KR19980070229A

KR19980070229A - 2층 구조의 고성능 마찰 재료

Info

Publication number: KR19980070229A
Application number: KR1019970073779A
Authority: KR
Inventors: 램로버트치-치우; 예스닉마크에이
Original assignee: 그렉지에기엘레브스키; 보그-워너오토모티브,인코퍼레이티드
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1998-10-26
Also published as: JPH10204415A; JP4074364B2; EP0854305A1; DE69831821D1; US5775468A; DE69831821T2; EP0854305B1; KR100571527B1

Abstract

본 발명은 탄성 및 흡유 특성을 가진 제1 층과 고내온성 및 고강도 특성을 가진 제2 층을 구비하는 2층 구조의 섬유질 기재에 관한 것으로, 제1 층은 제2 층에 부착된다. 적합한 수지로 함침된 2층 구조의 섬유질 기재는, 마찰 특성 및 마모 특성이 양호한 마찰 재료를 제공하며, 특히 고에너지용의 최종 용도로 유용하다.

Description

2층 구조의 고성능 마찰 재료

본 발명은 2층 구조의 고성능 섬유질 기재 재료(fibrous base material)에 관한 것이다. 섬유질 기재(fibrous base)는 제1 층과 제2 층을 구비하며, 제1 층과 제2 층은 습지 제조 공정(wet paper making process)중에 결합된다. 2층 구조의 섬유질 기재 재료는 마찰 재료용으로 유용하다.

본 발명에 따른 2층 구조의 마찰 재료(friction matrial)는 동마찰력을 증가시키며, 내마모 특성을 갖는다. 본 발명에 따른 2층 구조의 마찰 재료는 내구성이 향상되었으며, 종래 기술에 따른 1층 구조의 마찰 재료 보다 생산 비용이 저렴하다.

자동차 산업계에서는 새롭고 진보된 변속 시스템과 제동 시스템을 개발하고 있다. 이들 새로운 시스템은 종종 많은 에너지를 필요로 한다. 그러므로, 마찰 재료 기술은 많은 에너지를 필요로 하는 이들 새로운 시스템에 부합하도록 개발되어야 한다.

특히, 고에너지형의 새로운 마찰 재료가 필요하다. 새로운 고에너지형 마찰 재료는 면속도가 약 65m/sec 인 고속도를 견딜 수 있어야 한다. 또한, 마찰 재료는 약 1500 psi 인 높은 면압을 견딜 수 있어야 한다. 또한, 마찰 재료는 한정된 윤활 조건하에서도 유용해야 한다는 점이 중요하다.

개량된 변속기와 제동 시스템에 유용하도록 마찰 재료는 내구성이 있어야 하고 내열성이 우수해야 한다. 또한, 마찰 재료는 고온에서 안정성이 있어야 하고 작동중에 발생하는 고열을 신속하게 분산시킬 수 있어야 한다.

새로운 변속기와 제동 시스템이 작동하거나 해제될 시의 속도가 빠르므로, 마찰 재료는 작동중에 비교적 일정한 마찰력을 유지할 수 있어야 한다. 제동 시스템 또는 변속 시스템으로 일 기어에서 다른 기어로 동력을 전달하는 동안에 재료의 떨림(shuddering)을 최소화하기 위하여 광범위한 속도 및 온도 범위에서 비교적 일정하게 마찰 작동(frictional engagement)해야 한다는 점이 중요하다.

종래에는, 온도의 안정성을 위해 마찰 재료에 석면을 첨가하였다. 예를들면, Arledter 등에게 허여된 미합중국 특허 제 3,270, 846 호에 석면이 사용된 페놀 수지 및 개질된 페놀 수지가 설명되어 있다. 그러나, 현재는 건강 및 환경적인 문제로 인해, 더 이상 석면을 사용하지 않는다. 최신의 마찰 재료는, 종이 또는 섬유재에 페놀 수지 및 개질된 페놀 수지를 주입하여 개질(modyfing)시킴으로써 마찰 재료에 석면을 사용하지 않아도된다. 그러나, 이들 마찰 재료는 발생한 고열을 신속하게 분산시키지 못하며, 현재 개발되고 있는 고속 시스템에서 사용하는데 필요한 내열성 및 마찰 성능 계수가 부족하다.

마찰 재료는 사용중에 제동유(brake fluid) 또는 자동 변속용 유체(automatic transmisson fluid)와 같은 액체로 젖게되거나 또는 상기 액체가 주입되는 습한 조건에서 종종 사용된다. 습한 마찰 재료를 사용하면, 유체가 마찰 재료로부터 최대한 짜지거나 마찰 재료에 주입된다. 습식 마찰 재료는 그 조성 및 물리적 특성면에서 건식 마찰 재료와 매우 상이하다. 마찰 재료가 습식 용도로 유용하도록하기 위해서는, 다양하고 만족스러운 특성을 가지고 있어야 한다. 마찰 재료는 압축력, 마모, 및 응력에 대한 탄성 저항이 있어야 하고, 내열성이 좋아야하며, 열을 신속하게 분산시킬 수 있어야 하며, 지속성, 안정성, 및 양호한 마찰 성능을 가져야 한다. 이들 특성중에 어느 하나라도 충족되지 않으면, 마찰 재료는 최적 성능을 발휘할 수 없다.

따라서, 고에너지용 마찰 재료를 형성하는데 적절한 마찰 라이닝 또는 섬유질의 기재를 사용하는 것이 또한 중요하다. 마찰 재료는, 습한 수지를 주입하는 중에 습한 수지에 의해 함침되거나 사용중에 제동유 또는 변속 오일(transmission oil)로 함침될 경우에도 양호한 전단 강도를 가져야 한다.

특정 용도인 경우, 마찰 재료는 사용중에 유체 투과력이 높도록 투과성이 좋아야 한다는 점 또한 중요하다. 따라서, 마찰 재료는 투과성이 있어야 할 뿐만 아니라 압축성이 있어야 한다는 점이 중요하다. 마찰 재료내로 침투한 유체는 제동 또는 변속시 가해지는 압력으로 인해 배출되거나 방출될 수 있어야 하고, 라이닝 재료가 파손되지 않아야 한다. 마찰 재료는 제동 또는 변속시 발생한 열을 신속하게 분산시킬 수 있도록 열전도성이 우수해야 한다는 점 또한 중요하다.

이러한 특징에 부합하는 마찰 재료는 아라미드 섬유(aramid-type fibes)를 구비하는 섬유질 기재를 포함한다. 그러나, 섬유질 기재 재료에 사용된 이들 섬유 및 다른 성분은 고가로 마찰 재료의 가격을 상승시킨다.

알고 있는 바와 같이, 변속 시스템에서 사용하기 위해서, 고에너지용으로 유용할 만큼 충분한 강도를 가진 2층 또는 다층 구조의 섬유질 기재 재료를 포함한 마찰 재료는 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술에 따른 마찰 재료에 비해 신뢰할 수 있고 특성이 개선된 마찰 재료를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 열전도성, 투과성, 및 강도가 우수한 마찰 재료를 제공하는데 있다.

도 1은 2층 구조의 마찰 재료를 성형하기 위한 방법을 나타내는 개략도이다.

도 2는 도 1의 2-2 선을 따라 취한 단면도로, 2층 구조의 마찰 재료를 나타낸다.

도 3은 비교예 3과 예 G와 H에 대한 사이클수가 증가됨에 따라 동마찰 계수를 비교하기 위한 그래프이다.

도 4는 비교예 3, 4, 5와 예 I에 대한 사이클수가 증가함에 따라 동마찰 계수를 비교하기 위한 그래프이다.

도 5는 비교예 3과 예 I에 대한 사이클수가 증가함에 따라 동마찰 계수를 비교하기 위한 그래프이다.

도 6은 예 J에 대한 사이클수가 증가함에 따라 정마찰 계수와 동마찰 계수를 비교하기 위한 그래프이다.

도 7은 예 K에 대한 사이클수가 증가함에 따라 정마찰 계수와 동마찰 계수를 비교하기 위한 그래프이다.

도 8은 예 L에 대한 사이클수가 증가함에 따라 정 마찰 계수와 동 마찰 계수를 비교하기 위한 그래프이다.

도 9는 예 N에 대한 온도 증가시 중량비의 감소, 중량 편차의 변화, 그리고 감소량 및 감소비를 나타낸 TGA(thermalgavimetric Analisys) 그래프이다.

도 10은 폐놀 수지로 함침된 비교예 8을 포함하는 비압축성 마찰 재료에 대한 압축 및 영구 변형율을 나타내는 그래프이다.

도 11은 페놀 수지로 함침된 비교예 9를 포함하는 비압축성 마찰 재료에 대한 압축 및 영구 변형율을 나타낸 그래프이다.

도 12는 페놀 수지로 함침된 비교예 N을 포함하는 비압축성 마찰 재료에 대한 압축 및 영구 변형율을 나타내는 그래프이다.

도 13은 비교예 8 및 예 N에 대해 사이클수가 증가함에 따라 마찰 계수를 비교한 그래프이다.

도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명

10: 제1 분배 장치 11: 표면

12: 제1 층 20: 제2 분배 장치

22: 제2 층 24: 마찰 재료

30, 50: 건조 수단

보다 우수한 마찰 재료에 대한 필요성에서 심도있게 연구한 결과, 특성이 개선된 마찰 재료가 개발되었다.

상술한 요건을 충족시키기 위하여, 작동중에 발생되는 상황과 유사한 조건하에서 다수의 마찰 재료의 마찰 특성 및 내열성을 측정하였다. 시중에서 판매되고 있는 브레이크 라이닝 및 변속 재료를 조사하여 고에너지용으로 사용하기에 적합하지 않다는 것을 증명하였다. 본 발명은 브레이크 및 클러치용으로 특히 유용하다. 일양태에 있어서, 본 발명은 2층 또는 다층의 재료를 구비하는 섬유질 기재 재료를 제공한다.

2층 구조의 섬유질 기재 재료는 제1 또는 바닥층과 그 제1 층에 인접한 제2 층 또는 상층을 포함한다. 제2 층은 내열성 및 강도가 우수한 섬유와 예컨대 필러 및/또는 마찰 개질 입자와 같은 마찰지 성형 재료(friction paper-forming material)를 구비한다. 특정한 실시예에 있어서는, 제1 층은 제2 층 보다 탄성 및 흡유성이 양호하다.

본 발명의 일양태에 있어서, 제1 층은 투과성이 우수하고 비선형 탄성적이며, 압축력이 낮은 한편, 제2 층은 고온, 고에너지, 저압축성 형태를 갖는다.

본 발명의 다른 양태는 마찰 재료를 형성하기 위하여 적어도 하나의 적합한 수지를 주입한 2층 구조의 섬유질 기재 재료에 관한 것이다. 2층 구조의 마찰 재료는 클러치의 마찰판, 밴드, 싱크로나이저 링 및 관련된 변속 마찰물용 마찰 재료로 특히 유용하다.

섬유질 기재 재료는 다른 수지 시스템(resin system)을 이용하여 주입할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 섬유질 기재에 페놀 수지 또는 개질된 페놀 수지를 주입하는 것이 유리하다. 특정 실시예에 있어서, 실리콘 수지를 적절한 용제로 페놀 수지와 혼합하고, 실리콘 페놀 수지 혼합물을 본 발명의 섬유질 기재 재료에 주입하여 고에너지용 마찰 재료를 형성할 수 있다는 것을 발견하였다. 이와 같은 고에너지 마찰 재료는 마찰 안정성 및 내열성이 우수하다.

본 발명에 따른 마찰 재료는 라이닝이 불균일하게 마모되는 것을 방지하여 분리판의 형태 즉, 핫 스팟이 마찰 재료의 사용기간동안 변형되는 것을 방지한다. 마찰 재료에 불균일한 마모가 거의 없고, 클러치 또는 브레이크 요소를 안정된 상태로 유지할 가능성이 많으면 많을수록, 클러치 및 브레이크의 성능이 더욱 일정해진다. 더욱이, 본 발명의 마찰 재료는 전단 강도가 우수하여 사용중에 박리가 일어나지 않도록 한다.

2층 구조의 섬유질 기재의 층은 습지 제조 공정중에 결합된다. 마찰 재료의 제1 또는 바닥층은 섬유 및/또는 필러 및/또는 마찰 입자를 포함하도록 형성한다. 제1 층의 상부에는, 섬유 및/또는 필러 및/또는 마찰 입자를 포함하는 마찰 재료의 제2 층 또는 상층이 형성된다. 제2 층은 사용중에 최적의 성능 특성을 제공하는 마찰 재료 조성을 가진다. 특정한 실시예에 있어서, 제2 층은 결합된 2층 구조의 섬유질 기재의 총 두께의 약 2 내지 약 50%를 구성한다. 특정 실시예에 있어서, 제2 층은 제1 층의 조성과는 다른 조성을 가지거나 동일한 조성을 갖지만, 밀도차가 있다.

본 발명에 따르면, 제2 층은 최종 용도(end-use)의 성능 요건을 충족시키기 위해 선택된 성분을 함유하고 있다. 제1 층의 성분은 상층의 성능을 보완하도록 선택한다. 적절히 선택된 제1 및 제2 층의 성분은 마찰 재료의 특성에 영향을 미친다. 내구성, 마찰 마모, 윤활성, 투과성, 탄성과 같은 성능 특성 및 관련된 다른 특성은 본 발명의 2층 구조의 마찰 재료를 사용하여 향상시킨다. 본 발명에 따른 2층 구조의 마찰 재료는 단층 마찰 재료로부터 회득할 수 없는 물리적 특성을 갖는다. 본 발명에 따른 2층 구조의 마찰 재료는 선택된 수지로 포화되어 마찰 특성이 향상된다. 본 발명의 2층 구조 재료는 단일 마찰 재료에 비해 내구성이 향상되었으며, 마찰 성능이 우수하다.

본 발명의 일양태는 2층 구조의 섬유질 기재 재료를 제공한다. 섬유질 기재 재료는 일조성 및/또는 밀도를 가지는 제1 층과 제1 층에 인접하여 제1층과는 다른 조성 및/또는 밀도를 가지는 제2 층을 구비한다. 각층의 두께 및 조성은 최종 용도에 따라 변한다. 2층 구조의 섬유질 기재 재료는 최종 마찰 용도에 적합한 결과를 제공하는 성분을 함유한다. 제2 층은 클러치 또는 마찰 라이닝의 접촉 구역에 인접해 있다. 제2 층에는 다양한 성분이 사용되어 경제적인 마찰 재료를 제공하고 고비용으로 인해 조성으로부터 배제될 수 있었던 성분을 적절히 사용할 수 있게된다. 또한, 제2 층은 고에너지 용도로 특히 유리한 구조를 제공한다. 2층 구조의 마찰 재료의 마찰 특성이 향상되고 마손은 감소되었다는 것을 알기바란다. 더욱이, 2층 구조의 마찰 재료는 종래의 마찰 재료 보다 내구성이 우수하다.

본 발명에 따른 다양한 실시예에 있어서, 제1 또는 바닥층은 예컨대 적어도 한 종류의 섬유와 적어도 한 종류의 필러재를 포함하는 혼합물로 구성된다. 제2 또는 상층은 제1 층과는 다른 혼합물을 구비한다. 제2 층은 내온성 및 강도가 우수한 섬유, 필러, 및 마찰 입자를 포함한다. 제2 층의 성분은 최적의 성능 특성을 제공한다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 제1 층 및 제2 층은 동일한 혼합물을 구비하지만 기본 중량 및/또는 밀도가 다를 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 제1 층은 밀도가 낮은 반면 제2 층은 밀도가 높다. 상기와 같은 실시예에 있어서, 제1 및 제2 층은 한 종류 이상의 섬유, 필러, 및 마찰 입자 모두를 구비할 수 있다.

다양한 종류의 섬유질 또는 천연 펄프재가 본 발명에 유리하다. 유용한 섬유는 면 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 및/또는 일반적으로 아로매틱 폴리카본아미드재로 구성되는 아라미드 및/또는 펄프 섬유와 같은 아라미드 폴리아미드 섬유로 구성된다. 본 발명에는 다양한 종이 조직이 유리하며 섬유질 기재 재료 조직에는 다른 섬유질 재료가 존재할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 면은 약 350℃의 비교적 낮은 온도에서 연소된다. 그러므로, 마찰 재료는 종이 성형 공정중에 섬유질 기재에 사용된 성분을 기초로하여 예상된 열적 안전성의 범위를 가진다. 비교적 탄소 함유율이 높은 섬유질 기재는 아라미드 펄프와 같이 열적으로 안정된 성분을 가지는 섬유질 기재 보다 열적으로 불안정하다. 이런 성분의 범위 및 비율은 마찰 재료의 최종 용도에 따르며, 이들 마찰 재료는 보통의 에너지 요건 또는 고에너지 요건에 따른다.

양호한 실시예에 있어서, 제2 층은 아라미드 펄프, 탄소 및 유리 섬유, 규조토 및/또는 실리카와 같은 필러, 및 질화 규소 및 다른 마찰 입자와 같은 가공 첨가제를 구비한다. 질화 규소 분말이 섬유질 기재 재료 조직내로 함침되면, 생성된 마찰 재료의 마찰 특성 계수가 향상된다는 것을 알 수 있다. 이는 특히 놀라운데 질화 실리콘으로 구성된 섬유는 클러치 또는 브레이크 부품에 대한 연마성으로 인해, 마찰 재료에 포함하기에는 적합하지 않기 때문이다. 바람직한 실시예에 있어서, 질화실리콘 입자의 평균 직경은 약 0.5 내지 약 1.5 미크론이다. 특정 실시예에 있어서, 평균 직경이 약 1미크론인 질화 실리콘 입자가 의외로 잘 작동한다는 것을 알았다. 질화 실리콘 입자중 한 종류로서 Si₃N₄를 이용할 수 있다. 질화 실리콘 입자를 약 3% 내지 약 15%의 낮은 수준으로 사용하면 동 마찰 계수가 증가한다. 양호한 실시예는 4% 내지 6%의 질화 실리콘 혼합물을 포함한다.

초기 마찰 계수가 낮으면, 마찰 재료를 여러번 사용한 후에는 일정한 마찰 계수를 얻을 수 없다는 것을 이해할 것이다. 본 발명은, 초기 마찰 계수가 높은 2층 구조의 마찰 재료를 제공한다. 또한, 동 마찰 계수가 정 마찰 계수에 가까우면, 클러치 작업시 일 기어에서 다른 기어로 원활하게 동력 전달이 이루어진다. 본 발명은 마찰 재료에 질화 실리콘 입자를 첨가하여, 매우 양호한 동 마찰 계수에 대한 정 마찰 계수의 비를 얻었다.

섬유질 기재 재료에 마찰 입자 및 가공 첨가제와 같은 다른 성분이 유리하다고 생각된다. 이들 마찰 입자 성분은 예컨대 캐슈 넛 쉘 액 입자 및/또는 고무 또는 탄성 중합체 입자를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 탄성 중합체 입자는 약 70 내지 75%의 탄성재(예컨대 이소프렌 및/또는 질화 고무재)와 균형있는 가공 첨가제를 포함한다. 탄성 중합체는 마찰 라이닝의 내마모성을 부가적으로 제공하는데 유리하다. 고무형 입자는 마찰 재료가 맞대한 부품(예컨대 분리판 및 클러치)에 보다 가깝게 적응하도록 하여 분리판 사이의 내측 접촉 구역과 외측 접촉 구역내에서 증가되도록 한다. 마찰 입자는 2층 구조의 마찰 재료의 에너지 용량을 증가시킨다.

게다가, 탄소 섬유는 다양한 실시예에 유리하다. 탄소 섬유는 마찰 재료 메트릭스(friction material matrix)에 대해 보강 부재 역할을 한다. 탄소 섬유는 내마모성 및 라이닝 압축 저항을 증가시킨다. 마찰 라이닝 재료가 상기 두 특성을 나타내면, 마찰 재료를 통한 유체의 모세관 유동이 개선된다. 압축 저항이 증가하면 마찰 재료의 마손 기회를 증가시키거나 감소시켜 모세관 유동을 유지하고 때로는 개선한다. 여러 실시예에 있어서, 약 20 내지 약 40%의 범위내의 탄소 섬유가 존재하는데 약 30%의 탄소 섬유가 존재하는 것이 바람직하고, 약 60 내지 80%는 상부 또는 제2 층으로 구성되는데 제2 층은 약 70%의 아라미드 섬유로 구성되는 것이 바람직하다.

다양한 실시예에 있어서, 상호 연결된 페놀 퍼말디하이드 중합체를 구비하는 노보로이드 섬유와 같은 성분을 추가로 포함하는 것이 유리하다. 특정 실시예에 있어서, 한 종류의 섬유는 평균 길이가 약 0.2㎜로 상대적으로 짧고 다른 종류의 섬유는 평균 길이가 약 3㎜로 상대적으로 긴 노보로이드 섬유를 조합하는 것이 유리하다는 것을 알았다. 어느 한 이론에 집착하지 않기를 바라지만, 상대적으로 짧은 섬유는 섬유로서 보다는 입자 역할을 하여 마찰 재료내에서 결합재 역할하는 것으로 믿어진다. 입자와 유사한 짧은 노보로이드 섬유는 마찰지(friction paper)의 강도를 향상시킨다. 상대적으로 긴 섬유는 마찰 재료가 압력을 받을 경우 마찰 재료에의 마손을 방지할 수 있도록 강도와 구조를 제공한다. 어느 특정한 이론에 집착하지 않기를 바라지만, 마찰 재료내에 존재하는 페놀 수지와 화학적으로 유사한 노보로이드 섬유는 페놀 수지재에 결합되어 마찰 재료의 기계적 화학적 강도를 유지시킨다. 섬유질 기재 재료에 합성 그래파이트를 사용함으로써 다른 종류의 그래파이트 보다는 3차원 구조의 섬유질 기재 재료를 제공할 수 있다. 열전도성이 우수한 합성 그래파이트는 다른 종류의 그래파이트 보다 더 신속하게 열을 분산 시킬 수 있는 능력을 마찰 재료에 제공한다. 다양한 종류의 알맞은 그래파이트가 본 발명에 유용하다고 생각된다. 예컨대, 합성그래파이트는 페트롤륨 코크 및 콜 타르 피치 결합제와 같은 천연 원료를 그래파이트화함으로써 제조할 수 있다. 천연 원료를 혼합하여 구운 탄소체를 폴리크리스탈렌 그래파이트 입자로 변환하는 특수한 그래파이트화 노에서 약 2800 내지 약 3000℃의 온도로 가열한다. 특정 실시예에 있어서, 합성 그래파이트의 크기 및 기하 구조는 약 20 내지 50m 인 것이 바람직하다. 이들 특정 실시예에 있어서, 그래파이트 입자가 너무 크거나 너무 작으면, 최적의 3차원 구조를 이루지 못하여 결과적으로 내열성이 최적화되지 못한다는 것을 발견하였다. 다양한 실시예에서, 제1 및 또는 제2 층을 구성하는 성분이 적절한 수지재를 포함한다고 생각할 수 있다.

특정 실시예에 있어서, 제1 또는 바닥층은 면 섬유 및 규조토와 같은 필러재를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 제1 층은 중량비면에서 그 중량에 기초하여 면 섬유가 약 50 내지 75 중량%이며 필러재가 약 25 내지 50 중량%이다. 보다 바람직한 실시예에 있어서, 제1 층은 약 60 중량%의 면과 약 40 중량%의 필러재로 구성된다.

양호한 다른 실시예에 있어서, 제1 층은 면, 유리 섬유, 및 필러 재료를 포함한다. 상기 양호한 실시예에 있어서, 제1 층은 중량비면에서 그 중량에 기초하여 약 40 내지 약 50 중량%, 가장 바람직하게는 약 45 중량%의 면 섬유, 약 10 내지 약 20 중량%, 가장 바람직하게는 약 15 중량%의 유리 섬유, 그리고 약 30 내지 약 50 중량%, 가장 바람직하게는 약 40 중량%의 필러 재료로 구성된다. 다른 특정 실시예에 있어서, 2층 구조의 섬유질 기재의 제2 층은 섬유질 기재의 제2 또는 상층용의 수성 슬러리의 중량에 기초하여, 약 4 내지 약 90 중량%의 아라미드 섬유, 0 내지 약 50 중량%의 면 섬유, 0 내지 약 70 중량%의 탄소 섬유, 0 내지 약 10 중량%의 유리 섬유, 약 5 내지 약 70 중량%의 필러재, 약 3 내지 약 50 중량%의 질화규소 분말 입자, 0 내지 약 30 중량%의 탄성중합체 마찰 입자, 0 내지 약 40 중량%의 실리카 입자, 및 0 내지 약 3 중량%의 라텍스 가공 첨가제를 포함하는 수성 슬러리로 형성한다.

다른 특정 실시예에 있어서, 섬유질 기재 재료의 제2 층은 약 20 내지 약 40 중량%의 아라미드 섬유, 약 15 내지 약 30 중량%의 규조토, 약 10 내지 약 30 중량%의 실리카 입자, 약 5 내지 약 25 중량%의 탄성 중합체 마찰 입자, 그리고 약 3 내지 약 20 중량%의 유리 섬유를 포함하는 것이 바람직하다.

다른 특정 실시예에 있어서, 2층 구조의 섬유질 기재 재료의 제2 층은 약 30 내지 약 50 중량%의 면 섬유, 약 3 내지 약 10 중량%의 아라미드 섬유, 약 10 내지 약 20 중량%의 필러재, 약 3 내지 약 10 중량%의 질화규소 입자, 약 15 내지 약 25 중량%의 탄성 중합체 마찰 입자, 0 내지 약 20중량%의 유리 섬유, 그리고 0 내지 약 25 중량%의 노보로이드 섬유를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일양태에 있어서, 2층 구조의 섬유질 기재 재료의 제2 층은 수성 슬러리로 형성할 수 있는데, 상기 수성 슬러리는 그 중량에 기초하여 약 10 내지 약 40 중량%의 다공성 활성탄 입자, 약 10 내지 약 30 중량%의 면 섬유, 약 0.5 내지 약 6㎜의 길이로 정밀하게 절단한 약 5 내지 약 30 중량%의 섬유, 0 내지 약 20 중량%의 합성 그래파이트, 규조토와 같은 0 내지 약 40 중량%의 필러, 캐슈 쉘 넛 액 입자와 같은 0 내지 약 20 중량%의 마찰 개질재(friction modifier) 등으로 구성된다.

2층 구조의 섬유 기재 재료의 제1 또는 바닥층은 수성 슬러리로 형성할 수 있으며, 수성 슬러리는 그 중량을 기초로 하여 0 내지 약 60 중량%, 가장 바람직하게는 55 중량%의 면 섬유, 약 10 내지 약 40 중량%, 가장 바람직하게는 35 중량%의 필러재, 약 5 내지 약 30 중량%, 가장 바람직하게는 10 중량%의 비선형 탄성 섬유, 및 0 내지 약 3 중량%, 가장 바람직하게는 2 중량%의 라텍스 가공 첨가제로 구성된다.

보다 바람직한 실시예에 있어서, 비선형 탄성 섬유는 폴리에틸린 테레프탈레이트(PET), 유리 섬유, 및 규소계 재료를 구비할 수 있다.

특정 실시예에 있어서, 제2 층은 약 10 내지 약 50%의 면 섬유, 약 5 내지 약 45%의 정밀 절단된 아라미드 섬유, 0 내지 약 40%의 셀라이트 또는 규조토 필러, 0 내지 20 중량%의 합성 그래파이트, 및 0 내지 약 40 중량%의 다공 탄소로 구성하는 것이 바람직하다.

제2 또는 상층을 구성하는 성분은 실질적으로 균일하게 혼합되며, 제1 층의 상부에 배치된다. 본 발명에 따르면 제1 층의 상부에 제2 층을 배치하는 방법이 다양할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명에 따른 2층 구조의 섬유질 기재 재료를 제조하기 위한 방법은 제1 또는 바닥층 재료의 성분을 첨가하여 균일한 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 균일한 혼합물로부터 종이를 섬유질 기재 재료로 형성한다.

도1 은 2층 구조의 섬유질 기재를 형성하는 일방법의 개략도 이다. 제1 분배 수단(10)은 성분을 공급하여 2층 구조의 섬유질 기재(24)의 제1 또는 바닥층(12)을 형성한다. 제1 층(12)을 형성하는 재료는 적절한 면(11)상에 공급되며, 면(11)은 제1 층(12)을 유지하거나 이송시킨다. 본 발명에 다양한 면(11)을 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 제2 분배 수단(20)은 일반적으로 재료를 공급하여 제1 층(12)상에 제2 또는 상층(22)을 형성함으로써 2층 구조의 재료(24)를 형성한다. 적합한 분배 수단(10, 20)은 헤더 박스 또는 롤러 수단 또는 적절한 다른 장치를 구비하여 제1 층(12) 및 제2 층(22)을 대체로 균일하게 하여 2층 구조의 재료(24)를 형성한다.

다양한 실시예에 있어서, 제1 층 및/또는 제2 층을 구성하는 재료는 적절한 수지재를 포함한다는 것을 이해할 것이다. 상기 실시예에 있어서, 적절한 건조 수단(30)으로 2층 구조의 재료(24)를 건조시켜 과잉 수분을 제거하거나 2층 구조의 재료에 포함된 수지를 경화시킨다. 특정 실시예에 있어서, 건조 수단은 가열 롤러 또는 적외선 가열 수단 또는 적절한 가열 수단을 구비할 수 있다는 것을 알 것이다. 제1 및 제2 층을 구성하는 재료는 수지를 함유하지 않는 실시예에서, 도 1에 가상선으로 나타낸 바와 같이, 2층 구조의 섬유질 기재를 형성하고 적합한 주입 수단(40)으로 적절한 수지 또는 수지 조합물로 2층 구조의 섬유질 기재 재료를 채우거나 주입한다. 그후, 보다 적절한 건조 수단(50)으로 함침된 2층 구조의 재료를 건조시켜 과잉 수분을 제거하거나 수지를 경화시킨다.

도 2는 제1 또는 바닥층(12)과 제2 또는 상층(22)으로 구성된 2층 구조의 섬유질 기재 재료(24)의 단면도를 개략적으로 나타낸다. 도 2에 도시된 실시예는 개략적으로 예시할 목적으로 나타냈다. 제2 층은 2층 구조의 섬유질 기재 재료의 두께에 대해 약 2 내지 50% 정도로 구성하는 것이 바람직하다는 것을 이해할 것이다. 양호한 실시예에 있어서, 제2 층은 재료 두께의 약 10 내지 약 50% 정도로 구성하며, 특정 실시예에 있어서는, 재료 두께의 약 10 내지 20% 정도로 제2 층을 구성한다.

제2 층은 제1 층에 확실히 부착되어 본 발명에 따른 2층 구조의 재료를 사용하는 중에 박리 문제가 발생하지 않는다는 것을 알았다. 본 발명에 따른 마찰 재료는 계면 길이가 적당하며 클러치 판 또는 브레이크 라이닝 재료와 같은 적합한 기판에 용이하게 부착된다.

본 발명에 따르면, 2층 구조의 섬유질 기재 재료를 함침하는데 다양한 종류의 수지가 사용된다. 섬유질 기재 재료를 함침시키는데 사용된 수지 종류에 따라 생성된 마찰 재료의 성능이 영향을 받는다. 수지의 거칠기 정도는 실험시 그 모양을 유지할 수 있는 마찰 재료에 의해 영향을 받을 수 있다. 마찰 재료의 물리적인 마찰 특성은 최종 제품의 예상 사용 기간 동안에 그대로 유지된다는 점이 중요하다. 마손되기 쉬운 수지가 주입된 마찰 재료는 마찰 재료 기질의 개방된 투과 구조를 파손시킬 수 있는 중하중을 받으면 균열이 발생할 수도 있다. 한편, 탄성 수지가 주입된 마찰 재료는 양호한 마찰 계수 및 토오크를 제공하지만, 마찰 재료 기질을 완전히 유지하는데 필요한 내마모성 및 강도가 부족할 수 있다. 따라서, 이상적인 수지 조성은 강도가 높고 가요성이 있어야 한다. 매우 거칠은 수지는 최적의 마찰 성능을 제공한다.

본 발명에 유용한 수지로는 페놀 수지와 페놀계 수지가 있다. 다른 개질 성분, 예컨대 에폭시, 부타디엔, 실리콘, 텅 오일, 벤젠, 캐슈 쉘 넛 등을 포함하는 다양한 페놀계 수지가 본 발명에 유용하다는 것을 이해할 것이다. 페놀계 개질 수지에 있어서, 일반적으로 페놀 수지는 수지 혼합물(용제 제외)중 약 50 중량% 또는 그 보다 많이 존재한다. 그러나, 특정 실시예에 있어서, 수지 혼합물이 실리콘 페놀 혼합물(용제 및 공정 첨가제 제외)의 중량에 기초하여 실리콘 수지를 약 5 내지 약 80 중량%, 특정 목적으로는 약 15 내지 약 55 중량%, 특정 실시예의 경우에는 약 15 내지 약 25 중량% 함유할 경우, 마찰 재료가 개량될 수 있다는 것을 알았다.

본 발명에 유용한 실리콘 수지로는 열경화성 실리콘 실란트와 실리콘 고무가 있다. 본 발명에는 다양한 실리콘 수지를 사용할 수 있다. 특히, 일 수지는 실렌과 아세틸아세트(2,4-펜탄에디온)를 포함한다. 실리콘 수지는 끓는 점이 약 362℉(183℃)이고, 68℉에서의 진공압이 21㎜Hg 이고, 진공 밀도는 4.8(공기는 1)이며, 물에서의 용해도는 무시할 정도이며, 비중은 약 1.09 이고, 휘발비는 5 중량% 이며, 증발비(에테르는 1)는 0.1 미만이며, 펜스키-마텐 방법을 이용한 발화점은 약 149℉ 이다. 본 발명에 다른 실리콘 수지를 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 유용한 수지 혼합물은 약 55 내지 약 60 중량%의 페놀 수지, 약 20 내지 약 25 중량%의 에틸 알콜, 약 10 내지 약 14 중량%의 페놀, 약 3 내지 4 중량%의 메틸 알콜, 약 0.3 내지 약 0.8 중량%의 포름알데히드, 및 약 10 내지 약 20 중량%의 수분을 포함한다. 페놀을 기초로 한 수지는 약 50 내지 약 55 중량%의 페놀 포름알데히드 수지, 약 0.5 중량%의 포름알데히드, 약 11 중량%의 페놀, 약 30 내지 약 35 중량%의 이소프로판올, 및 약 1 내지 약 5 중량%의 수분을 포함한다.

다른 유용한 수지로는 에폭시로 개질된 페놀 수지가 있으며, 상기 페놀 수지는 페놀 수지(용제 및 다른 가공 첨가제를 제외함)와 약 5 내지 약 25 중량%, 바람직하게는 약 10 내지 약 15 중량%의 에폭시 화합물을 함유한다. 특정 실시예에 있어서, 에폭시 페놀 화합물은 다른 페놀 수지 보다 우수한 내열성을 마찰 재료에 제공한다.

수지 혼합물을 준비하고 섬유질 기재 재료를 주입하는데 유리한 것으로 알려진 다른 성분 및 가공 첨가제가 마찰 재료에 포함될 수 있다는 것을 알 것이다.

특히, 페놀 수지 및 실리콘 수지가 사용되는 실시예에 대해서, 페놀 수지와 실리콘 수지가 혼합되더라도 새로운 화합물이 생성되지 않는다. 페놀 수지와 실리콘 수지는 별개로 경화되고 새로운 화합물은 생성되지 않는다.

실리콘 수지와 페놀 수지는 모두 용제에 포함되며 서로 공존한다. 이들 수지는 혼합되어 균일한 혼합물을 형성하며 섬유질 기재 재료를 주입하는데 사용된다. 섬유질 기재 재료에 페놀 수지가 주입된 후 실리콘 수지가 첨가되거나 섬유질 기재 재료에 실리콘 수지가 주입된 후 페놀 수지가 첨가되면, 상기 효과와 동일한 효과를 얻을 수 없다. 실리콘 페놀 수지 용액 혼합물과 실리콘 수지 분말 및/또는 페놀 수지 분말 유제 사이에는 차이가 있다. 실리콘 수지와 페놀 수지가 용해되면, 상기 수지들은 전혀 경화되지 않는다. 반대로, 실리콘 수지 및 페놀 수지 분말 입자는 일부분이 경화된다. 실리콘 수지와 페놀 수지가 부분적으로 경화됨으로써 섬유질 기재 재료를 양호하게 주입할 수 있다.

섬유질 기재 재료에 용제와 실리콘 수지 혼합물을 주입하는데, 실리콘 수지는 페놀 수지 및 그 용제와 양립한다. 일 실시예에 있어서, 이소프로판올이 적합한 용제라는 것을 알았다. 그러나, 에탄올, 메틸 에틸 케톤, 부탄올, 이소프로판올, 톨루엔 등과 같은 다양한 종류의 용제가 본 발명을 실시하는데 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

페놀 수지와 혼합되어 섬유질 기재 재료를 주입하는데 사용된 실리콘의 존재로 인해, 섬유질 기재 재료는 페놀 수지만을 주입한 섬유질 기재 재료 보다 탄성이 우수하다. 본 발명에 따라 실리콘 페놀 수지가 혼입된 마찰 재료에 압력이 가해지면, 압력이 보다 균일하게 분산되어 불균일한 라이닝 마모 가능성을 감소시킬 수 있다. 실리콘 수지와 페놀 수지를 혼합한 후, 섬유질 기재 재료를 주입하는데 그 혼합물을 사용한다.

재료를 주입하기 위한 방법이 본 발명에 다양하게 실시될 수 있다. 섬유질 기재에 페놀 수지 또는 개질된 페놀 수지를 주입하며, 바람직하게는 마찰 재료의 약 30 내지 약 65 중량%의 수지 재료를 주입한다. 섬유질 기재 재료에 수지를 주입한 후, 정해진 시간 동안 소정 온도로 섬유질 기재 재료를 가열하여 마찰 재료를 형성한다. 약 300 내지 350℉의 온도로 마찰 재료를 가열하여 페놀 수지를 경화시킨다. 실리콘 수지와 같은 다른 수지가 존재하면, 약 400℉의 온도로 마찰 재료를 가열하여 실리콘 수지를 경화시킨다. 그 후에, 적절한 수단으로 소정의 기질에 경화된 마찰 재료를 접착한다.

다음의 실시예는, 본 발명에 따른 2층 구조의 섬유질 기재 재료와 2층 구조의 마찰 재료가 종래의 마찰 재료 보다 개량되었음을 나타내는 증거를 제공한다. 다음의 예로 본 발명에 따른 다수의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 다음의 예는 본 발명의 범위를 한정하지는 않는다.

습한 마찰 환경에서 사용되는 윤활재의 종류에 따라 2층 구조의 마찰 재료의 특성이 영향을 받는다는 것을 또한 이해할 수 있을 것이다. 윤활재는 생성된 2층 구조의 마찰 재료의 다양한 성능 특성, 예컨대 정 마찰력, 동 마찰력(그에 따른 정 마찰력/ 동 마찰력의 비), 점착성, 점도, 산화 안정성, 최대 압력 용량 등을 포함하는 성능 특성에 영향을 미친다. 2층 구조의 마찰 재료와 소정의 기질 사이의 경계면과 기계적 화학적 인자는 마찰 재료의 성능에 영향을 미친다. 본 발명에 따른 2층 구조의 마찰 재료는 여러 종류의 윤활재에 유리하다. 마찰 재료가 노출될 수 있는 상황과 그런 상황에서 사용되는 윤활재를 판단하여 최적의 성분 및 그 성분의 범위를 결정할 수 있다.

(예 Ⅰ)

여러 종류의 2층 구조의 섬유질 기재 재료 혼합물을 형성하고 약 30 내지 35%의 픽업 수준으로 페놀 수질를 주입하고 경화시켜 2층 구조의 마찰 재료를 형성하였다. 아래의 표 1에 나타낸 바와 같이 다음의 재료가 예 1에 사용되었다.

2층 구조의 종이(예 A, B, C, D, E, 및 F)는 모두 60%의 면과 40%의 셀라이트로 구성된 제1 층을 구비한다.

비교예 1	면 60%와 셀라이트 40%로 구성된 단층 구조기본 중량 125, 캘리퍼 0.019
예 A	아라미드 섬유 5%를 함유한 2층 구조기본 중량 150, 캘리퍼 0.022
예 B	아라미드 섬유5%와 질화규소 1.2%를 함유한 2층 구조기본 중량 150, 캘리퍼 0.023
예 C	아라미드 섬유를 함유한 2층 구조, 1층의 기본 중량 185내지 189, 2층의 기본 중량 24 내지 27총 기본 중량 212 내지 217, 캘리퍼 0.030
예 D	아라미드 섬유 90%와 질화규소 10%로 구성된 2층 구조1층의 기본 중량 183 내지 185, 2층의 기본 중량 16 내지26, 총 기본 중량 201 내지 209, 캘리퍼 0.028
예 E	아라미드 섬유 30%, 셀라이트 25%, 실리카 입자 20%,이소프렌류의 탄성 입자 15%, 및 유리 섬유 10%로 구성된2층 구조의 조성 #11층 기본 중량 148, 2층 기본 중량 32-40, 총 기본 중량180 내지 188, 캘리퍼 0.025
예 F	아라미드 섬유 70%와 탄소 섬유 30%로 구성된 2층 구조1층 기본 중량 167 내지 170, 2층 기본 중량 25 내지 26,총 기본 중량 193 내지 195, 캘리퍼 0.028
비교예 2	면 55%, 아라미드 펄프 25%, 및 셀라이트 45%로 구성된단층 구조

재료에 대한 윤활재의 상대적 투과 특성에 관한 정보를 얻기 위하여, 낙유 시간을 기록하였다. 이들 시간은 대개 재료의 오일 흡수 특성을 반영한다. 엑슨 1975형 H 급 자동 변속 유체를, 이들 실험에 대해 판당 3 또는 4 방울을 사용하였다.

이하에서 설명하는 마찰 실험에서 거의 실시되지 않은 재료는, 낙유 시간이 약 200초 또는 그 이상 오래 걸린다. 제2 표본군은, 윤활재가 조립체내에서 거의 유동하지 않는 제1 표본군 보다 낙유 시간이 다소 오래 걸린다. 제2 표본군은 상이한 섬유 및 입자 조직을 가지도록 처리되었다. 개량된 제2 층 조직은 조립체내로 유동하는 오일의 양을 다소 감소시켰다. 선택된 재료에서의 낙유 시간은 아래의 표 2에 나타낸다.

낙유 자료

	시간평균	안정성	풀팩 수
재 료	sec.	Dev.	Cycles *
제1 라운드
비교예 1	284.7	42.8	60
예 A	88.9	10.1	1050
예 B	46.7	11.4	1050
제2 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

* 실험 사양에 대한 공정 528A 참조.

제1 실험 재료군(비교예 1, 예 A 및 B)은, 섬유의 분포와 섬유 및 입자의 결합을 비교한다. 단층의 제어 종이(비교예 1)는 면과 셀라이트로 만 구성된다. 오일 흡수능력 및 경제적 이점 때문에 이들 두 성분을 선택하였다.

예 A의 재료는 제1 층으로서 아라미드 섬유를 구비한 셀라이트와 면을 사용하였으며, 접촉점에 값 비싼 섬유 보다 예 A의 재료를 집중 사용하였다. 아라미드 섬유를 사용하면 내열성이 우수하고, 판당 비용을 줄일 수 있으며, 오일을 보유할 수 있는 개방 구조를 가지는 2층 구조중 상층을 제공한다는 장점이 있다.

예 B는 마찰 계수 향상에 기여한 질화 규소의 우수한 성능 특성에 더하여 상술한 아라미드 섬유의 장점을 취한 섬유와 입자 결합체를 구비한다. 제2 층 용도로 비교적 고가인 이들 성분을 사용하는 것이 바람직하다.

아래의 표 3에 나타낸 저속 마찰 장치(LVFA) 실험은 2층 구조로된 재료의 마찰 성능을 평가하기 위해 실시하였다. 예 B는 예 A에 비해 마찰력의 크기를 다소 변경하여 실시하였다. 실험 결과는 상이한 재료를 사용하였을 경유의 성능의 변화를 나타냈다. 그러나, 비교예 2 보다 예 A와 B가 라이닝 마모가 다소 적다는 결과를 얻었다.

LVFA 자료 - 120psi, 엑슨 1975 윤활재, 강제 분리판

실험 재료	정 마찰력	동 마찰력	라이닝 마모 mils
비교예 1	0.102	0.144	0.3
예 A	0.106	0.147	0.2
예 B	0.101	0.144	0.4
비교예 2	0.103	0.149	1.4

풀팩(Full Pack) 실험 결과 얻어진 자료는, 질화 규소 입자를 함유하는 2층 구조의 마찰 재료 사용과 관련하여 성능이 개선되었음을 나타낸다. 제2 층에 첨가된 질화 규소로 인해, 라이닝 마손이 증가하지 않으면서 정 마찰력이 0.119에서 0.128로 향상되었다. 아래의 표 4에 풀팩 마찰력과 마손 결과치가 나타나 있다.

풀팩 실험 자료, 엑슨 1975 윤활재

재 료	1050회 사용 후 동 마찰력	평균 팩 손실(mils)
비교예 1	NA(50회 사용 후 정지)	약간 손상
예 A	0.119	12.1
예 B	0.128	12.3
비교예 2	0.117	10.0

저속 마찰 장치(LVFA)를 사용한 실험은 2층 구조의 마찰 재료의 성능을 평가하고 등급을 정하기 위해 실시되었다. 아래의 표 5에 마찰력 및 마손 자료에 대한 개요를 나타내었다.

LVFA 자료 -120 psi, 강제 판

실험 재료	정 마찰력	동 마찰력	라이닝 마모(mils)
예 C	0.108	0.134	0.3
예 D	0.106	0.139	0.5
예 E	0.096	0.136	0.2
예 F	0.105	0.140	0.5
비교예 2	0.103	0.149	1.4

상층이 아라미드 섬유로 구성된 예 C 및 A(표 3 참조)의 시편은 동 마찰 계수가 각각 0. 134 및 0.147 이었다. 예 C로 나타낸 바와 같이 아라미드 섬유를 보다 균일하게 집중시킴으로써 비교예 2의 시편 보다 마찰 계수가 낮아진다. 제 2층 조직에 질화 규소 입자를 제공함으로써 동 마찰 계수가 0.134에서 0.139로 다소 높아졌다. 질화 규소와 탄소 섬유를 첨가하여 동일하게 실험하였다. 라이닝 마모는 예 A, B, C, D, E 및 F 종이 모두에서 낮았다.

아래의 표 6에 나타낸 풀팩 실험에서, 예 C는 총 1050회의 실험을 실시하였다. 모든 재료는 마손되었다.

풀팩 실험 자료, 엑슨 1975 윤활재

실험 재료	1050회실험 후 동 마찰력	평균 팩 손실(mils)
예 C	0.123	37.8
예 D	NA(400회 실험후 0.112)	31.6
예 E	NA(50회 실험후 0.147)	다소 손상
예 F	NA(300회 실험후 0.130)	71.3
비교예 2	0.151	24.0

비용 절감 측면과 주문형 종이를 제조하기 위한 도구로서 2층 구조의 마찰 재료를 사용하는 것이 유리하다. 2층 구조의 마찰 재료는 층을 분리할 시 어떠한 문제도 없었다. 2층 구조의 마찰 재료는 상층에 위치한 특수한 성분의 마찰 및 마손 성능을 평가하기 위한 수단을 제공한다.

질화 규소의 존재로 인해, 조립체의 마손이 증가하지 않으면서 동 마찰 계수가 증가된다. 저속 마찰 장치로 실험한 자료는, 조성 #1을 구비한 상층이 비교예 2의 재료 보다 라이닝 마모가 거의 없고 마찰력이 낮다는 것을 나타낸다.

(예 Ⅱ)

예 Ⅱ는, 습식 제지 공정중에 결합되는 상이한 화합물로 구성된 2개의 층으로 2층 구조의 마찰 재료를 형성할 수 있다는 것을 나타낸다. 각 층의 성분은 서로 얼히어 마찰 재료로서 사용하기에 충분한 계면 강도를 가지는 2층 구조의 섬유질 기재 재료를 형성한다. 다음의 예는 페놀 수지로 채워지며, 아래의 표 7에 나타나 있다.

예 G	면 10%와 셀라이트 40%로 구성된 제1 층조성 #1(40%의 실제 픽업)로 구성된 제2 층제1 기본 중량 약 160, 제2 기본 중량 약 45, 총 기본 중량193 내지 196, 캘리퍼 0.032
예 H	면 45%, 셀라이트 40%, 유리 섬유 15%로 구성된 제1 층조성 #1(40%의 실제 픽업)로 구성된 제 2층제1 기본 중량 약 160, 제2 기본 중량 약 45, 총 기본 중량190 내지 201, 캘리퍼 0.033 내지 0.035
예 I	면 60%와 셀라이트 40%로 구성된 제1 층조성 #1(41%의 실제 픽업)로 구성된 제2 층제1 기본 중량 약 89, 제2 기본 중량 약 41, 총 기본 중량130 내지 140, 캘리퍼 0.0220 내지 0.0235
비교예 3	조성 #1(43%의 실제 픽업)로 구성된 단층총 기본 중량 205 내지 225, 캘리퍼 0.032 내지 0.040
비교예 4	조성 #1(35%의 실제 픽업)로 구성된 단층총 기본 중량 135
비교예 5	조성 #1(40%의 실제 픽업)로 구성된 단층총 기본 중량 135

모든 시험편은, 알려진 것은 제외하고 약 40%의 픽업 수준으로 페놀 수지로 채워졌다. 클러치형 조립체를 사용하여 마찰 및 마손 평가를 수행하였다. 공정 528A 또는 428C에 따라 풀팩 실험을 실시하였다. 도면 #95407에 한정된 45도 방법에 따라, 528A 절차는 정 마찰치의 기록을 특화하지는 않는다. 그렇지만, 두 풀팩 절차는 일치한다.

(a) 가공 방향 및 (b) 역 가공 방향으로 가공하지 않은 종이를 건.습식 인장 실험을 실시하였다. 가로 방향의 헤드는 분당 0.5 인치의 속도로 설정하고, 챠트 속도는 분당 1 인치의 속도로 설정하였다.

마찰 재료에 대해 모세관 유동 실험 및 액체 투과 실험을 실시하였다. 이들 측정치는 마찰 재료의 윤활유 함유 능력 및 열 전달 능력을 반영한다.

(A) 2층 구조의 마찰 재료 대 단층 구조의 마찰 재료:

동 마찰력 평가 (기본 중량 200 파운드 )

풀팩 실험 #528

단층 구조 및 2층 구조의 조립체를 실험한 결과 유사한 마찰 성능 및 마손 성능을 얻었다. 1050회 실험 후의 동 마찰력은 평균적으로 약 0.14 였다. 실험 동 마찰 계수는 아래의 표 8에 열거되어 있다. 200회 내지 1050회 사이의 실험 후 세 개의 실험 재료 모두에 마찰력은 평균적으로 약 8% 감소하였다. 하층에 면과 셀라이트를 구비하는 예 G는, 동 마찰력의 최소 감소율이 5.3% 였다. 면고 셀라이트로 구성된 하층에 유리 섬유를 첨가한 조립체(예 H)는, 마찰력이 다소 많이 감소하였다(8.6%). 비교예 3의 마찰력 감소율이 가장 높게 측정되었다(10.5%). 도 3은, 실험 회수가 증가함에 따른 비교예 3, 예 G, 및 예 H의 동 마찰력의 변화를 나타낸다.

조립체 팩 마손 (기본 중량 200 파운드)

풀팩 실험 #528

아래의 표 8에 나타낸 바와 같이, 2층 구조의 재료로 구성된 조립체는 라이닝 마손이 다소 높았다. 단층 구조로 구성된 비교예 3은 마손치가 +0.7 mils 이었다. 하층에 유리 섬유를 함유하였거나 함유하지 않은 2층 구조로 구성된 종이(예 G와 예 H)의 마손량은 각각 12.0 mils 과 7.5 mils 이었다. 하층의 유리 섬유로 인해 종이 기질이 다소 강화되었다. 압축된 마찰 재료의 양에 대해 제거된 마찰 재료의 양은 정해지지 않았다. 그러나, 실험 후, 단층 구조 및 2층 구조의 조립체는 유사한 물리적 현상을 나타냈다.

아래의 표 9에 마모, 파손, 유약칠, 및 박리 현상의 등급을 나타내었다. 세 개의 마찰 재료는 모두 유약칠 등급이 1 이었다. 하층에 유리 섬유를 함유하는 예 H의 조립체는 표면 마모가 다소 많았다.

1050회 실험 후, 풀팩 실험 자료, 절차 528/페놀 수지 40% P.U., 엑슨 1975 AFT

클러치 조립체 재료	고속도 동 마찰력	평균 피크 손실(mils)
비교예 3	0.137	+0.7
예 G	0.144	12.0
예 H	0.138	7.5
비교예 4	600회 실험후 0.135	정지
비교예 5	550회 실험후 0.133	정지
예 I	0.131	9.0

라이닝 현상 등급, 기본 중량 100 파운드/ 528풀팩 실험 후

클러치 조립체 재료	마모	파손	그레이징	박리
비교예 3	0	0	1	0
예 E	0	0	1	0
예 H	1	0	1	0

(B) 기본 중량이 높은 재료 대 기본 중량이 낮은 재료

기본 중량이 낮은 종이(기본 중량 135 파운드)

상기 표 8에 나타낸 바와 같이, 절차 528에 따라 실험을 600회 실시한 후에는, 기본 중량이 135 파운드인 단층 마찰 재료(비교예 4와 비교예 5)에 대한 실험은 중단되었다. 수지의 픽업 수준이 35% 및 40%이고 기본 중량이 낮은 종이에 대한 실험은 엉뚱한 마찰 계수로 인해 정지되었다. 도 4는 비교예 3, 비교예 4, 비교예 5, 및 예 1에 대해 기본 중량이 200 파운드 및 135 파운드인 마찰 재료의 성능 변화에 따른 마찰력 대 실험 회수를 나타낸다.

2층 구조의 마찰 재료는 135 파운드의 기본 중량하에서 제작되었다. 상기 재료의 상층은 조성 #1을 구비하며, 그 하층은 면과 셀라이트(예 1)로 구성된다. 상기 재료는 동 마찰 계수가 0.131, 마손이 9 mils 인 상태에서 실험을 종료할 수 있었다. 기본 중량이 적은 마찰 재료는 동 마찰 계수가 낮은 상태로 실험이 실시되었다.

기본 중량이 135 파운드와 200 파운드인 재료의 밀도는 아래의 식을 이용하여 산출하였다. 기본 중량이 많거나 적으며 최종 밀도가 43인 재료로 조립체를 제작하였다.

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

D 는 라이닝의 밀도이고, BW 는 3000 입방 피트당 천연 재료의 기본 중량(파운드)이고, FLT 는 라이닝의 최종 두께(인치)이고(포화되고, 경화되고, 압축된 후), PU 는 수지 픽업이다.

(C) 종이에서의 모세관 유동

모든 마찰 재료는 그 직경이 중간 구멍 크기이며, 그 직경은 천연 펄프가 수지로 채워져 경화된 후 커진다. 아래의 표 10을 참조하기 바란다. 2층 구조의 재료는 직경이 단층 재료의 구멍 직경 보다 큰 구멍이 많다. 중간 크기의 구멍 직경이 크기 때문에 접촉 구역에서의 윤활재의 효용이 증대된다.

천연 수지 또는 합성 수지가 채워져 경화되고 기본 중량이 200 파운드 이상인 재료는 기본 중량이 135 파운드인 동일한 재료(비교예 4)에 비해 중간 크기의 구멍 직경이 상대적으로 크다. 기본 중량이 200 파운드인 비교예 3 의 천연 재료는 중간 구멍의 직경이 3.0016 미크론이다. 기본 중량이 비교예 4 의 재료의 기본 중량인 135 파운드로 줄면, 중간 크기의 구멍 직경은 2.6170 미크론 까지 감소한다. 그러나, 압축하면, 상기 두 재료는 중간 크기의 구멍 직경이 2.45 미크론으로 비슷해진다.

하층에 유리 섬유를 구비하거나 구비하지 않은 2층 구조의 재료(예 G 및 H)는 구조적으로 단층 구조의 재료 보다 직경이 중간 크기인 구멍을 많이 구비한다. 하층 화합물중의 유리 섬유의 응집도를 변경하더라도, 구멍 직경에는 영향이 미치지 않는다. 그러나, 중간 크기의 구멍 직경을 달리하여 두 개의 층을 다양하게 배치하는 것이 결합된 2 층 구조의 중간 크기의 구멍를 변경하기 위한 효과적인 방법이다.

모세관 유동에 대한 자료는, (a) 재료가 수지로 채워져 경화됐을 때와 (b) 2 층 구조의 재료를 단층 구조의 재료와 비교하는데 사용될 경우에 중간 크기의 구멍 직경이 커짐을 나타낸다. 중간 크기의 구멍은, 재료가 수지로 채워져 경화된 후 압축될 때 그 크기가 커진다.

모세관 유동 분석, 마찰 재료당 5회의 측정치, 중간 크기의 구멍: A)천연 종이, B)수지(40%)로 채워져 경화된 종이, C)수지(40%)로 채워져 경화되고 압축된 종이

천연 마찰 재료	구멍 크기(미크론)	표준 편차
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) 2.2818	0.1717
비교예 4	A) 2.6270	0.2781
	B) 3.5227(35% PU)	0.5261
	C) 3.2854(44% PU)	0.1513
	D) 2.4645(44% PU)	0.1246

천연 마찰 재료	구멍 크기(미크론)	표준 편차
예 I	A) 3.0512	0.1510
	B) 3.7970	0.2665
	C) 2.7396	0.3665

(D) 유리 섬유를 구비한 하층 및 유리 섬유를 구비하지 않은 하층

압축력 실험

압축력 실험은 실험 재료의 기존의 k 인자를 변경시키기 위해 실시하였다. k 인자는 식 F(x) = -kx 로 정의된 힘의 상수이며, 식에서 x 는 스프링이 압축 또는 팽창된 거리이다. John Wiley and Sons 사가 1974 출판한 D. Hallyday 와 R. Rensnick이 공동으로 저술한 기초 물리학에는, 하층 혼합물중 유리 섬유를 이용하여 2층 구조로 구성된 재료의 k 인자를 변경한다고 기재되어 있다.

천연 종이에 대한 인장 실험-인스트론(Instron)

마찰 재료의 건습 인장 강도는 실험중 및 수지로 채우는 중에 중요하다. 인장 강도가 낮은 마찰 재료는 수지 침윤 욕(resin saturaion bath)에서 조각날 수 있다. 아래의 표 11은 단층 구조의 재료와 2 층 구조의 재료의 상대 강도를 나타낸다. 마찰 재료가 알코올로 젖은 경우, 인장 강도가 30 내지 40% 손실된다.

기본 중량이 200 파운드인 마찰 재료(비교예 3)는 기본 중량이 135 파운드인 재료 보다 가공 방향 및 X 가공 방향에서 인장 강도가 50% 높다. 하층에 면과 셀라이트가 포함되고 기본 중량이 200 파운드인 2 층 구조의 재료(예 G)는 단층 구조의 재료와 인장 강도의 크기가 비슷하다.

2층 구조의 재료가 그 하층(예 H)에 유리 섬유를 포함하고 있는 경우, 인장 강도는 약 40% 정도 낮아진다. 상기 재료는 가공 방향에 비해 X 가공 방향의 인장 강도(66%)가 실질적으로 낮다.

인스트론 인장 실험 자료/천연 종이, 건식 및 습식 실험-5회 평균치

	인장 강도(lbs.)	Std. Dev.
천연마찰 재료	건	습	건	습
비교예 3	가공 방향	8.21	4.97	0.40	0.15
비교예 3	X 가공 방향	5.48	3.43	0.20	0.16
예 G	가공 방향	7.84	4.90	0.88	0.05
예 G	X 가공 방향	4.90	2.89	0.35	0.12
에 H	가공 방향	5.15	2.90	0.65	0.37
에 H	X 가공 방향	1.73	2.34	0.24	0.46
비교예 4	가공 방향	4.16	2.72	0.36	0.13
비교예 4	X 가공 방향	2.83	1.95	0.43	0.14

(E) 천연 종이의 층 접착

2층 구조로 구성된 종이의 층 접착력은, 힘이 시트면에 대해 수직 방향으로 가해질 경우, 분리되려는 층의 저항으로서 정의된다. 이 변수는 천연 마찰 재료의 등급을 설정하는데 특히 유용하다. 층 접착력은 대부분 중합체 재료로 시트를 채우는 동안에 증가될 수 있다. 3개의 인자, 즉 (1)시트중의 중합체의 종류와 양, (2)섬유에 대한 중합체의 접착력, 그리고 (3)시트중의 섬유의 배열이 라텍스로 채워진 종이의 층 접착력에 영향을 미칠 수 있다. 라텍스는 페놀 수지가 경화될 때까지 2층 구조의 재료에 층간 접착력을 부가적으로 제공한다.

상기 예 Ⅱ는 단층 구조의 재료와 2층 구조의 재료의 풀팩 마찰 성능이 유사하다는 것을 나타낸다. 그러나, 기본 중량이 적은 마찰 재료는 동 마찰 계수가 낮다.

마찰 재료의 기본 중량이 적으면, 라이닝의 내구성이 떨어진다. 2층 구조의 재료는 기본 중량을 적게하여 실험했을 때 단층 구조의 재료 보다 내구성이 우수하다. 마찰 재료 혼합물을 변경하면, 중간 크기의 구멍 직경이 변경된다. 2층 구조의 재료중 제1 층의 조성을 변경하면, 구멍 크기가 커지고, 클러치 조립체의 윤활성이 개선된다. 단일층 재료 보다 2층 구조의 재료를 사용함으로써 비용이 절감된다. 바람직한 실시예에 있어서, 비교적 얇은 제2 층에는 외산의 비싼 재료를 사용할 수 있다. 클러치의 마찰 및/또는 마손 성능을 상당히 향상시키는 성분을 제2 층에 집중시킬 수 있다.

(예 Ⅲ)

클러치 용도로 에너지 용량이 큰 재료가 요청된다. 통상적으로, 상기 재료에 있어서는 내열성이 우수한 것이 마찰 계수가 큰 것 보다 중요하게 여겨진다. 조직에 탄성 입자를 사용함으로써 마찰 재료의 에너지 용량을 증대시킬 수 있다. 더욱이, 침윤 수지로서 실리콘을 포함한 2층 구조의 마찰 재료를 사용하면, 마찰 계수가 커지고 마손이 감소한다. 아래의 표 12에 비교예들과 예 Ⅰ의 조성을 나타낸다.

비교예 6	조성 #2의 일층: 면 46%, 셀라이트 17%, 아라미드 섬유 6%, 질화규소 입자 6%; 마찰 입자: 질화 고무류의 탄성 중합체 5%, CNSL-5%, 매우 단단한 CNSL-15%, 2%의 라텍스 가공 첨가제총 기본 중량 133 내지 135, 캘리퍼 0.025
비교예 6a	페놀이 43% 정도로 채워짐
비교예 6b	페놀이 35% 정도로 채워짐
비교예 7	조성 #1A의 일층: 이소프렌류의 입자 보다는 질화물류의 탄성 마찰 입자를 포함한다는 점외에는 조성 1과 동일총 기본 중량 135, 캘리퍼 0.021 내지 0.022
비교예 7a	페놀이 45% 정도로 채워짐
비교예 7b	페놀이 34% 정도로 채워짐
비교예 7c	실리콘이 47% 정도로 채워짐
예 Ⅰ	면 60%와 셀라이트 40%로 구성된 제1 층조성 #1로 구성된 제 2층총 기본 중량 130 내지 140, 캘리퍼 0.022 내지 0.0235
예 Ⅰa	실리콘이 56% 정도로 채워짐
예 Ⅰb	실리콘이 43% 정도로 채워짐
비교예 3	조성 #1로 구성된 일층총 기본 중량 135, 캘리퍼 0.021 내지 0.023

비교예 7은 각각 페놀 수지(비교예 7a, 7b)와 실리콘 수지(비교예 7c)로 채워졌다. 비교예 3, 예 1a, 및 예 1b는 실리콘 수지로 채워졌다.

3개의 상이한 마찰 입자를 함유한 고에너지의 마찰 재료(비교예 6)가 제작되었다. 상기 재료는 페놀 수지로 채워졌다.

모든 재료는 기본 중량이 135 파운드 였고, 클러치 조립체를 제작하는데 사용되었다. 절차 528C 또는 527C에 따라 상기 조립체의 마찰 특성 및 마손 특성을 평가하였다.

풀팩 실험-적정 에너지 절차 528C

(A) 페놀 수지

이소프렌 마찰 입자 대신에 질화물 마찰 입자로 일층 재료를 제작하면(비교예 7에서와 같이), 내구성이 다소 향상된다. 비교예 3의 재료(이소프렌 입자를 포함하는)는, 픽업이 35% 일 때 600회 동안 지속된 반면에, 비교예 7의 재료는, 동일한 픽업 조건에서 850회 동안 지속되었다. 아래의 표 13에 마찰 및 마손 자료를 나타낸다. 표면 현상에 대한 자료와 동 마찰율에 대한 자료는 아래의 표 14에서 찾을 수 있을 것이다.

풀팩 실험-1050회 실험 후의 실험 자료, 절차 528C-기본 중량이 135 파운드인 재료, 엑슨 1975 형 H 윤활재

마찰 재료	저속 동마찰 계수*	고속 동마찰 계수**	팩 손실(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	0.133850회의 실험후	12.0850회의 실험후
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 3실리콘 45%	0.147	0.155	0.0

마찰 재료	저속 동마찰 계수*	고속 동마찰 계수**	팩 손실(mils)
비교예 3페놀 40%	NA	0.133550회의 실험후	정지
비교예 3페놀 35%	NA	0.135600회의 실험후	정지
예 Ⅰ페놀 41%	NA	0.131	9.0

* #95407에 기재된 45도 방법에 따라 기록한 저속 동(정) 마찰 계수

** 결합 후 0.2초 뒤에 기록한 고속 동 마찰 계수

풀팩 실험-팩 표면 현상 자료, 절차 528C-기본 중량이 135 파운드인 재료, 엑슨 1975형 H 윤활재

마찰 재료	마모	파손	그레이징	박리	페이드 % **
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	4850회 실험후	0850회 실험후	4850회 실험후	0850회 실험후	NA
비교예 7c	0	0	1	0	16.1
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 3페놀 44%	4650회 실험후	0650회 실험후	2650회 실험후	0650회 실험후	NA
비교예 3페놀 35%	5650회 실험후	0650회 실험후	3650회 실험후	0650회 실험후	NA

마찰 재료	마모	파손	그레이징	박리	페이드 % **
예 Ⅰ페놀 41%	1	0	3	0	5.8

** 200 내지 1050회의 실험시 고속 동마찰 페이드 비율

45% 이상의 픽업 수준에서 비교예 7의 재료로 제작된 조립체는 528C 형 실험을 성공적으로 마쳤다. 질화물 류의 탄성 마찰 입자를 포함하는 상기 재료는, 최종 동마찰 계수가 0.123 이고 팩 손실은 4.0 mils 이었다. 비교예 7의 재료는, 동 마찰 페이드가 8.1% 였다. 마모 및 그레이징(glazing)은 2 등급인 반면 파손 등급은 1 이고 박리 등급은 0 이었다. 대조적으로, 페놀 수지 픽업이 44% 포함된 일층 재료(비교예 3)는 550회의 실험후에 정지되었다. 수지 픽업이 35%에서 44%로 늘어나면, 일층 재료는 개량되지 않는다. 조성 #1A의 이소프렌 탄성 마찰 입자를 질화물 탄성 마찰 입자로 대체하고 수지 픽업을 증가시키면, 재료에 부가적인 에너지 용량이 제공된다.

비교예 7의 재료는, 픽업 수준이 47%인 실리콘 수지로 함침된다. 상기 재료의 최종 마찰 계수는 0.151 이고, 동 마찰 페이드는 16.1% 였다. 팩 손실은 0.0 mils 이었다. 실험 후의 표면 현상은 우수하였다. 마모, 파손, 그리고 박리 등급은 모두 0 인 반면에 그레이징 등급은 1 이었다. 조성 #1A의 질화물 탄성 마찰 입자와 관련하여 실리콘 수지를 사용함으로써, 라이닝의 내마모성과 마찰 계수를 증가시키고, 조립체의 표면 현상 등급을 개선한다.

상기 표 13에 나타낸 바와 같이, 기본 중량이 135 파운드이고 페놀 수지 픽업 수준이 40 또는 35%인 단층 재료(비교예 3)는 528C 실험을 성공적으로 완료하지 못하였다. 이들 실험은 약 600회 실시된 후 중지되었다.

그러나, 상층(예 I)으로서 조성 #1을 구비하고 페놀 수지 픽업이 41%인 2층 구조의 재료는 실험을 성공적으로 마쳤으며, 상기 표 13에 나타낸 바와 같이, 그 재료의 최종 동 마찰 계수는 0.131 이고 마찰 페이드는 5.8% 이며, 팩 손실은 9.0 mils 이었다.

45%의 픽업 수준으로 단일층 재료(비교예 3)를 실리콘 수지로 함침시키면, 상기 표 13에 나타낸 바와 같이, 그 재료의 최종 동 마찰 계수는 0.155 까지 증가하고, 마찰 페이드는 10.4%, 팩 손실은 0 mils이 된다. 조립체 표면 그레이징 등급은 1 이었으며, 마모, 파손, 및 박리 등급은 모두 0 이었다. 실리콘 수지를 사용함으로써, 상기 실험 조건하에서 일층 마찰 재료의 마찰 성능 및 마손 성능을 향상시켰다.

상층에 조성 #1을 구비하는 2층 구조의 재료(예 I)는, 43% 및 56%의 픽업 수준의 실리콘 수지로 채웠다. 양 실험 결과, 상기 재료의 최종 마찰 계수는 약 0.174 이고, 팩 손실은 약 5.5 mils 이었으며, 마찰 페이드는 8.2% 였다. 실험 후의 라이닝 표면 상태는 우수하였다. 그레이징 등급만 1 이었으며, 마모, 파손, 및 박리 등급은 모두 0 이었다. 2층 구조의 재료는 단층 구조의 재료 보다 마찰 계수가 높았다. 실리콘를 포함하는 조성 #1의 재료는, 페놀 수지가 함침된 재료 보다 마찰력이 크다.

도 5는 조성 재료에 대한 실험 회수 대 마찰 곡선을 나타내며, 상기 조성 재료는 비교예 3 및 예 I의 내구성과 마찰력을 증가시도록 제작된 변형예를 구비한다. 곡선에서의 차이는 4198 탄성 입자, 실리콘 수지, 및 2층 구조로 구성된 재료의 효과를 나타낸다.

(예 Ⅳ)

마찰 재료의 밀도 변화는 조립체의 마찰 성능 및 마손 성능에 영향을 미친다. 밀도 조합을 다양하게 하여 단층 구조의 재료와 2층 구조의 재료를 평가하였다. 아래의 표 15에 나타낸 바와 같이, 제1 층 및 제2 층의 밀도가 동일한 경우(예 J), 제1 층의 밀도는 높고 제2 층의 밀도는 낮은 경우(예 K), 그리고 제1 층의 밀도가 낮고 제2 층의 밀도가 높은 경우(예 L)의, 2층 구조로 구성된 재료의 밀도 조합을 평가하였다.

2층 구조로 구성된 마찰 재료의 제1(바닥) 층 및 제2(상) 층 모두에 대해 동일한 재료 조성을 사용하였다. 그러나, 밀도가 높은 층을 구비하는 예들은 보다 기계적으로 정제된 면 재료를 함유한다. 면 섬유를 정제하면, 섬유의 연축성이 향상되고, CFN(Canadian Standard Freenees Number)이 낮아진다. CFN(TAPPI에 의해 고인된 T227om-94 실험 방법으로 실험한 바와 같이)은, 섬유재의 정제량 또는 연축량이 증가함에 따라 낮아진다. 연축량이 증가함에 따라(즉, CFN이 감소함에 따라), 밀도는 높아진다. 통상 또는 표준 면 섬유는 CFN이 약 550 인 반면에, 여분의 정제된 면 섬유는 CFN이 약 450 이라는 것을 이해할 것이다. 따라서, 표준 면 섬유(CFN이 약 550)로 비교적 밀도가 낮은 섬유성 기재의 시트 또는 층을 제조하는 반면에, 정제된 면 섬유(CFN이 약 450)로는 비교적 밀도가 높은 섬유성 기재의 시트 또는 층을 제조한다.

모든 경우에, 종이의 총 기본 중량은 약 200 파운드로 정하며, 그 중 제1 및 제2 층은 각각 40 파운드와 160 파운드 였다. 페놀 수지는 50 내지 55%의 픽업을 획득하기 위해 사용하였다. 모든 실험은 엑슨 1975 형 H 윤활재로 윤활하면서 절차 498에 따라 진행되었다. 마찰 재료는, 면 36.8%, 아라미드 펄프 4.8%, 셀라이트 13.6%, 및 질화규소 입자 4.8%를 포함하는 조성 #3; 질화물, 탄성 중합체 입자 4.0%의 마찰 입자; CNSL 4.0%, 매우 단단한 CNSL 12%; 및 길이가 3㎜ 인 노보로이드 섬유 10%, 길이가 0.20㎜ 인 노보로이드 섬유 10%를 포함한다.

아래의 표 15에 열거된 투과성 자료는, 걸리 덴소미터를 사용하여 특정량의 공기가 종이의 시트를 통과하는데 요구되는 시간을 측정한 측정치이다.

아래의 표 15에 기재된 뮬렌 자료는, 시편이 표준 오리피스를 덮고 있는 상태에서 고무재 격판에 의해 제어되는 액체에 일정한 속도로 압력이 가해질 경우, 종이의 파열 강도를 특정하는 실험 방법이다. 상기 실험 방법은, TAPPI 방법인 T-403를 보삽하는 방법이다.

	건 인장력	습 인장력	투과성	뮬렌	밀도	포화 밀도
예 J총(제1 층 및 제2 층) 기본 중량 201, 캘리퍼 0.03285	6000	5000	3	12	20.88	42.9
제1 층기본 중량 159.5캘리퍼 0.0325	5500	4000	2	9	19.63
예 K총(제1 층 및 제2 층) 기본 중량 196캘리퍼 0.032	5800	4700	3	12	24.5	48.5

	건 인장력	습 인장력	투과성	뮬렌	밀도	포화 밀도
제1 층기본 총중량 155.5캘리퍼 0.0285	5000	4000	2	9	21.83
예 L총(제1 층 및 제2 층) 기본 중량 204캘리퍼 0.0385	6900	5800	4	14	21.1	42.9
제1 층기본 총중량 164캘리퍼 0.032	5800	4500	3	11	20.5

두 층의 밀도와 재료 조성이 동일한 2층 구조의 재료는 2000rpm(100회 실험) 및 4800rpm(101에서 2100회 실험)의 정해진 속도 모두에서 동 마찰 크기가 비슷하다(예 J). 도 6은 예 J에 대한 2층 구조의 조립체 실험에서 마찰 곡선과 실험 회수 곡선을 나타낸다. 총 팩 손실은 2.8 mils 이었다.

도 7 및 도 8은 2층 구조로 구성된 재료의 밀도 변화를 나타낸다. 도 7은 예 K의 정 마찰 계수 및 동 마찰 계수를 나타낸다. 총 팩 손실은 0.2 mils 이었다.

도 8은 예 L의 정 마찰 계수 및 동 마찰 계수를 나타낸다. 총 팩 손실은 2.2 mils 이었다. 2층 구조로 구성된 재료의 제1 층 또는 제2 층의 밀도를 변경함으로써, 마찰 성능 및 마손 성능을 바꿀 수 있다. 투과성 자료가 나타내는 바와 같이, 가장 적절한 성능으로 인해 도 8에 도시한 바와 같이 제1 층 및 제2 층의 밀도가 낮거나 높게 되었다(예 L).

예 L은 2000rpm으로 회전하는 동안 개선된 정 마찰 계수 및 동 마찰 계수와 다소 높은 마찰 계수를 나타낸다. 상기 재료는 조립체의 내마모성이 매우 양호하다. 도 6 내지 도 8은 2층 구조로 구성된 3개의 재료(예 J, K, 및 L)의 밀도 조합을 평가하기 위한 마찰 곡선 및 실험 회수 곡선을 나타낸다.

2층 구조의 재료는 단층 구조의 재료 보다 양호하게 기능한다. 가장 바람직한 2층 구조로 구성된 재료는 밀도가 낮은 제1 층과 밀도가 높은 제2 층이 조합되어 구성된다. 2층 구조의 재료는 단층 구조의 재료 보다 내마모성이 다소 우수하다. 2층 구조의 재료로 실험한 결과 동 마찰 계수가 단층 구조로 구성된 재료의 동 마찰 계수와 비교하여 여러 실험 속도에서의 변화가 거의 없었다.

(예 Ⅴ)

절차 5004A에 따라 엑슨 1975형 H ATF로 마찰 및 마손 실험을 실시하였다. 일층 구조의 마찰 재료 또는 2층 구조의 마찰 재료를 사용하여 결과를 얻었다. 선택된 개질 실리콘 수지 및 개질하지 않은 실리콘 수지를 상기 두 개의 마찰 재료와 함께 평가하였다. 아래의 표 16에 실험 재료를 나타낸다. 예 M 및 예 N은, 아라미드 펄프 32%, 셀라이트 26%, 실리카 16%, 질화물류의 탄성 마찰 입자 16%, 유리 섬유 10%로 구성된 조성 #4를 가진다.

예 M	조성 #4로 구성된 단층 재료, 기본 중량 115 내지 125
예 N	조성 #4로 구성된 2층 재료, 기본 중량 115 내지 125제1 층; 기본 중량 80, 저밀도제2 층; 기본 중량 40, 고밀도

개질된 실리콘 수지로 함침된 표본은 개질되지 않은 실리콘 수지로 함침된 표본에 비해 전단 강도가 거의 2배 정도 된다. 개질된 실리콘 수지로 함침된 표본이 페놀 또는 다른 부서지기 쉬운 수지와 혼합되면 전단 강도가 증가한다.

개질된 실리콘 수지는 개질되지 않은 수지 보다 전단 강도가 높지만, 개질된 실리콘 수지는 개질되지 않은 실리콘 수지 보다 설정치가 비슷하거나 다소 높다. 상기 마찰 재료의 조성에서 높은 전단 강도와 개질되지 않은 실리콘의 높은 내압축력 사이에는 상호 관련이 거의 없다. 중간 크기 구멍 직경은, 고 연쇄 수지로 함침된 표본에 비해 저 연쇄 수지로 함침된 표본에서 다소 큰 경향이 있다.

450℉에서 경화되는 실리콘 수지로 함침된 2층 구조의 재료는 마찰 성능 및 마손 성능이 우수하다. 상기 재료는 팩 손실이 0.8 이었으며, 마찰 페이드 9% 이었다. 그러나, 400℉에서 경화된 동재료는 팩 마손이 21.0 mils 이고 마찰 페이드는 13% 였다. 따라서, 실리콘 수지를 사용하였을 때, 수지의 적절한 경화에 영향을 미치는 팩 손실 성능과 마찰 성능이 양호해졌다.

아래에 열거한 다양한 실리콘 수지로 2층 구조의 섬유질 기재 재료를 채웠다. 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 재료는 약 592℃에서 제1 TGA 피크가 있었고, 55.46 중량% 만큼 감소하였다. 아래의 표 17에 나타낸 바와 같이, 모든 재료는 60 내지 65 중량% 정도로 수지로 채워진다.

수지 1)	MTV 실리콘 고무, 수지/중합체 비 50:50, 30min. 400℉실리콘
수지 2)	30 min 450℉ 개질된 실리콘 평균 몰 중량 10000, 교차 결합도 1.3
수지 3)	30 min 450℉ 개질된 실리콘 평균 몰 중량 10000, 교차 결합도 1.4
수지 4)	30 min 450℉ 실리콘/페놀 홉합물 20:80

수지 5)	MTV 실리콘 고무, 수지/중합체 비 50:50 30min 450℉ 실리콘
수지 6)	30min 450℉ 개질된 실리콘 평균 몰 중량 10000, 교차 결합도 1.4
수지 7)	30min 400℉ 개질된 실리콘 평균 몰 중량 5000000, 교차 결합도 1.4
수지 8)	30min 450℉ 개질된 실리콘 평균 몰 중량 5000000, 교차 결합도 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

실리콘 양을 바꾸어 함침시키거나 실리콘/펜놀 혼합물로 함침된, 조성 #4로 구성된 단층 구조의 고온 마찰 재료(예 M)와 조성 4로 구성된 2층 구조의 고온 마찰 재료(예 N)에 대한 물리적 실험 자료를 아래의 표 18에 나타낸다.

재료의 물리적 특성, 실리콘 수지 비교

함침 수지	전단강도(lb/in²)	인장강도(lb/in²)	압축 이완 1500(lb/in²)	중간 크기 구멍의 직경(미크론)
단층 구조의 재료(예 M)
수지 1	183, 208, 201	20, 22, 21	압축 0.4581압축력 0.1067	3.33783.1466
수지 9	226, 236, 234	27, 26, 27	압축 0.4240압축력 0.1142	3.00592.9611
수지 11	84, 90, 85	11, 10, 10	압축 0.4792압축력 0.1718	3.58253.1183
2층 구조의 재료(예 N)
수지 1	172, 162, 146	23, 22, 23	압축 0.3666압축력 0.0630	2.88753.3010

함침 수지	전단강도(lb/in²)	인장강도(lb/in²)	압축 이완 1500(lb/in²)	중간 크기 구멍의 직경(미크론)
2층 구조의 재료(예 N)
수지 2	417, 373, 358	45, 45, 44	압축 0.3449압축력 0.1081	3.73163.5069
수지 3	355, 355, 330	43, 42, 43	압축 0.3432압축력 0.1460	2.77732.7956
수지 4	406, 442, 412	52, 44, 55	압축 0.2251압축력 0.0524	2.81802.3375
수지 5	188, 226, 213	28, 29, 29	압축 0.4181압축력 0.1056	3.21742.7459
수지 6	374, 332, 357	41, 45, 43	압축 0.3490압축력 0.1436	2.67252.5462
수지 7	379, 401, 388	43, 44, 42	압축 0.3878압축력 0.1864	2.53922.8858
수지 8	336, 344, 359	41, 43, 42	압축 0.3878압축력 0.1919	2.92242.7483

SAE 절차 5004A에 따라 엑슨 19875형 H ATF 윤활재를 사용하여 마찰 및 마손 실험을 실시하였다. 다음의 표 19로 실험 결과를 제공한다.

실험 절차 5004A-엑슨 1975형 H ATF, 실리콘 수지 압축

함침 수지	A-사이클 50	B-사이클 2050	C-사이클 2100	마손(in)
함침 수지	ui	uf	ui	마손(in)	uf	ui	uf
단층 구조의 재료(예 M)
수지 1예 M-1페이드	0.1680.0%	0.165+3.8%	0.133-17.4%	0.145-7.1%	0.139+3.7%	0.159-0.6%	0.0024(T136)
수지 9예 M-2페이드	0.177-2.2%	0.169+7.0%	0.145-20.8%	0.139-15.2%	0.161-4.6%	0.155-1.3%	0.0012(T230)

함침 수지	A-사이클 50	B-사이클 2050	C-사이클 2100	마손(in)
함침 수지	ui	uf	ui	마손(in)	uf	ui	uf
단층 구조의 재료(예 M)
수지 11예 M-3페이드	0.159-2.5%	0.153+2.0%	0.095@550+2.0%	0.147@550-14.5%	NA	NA	0.0276(T231)
2층 구조의 재료(예 N)
수지 1페이드	0.187-2.1%	0.174+6.1%	0.168-12.0%	0.152-13.1%	0.178+3.5%	0.1610.0%	0.0210(T225)
수지 2페이드	0.166+5.7%	0.155+6.2%	0.144@1650-3.4%	0.15213.1%	NA	NA	0.0029(T183)
수지 3페이드	0.164+3.8%	0.155+6.9%	0.136@1950-16.6%	0.129@1950-10.4%	NA	NA	0.0132(T222)
수지 4페이드	0.118-2.5%	0.129+2.4%	0.110-16.7%	0.122-4.7%	0.130+2.4%	0.136+0.7%	0.0059(T223)
수지 5페이드	0.171-2.3%	0.1510.0%	0.155-9.4%	0.145-7.1%	0.150+4.2%	0.155+2.0%	0.0008(T216)
수지 6페이드	0.163+5.2%	0.158+12.9%	0.135@1550-19.6%	0.128@1550-13.5%	NA	NA	0.0149(T224)
수지 7페이드	0.164-7.9%	0.155+4.0%	0.108@750-28.0%	0.126@750-16.0%	NA	NA	0.0189(T185)
수지 8페이드	0.171-1.2%	0.161+3.9%	0.122@850-26.5%	0.127@850-21.1%	NA	NA	0.0057(T226)

여러 가지 수지, 즉 실리콘 및 실리콘/페놀 수지를 이용하여 2층 구조로 구성된 재료를 실험하였다. 400℉ 보다는 450℉에서 경화된 실리콘 재료는, 400℉에서 경화된 동일 재료의 팩 손실이 21.0 mils 인 것에 비해 팩 손실이 0.8 mils 이었다. 실리콘/페놀 수지 혼합물로 채워진 2층 구조의 재료는, 마손이 5.9 mils 였다.

2 번의 TMA(열 기구 분석) 실험을 실시하였다: 첫 번째 실험에서는 재료를 분당 10℃ 씩 750℉ 까지 가열하는 한편 크기 변화를 측정하였으며(방법 A), 두 번째 실험에서는 분위기에서 500℃ 까지 5회의 열 사이클을 포함하며 최종 온도를 750℃로 높인다(방법 B).

재료의 열 비교, 실리콘 수지 비교

함침 수지	TMA-방법 A30C-750C	TMA-방법 B30C-500C, 750C
	제1 피크	제2 피크	제1 피크	제2 피크
단층 구조의 재료(예 M)
수지 1	+44.57u@273.4C	-23.72u@507.4C	+43.05u@274.5C	-14.6u@513.82
수지 9	+26.81u@270.0C	-15.99u@520.1C		-40.3u@742.6C
수지 11	+40.83u@294.9C	-10.37u@443.1C	+53.5u@326.2C	+583.9u@592.3C
2층 구조의 재료(예 N)
수지 1	+48.80u@280.7C	-23.15u@505.9C	+40.1u@287.9C	+474.1u@734.3C
수지 2	+30.30u@271.4C	+23.8u@551.8C	+40.3u@287.7C	+265.6u@552.0C
수지 3	+23.78u@270.1C		+12.8u@266.2C	+13.8u@555.5C
수지 4	+22.62u@282.2C	-44.22u@491.1C		+540.2u@576.7C
수지 5	+44.69u@287.9C	-12.24u@487.9C	+29.2u@291.2C	-24.9u@503.7C
수지 6	+23.61u@275.4C		+19.9u@271.7C	-18.6u@598.5C
	제1 피크	제2 피크	제1 피크	제2 피크
수지 7	+2.73u@257.6C	-20.89u@427.2C	-63.5u@619.0C	+248.0u@740.5C
수지 8	-7.86u@257.6C	-43.47u@491.6C	+14.9u@287.2C	+458.4u@739.0C

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

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

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

도 9는 예 N의 써말가비메트릭 분석(TGA, thermalgavimetric analysis)을 나타낸다. TGA 곡선은 높은 온도를 나타내고 있는데, 이는 내열성이 증가함을 나타낸다. 중량의 변화율은 35.1% 였다. 중량 손실 속도가 늦을수록 마찰 재료의 내열성은 더욱 증가한다.

(예 Ⅵ)

마찰 재료와 면하는 고성능의 2층 구조로 구성된 종이로 합성된 습식 클러치는, 고온, 고에너지, 저압축력의 재료 조성을 포함하는 제2 층과 비선형 탄성 및 다공성 조성을 가지는 제1 층을 포함한다. 2층 구조의 합성 재료는, 다공성이고 비선형적으로 탄성적이며, 압축력이 낮다. 2층 구조로 합성된 습식 클러치 면을 포함한 마찰 재료는, 제2 층 재료를 단독으로 사용한 단층 구조의 재료 보다 마찰 성능이 상당히 개선되었다.

제2 층은, 약 10 내지 40%의 다공성 활성탄, 약 10 내지 약 30%의 면 섬유, 약 5 내지 약 30%의 정밀 절단한 아라미드 섬유, 약 20%의 합성 그래파이트, 및 약 40%의 필러를 포함하는 조성 #5를 구비한다. 제1 층은, 약 5 내지 30%의 비선형 탄성 PET 섬유, 약 20 내지 약 60%의 면 섬유, 약 10 내지 약 40%의 필러를 포함하는 조성 #6을 구비한다. 양호한 실시예에 있어서, 제1 층은, 면 약 55%, 비선형 탄성 PET 섬유 약 10%, 라텍스 가공 첨가제를 약 2% 포함한다. 제2 층은 2층 구조로 구성된 합성 재료의 총 두께의 약 5 내지 30%를 차지하며, 바람직하게는 약 20% 정도 차지한다. 생성된 2층 구조의 합성 재료는 다공성이며 비선형적으로 탄성적이다. 습식 클러치면에 사용되는 2층 구조의 합성 재료는, 단층 구조의 고온 재료 보다 마찰 성능이 상당히 개선되었다.

비교예 8	조성 #5, 45% 페놀 수지 PU, 최종 밀도 47.4 lb/ft²
비교예 9	조성 #6
예 O	조성 #5로 구성된 제2 층, 조성 #6으로 구성된 제1 층44%의 페놀 수지 PU, 최종 밀도 44.4 lb/ft²

표본은 공지된 픽업 수준의 페놀 수지로 포화되었다. 표 22에 나타낸 자료는 비교예 8, 비교예 9, 및 예 O 의 평균 구멍 직경을 미크론으로 나타낸다. 예 O의 2층 구조로 구성된 재료는, 평균 구멍 직경이 비교예 8 또는 비교예 9 보다 크다. 표본은 모두 경화 압축되어, 최종 밀도는 45 내지 47 lb/ft²가 된다.

	평균 구멍 직경(미크론)
비교예 8	2.599
비교예 9	3.845
예 O	3.894

비교예 8, 비교예 9, 예 O를 이용하여 압축 이완 실험을 실시하였다. 압축율은 재료를 압축한 후, 그 재료가 최초의 크기로 복귀하는 능력을 측정한 값이다. 도 13은 풀팩 실험(527C), 고온 실험을 이용하여 비교예 8, 비교예 9, 및 예 O에 대한 고속 동 마찰 계수와 사이클 자료를 나타내고 있다.

2층 구조의 마찰 재료는 다공성이며, 비선형적으로 탄성적이다. 비교예 8 또는 비교예 9의 단층 보다 마찰 성능이 상당히 개선되었다. 동 마찰 계수는 10 내지 25% 높아지고, 내마모성은 20 내지 50% 증가한다.

게다가, 내열성이 향상되고 정 마찰 계수에 대한 동 마찰 계수의 비가 낮아진다. 2층 구조의 마찰 재료는, 일층 구조의 재료 보다 구멍 크기가 커지고, 압축 이완 작용이 적으며, 수지 픽업이 전체적으로 증가한다.

도 10은 비교예 8의 압축 및 압축력을 나타낸다. 도 11은 비교예 9의 압축 및 압축력 자료를 나타낸다. 도 12는 예 O의 압축 및 압축력을 나타낸다.

본 발명은, 클러치 판, 변속 밴드, 브레이크 슈우, 싱크로나이저 링, 마찰 디스크 또는 시스템 판, 및 토오크 변환기에 사용하기 위한 에너지 마찰 재료로서 유용하다.

양호한 일 실시예 및 변형 실시예에 대한 상기 설명은 예시하기 위한 것으로, 다음의 특허 청구 범위의 범위 및 내용을 한정하지는 않는다.

Claims

비석면(non-asbestos) 마찰 재료에 사용되는 2층 구조의 섬유질 기재 재료에 있어서,

제1 층 또는 하층에 부착된 제2 층 또는 상층을 구비하며, 상기 제1 층은 비선형 탄성 섬유, 면 섬유, 및 필러재를 포함하며, 상기 제2 층은 다공성 탄소, 면 섬유, 아라미드 섬유를 포함하는 한편 합성 그래파이트, 필러재, 및 가공 첨가제는 선택적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 2층 구조의 섬유질 기재 재료.
제1 항에 있어서, 상기 제2 층은 결합된 두 층의 총 두께의 약 2 내지 약 50%를 구성하는 것을 특징으로 하는 2층 구조의 섬유질 기재 재료.
제1 항에 있어서, 상기 제1 층은 그 중량에 기초하여 비선형 탄성 섬유를 약 5 내지 약 30 중량%, 면 섬유를 0 내지 약 60 중량%, 필러재를 약 10 내지 약 40 중량%, 마찰 입자를 약 0 내지 약 20 중량%, 그리고 라텍스형 가공 첨가제를 0 내지 약 3 중량% 구비하는 것을 특징으로 하는 2층 구조의 섬유질 기재 재료.
제1 항에 있어서, 상기 제2 층은 그 중량에 기초하여 면 섬유를 0 내지 약 55 중량%, 아라미드섬유를 약 5 내지 약 45 중량%, 다공성 탄소를 0 내지 약 40 중량%, 필러재를 0 내지 약 40 중량%, 합성 그래파이트를 0 내지 약 20 중량% 구비하는 것을 특징으로 하는 2층 구조의 섬유질 기재 재료.
페놀 수지 또는 개질된 페놀 수지, 실리콘 수지 또는 개질된 실리콘 수지, 또는 페놀 수지 또는 개질된 페놀 수지와 실리콘 수지 또는 개질된 실리콘 수지의 혼합물로 함침된 청구항 1항의 2층 구조로 구성된 섬유질 기재 재료를 구비하는 것을 특징으로 하는 비석면 마찰 재료.
개질된 에폭시 페놀 수지로 함침된 청구항 5항의 2층 구조로 구성된 섬유질 기재 재료를 구비하는 것을 특징으로 하는 비석면 마찰 재료.
제5 항에 있어서, 수지를 약 30 내지 약 65 중량% 구비하는 것을 특징으로 하는 비석면 마찰 재료.
클러치면 형태인 것을 특징으로 하는 청구항 6항에 따른 마찰 요소.
브레이크 슈우 라이닝 형태인 것을 특징으로 하는 청구항 6항에 따른 마찰 요소.
비선형 탄성 섬유, 면 섬유, 및 필러재를 구비하는 제1 층을 형성하는 단계; 및

상기 제1 층에 제2 층을 부착하는 단계를 포함하며,

상기 제2 층은 다공성 탄소, 면 섬유, 아라미드 섬유를 구비하는 한편 필러재, 합성 그래파이트는 선택적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 비석면 마찰 재료 제작 방법.