KR100549565B1

KR100549565B1 - 고성능 이층 마찰재

Info

Publication number: KR100549565B1
Application number: KR1019990027132A
Authority: KR
Inventors: 로버트씨.람
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 1998-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2006-02-03
Also published as: EP0971151B1; CA2276317A1; EP0971151A1; CA2276317C; JP2000037804A; US6182804B1; JP4885341B2; KR20000016905A; DE69939795D1

Abstract

본 발명은 이층의 섬유질 근본재에 관한 것으로서, 이 섬유질 근본재는 다공성이 높은 제 1 층과 다공성이 낮은 제 2 층을 포함하며, 제 1 층은 높은 온도저항 및 높은 강도 특성을 갖는 제 2 층에 결합되고, 탄성 및 오일 흡수능을 갖는다. 이 이층 섬유질 근본재는 적절히 선택된 수지와 포화될 때 우수한 마찰 및 마모 특성을 나타내는 마찰재를 제공하고, 특히 고에너지를 목적으로 사용하는 적용 분야에서 유용하다.

섬유질 근본재, 다공성, 수지, 마찰재, 동적 마찰계수

Description

고성능 이층 마찰재{High performance two-ply friction material}

도 1은 이층 마찰재를 형성하는 방법을 보여주는 일반적인 모식도.

도 2는 도 1의 2-2선을 따라 절단된 단면도로서, 이층 마찰재를 보여주는 도면.

도 3은 비교샘플 3과 예 G 및 예 H에 대하여 동적 마찰계수를 사이클 증가횟수와 비교하는 그래프.

도 4는 비교 샘플 3, 4 및 5와 예 I에 대하여 동적 마찰계수를 사이클 증가횟수와 비교하는 그래프.

도 5는 비교 샘플 3과 예 I에 대하여 동적 마찰계수를 사이클 증가횟수와 비교하는 그래프.

도 6은 예 J에 대하여 정적 및 동적 마찰계수를 사이클 증가횟수와 비교하는 그래프.

도 7은 예 K에 대하여 정적 및 동적 마찰계수를 사이클 증가횟수와 비교하는 그래프.

도 8은 예 L에 대하여 정적 및 동적 마찰계수를 사이클 증가횟수와 비교하는 그래프.

도 9는 예 N에 대하여 중량 손실의 퍼센트를 온도 증가, 유도제 중량(%/℃), 및 잔류물의 량 및 퍼센트로서 보여주는 TGA 그래프.

도 10은 페놀릭 수지와 포화된 비교예 8을 포함하는 비압축 마찰재에 대하여 압축 및 영구설정을 보여주는 그래프.

도 11은 페놀릭 수지와 포화된 비교예 9를 포함하는 비압축 마찰재에 대하여 압축 및 영구설정을 보여주는 그래프.

도 12는 페놀릭 수지와 포화된 비교예 O를 포함하는 비압축 마찰재에 대하여 압축 및 영구설정을 보여주는 그래프.

도 13은 비교예 8과 O에 대하여 마찰계수를 사이클 증가횟수와 비교하는 그래프.

본 출원은 1998년 7월 7일 발행된 미국특허번호 5,775,468의 일부계속출원이다.

본 발명은 두 종류의 고성능 섬유질 성분을 기본으로 하는 재료에 관한 것이다. 이 섬유질 재료는 습식 제지공정동안 서로 결합되는 제 1 층과 제 2 층을 갖는다. 이 두 종류의 섬유질 성분을 기본으로 하는 재료는 마찰재 응용분야에서 유용하다.

두 성분을 함유하는 본 발명의 마찰재는 재료의 강도, 열 전도도, 동적 마찰, 및 내마모성을 증가시킨다. 본 발명의 두 성분 함유 마찰재는 향상된 내구성과 종래의 한 성분을 함유하는 마찰재에 비하여 제조비용이 낮다.

새롭고 진보된 변속기와 브레이킹 시스템들이 자동차 산업에서 개발되고 있다. 이러한 새로운 시스템들은 높은 에너지의 사용을 요구한다. 그러므로, 이러한 진보된 시스템들이 요구하는 고에너지를 충족시키기 위해서는 마찰재 기술 또한 발전되어야 한다.

특히, 새로운 고에너지형 마찰재가 요구된다. 새로운 고에너지 마찰재는 표면속도가 약 65m/second에 이르는 고속에 견딜 수 있어야 한다. 또한, 이 마찰재는 약 1500 psi에 이르는 높은 방향전환용 라이닝 압력을 견딜 수 있어야 한다. 이 마찰재가 제한된 윤활조건들에서도 유용해야 한다는 것 또한 중요하다.

진보된 변속 및 브레이킹 시스템에 유용하려면, 마찰재는 내구성이 있어야 하고 높은 열저항성을 가져야 한다. 마찰재는 고온에서 안정해야 할 뿐만 아니라 뛰어난 열전도도를 가져야 한다. 즉, 마찰재는 구동상태에서 발생되는 고열을 재빨리 소멸시킬 수 있어야 한다.

새로운 변속시스템 및 브레이킹 시스템의 맞물림 및 분리동안 발생된 높은 속도는 그러한 맞물림동안 비교적 일정한 마찰을 유지할 수 있어야 한다. 어떤 기어에서 다른 기어로의 동력 전이동안 재료들의 흔들림을 최소화하기 위해서, 광범위한 속도와 온도에 대하여 마찰성의 연동이 비교적 일정해야 한다는 것은 중요하다.

예전에는, 온도에 대한 안정성을 위하여 상기한 마찰재내에 석면성분의 섬유재들을 첨가하였다. 예를 들어, 미국 특허번호 3,270,846의 발명자인 알레드터 등(Arledter et al)은 석면을 포함하는 페놀릭 및 페놀릭 변경수지를 설명한다. 그러나, 지금은 건강과 환경문제등으로, 석면은 더 이상 사용되고 있지 않다. 보다 최근의 마찰재는 페놀릭이나 페놀릭 개선수지를 포화지나 섬유재들로 변경하여 마찰재에서 석면의 부존재를 극복하려고 하고 있다. 그러나, 이러한 마찰재들은 발생된 고열을 신속하게 소멸시키지 못할뿐만 아니라 필요한 열저항성도, 현재 개발중인 고속 시스템에서 사용될 필요가 있는 만족할만한 높은 마찰계수도 갖지 못한다.

마찰재들은 브레이크나 자동차 변속기에 사용되는 유체와 같이 액체를 함유하거나 습한 환경에서 종종 사용된다. 습한 마찰재를 사용하는 동안, 유체는 마찰재로부터 압착에 의하여 제거되거나 마찰재에 스며든다. 습한 마찰재들은 조성과 물리적 성질이 건조한 마찰재와는 크게 다르다.

마찰재가 습한 환경에서 유용하기 위해서는, 다양한 수용가능한 특징들을 가져야 한다. 마찰재는 탄성을 가져야 하고, 즉 압축, 마찰 및 응력에 대한 저항성을 가져야 하며, 지속성과, 안정성 및 일관된 마찰성능을 가져야 한다. 이러한 특성들중 어느 하나라도 충족되지 못하면, 마찰재는 최적의 성능을 발휘하지 못한다.

이처럼, 고에너지 적용 마찰재를 형성하기 위하여 적절한 마찰 라이닝이나 섬유를 근본으로 하는 재료가 사용되어야 한다는 것 또한 중요하다. 마찰재가 포화공정동안 습한 수지와 포화되고 사용동안 마찰 오일이나 변속기 오일과 포화될 때, 마찰재는 충분한 전단강도를 가져야 한다.

어떤 적용분야에서는, 사용하는 동안 높은 유체 침투능이 있도록 내부에 수많은 구멍들을 갖는 것 또한 중요하다. 이처럼, 마찰재는 다공성이어야 할 뿐만 아니라 압축성이 있어야 한다. 마찰재 내로 침투한 유체는 브레이크나 변속기를 구동하는 동안 적용되는 압력으로 마찰재로부터 재빨리 배출되거나 방출될 수 있어야 하지만, 라이닝 재는 약해서는 안된다. 마찰재는 브레이크나 변속기를 구동하는 동안 발생된 열을 재빨리 방출하는 것을 도울 수 있도록 높은 열전도도를 가지는 것 또한 중요하다.

이러한 요구사항들을 충족시키는 마찰재들은 아라미드형 섬유를 갖는 섬유질을 근본으로 하는 재료(이하 섬유질 근본재로 언급함)를 포함한다. 그러나, 상기한 섬유질 근본재에 사용되는 이러한 성분들과 다른 성분들은 비싸서 마찰재의 가격을 증가시킨다.

높은 에너지가 적용되는 분야에서 유용하도록 충분한 강도를 갖으며, 섬유질을 근본으로 하는 두 층을 포함하는 변속 시스템에서 사용되는 마찰재는 지금까지 알려지고 있지 않다.

따라서, 본 발명은 종래에 비하여 신뢰성이 있고 개선된 성질들을 갖는 개선된 마찰재를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 높은 열전도도, 다공성 및 강도를 갖는 마찰재들을 제공하는데 있다.

보다 나은 마찰재가 필요하다는 생각에서 광범위한 조사를 한 결과, 개선된 특성들을 갖는 마찰재가 이제 개발되었다.

상기한 요구사항들을 달성하기 위하여, 구동동안 직면하는 조건과 유사한 조건하에서 많은 재료들의 마찰특성과 열저항 특성이 평가되었다. 상업적으로 이용가능한 브레이크 라이닝과 변속기 재료들 둘다 조사되었는데, 이들은 고에너지가 적용되는 분야에 사용하는데에는 적합하지 않은 것으로 판명되었다. 본 발명은 브레이크와 클러치에 적용되는 경우 특히 유용하다. 일측면에 따르면, 본 발명은 두 층의 재료를 포함하는 섬유질을 근본으로 하는 재료를 제공한다.

이층 섬유질 재료는 제 1 층인 하부층과 제 1 층에 근접한 제 2 층인 상부층을 포함한다. 제 2 층은 고온, 고에너지 및 낮은 압축성을 갖는다. 제 2 층은 고온저항성을 갖으며, 예를 들어 아라미드 섬유, 탄소섬유, 면 또는 다른 셀룰로오스 섬유, 충진제 및/또는 페놀릭 또느 노보로이드 섬유들과 같은 고강도 섬유들과 마찰지 형성제를 포함하며, 어떤 실시예에서는 탄소 입자들 및/또는 그래파이트 입자들을 포함한다. 제 1 층은 제 2 층보다 높은 탄성과 오일 흡수능을 갖는다. 제 1 층은 높은 다공성, 비선형 탄성 및 낮은 압축성을 갖는다. 제 1 층은 아라미드 펄프 및/또는 섬유, 면 섬유, 그리고 충진제와 같은 비선형 탄성섬유들을 포함하며, 다른 실시예에서는 탄소 입자들 및/또는 그라파이트 입자들을 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 마찰재를 형성하기 위한 적어도 하나의 적당한 수지 를 갖고서 포화된 이층의 섬유질을 근본으로 하는 재료에 관한 것이다. 이 이층 재료는 클러치 마찰판, 밴드, 동기장치 링 및 관련된 변속기 마찰품용으로 사용되는 마찰재들에 특히 유용하다.

마찰재는 다른 수지계통을 사용하여 포화될 수 있다. 다른 실시예에서는, 섬유를 근본으로 하는 재료를 페놀릭 수지나 개선된 페놀릭을 근본으로 하는 수지로 포화시키는 것이 유용하다. 다른 실시예들에서는, 실리콘 수지와 페놀릭 수지가 이들 수지와 양립할 수 있는 용매들내에서 서로 혼합되고 실리콘-페놀릭 수지 혼합이 본 발명의 섬유를 근본으로 하는 재료를 포화시키는데 사용될 때, 높은 에너지의 마찰재가 형성된다는 것이 근래에 발견되고 있다. 그러한 고에너지 마찰재는 높은 마찰 안정성과 높은 열 저항을 갖는다.

본 발명의 마찰재는 그의 유용한 수명동안 고르지 않은 라이닝 마모와 분리판 즉 홧 스폿들(hot spots)의 형성이 발전되는 것을 방지한다. 마찰재에서 고르지 않게 마모되는 것이 거의 없을 때, 클러치나 브레이크를 안정 상태로 유지할 가능성이 더욱 높아지므로, 클러치와 브레이크의 성능이 일관되게 유지된다. 더욱이, 본 발명의 마찰재는 사용동안 얇은 조각으로 갈라지는, 즉 엽렬 현상을 저지하도록 충분한 전단강도를 보인다.

이층의 섬유질을 근본으로 하는 재료의 층들은 습식 제지공정동안 함께 결합된다. 마찰재의 중요층인 하부층은 섬유, 충진제 및/또는 마찰 입자를 혼합하는 것에 의하여 형성되어 제 1 층을 형성한다. 마찰재의 제 2 층 즉 상부층은 섬유, 충진제 및/또는 마찰 입자들을 함께 혼합하고 이 혼합물을 상기한 제 1 층의 위에 증 착하는 것에 의하여 형성된다. 제 1 층에서 섬유들은 제 2 층의 섬유와 결합되어 섬유질 근본재의 두 층 사이에 최적의 계면 강도를 제공한다. 다른 실시예들에 있어서, 제 2 층은 두 층의 섬유질 근본 재료의 총 두께의 약 2% 내지 약 50%에 이르도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 제 2 층은 페놀릭 또는 노보로이드 섬유가 탄소 섬유들과 이층의 섬유질 근본재를 포화시키는데 사용되는 페놀릭 또는 변경된 페놀릭 수지들 간에 결합 강도를 제공하도록 하는 조성을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 제 2 층은 특수한 목적과 사용을 위한 성능요구들을 실현하도록 선택되는 성분들을 함유한다. 제 1 층 성분들은 제 1 층의 성능을 제공하도록 선택된다. 결합된 제 1 층 및 제 2 층 성분들의 적절한 선택은 마찰재의 특성에 영향을 미친다. 내구성, 마모성, 윤활성, 침투성, 탄성 및 여타 관련 특성과 같은 그러한 성능 특성들은 본 발명의 이층재의 사용으로 향상된다.

본 발명의 이층 마찰재는 단일층 마찰제에서는 얻을 수 없는 물리적 특성을 갖는다. 본 발명의 이층 마찰재는 이층재의 마찰 특성을 향상시키도록 선택된 수지와 포화된다. 본 발명의 이층재는 단일층 재료에 비하여 높은 내구성과 높은 마찰 성능을 갖는다.

본 발명의 일측면에 따르면, 섬유질을 근본으로 하는 재료가 제공된다. 이 섬유질 근본재는 임의 조성의 제 1 층과 결합되어 다른 조성을 갖는 제 2 층을 갖는다. 각 층의 두께와 조성은 목적으로 하는 이용분야가 변화를 필요로 함에 따라 변화될 수 있다. 이층 섬유질 근본재는 목적으로 하는 이용분야에 대하여 최적의 결과들을 제공하는 성분들을 함유한다. 제 2 층은 클러치나 마찰 라이닝에 적용될 때 접촉 영역에 근접한다. 제 2 층에 여러 가지 성분들을 사용하므로써 마찰재의 비교 효율성이 생겨나고 고비용 때문에 그렇지 않으면 모재로부터 이미 제거되었을 수도 있는 그러한 성분들이 최적으로 사용되도록 한다. 더욱이, 제 2 층은 고에너지 적용에서 특히 유용한 구조를 제공한다. 아울러, 이 이층 마찰재는 마찰특성들을 증가시키고 마모를 감소시킨다는 놀랄만한 사실이 발견된다. 더구나, 이층 마찰재는 종래의 마찰재에 비하여 보다 내구성이 높다.

본 발명의 다양한 실시예에 있어서, 제 1 층, 즉 하부층은 예를 들어 고강도의 덜 가는 아라미드 섬유와 같은 적어도 한 종류의 비선형 탄성섬유, 면 섬유, 규조토(셀라이트)와 같은 적어도 한 종류의 충진제를 포함하는 조성을 포함하며, 특정 실시예들에서는 상기한 제 1 층은 탄소입자 및/또는 그라파이트 입자들을 포함하는 조성을 포함한다. 제 2 층, 즉 상부층은 예를 들어 가는 섬유질의 아라미드 섬유와 탄소섬유와 같은 고온 저항성 및 고강도 섬유; 페놀릭 또는 노보로이드 섬유; 충진제를 갖으며, 특정 실시예들에서는 탄소 입자 및/또는 그라파이트 입자를 갖으며, 선택적으로 면 섬유를 갖는다. 제 2 층의 성분들은 마찰재에 최적의 성능 특성을 제공하는 반면 마찰재의 제조비용을 낮춘다.

본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 제 1 층과 제 2 층은 동일한 또는 다른 조성들을 포함할 수 있고, 다른 중량 및/또는 밀도를 가질 수 있다. 특히 바람직한 실시예들에 있어서, 제 1 층은 낮은 밀도를 가지는 반면에, 제 2 층은 높은 밀도를 가진다. 그러한 실시예들에 있어서, 제 1 층과 제 2 층은 둘다 하나 이상의 섬유, 충진제 및 마찰입자들을 포함할 수 있다.

여러 유형의 섬유질 재료 또는 가공되지 않은 재료들은 본 발명의 제 1 층 및/또는 제 2 층에 유용하다. 부분적으로 유용한 섬유질 재료들은 면 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유 및/또는 아라미드 솜털 펄프 및/또는 방향성의 폴리카보나마이드(polycarbonamide) 재료와 같이 일반적으로 설정된 섬유와 같은 아라미드 폴리아미드 섬유를 포함할 수 있다.

여러 제지 형성물들은 본 발명에 유용하며 다른 섬유질 재료들도 섬유 근본재 형성물에 존재할 수 있다고 이해될 수 있을 것이다. 예를 들어, 면은 비교적 낮은 약 350℃의 온도에서 태워진다. 그러므로, 어떤 마찰재는 제지형성공정동안 섬유질 근본재에 사용되는 성분들에 근거하는 예상 열적 안정성의 범위를 갖는다. 비교적 높은 함량율의 면 섬유들을 포함하는 섬유질 근본재는 아라미드 펄프와 같은 보다 열적으로 안정한 성분들을 함유하는 섬유질 근본재보다는 열적으로 덜 안정할 것이다. 그러한 성분들의 범위와 함량율은 마찰재의 사용목적과 그런 마찰재들이 보통의 에너지 요구나 높은 에너지 요구를 받을 것인지에 달려있다.

제 2 층에 있어서는 탄소 섬유들이 유용하다. 탄소 섬유들은 마찰재 소지(matrix)에 온도 저항성을 제공한다. 탄소 섬유는 마모저항과 라이닝 압착저항을 증가시킨다. 탄소섬유는 또한 엽렬(delamination) 저항과 소음 및 끽끽거리는 소리에 대한 저항성을 제공한다. 마찰 라이닝 재료가 이러한 특성들을 보여줄 때, 이 마찰재를 통한 유체의 모세관 흐름이 개선된다. 압축저항의 증가는 모세관 흐름이 유지되고 때때로는 향상되도록 마찰재의 파괴기회를 감소시킨다. 여러 실시예에 있어서, 탄소 섬유는 약 5% 내지 약 30%의 범위로, 바람직하게는 약 20%가 존재할 수 있다.

약 525~650 CSF(Canadian Standard Freeness), 바람직하게는 약 625 CSF를 갖으며, 덜 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유와 같은 비선형 탄성섬유가 제 1 층에 함유될 때, 섬유질 근본재의 강도가 향상된다는 것이 놀랍게도 발견되었다. 덜 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유는 마찰재가 오일이나 다른 유체를 쉽게 흡수하고 배 출하도록 다공성이 증가된 제 1 층, 즉 하부층 질을 갖는다.

약 250~525 CSF, 바람직하게는 약 300 CSF를 갖으며, 더욱 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유가 제 2 층, 즉 상부층에 함유될 때, 이 상부층은 제 1 층, 즉 하부층보다 적은 다공성을 갖는다는 것이 놀랍게도 발견되었다. 일반적으로 더욱 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유는 섬유재의 심(core)에 부착된 수많은 근모들을 갖는다. 더욱 가는 섬유가 있는 섬유의 길이는 약 0.5 내지 약 6 mm의 범위를 갖는다. 특정 실시예에 있어서, 섬유들은 약 150 내지 약 450 CSF를, 더욱 바람직하게는 약 200~300 CSF를 갖는 것이 바람직하다. CSF(T227 om-85)는 섬유들에서 섬유질 연축 정도가 섬유들의 프리니스(freeness)의 측정으로 설명될 수 있다는 것을 의미한다. 캐나다 표준 프리니스(CSF) 테스트는 1리터의 물 속에 3그램의 섬유 부표가 투입되어 물이 마르는 비율을 임의적으로 측정하는 실험절차이다. 그러므로, 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유들은 다른 덜 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유들, 즉 펄프에 비하여 낮은 프리니스, 즉 낮은 고갈율을 가진다.

섬유질 근본재에서 더욱 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유들은 섬유질 근본재의 표면에 충진제를 유지시키도록 한다.

가는 섬유가 있는 아라미드 섬유에 의하여 섬유질 근본재의 표면에 유지되는 충진제의 댐핑 효과는 마찰재가 보다 나은 탄성을 가지도록 한다. 진동이 특히 낮은 속도로 발생하면, 마찰재는 진동을 흡수하고 떨림을 방지하기에 충분한 탄성을 갖는다. 충진제의 크기는 약 6 내지 약 38미크론 범위의 직경을 갖는 것이 바람직하고, 약 10 내지 약 15 미크론 범위의 평균 직경을 갖는 것이 더욱 바람직하며, 특정 실시예들에 있어서는 약 12 미크론을 갖는 것이 바람직하다. 충진제의 직경이 너무 크면, 마찰재의 표면은 너무 거칠어지는 것으로 나타났다. 충진제 입자 크기가 너무 작으면, 충진제는 섬유질 근본재 내에 더욱 조밀하게 뭉쳐지게 되고, 결과적으로 마찰재는 자동차 변속기의 유체를 재빨리 흡수하고 열을 효과적으로 수행하기 위한 다공성이 충분치 않다.

덜 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유들은 일반적으로 섬유의 코어에 부착된 소수의 근모들을 갖는다. 덜 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유의 사용은 마찰재가 더욱 다공성이 우수한 구조, 즉 전형적인 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유가 사용되는 것보다 더욱 많고 더욱 큰 기공이 있는 구조를 갖는 마찰재를 제공한다. 이 다공성 구조는 기공의 크기와 액체의 침투율로서 정의된다. 바람직한 실시예에 있어서, 섬유질 근본재는 평균 직경이 약 2.0 내지 약 15 미크론의 범위를 갖는 기공들을 정의한다. 덜 가는 섬유가 있는 섬유의 길이는 약 0.5 내지 약 6 mm의 범위를갖으며, 약 450 이상의 CSF를 갖으며, 특정 실시예에서는 약 500 내지 약 550 CSF를 갖으며, 다른 특정 실시예에서는 약 580~640, 보다 바람직하게는 약 620~640 CSF의 범위를 갖는다.

그러므로, 덜 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유들은 더욱 높은 프리니스, 즉 다른 아라미드 섬유들이나 펄프보다 마찰재로부터 유체의 고갈율이 더욱 높다. 약 530~650, 바람직하게는 약 580~640, 더욱 바람직하게는 620~640 범위의 CSF를 갖는 아라미드 섬유들을 포함하는 마찰재들은 우수한 마찰성능을 제공하며, 종래의 더욱 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유들을 함유하는 마찰재들보다 나은 재료 특성들을 갖는다. 놀랍게도 높은 CSF와 함께 더 긴 섬유를 갖는, 덜 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유들을 포함하는 제 1 층들은 고강도, 고다공성 및 우수한 마모저항을 갖는 마찰재를 제공하는 것으로 알려지고 있다. 예를 들어, 덜 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유들(약 580~640 CSF)을 함유하는 재료에 행하여진 고에너지 테스트들로 우수한 내구성과 안정한 마찰계수를 갖는다는 것이 밝혀졌다.

마찰재의 구조에서 기공이 많을수록 열방출은 더욱 효과적이다. 마찰재의 맞물림 사용동안 오일이 마찰재 내 외부로의 흡입 및 배출되는 상황은 마찰재가 다공성일 때 더욱 빨리 일어난다.

제 2 층, 즉 상부층 또한 교차결합된 페놀-포름알데히드 폴리머를 포함하는 노보로이드 섬유들을 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 한 종류가 평균적으로 약 0.2 mm의 비교적 짧은 길이를 가지고, 다른 종류가 평균적으로 약 3 mm의 비교적 긴 길이를 갖는 노보로이드 섬유들의 조합이 특히 유용하다는 것이 발견되었다. 한 가지 이론에 유효하게 되는 것을 바라지는 않지만, 비교적 짧은 섬유들은 섬유보다는 입자들처럼 작용하므로 마찰재에서는 결합형 재료로서 기능하는 것으로 믿어진다. 짧은 입자같은 노보로이드 섬유들은 마찰지에 개선된 강도를 제공한다. 비교적 긴 섬유들은 마찰재가 가압될 때 마찰재의 파괴를 방지하므로써, 마찰재에 강도와 구조를 제공한다. 어떤 특정 이론에 유효하게 적용되는 것을 원치 않지만, 마찰재 내에 존재하는 페놀릭 수지와 화학적으로 유사한 노보로이드 섬유들은 페놀릭 수지재에 결합되어 마찰재에 기계적 및 화학적 강도를 제공하는 것을 돕는 것으로 믿어진다. 여러 실시예들에 있어서, 노보로이드 섬유들은 약 1 내지 약 10%의 범위로, 바람직하게는 약 2%의 범위로 존재할 수 있다.

섬유질 근본재에서 제 1 층 및/또는 제 2 층에 그라파이트를 사용하는 것은 섬유질 근본재에 방향성과 3차원 구조를 제공한다. 그라파이트는 그의 3차원 구조로 인하여 높은 열전도도를 갖는데, 이는 급속하게 열을 방출하는 능력을 갖는 마찰재를 제공한다.

다양한 실시예들에 있어서, 여러 종류의 적당한 그라파이트들이 본 발명에 유용한 것으로 고려된다. 예를 들어, 그라파이트는 석유 코크스와 콜타르 피치 바인더(pitch binder)와 같은 가공되지 않은 원료의 그라파이트화에 의하여 만들어질 수 있다. 원료는 혼합되어 구워진 탄소체를 다결정성의 그라파이트 덩어리로 전환하는 특정 그라파이트 로(furnace)에서 약 2800 내지 3000℃의 온도로 가열된다. 특정 실시예들에 있어서, 그라파이트의 크기와 구조는 약 20 내지 약 50 m의 범위에 있어야 하는 것이 바람직하다. 특정 실시예들에 있어서, 그라파이트 입자들이 너무 크거나 너무 작으면 최적의 3차원 구조로 되지 않으며 결과적으로 열저항이 최적으로 되지 않는다는 것이 발견되었다.

섬유질 근본재의 제 1 층 및/또는 제 2 층은 높은 열전도도를 갖는 탄소 입 자들을 포함할 수 있다. 마찰재가 원하는 열저항을 갖도록 탄소 입자들은 마찰재에 좋은 열 전도성을 제공한다. 탄소 입자들은 또한 변속동안 좋은, 즉 부드러운 느낌과 같은 좋은 마찰 특성을 제공하고, 브레이크와 클러치의 구동동안 꽥꽥거리는 소음을 제거한다. 탄소 입자들은 그라파이트 입자들보다는 덜 구조적이고 더욱 불규칙한 구조를 갖으며, 비교적 낮은 온도(즉 1000℃)에서 여러 기판을 가공하는 것에 의하여 전형적으로 만들어진다. 여러 충진제들은 본 발명의 이층 섬유질 근본재의 제 1 층과 제 2 층 모두에 유용한 것으로 이해될 것이다. 특히, 규조토(celite) 및/또는 실리카와 같은 실리카 충진제들이 유용하다. 셀라이트는 섬유질 재료에 강하게 결합되는 값싼 유기 충진제이다. 셀라이트는 또한 마찰재에 높은 마찰계수를 제공한다. 셀라이트는 마찰재에 부드러운 마찰 표면을 제공하며 좋은 변속 느낌 및 마찰 특성을 제공한다. 그러나, 다른 유형의 충진제들도 본 발명에 적용될 수 있고 충진제의 선택은 이층 마찰재가 특별히 요구하는 용도에 의존한다는 것을 유념해야 한다.

특정 실시예들에 있어서, 유액형 재료들, 실리콘 질화물, 및 다른 마찰 입자들과 같은 가공보조재들이 제 1 층 및/또는 제 2 층에 함유될 수 있다. 실리콘 질화물 분말이 섬유질 근본재 형성물과 교합될 때, 결과적인 마찰재의 마찰 특성인 동적 마찰계수가 향상된다. 이는 실리콘 질화물의 섬유들은 클러치나 브레이크 부분들에서 사용될 때 마모로 인하여 마찰재의 함유물로서 적합하지 못하기 때문에 특히 놀랄만하다. 바람직한 실시예들에 있어서, 실리콘 질화물 입자들은 약 0.5 내지 약 1.5 미크론의 평균 직경을 갖는다. 특정 실시예들에 있어서, 약 1 미크론의 평균 직경을 갖는 실리콘 질화물 입자들이 예외적으로 좋게 기능하는 것이 발견되었다. 한 유형의 실리콘 질화물 입자들은 Si₃N₄로 이용된다. 이 실리콘 입자들은 약 3% 내지 약 15% 정도의 낮은 함량이 사용될 때, 동적 마찰계수를 증가시킨다.

초기 마찰계수가 낮으면, 마찰재는 많은 사용 즉 많은 순환 이후까지 원하는 마찰계수를 얻을 수 없는 것으로 이해된다. 본 발명은 높은 초기 마찰계수를 갖는 이층 마찰재를 제공한다. 더욱이, 동적 마찰계수가 정적 마찰계수에 근접할 때, 클러치 동작에서 한 기어에서 다른 기어로 부드럽게 변속된다. 놀랍게도 본 발명은 마찰재에서 실리콘 질화물 입자들의 추가와 함께 좋은 동적-정적 마찰계수비를 얻는다.

마찰입자들 및 공정보조제와 같은 다른 성분들은 섬유질 근본재에 유용하다. 이들 마찰입자 성분들은 예를 들어 캐슈 열매 껍질 액체 입자 및/또는 고무형 즉 엘라스토머(Elestomeric) 폴리머 입자들을 포함한다. 특히, 바람직한 실시예에 있어서, 엘라스토머 폴리머 입자들은 공정보조제인 균형제와 함께 약 70% 내지 약 75%의 엘라스토머 고분자재료(이소프렌 및/또는 질화고무와 같은)를 포함한다. 엘라스토머 입자들은 추가적인 마찰 라이닝 마모저항을 제공하는데 유용하다. 고무 유형의 입자들은 마찰재들을 연관부분들(분리판과 클러치와 같은)에 보다 긴밀히 밀착되도록 하므로 분리판들 사이의 접촉 면적을 실제 및 외견상으로 증가시킨다. 이들 마찰입자들은 이층 마찰재의 에너지 용량을 증가시킨다.

이층 마찰재의 제 2 층은 섬유질 근본재의 제 2 층을 위한 수용성의 슬러리 형성물의 중량에 근거하여, 중량으로 약 5 내지 30%, 더욱 바람직하게는 약 10%의 탄소섬유; 약 0 내지 30%의 면섬유; 약 525 CSF 이하이며, 약 5 내지 45%, 가장 바람직하게는 약 300 CSF이며, 약 43%의 더욱 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유; 약 0 내지 30%의 탄소 입자 및/또는 그라파이트, 가장 바람직하게는 약 15%의 탄소 입자들; 규조토와 같은 약 5 내지 35%, 가장 바람직하게는 30%의 충진제; 약 1 내지 10%, 가장 바람직하게는 2%의 노보로이드 섬유; 그리고 약 0 내지 3%, 가장 바람직하게는 약 2%의 유액 공정보조제를 함유하는 수용성의 슬러리로부터 형성될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 제 2 층은 탄소 입자와 그라파이트 입자 두 가지로, 그라파이트나 탄소 입자들중 어느 한가지로, 혹은 탄소입자 또는 그라파이트 입자없이 형성될 수 있다.

이층 섬유질 근보재의 제 1 층인 바닥층은 섬유질 근본재의 바닥층인 제 1 층을 위한 수용성의 슬러리 형성물의 중량에 근거하여, 중량으로 약 20 내지 50%, 더욱 바람직하게는 약 40%의 면섬유; 약 10 내지 40%, 가장 바람직하게는 약 25%의 충진제; 약 525 CSF 이상이며, 약 5 내지 30%, 가장 바람직하게는 약 6250 CSF이며, 약 10%의 덜 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유; 약 0 내지 30%의 그라파이트 및/또는 탄소 입자, 가장 바람직하게는 약 20%의 그라파이트; 그리고 약 0 내지 3%, 가장 바람직하게는 약 2%의 유액 공정보조제를 함유하는 수용성의 슬러리로부터 형성될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 제 1 층은 탄소 입자와 그라파이트 입자 두 가지로, 그라파이트 입자들이나 탄소 입자들중 어느 한가지로, 혹은 탄소입자 또는 그라파이트 입자없이 형성될 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상부층인 제 2 층은 하부층인 제 1 층보다는 다공성이 덜하다. 다공성이 덜한 상부층은 아라미드 섬유, 탄소 입자, 탄소 섬유 및 노보로이드 섬유들로 구성되고, 이들 성분들은 적어도 부분적으로는 탄소섬유들과 탄소 입자들의 존재로 인하여 전도에 의하여 열을 소멸시키도록 기능한다. 다공성이 더한 하부층은 비용이 싸고, 더 낮은 열전도도를 갖는 성분들로 구성될 수 있는데, 이들 성분들은 마찰재의 하부층에 있는 기공들 내로 그리고 기공들로부터 유체(예를 들어, 자동차 변속기 오일)의 흐름에 기인한 대류에 의하여 열을 소멸시키도록 한다. 그러므로, 본 발명의 이층 마찰재는 마찰재로부터 열을 급속히 제거하는 열전도와 열대류의 두 가지 장점을 갖는다.

제 2 층인 상부층을 구성하는 성분들은 실질적으로 균질한 혼합물에 함께 혼합되고 제 1 층의 상부에 증착된다. 제 1 층 위에 제 2 층을 증착하기 위한 여러 방법들이 본 발명에 따라서 행하여 질 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

본 발명의 이층 섬유질 근본재를 제조하는 공정은 제 1 층인 하부층 재료의 성분들을 첨가하여 실질적으로 균질한 혼합물을 형성하는 것을 포함한다. 균질한 혼합물로부터 용지가 섬유질 근본재로 형성된다.

도 1은 이층 섬유질 근본재를 형성하기 위한 한 방법의 모식도를 보여준다. 제 1 디스펜싱 수단(10)은 성분들을 공급하여 2층 섬유질 근본재(24)의 제 1 층인 하부층(12)을 형성한다. 제 1 층(12)을 형성하는 성분들은 제 1 층(12)을 잡고 있는 적절한 표면(11) 위로 공급된다. 여러 가지 표면들(11)이 본 발명에 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 제 2 디스펜싱 수단(20)은 일반적으로 성분들 을 공급하여 제 1 층(12) 위에 제 2 층(22)인 상부층을 형성하는 것에 의하여 마찰재(24)를 형성한다. 적절한 디스펜싱 수단들(10, 20)은 이층 마찰재(24)의 형성을 위하여 균일한 제 1 층(12)과 제 2 층(22)을 공급하는 헤드 박스나 롤러 수단 또는 다른 적정 장치를 포함할 수 있는 것으로 이해 되어야 할 것이다.

여러 실시예들에 있어서, 제 1 층 및/또는 제 2 층을 구성하는 성분들은 적절한 수지재를 포함할 수 있는 것으로 이해 되어야 할 것이다. 그러한 실시예들에 있어서, 이층 마찰재(24)는 적절한 건조수단(30)에 의하여 건조되어 이층 마찰재로부터 과도한 수분을 제거하고, 그리고/또는 이층 마찰재에 있는 수지를 경화한다. 특정 실시예들에 있어서, 건조수단은 가열롤러나 적외선 가열수단 또는 적절한 가열수단을 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 제 1 층과 제 2 층을 포함하는 성분들이 수지를 함유하지 않는 실시예들에 있어서, 이층 섬유질 근본재는 도 1에 도시된 것처럼, 적절한 포화수단(40)에 의하여 형성되어 적절한 수지 또는 수지 화합물과 포화될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 이 포화된 이층 재료는 그후 적절한 건조 수단(50)에 의하여 건조되어 여분의 수분을 제거하고 및/또는 수지를 경화할 수 있다.

도 2는 제 1 층인 하부층(12)과 제 2 층인 상부층(22)으로 구성되는 이층 섬유질 근본재(24)의 횡단면도를 보여준다. 도 2의 실시예는 일반적인 설명을 위한 것이다. 바람직하게는 제 2 층(22)은 이층 섬유질 근본재 두께의 약 2% 내지 약 50%로 구성될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 바람직한 실시예들에 있어서, 제 2 층은 약 10% 내지 약 50%의 두께로 구성되며, 특정의 바람직한 실시예들에 있 어서, 제 2 층은 약 10% 내지 약 205의 두게로 구성된다.

놀랍게도 제 2 층은 제 1 층에 충분히 견고하게 결합되어 본 발명의 이층 마찰재의 사용동안 분리문제가 절대로 일어나지 않는다는 것으로 나타났다.

본 발명의 마찰재는 적정 계면강도를 갖으며, 클러치 판과 같은 기판이나 브레이크 라이닝 재료로 사용되는 기판에 쉽게 본딩된다.

본 발명에 따르면, 이층 섬유질 근본재의 포화를 위하여 여러 유형의 수지들이 유용하다. 섬유질 근본재의 포화를 위하여 사용되는 수지는 결과적인 마찰재의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 수지가 나타내는 인성(toughness)의 정도는 테스트를 할 때 완전한 상태를 유지할 수 있는 마찰재에 의하여 반영될 수 있다. 마찰재의 물리적 및 마찰 특성이 제품을 사용할 때 예상되는 서어비스 기간동안 완전한 상태로 남아있다는 것은 중요하다. 취약한 수지와 포화된 마찰재는 마찰재 소지의 개방된 다공성 구조를 파괴하도록 작용하는 과도한 하중이 걸릴 때 균열될 수 있다. 반면에, 엘라스토머 고분자 수지와 포화된 마찰재는 원하는 계수와 토오크를 제공하지만 마찰재 소지를 완전한 상태로 유지하는데 필요한 마모 저항 및 강도가 부족할 수 있다. 그러므로, 이상적인 수지형성물은 높은 강도를 가지면서도 유연하다. 높은 인성을 갖는 수지는 최적의 마찰성능을 제공한다.

본 발명에 유용한 여러 수지들은 페놀릭 수지와 페놀릭을 근본으로 하는 수지들을 포함한다. 수지 혼합물에서 에폭시, 부타디엔, 실리콘, 텅(tung) 오일, 벤젠, 캐슈 열매껍질 오일 등과 같은 다른 변경 성분들을 포함하는 페놀릭을 근본으로 하는 여러 수지들은 본 발명에 유용하게 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 페놀릭 개선 수지에 있어서, 페놀릭 수지는 수지 혼합물의 중량(존재하는 임의 용매들을 배제한)에 대하여 일반적으로 약 50%가 존재한다. 그러나, 특정 실시예들에 있어서, 포화수지 혼합물이 중량으로 약 5 내지 80%만큼 함유되고, 특정 목적을 위하여 약 15 내지 약 55%만큼 함유될 때, 특정 실시예에서는 실리콘-페놀릭 혼합물(용매와 다른 공정 보조제를 배제한)의 중량에 대하여 중량으로 약 15 내지 약 25%의 실리콘 수지가 함유될 때, 마찰재는 개선될 수 있다는 것이 발견되었다.

본 발명에 유용한 실리콘 수지는 예를 들어 열경화 실리콘 밀봉제와 실리콘 고무를 포함한다. 여러 실리콘 수지들이 본 발명에 유용하다. 특히 한가지 수지는 크실렌(xylene)과 아세틸아세톤(2,4-pentanedione)를 포함한다. 실리콘 수지는 약 362°F(183℃)의 끓는점, 68°F mm의 증기압, HG:21, 4.8의 증기밀도(공기=1), 무시할 정도의 용해도, 약 1.09의 비중, 5중량 %의 휘발성물질 함량, 0.1미만의 증발율(에테르=1), 펜스키-마르텐스(Pensky-Martens) 법을 이용하는 약 149°F의 섬광점(flash point)을 갖는다. 다른 실리콘 수지들이 본 발명에 이용될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 다른 유용한 수지 혼합물들은 예를 들어 중량%로 약 55 내지 약 605의 페놀릭 수지; 약 20 내지 25%의 에틸알콜; 약 10 내지 14%의 페놀; 약 3 내지 약 4%의 메틸알콜; 약 0.3 내지 약 0.8%의 포름알데히드; 및 약 10 내지 약 20%의 물을 함유하는 적절한 페놀릭 수지를 포함한다. 또 다른 적절한 페놀릭을 근본으로 하는 수지는 중량 %로 약 50 내지 약 55%의 페놀/포름알데히드 수지; 약 0.5% 의 포름알데히드; 약 11%의 페놀; 약 30 내지 약 35%의 이소프로패놀(isopropanol);및 약 1 내지 약 5%의 물을 포함한다.

또 다른 유용한 수지로서 에폭시 개선 페놀릭 수지가 발견되었는데, 이 수지는 중량으로 약 5 내지 25퍼센트, 바람직하게는 약 10 내지 약 15 퍼센트의 에폭시 화합물을 포함하며 나머지(용매와 다른 공정보조제를 배제한)는 페놀릭 수지이다. 특정 실시예들에 있어서, 에폭시-페놀릭 수지 화합물은 페놀릭 수지 자체에 비하여 마찰재에 보다 높은 열저항을 제공한다.

수지 혼합물과 포화 섬유질 근본재를 준비하는데 유용한 것으로 dkffuwlms 다른 조성물들과 공정보조제들이 마찰재에 포함될 수 있다는 것이 추가적으로 고려되었다.

특히, 페놀릭 수지와 실리콘 수지가 사용되는 실시예에 대하여, 실리콘 수지와 페놀릭 수지가 서로 혼합될 때 새로운 화합물은 형성되지 않는다. 수지들은 분리 경화되고 새로운 화합물은 형성되지 않는다.

실리콘 수지와 페놀릭 수지는 둘 다 서로 양립할 수 있는 용매들에 존재한다. 이러한 수지들은 함께 혼합되어(특정 실시예들에 있어서), 균질한 혼합물을 형성하고 섬유질 근본재를 포화시키기 위하여 사용된다. 섬유질 근본재가 페놀릭 수지와 포화되고 그 후 실리콘 수지가 추가되는 경우나 그 역의 경우 동일한 효과가 발생되지 않는다. 또한, 실리콘-페놀릭 수지용액의 혼합물과 실리콘 수지 분말 및/또는 페놀릭 수지 분말의 감광 유지들 간에는 차이가 있다. 실리콘 수지와 페놀릭 수지들이 용액내에 존재할 때 그들은 전혀 경화되지 않는다. 대조적으로, 실리콘 수지와 페놀릭 수지의 분말 입자들은 부분적으로 경화된다. 실리콘 수지와 페놀릭 수지의 부분적 경화는 섬유질 근본재의 충분한 포화를 억제한다.

섬유질 근본재는 페놀릭 수지와 그의 용매가 양립할 수 있는 용매에서 실리콘 수지의 혼합물과 포화된다. 일실시예에서, 이소프로파놀은 특히 적절한 용매인 것으로 밝혀졌다. 그러나, 에탄올, 메틸-에틸 케톤, 부탄올, 이소프로파놀, 톨루엔 등과 같은 다른 적절한 용매들은 본 발명의 실행에 이용될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 실리콘 수지가 페놀 수지와 혼합되고 섬유질 근본재를 포화시키기 위하여 사용될 때, 실리콘 수지의 존재는 결과적인 마찰재가 단지 페놀릭 수지로만 포화된 섬유질 근본재에 비하여 더욱 탄성적이도록 한다. 본 발명의 실리콘-페놀릭 수지 혼합 및 포화 마찰재에 압력이 인가될 때, 압력은 더욱 균일하게 분포되고, 이는 불균일한 라이닝 마모의 가능성을 감소시킨다. 실리콘 수지와 페놀릭 수지가 함께 혼합된 후, 그 혼합물은 섬유질 근본재를 포화시키는데 사용된다.

재료를 포화시키기 위한 다양한 방법들이 본 발명에서 실시될 수 있다. 섬유질 근본재는 페놀릭 또는 개선된 페놀릭 수지와 포화되고, 이 포화수지재는 바람직하게는 중량으로 마찰재의 100부분증 약 30 내지 약 65부분들을 포함한다. 섬유질 근본재가 수지와 포화된 후, 포화 섬유질 근본재는 소정 시간동안 소정 온도로 가열되어 마찰재를 형성한다. 가열은 약 300~350 °F의 온도에서 페놀릭 수지를 경화시킨다. 실리콘 수지와 같은 다른 수지가 존재할 때, 가열은 약 400 °F의 온도에서 실리콘 수지를 경화시킨다. 그후, 포화 및 경화된 마찰재는 적당한 수단에 의하여 원하는 기판에 고착된다.

다음의 예들은 본 발명의 이층 섬유질 근본재와 이층 마찰재는 종래의 마찰 재에 대한 개선이라는 추가적인 증거를 제공한다. 본 발명의 여러 가지 바람직한 실시예들이 다음 예들에서 설명되는데, 그러나 이 예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다.

습식 마찰환경에서 사용되는 윤활제의 유형은 이층 마찰재의 특징들에 영향을 미치는 것으로 이해되어야 할 것이다. 윤활제들은 정적 마찰, 동적 마찰(그리고 그러므로 정/동적 비), 점성, 점성지수, 산화 안정도, 최종 압력 능력 등을 포함하는 결과적인 이층 마찰재의 특징들의 성능에 영향을 미친다. 이층 마찰재와 원하는 기판간 계면과 화학적 및 기계적 요소들은 마찰재의 성능에 영향을 미친다. 본 발명의 이층 마찰재는 여러 윤활재들에 유용하다. 최적 성분들의 선택과 성분들의 범위는 마찰재가 노출될 조건들과 그런 시스템에서 사용될 윤활제 유형을 평가하여 결정될 수 있다.

실시예 1

이층 섬유질 근본재들의 여러 조성물들이 형성되어 약 30%~약 35%의 선택 레벨로 페놀릭 수지와 포화되었고 이층 마찰재의 형성을 위하여 경화되었다. 하기의 표 1에 도시된 것처럼 다음 재료들이 예 1에서 사용되었다.

표 1

모든 이층지(예, A, B, C, D, E 및 F)는 면 60%와 셀라이트 40%의 제 1 층을 가진다.

비교예 1 한 층의 면 60%, 셀라이트 40%

기본 중량 = 125, 캘리퍼 = 0.019

예 A 제 2 층의 아라미드 모 및/또는 섬유 5%

기본 중량=150, 캘리퍼 = 0.022"

예 B 제 2 층의 아라미드 모 및/또는 섬유 5% 및 실리콘질화물 -1.2%

기본 중량=150, 캘리퍼 = 0.023"

예 C 제 2 층의 아라미드 모 및/또는 섬유

제 1 층의 기본 중량 = 185~189, Sec.

층 기본 중량 = 24~27, 총 기본 중량 = 212~217, 캘리퍼 = 0.030"

예 D 제 2 층의 아라미드 모 및/또는 섬유 90%와 실리콘 질화물 10%

제 1 층의 기본중량 = 183-185, Sec.

층 기본 중량 = 16-26, 총 기본중량 = 201~209, 캘리퍼 = 0.028"

예 E 제 2 층의 형성물 #1:아라미드 모 및/또는 섬유 30%, 셀라이 트 25%, 실리카 입자 20%, 마찰 입자:이소프렌형 엘라스토머 입자 15%, 및 유리섬유 10%

제 1 층의 기본 중량 = 148, Sec. 층 기본중량 = 32~40, 총 기본 중량 = 180~188, 캘리퍼 = 0.025"

예 F 제 2 층의 아라미드 모 및/또는 섬유 70%와 탄소섬유 30%

제 1 층의 기본중량 = 167~170, Sec.

층 기본중량 = 25~26, 총 기본중량 = 193~195, 캘리퍼 = 0.028"

비교예 2 한층의 면 55%, 아라미드 펄프 25%, 셀라이트 45%

어떤 재료의 상대적인 침투 특성에 관한 정보를 얻기 위하여, 오일의 낙하 횟수가 기록되었다. 이러한 횟수는 일반적으로 재료의 오일 흡수특성을 반영한다. 엑손(Exxon) 1975형 "H" 자동변속기에 사용되는 세 방울 또는 네 방울의 유체가 이 테스트를 위한 판마다 사용되었다.

아래에서 논의된 마찰 테스트에서 드물게 수행되었던 재료들은 약 200초 이상의 오일 낙하 횟수를 가지는 경향이 있었다. 조립물로 그리고 조립물을 통하여 덜 윤활적인 흐름을 나타내는 첫 번째 설정 샘플들과 비교할 때, 두 번째 설정 샘플들은 약간 높은 오일 낙하 횟수를 갖는다. 두 번째 설정 샘플들은 다른 섬??와 입자 형성물들로 처리되었다. 개선된 제 2 층 형성물 또한 조립체로의 오일 흐름을 약간 감소시켰다. 선택된 재료들에 대한 오일의 특유의 낙하횟수가 하기의 표 2에 보여진다.

표 2

오일 낙하 데이터

평균시간 표준 풀팩의 수

재료 (sec.) Dev. (사이클*)

1 라운드

비교예 1 284.7 42.8 60

예 A 88.9 10.1 1050

예 B 46.7 11.4 1050

2 라운드

예 C 114.1 26.5 1050

예 D 63.0 12.1 400

예 E 198.2 38.9 69

예 F 96.4 9.9 300

* 테스트 명세를 위한 절차 528A를 참고하라.

제 1 설정의 테스트 재료들(비교예 1, 예 A 및 예 B)은 섬유들의 분포와 섬유 및 입자의 조합을 비교한다. 제어 단층지(비교예 1)는 면과 셀라이트만으로 구성되었다. 이러한 두 성분들은 그들의 오일 흡수능과 경제적 이익 때문에 선택되었다.

예 A 재료는 면과 셀라이트를 기본으로 하고 아라미드 섬유를 추가하여 상부층으로 이용하였는데, 이는 비교적 값비싼 아라미드 섬유를 접촉점에 집중시킬려는 의도였다. 아라미드 섬유들을 사용하는 이유는 고유의 높은 열저항, 판당 비용감소 및 오일 보유를 허용하는 개방구조를 갖는 이층지의 상부층을 제공하는 등의 장점 때문이다.

예 B는 위에서 언급한 아라미드 섬유의 장점에 더하여 마찰계수의 증가에 기여하는 실리콘 질화물의 좋은 성능 특성을 갖는 섬유와 입자의 조합을 포함한다. 제 2 층에서 이 성분의 사용은 비교적 높은 비용 때문에 특히 적당하다.

하기의 표 3에 나타낸 저속 마찰 장치(LVFA) 테스트가 이층재들의 마찰 성능을 평가하고 순위를 매기기 위하여 수행되었다. 예 B는 예 A에 비하여 마찰 크기를 약간 변화시켜서 수행하였다. 테스트는 다른 재료들을 사용하였을 때 성능에서의 변화를 반드시 보여주었다. 그러나, 예 A와 예 B는 비교예 2에 비하여 약간의 라이닝 마모가 덜한 결과를 보여주었다.

표 3

저속마찰장치 테스트(LVFA) 데이터 - 120 psi

엑손 1975 윤활

버려진 강 분리판

테스트 재료 정적 마찰 동적 마찰 라이닝 마모(mils)

비교예 1 .102 .144 0.3

예 A .106 .147 0.2

예 B .101 .144 0.4

비교예 2 .103 .149 1.4

풀팩 테스트 결과 데이터는 실리콘 질화물 입자들을 함유하는 이층 마찰재의 사용과 관련하여 성능이 개선되었다는 것을 보여준다. 제 2 층에 실리콘 질화물 입자를 첨가하는 것은 라이닝 마모의 증가없이 0.119에서 0.128로 동적 마찰을 증가시킨다. 풀팩 마찰 및 마모결과들을 하기의 표 4에 요약하여 나타내었다.

표 4

풀백 실험 데이터

엑손 1975 윤활

재료 1050사이클 후의 동적마찰 평균 팩 손실(mils)

비교예 1 NA(50사이클 후에 멈춤) 심각한 손상

예 A .119 12.1

예 B .128 12.3

비교예 2 .117 10.0

LVFA 테스터는 이층 재료들의 마찰 성능을 평가하고 등급을 매기기 위하여 수행되었다. 마찰 및 마모 데이터를 요약하여 하기의 표 5에 나타내었다.

표 5

LFVA 데이터-120psi

엑손 1975 윤활

버려진 강판

테스트 재료 정적 마찰 동적 마찰 라이닝 마모(mils)

예 C .108 .134 0.3

예 D .106 .139 0.5

예 E .096 .136 0.2

예 F .105 .140 0.5

비교예 2 .103 .149 1.4

아라미드 섬유들의 상부층을 갖는 예 C와 예 A(표 3을 참조) 샘플들은 각각 0.134와 0.1`47의 동적 마찰계수를 갖고서 수행하였다. 예 C에서 보여지는 것처럼 더욱 높고 더욱 균일한 아라미드 섬유의 농도는 비교샘플 2에 비하여 더 낮은 동적 마찰계수를 보여준다. 제 2 층 형성물에 실리콘 질화물 입자들 첨가하는 것은 동적 마찰계수를 0.134에서 0.139로 약간 증가시켰다. 실리콘 질화물과 탄소 섬유를 갖고서 테스트를 유사하게 실시하였다.

라이닝 마모는 모든 예, 예 A, B, C, D, E 및 F에 비하여 낮았다.

하기의 표 6에 보여지는 풀팩 테스트에 있어서, 예 C는 총 1050 사이클을 수행하였다. 모든 재료들은 마모되었다.

표 6

풀팩 실험 데이터

엑손 1975 윤활

테스트 재료 1050 사이클 후의 동적 마찰 평균 팩 손실(mils)

예 C .123 37.8

예 D NA(400 사이클 후 0.112) 31.6

예 E NA(50 사이클 후 0.147) 심각한 손상

예 F NA(300 사이클 후 0.130) 71.3

비교예 2 .151 24.0

비용절약의 관점과 주문 제조용지를 위한 도구로서 이층 마찰재를 사용하는 것이 유리하다. 포화된 이층 마찰재는 층들의 분리와 같은 문제점을 나타내지 않는다. 이층 마찰재들은 상부층에 위치한 특정 성분들의 마찰 및 마모 성능을 평가하기 위한 수단을 제공한다.

실리콘 질화물의 존재는 조립품 마모의 증가없이 동적 마찰계수를 증가시킨다. LVFA 데이터는 형성물 #1을 갖는 상부층이 비교예 2 재료에 비하여 라이닝 마모가 덜하고 마찰이 덜한 것을 보여준다.

실시예 2

실시예 2는 습식 제지공정동안 서로 결합된 다른 조성의 두 층을 갖고서 이층 마찰재가 형성되 수 있다는 것을 보여준다. 각 층의 성분들은 마찰재로서의 사용을 위한 충분한 계면강도를 갖는 섬유질 근본재를 형성하기 위하여 서로 얽혀진다는 것이 발견되었다. 다음의 예들은 하기의 표 7에 도시된 것처럼 페놀릭 수지와 포화되었다.

표 7

예 G 면 10%, 셀라이트 40%의 제 1 층

형성물 #1의 제 2 층(40% 실제 픽업)

제 1 기본 중량 = ~160, 제 2 기본중량 = ~45,

총 기본중량 = 193-196, 캘리퍼 = 0.032"

예 H 면 45%, 셀라이트 40%, 유리섬유 15%의 제 1 층

형성물 #1의 제 2 층(40% 실제 픽업)

제 1 기본 중량 = ~160, 제 2 기본중량 = ~45,

총 기본중량 = 190-201, 캘리퍼 = 0.033-0.035"

예 I 면 60%, 셀라이트 40%의 제 1 층

형성물 #1의 제 2 층(41% 실제 픽업)

제 1 기본 중량 = ~89, 제 2 기본중량 = ~41,

총 기본중량 = 130-140, 캘리퍼 = 0.0220-0.0235"

비교예 3 형성물 #1의 단일층(43% 실제 픽업)

총 기본중량 = 205-225, 캘리퍼 = 0.032-0.040"

비교예 4 형성물 #1의 단일층(35% 실제 픽업)

총 기본중량 = 135

언급된 것을 제외하고, 모든 테스트 샘플들은 40%의 픽업 레벨로 페놀릭 수지와 포화되었다. 클러치형 조립체를 이용하여 마찰 및 마모 평가가 수행되었다. 풀팩 테스트는 절차 528A 또는 428C에 따라 수행되었다. 도면 #95407에 정의된 45도 방법에 따르면 절차 528A는 정적 마찰값들의 기록을 구체화하지는 않는다. 구체화하면, 두 풀팩 절차들은 동일하다.

기계 (a)와 기계 (b)의 횡방향에서 가공되지 않은 용지를 갖고서 습식 및 건식 인장(tensile) 테스트가 수행되었다. 크로스 헤드 속도는 분당 0.5 인치로 설정되었고 챠트 속도는 분당 1인치로 설정되었다.

마찰재에 대한 모세관 흐름 및 액체 침투 테스트가 수행되었다. 이러한 측정들은 윤활 및 열전달을 포함하는 마찰재의 능력을 반영한다.

(A) 이층 대 단층 마찰재:

동적 마찰 평가(200lb. 기본 중량).

풀팩 테스트 #528

유사한 마찰 및 마모 성능은 단층과 이층 조립체들에 대한 테스트의 결과로서 나타난다. 동적 마찰은 1050 사이클 후에 평균적으로 약 0.14였다. 실험으로 얻은 동적 마찰 계수들을 하기의 표 8에 나타내었다. 200과 1050 사이클 사이에서 마찰율은 테스트를 행한 세가지 재료에 대한 평균 약 8%였다. 하부층에 면과 셀라이트를 갖는 예 G는 가장 낮은 동적 마찰율(5.3%)을 가지고 있었다. 면에 첨가된 유리섬유와 셀라이트 하부층(예 H)을 갖는 조립체들은 약간 낮은 마찰율(8.6%)을 나타내었다. 가장 높은 마찰율은 비교예 3 샘플에서 측정되었다(10.5%). 도 3은 비교 예 3, 예 G, 및 예 H에 대하여 동적 마찰변화를 사이클 증가수로 설명한다.

조립체 팩 마모(200lb. 기본중량)

풀팩 테스트 #528

하기의 표 8에 나타낸 것처럼, 이층재를 갖는 조립체들은 약간 높은 라이닝 마모를 가지고 있었다. 단층재인 비교예 3은 +0.7 mil의 마모치를 나타내었다. 하부층에 유리섬유들을 갖는 이층지(예 G)와 갖지 않는 이층지(예 H)의 마모는 각각 7.5mils와 12.0mils이다. 하부층에서의 유리 섬유들은 용지 소지를 약간 딱딱하게 하였다. 마찰재 제거 대 압축량은 판단되지 않았다. 그러나, 단층과 이층 조립체들을 테스트한 후에, 유사한 물리적 외견을 갖는다.

마모, 돌출, 광택 및 엽렬의 외견 순위가 하기의 표 9에 보여진다. 세가지 마찰재 모두에 1순위의 광택이 주어졌다. 예 H를 갖는, 하부층에 유리섬유를 포함하는 조립체들은 약간 높은 표면 마모의 결과를 보여주었다.

표 8

풀팩 실험 데이터/1050사이클

절차 528/페놀릭 수지 40% P.U.

엑손 1975 AFt

클러치 조립체 재료 고속 동적 평균 피크 손실-Mils

비교예 3 0.137 +0.7

예 G 0.144 12.0

예 H 0.138 7.5

비교예 4 0.135 중지

@ 사이클 600

비교예 5 0.133 중지

@ 사이클 550

예 1 0.131 9.0

표 9

라이닝 외견 순위

100 lb. 기본중량/528 풀팩 테스트 후

클러치 조립체 재료 마모 돌출 광택 엽렬

비교예 3 0 0 1 0

예 E 0 0 1 0

예 H 1 0 1 0

(B) 높은 기본 중량 대 낮은 기본 중량 재료

더 낮은 기본 중량지(135lb. 기본중량)

위의 표 8에 도시된 것처럼, 더 낮은 기본 중량 135 lb(비교예 4와 비교예 5)에서 단층 마찰재를 갖고서 행한 테스트는 528 절차에 따라서 600 사이클의 테스트 런 이후에는 계속되지 않았다. 35%와 40%의 수지 픽업 레벨들에서 더 낮은 기본 중량지는 얻어진 마찰계수가 이상하여 중지되었다. 도 4는 비교예 4, 비교예 5 및 예 1에 대하여 사이클 수에 대한 200 lb. 와 135 lb.의 기본중량을 갖는 마찰재의 성능변화를 설명한다.

이층 마찰재는 135 lb.의 기본중량으로도 만들어 진다. 이 잴는 상부층에서의 형성물 #1을 가지고, 면과 셀라이트(예 I)의 하부층을 가진다. 이 재료는 0.131의 동적 마찰계수와 9mils의 마모도로서 테스트를 완료할 수 있었다. 더 낮은 기본 중량 마찰재는 더 낮은 마찰계수로서 수행하였다.

135 lb.와 200 lb.dml en 가지 기본 중량의 재료들의 밀도는 하기의 식을 이용하여 계산되었다. 높은 기본 중량과 낮은 기본 중량의 재료들은 43의 최종밀도를 갖는 조립체들로 만들어졌다.

D = BW*1/FLT*(1+PU)*0.004

여기서, D = 라이닝 밀도,

BW = lb./3000sq.ft.에서 가공되지 않은 원재료의 기본 중량

FLT = 인치 단위의 최종 라이닝 두께(포화, 경화 및 압축후)

PU = 수지 픽업

(C) 용지 모세관 흐름

하기의 표 10에 도시된 것처럼, 모든 마찰재들은 원료 용지가 수지로 포화되고 경화된 후 증가된 평균 기공 직경들을 갖는다. 이층 마찰재들은 단층 마찰재보다 더 큰 평균 기공 직경을 갖는다. 큰 평균 기공직경은 접촉 영역에서 윤활성을 증가시키도록 한다. 가공되지 않은 재료가 수지로 포화되고 경화될 때, 더욱 높은 200 lb.의 기본 중량을 갖는 재료는 더 낮은 135 lb. 의 기본중량을 갖는 동일 재 료에 비하여 비교적 더 큰 평균 기공 직경을 갖는다. 200 lb.의 기본중량을 갖는 비교예 3의 재료는 3.0016의 평균 기공직경을 갖는다. 기본 중량이 135 lb.(비교예 4)로 감소될 때, 평균 기공 사이즈는 2.6170 미크론으로 감소된다. 그러나, 한번 압축된 두 기본 중량재들은 비교예 4의 그것과 유사한 평균 기공직경을 갖는다.

하부층내에 유리 섬유를 갖는 이층재와 갖지 않는 이층재(예 G와 예 H)들은 단층재보다 더 큰 평균 기공 직경을 일관되게 갖는다. 하부층 조성에서 유리섬유의 농도를 변경하는 것은 기공 직경에 대한 영향을 미치지는 않는다. 그러나, 서로 다른 평균 기공 직경과 함께 두 층의 다양한 변화는 결합된 이층재의 평균 직경을 변화시키는 효과적인 방법이다.

모세관 흐름 데이터는 평균 기공 직경이 (a) 재료가 수지로 포화되어 경화될 때와 (b) 이층재가 단층재 대신 사용될 때 증가한다는 것을 보여준다. 평균 기공직경은 재료가 수지로 포화되어 경화된 후에 압축될 때 감소한다.

표 10

모세관 흐름 분석

마찰재당 5회 측정

평균 기공 크기: A) 가공되지 않은 용지, B) 포화(40%)되고 경화된 용지, C) 포화(40%), 경화 및 압축된 용지

미가공 마찰재 기공 크기(미크론) 표준 벗어남

(Standard Deviation)

비교예 3 A) 3.0016 0.2934

B) 4.0862 0.1044

C) 2.4433 0.0746

예 G A) 4.0160 0.3143

B) 4.6143 0.1758

C)

예 H A) 3.5953 0.2565

B) 5.0581 0.2441

C) 2.8218 0.1717

비교예 4 A) 2.6170 0.2781

B) 3.5227(35% PU) 0.5261

C) 3.2854(44% PU) 0.1513

D) 2.4645(44% PU) 0.1246

예 I A) 3.0512 0.1510

B) 3.7970 0.2665

C) 2.7396 0.3655

(D) 유리섬유를 갖는 하부층과 유리섬유를 갖지 않는 하부층

압축 설정 테스트

실험재들에서 "k" 인자의 존재를 증명하기 위하여 압축 설정 테스트를 실시하였다. "k" 인자는 식 F(x) = -kx에서 정의되는 힘의 상수인데, 여기서 x는 스프 링이 압축 또는 팽창된 거리이다. 1974년 존 윌리와 선스사가 발행하고, 저자가 디. 할리데이(D. Halliday) 및 알. 레스닉(R. Resnick)인 "물리학의 기초"에 상기한 내용이 설명되어 있다. 하부층 조성에서 유리섬유의 사용으로 이층재의 "k"인자가 변경된다.

원지에 대한 인장 테스트-인스트론(Instron)

마찰재의 건식 및 습식 인장강도는 재료를 다루고 수지를 포화시키는 동안 중요하다. 낮은 인장강도를 갖는 마찰재는 수지 포화용 욕조에서 조각으로 분리될 것이다. 하기의 표 11은 단층재와 이층재의 상대적 강도를 보여준다. 30%-40%의 인장강도 손실이 마찰재가 알코올에 젖은 상태로 측정된다.

200 lb.의 기본중량을 갖는 비교예 3의 마찰재는 135 lb 기본 중량재에 비하여 기계 방향 및 X-기계 방향 인장강도가 50% 더 높다. 하부층에 면과 셀라이트를 갖는 200 lb.의 기본 중량의 이층재(예 G)는 단층재와 유사한 인장강도를 갖는다.

이층재가 하부층에 함유된 유리섬유들을 가질 때(예 H), 인장강도는 40%만큼 감소한다. 이 재료는 기계방향에 비하여 X-기계 방향에서 실질적으로 더 낮은 인장강도(60%)를 갖는다.

표 11

인스트론 인장테스트 데이터/가공되지 않은 용지

5회 평균값-건식 및 습식 테스트

인장강도(lbs.) 표준에서 벗어남

가공되지 않은 원료 마찰재 건식 습식 건식 습식

비교예 3

기계방향 8.21 4.97 0.40 0.15

X-기계방향 5.48 3.43 0.20 0.16

예 G

기계방향 7.84 4.90 0.88 0.50

X-기계방향 4.90 2.80 0.35 0.12

예 H

기계방향 5.15 2.90 0.65 0.37

X-기계방향 1.73 2.34 0.24 0.46

비교예 4

기계방향 4.16 2.72 0.36 0.13

X-기계방향 2.83 1.95 0.43 0.14

(E) 미가공용지의 층접착

이층지의 층 접착은 용지면에 힘이 수직으로 인가될 때 분리에 대한 층 저항으로 정의된다. 이 변수는 미가공마찰재들의 순위에 특히 유용하다. 층 접착은 임의 임의 중합체 재료와 하나의 용지를 포화시키는 것에 의하여 증가될 수 있다. 세가지의 요인들이 유액 포화지의 층접착에 영향을 미친다: (1) 용지에 사용된 중합체의 질과 종류, (2) 섬유에 대한 중합체의 접착, 그리고 (3) 용지내에서 섬유들의 배열. 페놀릭 수지가 경화될 때까지 유액은 이층재에 추가적인 층접착을 제공할 수 있다.

상기한 실시예 2는 단층 및 이층재들이 유사한 풀팩 마찰성능을 나타내는 결과를 보여준다. 그러나, 마찰재의 중량이 낮을수록 동적 마찰계수가 낮아지는 결과를 낳는다.

마찰재의 기본 중량이 낮아질 때, 라이닝 내구성은 감소된다. 이층재에서 제 1 층의 조성을 변화시키는 것은 기공의 크기를 증가시키고 클러치 조립체의 윤활성능을 개선시킨다.

단층재에 비하여 이층재를 사용하므로써 비용이 절감된다. 외국산의 보다 값비싼 재료들이 제 2 층에 사용될 수 있는데, 이들 재료들은 바람직한 실시예들에 있어서 비교적 얇게 될 수 있다. 클러치 마찰 및/또는 마모 성능을 상당한 정도로 개선하는 성분들이 제 2 층에 집중될 수도 있다.

실시예 3

몇몇 클러치 적용 부분들은 고에너지 용량을 갖는 재료들을 요구한다. 전형적으로, 그러한 재료들에 있어서 높은 마찰계수는 높은 열저항만큼 중요치는 않다. 마찰재의 에너지 용량은 형성물들에서 엘라스토머 입자를 이용하므로써 증가될 수 있다. 더욱이, 수지로 포화된 실리콘을 갖는 이층 마찰재의 사용은 마찰 계수를 증가시키고 마모를 감소시킨다. 비교예들과 예 I 형성물들을 하기의 표 12에 나타내었다.

표 12

비교예 6 한층 형성물 #2:면 46%, 셀라이트 17%, 아라미드 섬유 6%, 실 리콘 질화물 입자 6%; 마찰 입자L:니트릴 고무 타입의 엘라스 토머 중합체 5%, CNSL 5%, 매우 단단한 CNSL 15%, 유액 2%, 가공 보조재 총 기본중량 133-135, 캘리퍼 = 0.025"

비교예 6a 43% 페놀 수지와 포화됨

비교예 6b 35% 페놀 수지와 포화됨

비교예 7 한층 형성물 #1A:니트릴 타입의 엘라스토머 마찰입자를 제외 하고 대신 이소프렌 타입의 입자를 첨가한 형성물 1과 동일성 분, 총 기본중량 ~135, 캘리퍼 = 0.021-0.022"

비교예 7a 45% 페놀 수지와 포화됨

비교예 7b 34% 페놀 수지와 포화됨

비교예 7c 47% 실리콘과 포화됨

예 I 면 60%, 셀라이트 40%의 제 1 층

형성물 #1의 제 2 층, 총 기본 중량 130-140, 캘리퍼 =

0.022-0.0235"

예 Ia 56% 실리콘과 포화됨

예 Ib 43% 실리콘과 포화됨

비교예 3 한 층의 형성물 #1

총 기본중량 135, 캘리퍼 = 0.023"

비교예 7의 형성물들은 페놀 수지(비교예 7a, 7b) 및 실리콘 수지(비교예 7c)와 분리되어 포화되었다. 비교예 3과 예 Ia와 예 Ib는 실리콘 수지와 포화되었다.

세가지 다른 유형의 마찰 입자들을 함유하는 고에너지 마찰재인 비교예 6이 제조되었다. 이 재료는 페놀 수지와 포화되었다.

모든 재료들은 135 lb. 기본중량을 갖으며, 클러치 조립체를 만드는데 사용된다. 조립체들의 마찰 및 마모 특성이 절차 528C 또는 527C에 따라서 평가되었다.

풀팩 테스트-보통의 에너지 절차들 528C

(A) 페놀 수지

단층 재료가 이소프렌 마찰 입자(비교예 7에서 처럼)대신 니트릴 마찰 입자로서 만들어지면, 내구성은 약간 증가된다. 35% 픽업에서 비교예 3의 재료(이소프렌 입자들을 갖는)는 600 사이클을 계속 유지하였고, 반면에 동일한 픽업에서 비교예 7의 재료는 850 사이클을 유지하였다. 마찰 및 마모 데이터를 요약하여 하기의 표 13에 나타내었다. 표면의 외견 데이터와 동적 마찰 함량 데이터는 하기의 표 14에 나타내었다.

표 13

풀팩 테스트-1050사이클에서의 실험 데이터

절차 528C-135 lb.의 기본 중량재

엑손 1975형 "H" 윤활

마찰재 저속 고속 팩손실

(동적마찰계수*) (동적마찰계수**) (Mils)

비교예 6a 0.138 0.146 7.0

비교예 6b NA 0.132 36.0

비교예 7a 0.125 0.123 4.0

비교예 7b NA 0.133 @ 12.0 @

사이클 850 사이클 850

비교예 7c 0.142 0.151 0.0

예 Ia 0.162 0.175 5.0

예 Ib 0.159 0.172 6.0

비교예 3- 0.147 0.155 0.0

실리콘 45%

비교예 3- NA 0.133@ 중지됨

페놀 수지 40% 사이클 550

비교예 3- NA 0.135@ 중지됨

페놀 수지 35% 사이클 600

예 I-페놀수지 41% NA 0.131 9.0

* 도면 #95470에서 설명된 45도법에 따라서 기록된 저속 동적(정적) 마찰계수

** 맞물림 후 0.2초동안 기록된 동적 마찰계수

표 14

풀팩 테스트-팩 표면 외견 데이터

절차 528C-135 lb.의 기본 중량재

엑손 1975형 "H" 윤활

마찰재 마모 돌기 광택 엽렬 마찰소멸 %

비교예 6b 2 0 2 0 0.0

비교예 6a 5 0 3 0 13.7

비교예 7a 2 1 2 0 8.1

비교예 7b 4 @ 사이클 0 @ 사이클 4 @ 사이클 0 @ 사이클 NA

850 850 850 850

예 Ia 0 0 1 0 8.4

예 Ib 0 0 1 0 8.0

비교예 3 0 0 1 0 10.4

비교예 3- 4 @ 사이클 0 @ 사이클 2 @ 사이클 0 @ 사이클 NA

페놀수지 44% 650 650 650 650

비교예 3- 5 @ 사이클 0 @ 사이클 3 @ 사이클 0 @ 사이클 NA

페놀수지 35% 650 650 650 650

예 I-페놀 1 0 3 0 5.8

수지 41%

** 200 내지 1050 사이클에서 고속 마찰면 퍼센트

높은 45%의 픽업 레벨에서 비교예 7의 재료로 만들어진 조립체들은 528C 형 테스트를 성공적으로 수행할 수 있었다. 니트릴 타입의 엘라스토머 마찰 입자들을 포함하는 이 재료는 0.123의 최종 동적 마찰과 단지 4.0 mils의 팩 손실을 갖는다.비교예 7의 재료는 8.1%의 동적 마찰 소멸로 테스트를 하였다. 마모 및 광택은 2의 순위를 가지는 반면 돌기는 1이었고, 엽렬은 0이었다. 이에 비하여, 44%의 페놀 수지 픽업을 갖는 비교예 3의 단일층 재료는 550 사이클 후에 중지되었다. 단층재에서는 수지 픽업이 35-44%의 범위일 때 개선된 것이 전혀 없었다. 형성물 #1A에서 니트릴 엘라스토머 마찰 입자를 갖는 이소프렌 엘라스토머 마찰 입자를 변화시키고, 수지 픽업을 증가시키는 것은 그 재료에 추가로 에너지 용량을 제공한다.

비교예 7의 재료는 47%의 픽업 레벨로 실리콘 수지와 포화되었다. 이 재료는 0.151의 최종 동적 마찰계수와 16.1%의 동적 마찰 소멸율을 갖는다. 팩 손실은 0.0 mils였다. 테스트 훼에 표면 외견은 우수하였다. 마모, 돌출 그리고 엽렬은 모두 0의 순위를 가졌으며, 광택은 1이었다. 형성물 #1A에서 니트릴 탄성 마찰 입자와 관련된 실리콘 수지를 사용하여 라이닝 마모저항, 마찰계수를 증가시키고, 조립체들의 표면 외견 순위를 개선한다.

위의 표 13에서 보여지는 것처럼, 135 lb.dml 기본 중량에서 단층재(비교예 3)는 40%나 35%의 페놀 수지 픽업을 갖고서 528C 테스트를 성공적으로 완수할 수 없었다. 이들 테스트는 대략 600 사이클 후에 중지되었다.

그러나, 상기 표 13에서 보여지는 것처럼, 상부층으로서 형성물 #1과 41%의 페놀 수지 픽업을 갖는 이층재는 상기한 테스트를 성공적으로 수행하였으며, 0,131 의 최종 동적 마찰계수, 5.8%의 마찰 소멸율, 및 9.0 mils의 팩 손실을 나타내었다.

앞선 표 13에 도시된 것처럼, 단층재(비교예 3)가 45%의 픽업에서 실리콘 수지와 포화될 때, 최종 마찰계수는 10.4%의 마찰 소멸율과 0 mil의 팩 손실을 갖고서 0.155로 증가되었다. 조립체의 표면광택은 1의 순위를 나타내었으며, 마모, 돌출, 및 엽렬은 모두 0의 순위를 나타내었다. 이러한 테스트 조건하에서 실리콘 수지의 사용은 단층재의 마찰 및 마모 성능을 개선하였다.

상부층이 형성물 #1을 갖는 이층재(예 I)는 43%와 56%의 픽업 레벨에서 실리콘 수지와 포화되었다. 두 가지 경우 모두 약 5.5 mils의 팩 손실과 8.2%의 마찰 소멸율을 갖고서 대략 0.174의 최종 동적 마찰레벨을 갖고 있었다. 라이닝의 표면 조건은 테스트 후에도 우수하였다. 광택만이 1의 순위를 나타내었으며, 마모, 돌기 및 엽렬은 모두 0의 순위를 나타내었다. 이층재는 단층재보다 결과적으로 마찰이 높은 것으로 나타났다. 다시, 실리콘을 갖는 형성물 #1의 재료는 페놀 수지가 포화된 재료보다 높은 마찰을 나타내었다.

도 5는 비교예 3과 예 I에 대하여 내구성과 마찰을 증가시키기 위하여 행하여진 변경사항들로서 형성물 재료들에 대한 사이클 수에 대한 마찰 곡선을 보여준다. 곡선들에서의 차이는 엘라스토머 4198 입자, 실리콘 수지, 그리고 이층재의 효과를 보여준다.

실시예 4

마찰재 밀도의 변화는 조립체의 마찰 및 마모성능에 영향을 미친다. 서로 다른 밀도조합을 갖는 단층재와 이층재가 평가되었다. 하기의 표 15에 도시된 것처럼, 평가 대상인 이층재 밀도 조합은 제 1 층과 제 2 층의 밀도가 서로 동일한 경우(예 J), 제 1 층이 높은 밀도를 갖으며 제 2 층은 낮은 밀도를 갖는 경우(예 K), 그리고 제 1 층이 낮은 밀도를 갖으며, 제 2 층이 높은 밀도를 갖는 경우(예 L)이다.

이층재의 제 1 층(상부층)과 제 2 층(하부층) 둘에 대하여 같은 재료 형성물이 사용되었다. 그러나, 고밀도 층을 포함하는 예들은 보다 기계적으로 정제된 면 재료를 포함한다. 면 섬유의 정제는 섬유의 연축을 증가시키고 캐나다 표준 프리니스 수(Canadian Standard Freeness Number:CFN)를 낮춘다. TAPPI에 의하여 승인된 T227om-94 테스트법으로 테스트되었을 때 CFN은 정제량이나 섬유재의 연축량이 증가함에 따라 낮아진다. 밀도는 연축량이 증가함에 따라(즉, CFN이 감소함에 따라) 증가한다. 정상의 즉 표준 면 섬유들은 평균적으로 약 550 CFN을 갖는 반면에, 과도하게 정제된 면 섬유들은 평균적으로 약 450 CFN을 갖는다. 그러므로, 표준 면 섬유(약 550 CFN)는 비교적 낮은 밀도를 갖는 섬유질 근본재 시트나 층들을 생성하는 반면 정제된 면섬유(약 450 CFN)는 비교적 높은 밀도를 갖는 섬유질 근본재 시트나 층들을 생성한다.

모든 경우에 있어서, 용지의 총 기본 중량은 약 200 lbs.를 목표로 하였는데, 그중 제 1 층은 160 lbs.였고 제 2 층은 40 lbs였다. 페놀 포화수지가 50-55%의 픽업을 얻기 위하여 사용되었다. 모든 테스트는 엑손 1975타입의 "H"윤활을 갖 는 절차 498에 따라 실시되었다.

하기의 마찰재들은 형성물 #3을 포함하며, 형성물 #3은 면 36.8%, 아라미드 펄프 4.8%, 셀라이트 13.6%, 실리콘 질화물 입자 4.8%, 마찰 입자, 니트릴, 4.0%의 엘라스토머 중합체 입자, 4.0%의 CNSL, 12.0%의 매우 단단한 CNSL, 3mm의 길이를 가진 것 10%, 0.20mm의 길이를 가진 것 10%를 갖는 노보로이드 섬유를 포함한다.

하기의 표 15에 나타낸 다공성 데이터는 구어리 덴소미터(Gurley densometer)를 사용하여 한 장의 용지를 통하여 특정 체적의 공기를 통과시키는데 필요한 시간을 측정한 것이다.

하기의 표 15에 나타낸 물렌(Mullen)의 데이터는 테스트 시편에 의하여 덮여진 표준 구멍 아래의 고무 격막에 의하여 조절되는 액체로 압력이 일정한 비율로 인가될 때 용지의 파열강도를 테스트하는 방법이다. 이 테스트 방법은 TAPPI 법 T-403의 보간법이다.

표 15

건식 습식 미가공재 포화

인장강도 인장강도 다공도 물렌 밀도 밀도

예 J-총(제 1 및 6000 5000 3 12 20.88 42.9

제 2 층) 기본

중량=201, 캘리퍼

=0.0385"

제 1 층: 기본중량 5500 4000 2 9 19.63

=159.5, 캘리퍼=

0.0325"

예 K-총(제 1 및 5800 4700 3 12 24.5 48.5

제 2 층) 기본

중량=196, 캘리퍼

=0.032"

제 1 층: 기본중량 5000 4000 2 9 21.83

=155.5, 캘리퍼=

0.0285"

예 L-총(제 1 및 6900 5800 4 14 21.1 42.9

제 2 층) 기본

중량=204, 캘리퍼

=0.0385"

제 1 층: 기본중량 5800 4500 3 11 20.5

=164, 캘리퍼=

0.032"

두 층이 동일한 밀도와 동일한 형성물을 갖는 이층재는 2000 rpm(0 내지 100 사이클)과 4800 rpm(101 내지 2100 사이클)의 맞물림 속도(예 J)에서 유사한 동적 마찰 크기를 갖는 결과가 얻어진다. 도 6은 예 J에 대한 이층 조립체를 사이클 수 를 변화시키면서 마찰을 측정한 테스트 결과를 보여주는 곡선들이다. 총 팩 손실분은 2.8mils이었다.

도 7과 도 8은 밀도 변화를 갖는 이층재를 보여준다. 도 7은 예 K에 대한 정적 및 동적 마찰 계수들을 보여준다. 총 팩 손실은 0.2mils이었다.

도 8은 예 L에 대한 정적 및 동적 마찰 계수들을 보여준다. 총 팩 손실은 2.2mils였다. 이층재에서 제 1 층이나 제 2 층중 어느 하나의 밀도를 변경시키는 것은 마찰 및 마모성능을 변화시킨다. 다공성 데이터에 도시된 것처럼, 가장 바람직한 성능은 도 8에 도시된 것처럼 제 1 층이 낮은 밀도를 가지고 제 2 층이 높은 밀도를 갖는(예 L) 경우이다.

예 L은 2000 rpm의 맞물림 동안 정적 및 동적 마찰 계수들이 약간 높게 개선된 것을 보여준다. 조립체 마모 저항은 이 재료에서도 매우 좋다. 도 6 내지 도 8은 세 가지(예 J, K, 및 L)의 이층재의 밀도를 조합하여 사이클 수에 따른 마찰의 변화를 평가한 결과를 보여준다.

이층재들은 단층재들보다는 나은 성능을 보인다. 최적의 이층재는 제 1 층이 낮은 밀도를 가지고 제 2 층이 높은 밀도를 갖는 경우이다. 이층재들은 단층재들에 비하여 약간 높은 마모 저항을 보여주었다. 이층재를 갖고서 행한 테스트에서 동적 마찰 계수들은 단층재의 그것에 비하여 맞물림 속도를 달리하였을 때, 변동량이 더 적었다.

실시예5

엑손 1975형 "H" ATF에 대하여 절차 5004A에 따라 마찰 및 마모 테스트가 수행되었다. 단층재와 이층재를 이용하여 모든 결과가 얻어졌다. 이러한 두 가지 마찰재들에 대하여 선택되어진 함량 변경 실리콘 수지와 함량이 변화되지 않은 실리콘 수지가 평가되었다. 테스트를 수행한 재료들을 하기의 표 16에 나타내었다. 예 M과 예 N은 둘다 형성물 #4를 포함하며, 형성물 #4는 32%의 아라미드 펄프, 26%의 셀라이트, 16%의 실리카, 마찰 입자, 즉, 16%의 니트릴 타입의 엘라스토머 입자, 10%의 유리섬유를 포함한다.

표 16

예 M 단층 형성물 #4

기본 중량 115-125

예 N 이층 형성물 #4

기본 중량 115-125

제 1 층의 기본 중량 80-낮은 밀도

제 2 층의 기본 중량 40-높은 밀도

변경된 실리콘 수지들로 포화된 시편들은 변경되지 않은 실리콘 수지로 포화된 시편들에 비하여 거의 두 배의 전단강도를 가진다. 변경된 실리콘 수지들로 포화된 시편들이 페놀이나 다른 취약한 타입의 수지와 혼합되면 전단강도는 증가된다.

변경된 실리콘 수지들로 포화된 시편들이 변경되지 않은 실리콘 수지로 포화 된 시편들에 비하여 비록 높은 전단강도를 갖지만, 그들은 변경되지 않은 실리콘 수지로 포화된 시편들에 비하여 비슷하거나 약간 높은 전단강도를 갖는 결과를 낳는다. 이러한 마찰재 형성물들에 대하여, 높은 전단강도와 높은 변형되지 않은 실리콘 압축 설정 저항 사이의 상호연관성은 거의 없어 보인다. 기공의 평균 직경은 교차 연결이 적은 수지와 포화된 시편들이 교차 연결이 많은 수지와 포화된 시편들에 비하여 약간 높은 경향을 보인다.

강한 마찰 및 마모 성능은 450°F에서 경화된 실리콘 수지와 포화되었던 이층재에서 나타났다. 이 재료는 0.8 mils의 팩 손실과 9%의 마찰소멸율만을 갖는다. 그러나, 400°F의 온도에서 경화된 동일한 재료는 테스트 결과 21.0 mils의 팩 손실과 13%의 마찰소멸율을 나타내었다. 이처럼, 실리콘 수지가 사용될 때, 보다 나은 팩 손실 성능과 마찰 성능이 나타나는데, 이는 수지의 경화가 적절하였음을 반영한다.

이층 섬유질 근본재는 아래의 목록에 나타낸 다른 수지들과도 포화된다. 이 재료는, 도 9에 도시된 것처럼, 약 592℃의 온도에서 최초의 TGA 피크와, 55.46 중량%의 잔류물을 갖는다. 하기의 표 17에 나타낸 것처럼, 모든 재료들은 60%-65%의 중량 픽업까지 수지와 포화된다.

표 17

수지 1) MTV 실리콘 고무, 수지/중합체 비 = 50:50-30분 @ 400°F - 실리콘

수지 2) 30분 @ 450°F - 변형된 실리콘 평균중량, 분자(Mol.) 중량 = 10,000, 교차연결정도 = 1.3

수지 3) 30분 @ 450°F - 변형된 실리콘 평균중량, 분자중량 = 10,000, 교차연결정도 = 1.4

수지 4) 30분 @ 450°F - 20:80 - 실리콘/페놀 혼합물

수지 5) MTV 실리콘 고무, 수지/중합체 비 = 50:50-30분 @ 400°F - 실리콘

수지 6) 30분 @ 450°F - 변형된 실리콘 평균중량, 분자(Mol.) 중량 = 10,000, 교차연결정도 = 1.4

수지 7) 30분 @ 400°F - 변형된 실리콘 평균중량, 분자중량 = 5000,000, 교차연결정도 = 1.4

수지 8) 30분 @ 450°F - 변형된 실리콘 평균중량, 분자중량 = 5000,000, 교차연결정도 = 1.4

수지 9) 실리콘 고무, 수지/중합체 비 = 70:30

수지 10) 실리콘 고무, 수지/중합체 비 = 90:10

수지 11) 실리콘 고무, 수지/중합체 비 = 5:95

고온 마찰재인 예 M의 단층 형성물 #4와 예 N의 이층 형성물 #4은 함량이 다른 실리콘 및 실리콘/페놀 혼합물과 포화되며, 이들의 물리적 테스트 데이터를 하기의 표 18에 나타내었다.

표 18

재료의 물리적 특성

실리콘 수지 비교

포화되는 전단강도 인장응력 압축완화 평균기공직경

수지 lb/in² lb/in @ 1500 미크론

(il/in²이 아님) lb/in²

예 M의 단층재

수지 1 183, 208, 201 20, 22, 21 Comp.= 0.4581" 3.3378

Set = 0.1067" 3.1466

수지 9 226, 236, 234 27, 26, 27 Comp.= 0.4240" .0059

Set = 0.1142" 2.9611

수지 11 84, 90, 85 11, 10, 10 Comp.= 0.4792" 3.5825

Set = 0.1718" 3.1183

예 N의 이층재

수지 1 172, 162, 146 23, 22, 23 Comp.= 0.3666" 2.8875

Set = 0.0630" 3.3010

수지 2 417, 373, 358 45, 45, 44 Comp.= 0.3449" 3.7316

Set = 0.1081" 3.5069

수지 3 355, 355, 330 43, 42, 43 Comp.= 0.3432" 2.7773

Set = 0.1460" 2.7956

수지 4 406, 442, 412 52, 44, 55 Comp.= 0.2251" 2.8180

Set = 0.0524" 2.3375

수지 5 188, 226, 213 28, 29, 29 Comp.= 0.4181" 3.2174

Set = 0.1056" 2.7459

수지 6 374, 332, 357 41, 45, 43 Comp.= 0.3490" 2.6725

Set = 0.1436" 2.5462

수지 7 379, 401, 388 43, 44, 42 Comp.= 0.3642" 2.5392

Set = 0.1864" 2.8858

수지 8 336, 344, 359 41, 43, 42 Comp.= 0.3878" 2.9224

Set = 0.1919" 2.7483

마찰과 마모 데이터는 엑손 1975형 "H" ATF 윤활을 사용하여 SAE 절차 5004A에 따라 수행되었다. 결과를 하기의 표 19에 요약하여 나타내었다.

표 19

테스트 절차 5004A - 엑손 1975형 "H" ATF

실리콘 수지 비교

포화되는 A-사이클50 B-사이클 2050 C-사이클 2100 마모

수지 ui uf ui uf ui uf 인치

예 M의 단층재

수지 1 0.168 0.165 0.133 0.145 0.139 0.159 -0.0024

예 M-1

소멸율* 0.0% +3.8% -17.4% -7.1% +3.7% -0.6% (T136)

수지 9 0.177 0.169 0.145 0.139 0.161 0.155 0.0012

예 M-2

소멸율 -2.2% +7.0% -20.8% -15.2% -4.6% -1.3% (T230)

수지 11 0.159 0.153 0.095@550 0.147@550 NA NA 0.0276

예 M-3

소멸율 -2.5% +2.0% -33.1% -14.5% (T231)

예 N의 이층재

수지 1 0.187 0.174 0.168 0.152 0.178 0.161 0.00210

소멸율 -2.1% +6.1% -12.0% -13.1% +3.5% 0.0% (T225)

수지 2 0.166 0.155 0.144@1650 0.127@1650 NA NA 0.0029

소멸율 +5.7% +6.2% -3.4% -9.9% (T183)

수지 3 0.164 0.155 0.136@1950 0.129@1950 NA NA 0.0132

소멸율 +3.8% +6.9% -16.6% -10.4% (T222)

수지 4 0.118 0.129 0.110 0.122 0.130 0.136 0.0059

소멸율 -2.5% +2.4% -16.7% -4.7% +2.4% +0.7% (T223)

수지 5 0.171 0.151 0.155 0.145 0.150 0.155 0.0008

소멸율 -2.3% 0.0% -9.4% -7.1% +4.2% +2.0% (T216)

수지 6 0.163 0.158 0.135@1550 0.128@1550 NA NA 0.0149

소멸율 +5.2% +12.9% -19.6% -13.5% (T224)

수지 7 0.164 0.155 0.108@750 0.126@750 NA NA 0.0189

소멸율 -7.9% +4.0% -28.0% -16.0% (T185)

수지 8 0.171 0.161 0.122@850 0.127@850 NA NA -0.0057

소멸율 -1.2% +3.9% -26.5% -21.1% (T226)

이층재에 대한 테스트는 다른 수지들인 실리콘과 실리콘/페놀 수지를 이용하여 수행되었다. 400°F에 경화되었던 재료가 21.0 mils의 팩 손실을 갖는 것에 비하여 450°F에서 경화되었던 실리콘 재료는 0.8 mils의 팩 손실이 있었다. 실리콘/페놀 수지 혼합물과 경화된 이층재는 5.9 mils의 마모를 나타내었다.

2회의 열적 및 기계적 분석(Thermal Mechanical Analysis:TMA) 테스트가 수행되었는데, 첫 번째 테스트는 치수 변위를 측정하는 동안 분당 10℃씩 증가시켜 750°F까지 재료를 가열하는 것을 포함하고(방법 A), 두 번째 테스트는 분위기 온도에서 500℃까지 5회의 열적 사이클을 포함하며, 그 후 최종 온도는 750℃로 증가 된다(방법 B).

표 20

재료의 열적 비교

실리콘 수지 비교

포화되는 수지 TMA-방법 "A" TMA-방법 "B"

30C-750C 30C-500C, 그후 750C

첫째 피크 둘째 피크 첫째 피크 둘째 피크

수지 1 +44.57u -23.72u +43.05u -14.6u

@273.4C @507.3C @274.5C @513.82

수지 9 +26.81u -15.99u -40.3u

@270.0C @520.1C @742.6C

수지 11 +40.83u -10.37u +53.5u +583.9u

@294.9C @443.1C @326.2C @592.3C

예 N의 이층재

수지 1 +48.80u -23.15u +40.1u +474.1u

@280.7C @505.9C @287.9C @734.3C

수지 2 +30.30u +23.8u +40.3u +256.6u

@271.4C @551.8C @287.7C @552.0C

수지 3 +23.78u +12.8u +13.8u

@270.1C @266.2C @555.5C

수지 4 +22.62u -44.22u +540.2u

@282.2C @491.1C @576.7C

수지 5 +44.69u -12.24u +29.2u -24.9u

@287.9C @487.9C @291.2C @503.7C

수지 6 +23.61u +19.9u -18.6u

@275.4C @271.7C @598.5C

수지 7 +2.73u -20.89u - 63.5u +248.0u

@257.6C @427.2C @619.0C @740.5C

수지 8 -7.86u -43.47u +14.9u +458.4u

@257.6C @491.6C @287.2C @739.0C

*레벨 A: ui = 3600 rpm에서의 마찰, um = 1850 rpm, uf = 740 rpm, 그리고 us = 0.72 rpm.

레벨 B: ui = 3600 rpm에서의 마찰, um = 1850 rpm, uf = 740 rpm, 그리고 us = 0.72 rpm.

레벨 C: ui = 3600 rpm에서의 마찰, um = 1800 rpm, uf = 740 rpm, 그리고 us = 0.72 rpm.

도 9는 예 N의 열적 가비메트릭 분석(Thermalgavimetric Analysis:TGA)을 보여준다. 이 TGA 곡선은 열저항의 증가를 나타내는 더욱 높은 온도를 보여준다. 중량%의 변화는 35.15%였다. 중량 손실이 덜 빠를수록, 마찰재가 갖는 열저항은 크다.

실시예 6

마찰재와 대향하는 고성능 이층지 복합재료 습식 클러치는 고온, 고에너지, 낮은 압축 설정재료 형성물을 포함하는 제 2 층과, 비선형의 탄성, 다공성 형성물을 포함하는 제 1 층을 포함한다. 이층 복합재료는 높은 다공성과, 비선형적 탄성 및 낮은 압축 설정을 갖는다. 예를 들어 이층 복합재료 습식 클러치와 대향하는 마찰재들은 단독으로 사용되는 제 2 층 재료의 단일층에 대하여 마찰 성능이 실질적 으로 개선되는 것을 보여준다.

제 2 층은 약 10% 내지 약 40%의 다공성의 활성 탄소입자, 약 10% 내지 약 330%의 면 섬유, 약 5% 내지 약 30%의 정확하게 절단된 아라미드 섬유, 약 0-20%의 합성 그라파이트 및 약 0-40%의 충진제를 함유하는 형성물 #5를 포함한다. 제 1 층은 약 5% 내지 약 30%의 비선형 탄성 PET 섬유, 약 20% 내지 약 60%의 면 섬유, 약 10% 내지 약 40%의 충진제를 함유하는 형성물 #6을 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 제 1 층은 약 55%의 면, 약 10%의 비선형 탄성 PET 섬유, 35%의 셀라이트, 및 약 2%의 유액(latex) 공정보조제를 포함하며, 제 2 층은 약 30%의 활성 탄소 입자, 약 25%의 면, 약 10%의 아라미드 섬유, 약 10%의 아라미드 펄프, 약 25%의 셀라이트, 및 약 2%의 유액 공정보조제를 포함한다. 제 2 층은 약 5% 내지 약 30%, 가장 바람직하게는 이층 복합재의 총 두께에 대하여 약 20%의 두께를 갖는다. 결과적인 이층 복합재는 높은 다공성과 비선형 탄성을 갖는다. 마찰재와 대향하는 습식 클러치에 사용될 때의 이층 복합재는 단일층 고온재료에 대하여 마찰성능이 실질적으로 개선된 것을 보여준다.

표 21

비교예 8 형성물 #5

45%의 페놀 수지 픽업(PU)

47.4 lb/cu ft.의 최종 밀도

비교예 9 형성물 #6

예 O 제 2 층의 형성물 #5

제 1 층의 형성물 #6

44%의 페놀 수지 픽업(PU)

44.4 lb/cu ft.의 최종 밀도

시편들은 언급된 픽업 레벨들에서 페놀 수지와 포화된 것이다. 표 22에 나타낸 데이터는 비교예 8, 비교예 9 및 예 O에 대한 기공의 평균직경을 미크론 단위로 보여준다. 예 O의 이층재는 비교예 8이나 비교예 9중 어느 하나보다 더 큰 평균 기공직경을 갖는 것으로 나타난다. 모든 시편들은 경화되고 45-47 lb/cu. ft.의 최종 밀도로 압축된다.

표 22

평균 기공 직경(미크론)

비교예 8 2.599

비교예 9 3.845

예 O 3.894

압축-완화 테스트가 비교예 8, 비교예 9 및 예 O를 사용하여 수행되었다. 압축도는 어떤 재료가 압축된 후에 원래상태로 회복하는 능력의 측도이다.

비교예 8, 비교예 9 및 예 O에 대하여 완전한 고에너지의 팩 테스트(527C)동안 회전수에대한 고속 동적 마찰계수를 도 13에 나타내었다.

이층 마찰재는 다공성이 높고 비선형 탄성이다. 비교예 8 또는 비교예 9의 단층재에 대하여 실질적인 마찰 성능의 개선이 있다. 동적 마찰계수는 10 내지 25% 증가되고 마모 저항은 약 20 내지 50% 증가된다.

아울러, 열저항이 증가되고 더욱 낮은 정적/동적 비를 갖는다. 이층마찰재는 기공의 크기가 증가되고, 낮은 압축-이완 거동을 보이며, 일층 마찰재에 대하여 수지 픽업이 전체적으로 증가된다.

도 10은 비교예 8에 대한 압축 및 압축 설정을 보여준다. 도 11은 비교예 9에 대한 압축 및 압축 설정을 보여준다. 도 12는 예 O에 대한 압축 및 압축 설정을 보여준다.

실시예 7

고성능 이층 마찰재는 낮은 다공성, 높은 강도의 재료 형성물을 포함하는 제 2 층, 즉 상부층과, 높은 다공성, 높은 열적 대류성의 재료 형성물을 포함하는 제 1 층을 포함한다. 이층 마찰재들은 단층재에 비하여 마찰성능이 실질적으로 향상된다.

제 2 층은 약 0 내지 약 30%의 면 섬유; 약 525 CSF이하를 가지며, 약 5 내지 약 45%의 더욱 가는 아라미드 섬유; 약 5 내지 약 35%의 충진제; 약 0 내지 30% 탄소입자 및/또는 그라파이트; 약 5 내지 약 30%의 탄소섬유; 약 1 내지 약 10%의 노보로이드 섬유; 그리고 약 0 내지 약 3%의 유액 공정 보조제를 포함하는 형성물 #7을 포함한다.

제 1 층은 약 20 내지 약 60%의 면 섬유; 약 525 CSF이상을 가지며, 약 30%미만의 더욱 가는 아라미드 섬유; 약 10 내지 약 30%의 충진제; 약 10 내지 약 30%의 그라파이트 및/또는 탄소입자; 그리고 약 0 내지 약 3%의 유액 공정 보조제를 포함하는 형성물 #8을 포함한다.

예 P는 약 43% 미만의 가는 섬유질이 있는 아라미드 섬유, 약 30%의 충진제, 약 15%의 탄소 입자, 약 10%의 탄소 섬유, 약 2%의 노로보이드 섬유, 그리고 약 2%의 유액 공정보조제를 갖는 제 2 층과, 약 40%의 탄소섬유, 약 20%의 더욱 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유, 약 20%의 충진제, 약 20%의 그라파이트, 그리고 약 2%의 유액 공정보조제를 포함한다.

하기의 표 23은 가공되지 않은 용지인 예 P-1과 P-2의 성질을 보여준다. 마찰재의 건식 및 습식 인장강도는 이 마찰재와 그의 수지 포화를 다루는데 있어서 중요하다. 낮은 인장강도를 갖는 마찰제들은 수지 포화용 욕조내에서 조각으로 분리된다. 이층재는 우수한 습식 및 건식 인장강도를 갖는다.

표 23

가공되지 않은 용지의 성질들

P-1 P-2

기본중량 lb/3000ft2 168 171.8

캘리퍼 인치 30.5 30

건식 인장강도 6106 5307

습식 인장강도 4081 3989

550℃ 애쉬(ash) 36.2 36.27

900℃ 애쉬 17.7 19.51

덴소미터 6.4 6.8

P-1 P-2

기본중량 lb/3000ft2 168 170

캘리퍼 인치 31 29.5

건식 인장강도 5995 5120

습식 인장강도 4051 3990

550℃ 애쉬(ash) 34.98 36.1

900℃ 애쉬 17.35 19.3

덴소미터 6.8 6

제 1 층과 제 2 층의 다공성, 즉 윤활유 침투 특성에 대한 정보를 얻기 위하여, 오일 낙하 횟수가 평가되었다. 이러한 횟수는 일반적으로 재료의 오일 흡수특성을 반영한다. 하기의 표 24는 가공되지 않은 용지와 약 50%의 픽업 수지와 포화된 마찰재의 두 경우에 대하여 제 1 층인 하부층이 제 2 층인 상부층보다 더 큰 다공성을 갖는다는 것을 보여준다. 표 24는 오일 침투비가 높을 수록(시간이 짧을수록), 재료는 더 큰 다공성을 갖는다는 것을 보여준다.

표 24 오일 낙하 결과

가공되지 않은 용지 50%의 수지 픽업

상부층 하부층 상부층 하부층

P-1 3.14 2.53 6.6 6.22

P-2 3.4 2.51 7.87 5.31

하기의 표 25는 종래의 단층재와 비교할 때, 49.2%의 수지 픽업을 갖는 예 P의 고속, 고에너지 테스트 결과를 보여준다. 예 P는 파괴이전(5800v. 1339 회전수)에 더 큰 회전수를 갖는다. 또한, 예 P는 더 우수한 정지 횟수를 갖으며, 마찰 안정성 계수는 단층재에 비하여 훨씬 높다.

표 25

종래의 층 예 P-2

기본중량(lb/3000ft²) 172

두께(mils) 0.030

밀도(lbs/inch³) 0.0133

최종두께 0.021" 0.021"

픽업% 40% 49.2%

레벨 A(3700 rpm, 0.157 lb.ft.sec²)

계수 μi μd μO μi μd μO

1 사이클 0.135 0.122 0.125 0.115 0.111 0.117

10사이클 0.152 0.142 0.142 0.124 0.118 0.126

20사이클 0.149 0.144 0.143 0.126 0.120 0.128

30사이클 0.154 0.143 0.140 0.128 0.122 0.131

50사이클 0.152 0.142 0.138 0.132 0.124 0.130

μd 변화% 16.4 11.7

레벨 B(3700 rpm, 0.14 lb.ft.sec²)

계수 μi μd μO μi μd μO

185 사이클 0.129 0.124 0.107 0.116 0.115 0.107

198사이클 0.128 0.125 0.107 0.117 0.115 0.107

211사이클 0.129 0.125 0.107 0.115 0.114 0.109

224사이클 0.127 0.125 0.107 0.115 0.114 0.108

평균 μ

멈춤시간 레벨 B 0.808 0.802

250 사이클 0.125 0.125 0.108 0.117 0.115 0.108

450사이클 0.120 0.122 0.105 0.116 0.114 0.109

750사이클 0.110 0.117 0.104 0.118 0.113 0.105

1150사이클 0.107 0.110 0.105 0.113 0.111 0.102

1650사이클 0.118 0.112 0.102

2650사이클 0.115 0.116 0.100

3650사이클 0.115 0.109 0.097

4650사이클 0.104 0.112 0.101

5650사이클

7650사이클

8650사이클

테스트 1339 사이클 5800 사이클

사이클의 끝

테스트 사이클의 0.113(1330 사이클) 0.113(579 사이클)

끝 부근의 μ

끝에서의 멈춤시간 0.881 0.859

변위 0.68 mm 0.82 mm

총 마모(in) 0.0154" 0.0205"

실패모드 STTM > 10% 초과 두께 변화 실패

마찰판 마모 광택, 균열

부식 표면피로

방사상 파괴 스코어링

분리판 열변형 심한 열변형

약간 휨 심한 스폿

멈춤시간 기울기 매우 가파름 중간, 하강

두께변화 기울기 평평하지만 위로 상승 평평하지만 아래로 하강

하기의 표 26에 포함된 전단강도 데이터는 전단파괴가 이층재의 계면에서는 일어나지 않는다는 것을 보여준다. 상부층과 하부층 사이의 계면강도는 본 발명의 이층 마찰재의 사용동안 엽렬이 일어나지 않을 정도로 충분하다.

표 26 전단 결과(40% 픽업)

파괴 상부층 전단응력(PSI)

Claims

하부층인 제 1 층에 결합된 상부층인 제 2 층을 포함하며, 상기 제 1 층은 비선형의 탄성섬유, 면 섬유, 및 충진제를 포함하고, 상기 제 2 층은 탄소섬유, 아라미드 섬유, 충진제 및 노보로이드 섬유들을 포함하며, 상기 제 1 층은 상기 제 2 층보다 높은 다공성을 갖는, 석면을 사용하지 않는 마찰재에 사용되는 이층 섬유질 근본재.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 층은 상기 제 1 층의 중량에 근거하여, 중량%로 약 5 내지 약 30%의 비선형의 탄성섬유, 약 20 내지 약 60%의 면 섬유, 약 10 내지 약 40%의 충진제, 약 0 내지 약 30%의 그라파이트, 약 0 내지 약 30%의 탄소 입자, 그리고 약 0 내지 약 3%의 유액 공정보조제를 포함하는 이층 섬유질 근본재.
제 1 항에 있어서, 상기 제 2 층은 상기 제 2 층의 중량에 근거하여, 중량%로 약 5 내지 약 30%의 탄소섬유, 약 0 내지 약 30%의 면 섬유, 약 5 내지 약 45%의 아라미드 섬유, 약 0 내지 약 30%의 그라파이트, 약 0 내지 약 30%의 탄소 입자, 약 5 내지 약 35%의 충진제, 약 1 내지 약 10%의 노보로이드 섬유, 그리고 약 0 내지 약 3%의 유액 공정보조제를 포함하는 이층 섬유질 근본재.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 층은 제 1 층의 중량%에 근거하여, 약 20%의 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유, 약 40%의 면, 약 20%의 충진제, 그리고 약 20%의 그라파이트, 탄소 입자 또는 그라파이트와 탄소입자의 혼합물을 포함하는 이층 섬유질 근본재.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 층의 비선형 탄성섬유는 약 525 이상의 캐나다 표준 프리니스를 갖는 덜 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유를 포함하고, 상기 제 2 층의 아라미드 섬유는 약 525 이하의 캐나다 표준 프리니스를 갖는 더 가는 섬유가 있는 아라미드 섬유를 포함하는 이층 섬유질 근본재.
제 1 항에 있어서, 상기 제 2 층은, 상기 제 2 층의 중량%에 근거하여, 약 10%의 탄소 섬유, 약 43%의 아라미드 섬유, 약 30%의 충진제, 약 15%의 탄소 입자, 그라파이트 또는 탄소 입자와 그라파이트의 혼합물, 그리고 약 2%의 노보로이드 섬유를 포함하는 이층 섬유질 근본재.
페놀 수지 또는 변형된 페놀 수지, 실리콘 또는 변형된 실리콘 수지, 또는 페놀 또는 변형된 페놀 수지와 실리콘 또는 변형된 실리콘 수지와의 혼합물과 포화되는 청구항 1의 섬유질 근본재를 포함하는 비석면 마찰재.
제 8 항에 있어서, 대향하는 클러치 또는 브레이크 슈 라이닝을 포함하는 마찰재.
비선형의 탄성섬유, 면 섬유, 및 충진제를 포함하는 제 1 층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 층에 탄소섬유, 아라미드 섬유, 충진제 및 노보로이드 섬유들을 포함하는 제 2 층을 접착하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 층은 상기 제 2 층보다 높은 다공성을 갖는, 이층 섬유질 근본재의 형성방법.
제 10 항에 있어서, 상기 이층의 섬유질 근본재를 페놀 수지 또는 변형된 페놀 수지, 실리콘 수지 또는 변형된 실리콘 수지, 또는 페놀 수지 또는 변형된 페놀수지와 실리콘 수지 또는 변형된 실리콘 수지와의 혼합물과 포화시키는 단계; 및 상기 포화단계후 상기 포화된 이층 섬유질 근본재를 가열하여 상기 수지를 경화하 는 단계를 추가로 포함하는 비석면 마찰재의 형성방법.