JP2009500511A - 湿り気付与摩擦材料、システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明は摩擦材料に関わり、さらにとりわけ、従来の製紙プロセスを使って製造できる湿式摩擦材料に関する。湿り気を付与した一様な骨組マトリクスを形成するために長いファイバーが使われ、そのファイバーは、摩擦マトリクス全体およびマトリクスバインダー全体に、特に隣接したファイバーの隙間において粒子状材料を分散させることによって補強され、それにより材料の剪断強度を著しく増やす一方で、材料を通る流量に対するほとんど無視できる影響を持つ。

Description

本発明は摩擦材料、材料を作る方法とプロセスに関する。その材料は、特に隣接したファイバーの隙間において粒子状材料を分散させることによって補強される骨組マトリクスを形成する長いファイバーを有し、その材料を作るための浸潤と手順と方法の後に、著しく材料の剪断強度を増やす。

設計された複合材料およびコーティングの形態にある摩擦材料がエネルギー伝達装置に使われる。これらの摩擦材料は多くの異なるプロセスを使って生産され、そして多くの異なる組成から成り、それは特に、耐摩耗性、安定した摩擦レベル、熱安定性、剪断強度、および多孔率の領域において優れた特性を有する材料をもたらすことができる。これらの優れた特性を有することが認められたいくつかのタイプの材料は、専用に織られた炭素織布（テキスタイル）と粒子堆積複合材料である。

Wincklerにより開示された特許文献１、Gaffneyにより開示された特許文献２、およびDowellにより開示された特許文献３のような、専用に織られた織物はすべて、従来技術システム、方法、および材料を明らかにしている。これらのシステムと方法、および材料のいくつかは、専用の雰囲気内における炭化後のプロセスのような高価な製造技術を必要としており、製造上の低い生産性をもたらし、法外な費用がかかる。これらの材料は、典型的に、多くの高エネルギー用途のための望ましい摩擦特性と望ましい流体浸透性を提供することが認められた。しかしながら、このような材料の設計は、また、浸潤された炭素ファイバーのもろさと材料構造のボイド体積の両方が原因であるところの、低い圧縮負荷限界を持つことも認められた。高い圧縮負荷の下では、浸潤され織られたファイバーの破壊靱性限界を容易に越え、高負荷下でのファイバー破壊を起こす。

ここに参考文献として組み入れられた、Nelsにより開示された特許文献４、およびLamにより開示された特許文献５のような粒子堆積摩擦材料は、生産するための専用のプロセスを要し、製紙プロセスの経済的利点を利用する従来材料の生産コストの何倍にもなり得る。これらの材料は、望ましい摩擦特性と多くの高エネルギー用途のための高い設備負荷能力とを提供することが認められた。しかしながら、このような材料の設計は、多くの高エネルギー用途について要求される必要な流体浸透性に欠ける、ということも認められた。

従来技術の摩擦紙は製紙設備を使って作られ、それは高い生産性レベルによって極めて低コストの材料をもたらす。しかしながら、これらの低コスト材料は、上述の専用に織られた織物の品質と粒子堆積材料に存在する有利な特性、特に強度、高レベルの流体浸透性および好ましい摩擦特性に欠ける。図５Ａは、従来技術の材料の電子画イメージを示す。湿り気を付与し製紙プロセスを使ったもので、炭素織布と粒子堆積材料と同等またはそれを超える高い多孔率、耐久性、および耐摩耗性抵抗を有する製品は、高エネルギー摩擦用途のためには非常に有利となりうる。

Bortzにより開示された特許文献６、Menardらにより開示された特許文献７、Menardらにより開示された特許文献８のような不織布は、過去の非製紙プロセスによる長いファイバーといくつかの技術を使った摩擦材料と方法を開示している。それは、材料に適用されるアクリロニトリル(acrylonitrile)とバインダー混合物を使用することを例示している。これらの材料は、材料構造中のファイバーのもろさが原因であるところの低い圧縮限界を有することが認められた。これらの材料は、材料構造中の高炭素含有ファイバーの欠如に起因して好ましくない摩擦特性を持つ、ということも認められた。高い炭素含有量のファイバーは、約６５％を超える炭素量から成る炭素ファイバーの固有のもろさに起因して、このような方法とプロセスを使う材料の中に効果的に形成することができない。従来技術の教示を改善することが望まれる。
米国特許第５,６６２,９９３号明細書 米国特許第６,６３８,８８３号明細書 米国特許第６,２７７,７６９号明細書 米国特許第４,６３９,３９２号明細書 米国特許第６,６３０,４１６号明細書 米国特許第５,６４６,０７６号明細書 米国特許第５,８０７,５１８号明細書 米国特許第６,８３５,４４８号明細書 米国特許第５，６１５，７５８号明細書 米国特許第５，８４２，５５１号明細書 米国特許第５，７００，３５３号明細書 米国特許第４，９２５，５３０号明細書

一局面では、本発明は、所定の多孔率を有する骨組マトリクスを規定するよう協働する複数の湿り気を付与したファイバーを備えた、摩擦マトリクスを有する摩擦材料であって、前記所定の多孔率は、０．５インチの水圧低下における１平方フィートの材料につき、毎分約５立方フィートから毎分約８０立方フィートの空気のオーダーであることを特徴とする摩擦材料、を有する。

他の一局面では、本発明は、摩擦材料における使用のための骨組マトリクスを作るプロセスであって、複数のファイバーと水の混合物を作るステップと；混合物に粒子状材料を加えるステップと；前記混合物が、所定の多孔率を有する骨組マトリクスを規定するよう協働するように、サポート上において前記混合物に湿り気を付与するステップと；を有する。

本発明のこれらおよび他の目的、並びに利点については、添付の図面および添付の請求項から明らかとなるであろう。

さて、図１〜図４および図５Ｂ〜図８を参照すると、システム、方法、および材料１０が示されている。説明された実施形態においては、摩擦材料１０は、トルク伝達基板に接着または貼着された高い多孔率および高い強度の材料であり、基板またはプレート１２、以前に言及したリング１４とリング１６のようなものである。次に、組み立てられた部品は、回転またはスライドする部材から、従来から知られているように静的または動的な状態にある他の部材へとエネルギーを伝達するために使われる。このようなシステムは、図１のトルク変換機クラッチプレート１２のような変速クラッチプレート、トルク変換機クラッチ、変速バンド、図２のシンクロナイザーリング１４のようなシンクロナイザー、差動制限装置(limited slip differential)、湿式ブレーキ、乾式ブレーキ、または伝導機構(power train)あるいは動力伝達システムの何れかの適用可能な部品、を含むことができるが、それらに限定されない。摩擦材料１０を作るためのプロセスと方法を、ここで図４に関連付けて説明することにする。システム、方法、および材料１０は、停止トルク変換機クラッチ１２（図１）、クラッチプレート１６（図３）、シンクロナイザーリング１４（図２）、または他の動力伝達環境やアセンプリのような、終端使用部品または用途における高レベルの流量を可能にする。従って図１はトルク変換機クラッチ１２に適用された摩擦材料１０を示す。そして、図２はシンクロナイザーリング１４に適用された材料１０を示し、図３は、示された第１の側１６ａおよび第２の面１６ｂに適用された材料１０を持つクラッチディスクまたはプレート１６を示す。１つ以上のプレート部品１２、１４、および１６は、従来から知られているタイプの動力伝達環境において使うことができる。図示しないが、材料１０は、Nelsによる米国特許第５，６１５，７５８号明細書（特許文献９）および米国特許第５，８４２，５５１号明細書（特許文献１０）（ここに参考文献として組み入れられ、この一部を成す）によって教示されるように、部品上に配置されるリングを形成するために分割することができる。

複数のファイバー１８が水を収容した混合タンク２０に加えられる。水のファイバーに対する比率（重量比）は、通常、９０〜９８パーセントの水対２〜１０パーセントのファイバーである。説明された実施形態においては、長さ２ミリメートル未満のファイバーの幾何学的構造に抑えられる、ということが認められる。というのは、親密なファイバー接触を可能にすることによって材料多孔率に逆効果を生じ、それによって多孔率の減少もたらしうるからである。２ミリメートルを超える長さを持つファイバー１８の実質的かつ特定の使用が、様々な高温、高い靭性、または様々な長さと直径の特定の性能材料を構成しうることも認められる。一実施形態では、これらの高性能ファイバー１８の使用は、直径５０μｍ未満、さらに一般的には直径１５μｍ未満のファイバーに限定される。それにもかかわらず、大多数のファイバー１８のアスペクト比を、２．２５ミリメートルから１２ミリメートルの間の長さに対して、直径約１５μｍから直径５０μｍの間に維持することが望ましい。長いファイバーに対し、重量比で５〜９５パーセントの、浸潤され乾燥された紙ファイバー材料１０の全体組成を留保するために、複合方式を構築することが望ましい、ということも認められる。好ましくは、これらの長いファイバーは、温度が華氏４５１度（摂氏２３２度）の空気雰囲気における５パーセント未満の重量損失をもった、熱重量分析「ＴＧＡ」によって測定された熱安定性を持つ「高温」ファイバーであるべきである。説明された例では、ファイバー１８は湿り気を付与したファイバーであって、少なくとも０．８０ｍｍの典型的な長さを持ち、一実施形態では２．５〜３．５ｍｍの間である。ファイバー１８は非セルロースファイバーでありうる。

室温において一様な懸濁が作られるまでタンク２０内で機械的撹拌により撹拌することによって、水とファイバー１８が混合される。この点に関して、ファイバー１８を分散させるか、または純化するのに必要な時間のために、通常、ファイバー１８が最初にタンク２０に加えられる。結果としてのスラリーは幾分か濃化され、粒子状材料２２の偏りを減らし、それは後述するように続いて加えられ、加えられた時に沈殿する。

次に、粒子状材料２２がタンク２０におけるファイバーのスラリー中に加えられ、機械的混合によって撹拌される。撹拌方法は、原材料を分散させるためのみならず、繊維化（フィブリル化）または類似の手段によって寸法的に原材料を純化するために、使うことが可能である。説明図では、粒子状材料２２は炭質材料、窒化物材料、金属酸化物材料、シリカ材料、粉末または粒状のエラストマー材料、カーバイド材料、ポリマー材料、無機物質、冶金コークス、石油コークス、活性炭、または黒鉛炭素を有する。複数の材料２２は、約４００ミクロン未満の長さを有する細かく切り刻んだファイバーまたは粉体化したファイバーを有することができる。また、複数の粒子材料は、約１５０ｎｍ程度に小さな小さい方の寸法と、約３００ミクロン程度に大きな大きい方の寸法とを有することができる。

ファイバー１４と粒子２２の混合物は、タンク２０が懸濁状態で保持されるファイバー１８と粒子状材料２２の一様な混合物を含むまで、撹拌され、純化（寸法的変化）される。

一様な混合物はタンク２０からポンプで送られ、導管２５を通って次の段階に輸送され、そして伝統的な製紙プロセスに類似した処理がされる。しかし、材料１８、２２の沈殿あるいは分離という弊害のある影響はない。ファイバー材料１８をからませたり純化したりすることによって、沈殿あるいは分離が低減または防止される。説明された一実施形態では、通常、一様な混合物は、重量比でスラリーの０．５〜７パーセントの固体含有量から成る。

通常、一様な混合物は、導管２５を通ってポンプで送られ、ポンプ（図示せず）を使って２つ以上の貯留タンク２４に至る。ポンピングの継続に応じて、貯留タンク２４からの混合物は導管２５を通ってポンプ輸送される。追加の化学物質２６と２８が加えられ、静的なミキサ３０と３２を使ってスラリー中に混合される。一実施形態では、化学物質２６と２８は、アシュランドケミカル(Ashland Chemical)のDrew-Flocc２２４９またはナルコケミカル(Nalco Chemicals)のNalco７５３０などの陽イオン、および／またはイオン性、および／または非イオン性の歩留向上剤(retention aid)のような、イオン的に帯電したポリマー、Amres HS３０またはCascomel wet strengthのような強度強化樹指、および／または、当技術分野の当業者に知られたPhバッファを含むことができる。説明された例では、Drew-Flock２２４９のようなイオン的に帯電したポリマーが、通常、動的スラリー全体重量を基にした１．５から１５０百万分率「ＰＰＭ」のレベルで加えられる。このレベルは、固有の原材料量、材料の幾何学的構成、および水質に対して調整される。Vincentによる米国特許第５，７００，３５３号明細書（特許文献１１）およびSinclairによる米国特許第４，９２５，５３０号明細書（特許文献１２）は、導入することができ、当技術分野の当業者に知られた化学物質と添加物のいくつかを示している。これら特許文献１１および１２は、ここに参考文献として組み入れられ、この一部を成す。

一様な混合物が導管２５中を下流に移動するにつれ、希釈水をタンク３４から一様な混合物に加えることができる。これは、一様な混合物の重量比での固体割合を、０．０１５パーセントから４．０パーセントの間に下げ、それによってプロセス変動を減らし、紙構成を改善し、そして最終の製紙化学物質を形成領域に運ぶ。スラリーのこれらの希釈レベルは、高いレベル（５〜９５パーセント）の長いファイバー１８を含んだ、一貫した構成を作ることが必要とされる。説明された実施形態における長いファイバー１８を使用するために、キャリアウエブ４０上にランダムおよび均等にそれらが堆積できるよう、大きな体積の水が、システムを通して個々のファイバーを運ぶことを必要とされる。キャリアウエブ４０は、亀裂あるいは厚さおよび構成上の望ましくないばらつきを形成することなく、キャリアウエブ４０を通した水排出を可能にするようなものである。

スラリーの一様な混合物はポンプ４２を使ってヘッドボックス４４にポンプ輸送され、製紙ステーションまたはマシン４６に入る。ヘッドボックス４４は開状態または閉状態の容器であり、それはキャリアウエブまたはベルト４０上へのスラリー混合物の分散を制御する。説明された例における一様な混合物からの大部分の短いファイバーの除去が、短いファイバー間での親密な接触の低下のために、製紙ステーションまたはマシンを通した材料１０の下流への運搬を困難にしうる、ということが理解されるべきである。これは、製紙プロセス全体での材料１０の低い湿潤強度をもたらす。この障害を克服するために、サプライ４５からの支持キャリアまたはシート４３を、製紙ステーションを通して材料１０の連続的に製造されるウエブを運ぶために使うことができる。この点に関して、キャリアシート４３は基板、スクリム(scrim)、織布、不織布、メッシュ、スクリーン、または固体であるか他の孔質構造であるかかにかかわらずベルトのようなその他の通常的なコンベヤーでありうる。キャリアシート４３は、次の浸潤ステップの間かその後、また接着の際でも適所で除去または残されうる。なお、キャリアシート４３はウエブまたはコンベヤー４０から分離されているものの、ベルト４０によって支持されている。

ヘッドボックス４４は、浸漬堰またはダムの上から流れ出す希釈水として製紙技術分野の当業者に知られている調節可能なスロットまたはスライス開口（図示せず）を有する。ヘッドボックス４４にスラリーが入る場所は、通常、粒子２２とファイバー１８のほとんどの凝集(flocculation)が起こり、高レベル（９３〜９９．５パーセントの水と２〜１０パーセントのファイバー１８および／または粒子２２）のスラリー希釈が摩擦材料１０の形成にとって重要となるような場所である。

水または一様なスラリーは、連続的に動くウエブ４０とサポート４３の上にヘッドボックス４４から流れる。説明された実施形態では、コンベヤーまたはウエブ４０が微細メッシュスクリーンとして製造される。水の相当な部分が、ロール４８、１つ以上の真空ボックス５０、またはピンチロール５２をも使った表面張力排水を通じてこのウエブ４０上で除去される。

このウエブ４３上で半脱水された材料１０は、大量の残留した水を除去する乾燥セクションを通って移動する前に、さらに圧縮またはエンボス（浮き彫り）加工することができる。従って、水性の一様な混合物が、継続した紙状生成物または材料１０またはウエブ５４が形成されるまで、連続的に乾燥されつつスラリーから湿ったウエブへ変換される、ということが理解されるべきである。説明された実施形態では、ウエブ５４は、ロール５６のような複数の加熱ローラ、穴をあけた真空ロール、トンネルオーブン、乾燥剤プレート、または熱あるいは真空によって水を除去する従来の他の装備を通って送られる。次に、ウエブ５４はマンドレル５８上に巻き取られ、乾燥された摩擦材料１０のサプライ６０が提供され、それが続いて処理されうる。図示しないが、例えばウエブ５４は、プロセスのこの段階において、さらなる処理のためにシートにカットされうる。

プロセスのこの時点で、示された実施形態のシステムと方法は、ここで説明し、後ほど示す方法で、隣接したファイバー１８の粒子状材料２２により隙間のサイトにおいて補強された高性能なファイバー１８から成る一様な骨組マトリクスを持った材料１０の連続的なウエブ１１を提供する。図５Ａは従来技術の紙材料の電子画イメージを示し、図５Ｂは説明された例による材料１０のイメージである。これは浸潤の後での材料１０の剪断強度を著しく増やす一方で、材料１０を通した流量に対しての影響はほとんど無視できる。ファイバー１８と粒子状材料２２のこの配置は、適合性のある、高強度の、耐摩耗性の、高多孔性の、そして振動のない材料１０をもたらす。

さらに摩擦材料１０を強くするために、材料１０のウエブ１１は浸漬され、ヴァット(vat；大タンク)またはパン(pan；鍋)４２を通過させられ、そしてバインダー７３を含浸される。説明された例では、バインダー７３は、熱硬化樹指、変性された熱硬化樹指、熱可塑性樹脂、粉末樹指、または樹脂のブレンド、とすることができる。粒子材料２２は、直接スラリーに導入するか、またはバインダー７３を介して導入する（すなわちバインダー中に提供する）ことができる。粒子状材料は、炭質材料、窒化物材料、金属酸化物材料、シリカ材料、粉末または粒状のエラストマー材料、カーバイド材料、ポリマー材料、無機物質、冶金コークス、石油コークス、活性炭、または黒鉛炭素を有する。この材料は、約４００ミクロン未満の長さを有する細かく切り刻んだファイバーまたは粉体化したファイバーを有することができる。次に、サプライ６０は１対のピンチロール６４を通過して、余分なバインダー７３をウエブ１１から除去し、重量比での最終的なバインダー量の制御を提供するようになる。浸潤されたウエブ１１は、従来から知られているタイプのオーブン６６を使って、かなり硬化されるが完全には硬化されない、当技術分野の当業者に知られている「Ｂ−ステージ」として硬化される。加熱ローラ（図示しない）、あるいは他の適切な設備を、乾燥動作を遂行するために使うことができる、ということが理解されるべきである。浸潤、および「Ｂ−ステージ」硬化の後、任意選択のキャリアシート（図示しない）を除去することができ、または除去しなくてもよい。

ブロック７２では、例えばウエブ１１を形状、リング、セグメントに切断したり、エンボス加工したり、機械加工したり、または材料１０をある部品に付着させるような他の動作を行ったりすることにより、集められたサプライロール７０をさらに処理することができる。さらに材料１０は、図１〜図３に関連して先にここで述べたような摩擦環境および部品に処理または適用することができる。

図５Ｂで最も良く示されたように、このプロセスの結果として作られた摩擦材料１０が、従来技術の材料と比較して材料を通す大量の多孔率を示す、極めて長くて硬いファイバー幾何学的構造を有している材料１０を提供する、ということに注目されたい。図５Ｂは、長いファイバー１８、および隣接したファイバー１８間の隙間に位置した粒子状材料２２の集団を示した電子イメージを示す。粒子状材料２２は、材料の開いた多孔性の構造のために、形成の際にファイバーマトリクスを通って自由に移動することができる。さらにこれは、粒子状材料２２がファイバー１８の充填された隙間に位置することを可能にし、材料多孔率の最小の減少により改善された材料強度をもたらす。この点に関して、隙間は、所定のファイバー１８の長さに沿った他の領域よりも比較的大きな電荷密度を有し、それは、粒子状材料を従来の凝集についての既知の概念によってその隙間に引き付ける傾向がある。

この材料は、所定の多孔率を持った骨組マトリクスを提供する。一実施形態では、所定の多孔率は、０．５インチの水圧低下における１平方フィートの材料につき、毎分約５立方フィートから毎分約８０立方フィートの空気のオーダーである。他の適用では、この材料は、２８２．５ｍｍを超えるかまたはそれに等しい外径と２５４ｍｍ未満かまたはそれに等しい内径とを有し、グルーブまたはテクスチャを追加することなく約９．３２ｃＳｔの動粘性率を有する流体における少なくとも４００ｋＰａの圧力で、湿り気を付与した摩擦材料にわたって、約０．４ ｌ／ｍｉｎから４．０ ｌ／ｍｉｎの範囲の流速の下でテストされる場合に、前記湿り気を付与した摩擦材料が少なくとも０．６ｍｍの厚さを持った移動体に接着される。

図４に戻ってこれを参照すると、材料１０のウエブ１１と結果としての摩擦材料１０が、機能的な摩擦面としてそれぞれ使用できる上側の表面１０ａと下側の表面１０ｂとを有する、ということに注目されたい。最終的な摩擦材料のカリパス(caliper)値または厚さは０．０３０ミリメートルから４．２ミリメートルの範囲でありうるが、最も好ましくは０．５ミリメートルから１．５ｍｍの範囲である。最終的な摩擦材料の重量は４５ポンド／３０００ｆｔ^２から６００ポンド／３０００ｆｔ^２の範囲でありうるが、最も好ましくは８０ポンド／３０００ｆｔ^２から４７５ポンド／３０００ｆｔ^２の範囲である。最終的な摩擦材料１０の約２５パーセントで圧縮された剪断強度は、１．３ＭＰａから１３．７ＭＰａの範囲でありうるが、最も好ましくは２．０ＭＰａから８．２ＭＰａである。最終的な材料の典型的な多孔率は、０．５インチの材料の圧力低下における１平方フィートにつき、５ｃｆｍから８０ｃｆｍの空気の範囲でありうるが、最も好ましくは０．５インチの圧力低下における１平方フィートにつき、１０ｃｆｍから６０ｃｆｍの空気の範囲である。材料が図１に示したように適用される１つの説明図では、最終的な摩擦材料１０の、二次的なグルーブまたは表面テクスチャプロセスなしでの流体浸透率は、浸潤の後に材料厚さより３５パーセントまで圧縮された、最小２８２．５ミリメートルの摩擦材料外経と最大２５４ミリメートルの内径を持つ、３００ｍｍのＯＤ、４１．８ｍｍのＩＤのトルク変換機ピストンに接着される場合に測定され、０．１ Ｌ／ＭｌＮから４ Ｌ／ＭＩＮの範囲、９０℃の温度で９．３２ｃＳｔの動粘性率を有する流体におけるトルク変換機完全停止条件をシミュレーションしつつ、約４００ｋｐａの静水圧適用圧力で、ゼロ差分速度(differential speed)においてピストンがフロントカバーに適用された場合に測定された。

他の例示的な実施形態では、水が、室温において３４におけるスラリーの混合物に９８重量パーセント加えられた。水のＰｈは、水酸化ナトリウムまたは硫酸の追加によってＰｈ６．０から８．０の間に調整された。次に、０．１２５インチに長く切り刻んだＰＡＮ炭素ファイバー材料複合物と２重量パーセントのアクリル系パルプのＳＤＣ材料複合物との１０．８重量パーセントのＳＤＣ材料複合物が、混合タンク中に加えられ、そのタンクが、目に見えるアクリル系パルプの玉または束がなくなるまで撹拌された。

次に、粉砕した３５０−マイクロＰＡＮ炭素ファイバーと１６．４重量パーセントの８μｍかける２６μｍ針状のニードルコークスとの８．４重量パーセントのＳＤＣ材料複合物が、１２重量パーセントの７μｍ石油コークスのＳＤＣ材料複合物と共に混合タンク２０に加えられた。この混合物は、目に見えるコークスまたは粉体化したファイバーがなくなるまで撹拌された。混合物のＰｈを測定し、図４の２０において水酸化ナトリウムまたは硫酸アルミニウムのさらなる追加によって必要に応じて６．０から８．０Ｐｈ範囲に調整された。次に、アクリロニトリルが、混合物に加えられたＳＤＣ材料複合物の重量比で２１パーセントの全固形分懸濁と６パーセントのアクリロニトリル以下に前もって希釈された。ＳＤＣ材料は生成物６０である。

希釈されたストックは、ここで図４に関連付けた説明のように、貯留タンクを通して連続的に輸送された。ストックがヘッドボックス４４に向かって導管２５を通って輸送される際に、２パーセントに希釈された硫酸アルミニウムが静的な混合ユニット３０、３２（図４）の前のパイプに、５．０から６．０の間のＰｈが得られるまで注入される。ストックは、毎分約２０ｆｔの速度で移動する形成コンベヤーベルトまたはウエブ４０のところで、良好に構成された紙状材料を形成するのに十分な容積速度でポンプ輸送される。これの後に、０．２パーセント溶液から７８ｐｐｍのトータルのバックグラウンド濃度の保持ポリマーDrew-Flocc２４４９が、入射ポイント２６のところで加えられた。

この混合物は追加の静的な混合ユニット３２を通過し、サプライ３４からの希釈水を受けて、全スラリー混合物のために全固形分を約１パーセントにする。この希釈されたスラリー混合物は、Fourdinier４４−５２製紙マシンのヘッドボックス４４にポンプ輸送される。次に、水性スラリーまたは混合物は、先に言及した任意選択のキャリアシート４３に輸送された。水性スラリーは、例において毎分約２０フィートである製紙スピードに一致させられた。このスラリーは、表面張力またはピンチロール５２、真空ボックス５０を使って脱水され、そしてスラリーはロール５２を使って脱水される。湿ったウエブ１１は、缶５６が９８．５から９９．５パーセントの湿った紙の水分を除去するスチーム加熱ドライヤー缶に送られ、乾燥プロセスの間にウエブ１１を破砕しないようにウエブ１１の乾燥および収縮速度を制御するのに十分なドライヤー缶によって包まれた。乾燥されたウエブまたはシート１１はサプライマンドレルまたはロール５８上に巻き取られ、サプライ６０が提供される。

次に、サプライ６０は巻戻されて、熱硬化性のフェノール樹指バインダーに含浸された。ウエブ１１は、摩擦材料が浸潤され完全に硬化された時に約３０重量パーセントの最終的な樹指含有量をもたらす粘度、樹指の固体含有量、および溶け込みを制御するためにイソプロピルアルコールで希釈されたフェノール樹指のヴァットまたはパン６２に浸漬される。ウエブ１１は、ここで浸潤され、樹指パン４２を出て、ピンチロール６４間で絞られるかピンチされる。湿り気を浸潤されたウエブまたは紙は、強制空気乾燥オーブン６６を通って一連のロール（図示しない）上に運ばれる。強制空気乾燥オーブン６６は、約９７．５パーセントの材料１０が硬化されるようにウエブ１１を２．５パーセントの揮発性の揮発レベルに乾燥させる。材料１０はキャリアシート４３を除去せずにオーブン６６を出たが、次に、材料１０は１つ以上の、摩擦環境で使われる、図１〜３で示した部品またはコンポーネントのような部品に接着するためにシートにされた。

図６は、例示された材料１０の多孔率対ラッピング剪断と従来の紙構造摩擦材料１０のそれとを比較している。用途における流量の増加に関連する著しく改善された多孔率に注目されたい。摩擦材料１０のラッピング剪断強度が、従来技術の紙材料に類似しているにもかかわらず、従来技術の織られた材料に対して増加した多孔率という利点を持っている、ということにも注目されたい。この増加した多孔率は、接する摩擦部品間のオイルの水力学的フィルムを消散させるための改善された能力をもたらし、それによって一層好ましい摩擦特性と振動のない性能とをもたらす。この増加した流れは、摩擦材料にグルーブを設ける必要性を減らすか、または事実上排除することを容易にし、グルーブを設ける用途と比較して、摩擦面当りの高いエネルギー容量をもたらすことになる。この増加した流量は、摩擦材料１０と何らかの協働コンポーネントとの界面から熱を効果的に分散させる。

本発明のシステムと方法は、全体的に分散され粒子状材料２２によって強化され、続いて樹指で浸潤された十分に長いファイバー骨組マトリクスを生産することにおいて、伝統的な製紙プロセスから採用された技術を好都合に利用する。説明された例では、材料１０の基本重量は４５ｌｂｓ／３０００ｆｔ^２から６００ｌｂｓ／３０００ｆｔ^２の範囲であるが、好ましくは８０ｌｂｓ／３０００ｆｔ^２から４７５ｌｂｓ／３０００ｆｔ^２の範囲である。摩擦材料１０は０．３ミリメートルから３．２ミリメートルの範囲のカリパス(caliper)値を有するが、最も好ましくは０．５ミリメートルから１．５ｍｍである。ファイバー長さは約０．０８ミリメートルから１２ミリメートルの範囲であるが、最も好ましくは０．５ミリメートルから３．５ミリメートルである。

他の実施形態では、ファイバー長さは２ミリメートルから１２ミリメートルの範囲でありうるが、最も好ましくは２ミリメートルから６ミリメートルである。長いファイバー含有量は、浸潤され乾燥された材料１０の約５重量パーセントから９５重量パーセントの範囲でありうるが、最も好ましくは材料１０の２０重量パーセントから６０重量パーセントである。

さらに、長いファイバー１８はセルロースファイバー、または炭素ファイバーのような非セルロースファイバーでありうる。あるいは、セルロースと非セルロースファイバーとのブレンドさえも含むことができる。また短いファイバーを、長いファイバーと混合することができるが、短いファイバー長さは０．０８ミリメートルから２ミリメートルの範囲であることが好ましい。しかし、最も好ましくは０．２ミリメートルから１ミリメートルの間である。さらに、混合物における短いファイバー含有量は、乾燥され浸潤された材料１０の約５重量パーセントから９５重量パーセントの範囲であるべきであるが、最も好ましくは、乾燥され浸潤された材料１０の５重量パーセントから１０重量パーセントの範囲である。長いファイバーと同じように、短いファイバーはセルロースファイバーまたは非セルロースファイバーでありうる。あるいは、セルロースと非セルロースファイバーとのブレンドでありうる。

粒子状材料２２に関連して、粒子状材料２２は約１５０ｎｍ程度に小さな小さい方の寸法と、約３００μｍ程度に大きな大きい方の寸法とを有し、最も好ましくは約１マイクロメートル小さい方の寸法と、約１５０マイクロメートルの大きい方の寸法との間にある。粒子状材料２２は、冶金コークス、石油コークス、炭化処理したＰＡＮまたはピッチ、グラファイト、活性炭、ダイアモンドのような炭質材料、あるいは、酸化鉄、酸化アルミニウム、クロム酸化第一鉄のような金属酸化物材料；ボーラルけい酸塩、石英（クォーツ）、珪藻土のようなシリカ材料；ニトリル粒子、ニトリルブタジエン粒子およびアクリル粒子のような粒状のエラストマー材料；カシューボーン(cashew born)ポリマー粒子のようなその他の材料を有することができる。また、粒子状材料２０は対称または非対称の形状とすることができ、シリコンカーバイドのようなカーバイド；カシュー(cashew)粒子、モダクリル、フェノール、エポキシのようなポリマー粒子；または、炭酸カルシウム、カルシウムメタシリケート、フリント、および玄武岩のような無機物質でありうる。

説明された例において、粒子状材料含有量は、浸潤され乾燥された材料の約１重量パーセントから８５重量パーセントの範囲であるが、最も好ましくは浸潤され乾燥された材料の５重量パーセントから５０重量パーセントである。粒子状材料は、また、粒子であると思われるほどに小さなファイバーのような細かく切り刻んだファイバーを有することができる。

バインダーまたは樹指に関して、材料１０は、浸潤され乾燥された材料１０の約１重量パーセントから６０重量パーセントの範囲の量をもったバインダーを含むことができるが、最も好ましくは、浸潤され乾燥された材料の約２５重量パーセントから５０重量パーセントの範囲である。説明された例では、バインダーは、Ashland Aerofene２９５−Ｅ−５０のような熱硬化樹指、Schenectady Chemical SP６４９３Ｃのような変性された熱硬化樹指、Dow Ｐ８４のような熱可塑性樹脂、Schenectady ＳＰ６３００Ａのようなノヴァラックフェノール樹指(novalac phenolic resin)、Dow Corning１１０７のようなシリコーン樹脂、Cardolite３３４のようなカシューベース樹指、Shell-Epon１００１Ｂのようなエポキシ樹脂、Skybond７０１のようなポリアミド、Borden Cascomel ＭＦ−２ＬＭのようなメラミン樹脂、Noveon １５６２１１７のようなニトリルブタジエン樹指、HB Fuller ＰＮ３１７８Ｆのようなアクリルのバインダーとすることができる。説明された例では、バインダーは、American Kynol １０ＢＴのようなノヴァロイドフェノール(novaloid phenolic)、BASF Basofilスロットファイバーのようなメラミンファイバー、またはPlenco １２１１４のような粉末のフェノール、またはLenzingファイバーのようなポリイミドファイバーである樹指から作られたファイバーの形態とすることができる。説明された例では、バインダーは、前述の樹指および／または複数の言及したファイバーの２つ、またはそれ以上を有することができる。

前述の例によって教示されたように、材料１０は６８０ｋＰａから１３．７ＭＰａの剪断強度を持つことができるが、最も好ましくは、材料を十分に硬化させるのに十分な時間、温度と、２５パーセント圧縮でのバインダーの硬化のための圧力とで接着される時に、１．３ＭＰａから８．２ＭＰａの範囲である。接着圧力のパーセンテージは以下の式によって決定される

式：
（最初の厚さ−最終の厚さ）／（最初の厚さ）

説明された実施形態では、材料１０は、約１パーセントから７５パーセントの範囲のボイド体積を含むことができるが、最も好ましくは、材料内の空いた空間の容積全体の約３０パーセントから６０パーセントの範囲である。

図１に示した例では、例えば材料１０は、２８２．５ミリメートルの外経と２５４ミリメートルの内径を持ち、３００ミリメートルのＯＤ、４１．８ｍｍのＩＤのピストンに０．６ミリメートルの厚さに接着される。材料１０にわたる全体の流量は、浸潤の後に材料厚さから２５パーセントまで圧縮される場合に０．１ Ｌ／ＭＩＮから４ Ｌ／ＭＩＮの範囲であり、９０℃の温度で９．３２ｃＳｔの動粘性率を処理する流体におけるトルク変換機完全停止条件をシミュレーションしつつ、約４００ｋｐａの静水圧適用圧力で、ゼロ差分速度(differential speed)においてフロントカバーにピストンが適用された場合に流量が測定された。

このシステムと方法は、シンクロナイザーリング１４（図２）、クラッチディスク１６（図３）、またはトルク変換機ピストン１０（図１）のような、摩擦直面環境で使うことのできる摩擦材料１０を提供する。しかしながら、材料１０を同様に他の環境に適用できる、ということを本発明者は想定する。

図７は、図１で示したトルク変換機クラッチ１２のためのピストン流れに対する例示的実施形態を比較するデータを示す。ピストン流れを、従来技術の紙摩擦材料、すなわち本願発明の譲受人で生産され利用可能であるSelect Power Train TechnologiesＣＦ−４５００と比較する。水力学的フィルムを消散させることを容易にし、そして材料１０が使われる流体の有効寿命を順に延長するような低い内面温度をもたらす著しく改善されたピストン流速に注目されたい。

図８は、従来技術の紙摩擦材料、すなわちAFM Grade ４２１１と比較した、高い浸透率材料に対する流量と温度特性とを示す。低い多孔率材料を通した低い流量の効果と比較して、高い浸透率材料構成を通した高い流速の影響に注目されたい。高い多孔率の材料の界面と温度は、低い多孔率または紙の材料のそれより著しく低い。

ここで説明した材料、部品、および方法、並びにこの方法を効果的に適用する機器の形態は、本発明の好ましい実施形態を構成する。本発明が、この通りの方法および機器の形態に限定されていない、ということ、および、添付の特許請求の範囲に規定された本発明の範囲を逸脱することなく、変更を成すことができる、ということを理解すべきである。

本発明の一実施形態による、トルク変換機クラッチピストンのような部品に適用される摩擦材料を示す説明図である。 シンクロナイザーリング上の材料を示す。 クラッチプレートまたはディスク上の材料の他の用途を示す。 材料を作るためのシステムと方法の説明図である。 従来技術の紙材料の電子イメージである。 説明された例による材料１０のイメージである。 多孔率対ラッピング剪断を示す棒グラフである。 従来技術の紙材料と比較した、トルク変換機クラッチに適用した材料のピストン流れを示す他の棒グラフである。 図１に示すトルク変換機クラッチのようなトルク変換機クラッチ上の低浸透性材料と比較した、摩擦材料の界面温度に対する高多孔性材料の効果を示す。

符号の説明

１０ 紙ファイバー材料（摩擦材料）
１０ａ 上側の表面
１０ｂ 下側の表面
１１ ウエブ
１２ トルク変換機クラッチ
１４ シンクロナイザーリング
１６ クラッチディスク
１８ ファイバー材料
２０ 混合タンク（粒子状材料）
２４ 貯留タンク
２５ 導管
２６ 化学物質
３０、３２ 混合ユニット（ミキサ）
３４ タンク
４０ キャリアウエブ（コンベヤー）
４２ 樹指パン
４３ ウエブ（キャリアシート）
４４ ヘッドボックス
４５ サプライ
４６ 製紙マシン
４８ ロール
５０ 真空ボックス
５２ ピンチロール
５４ ウエブ
５６ ロール
５６ 缶
５８ マンドレル
５８ ロール
６０ サプライ
６２ パン
６４ ピンチロール
６６ 強制空気乾燥オーブン
７０ サプライロール
７２ ブロック

Claims (39)

1. 所定の多孔率を有する骨組マトリクスを規定するよう協働する複数の湿り気を付与したファイバーを備えた、摩擦マトリクス
   を有する摩擦材料であって、
   前記所定の多孔率は、０．５インチの水圧低下における１平方フィートの材料につき、毎分約５立方フィートから毎分約８０立方フィートの空気のオーダーであることを特徴とする摩擦材料。
2. 前記複数の湿り気を付与したファイバーは、大部分が非セルロースファイバーを有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦材料。
3. 前記複数の湿り気を付与したファイバーは、少なくとも０．０８ｍｍの長さを有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦材料。
4. 前記摩擦材料は、熱硬化物質または熱可塑性物質であるバインダーで浸潤されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦材料。
5. 前記バインダーは複数の粒子を有することを特徴とする請求項４に記載の摩擦材料。
6. 前記複数の粒子材料は、以下のもの：すなわち、炭質材料；窒化物材料；金属酸化物材料；シリカ材料；粉末または粒状のエラストマー材料；カーバイド材料；ポリマー材料；または無機物質のうち、少なくとも１つを有することを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
7. 前記複数の粒子材料は冶金コークスを有することを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
8. 前記複数の粒子材料は石油コークスを有することを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
9. 前記複数の粒子材料は活性炭を有することを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
10. 前記複数の粒子材料は黒鉛炭素を有することを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
11. バインダー中の前記複数の粒子材料は、約１５０ｎｍ程度に小さな小さい方の寸法と、約３００ミクロン程度に大きな大きい方の寸法とを有することを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
12. 前記複数の粒子材料は、４００ミクロン未満の長さを有する細かく切り刻んだファイバーまたは粉体化したファイバーであることを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
13. 摩擦材料が、少なくとも１．３ＭＰａの最小剪断強度を有することを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
14. 前記摩擦材料は、車両において使用するための部品に付着するよう適合され、その状況で、前記部品はトルク変換機、クラッチプレート、シンクロナイザーリング、または他のトルク伝達装置であることを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
15. 湿り気を付与した摩擦材料が、２８２．５ｍｍを超えるかまたはそれに等しい外径と２５４ｍｍ未満かまたはそれに等しい内径とを有する場合で、グルーブまたはテクスチャを追加することなく約９．３２ｃＳｔの動粘性率を有する流体における少なくとも４００ｋＰａの圧力で、湿り気を付与した摩擦材料にわたって、約０．４ ｌ／ｍｉｎから４．０ ｌ／ｍｉｎの範囲の流速の下でテストされる場合に、前記湿り気を付与した摩擦材料が少なくとも０．６ｍｍの厚さを持った移動体に接着されることを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
16. 前記骨組マトリクスは、隙間における複数の粒子材料集団を有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦材料。
17. 前記骨組マトリクスは、バインダーによる隙間における複数の粒子材料集団を有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦材料。
18. 前記複数の粒子材料は、以下のもの：すなわち、炭質材料；窒化物材料；金属酸化物材料；シリカ材料；粉末または粒状のエラストマー材料；カーバイド材料；ポリマー材料；または無機物質のうち、少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１６に記載の摩擦材料。
19. 前記複数の粒子材料は冶金コークスを有することを特徴とする請求項１７に記載の摩擦材料。
20. 前記複数の粒子材料は石油コークスを有することを特徴とする請求項１７に記載の摩擦材料。
21. 前記複数の粒子材料は活性炭を有することを特徴とする請求項１７に記載の摩擦材料。
22. 前記複数の粒子材料は黒鉛炭素を有することを特徴とする請求項１７に記載の摩擦材料。
23. 前記骨組マトリクスは、隙間における複数の粒子材料集団と、バインダー内に供給された複数の粒子材料を備えたバインダーとを有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦材料。
24. 前記複数の粒子材料は、約１５０ｎｍ程度に小さな小さい方の寸法と、約３００ミクロン程度に大きな大きい方の寸法とを有することを特徴とする請求項２３に記載の摩擦材料。
25. 前記複数の粒子材料は、以下のもの：すなわち、炭質材料；窒化物材料；金属酸化物材料；シリカ材料；粉末または粒状のエラストマー材料；カーバイド材料；ポリマー材料；または無機物質のうち、少なくとも１つを有することを特徴とする請求項５に記載の摩擦材料。
26. 前記複数の粒子材料は冶金コークスを有することを特徴とする請求項２３に記載の摩擦材料。
27. 前記複数の粒子材料は石油コークスを有することを特徴とする請求項２３に記載の摩擦材料。
28. 前記複数の粒子材料は活性炭を有することを特徴とする請求項２３に記載の摩擦材料。
29. 前記複数の粒子材料は黒鉛炭素を有することを特徴とする請求項２３に記載の摩擦材料。
30. 前記複数の粒子材料は、４００ミクロン未満の長さを有する細かく切り刻んだファイバーまたは粉体化したファイバーであることを特徴とする請求項２３に記載の摩擦材料。
31. 湿り気を付与した摩擦材料が、２８２．５ｍｍを超えるかまたはそれに等しい外径と２５４ｍｍ未満かまたはそれに等しい内径とを有する場合で、グルーブまたはテクスチャを追加することなく約９．３２ｃＳｔの動粘性率を有する流体における少なくとも４００ｋＰａの圧力で、湿り気を付与した摩擦材料にわたって、約０．４ ｌ／ｍｉｎから４．０ ｌ／ｍｉｎの範囲の流速の下でテストされる場合に、前記湿り気を付与した摩擦材料が少なくとも０．６ｍｍの厚さを持った移動体に接着されることを特徴とする請求項２３に記載の摩擦材料。
32. 摩擦材料における使用のための骨組マトリクスを作るプロセスであって、
    複数のファイバーと水の混合物を作るステップと；
    前記混合物が、所定の多孔率を有する骨組マトリクスを規定するよう協働するように、サポート上において前記混合物に湿り気を付与するステップと；
    を有し、その状況で、前記所定の多孔率は、０．５インチの水圧低下における１平方フィートの材料につき、毎分約５立方フィートから毎分約８０立方フィートの空気のオーダーであることを特徴とするプロセス。
33. 前記プロセスが、
    前記ファイバーの混合物に粒子状材料を加えるステップ
    をさらに有することを特徴とする請求項３２に記載のプロセス。
34. 前記プロセスが、
    摩擦材料をバインダーで満たすステップ
    をさらに有することを特徴とする請求項３２に記載のプロセス。
35. 前記バインダーが内部に分散された複数の粒子材料を有し、
    前記プロセスが、
    バインダーと複数の粒子との混合物を前記骨格マトリクスに適用するステップ
    をさらに有することを特徴とする請求項３４に記載のプロセス。
36. 前記プロセスが、
    浸潤された摩擦材料を乾燥させるステップをさらに有することを特徴とする請求項３４に記載のプロセス。
37. 前記プロセスが、
    摩擦材料をセグメントに加工するステップをさらに有することを特徴とする請求項３２に記載のプロセス。
38. 前記プロセスが、
    セグメントを部品に付着させるステップをさらに有することを特徴とする請求項３７に記載のプロセス。
39. 前記部品はシンクロナイザーリング、クラッチディスク、またはトルク変換機、あるいは他のトルク伝達装置であることを特徴とする請求項３８に記載のプロセス。

Images