JP6292829B2 - 摩擦材組成物および摩擦材 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦材組成物および摩擦材に関するものであり、特に冷間放置後の鳴き（ブレーキノイズ）を低減させる摩擦材組成物および該摩擦材組成物から得られる摩擦材に関するものである。

従来、ブレーキ等の摩擦材は、繊維基材、摩擦調整材及び結合材を用い、それらを配合し、予備成形、熱成形、仕上げなどの工程からなる製造プロセスによって製造されている。ブレーキ等の摩擦材としては、アラミド繊維などの有機繊維、ガラス繊維などの無機繊維、銅繊維などの金属繊維等の繊維基材、ゴムダスト、カシューダスト等の有機摩擦調整材、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、金属粒子、セラミックス粒子や黒鉛等の無機摩擦調整材、フェノール樹脂等の結合材が使用されている。

摩擦材の骨格を形成する繊維基材は摩擦材の強度や耐熱性、耐摩耗性を補うものであり、繊維基材として用いられる金属繊維、中でも銅繊維は軟質で延性に富むことから成形性にも優れるため、一般的に用いられている。銅繊維は、その高い熱伝導性により摩擦制動時の摩擦面に発生する熱を拡散し、それによって耐フェード性を高める作用を有している。この銅繊維は、粉状の形態の銅粉末として用いられる場合もある。
フェード現象は、摩擦材が高温、高負荷に曝されたとき、摩擦材に含まれる有機物が分解して発生する分解ガスによって引き起こされるが、熱伝導率の大きな銅を摩擦材に添加することで摩擦材自体の放熱性が向上して、分解ガスの発生を抑制することができる。

従来より摩擦材は、制動性の確保と鳴き性能や耐フェード性の向上との両立が問題視されており、例えば、鳴き性能を改善するため、特許文献１では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素系ポリマーを配合した摩擦材がブレーキディスクパッドの用途に使用されることが記載されている。また、特許文献２、３には、無機質摩擦調整剤として活性アルミナを含み、有機質摩擦調整剤としてフッ素系ポリマーを含む摩擦材組成物並びに摩擦材組成物を用いた摩擦材が記載されている。

ブレーキノイズが発生する条件は様々であるが、特に低温及び高湿度条件で放置した後に、低速及び低減速度で制動を行った際に摩擦材の鳴きが発生する。例えば朝、一晩放置してあった自動車を発進した後、一回目の制動を行った時等に、鳴きが発生しやすい。

このような低温及び高湿度条件で放置後の摩擦材の鳴きを低減する技術として特許文献４には、低温時と高温時の効き変化を少なくし、低温時のノイズ発生を低減した摩擦材を得るために繊維径５〜３０μｍで繊維長０．５〜８０ｍｍの繊維状のフッ素系ポリマー繊維を摩擦材組成物に配合することが記載されている。

一方で、銅等の重金属を含む摩擦材はブレーキ制動により重金属が摩耗粉として空気中に放出されるため、自然環境への影響が指摘されている。近年このような環境汚染に対する懸念から、銅のような重金属を含有しない摩擦材が開発されるようになり、国際的に重金属を除く動きが加速している。銅を実質的に除いた摩擦材として、例えば、特許文献５には、重金属及び重金属化合物を含有せず、黒鉛とコークスを合計して５〜２５体積％含有することを特徴とするノンアスベスト摩擦材が記載されている。

特表２００４−５０１２７１号公報 特開２０１１−１７０１６号公報 国際公開第２００４／００１１６２号 特開平８−３２６８０５号公報 特開２００８−１７９８０６号公報

このような銅を含有しない銅フリーの摩擦材において、低温放置後の摩擦材の鳴きの問題を解決するために特許文献４のようにフッ素系ポリマー繊維を用いても、銅の展性、延性による潤滑作用がなくなるため、冷間放置後に摩擦材が吸湿すると摩擦係数が上昇し、鳴きが発生しやすくなる。また、銅を含有しないため熱伝導率が低下して摩擦材の成形性が低下してしまう。成形性が低下すると、摩擦材の強度が低下し、使用時にその摩耗量が悪化するおそれがある。さらに、フッ素樹脂繊維はフェノール樹脂との濡れ性が悪いため、増量するのは摩擦材の成形性に対して好ましくない。

従って、本発明が解決しようとする課題は、銅及び銅含有金属を含まない摩擦材組成物とその組成物を用いた摩擦材に関し、冷間放置後の摩擦係数の上昇を抑え、耐摩耗性の向上と幅広い車種に適合する耐ノイズ性とブレーキの効きが改善された摩擦材を提供することにある。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、銅フリーの摩擦材において、摩擦材組成物中にフッ素系ポリマー粒子を含有させることにより、摩擦材組成物中のフッ素系ポリマー粒子の分散性が向上し、熱成形性よく摩擦材を得ることができ、また得られた摩擦材は、安定した摩擦係数及び耐摩耗性を発現し、冷間放置後の鳴きを低減させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。冷間放置後の鳴きは、大気中の水分が摩擦材の気孔に入り込む事が原因で発生する。フッ素系ポリマー粉末を配合する事により、その撥水作用で摩擦材の気孔内に水分が吸湿されるのを防ぐ効果があると考えられる。また、フッ素系ポリマー粉末は、フッ素系繊維と比較すると、摩擦材中に均一に分散されやすいため、少量でも想定される効果が得られる。さらに、フッ素系ポリマー粉末の使用量はフッ素樹脂繊維に対して少ないため、成形性も確保できる。

すなわち、本発明は、下記（１）〜（５）により達成されるものである。
（１）繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材組成物であって、該摩擦材組成物中の銅の含有量が０．５質量％以下であり、フッ素系ポリマー粒子を含有することを特徴とする摩擦材組成物。
（２）前記フッ素系ポリマー粒子がポリテトラフルオロエチレン粒子であることを特徴とする前記（１）に記載の摩擦材組成物。
（３）前記フッ素系ポリマー粒子の含有量が０．２〜３．５質量％であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の摩擦材組成物。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の摩擦材組成物を成形して得られる摩擦材。
（５）繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含み、銅の含有量が０．５質量％以下であり、フッ素系ポリマー粒子を含有する摩擦材組成物を熱成形面圧５０〜７０ＭＰａで、１４０〜１７０℃、３〜１０分間、熱成形することを特徴とする摩擦材の製造方法。

本発明の摩擦材組成物により形成された摩擦材は、自動車用ディスクブレーキパッドやブレーキライニングなどの摩擦材に用いた際に、制動時に生成する摩耗粉中の銅が殆どないため環境への負荷が少なく、かつ安定した摩擦係数、耐ノイズ性、及び耐摩耗性を発現し、冷間放置後の鳴きを銅を含有する摩擦材と同等の水準に維持することができる。また、本発明の摩擦材組成物を用いることにより、上記特性を有する摩擦材を提供できる。

以下、本発明を実施するための形態を詳細に説明するが、下記実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
なお、本発明において「銅フリー」とは、摩擦材中に実質的に銅成分を含まないことであり、具体的には、摩擦材組成物全量に対し０．５質量％以下であることを意味する。

本発明の摩擦材組成物は、繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含み、摩擦材組成物中の銅の含有量が０．５質量％以下であり、かつ、フッ素系ポリマー粒子を含有するものである。

繊維基材は摩擦材としたときの補強用に用いられ、繊維基材としては、例えば、耐熱性有機繊維、無機繊維、金属繊維が使用される。耐熱性有機繊維としては、例えば、芳香族ポリアミド繊維（アラミド繊維）、耐炎性アクリル繊維が挙げられ、無機繊維としては、例えば、チタン酸カリウム繊維やセラミック繊維（生体溶解性のものが好ましく用いられる）、ガラス繊維、カーボン繊維、ロックウール等が挙げられ、また金属繊維としては、例えば、スチール繊維等が挙げられ、これらを単独又は２種以上組み合わせて使用することができる。繊維基材の含有量は、十分な機械強度を確保するため、摩擦材組成物全体量に対し１〜１５質量％とすることが好ましく、２〜１０質量％とすることがより好ましい。

結合材は熱硬化性樹脂からなり、熱硬化性樹脂として、フェノール樹脂、エポキシ樹脂や、これら熱硬化性樹脂をカシューオイル、シリコーンオイル、各種エラストマー等で変性した樹脂や、これらの熱硬化性樹脂に各種エラストマー、フッ素ポリマー等を分散させた樹脂等が挙げられ、これらは、単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。結合材の含有量は、十分な機械的強度、耐摩耗性を確保するため、摩擦材組成物全量に対し、７〜１２質量％とすることが好ましく、８〜１１質量％とすることがより好ましい。

本発明で使用するフッ素系ポリマーは、摩擦調整材として用いられ、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）の単独重合体であってもよいし、ＴＦＥ以外のエチレン性不飽和基を有する含フッ素モノマーなどの共重合モノマーとの共重合体であってもよい。フッ素系ポリマーの分子量は数百万になるものもあり、粒状、平板状、不定形等どのような形態のポリマーでも適宜使用できるが、通常、粉末状で使用する。
従って、本発明でいうフッ素系ポリマーには、ＴＦＥの単独重合体（ＰＴＦＥ）のみならず、溶融流動性を付与しない程度の少量の他の単量体を共重合させて変性した変性ポリテトラフルオロエチレンも含む。

エチレン性不飽和基を有する含フッ素モノマーとしては、例えば、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロブテン−１、パーフルオロへキセン−１、パーフルオロノネン−１、パーフルオロ（メチルビニルエーテル）、パーフルオロ（エチルビニルエーテル）、パーフルオロ（プロピルビニルエーテル）、パーフルオロ（ヘプチルビニルエーテル）、（パーフルオロメチル）エチレン、（パーフルオロブチル）エチレン、クロロトリフルオロエチレン等が挙げられる。特に、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロ（ｎ−プロピルビニルエーテル）、（ペルフルオロ−ｎ−ブチル）エチレンが好ましい。これらの含フッ素モノマーは単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。共重合モノマーは、通常１モル％以下であることが好ましく、より好ましくは０．５モル％以下である。
本発明のフッ素系ポリマーの中では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：融点３２７℃）が好ましい。

本発明のフッ素系ポリマー粒子は、通常、懸濁重合により製造することができる。懸濁重合は、ＴＦＥ単独、またはＴＦＥと共重合モノマーとを用い、分散剤および重合開始剤を含有する水系媒体中で、行うことができる。重合温度は、通常５０〜１２０℃の範囲であり、好ましくは６０〜１００℃の範囲である。重合圧力は、適宜選定すればよい。

本発明のフッ素系ポリマー粒子は、懸濁重合で得た平均粒子径数ｍｍの粒子を粉砕することにより得られる。特に、平均粒子径約２０μｍ以下のポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）粉末を粉砕して分級すると所望の粒径のフッ素系ポリマー粒子を簡単に調整できる。本発明では、平均粒子径が１０μｍ以下のフッ素系ポリマー粒子を用いることが好ましく、より好ましくは、平均粒子径が０．５〜８μｍのフッ素系ポリマー粒子を使用する。平均粒子径が１０μｍを超えると配合量に対する効果が少なくなるため、平均粒子径が１０μｍ以下のフッ素系ポリマー粒子を用いるのが好ましい。

また、本発明のフッ素系ポリマー粒子の摩擦材組成物全量に対する配合量は、０．２〜３．５質量％とすることが好ましく、０．２〜３．０質量％とすることがより好ましい。フッ素系ポリマー粒子を前記範囲となるように配合させると、冷間放置後の摩擦係数の上昇を抑え、鳴きを低減させることができるため好ましい。

本発明の摩擦材組成物には、本発明の主旨に沿う限り、通常用いられる材料が使用される。具体的には、その他の摩擦調整材として、カシューダスト、ゴムダスト（タイヤトレッドゴムの粉砕粉）、未加硫の各種ゴム粒子、加硫された各種ゴム粒子等の有機充填材や、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、バーミキュライト、マイカ、板状チタン酸カリウム、鱗片状の、チタン酸リチウムカリウム又はチタン酸マグネシウムカリウム、不定形チタン酸カリウム等の無機充填材や、炭化ケイ素、アルミナ、マグネシア、クロマイト、四酸化三鉄、酸化ジルコニウム、ケイ酸ジルコニウム等の研削材や、二硫化モリブデン、硫化錫、硫化亜鉛、硫化鉄等の潤滑材や、亜鉛粉、錫粉等の銅及び銅合金以外の非鉄金属粒子等が挙げられ、これらは、単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。摩擦調整材の含有量は、所望する摩擦特性に応じて、適宜調整すればよい。摩擦調整材の含有量は所望する摩擦係数に応じて、摩擦材全量に対し６０〜９０質量％とすることが好ましく、６５〜８５質量％とすることがより好ましい。

また、必要に応じ、その他の配合材料を使用することは何ら差し支えない。

本発明の摩擦材組成物を用いた摩擦材の製造においては、通常の製造工程により行うことができるが、熱成形時の面圧を高く設定して製造することが好ましい。具体的には、原料の混合、予備成形、熱成形、加熱、研磨等の工程を経て摩擦材を作製することができるが、原料をブレンダ等で混合し、得られた粉末状混合物を予備成形金型に入れ予備成形し、その後、その予備成形物を熱成形金型に投入して金属板で重ね、通常より１０〜４０％高い熱成形面圧、具体的には５０〜７０ＭＰａ、好ましくは５５〜７０ＭＰａ、より好ましくは５５〜６５ＭＰａで熱成形する。熱成形面圧を前記範囲とすることで、従来品と同等の摩擦強度を確保することができる。また、熱成形温度は１４０〜１７０℃の範囲が好ましく、熱成形時間は３〜１０分とすることが好ましい。

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

〔試験例１〕
（実施例１〜６、比較例１〜３）
＜摩擦材の製造＞
表１に示す配合材料を、混合攪拌機に一括して投入し、常温で２〜１０分間混合を行い摩擦材組成物を得た。その後、得られた摩擦材組成物を各々予備成形（１）、熱成形（２）、加熱および焼成（３）等の工程を経て摩擦材を作製した。
（１）予備成形
上記摩擦材組成物を予備成形プレスの金型に投入し、常温にて２０ＭＰａで５秒間、成形を行い予備成形品を作製した（サンプルサイズ：４５×８０ｍｍ）。
（２）熱成形
この予備成形品を熱成形型に投入し、予め接着剤を塗布した金属板（プレッシャープレート：Ｐ／Ｐ）を重ね１５０℃、５０ＭＰａで５分間熱成形を行った。
（３）加熱、焼成
この熱成形完品に２５０℃、２時間の熱処理を実施後、所定の厚み１５．５ｍｍに研磨した。次いで、この熱処理完了品の表面に表面焼き処理を施し、仕上げに塗装を行い、摩擦材（ブレーキパッド）を得た。

＜摩擦材評価試験＞
上記作製した実施例１〜６および比較例１〜３の摩擦材を使用して、摩擦材成形性評価、一般性能試験、摩擦材摩耗量、および鳴き試験を行った。得られた評価結果を表１に示す。

（１）摩擦材成形性評価
熱成形完品について通常測定されうる所定の外周部２点、内周部２点の計４点についてロックウェル硬度計を用いてＨＲＳスケールで硬度を測定した。
上記の測定箇所４点の硬度の平均値を算出し、その平均値が、予め設定した硬度の目標値に対して±２０％以内のばらつきにあるものを「○」と評価した。さらに、上記平均値のばらつきが目標値に対して２０％を超えて３０％以内であるものを「△」、３０％を超えるものを「×」として評価した。なお、本評価において「×」として評価したものは、成形可能ではあったが軟質であり摩擦材強度が充分ではなく摩擦試験に耐えられないと判断したため、摩擦試験評価を行わなかった。

（２）一般性能試験
ＪＡＳＯ・Ｃ４０６に準拠し、第２効力５０ｋｍ／ｈ、１００ｋｍ／ｈそれぞれの２．９４ｍ／Ｓ^２、５．８８ｍ／Ｓ^２のμを通常域のμとした。

（３）摩擦材摩耗量測定
上記一般性能試験の実施前と実施後の摩擦材（ブレーキパッド）の厚みをマイクロメータで測定し、その厚み差を摩耗量として算出した。

（４）鳴き試験
ダイナモ試験機を用いて、以下の条件で鳴き試験を実施し鳴きの発生率を評価した。
＜環境条件：温度１０℃、湿度４０％＞
・摺り合せ：６５ｋｍ／ｈ，３．４３ｍ／ｓ^２，１２０℃で２００回
・マトリクス：１０，２０，３０ｋｍ／ｈ，０．９８，１．９６，２．９４ｍ／ｓ^２，５０〜２００℃（５０℃刻み上げ下げ）で各１回
＜環境条件：温度１０℃、湿度８０％＞
・放置：４時間
・制動：１０ｋｍ／ｈ，０．９８ｍ／ｓ^２で３回
上記を合計１０サイクル実施した。ただし、２サイクル以降の摺り合せは３５回とする。鳴きの発生率が５％以下を「○」、５％を超えて１０％未満を「△」、１０％以上を「×」として評価した。

表１の結果より、銅フリーの摩擦材において、ＰＴＦＥ粒子を含有していない比較例１は、摩擦材摩耗量が０．７８ｍｍと大きく、鳴き発生率評価においても評価点が１０％以上であったのに対し、ＰＴＦＥ粒子を含有させた実施例１〜６は比較例１に比べて摩擦材摩耗量は小さく、鳴き発生率評価においても優れていることがわかった。また、ＰＴＦＥ繊維を使用した比較例２、比較例３は成形性が著しく低下した。また、比較例２は実施例１〜６と比較すると、成形性の低下により摩擦材強度が低下し、摩耗量が増加したと考えられる。さらに、比較例２は鳴きに対する効果も実施例１〜６と比べて得られなかった。

〔試験例２〕
（実施例７〜１０、比較例４）
＜摩擦材の製造＞
表２に示す配合材料にて、試験例１と同様の方法により、摩擦材を作製したが、熱成形（２）における熱成形面圧を５０〜７０ＭＰａの間で変化させて作製した。

＜摩擦材評価試験＞
上記作製した実施例７〜１０および比較例４の摩擦材、および試験例１で作製した実施例２の摩擦材を使用して、一般性能試験、摩擦材摩耗量測定、および鳴き試験を行った。なお、試験方法は試験例１と同様である。得られた評価結果を同様に表２に示す。

表２の結果より、熱成形時の面圧を１０〜４０％上げることで（実施例７〜１０）、鳴きを改善するとともに、銅を含有させた比較例４とほぼ同程度に摩擦材強度、すなわち耐摩耗性を確保できることがわかった。

ディスクブレーキパッドやブレーキライニングなどの摩擦材に用いた際に、制動時に生成する摩耗粉中に銅が殆どないため環境への負荷が少なく、かつ安定した摩擦係数、耐ノイズ性、及び耐摩耗性の発現が可能であり、特に冷間放置後の鳴きが抑えられるため乗用車用ブレーキパッドなどに好適である。

Claims (5)

1. 自動車用ディスクブレーキパッドに用いられる摩擦材組成物であって、
   繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含み、該摩擦材組成物中の銅の含有量が０．５質量％以下であり、平均粒子径が０．５〜８μｍのフッ素系ポリマー粒子を含有することを特徴とする摩擦材組成物。
2. 前記フッ素系ポリマー粒子がポリテトラフルオロエチレン粒子であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦材組成物。
3. 前記フッ素系ポリマー粒子の含有量が０．２〜３．５質量％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦材組成物。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の摩擦材組成物を成形して得られる自動車用ディスクブレーキパッドに用いられる摩擦材。
5. 繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含み、銅の含有量が０．５質量％以下であり、平均粒子径が０．５〜８μｍのフッ素系ポリマー粒子を含有する摩擦材組成物を、熱成形面圧５０〜７０ＭＰａで、１４０〜１７０℃、３〜１０分間、熱成形することを特徴とする自動車用ディスクブレーキパッドに用いられる摩擦材の製造方法。