JP2017193623A

JP2017193623A - 摩擦材組成物

Info

Publication number: JP2017193623A
Application number: JP2016084444A
Authority: JP
Inventors: 和樹横尾; Kazuki Yokoo; 真理光本; Mari Mitsumoto
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2017-10-26

Abstract

【課題】高温制動時に有機分解物を有効に吸着できる手段を有し、高温条件でも高摩擦係数を維持できる摩擦材組成物を提供すること。【解決手段】摩擦材組成物を、結合材、繊維基材、および充填材を含有する摩擦材組成物であって、前記充填材として、一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料を含むものとする。前記多孔性炭素材料の比表面積が、窒素吸着−ＢＥＴ多点法により測定した比表面積で３００〜８６０ｃｍ２／ｇであり、孔の直径が平均１０〜６０μｍであることが好ましく、前記多孔質炭素材料が、摩擦材組成物全体に対して１〜２０質量％含まれることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の制動に用いられるブレーキパッド、ブレーキライニング等の摩擦材に適した摩擦材組成物に関する。

自動車等にはその制動のためにブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等の摩擦材が使用されている。摩擦材は、結合材、繊維基材、および充填材等を含む摩擦材組成物が用いられ、前記特性を発現するため、各成分を単独または複数種類組み合わせた摩擦材組成物が用いられる。摩擦材は、ディスクロータ、ブレーキドラム等の対面材と摩擦することにより制動の役割を果たす。そのため、摩擦材には適切な摩擦係数、耐摩耗性、強度、制振性等が要求される。また、摩擦係数は車速、減速度、ブレーキ温度に依存せず安定であることが要求される。

摩擦材は繊維基材としてスチール繊維を３０〜６０質量％含有するセミメタリック材と、スチール繊維を３０質量％未満含有するロースチール材と、スチール繊維を含有しないＮＡО（Non-Asbests Organic）材に大別される。ただし、スチール繊維を微量に含有する摩擦材もＮＡО材に分類されることもある。

ＮＡО材はスチール繊維を含有しない、あるいはスチール繊維の含有率が極めて低いため、セミメタリック材やロースチール材と比較して、相手材であるディスクロータへの攻撃性が低いという特徴がある。このような利点から、現在、日本や米国では効き、鳴き、耐摩耗性のバランスに優れるＮＡО材が主流となっている。また、欧州では高速制動時の摩擦係数保持の観点でロースチール材が用いられることが多かったが、近年は市場の高級志向化に応えるべく、タイヤのホイール汚れやブレーキ鳴きが発生しにくいＮＡО材が用いられることも増えてきている。

このようなＮＡＯ材について、高温熱履歴後の摩擦係数変動を抑制する添加材として、多孔質炭素材料が提案されている。多孔質炭素材料は、高温時の摩擦係数の保持に関する研究として、多孔質炭素を用いた摩擦材が提案されている（例えば特許文献１）。

特開２０００−２５６６５２号公報

ＮＡО材は、繊維基材および充填材を結合材で結着した材料であり、フェノール樹脂、カシューダスト、ゴム成分等の有機成分を比較的多く含有する。このようなＮＡＯ材によるブレーキパッドを用いて制動を行うと、制動時の発熱により有機成分が分解して有機分解物が生成される。この有機分解成分の一部は、ブレーキパッドの摺動相手であるディスクロータ表面に移着してトランスファフィルム（ＴＦ）を形成し、摩擦係数の安定化に寄与するとともに、摩耗の抑制に寄与する。しかしながら、有機分解成分の移着量が過多となると、かえって摩擦係数が低下する、いわゆるフェード現象が生じることとなる。したがって、適正な量のトランスファフィルムの形成が重要である。

適正な量のトランスファフィルムを形成するためには、ディスクロータ表面に移着する有機分解物の量を適正な量とする必要がある。次に、ディスクロータ表面に移着する有機分解物の量を適正な量とするためには、高温で余剰に生成される有機分解物を除去する方策が必要である。

この点から考えると、高温で分解し難く、多孔質構造を有する特許文献１に記載の多孔質炭素材料は、炭素材料の気孔表面に有機分解物を吸着できるので、余剰の有機分解物の除去に有効であると考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の多孔質炭素材料は、糠を焼成したものであるため、炭素材料内部に形成される気孔がランダムな方向であり、気孔の大きさも各部で不均一なものとなる。この場合、有機分解物を吸着できる気孔が一部でしかないこと、吸着した有機分解物が気孔の狭隘な部分を閉塞すると、その奥に配置される気孔は有機分解物を吸着できないことから、有機分解物の吸着には不向きであると考えられる。

本発明は、高温制動時に有機分解物を有効に吸着できる手段を有し、高温条件でも高摩擦係数を維持できる摩擦材組成物を提供することを目的とする。

本発明者らは、高温熱履歴前後で摩擦係数の変動を抑制する効果のある充填材の検討を行うにあたり、多孔性炭素材料の構造に着目して検討を行い、本発明を成し遂げた。

本発明の摩擦材組成物は、結合材、繊維基材、および充填材を含有する摩擦材組成物であって、前記充填材として、一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料を含むものである。本発明の摩擦材組成物においては、前記多孔性炭素材料の比表面積が、窒素吸着−ＢＥＴ多点法により測定した比表面積で３００〜８６０ｃｍ^２／ｇであり、孔の直径が平均１０〜６０μｍであることが好ましく、前記多孔質炭素材料が、摩擦材組成物全体に対して１〜２０質量％含まれることが好ましい。

本発明によると、自動車用ディスクブレーキパッド等の摩擦材に用いた際に、高温熱履歴前後で摩擦係数の変動が小さい摩擦材組成物、摩擦材および摩擦部材を提供することができる。

一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料の一例を示す図面代用写真である。

［摩擦材組成物］
本発明の摩擦材組成物は、ＮＡＯ材に関するものであり、結合材、繊維基材、および充填材を含有する摩擦材組成物である。

（多孔性炭素材料）
本発明においては、充填材として、一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料を含む。この多孔性炭素材料は、米糠を用いた多孔性炭素材料と異なり、連通する気孔の途中で狭隘な部分を有さないため、有機分解物を吸着しても狭隘部で気孔を閉塞することがなく、多孔性炭素材料の気孔の奥まで、すなわち気孔全体で有効に有機分解物の吸着を行うことができる。

一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料としては、有機分解物を有効に吸着するため、比表面積が、窒素吸着−ＢＥＴ多点法により測定した比表面積で３００〜８６０ｃｍ^２／ｇの範囲とすることが好ましい。比表面積が過少であると有機分解物の吸着性能が低くなり、一方で比表面積が過大であると、気孔の径が小さくなって気孔の閉塞が生じ易くなる。また、この観点から、気孔の直径は平均で１０〜６０μｍの範囲であることが好ましい。

一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料は、過少であるとその効果が乏しく、一方で過大となると他の成分量が減少して別の不具合が発生するため、摩擦材組成物の１〜２０質量％とすることが好ましい。成形性を考慮すると１〜１５質量％であることがさらに好ましい。

上記の一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料としては、例えば竹炭を用いることができる。竹炭は、竹を人為的に炭化させたものであり、根から水分や養分を吸い上げる仮導管が炭化収縮して気孔を形成するため、複数の気孔が一方向に配列した気孔構造となる。

図１は、竹炭の表面を電子顕微鏡で観察したときのＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像である。竹炭はこのように一方向に配列した複数の孔を有するものであり、有機分解物の吸着にきわめて好適な構造を呈している。

このような竹炭は、淡竹、真竹、孟宗竹などの竹材を乾燥させた後、釜内で加熱して炭化させることで得ることができる。このとき、加熱温度が低いと炭化が不充分となり、制動時の発熱で分解し安くなり、その一方で加熱温度が高いと仮導管の炭化収縮が著しくなって気孔の径が小さくなる。この観点から炭化のための加熱温度は６００〜１０００℃が好ましく、７００〜８５０℃とすることがより好ましい。

（結合材）
結合材は、摩擦材用組成物に含まれる繊維基材、充填材などを一体化し、強度を付与するものである。代表的な結合材はフェノール樹脂であるが、フェノール樹脂としては、未変性フェノール樹脂、アクリル変性フェノール樹脂、カシュー変性フェノール樹脂、アルキルベンゼンフェノール樹脂等の各種変性フェノール樹脂が挙げられ、これらを単独または複数種類を組み合わせて使用することができる。特に良好な耐熱性、成形性および摩擦係数を与えることから、フェノール樹脂、アクリル変性フェノール樹脂、シリコーン変性フェノール樹脂、アルキルベンゼンフェノール樹脂を用いることが望ましい。本発明の摩擦材組成物中における結合材の含有量は、５〜２０質量％であることが好ましく、５〜１０％質量％であることがより好ましい。結合材の含有量を５〜２０質量％の範囲とすることで摩擦材の強度低下を抑制し、弾性率を付与することにより異音防止効果がある。

（繊維基材）
繊維基材としては各種金属繊維、無機繊維、有機繊維が挙げられ、摩擦材の補強効果を有する。本発明で使用される繊維基材は、これらを単独または複数種類を組み合わせて使用される。

金属繊維は通常、摩擦材に用いられるものであれば特に制限はない。例えば、アルミニウム、鉄、亜鉛、錫、チタン、ニッケル、マグネシウム、シリコンなどの単体金属の繊維またはこれらの合金の繊維を単独または複数種類を組み合わせて用いることができる。また、銅繊維、黄銅繊維等の銅合金繊維についても用いることができるが、銅繊維および銅合金繊維は摩耗粉に含有される銅が環境汚染の原因となる虞があるため、摩擦材組成物中の銅量として５質量％以下とすることが好ましく、摩擦材組成物中の銅量として０．５質量％以下とすることがより好ましく、摩擦材組成物中に銅を含まない、すなわち銅繊維および黄銅繊維を用いないことが最も好ましい。

無機繊維としては、セラミック繊維、生分解性セラミック繊維、鉱物繊維、ガラス繊維、シリケート繊維などを用いることができ、１種または２種以上を組み合わせて使用される。これら、無機繊維の中では、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ｎａ_２Ｏなどを任意の組み合わせで含有した生分解性鉱物繊維が好ましく、市販品としてはＬＡＰＩＮＵＳＦＩＢＥＲＳＢ．Ｖ製のＲｏｘｕｌシリーズなどが挙げられる。

有機繊維としては、アラミド繊維、セルロース繊維等を用いることができ、単独または複数種類を組み合わせて使用する。また、これらの繊維においてフィブリル化したものを用いると、摩擦材がより強固なものとなるため好ましい。

繊維基材は、摩擦材組成物中に５〜４０質量％含有することが好ましく、５〜３５質量％含有することがより好ましく、６〜３０質量％含有することがさらに好ましい。繊維基材の含有量を５〜４０質量％とすると、効き特性の著しい低下等の弊害を与えることなく、適度な補強効果を摩擦材に付与する効果がある。

（充填材）
有機充填材は、摩擦材の音振性能や耐摩耗性などを向上させるための摩擦調整材として含まれるものである。本発明の摩擦材組成物に含まれる有機充填材としては、上記性能を発揮できるものであれば特に制限はなく、通常、有機充填材として用いられる、カシューダストやゴム成分などを用いることができる。

上記カシューダストは、カシューナッツシェルオイルを硬化させたものを粉砕して得られる、通常、摩擦材に用いられるものであればよい。

上記ゴム成分としては、例えば、タイヤゴム、アクリルゴム、イソプレンゴム、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）、塩素化ブチルゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム、などが挙げられ、これらを単独でまたは２種類以上を組み合わせて使用される。

本発明の摩擦材組成物中における、有機充填材の含有量は、１〜２０質量％であることが好ましく、１〜１０質量％であることがより好ましく、３〜８質量％であることが特に好ましい。有機充填材の含有量を１〜２０質量％の範囲とすることで、摩擦材の弾性率が高くなること、鳴きなどの音振性能の悪化を避けることができ、また耐熱性の悪化、熱履歴による強度低下を避けることができる。

無機充填材は、摩擦材の耐熱性の悪化を避けるためや、耐摩耗性を向上させるため、摩擦係数を向上する目的で添加される摩擦調整材として含まれるものである。本発明の摩擦材用組成物は、通常、摩擦材に用いられる無機充填材であれば特に制限はない。

上記無機充填材としては、例えば、マイカ、硫化錫、二硫化モリブデン、硫化鉄、三硫化アンチモン、硫化ビスマス、硫化亜鉛、酸化カルシウム、硫酸バリウム、コークス、黒鉛、マイカ、バーミキュライト、硫酸カルシウム、タルク、クレー、ゼオライト、ムライト、クロマイト、酸化チタン、酸化マグネシウム、シリカ、ドロマイト、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、γアルミナ、珪酸ジルコニウム、二酸化マンガン、酸化亜鉛、酸化セリウム、ジルコニア、酸化鉄などを用いることができ、これらを単独でまたは２種類以上を組み合わせて使用することができる。また、前記複数の凸形状を有するチタン酸カリウムの他に粒状または板状のチタン酸塩を組み合わせて用いることができる。粒状または板状のチタン酸塩としては、６チタン酸カリウム、８チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム、チタン酸ナトリウムなどを用いることができる。

本発明の摩擦材組成物中における、無機充填材の含有量は、３０〜８０質量％であることが好ましく、４０〜７０質量％であることがより好ましく、５０〜６０質量％であることが特に好ましい。無機充填材の含有量を３０〜８０質量％の範囲とすることで、耐熱性の悪化を避けることができ、摩擦材のその他成分の含有量バランスの点でも好ましい。

［摩擦材］
本実施形態の摩擦材は、本発明の摩擦材組成物を一般に使用されている方法で成形して製造することができ、好ましくは加熱加圧成形して製造される。詳細には、例えば、本発明の摩擦材組成物をレーディゲミキサー（「レーディゲ」は登録商標）、加圧ニーダー、アイリッヒミキサー（「アイリッヒ」は登録商標）等の混合機を用いて均一に混合し、この混合物を成形金型にて予備成形し、得られた予備成形物を成形温度１３０〜１６０℃、成形圧力２０〜５０ＭＰａ、成形時間２〜１０分間の条件で成形し、得られた成形物を１５０〜２５０℃で２〜１０時間熱処理することで製造される。また更に、必要に応じて塗装、スコーチ処理、研磨処理を行うことで製造される。

［摩擦部材］
本実施形態の摩擦部材は、上記の本実施形態の摩擦材を摩擦面となる摩擦材として用いてなる。上記摩擦部材としては、例えば、下記の構成が挙げられる。
（１）摩擦材のみの構成。
（２）裏金と、該裏金の上に摩擦面となる本発明の摩擦材組成物からなる摩擦材とを有する構成。
（３）上記（２）の構成において、裏金と摩擦材との間に、裏金の接着効果を高めるための表面改質を目的としたプライマー層、および、裏金と摩擦材との接着を目的とした接着層を更に介在させた構成。

上記裏金は、摩擦部材の機械的強度の向上のために、通常、摩擦部材として用いるものであり、材質としては、金属または繊維強化プラスチック等、具体的には、鉄、ステンレス、無機繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチック等が挙げられる。プライマー層および接着層は、通常、ブレーキシュー等の摩擦部材に用いられるものであればよい。

本実施形態の摩擦材組成物は、耐フェード性、耐摩耗性等に優れるため、自動車等のディスクブレーキパッドやブレーキライニング等の上張り材として特に有用であるが、摩擦部材の下張り材として成形して用いることもできる。なお、「上張り材」とは、摩擦部材の摩擦面となる摩擦材であり、「下張り材」とは、摩擦部材の摩擦面となる摩擦材と裏金との間に介在する、摩擦材と裏金との接着部付近のせん断強度、耐クラック性向上等を目的とした層のことである。

以下、本発明の摩擦材組成物、摩擦材および摩擦部材について、実施例および比較例を用い
て更に詳細に説明するが、本発明は何らこれらに制限されるものではない

表１に示す配合比率に従って材料を配合し、実施例および比較例の摩擦材組成物を得た。なお、一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料は、サンコール株式会社製竹炭（ＢＥＴ比表面積３００〜８６０ｃｍ^２／ｇ）である。また、表中の配合比率は質量％である。

この摩擦材組成物をレーディゲミキサー（株式会社マツボー製、商品名：レーディゲミキサーＭ２０）で混合し、得られた混合物を成形プレス（王子機械工業株式会社製）で予備成形した。得られた予備成形物を成形温度１４０〜１６０℃、成形圧力３０ＭＰａ、成形時間５分間の条件で、成形プレス（三起精工株式会社製）を用いて鉄製の裏金（日立オートモティブシステムズ株式会社製）と共に加熱加圧成形した。得られた成形品を２００℃で４．５時間熱処理し、ロータリー研磨機を用いて研磨し、実施例１〜１４および比較例１〜４のディスクブレーキパッドを得た。なお、実施例および比較例では、裏金の厚さ６ｍｍ、摩擦材の厚さ１１ｍｍ、摩擦材投影面積５２ｃｍ^２のディスクブレーキパッドを作製した。

（摩擦係数の保持力の評価）
高温熱履歴後における摩擦係数の保持力の評価は、自動車工業規格ＪＡＳＯＣ４０６に基づいて測定し、第１フェード後、第２フェード後のすり合わせにおける３５回目の平均摩擦係数（μ）と、第１フェード前すり合わせの最終制動時の平均摩擦係数（μ）の比を評価することとした。「○」：変化率１０％以内、「△」：変化率２０％未満、「×」：２０％以上を意味する。この評価結果につき表１に併せて記載した。

表１より、一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料を含有しない比較例は、摩擦係数の変動が大きくなっている。その一方で、一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料を含有する実施例は、第１フェード後、第２フェード後のすり合わせにおける３５回目の平均摩擦係数（μ）と、第１フェード前すり合わせの最終制動時の平均摩擦係数（μ）の比ともに変化率１０％以内であり、摩擦係数の変動が小さくなっている。

これは、実施例の摩擦材においては、制動時に発生する熱により有機成分が熱分解して生成した有機分解物のうち、相手材となるロータ表面に移着して形成されるトランスファフィルムが適正な量となり、余剰な有機分解物を多孔性炭素材料の気孔に吸着して除去されたものと考えられる。これに対し比較例は、余剰な有機分解物を吸着する手段を有さないことから、相手材となるロータ表面に移着して形成されるトランスファフィルムが過剰となり、このため摩擦係数が不安定になったものと考えられる。

本発明の摩擦材組成物は、余剰な有機分解物を吸着する手段を有しているため、高温条件でも高く、かつ安定した摩擦係数を維持できることから、自動車および自動二輪車のブレーキに使用される摩擦材に好適なものである。

Claims

結合材、繊維基材、および充填材を含有する摩擦材組成物であって、
前記充填材として、一方向に配列した複数の孔を有する多孔性炭素材料を含む摩擦材組成物。
前記多孔性炭素材料の比表面積が、窒素吸着−ＢＥＴ多点法により測定した比表面積で３００〜８６０ｃｍ^２／ｇであり、孔の直径が平均１０〜６０μｍである請求項１に記載の摩擦材組成物。
前記多孔質炭素材料が、摩擦材組成物全体に対して１〜２０質量％含まれる、請求項１または２に記載の摩擦材組成物。