DE69307090T2 - Verfahren zur Herstellung von Reibungsmaterialen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von ReibungsmaterialenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Reibungsmaterialien, die z.B. in Bremsen und Kupplungen von z.B. Kraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen verwendet werden
- Gewöhnliche Verfahren zur Herstellung von Reibungsmaterialien für Bremsen oder Kupplungen, wie z.B. für Bremsklötze, Bremsbeläge oder Kupplungsbeläge, umfassen ein Trockenverfahren und ein Naßverfahren. Das Trockenverfahren umfaßt das gleichförmige Mischen eines wärmehärtbaren Harzbindemittels, wie z.B. eines Phenolharzes, eines faserartigen Verstärkungsmaterials, wie z.B. Glasfasern und Aramidfasern, eines Reibungsmodifikationsmittels, einschließlich Kautschuk- bzw. Gummipulver und Cashewpulver, und Metallteilchen, und das nachfolgende Erwärmen und Preßverformen des Gemisches der Rohmaterialien. Genauer gesagt, in dem Trockenverfahren wird das Gemisch der Rohmaterialien in einer Form vorgeformt, und das vorgeformte Material wird in eine andere Form überführt, in der sich eine Heizplatte befindet, und das vorgeformte Material wird unter dem Einfluß von Wärme und Druck verarbeitet, so daß es sich mit der Heizplatte verbindet und dann gehärtet wird. Andererseits umfaßt das Naßverfahren das Mischen und das Befeuchten bzw. Benetzen der Teilchen aller Rohmaterialien mit einem Lösungsmittel, das Trocknen des feuchten Gemisches der Rohmaterialien und das Verformen des Materials unter dem Einfluß von Wärme und Druck.
- Diese Trocken- und Naßverfahren führen zu Umweltbelastungen am Arbeitsplatz. D.h., grobe Teilchen werden bei dem Trockenverfahren bei der Herstellung des Reibungsmaterials gebildet, und in dem Naßverfahren werden organische Lösungsmittel verwendet, die gesundheitsschädlich sind, wie z.B. Toluol, Aceton oder Methylethylketon. Weiterhin ist bei dem Trockenverfahren die Herstellung von Reibungsmaterialien mit konstanten Eigenschaften mit Problemen verbunden, da einige Bestandteile von z.B. den faserartigen Verstärkungsmaterialien oder den Reibungsmodifikationsmitteln während dem Mischen der Rohmaterialien nur unzureichend dispergiert werden. Andererseits werden beim Naßverfahren z.B. die Harzmaterialien vollständig mit dem Lösungsmittel in dem Gemisch der Rohmaterialien gelöst, und die Benetzbarkeit mit den anderen Materialien ist ausreichend, so daß die Dichte und die Festigkeit der Materialien verbessert werden. Da jedoch die Menge der Gaseinschlüsse (blow holes) abnimmt, wird die Dämpfungseigenschaft, die für ein Reibungsmaterial erforderlich ist, verringert, und folglich ist die Reibungseigenschaft eines Materials, hergestellt mit dem Naßverfahren, schlechter als die eines Materials, das mit dem Trockenverfahren hergestellt wurde.
- Um die o.g. Schwierigkeiten zu vermeiden, ist ein anderes Naßverfahren vorgeschlagen worden, bei dem Wasser oder ein Latex als Befeuchtungsmittel verwendet werden, welche z.B. die Harzmaterialien nicht auflösen. Selbst bei diesem Verfahren ist es schwierig, das Auftreten der unerwünschten groben Teilchen zu verhindern, da sich das Granulat beim Trocknen oder Granulieren der Materialien bewegen kann, oder weil es infolge der Erschütterung zerbrechen kann. Dies ist auf die geringe Viskositätsfestigkeit (viscosity force) des granulierten Materials in diesem Verfahren zurückzuführen, selbst wenn das feuchte Gemisch der Ausgangsmaterialien zuvor granuliert und getrocknet wird, um das Entstehen der groben Teilchen während dem Trocknen zu verhindern.
- Die EP-A-0231098 beschreibt einen geformten asbestfreien Reibungsgegenstand und ein Verfahren zur Herstellung dieses Gegenstandes. Der Reibungsgegenstand umfaßt ein wärmehärtbares Harzbindemittel, ein faserartiges Verstärkungsmaterial, ein Reibungsmodifikationsmittel und einen Füllstoff, und wird mittels eines Naßverfahrens unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels hergestellt.
- Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die zuvor genannten Schwierigkeiten gemacht, die bei den herkömmlichen Verfahren auftreten. Folglich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung von Reibungsmaterialien bereitzustellen, bei dem die Probleme hinsichtlich der Umweltbelastungen am Arbeitsplatz durch die groben Teilchen oder durch organische Lösungsmittel bei der Herstellung der Reibungsmaterialien vermieden werden. Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Naßverfahren zur Herstellung von Reibungsmaterialien bereitzustellen, bei dem granulierte Materialien beim Granulieren oder Trocknen nicht zerbrochen werden, während die Vorteile des herkömmlichen Naßverfahrens beibehalten werden, indem die Viskositätsfestigkeit (viscosity strength) der granulierten Materialien verbessert wird.
- Die o.g. und andere Aufgaben der Erfindung sind erfindungsgemäß durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Reibungsmaterialien gelöst worden, umfassend das Mischen, unter trockenen Bedingungen, von Rohmaterialien, umfassend ein wärmehärtbares Harzbindemittel, ein faserartiges Verstärkungsmaterial und ein Reibungsmodifikationsmittel, und das zugeben und Zumischen von Klebstoffen, umfassend ein Gemisch aus Wasser und Alkohol, zu dem Gemisch der Rohmaterialien, so daß die Rohmaterialien befeuchtet werden und eine geeignete Viskosität besitzen. Danach wird das feuchte Gemisch der Rohmaterialien granuliert, um ein granuliertes Material zu bilden, getrocknet und unter dem Einfluß von Wärme und Druck verarbeitet, um das fertige Produkt zu bilden.
- Das Verfahren zur Herstellung des Reibungsmaterials entsprechend der vorliegenden Erfindung wird im folgenden in der Reihenfolge der Verfahrensschritte beschrieben.
- Dieser Prozeß umfaßt das Mischen, unter trockenen Bedingungen, von Teilchen von gewöhnlich etlichen Rohmaterialien, die normalerweise für gewöhnliche Reibungsmaterialien verwendet werden, wie z.B. eines wärmehärtbaren Harzbindemittels, eines faserartigen Verstärkungsmaterials und eines Reibungsmodifikationsmittels, die miteinander vermischt werden sollen, und das Zugeben und Zumischen eines gemischten Lösungsmittels, umfassend Wasser und Alkohol, als Klebstoffe zu dem Material.
- Der Alkohol, der als ein Bestandteil der Klebstoffe verwendet wird, kann z.B. Methylalkohol, Ethylalkohol, Propylalkohol, Isopropylalkohol, Butylalkohol oder Isobutylalkohol sein. Von diesen Alkoholen wird Ethylalkohol am bevorzugtesten verwendet, aus Sicherheitsgründen im Hinblick auf die Umweltbelastung am Arbeitsplatz. Weiterhin können neben den o.g. einwertigen Alkoholen mehrwertige Alkohole verwendet werden, wie z.B. Ethylenglykol und Diethylenglykol, obwohl sich Probleme beim Trocknen ergeben könnten. Die alleinige Verwendung von Methylalkohol könnte zu einer Umweltbelastung am Arbeitsplatz führen. Dies trifft für die vorliegende Erfindung jedoch nicht zu, da der Alkohol mit Wasser vermischt ist.
- Das Mischungsverhältnis von Wasser und Alkohol in dem Lösungsmittel, das die Klebstoffe bildet, hängt von der Löslichkeit des Harzes im Hinblick auf den verwendeten Alkohol ab, und variiert entsprechend der Art des Alkohols und der Art des Harzes. Gewöhnlich wird das Mischungsverhältnis so gewählt, daß es bevorzugt im Bereich von 6 bis 20 Mol Wasser pro 1 Mol Alkohol liegt.
- Andererseits beträgt die Menge der zugegebenen Klebstoffe bevorzugt 8 bis 20 Gew.-%, bezogen auf alle Rohmaterialien, welche das Reibungsmaterial bilden. Wenn die Menge an Klebstoffen weniger als 8 Gew.-% beträgt, ist es schwierig, das Gemisch der Rohmaterialien ausreichend zu befeuchten und dem Gemisch ebenfalls eine geeignete bzw. ausreichende Viskosität zu verleihen. In diesem Fall würden die unerwünschten groben Teilchen während dem Granulieren und Trocknen entstehen. Wenn andererseits die Menge der Klebstoffe mehr als 20 Gew.-% beträgt, kann das feuchte Material nur schwer getrocknet werden.
- Die Rohmaterialien selbst, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind die gleichen, die in einem herkömmlichen Verfahren verwendet werden. D.h., das wärmehärtbare Harzbindemittel kann ein wärmehärtbares Harz sein, das in Alkohol löslich ist, wie z.B. ein Phenolharz oder ein Melaminharz, oder Abwandlungen davon. Weiterhin kann ein Teil des Bindemittels duch ein Latexmaterial ersetzt werden, wie z.B. ein Kautschukbzw. Gummilatex. In diesem Fall wird das Wasser, das in dem Latex enthalten ist, zwangsläufig als Wasser für die Klebstoffe verwendet.
- Das faserartige Verstärkungsmaterial kann z.B. eine anorganische Faser sein, bestehend aus z.B. Stahl, Messing, Aramid, Kohlenstoff, Glas, Kaliumtitanat, eine mineralische Faser oder eine Keramikfaser, oder eine organische Faser.
- Das Reibungsmodifikationsmittel kann z.B. ein Reibungspulver sein, wie z.B. Kautschuk- bzw. Gummipulver oder Cashewpulver, oder z.B. Calciumcarbonat, Bariumsulfat, Magnesiumoxid, Graphit, Molybdändisulfid, Keramik, Kupferteilchen, Messingteilchen, Zinkteilchen, Aluminiumteilchen oder geschäumter Vermiculit.
- Die Mengen der einzelnen Rohmaterialien entsprechen den Mengen, die in herkömmlichen Verfahren verwendet werden.
- Bei dem oben beschriebenen Mischen wird das Gemisch der Rohmaterialien befeuchtet bzw. benetzt, während dem Gemisch gleichzeitig eine geeignete Viskosität verliehen wird, so daß das granulierte Material beim Granulieren und Trocknen nicht zerbrochen werden kann. Um das granulierte Material noch besser davor zu schützen, zerbrochen bzw. zerstört zu werden, kann ein Klebstoffhilfsmittel (adhesive promotor) zusammen mit den Klebstoffen zugegeben werden, um die Viskosität des feuchten Gemisches der Rohmaterialien und die Viskositätsfestigkeit des granulierten Materials zu verbessern. Das Klebstoffhilfsmittel ist bevorzugt ein wasserlösliches Polymermaterial, wie z.B. Polyvinylalkohol, Polyethylenoxid oder ein Gemisch davon. Das Klebstoffhilfsmittel kann vorab den Klebstoffen zugegeben und damit vermischt werden, oder alternativ dem Gemisch der Rohmaterialien zugegeben und damit vermischt werden. Wenn ein Klebstoffhilfsmittel verwendet wird, ist es bevorzugt, daß die Menge des Klebstoffhilfsmittels etwa 3 Gew.-% beträgt, bezogen auf das Gemisch der Rohmaterialien. Je geringer die Menge des Klebstoffhilfsmittels ist, desto besser sind die Reibungseigenschaften.
- Im nächsten Schritt wird das feuchte Gemisch der Rohmaterialien, dem eine geeignete Viskosität verliehen wurde, granuliert, um ein granuliertes Material zu bilden, das dann getrocknet wird.
- Es gibt viele Möglichkeiten, um das Granulieren durchzuführen, d.h. z.B. das Granulieren mittels einer Trommel, das Granulieren mittels eines Extruders, das Granulieren mittels einer Schleudermühle (disintegration granulation method), das Granulieren mittels einer Wirbelschicht oder das Granulieren mittels Tablettieren, um sphärische, zylinderförmige oder prismatische granulierte Materialien zu erhalten. Von diesen Verfahren ist das Granulieren mittels eines Extruders besonders bevorzugt, im Hinblick auf das gleichförmige Mischen, die Quantität und die Ausbeute des granulierten Materials von jeweils den Rohmaterialien für das Reibungsmaterial. Gewöhnlich kann ein im wesentlichen zylinderförmiges granuliertes Material mit einem Durchmesser von 1,5 bis 7 mm und einer Länge von 2 bis 15 mm gebildet werden.
- Nach der Bildung des granulierten Materials wird das Material getrocknet, bis das Wasser und der Alkohol, die das Lösungsmittel bilden, vollständig verdampft sind. Die Temperatur beim Trocknen liegt gewöhnlich im Bereich von Raumtemperatur bis 110ºC.
- Das granulierte Material, das im vorhergehenden Schritt getrocknet wurde, wird dann mittels gewöhnlicher Verfahren unter dem Einfluß von Wärme und Druck verarbeitet. D.h., das getrocknete granulierte Material wird in eine Form gegeben, in der sich eine Heizplatte befindet, und dann unter dem Einfluß von Wärme und Druck verarbeitet, um eine Einheit aus dem Reibungsmaterial und der Heizplatte zu bilden. Beim nachfolgenden Härten der Einheit kann das Endprodukt des Reibungsmaterials hergestellt werden. Die Bedingungen für das Verformen sind die gleichen wie in den herkömmlichen Verfahren.
- Die in Tabelle 1 gezeigten Rohmaterialien wurden entsprechend den folgenden Prozessen behandelt, um die letztendlichen Reibungsmaterialien herzustellen.
- In den Beispielen 1 bis 4 sowie in den Vergleichsbeispielen 3 und 4 wurden alle Rohmaterialien unter trockenen Bedingungen in einem Irich-Mischer miteinander vermischt, und dann wurde eine Flüssigkeit, wie in der Tabelle angegeben, zu dem Gemisch gegeben und damit vermischt. Danach wurde das feuchte Gemisch der Rohmaterialien in einem Disc Pelletter (Granulator mit einer kreisförmigen Düse), hergestellt von Fuji Paudal K.K., zu Teilchen mit einem Durchmesser von 3 bis 5 mm und mit einer Länge von 4 bis 10 mm granuliert. Danach wurde das granulierte Material getrocknet, bis der Gehalt an Wasser in dem Material weniger als 0,5 % betrug, und das getrocknete Material wurde in eine Form gegeben, deren Temperatur auf 150ºC eingestellt war, und das Material wurde unter dem Einfluß von Wärme und bei einem Druck von 4 x 10&sup7; Pa (400 kg/cm²) verformt. Schließlich wurde das Material weiterhin bei 250ºC gehärtet, um das letztendliche Reibungsmaterial zu erhalten.
- In den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurden alle Rohmaterialien in einem Irich-Mischer miteinander vermischt, und nachdem das Material vorverformt worden war, wurde es in eine Form mit einer Temperatur von 150ºC gegeben und unter dem Einfluß von Wärme bei einem Druck von 4 x 10&sup7; Pa (400 kg/cm²) verformt, und dann wurde es weiterhin bei 250ºC gehärtet.
- In den Beispielen 1 bis 4 wurden Gemische von Wasser und Alkohol als Klebstoffe verwendet (Wasser: 11 Mol/Ethylalkohol: 1 Mol). In Beispiel 2 wurde Polyethylenoxid (PEO) in einer Menge von 1 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Rohmaterialien, zusätzlich als Klebstoffhilfsmittel zusammen mit den Klebstoffen verwendet. In den Beispielen 3 und 4 wurden Latex- Bindemittelmaterialien in Mengen verwendet, die jeweils der Hälfte und fünf Neuntel der Menge der Harzmaterialien entsprachen, die in den Beispielen 1 und 2 verwendet wurden.
- In Vergleichsbeispiel 1 wurden größere Mengen an Harzmaterial und Reibungspulver (Kautschuk- bzw. Gummipulver) verwendet, wohingegen in Vergleichsbeispiel 2 kleinere Mengen an Harzmaterial und Reibungspulver verwendet wurden.
- In Vergleichsbeispiel 3 wurde ein Alkohol (Ethylalkohol) als Befeuchtungsmittel zugegeben, und die Mengen an Harz und Reibungspulver entsprachen denen von Vergleichsbeispiel 1. In Vergleichsbeispiel 4 wurde Wasser als Befeuchtungsmittel zugegeben, und die Mengen an Harz und Reibungspulver entsprachen denen von Vergleichsbeispiel 3, mit der Ausnahme, daß ein NBR- Latex (Hiker 1551, hergestellt von Nippon Zeon Co., Ltd; Feststoffgehalt 51 Gew.-%), der mit 30 Gew.-% Schwefel und 2 Gew.-% eines Härtungsbeschleunigers (Noxelor EZ, hergestellt von Ouchi Sin-rikagaku K.K.), bezogen auf den Feststoffanteil des Latexmaterials, in etwa der Hälfte der Menge des Harzmaterials verwendet wurde, das in Vergleichsbeispiel 3 verwendet wurde. Im folgenden wird der gehärtete Latex, wenn zutreffend, als Latex- Bindemittel bezeichnet.
- In den Vergleichsbeispielen 3 und 4 sowie in den Beispielen 1 bis 4 betrug die Menge der verwendeten Flüssigkeit, d.h. die Menge des Alkohols, des Wassers und des Gemisches aus Wasser und Alkohol, 14 Gew.-%, bezogen auf alle Rohmaterialien des Reibungsmaterials.
- In den Verfahren unter den o.g. Bedingungen für die Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden die Emission von groben Teilchen, die Granulierbarkeit, die Ausbeute beim Granulieren, ob das Material beim Granulieren zerstört bzw. zerbrochen wurde, sowie der Zustand des Endproduktes in vier Stufen bewertet. D.h., bedeutet "sehr gut" oder "nie", bedeutet "gut" oder "fast nie", Δ bedeutet "schlecht" oder "ein wenig", und X bedeutet "sehr schlecht" oder "oft". Die Einstufungen Δ und X bei der Granulierbarkeit bedeuten jeweils "viele grobe Teilchen" und "zusammenbacken". Weiterhin wurden die Materialien ebenfalls unter Verwendung eines Full Size Dynamometers bewertet, entsprechend Japanese Automobile Standards Organization (JASO) Testcode C406-82, und die Ergebnisse dieser Bewertung sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
- Wie oben beschrieben wurde, verwendet das Verfahren zur Herstellung eines Reibungsmaterials entsprechend der vorliegenden Erfindung beim Naßmischen ein Lösungsmittelgemisch aus Wasser und Alkohol als Klebstoffe. Dadurch ist das Verfahren hinsichtlich der Umweltbelastungen am Arbeitsplatz verbessert, im Hinblick auf die Emission von groben Teilchen und organischem Lösungsmittel. Da weiterhin die Viskositätsfestigkeit des granulierten Materials bei dem Verfahren entsprechend der Erfindung erhöht wird, ist die Granulierbarkeit verbessert und das granulierte Material wird kaum zerbrochen bzw. zerstört. Da weiterhin die Materialien oder die Reibungsmodifikationsmaterialien beim Mischen der Rohmaterialien nicht entmischt werden, können die Eigenschaften des Produktes infolge der verbesserten Dispersion verbessert werden.
- Weiterhin werden die Klebstoffe in dem Verfahren der Erfindung im Hinblick auf die Befeuchtung bzw. Benetzung des Harzbindemittels hinsichtlich des Rohmaterials ausgewählt. Folglich kann die Verformbarkeit ebenfalls verbessert werden, während die Reibungseigenschaften, die mit herkömmlichen Naßverfahren erzielt werden, in der gleichen Qualität wie beim Trockenverfahren beibehalten werden können.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung eines Reibungsmaterials,
umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
das Mischen von Rohmaterialien unter trockenen
Bedingungen, wobei die Rohmaterialien ein wärmehärtbares
Harzbindemittel, ein faserartiges Verstärkungsmaterial und ein
Reibungsmodifikationsmittel umfassen,
das Zugeben von Klebstoffen, umfassend ein Gemisch aus
Wasser und Alkohol, zu dem Gemisch der Rohmaterialien und
das Vermischen der Bestandteile, um ein feuchtes Gemisch
der Rohmaterialien zu bilden,
das Granulieren des feuchten Gemisches der Rohmaterialien,
um ein granuliertes Gemisch zu bilden,
das Trocknen des granulierten Gemisches und
das Verarbeiten des getrockneten granulierten Gemisches
unter dem Einfluß von Wärme und Druck.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Klebstoffe ein
gemischtes Lösungsmittel sind, umfassend 6 bis 20 Mol Wasser
pro 1 Mol Alkohol.
3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Menge der Klebstoffe,
die dem Gemisch der Rohmaterialien zugegeben werden, 8 bis
20 Gew.-% der Rohmaterialien beträgt, die das
Reibungsmaterial bilden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend die Zugabe
eines Klebstoffhilfsmittels.
5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Klebstoffhilfsmittel
ein wasserlösliches Polymermaterial umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das wasserlösliche
Polymermaterial Polyvinylalkohol ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, worin das wasserlösliche
Polymermaterial Polyethylenoxid ist.
8. Verfahren nach Anspruch 5, worin das wasserlösliche
Polymermaterial ein Gemisch aus Polyvinylalkohol und
Polyethylenoxid ist.
9. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Klebstoffhilfsmittel
vorab zu den Klebstoffen gegeben und damit vermischt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Klebstoffhilfsmittel
mit dem Gemisch der Rohmaterialien vermischt wird, bevor
das Gemisch der Rohmaterialien befeuchtet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Klebstoffe
Ethylalkohol umfassen.
12. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Granulieren ein
Extrusionsgranulieren umfaßt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, worin das granulierte Material
im wesentlichen zylinderförmig ist und einen Durchmesser
von 1,5 bis 7 mm und eine Länge von 2 bis 15 mm besitzt.
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