen wurde, werden naßgesponnene, Gel-, warmgereckte und unverdichtete Fasern auf Acrylnitrilbasis in ihrer fibrillierten Form verwendet.
Die fibrillierten Acrylnitrilfasern, die in der vorliegenden Erfindung zweckdienlich sind, können in jeder bekannten Weise hergestellt werden, wie durch Verwendung eines modifizierten, handelsüblichen Mischers. Im allgemeinen können modifizierte, handelsübliche Mischer der. Marke Waring verwendet werden, wobei der gelieferte Flügel so verändert wird, daß eine Brechkante von etwa 0,25 mm an der Arbeitskante bereitgestellt wird. In Betrieb wird eine relativ verdünnte Aufschlämmung oder Vorläuferfaser in Wasser im allgemeinen in die Mischvorrichtung geleitet, die dann, abhängig von dem Molekulargewicht der verwendeten Faser, wenigstens etwa eine halbe Stunde bis wenigstens etwa eine Stunde läuft. Bei einer Acrylnitrilfaser mit einem Molekulargewicht, das als hoch angesehen wird, d. h., von ca. 58.000, ist eine Verarbeitungszeit von nur einer halben Stunde angemessen, während bei einer Faser mit einem Molekulargewicht, das als nieder angesehen wird, d. h., von ca. 48.000, ein Minimum von etwa einer Stunde für gewöhnlich erforderlich ist. Für die vorliegende Erfindung ist die exäkte Verarbeitungsdauer nicht kritisch und ändert sich mit der Eigenschaft und Zusammensetzung des Vorläufers, d. h., mit dem Molekulargewicht und Monomergehalt, undwird einfach mit Hilfe dieser Offenbarung durch einfache Experimente bestimmt. Als kritisch hat sich die Regulierung der Temperatur der Aufschlämmung während ihrer Verarbeitung erwiesen. Nach dem Stand der Technik wurde der Wärme der Aufschlämmungsmischung keine Beachtung geschenkt. Unabhängig von den normalen Ausgangstemperaturen, d. h., von der Raumtemperatur, führt die mechanische Wirkung der Verarbeitung dazu, daß der Aufschlämmung Wärmeenergie verliehen wird, und es treten Aufschlämmungstemperaturen über etwa 50 ºC auf. Derart erzeugte Fasern hatten CSF-Werte von etwa 500 bis 700, und geringere Werte als diese konnten für gewöhnlich nicht erreicht werden, ohne nützliche Eigenschaften zu verlieren, die durch diese verbesserten Fasern definiert sind. Durch die Bereitstellung von Mitteln zur Aufrechterhaltung der Temperatur der Aufschlämmung in einem tieferen Bereich werden ausgezeichnete fibrillierte Fasern mit gewünschtem. CSF erhalten. Im allgemeinen ergaben Aufschlämmungstemperaturen, die unter etwa 40ºC gehalten wurden, zweckdienliche Fasern. Es wird davon ausgegangen, daß eine Änderung der Aufschlämmungstemperatur innerhalb von und um 20-40ºC unter Verwendung der zuvor beschriebenen Technik, alleine oder in Kombination mit Änderungen des Feststoffgehaltes der Aufschlämmung, unendliche Variationen der kritischen CSF-Parameter je nach Anforderung für den Endgebrauch der fibrillierten Faser ermöglicht.
Es wird anerkannt, daß die Verwendung des handelsüblichen Mischers, wie zuvor beschrieben, in bezug auf die Fasermenge, die in einer einzigen Charge erzeugt werden kann, etwas begrenzt ist. Große Mengen des Materials können jedoch unter Verwendung größerer Ausrüstungsgegenstände erzeugt werden. Herkömmliche Schneide- und Mahlvorrichtung erzeugen oftmals nicht die erforderlichen Fasereigenschaften. Wenn jedoch ein 10 Gallonen Mischer der Marke Daymax wie durch die Modifizierung an der kleineren Waring- Vorrichtung verändert wird (d. h., 0,25 Brechkantenmodifizierung), erzeugen 0,7% Aufschlämmungen des Vorläufers, die unter 30ºC gehalten und etwa 4 Stunden verarbeitet werden, eine ausgezeichnete fibrillierte Faser zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung.
Zusätzlich können Mahlholländer wie jene, die in der Technik bekannt sind; verwendet werden, die geformte Stoffwannen und drehende, zylindrische, mit Flügeln versehene Holländerwalzen enthalten, die sowohl die Fasern in Zusammenarbeit mit einer feststehenden Auflageplatte behandeln als auch die Faseraufschlämmung fortlaufend um einen länglichen Kanal strömen lassen, der von einer mittleren Scheidewand in der Wanne gebildet wird. An der Holländerwalze sind austauschbare Flügel in Schlitzen, die in Längsrichtung ausgerichtet sind, befestigt, so daß sie wie ein Heckrad eines Flußkahns aussehen. Das Material (z. B., 4% Aufschlämmung) strömt in die Räume zwischen den Flügeln und wird bei einem erhöhten Abschnitt nach außen geworfen. Aufgrund des geneigten Bodens der Wanne zirkuliert die Aufschlämmung wiederholt, während Fasern, die an den Flügelkanten erfaßt werden, eine physische Verformung erfahren, während sie über den feststehenden Flügel bewegt werden. Es können Verweilzeiten bis zu etwa 30 Stunden verwendet werden. Die Holländerwalze kann angehoben oder abgesenkt werden, um den Spielraum und/oder den Druck der Walzenflügel in bezug auf den feststehenden Flügel einzustellen. Solche Mahlholländer werden von Belort/Jones Co. verkauft.
Natriumhydroxid (NaOH) kann der Faseraufschlämmung zugesetzt werden, um deren Dispersion und Fibrillierung zu unterstützen, insbesondere in den frühen Stufen des Fibrillierungsvorganges. Es kann ausreichend Natriumhydroxid verwendet werden, um den pH-Wert der Aufschlämmung auf etwa 7-12 einzustellen.
Gegebenenfalls kann ein Dispergiermittel während der Fibrillierung, wie zum Beispiel Aerosol* OT-75, erhältlich von American Cyanamid Company, Wayne, New Jersey, verwendet werden, oder es kann jedes ähnliche Material zur Erleichterung der Fibrillierung zugegeben werden. Die exakten Misch = parameter oder die verwendete Ausrüstung sind jedoch in bezug auf die vorliegende Erfindung nicht beschränkt, und es wird davon ausgegangen, daß diese durch einfache Experimente von einem Fachmann mit Hilfe dieser Offenbarung verändert und modifiziert werden können.
In der Technik haben sich drei allgemeine Arten von Reibmaterialien entwickelt. Dies sind halbmetällische Materia lien, organische asbestfreie Materialien und Kohlenwasserstoff-Kaltverformungsmaterialien. Jede Art kann, wie zuvor besprochen, effektiv mit den zuvor besprochenen fibrillierten Acrylnitrilfasern gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert werden.
Halbmetallische Systeme beinhalten für gewöhnlich Phenolharze; kohlenstoffhaltige Partikel, wie Graphit- oder Kohlenstoffpartikel; asbestfreie Fasern, wie jene von Magnesiumoxid, Zirkonium, Mullit und Aluminiumoxid; Metallpulver wie jene von Eisen, Kupfer, Messing und rostfreiem Stahl; und andere Modifikationsmittel, wie Elastomere und anorganische Verschleißfüllmittel. Die Stahl-, Keramik- oder Kohlenstoffasern dieser Art von System können zur Gänze oder teilweise durch die fibrillierte Acrylnitrilfaser gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt werden.
Halbmetallische Systeme können für gewöhnlich die folgenden Mengen der obengenannten Bestandteile enthalten:
Bestandteil Gew.-%
Phenolharz 4-13
Graphit- oder Kohlenstoffpartikel 14-15
Fasern(1) 0-25
Keramische Pulver(2) 2-10
Metallpulvert(3) 14-15
Andere Modifikationsmittel(4) 0-20
(1) Stahl-, Keramik- oder Kohlenstoffasern
(2) Magnesiumoxid, Zirkonium, Mullit, Aluminiumoxid
(3) Eisen, Kupfer, Messing, rostfreier Stahl
(4) Elastomere, anorganische Verschleißfüllmittel
In der Herstellung von Reibelementen werden die halbmetallischen Reibmaterialbestandteile zur Bildung einer homogenen Mischung zusammengemischt. Die Mischung wird dann zu einem Vorformling gepreßt. Der Vorformling wird dann zu einer zweiten Presse befördert, wo gleichzeitig Druck und Wärme ausgeübt werden, so daß das Harz schmilzt und in dem gesamten Stück fließt, wodurch eine kontinuierliche Matrix entsteht, welche die anderen Bestandteile hält. Das Belagkissen wird dann zu Härtungsöfen befördert und bei Temperaturen im Bereich von 300º bis 600ºF (149º bis 316ºC) gehärtet, um die Harze weiter zu verfestigen.
Organische asbestfreie Systeme enthalten für gewöhnlich ein wärmehärtbares Harz; Kaschupartikel; asbestfreie Fasern; und mehr als 20 Gew.-% einer pulverisierten anorganischen Verbindung mit einem Mohsschen Härtegrad von mehr als 2 und weniger als 5, die imstande ist, Temperaturen von mehr als etwa 425ºC ohne wesentliche chemische oder physikalische Änderungen ausgesetzt zu werden. Solche Bestandteile sind ausführlicher in U. S. Patent Nr. 4.137.214 beschrieben, und dieses Patent wird hierin zum Zwecke einer solchen zusätzlichen Beschreibung zitiert. Organische asbestfreie Systeme können für gewöhnlich die folgende Menge der obengenannten Bestandteile enthalten:
Bestandteil Gew.-%
Wärmehärtbares Harz 10-30
Kaschunuß-Partikel 5-25
Asbestfreie Fasern 5-15
Anorganische Verbindung 20-60
Ein weiteres sogenanntes asbestfreies Reibmaterial ist in U. S. Patent Nr. 4.278.584 offenbart. Dieses Patent offenbart die folgende allgemeine Mischung:
Bestandteil Gew.-%
Phenol-Formaldehydharz 6-12
Kohlenstoffasern 10-40
Stahlfasern 30-60
Anorganische und/oder organische Füllmittel 10-20
Auch hier können die Fasern solcher Systeme zur Gänze oder teilweise durch die vorliegenden fibrillierten Acrylnitrilfasern ersetzt werden.
Reibelemente können für gewöhnlich aus organischen asbestfreien Mischungen hergestellt werden, indem eine Menge der Mischung in eine Form eingebracht und bei 1.200 psi mit einer Quellzeit von 10 Sekunden in der Form gepreßt wird, um einen Vorformling zu bilden, und dann der Vorformling bei 300ºF 15 Minuten bei 4.000 psi (149ºC über 15 Minuten bei 275 bar) mit Entgasen nach einer und 2,5 Minuten gehärtet wird. Die Ränder des gehärteten Vorformlings werden dann zur Entfernung von überschüssigem Material beschnitten und der Vorformling wird über einen Zeitraum von 8 Stunden nachgetrocknet, während er in einem Formungsbehälter eingezwängt ist, um ein Quellen zu verhindern. Die Temperatur wird über einen Zeitraum von 1,5 Stunden auf 400ºF (204 ºC) erhöht und dann an diesem Punkt über die verbleibende Zeitdauer gehalten.
Kohlenwasserstoff-Kaltverformungsreibmaterialien der asbestfreien Art können für gewöhnlich zumindest zwei Systeme enthalten. Das erste System beinhaltet asbestfreie anorganische Fasern, Zellulosefasern, wahlweise Kohlenstoff- und/oder Graphitpartikel und ein wärmehärtbares, organisches Bindemittel, umfassend ein durch Hydroxyl abgeschlossenes Butadien-Copolymer der Formel:
wobei X Phenyl oder CN ist, a einen Wert von 0,05 bis 0,95 hat, b einen Wert von 0,005 bis 0,5 hat und n eine ganze Zahl von etwa 10 bis 140 ist, wobei das Bindemittel mit etwa 0,1 bis etwa 5 Prozent eines Peroxidkatalysators gehärtet wurde.
Ein zweites asbestfreies Kohlenwasserstoff-Kaltverformungssystem enthält metallische Materialien, Graphitpartikel, zusammengebunden mit einem wärmehärtbaren Hydroxyl-Butadien-Copolymer der Formel:
wobei X Phenyl oder CN ist, a einen Wert von 0,05 bis 0,95 hat, b einen Wert von 0,005 bis 0,5 hat und n eine ganze Zahl von etwa 10 bis etwa 140 ist, wobei das Copolymer mit etwa 0,02 bis etwa 12,5 Prozent eines Peroxidkatalysators gehärtet wurde.
Die oben für beide Systeme genannten Bestandteile sind ausführlicher in U. S. Patent Nr. 4.125.4 96 beschrieben, und dieses Patent wird hierin zum Zwecke einer solchen zusätzlichen Beschreibung zitiert.
Die obengenannten Kohlenwasserstoff-Kaltverformungssysteme können für gewöhnlich die folgenden Mengen der obengenannten Bestandteile enthalten:
Erstes System Bestandteil Gew.-%
Anorganische Fasern 20-70
Zellulosefasern 5-25
Kokspartikel 0-15
Graphitpartikel 0-10
Rußschwarz - 0-15
Wärmehärtbäres, organisches Bindemittel 10-60
Zweites System
Bestandteil Gew.-%
Metallisches Material(1) 15-75
Graphitpartikel 5-20
Wärmehärtbares, organisches Bindemittel 2-50
(1) Metallfasern, Metallpulver oder Beimengungen
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die fibrillierte Acrylnitrilfaser zur Gänze oder teilweise die Fasern dieser Kaltverformungssysteme ersetzen.
In der Herstellung von Reibelementen werden Kohlenwasserstoff-Kaltverformungsmischungen für gewöhnlich gleichförmig gemischt und dann bei Drücken in der Größenordnung von 2.000 bis 5.000 psi (138 bis 345 bar) kaltverformt, um einen Vorformling zu bilden. Die Härtung des Vorformlings kann durch Erwärmen bei erhöhten Temperaturen in der Größenordnung von etwa 350 bis 600ºF (177 bis 316ºC) über einen Zeitraum von mehreren Stunden erfolgen.
Die Zusammensetzung, die aus diesen Mischungen hergestellt wird, kann bei einem Druck von etwa 1.500 psi (103·bar) bei Umgebungstemperatur zu Vorformlingen geformt werden. Ein Prozentsatz der fibrillierten Acrylnitrilfaser kann mit anderen Fasern kombiniert werden, wie zum Beispiel mit Aramidpolymerfaser oder -pulpe, wie zum Beispiel Faser oder Pulpe der Marke Kevlar®, oder für den vorliegenden Fall, Faser der Marke Kevlar® 29, der Marke Kevlar® 49 oder der Marke Nomex®, die im Handel von DuPont de Nemours, Wilmington, Delaware, erhältlich sind.
Dze Zugabe der fibrillierten Acrylnitrilfaser erhöht die Bruchlast des Vorformlings. Zusätzlich bewirken die Fasern eine Verbesserung der strukturellen Festigkeit des Vorformlings in den obengenannten Mengen. Die geringeren Mengen sorgen dafür, daß eine angemessene Verbesserung in der Bruchlast erreicht wird, und die höheren Mengen optimieren den Verfestigungseffekt. Im allgemeinen wird in Hinblick auf die Biegefestigkeit sogar eher bevorzugt, daß weniger als etwa 4,0 Gew.W fibrillierte Acrylnitrilfaser der Mischung zugegeben werden. Bei einem Maximum von etwa 4 Gew.-% Faser wird ein annehmbares Gleichgewicht zwischen Bruchlast und Verarbeitungsfähigkeit erreicht.
In jedem der folgenden Beispiele, in welchem eine fibrillierte Acrylnitrilfaser verwendet wird, ist die Faser entweder vom Typ 110-1 der American Cyanamid Company, die aus einer 50/50 Mischung eines 90/10 Acrylnitril/Methylmethacrylat-Copolymers und eines 93/7 Acrylnitril/Methylmethacrylat-Copolymers hergestellt ist, mit einem spezifischen Gewicht von 1,17 ± 0,05 und einer thermischen Zersetzungstemperatur von 350ºC, und die weiteren Eigenschaften sind in der Folge angeführt:
Siebfeine* 50-80% (Maschenweite 14, 1,19 mm)
Zugfestigkeit** 6-20 lbs/in, (63-210 N/cm) Feuchtigkeitsgehalt 0-4%
Erscheinungsbild - optisch feine, weiße Pulpe
* gemessen an nasser Pulpe
** bezogen auf ein 100 g/m² Handmuster aus nasser Pulpe - getrocknet
oder Typ T-98, der aus einem Copolymer von Acrylnitril und Methylmethacrylat (91,5/8,5) hergestellt ist.
Die folgenden Beispiele sind nur zum Zwecke der Veranschaulichung angeführt und sollen, abgesehen von den Angaben in den beiliegenden Ansprüchen, nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden. Alle Teile und Prozentsätze sind, wenn nicht anders angegeben, auf das Gewicht bezogen. In jedem Beispiel ist E. I. = Effizienzindex. Die Bruchlast wird unter Verwendung des 3-Punkt-Biegetests an 3" · 3" (7,6 cm · 7,6 cm) Proben bestimmt.

Beispiel A

Herstellung einer Bremsbackenmischung

3. 000 Teile von Bakelite® 7716 Phenyl/Formaldehydharz, 4.000 Teile Asbury Kohlenstaub (Kohlenstoff) und 11.000 Teile feines Bariumsulfat werden einem Littleford FM-130-D Mischer zugegeben, und das Material wird drei Minuten gemischt. Das erhaltene Produkt wird als Bremsmischung A. bezeichnet.

Beispiel B

Herstellung einer Bremsbackenmischung

16 Teile von Phenol/Formaldehydharz, 4,7 Teile Glasfasern, 6,5 Teile körniger Kohlenstoff, 38,8 Teile Gummi, 34 Teile feines Bariumsulfat und Vermiculit werden wie in Beispiel A einem Mischer zugegeben. Das Material wird vier Minuten gemischt und das erhaltene Produkt als Bremsmischung B bezeichnet.

Beispiel 1 (Vergleich)

474,1 Teile Bremsmischung A und 52,7 Teile Glasfasern werden einem handelsüblichen Waring-Mischer zugegeben. Die Materialien werden 1 Minute gemischt und 170 Teile werden entfernt und gleichmäßig in Scheibenklotzformen verteilt. Die Form wird dann bei 2.500 psi (172 bar) 5 Sekunden in einer Carver, Modell C, Laborpresse gepreßt. Drei Proben werden hergestellt und in einem 3-Punkt-Biegetest unter Verwendung eines Instron, Modell 1123, 24 Stunden später gebrochen. Die durchschnittlichen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I angeführt.

Beispiele 2-4

Es wird wieder nach dem Verfahren von Beispiel 1 vorgegangen, mit der Ausnahme, daß 13,2 Teile von 2) fibrillierter Acrylnitrilfaser B (T-98), 3) fibrillierter Acrylnitrilfaser D (T-110&supmin;¹) und 4) Kevlar® 305 Aramidfaser einzeln gleichen Teilen der Bremsmischung A zugegeben werden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I angeführt. Tabelle I
C = Vergleich
1 Inch = 2,54 cm; 1 1b = 4,45 N, 1 1b/in. = 10,5 N/cm
Wie sofort erkennbar ist, erreichten die geformten Klötze von Beispiel 1 und 2 den Standard (Beispiel 4) in der Bruchlast oder Steifigkeit nicht annähernd, während das Kissen, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde (Beispiel 3), den Standard übertraf. Die Faser von Beispiel 2 wies einen zu geringen Effizienzindex auf, um in der Herstellung eines Bremsklotzes zweckdienlich zu sein.

Beispiel 5 (Vergleich)

323,8 Teile von Bremsmischung B und 171,8 Teile Bariumsulfat werden einem handelsüblichen Waring-Mischer zugegeben und eine Minute gemischt. 150 Teile werden entfernt und zu Scheibenklötzen wie in Beispiel 1 geformt. Die durchschnittlichen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle II angeführt.

Beispiele 6-9

Das Verfahren von Beispiel 5 wird wiederholt, mit der Ausnahme, daß 4,7 Teile von 6) fibrillierter Acrylnitrilfaser A (T-98), 7) Faser B, wie oben, 8) Faser D, wie oben, und 8) Kevlar® 305 Aramidfaser ebenso einzeln dem Mischer zugegeben werden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle II angeführt. Tabelle II
Auch hier ist die einzige fibrillierte Acrylnitrilfaser, die dem Standard in der Bruchlast und Steifigkeit nahekommt jene mit einem Effizienzindex innerhalb des Bereichs, der hierin als kritisch spezifiziert ist.

Beispiele 10-18

Es wird wieder nach dem Verfahren von Beispiel 1 vorgegangen, mit der Ausnahme, daß 7,5 Teile verschiedener fibrillierter Acrylnitrilfasern zugegeben werden. Wieder wird Kevlar® 305 Aramid als Standard verwendet. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle III angeführt. Tabelle III
Es zeigt sich, daß die Fasern D, E, F und G (T-110&supmin;¹) mit Effizienzindizes innerhalb des kritischen Bereichs der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Aramidstandard sehr gut sind. *Faser C ist T-98.

Beispiele 19 - 22

Es wird wieder nach dem Verfahren von Beispiel 1 vorgegangen, mit der Ausnahme, daß 7,5 Teile der obengenannten fibrillierten Acrylnitrilfasern C und D dem Mischer zugegeben werden und ein Klotz in einer Carver, Modell C, Laborpresse bei 1.500 psi (103 bar) über 5 Sekunden gepreßt wird. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle IV angeführt. Tabelle IV
Faser D, die einen Effizienzindex innerhalb des kritischen Bereichs aufweist, ist gut im Vergleich zu dem Aramidstandard.

Beispiele 23-33

Es wird nach dem Verfahren von Beispiel 1 vorgegangen, mit der Ausnahme, daß 13,2 Teile verschiedener fibrillierter Fasern wie in den Beispielen 2-4 zugegeben werden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle V angeführt. Tabelle V
C = Vergleich
* = Vakuumgetrocknet bei 100º, mehrere Stunden

Claims

1. Asbestfreie Reibmaterialzusammensetzung, die zur Verwendung als Reibelement geeignet ist, mit einem wärmehärtbaren Bindemittel, einem Faserverstärkungsmaterial und wenigstens 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht aller Bestandteile, einer fibrillierten Faser auf Acrylnitrilpolymerbasis,

dadurch gekennzeichnet, daß

die fibrillierte Faser einen Effizienzindex von 0,8 bis 2,0 aufweist, wobei der Effizienzindex der fibrillierten Faser wie folgt definiert ist:

wobei L max die maximale Faserlänge (Inch) ist, L ave die durchschnittliche Faserlänge (Inch) und CSF (Canadian Standard Freeness) der Mahlgrad nach kanadischem Standard (ml), und

die fibrillierte Faser einen CSF-Wert von 150 bis 350 ml und eine Faserlänge von 3, 8 bis 11 mm (0,15 bis 0,45 Inch) aufweist.

2. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, bei der der Acrylnitrimonomeranteil an der fibrillierten Faser wenigstens 85 Gew.-% beträgt.

3. Zusammensetzung gemäß Anspruch 2, bei der ein Comonomer des Acrylnitrilpolymers Methylmethacrylat enthält.

4. Zusammensetzung gemäß Anspruch 2, bei der der Acrylnitrilmonomeranteil an der fibrillierten Faser wenigstens 89 Gew.% beträgt.

5. Zusammensetzung gemäß Anspruch 4, bei der ein Comonomer des Acrylnitrilpolymers Methylmethacrylat enthält.

6. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, bei der das asbestfreie Reibmaterial ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus halbmetallischem Material, organischem asbestfreien Material und Kohlenwasserstoff- Kaltverformungsmaterial ist.

7. Zusammensetzung gemäß Anspruch 6, bei der das halbmetallische Material Phenolharz, kohlenstoffhaltige Partikel, asbestfreie Fasern, keramische Pulver und Metallpulver enthält.

8. Zusammensetzung gemäß Anspruch 6, bei der das organische asbestfreie Material ein Phenolformaldehydharz, Carbonfasern und Stahlfasern enthält.

9. Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der es sich bei der fibrillierten Faser um eine beliebige Zweikomponentenfaser handelt, welche aus einer 50/50- Mischung aus einem 90/10-Acrylnitril/Methylmethacrylat- Copolymer und einem 93/7-Acrylnitril/Methylmethacrylat hergestellt ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus einem asbestfreien Reibmaterial, umfassend die Herstellung einer Mischung aus einem wärmehärtbaren Bindemittel, Faserverstärkungsmaterial und wenigstens 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht aller Bestandteile, einer fibrillierten Acrylnitrilfaser mit einem Effizienzindex von 0,8 bis 2,0, wobei der Effizienzindex der fibrillierten Faser wie folgt definiert ist:

die fibrillierte Faser einen CSF-Wert von 150 bis 350 ml und eine Faserlänge von 3, 8 bis 11 mm (0,15 bis 0,45 Inch) aufweist,

sowie das Komprimieren der Mischung zur Bildung eines Vorformlings.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem das asbestfreie Reibmaterial ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus halbmetallischem Material, organischem asbestfreien Material und Kohlenwasserstoff- Kaltverformungsmaterial ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Reibelements, welches die Schritte der Herstellung einer Mischung aus einer Reibmaterialzusammensetzung, des Komprimierens der Mischung zur Bildung eines Vorformlings, des Aushärtens des Vorformlings bei erhöhter Temperatur und Bildung eines Reibelements aus dem ausgehärteten Vorformling umfaßt, wobei die Verbesserung die Beimengung von wenigstens 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht aller Bestandteile, einer fibrillierten Acrylnitrilpolymerfaser beinhaltet, die einen Effizienzindex von 0,8 bis 2,0 aufweist, wobei der Effizienzindex der fibrillierten Faser wie folgt definiert ist:

wobei L max die maximale Faserlänge (Inch) ist, L ave die durchschnittliche Faserlänge (Inch) und CSF (Canadian Standard Freeness) der Mahlgrad/Entwässerungsgrad nach kanadischem Standard (ml), und die fibrillierte Faser einen CSF-Wert von 150 bis 350 ml und eine Faserlänge von 3, 8 bis 11 mm (0,15 bis 0,45 Inch) aufweist.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Komprimierungsschritt bei Umgebungstemperatur durchgeführt wird.