KR20060046781A - 나노입자의 마찰변형층을 포함하는 마찰재 - Google Patents
나노입자의 마찰변형층을 포함하는 마찰재 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 다공성 기저재, 적어도 한 유형 이상의 수지 재료 및 적어도 한 유형 이상의 나노입자 크기 마찰변형입자를 포함하는 마찰재에 관한 것이다. 상기 수지 재료 및 나노입자 크기 마찰변형입자들은 상기 기저재 전체에 균일하게 분산된다.
Description
도 1a는 섬유성 베이스 및 마찰변형입자를 가지는 종래 기술의 마찰재를 도시한 개략적인 다이어그램;
도 1b-1d는 입자들의 상대적 크기를 도시한 개략도로서, 도 1b는 직경 10-15 마이크로미터의 대표적인 섬유; 도 1c는 10-20 마이크로미터의 대표적인 평균 크기의 이원자 입자; 도 1d는 0.01 마이크로미터의 나노입자 크기를 도시한 개략적인 다이어그램;
도 2는 섬유 위의 나노입자 크기 마찰변형입자의 층 또는 부분적인 코팅을 도시한 개략도; 및
도 3은 기저재에서 섬유 위의 나노입자 크기 마찰변형재료를 도시한 개략도이다.
본 발명은 다공성 기저재(porous base material)와 적어도 한 유형의 나노입자 크기 마찰변형입자(nanoparticle-sized friction modifying particles)를 포함하는 다공성 마찰재에 관한 것이다. 본 발명의 마찰재는 높은 마찰 계수 특성, 매우 강한 셔더링 방지 특성 및 극도의 고열 저항성을 가진다. 또한, 이 마찰재는 개선된 강도, 마모 저항성 및 소음 저항성을 가진다.
자동차 산업 분야에서는 연속 슬립 토크 컨버터와 시프팅 클러치 시스템을 가지는 새롭고 진보된 연속 토크 트랜스미션 시스템이 개발되고 있다. 이러한 새로운 시스템들은 종종 고에너지를 요건을 요구한다. 그러므로, 이러한 진보된 시스템의 고에너지 요건를 만족시키기 위하여 마찰재 기술 역시 향상되어야 한다.
특히, 새로운 개념의 고효율 내구성 마찰재가 요구된다. 새로운 개념의 마찰재는 표면 속도가 약 65m/sec에 이르는 고속을 견딜 수 있어야 한다. 또한, 마찰재는 약 1500psi에 이르는 표면 라이닝(lining) 압력을 견딜 수 있어야 한다. 마찰재는 또한 제한된 윤활 환경 내에서도 사용할 수 있어야 한다.
마찰재는 진보된 시스템에 유용하게 사용될 수 있도록 내구성 및 높은 내열성을 가져야 한다. 마찰재는 고온에서 안정적이어야 하며, 동작 중 발생하는 고열을 빠르게 분산시킬 수 있어야 한다.
새로운 시스템은 결합 및 분리 과정에서 고속력이 발생하므로 결합시에 마찰재는 상대적으로 일정한 마찰력을 유지해야 한다. 기어간의 동력시프트(power shift)에 있어 브레이크 또는 트랜스미션 시스템에서 "셔더링(shuddering)"을 최소화하기 위하여 마찰재 결합은 넓은 범위의 속도와 온도에서 비교적 일정한 것이 중 요하다. 또한, 마찰재는 바람직한 토크(torque) 굴곡 형태를 구비하여 마찰 결합에 있어 소음 또는 "스쿼커(squawk)" 소음을 방지하는 것이 중요하다.
특히, 트랜스미션 및 토크-온-디맨드(torque-on-demand) 시스템들에는 주로 연료 효율 및 구동 안정감을 위해 슬립 클러치(slipping clutch)가 구비된다. 이러한 시스템에서 슬립 클러치의 역할은 습식 시동 클러치(start clutch)와 같은 차량 발진 장치에서부터 토크 변환 클러치에 이르기까지 다양하다. 동작 조건에 따라, 슬립 클러치는 대략 다음의 세 가지 종류로 주로 분류된다: (1)습식 시동 클러치와 같은 저압력 고슬립 속도 클러치; (2)컨버터 클러치와 같은 고압력 저슬립 속도 클러치; 및 (3)중립(neutral)에서 아이들(idle) 클러치와 같은 초저압력 저슬립 속도 클러치.
적용 분야에 관계없이, 슬립 클러치의 주 역할은 셔더링 방지 및 마찰 경계면(interface)에서의 에너지 관리에 있다. 셔더링은 마찰재의 마찰특성, 결합면의 경도 및 거칠기, 오일막 유지, 윤활유 화학물 및 상호작용, 클러치 동작 조건, 구동라인(driveline) 조립체 및 하드웨어 정렬, 및 구동라인의 오염을 포함하는 많은 요인으로 인하여 발생할 수 있다. 마찰 경계면의 에너지 관리는 주로 계면 온도 제어와 관련되며, 펌프 용량, 유로 및 제어 방법에 의해 많은 영향을 받는다. 마찰재 표면 디자인 역시 계면 에너지 관리의 효율성에 큰 영향을 미친다.
종래에는, 마찰재에 내열성을 위하여 석면 섬유가 포함되었다. 그러나 인체 및 환경에 미치는 해약 문제로 인해 석면은 더 이상 사용되지 않는다. 좀 더 최근의 마찰재들은 석면을 사용하지 못하는 단점을 함침 종이(impregnating paper) 또 는 페놀 수지나 페놀계 수지(phenolic-modified resins)를 가진 섬유 재료로 변경하는 방식으로 극복하고자 하였다. 그러나, 이러한 마찰재들은 발생된 고열을 신속히 분산시키지 못할 뿐더러, 최근 개발된 고속 시스템에 사용되기 위해 필요한 내열성 및 충분히 높은 마찰계수 성능을 가지고 있지 못하다.
미국특허 No. 5,585,166(Kearsey)에는, 다공성 기저층(셀룰로오스와 합성섬유, 충전재 및 열경화성 수지)과 기저층보다 더 큰 다공성을 가지는 다공성 마찰층(열경화성 수지에 비직조 합성섬유)을 가지는 다층 마찰 라이닝이 개시되어 있다.
미국특허 No. 5,083,650(Seiz)은 다단계 함침 및 경화(curing)처리에 관한 것이다; 즉, 코팅 조성물로 함침된 종이 위에 탄소 입자가 올려지고, 그 종이의 코팅 조성물이 부분적으로 경화되며, 제 2 코팅 조성물이 부분적으로 경화된 종이에 도포되고, 마지막으로 양 코팅 조성물이 경화(cured)된다.
양수인인 보르그워너사(BorgWarner Inc)가 공동 소유하는 여러가지 종이를 기반으로 하는 섬유성 물질이 마찰재로서 개발되었다. 이들 문헌은 본 명세서에서 참조로서 통합된다.
특히, 미국특허 No. 5,998,307(Lam 외)은 적어도 하나의 섬유성 재료를 포함하고 경화 가능한 수지로 함침된 제1 섬유성 기저재와 이러한 제1 층 표면의 적어도 약 3 내지 90%를 덮는 탄소 입자를 포함하는 제2 층으로 구성된 마찰재에 관한 것이다.
미국특허 No. 5,858,883(Lam 외)은 덜 세섬유화된(less fibrillated) 아라미 드 섬유, 합성 그래파이트(graphite) 및 충전재(filler)의 제1 층과 제1 층의 표면 위에 탄소 입자를 포함하는 제2 층을 가지는 기저재에 관한 것이다.
미국특허 No. 5,856,224(Lam 외)은 경화 가능 수지로 함침된 기저재를 포함하는 마찰재에 관한 것이다. 제1 층은 덜 세섬유화된 아라미드 섬유, 합성 그래파이트 및 충전재를 포함하고, 제 2 층은 탄소 입자 및 보유 보조제(retention aid)를 포함한다.
미국특허 No. 5,958,507(Lam 외)은 덜 세섬유화된 아라미드 섬유를 포함하는 섬유성 재료의 적어도 한 표면의 약 3 내지 90%가 탄소 입자로 코팅된 마찰재의 제조 방법에 관한 것이다.
미국특허 No. 6,001,750(Lam 외)은 경화 가능한 수지로 함침된 섬유성 기저재를 포함하는 마찰재에 관한 것이다. 다공성 제1 층은 덜 세섬유화된 아라미드 섬유, 탄소 입자, 충전물질, 페놀 노볼로이드 섬유 및 선택적으로 면 섬유를 포함한다. 제 2 층은 상기 표면의 대략 3 내지 90%을 덮는 탄소 입자를 포함한다.
또 다른 본 출원인의 공동 소유 미국출원 No. 09/707,274는 그 표면적의 대략 3 내지 90%를 덮는 마찰변형입자를 가진 다공성 제1 섬유성 기저층을 가진 종이 유형 마찰재에 관한 것이다.
또한, 보르그워너사가 공동 소유한 미국특허 No. 5,753,356 및 No. 5,707,905에도 다양한 종이 유형 섬유성 기저재들이 개시되어 있는데, 이에 따르면 기저재는 덜 세섬유화된 아라미드 섬유, 합성 그래파이트 및 충전재를 포함한다.이들 문헌 역시 본 출원에서 참조로서 통합된다.
또 다른 공동 소유 특허권인 미국특허 No. 6,130,176은 덜 세섬화된 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 탄소 입자 및 충전재를 포함하는 비금속 종이 유형 섬유성 기저재에 관한 것이다.
"습식" 처리에서 유용하게 사용되려면, 모든 유형의 마찰재는 넓은 범주의 다양한 적응 특성(acceptable characteristics)을 구비하여야 한다. 마찰재는 우수한 셔더링 방지 특성을 가지고; 높은 내열성을 가지며 열을 신속히 분산시킬 수 있어야 하고; 오래 지속되고 안정적이며 지속적인 마찰 성능을 가져야 한다. 이러한 특성중 하나라도 충족되지 않는다면, 마찰재의 최적의 성능은 달성되지 않는다.
또한, 고에너지 적용 마찰재를 형성하기 위하여 마찰재에 적절한 함침 수지를 사용하는 것이 중요하다. 마찰재는 사용중 브레이크 유체 또는 트랜스미션 오일가 주입될 때 우수한 전단 강도(shear strength)를 가져야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 선행 기술에 비해 신뢰도가 높고 향상된 성능을 갖는 개선된 마찰재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 향상된 "셔더링 방지(anti-shudder)", "핫-스팟(hot spot)" 저항성, 높은 내열성, 마찰안정도, 내구성 및 강도(strength)를 가지는 마찰재를 제공하는 것이다.
본 발명은 기저재에 적어도 한 유형의 마찰변형입자를 가지는 다공성 기저재를 포함하는 마찰재에 관한 것으로, 상기 마찰변형재료는 적어도 한 유형의 나노입자 크기 마찰변형입자를 포함한다.
나노입자 크기 마찰변형입자는 기저재가 형성될 때 다공성 기저재에 첨가된다. 기저재를 형성하는 과정 중, 나노입자 크기 마찰변형입자들은 기저재를 포함하는 각 섬유 및/또는 충전재(fillers)에 축적된다. 마찰 재료를 구성하는 각 섬유 및/또는 충전재는 그 위에 약 0 내지 약 250㎛ 두께의 나노입자 크기 마찰변형입자의 층(layer) 또는 부분적인 코팅을 가질 수 있다. 나노입자 크기 마찰변형입자는 약 10㎚ 내지 약 150㎚ 크기의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서 나노입자층 또는 부분적인 코팅은 기저재의 각 섬유 및 충전재 면적의 약 0 내지 약 99%를 덮고, 다른 실시예에서 나노입자들은 기저재의 각 섬유 및/또는 충전재 면적의 약 3 내지 약 20%를 덮는다. 또한, 일부 실시예에 의하면, 나노입자들은 기저재의 각 섬유 및/또는 충전재를 적어도 부분적으로 덮는다.
일부 바람직한 실시형태에서, 마찰변형입자는 실리카 나노입자를 포함한다. 어떤 다른 실시형태에서는, 마찰변형입자는 실리카 입자 및 적어도 하나의 다른 나노입자 크기 마찰변형입자를 더 포함할 수 있다.
일면에서, 마찰재는 다공성 기저재, 적어도 한 유형의 수지 재료 및 적어도 한 유형의 나노입자 크기 마찰변형입자를 포함한다.
본 발명에 따르면, 나노입자의 층 또는 부분적인 코팅은 섬유성 마찰 기저재 위와 안에 축적된다. 나노입자는 내부 구조로 침투하여 기저재의 섬유 및/또는 충 전재 성분에 고착된다.
이론에 구속될 것은 아니지만, 나노입자가 기저재의 섬유에 고착될 때 마찰재에 부가적인 기계적 강도와 마찰 특성을 제공하는 것으로 믿어진다. 나노입자는 상당히 작고 이에 비하여 섬유/충전재는 상대적으로 큰 표면적을 가져, 니노입자는 기저재가 존재하는 섬유 및/또는 충전재의 표면에 부착된다. 기저재에 있는 섬유/충전재에 비하여 나노입자의 크기는 상당히 작아서, 나노입자 크기의 마찰변형물질은 기저재 전체에 상당히 고르게 분산된다.
기저재에 나노입자를 첨가하여 기저재를 포함하는 각 섬유 및/또는 충전재의 표면에 축적시키는 것의 한 가지 장점은 마찰 능력이 향상된다는 것이다(예를 들어, 더 높은 마찰계수; 더 나은 mu-v 기울기 등).
일부 실시 형태에서, 나노입자는 약 10㎚ 내지 150㎚ 범위의 직경을 가진다. 또한, 어떤 실시형태에서, 나노입자들은 기저재를 포함하는 각 섬유 및/또는 충전재에 그룹 또는 덩어리로 축적되는 나노입자 클러스터(cluster)를 형성한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 나노입자 마찰변형입자들은 고성능 마찰재로서의 다른 바람직한 특징을 유지하면서 바람직한 높은 투과성(permeability)을 가지는 오픈된, 또는 실질적으로 다공성인 기저재를 형성할 수 있게 한다. 이런 나노입자 크기 마찰변형입자를 포함하는 기저재의 높은 투과성은 마찰재에 바람직한 흐름 및 셔더링 방지 특성을 제공하면서 마찰재가 바람직한 양의 유체를 보유할 수 있게 한다.
일부 실시형태에서, 본 발명은 다공성 또는 높고(lofty) 오픈된 기저재를 가 지는 마찰재에 관한 것이다. 이 마찰재는 바람직한 낮은 밀도를 가지고, 수지가 마찰재에 침지되도록 하는 섬유 구조를 가진다. 이 마찰재는 열적 및 기계적 스트레스에 잘 대응할 수 있게 하는 상당히 우수한 내열성 및 마찰계수 특성을 가진다.
다른 측면에서, 본 발명은 "거대 다공(macro porous)" 섬유성 기저재(예를 들어, 직조된 기저재와 같은)에 관한 것이다. 다공성 기저재의 큰 구멍은 나노입자 크기 마찰변형재료가 다공성 기저재의 빈 곳이나 틈새에 안착되도록 한다. 본 발명의 거대 다공성 마찰 재료에서, 큰 구멍은 유체의 오염원이 마찰재를 쉽게 통과하게 한다. 관련 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 것처럼, 윤활유는 시간이 지남에 따라 품질이 저하하고 부스러기가 발생한다. 본 발명의 마찰재는 사용 수명 중 마찰재의 마찰 거동을 일정하게 유지한다.
본 발명의 다른 측면에서, 기저재의 평균 기공의 부피는 약 40% 내지 80%이다. 일부 실시예에서, 다공성 기저재는 약 70-85 중량%의 섬유와 약 10-30 중량%의 충전재를 포함한다. 일부 실시예에서, 다공성 기저재는 약 80% 섬유와 약 20% 충전재를 포함할 수 있다.
어떤 실시형태에서, 기저재는 약 2 내지 10㎛의 구멍/기공/틈새 직경을 가지고, 약 5 내지 7㎛의 평균 직경을 가진다.
또한, 어떤 실시형태에서 마찰변형입자는 실리카 나노입자를 포함하고, 다른 실시형태에서 나노입자는 다른 마찰변형입자의 혼합물과 결합할 수 있다.
또한, 일부 실시예에서, 마찰변형입자는 나노입자 크기 재료 및 더 큰 크기의 마찰변형입자의 혼합물을 포함한다.
기저재에서 마찰변형입자의 나노입자는 마찰재에 개선된 3차원 구조를 제공한다.
다른 한편으로, 본 발명은 다공성 기저재가 포화제로 포화되는 마찰재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 포화제는 적어도 하나의 수지재 및 적어도 한 유형의 나노입자 크기 마찰변형입자를 포함할 수 있으며, 따라서 복수의 나노입자 크기 마찰변형입자들이 기저재를 포함하는 각 섬유 및/또는 충전재에 층 또는 부분적인 코팅을 형성할 수 있다. 포화된 기저재는 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 경화된다.
다른 한편으로, 본 발명은 적어도 하나의 경화 가능 수지재와 적어도 한 유형의 나노입자 크기 마찰변형입자의 혼합물을 포함하는 포화제를 준비하고, 다수의 틈새가 고루 퍼져있는 다공성 기저재를 준비하며, 다수의 나노입자 크기 마찰변형입자들이 기저재를 포함하는 각 섬유에 적어도 부분적으로 축적되고 수지재가 기저재 전체에 고르게 분산되도록 다공성 기저재를 포화제로 포화시켜 마찰재를 제조하는 방법을 포함한다.
상기의 요건을 달성하기 위하여, 많은 마찰재가 작동중 나타날 수 있는 여러 가지 유사한 조건에서 마찰 특성 및 열 저항성이 평가되었다. 현재 유통되는 마찰재들을 모두 시험하였으나 고에너지 적용예에 사용하기에는 적합하지 않은 것으로 밝혀졌다.
본 발명에 따르면, 마찰재는 다공성 기저재 전체에 균일하게 분산된 경화 가능 수지와 다공성 기저재 전체에 분산된 거의 균일한 양의 나노입자 크기 마찰변형 재료를 가진다.
기저재는 한편으로는 긴 섬유 직조 재료와 같은 상당한 다공성 재료를 포함하고, 다른 한편으로는 상당한 다공성의 비직조 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 다공성 기저재는 약 75중량% 내지 85중량%, 일부 실시예에서는 약 80중량%의 높은 함량의 섬유를 가진다. 기저재는 또한 약 15중량% 내지 25중량%, 일부 실시예에서는 약 20중량%의 충전재를 포함한다. 기저재에서 적은 양의 충전재는 측면 투과성을 상당히 증가시킨다.
다른 실시예에서, 나노입자 크기 마찰변형입자는 또한 금속 산화물, 질화물, 탄화물 및 그 혼합물과 같은 다른 마찰변형입자를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들은 예를 들어 실리카 산화물, 철 산화물, 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물 및 그 와 유사한 것들; 실리카 질화물, 철 질화물, 알루미늄 질화물, 티타늄 질화물 및 그와 유사한 것들; 및 실리카 탄화물, 철 탄화물, 알루미늄 탄화물, 티타늄 탄화물 및 그와 유사한 것들을 포함할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다.
예를 들어 직물, 직조 및/또는 비직조 재료를 포함하는 비석면 섬유성 기저재를 포함하는 다양한 섬유성 기저재가 본 발명의 마찰재에 사용될 수 있다. 예를 들어 적절한 섬유성 기저재는 섬유와 충전재를 포함한다. 상기 섬유는 유기 섬유, 무기 섬유 및 탄소 섬유일 수 있다. 유기 섬유는 세섬유화된 및/또는 세섬유화되지 않은 아라미드 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리아미드 섬유, 면/셀룰로오즈 섬유 등일 수 있다. 예를 들어, 충전재는 실리카, 규조토, 흑연, 알루미나, 캐슈 가루(cashew dust) 등일 수 있다.
다른 실시예에서, 기저재는 섬유성 직조 재료, 섬유성 비직조 재료 및 종이 재료를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용할 수 있는 여러 형태의 섬유성 기저재의 예들은 본 명세서에 참조로 기술된 상기 보르그워너사의 미국특허에 개시되어 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서는 그 외 다른 섬유성 기저재가 포함될 수도 있다.
일부 실시예에서, 마찰재는 다수의 기공 또는 틈을 가지는 기저재를 포함한다. 섬유성 기저재에서 상기 기공의 크기는 약 0.5㎛ 내지 약 20㎛의 범위일 수 있다.
일부 실시예에서, 섬유성 기저재가 "조밀한" 직조 재료와 비교하여 "다공성"으로 여겨지도록 기저재는 바람직하게는 약 60 내지 약 85%의 기공 체적을 가진다. 마찰재는 방사상 방향 및 수직 방향으로 거의 동일한 투과성을 가진다.
본 발명은 일면 새로운 미세구조화된 표면을 가지는 마찰재에 관한 것이다. 미세구조화된 표면 마찰재는 더 높은 마찰계수, 더 강한 셔더링 방지 특성 및 상당히 높은 내열성을 가진다.
본 발명은 일면 다공성 또는 높고 오픈된 기저재를 가지는 마찰재에 관한 것이다. 상기 재료는 낮은 밀도를 가지고 수지 재료가 기저재에 침지되게 하는 섬유 구조를 가진다. 마찰재는 상당히 우수한 내열성과 우수한 마찰계수 특성을 가지며 따라서 열적 및 기계적 스트레스에 잘 대응할 수 있다.
다른 측면에서, "거대 다공" 섬유성 재료는 마찰변형재료로 부분적으로 덮혀지지 않은 표면을 가진다. 큰 구멍은 나노입자 크기 마찰변형재료가 기저재의 기공 또는 틈에 안착되도록 한다. 본 발명의 거대 다공 마찰재에서, 큰 구멍은 유체내의 오염원들이 쉽게 통과할 수 있게 한다. 윤활유는 시간이 경과하면 품질이 저하되고, 부스러기가 생긴다. 본 발명의 마찰재는 그 마찰 거동을 일정하게 유지한다.
일부 실시예에서, 마찰재는 또한 섬유성 기저재의 기공을 적어도 부분적으로 채우는 수지 재료를 포함한다. 상기 수지 재료는 기저재의 두께 전체에 상당히 균일하게 분산된다.
일부 실시예에서, 기저재는 덜 세섬유화된 섬유와 탄소 섬유가 마찰재에 바람직한 구멍 구조를 제공하기 위하여 섬유성 기저재에 사용되는 섬유성 기저재를 포함한다. 섬유의 형상은 향상된 내열성을 제공할 뿐 아니라 갈라짐과 마찰 소음 또는 소음에 대한 저항성을 제공한다. 또한, 일부 실시예에서는 섬유성 기저재에 탄소 섬유와 탄소 입자를 포함시킴으로써 내열성을 증가시키고, 마찰계수를 일정하게 유지하며 마찰 소음 저항성을 개선시킨다. 일부 실시예에서, 섬유성 기저재에 면섬유를 포함시킴으로써 마찰재의 클러치 "브레이크-인(break-in)" 특성을 개선할 수 있다.
덜 세섬유화된 아라미드 섬유와 탄소 섬유를 섬유성 기저재에 사용함으로써 마찰재의 고온 저항도를 향상시킨다. 덜 세섬유화된 아라미드 섬유는 일반적으로 중심 섬유에 부착된 미세 섬유를 거의 가지지 않는다. 덜 세섬유화된 아라미드 섬유를 사용함으로써 더 많은 다공성 구조를 가진 마찰재를 제공한다; 즉, 일반적인 세섬유화된 아라미드 섬유를 사용하는 경우보다 더 큰 구멍이 있다. 다공성 구조는 일반적으로 구멍의 크기와 액체 투과성으로 나타낸다.
또한, 일부 실시예에서, 아라미드 섬유는 약 0.5 내지 10mm의 길이와 약 300보다 큰 캐나다 여수도 표준(Canadian Standard Freeness)(CSF)을 가지는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서는, 약 450 내지 550, 바람직하게는 약 530 또는 그보다 큰 CSF; 및 다른 실시예에서는, 약 580-650 및 그 이상, 바람직하게는 약 650 및 그 이상의 CSF를 가지는 덜 세섬유화된 아라미드 섬유를 사용하는 것이 또한 바람직하다. 대조적으로, 아라미드 펄프와 같은 더 세섬유화된(more fibrillated) 섬유는 약 285-290의 여수도를 가진다.
"캐나다 여수도 표준(Canadian Standard Freeness)"(T227 om-85)은 섬유의 피브릴화 정도를 섬유의 유수도를 측정하여 나타낸 것이다. CSF 실험은 물 1리터에 섬유 3그램이 녹은 현탁액이 건조되는 속도의 임의 측정을 제공하는 실험 절차이다. 그러므로 덜 세섬유화된 아라미드 섬유는 더 세섬유화된 아라미드 섬유 또는 펄프보다 더 높은 여수도 또는 마찰재에서 더 빠른 유체 건조 속도를 갖는다. CSF 값이 약 430-650(일부 실시예에서는 바람직하게는 약 580-640 또는 바람직하게는 620-640)에 해당하는 아라미드 섬유로 구성된 마찰재들은 보통 더 세섬유화된 아라미드 섬유를 함유한 마찰재보다 훨씬 우수한 마찰 성능을 제공하며 더 나은 재질 특성을 가진다. 섬유 길이가 길고 CSF가 높을수록 마찰재는 고강도, 높은 공극률, 그리고 우수한 내마모성을 가진다. 덜 세섬유화된 아라미드 섬유(CSF 약 530-650)는 특히 우수한 장기 내구성과 안정적인 마찰계수를 가진다.
또한, 다양한 충전재가 본 발명의 섬유성 기저재에 사용될 수 있다. 특히, 규조토와 같은 실리카 충전재가 유용하다. 그러나, 다른 유형의 충전재 역시 본 발 명에 적합할 수 있으며, 충전재의 선택은 마찰재의 특정 요건에 달려있다.
일부 실시예에서, 섬유성 재료에 더 높은 마찰계수를 제공하기 위하여 본 발명의 섬유성 기저재에 면섬유가 첨가된다. 일부 실시예에서, 약 10 내지 20%, 그리고 일부 실시예에서는 약 10%의 면이 섬유성 기저재에 첨가될 수 있다.
섬유성 기저재를 위한 제형의 일 예는, 약 15 내지 25% 면, 약 40 내지 50% 아라미드 섬유, 약 10 내지 20% 탄소 섬유, 약 5 내지 15% 탄소 입자, 약 5 내지 15% 셀라이트(celite) 및 선택적으로 약 1 내지 3% 라텍스를 포함한다.
섬유성 기저재가 더 큰 평균 구멍 직경 및 유체 투과성을 가질 때, 마찰재는 다공성 구조를 통한 더 나은 자동 트랜스미션 유체 흐름 때문에 더 낮은 온도에서 작동하거나 트랜스미션에서 발생하는 열을 덜 받게 된다. 트랜스미션 시스템의 작동 중, 시간이 지남에 따라 유체는 품질이 저하되고 특히 고온에서 "오일 침전물"을 형성한다. 이러한 "오일 침전물"은 구멍 입구를 축소시킨다. 따라서, 마찰재가 처음에 더 큰 구멍으로 시작할 경우, 마찰재 사용 기간 동안 더 많은 구멍이 열린 상태로 남아 있게 된다.
섬유성 기저재에서 마찰변형입자들은 마찰재에 개선된 3차원 구조를 제공한다.
마찰변형재료는 유체 윤활유를 기저재에 유지하고 마찰재의 오일 보유력을 증가시킨다. 그러므로 본 발명의 마찰재는 그 표면에 오일막이 유지되도록 할 수 있다. 이는 또한 우수한 마찰계수 특성과 우수한 슬립(slip) 내구 특성을 제공한다.
섬유성 기저재에서 나노입자 크기 마찰변형입자의 양은, 기저재의 각 섬유 및/또는 충전재 위에 축적된 나노입자 크기 마찰변형입자들이 기저재에 3차원 구조를 제공하도록 충분히 임의적이다. 이러한 3차원 구조는 각 섬유 및/또는 충전재에서 기저재의 각 섬유 사이의 기공 또는 틈에 있는 마찰변형재료의 각 입자로 구성된다.
기저재에 침착된 나노입자 크기 마찰변형입자의 균일성은 제1 입자 크기로 직경이 약 10 내지 150㎚, 바람직하게는 약 10 내지 50㎚일 수 있는 마찰변형입자를 사용함으로써 달성된다. 일부 실시예에서, 입자들은 제1 나노입자 크기로 약 15㎚ 내지 약 30㎚의 평균 나노입자 직경을 가진다.
여러 형태의 나노입자 크기 마찰변형입자들이 마찰재에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 유용한 마찰변형입자는 실리카 입자를 포함한다. 다른 실시예에서는 페놀 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 및 그 혼합물 등의 수지 가루와 같은 나노입자 크기 마찰변형입자를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서는 부분적 및/또는 완전히 탄화된 나노입자 크기 탄소 가루 및/또는 입자 및 그 혼합물과 이러한 나노입자 크기 마찰변형입자의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는, 규조토, 셀라이트(Celite®), 셀라톰(Celatom®) 및/또는 실리콘 이산화물과 같은 나노입자 크기 실리카 입자들이 특히 유용하다. 나노입자 크기 실리카 입자들은 기저재에 강하게 결합하는 무기(inorganic) 재료이다. 나노입자 크기 실리카 입자들은 마찰재에 높은 마찰계수를 제공한다. 나노입자 크기 실리카 입자는 또한 기저재에 부드러운 마찰면을 제공하고 어떤 "셔더링"도 최소화하도록 마찰재에 우수한 "이동감 (shift feel)"과 우수한 마찰 특성을 제공한다.
일부 실시예에서, 마찰재는 다른 수지 시스템을 사용하여 함침될 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 페놀 수지, 적어도 하나의 변형된 페놀계 수지, 적어도 하나의 실리콘 수지, 적어도 하나의 변형된 실리콘 수지, 적어도 하나의 에폭시 수지, 적어도 하나의 변형된 에폭시 수지 및/또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 일부 다른 실시예에서는, 융화가능한 용매에서 페놀 수지와 섞이고 혼합된 실리콘 수지가 사용될 수 있다.
여러 가지 수지들이 본 발명에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 수지는 페놀 또는 페놀 기반 수지를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 포화 물질은 마찰재 100 중량부에 대하여 약 45 내지 약 65 중량부를 포함한다. 수지 혼합물이 기저재에 적용되어 기저재가 상기 수지 혼합물로 함침된 후, 함침된 기저재는 마찰재를 형성하기 위하여 소정 시간 동안 원하는 온도로 가열된다. 일부 실시예에서, 포화제에 존재하는 페놀 수지는 약 300℉ 온도에서 경화된다. 실리콘 수지와 같은 다른 수지가 포화제에 존재할 때, 실리콘 수지는 400℉ 온도에서 경화된다. 그 후, 경화된 마찰재는 적절한 수단에 의하여 원하는 기관에 부착된다.
여러 유용한 수지들은 페놀 수지 및 페놀 기반 수지를 포함한다. 수지 혼합물에 에폭시, 부타디엔, 실리콘, 동유(tung oil), 벤젠, 캐슈넛 오일 등과 같은 다른 변형 성분을 포함하는 여러 가지 페놀 기반 수지도 본 발명에서 사용될 수 있다. 페놀 변형 수지에서, 페놀 수지는 일반적으로 수지 혼합물에 대해(다른 용매는 배제) 약 50 중량% 또는 그 이상 존재한다. 그러나, 일부 실시예의 경우, 실리콘- 페놀 혼합물의 중량에 대해(용매 및 다른 처리 산(acid)은 배제) 약 5 내지 80 중량%, 그리고 어떤 목적을 위해서는 약 15 내지 55 중량% 및 일부 실시예에서는 약 15 내지 25 중량%에 이르는 실리콘 수지를 포함하는 수지 혼합물을 포함할 때 마찰재가 개선될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
본 발명에서 사용될 수 있는 페놀 수지 및 페놀-실리콘 수지의 예는 여기서 참조로서 완전히 통합된 상기한 보르그워너사의 미국특허에 개시되어 있다. 본 발명에서 유용한 실리콘 수지는 예를 들어 열처리 실리콘 밀봉제(sealant) 및 실리콘 고무를 포함한다. 여러 가지 실리콘 수지가 본 발명에 유용하다. 특히, 하나의 수지는 크실렌 및 아세틸아세톤(2,4-pentanedione)을 포함한다. 실리콘 수지는 약 362℉(183℃)의 끓는점, 68℉mm 증기압, Hg: 21, 4.8 증기밀도(공기=1), 무시할 수 있을 정도의 물에 대한 용해도, 약 1.09 비중(specific gravity), 5 중량% 휘발 퍼센트, 0.1 보다 낮은 증발율(에테르=1), 펜스키-마틴스(Penskey-Martens)방법으로 측정한 149℉(65℃) 인화점을 가진다. 다른 실리콘 수지 또한 본 발명에 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 유용한 수지 혼합물은 약 55 내지 60% 페놀 수지; 약 20 내지 25% 에틸알콜; 약 10 내지 14% 페놀; 약 3 내지 4% 메틸알콜; 약 0.3 내지 0.8% 포름알데히드; 및 약 10 내지 20% 물을 포함하는(중량%) 적절한 페놀 수지를 포함한다. 다른 적절한 페놀 기반 수지는 중량%로 약 50 내지 55% 페놀/포름알데히드 수지; 약 0.5% 포름알데히드; 약 11% 페놀; 약 30 내지 35% 이소프로판올; 및 1 내지 5% 물을 포함한다.
또한, 다른 유용한 수지는 약 5 내지 25 중량%, 바람직하게는 10 내지 15 중 량%의 에폭시 화합물과 나머지는 페놀 수지를 포함하는(용매 및 다른 처리 산은 배제) 에폭시 변형 페놀 수지인 것이 밝혀졌다. 일부 실시예에서, 에폭시-페놀 수지 화합물은 페놀 수지만 사용되는 경우보다 마찰재에 더 높은 내열성을 제공한다.
일부 실시예에서, 섬유성 기저재에 포함되는 수지의 목표량은 총 실리콘-페놀 수지에 대해 약 25에서 약 70중량%, 그리고 일부 실시예에서 약 40 내지 약 65중량%, 일부 실시예에서는 약 60 내지 적어도 65중량%가 되도록 수지혼합물이 적절한 양의 수지와 나노입자 크기 마찰변형입자를 포함하는 것이 바람직하다. 기저재가 수지로 포화된 후에, 기저재는 수지 결합재를 경화하고 마찰재를 형성하기 위하여 300-400℃ 사이의 온도에서 일정 시간 동안(일부 실시예에서는 1/2 시간) 경화된다. 마찰재의 최종 두께는 기저재의 초기 두께에 따라 결정된다.
수지 혼합물 제조와 기저재 제조에 유용한 것으로 알려진 다른 성분 및 처리 보조물이 포함될 수 있고, 이는 본 발명의 범위 내에 있다.
일부 실시예에서, 수지 혼합물은 서로 혼화될 수 있는 용매에 존재하는 실리콘 수지 및 페놀 수지 모두를 포함할 수 있다. 상기 수지들은 (바람직한 실시예에서) 균질한 혼합물을 형성하도록 혼합되고 그런 다음 섬유성 기저재를 포화시키기 위하여 사용된다. 일부 실시예에서, 기저재를 페놀 수지로 함침한 후 실리콘 수지를 부가하는 것과 그 반대의 경우는 서로 효과가 같지 않다. 또한, 실리콘-페놀 수시 용액의 혼합물과 실리콘 수지 및/또는 페놀 수지 가루의 에멀션 사이에는 차이가 있다. 실리콘 수지와 페놀 수지가 용액에 있을 때 이들은 전혀 경화되지 않는다. 대조적으로, 실리콘 수지와 페놀 수지의 가루 입자들은 부분적으로 경화된다. 실리콘 수지와 페놀 수지의 부분적인 경화는 기저재의 우수한 포화를 저해한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 기저재는 페놀 수지 및 그 용매와 혼화될 수 있는 실리콘 수지 및 그 용매의 혼합물로 함침된다. 일 실시예에서, 이소프로판올이 특히 적절한 용매인 것이 밝혀졌다. 그러나, 에탄올, 메틸-에틸 케톤, 부타놀(butanol), 이소프로판올, 톨루엔 등과 같은 여러 가지 다른 적절한 용매들도 본 발명의 실행에서 사용될 수 있다. 실리콘 수지는 페놀 수지와 혼합되어 기저재를 포화시키기 위해 사용될 때, 마찰재가 페놀 수지만으로 함침된 기저재보다 더 높은 탄성을 갖게 한다. 실리콘-페놀 수지가 혼합되고 함침된 본 발명의 마찰재에 압력이 가해질 때, 압력의 분배가 더욱 고르게 이루어지고, 결과적으로 불규칙적 라이닝 마모의 발생율은 감소된다. 실리콘 수지와 페놀 수지가 마찰변형입자와 함께 혼합된 후에, 이 혼합물은 기저재를 함침하는데 사용된다.
기저재 내에 임의적으로 분산된 나노입자 크기 마찰변형입자를 포함하는 본 발명의 마찰재는 우수한 셔더링 방지 특성, 높은 저항성, 높은 마찰계수, 높은 내구성, 우수한 내마모성 및 개선된 브레이크-인 특성을 제공한다.
도 1a는 섬유성 기저재(12)와 이원자 마찰변형입자(14)를 포함하는 종래 기술의 마찰재(10)를 도시한 개략적인 다이어그램이다. 도 1b, 1c 및 1d는 섬유의 크기(도 1b), 종래 실리카 입자(도 1c) 및 본 발명에서 사용되는 나노입자(도 1d)를 비교 도시한 개략도이다. 도 2는 그 표면에 나노입자를 포함하는 섬유를 도시한 개략도이다. 도 3은 섬유(22) 위의 나노입자 크기 마찰변형재료(24)를 보여주는 섬유성 기저재(20)를 도시한 개략도이다.
일부 실시예에서, 마찰변형입자 크기가 상당히 작을 때, 바람직한 최적의 3차원 구조가 달성되고 결과적으로 최종 마찰재의 열 분산과 셔더링 방지 특성이 최적화된다는 것이 밝혀졌다.
일부 실시예에서, 마찰변형재료의 나노입자는 기저재의 외면을 형성하는 각 섬유 및 충전재에 나노입자의 클러스터 또는 집합체를 형성한다고 믿어진다. 일부 실시예에서, 클러스터는 약 30 내지 100㎚ 보다 작은 평균 직경을 가진다.
본 발명의 다공성 마찰재에 사용되는 나노입자 크기 마찰변형재료는 마찰재에 우수한 셔더링 방지 특성을 제공한다. 도시된 실시예에서, 고온 합성 섬유와 기저재의 다공성은 개선된 내열성을 제공한다.
또한, 다공성 마찰재는 오염원이 쉽게 통과할 수 있게 하는 상대적으로 큰 구멍을 가진다. 이러한 분해물의 흡수는 마찰재에 더욱더 일정한 마찰 거동을 제공한다.
다음의 실시예들은 본 발명의 마찰재에서 나노입자 크기 마찰변형입자들의 임의적 분산이 종래 마찰재에 대하여 개선점을 제공한다는 증거를 제공한다. 상기 마찰재는 바람직한 마찰계수, 내열성 및 내구성을 가진다. 본 발명의 여러 가지 바람직한 실시 형태가 다음 실시예에 기술된다. 그러나, 이는 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
실시예 Ⅰ- 홈이 있는 마찰재에서 슬립(slipping) 시간에 대한 기울기의 비교 A는 상기 마찰재가 오일이 바람직한 상태로 흐르게 하고 열의 우수한 분산이 가 능하게 한다는 것을 보여준다.
실시예 Ⅱ- 기저재 내에 나노입자 크기 마찰변형입자의 축적은 기저재의 투과성을 상당히 감소시키지 않는다. 기저재의 투과성은 유체 또는 윤활유가 기저재로 흐르도록 하고 마찰재의 표면에 유지되지 않도록 한다.
본 발명의 다공성 마찰재에 사용되는 나노입자 크기 마찰변형재료는 마찰재에 우수한 셔더링 방지 특성을 제공한다. 도시된 실시예에서, 고온 합성 섬유와 기저재의 다공성은 개선된 내열성을 제공한다.
또한, 다공성 마찰재는 오염원이 쉽게 통과할 수 있게 하는 상대적으로 큰 구멍을 가진다. 이러한 분해물의 흡수는 마찰재에 더욱더 일정한 마찰 거동을 제공한다.
본 발명은 클러치 플레이트, 트랜스미션 밴드, 브레이크 슈, 싱크로나이저 링, 마찰 디스크 또는 시스템 플레이트에 사용될 수 있는 고에너지 마찰재로서 유용하다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예 및 대체 실시예의 상세 설명은 예시를 위한 것이고 다음의 청구항의 범위와 내용을 제한하기 위한 것은 아니다.
Claims (25)
- 다공성 기저재, 적어도 하나의 유형 이상의 수지 재료 및 상기 다공성 기저재에 분산된 적어도 한 유형 이상의 나노입자 크기 마찰변형입자를 포함하고, 상기 마찰재 내에서 상기 나노입자 크기 마찰변형입자들은 임의적으로 분산되는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자 크기 마찰변형입자들은 다공성 기저재를 구성하는 각 섬유 및 충전재 위에 약 0 내지 약 85㎛ 두께로 축적되는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 마찰재는 방사상 방향 및 수직 방향에서 같은 투과성을 가지는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자 크기 마찰변형입자들은 약 10㎚ 내지 약 150㎚ 크기의 평균 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 마찰변형입자는 약 1 내지 약 20㎚ 크기인 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 다공성 기저재는 약 65% 내지 약 85%의 평균 기공 부피를 가지는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자 크기 마찰변형입자는 실리카 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제7항에 있어서,상기 나노입자 크기 마찰변형입자는 셀라이트 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제7항에 있어서,상기 나노입자 크기 마찰변형입자는 규조토를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자 크기 마찰변형입자는 탄소 입자 및 실리카 입자의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제7항에 있어서,상기 셀라이트는 비규칙적인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제8항에 있어서,상기 셀라이트 입자는 약 2 내지 약 20㎚ 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자 크기 마찰변형입자는 금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자 크기 마찰변형입자는 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자 크기 마찰변형입자는 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 기저재는 섬유성 기저재를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 기저재는 비직조(nonwoven) 섬유성 재료인 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 기저재는 직조된(woven) 섬유성 재료인 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제17항에 있어서,상기 섬유성 기저재는 약 15 내지 약 25%의 면, 약 40 내지 약 50%의 아라미드 섬유, 약 10 내지 약 20%의 탄소 섬유, 약 5 내지 약 15%의 탄소 입자 및 약 10 내지 15%의 셀라이트를 포함하고, 선택적으로 약 1 내지 약 3%의 라텍스가 첨가되는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제19항에 있어서,상기 마찰재는 비직조 섬유성 재료의 섬유와 섬유성 기저재의 충전재 재료에 축적된 실리카 나노입자 크기 마찰변형입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제17항에 있어서,상기 섬유성 기저재는 약 5㎛의 평균 구멍 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 수지는 적어도 하나 이상의 페놀 수지 또는 적어도 하나 이상의 변형된 페놀 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 제1항에 있어서,상기 수지는 적어도 하나 이상의 페놀 수지와 적어도 하나 이상의 실리콘 수지의 혼합물을 포함하고, 상기 수지 혼합물에서 실리콘 수지의 양은 전체 중량에서 약 5 내지 80 중량%인 것을 특징으로 하는 마찰재.
- 다수의 마찰변형입자들이 기저재를 구성하는 각 섬유와 충전재에 축적되고 상기 나노입자 크기 마찰변형입자들은 각 섬유 또는 충전재 위에 약 0 내지 200㎛의 평균 두께를 가지도록, 다공성 기저재를 적어도 하나 이상의 수지 재료와 적어도 한 유형 이상의 나노입자 크기 마찰변형입자를 포함하는 포화제로 포화시키는 단계; 및상기 포화된 기저재를 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 경화시키는 단계;를 포함하는 마찰재 제조방법.
- 적어도 하나 이상의 경화 가능한 수지 재료와 적어도 한 유형 이상의 나노입자 크기 마찰변형입자의 혼합물을 포함하는 포화제 재료를 제조하는 단계;전체적으로 분산된 다수의 틈을 가지는 다공성 기저재를 제조하는 단계; 및상기 다수의 나노입자 크기 마찰변형입자가 기저재를 구성하는 각 섬유에 적어도 부분적으로 축적되고 상기 수지 재료 및 나노입자 크기 입자들이 기저재 전체에 고르게 분산되도록, 상기 다공성 기저재를 상기 포화제 재료로 포화시키는 단계;를 포함하는 마찰재 제조방법.
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