PL231150B1

PL231150B1 - Sposób wytwarzania kompozytów ciernych na okładziny hamulcowe

Info

Publication number: PL231150B1
Application number: PL418535A
Authority: PL
Inventors: Maciej Szlichting; Jacek Tomczyk
Original assignee: Tomex A J C Tomczyk Spolka Jawna; Tomex A J C Tomczyk Spólka Jawna
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2019-01-31
Also published as: PL418535A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytów ciernych na okładziny hamulcowe. Dziedzinę techniki stanowią mieszaniny, kompozyty i materiały cierne wykorzystywane w takich elementach układów hamulcowych, jak klocki hamulcowe i okładziny hamulcowe, stosowane w szczególności w pojazdach samochodowych, w tym m.in. w samochodach ciężarowych, autobusach, samochodach osobowych i motocyklach, jak również w układach hamulcowych pojazdów rolniczych.

Kompozyty cierne stosowane w produkcji okładzin hamulcowych, są materiałami wieloskładnikowymi, w których rolę lepiszcza spełnia spoiwo żywiczne, najczęściej żywica fenolowo-formaldehydowa lub produkty, jej modyfikacji np. kauczukiem. Z punktu widzenia morfologii układu lepiszcze powinno bardzo dobrze zwilżać powierzchnię cząstek składników mieszanki, wnikając pomiędzy ich aglomeraty i zapewniając równomierną dyspersję.

Stosowane obecnie technologie sporządzania wieloskładnikowych mieszanek do produkcji kompozytów ciernych sprowadzają się z reguły do dwuetapowego procesu mieszania, gdzie w pierwszej kolejności miesza się składniki włókniste w celu otwarcia włókien, a następnie wprowadza się pozostałe składniki mieszaniny do mieszalnika.

Znane ze stanu techniki są również procesy trójetapowe, gdzie w drugim etapie dodaje się przedmieszkę ze wstępnie wymieszanymi składnikami drobnymi, stosowanymi w niewielkiej ilości z napełniaczami o dużych cząstkach jak np. baryt, aby potem wprowadzić je do mieszalnika głównego.

Problem w tym, że próby wprowadzenia ich bezpośrednio do mieszanki, wymagają stosowania intensywnego mieszania, co bardzo często prowadzi do degradacji składników oraz zmian wielkości cząstek napełniaczy, co negatywnie wpływa na gęstość, twardość oraz ogólną charakterystykę tarcia i ścierania uzyskanych z niej kompozytów.

Opisane wyżej sposoby nie gwarantują zwilżalności powierzchni cząstek składników, charakteryzujących się odmiennymi wartościami energii powierzchni, szczególnie jej polarnej składowej. W opisie żadnej spośród znanych metod mieszania, nie bierze się pod uwagę energetycznej kompatybilności składników mieszaniny, która warunkuje ich współmieszalność i wzajemną adhezję, decydującą o kohezji kompozytu.

Przedstawione rozwiązanie wg wynalazku eliminuje powyższe wady i niedogodności.

Istota wynalazku, którym jest sposób wytwarzania kompozytów ciernych na okładziny hamulcowe polega na tym, że w pierwszej kolejności miesza się ze sobą wybrane składniki, tworząc co najmniej dwie grupy składników o sumarycznej wartości składowej polarnej energii powierzchni „Xi”, zbliżonej do siebie oraz zbliżonej do wartości składowej polarnej energii żywicznego lepiszcza wchodzącego w skład mieszanki, a następnie grupy składników miesza się ze sobą i z lepiszczem.

Szczególnie korzystnym, jest, gdy grupy składników dobiera się w taki sposób, że sumaryczna składowa polarna energii powierzchni każdej z grup składników zawiera się w zakresie 4-5 mJ/m², najkorzystniej 4,5 mJ/m².

Równie korzystnym jest, gdy sumaryczną wartość składowej polarnej energii powierzchni „Xi” dla każdej z grup składników oblicza się addytywnie, przy czym sumaryczną wartość składowej polarnej energii powierzchni „Xi” grupy składników wyraża iloraz sumy iloczynów powierzchni właściwej poszczególnych składników „Si” [m²/g], ich udziału wagowego „% wagi” i polarnych składowych energii ich powierzchni „γί” [mJ/m²] odniesionej do sumy iloczynów udziału masowego składników „% masi” i powierzchni właściwej poszczególnych składników „Si” [m²/g].

Także korzystnym jest gdy do składników, wchodzących w skład grupy składników o mniejszej gęstości dodaje się składniki wchodzące w skład grupy składników o większej gęstości.

Korzystnym jest gdy składniki wchodzące w skład grapy składników miesza się w temperaturze zawierającej się, w przedziale 15°C do 30°C, najkorzystniej 24C.

Szczególnie korzystnym jest, gdy składniki wchodzące w skład grupy składników miesza się z wykorzystaniem mieszadeł pługowych, obracających się z prędkością obrotową zawierającą się w przedziale od 90 obr./min do 140 obr./min, najkorzystniej 115 obr./min.

Korzystnym również jest gdy składniki wchodzące w skład grupy składników miesza się z wykorzystaniem noży tnących, obracających się z prędkością obrotową zawierającą się w przedziale od 2500 obr./min do 3000 obr./min, najkorzystniej 2800 obr./min.

PL231 150 Β1

Także korzystnym jest gdy grupy składników miesza się z lepiszczem w mieszalniku poziomym jak również korzystnym jest gdy grupy składników miesza, się z lepiszczem w mieszalniku pionowym.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania wg wynalazku osiągnięto następujące efekty techniczno-użytkowe:

- zwiększenie poziomu zwilżenia powierzchni cząstek składników, mieszanki, zapewnienie równomiernej dyspersji i wzajemnej adhezji, decydującej to kohezji kompozytu,

- dokładne wymieszanie różnych składników, dzięki ograniczeniu ryzyka powstawania granulek, zbryleń itp.,

- uzyskanie homogennego kompozytu o pożądanej trwałości i oczekiwanych właściwościach użytkowych (charakterystyce kompozytu), dzięki zwiększeniu kompatybilności składników kompozytów,

- zwiększenie kompatybilności składników kompozytów w celu uzyskania powtarzalnych kompozytów, ciernych do produkcji klocków i okładzin hamulcowych o jak najlepszej trwałości i charakterystyce użytkowej,

- lepsze właściwości kompozytów, dzięki mniejszej degradacji składników oraz ograniczenie zmian wielkości cząstek napełniaczy, wpływających na gęstość, twardość oraz ogólną, charakterystykę tarcia i ścierania uzyskanej z niej kompozytów,

- uzyskanie powtarzalnych kompozytów ciernych,

- poprawa warunków procesowych, w tym m.in. zmniejszenie intensywności mieszania, skrócenie czasu mieszania i obniżenie energochłonności procesów.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w schemacie na rysunku. W przykładowym lecz nie ograniczającym wykonaniu, sposób wytwarzania kompozytów ciernych na okładziny hamulcowe wg wynalazku, w pierwszej kolejności wymaga przygotowania i odważenia poszczególnych składników 1 kompozytu, wskazanych w Tab. 1.

Tabela 1

Składniki 1 kompozytu na okładziny hamulcowe, wykonanego sposobem według wynalazku

Grupa surowców	Składnik 1 kompozytu	Zawartość [%wag.]
Spoiwo	Żywica fenolowa	6,5
Smar	Siarczki metalu	5,0
	Koks	12,9
	Grafit naturalny	10,0
	Grafit syntetyczny	3,9
Środki cierne	Tlenek glinu	4,0
	Tlenek chromu	2,9
Napełniacze	Wermikulit	4,4
	Krzemian wapnia	2,5
	Baryt	14,5
	Pył cierny	3,4
	Ścier gumowy	4,5
Materiały włókniste	Poliakrylonitryl	0,8
	Celuloza	0,8
Metale	Proszek cynku	2,4
	Włókno stalowe	21,5
RAZEM	100

Konieczne przy tym jest określenie powierzchni właściwej poszczególnych składników Sbet [m²/g], jak również wartości swobodnej energii powierzchni poszczególnych składników SPE. Dane dot. obu parametrów przedstawiono w Tab. 2 i Tab. 3.

PL231 150 Β1

Tabela 2

Powierzchnia właściwa składników 1 kompozytu wykonanego sposobem według wynalazku

Składnik kompozytu	Zawartość [%wag.j	Powierzchnia właściwa, Sbet [m²/g]
Żywica fenolowa	6,5	0,60
Siarczki metalu	5,0	1,17
Koks	12,9	0,55
Grafit naturalny	10,0	1,15
Grafit syntetyczny	3,9	1,63
Tlenek glinu	4,0	0,63
Tlenek chromu	2,9	1,14
Wermikulit	4,4	9,53
Krzemian wapnia	2,5	33,50
Baryt	14,5	0,62
Pył cierny	3,4	0,12
Ścier gumowy	4,5	0,06
Poliakrylonitryl	0,8	36,20
Celuloza	0,8	2,28
Proszek cynku	2,4	0,61
Włókno stalowe	21,5	0,07

Tabela 3

Wartości swobodnej energii powierzchni SPE składników 1 kompozytu na okładziny hamulcowe, składowej dyspersyjnej DP i składowej polarnej PP

Składnik kompozytu	SFE fmJ/m²l	DP [mJ/m²]	PP [mJ/m²]	DP [%j	PP [%]
Ścier gumowy	16,2	15,8	0,4	97,8	2,2
Włókno stalowe	27,2	8,0	19,2	29,4	70,6
Proszek cynku	18,4	18,3	0,1	99,6	0,4
Tlenek chromu	16,0	14,4	1,6	90,0	10,0
Krzemian wapnia	23,3	18,4	4,9	78,7	21,3
Wermikulit	22,6	16,7	5,9	73,9	26,1
Siarczki metalu	18,1	17,3	0,8	95,6	4,4
Koks	22,9	18,3	4,6	80,2	19,8
Grafit syntetyczny	22,8	18,3	4,5	79,9	20,1
Grafit naturalny	22,9	18,3	4,6	80,2	19,8
Baryt	10.4	10,4	0,0	100,0	0,0
Tlenek glinu	18,6	8,5	10,1	45,9	54,1
Celuloza	21,0	18,3	2,7	87,3	12,7
Poliakrylonitryl	21,3	18,4	2,9	86,3	13,7
Pył cierny	18,2	18,2	0,0	100,0	0,0
Żywica fenolowa	20,6	18,3	2,3	89,1	10,9

PL231 150 Β1

W przykładowym wykonaniu, poszczególne składniki 1 mieszanki pogrupowano w trzy grupy 2 składników 1, tzw. przedmieszki, kierując się przy tym zasadą takiego doboru składników, jaki będzie za każdym razem gwarantował uzyskanie sumarycznej wartości składowej polarnej energii powierzchni każdej grupy składników, oznaczonej jako Xi, zbliżonej jak najbardziej do siebie i do żywicznego lepiszcza.

Sumaryczną wartość składowej, polarnej energii powierzchni każdej z grup składników, 2 oblicza się addytywnie, biorąc pod uwagę udział powierzchni właściwej składnika 1 w grupie 2 składników 1, według wzoru (a).

χ _ S, x %wag! x + S₂ x %wag₂ χ γ₂ +... + S₍ x %wag, x ¹

Έ % mas., x Sj i_l (a) gdzie: % wag, - udział wagowy i-tego składnika (proszku lub włókna) przedmieszki,

Si - powierzchnia właściwa i-tego składnika przedmieszki [m²/g] γ, - polarna składowa energii powierzchni i-tego składnika przedmieszki [mJ/m²] % mas, - udział masowy i-tego składnika przedmieszki

Składniki 1 poszczególnych grup 2 określono odpowiednio w tab. 4, tab. 5 i tab.

Tabela 4 Grupa składników I

Składnik	Obliczone z
%wag. z %obj.
Celuloza
Poliakrylonitryi
Krzemian wapnia
Grafit syntetyczny
Tlenek glinu
X]	4,5 ! 4,4

Tabela 5 Grupa składników II

Składnik	Obliczone z
%wag. \| z %obj.
Ścier gumowy
Wermikulit
Siarczki metalu
Baryt
Żywica fenolowa
x₂	4,3 l 4,7

Tabela 6 Grupa składników III

Składnik	Obliczone z
%wag. z %obj.
Włókno stalowe
Proszek cynku
Tlenek chromu
Koks
Grafit naturalny
Pył cierny
X₃	4,7 \| 4,6

PL 231 150 B1

Każdą z grup 2 składników 1 przygotowuje się w procesie mieszania na sucho, przy czym do mieszalnika w pierwszej kolejności wprowadza się składniki o mniejszej gęstości, po czym kolejno dodaje się składniki o większej gęstości.

Proces realizowany jest w temperaturze 24°C, przy ciśnieniu atmosferycznym. Czas mieszania składników przedmieszki I wynosi 3 minuty. Składniki przedmieszki II miesza się przez 5 minut, natomiast czas mieszania przedmieszki III wynosi 7 minut.

Tak przygotowane grupy 2 składników 1, tj. przedmieszka I, przedmieszka II, przedmieszka III wprowadzane są do mieszalnika głównego, miesza się metodą na sucho, z wykorzystaniem mieszadeł pługowych, obracających się z prędkością obrotową 115 obr./min, oraz wysokoobrotowych noży tnących, które obracają się z prędkością obrotową 2800 obr./min.

Przedmieszki kompozytu, wykonanego sposobem według wynalazku, miesza się w temperaturze 24°C, przy ciśnieniu atmosferycznym.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania kompozytów ciernych na okładziny hamulcowe polegający na wymieszaniu środków ciernych, napełniaczy, materiałów włóknistych, metali, smaru i spoiwa, znamienny tym, że w pierwszej kolejności miesza się ze sobą wybrane składniki (1) tworząc co najmniej dwie grupy (2) składników (1) o sumarycznej wartości składowej polarnej energii powierzchni „Xi”, zbliżonej do siebie oraz zbliżonej do wartości składowej polarnej energii żywicznego lepiszcza (3) wchodzącego w skład mieszanki (4), a następnie grupy (2) składników (1) miesza się ze sobą i z lepiszczem (3).
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że składniki (1) wchodzące w skład grupy (2) składników (1) dobiera się w taki sposób, że sumaryczna składowa polarna energii powierzchni każdej z grup (2) składników (1) zawiera się w zakresie 4-5 mJ/m², korzystnie 4,5 mJ/m².
3. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 2, znamienny tym, że sumaryczną wartość składowej polarnej energii powierzchni „Xi” dla każdej z grup (2) składników (1) oblicza się addytywnie, przy czym sumaryczną wartość składowej polarnej energii powierzchni „Xi” grupy (2) składników (1) wyraża iloraz sumy iloczynów powierzchni właściwej poszczególnych składników „Si” [m²/g], ich udziału wagowego „% wagi” i polarnych składowych energii ich powierzchni „Yi”[mJ/m²] odniesionej do sumy iloczynów udziału masowego składników „% masi” i powierzchni właściwej poszczególnych składników „Si” [m²/g].
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do składników (1) wchodzących w skład grupy (2) składników (1) o mniejszej gęstości dodaje się składniki (1) wchodzące w skład grupy (2) składników (1) o większej gęstości.
5. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 4, znamienny tym, że składniki (1 ) wchodzące w skład grupy (2) składników (1) miesza się w temperaturze zawierającej się w przedziale 15°C do 30°C, korzystnie 24°C.
6. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 4, znamienny tym, że składniki (1) wchodzące w skład grapy (2) składników (1) miesza się z wykorzystaniem mieszadeł pługowych, obracających się z prędkością obrotową zawierającą się w przedziale od 90 obr./min do 140 obr./min, korzystnie 115 obr./min.
7. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 4, znamienny tym, że składniki (1) wchodzące w skład grupy (2) składników (1) miesza się z wykorzystaniem noży tnących, obracających się z prędkością obrotową zawierającą się w przedziale od 2500 obr./min do 3000 obr./min, korzystnie 2800 obr./min.
8. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 4, znamienny tym, że grupy (2) składników (1) miesza się z lepiszczem w mieszalniku poziomym.
9. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 4, znamienny tym, że grupy (2) składników (1) miesza się z lepiszczem w mieszalniku pionowym.