WO2018084218A1

WO2018084218A1 - 摩擦材組成物及び摩擦材

Info

Publication number: WO2018084218A1
Application number: PCT/JP2017/039637
Authority: WO
Inventors: 達川田; 卓弥高田; 素行宮道
Original assignee: 曙ブレーキ工業株式会社
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-05-11
Also published as: US20200063814A1; JP6867783B2; EP3536758A4; JP2018070833A; EP3536758A1; CN109906261A; CN109906261B; US11209063B2

Abstract

本発明は、銅の含有量が０．５質量％以下の所謂銅フリーの摩擦材において、高い強度を有しつつ、相手材に対する攻撃性を悪化させること無く、優れた耐摩耗性及び初期効力を有する摩擦材を得ることのできる摩擦材組成物を提供する。本発明の摩擦材組成物は、繊維基材、摩擦調整材及び結合材を含有し、摩擦材組成物中の銅の含有量が銅元素換算で０．５質量％以下であり、繊維基材として再生セルロース繊維を含有する。

Description

摩擦材組成物及び摩擦材

　本発明は摩擦材組成物及び摩擦材に関し、更に詳しくは、産業機械、鉄道車両、貨物車両、乗用車等のブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等に用いられる摩擦材組成物、及び該摩擦材組成物から得られる摩擦材に関する。

　従来、ブレーキパッド等に用いられる摩擦材は、繊維基材、摩擦調整材及び結合材を混合して摩擦材組成物を調製し、これを予備成形、熱成形、仕上げ等の各工程を経ることにより製造されている。

　摩擦材の骨格を形成する繊維基材は摩擦材の強度、耐熱性、耐摩耗性等を補うものであり、例えば、アラミド繊維などの有機繊維、ガラス繊維などの無機繊維、銅繊維などの金属繊維等が使用されている。

　有機繊維の配合が検討された技術として、例えば、特許文献１には、繊維基材、結合材、有機充填材及び無機充填材を含む摩擦材組成物であり、繊維基材として平均繊維長が０．１～５０μｍ、かつアスペクト比が１．５以上の天然セルロース短繊維を１～１０質量％含む摩擦材組成物が提案されている。また、金属繊維の配合が検討された技術として、例えば、特許文献２には、少なくとも強化繊維、結合材、潤滑材、摩擦調整材、及び充填材を含有してなるブレーキ摩擦材において、このブレーキ摩擦材の全体量を１００質量％としたとき、スチール繊維を５～１０質量％、平均繊維長が２～３ｍｍの銅繊維を５～１０質量％、粒径が５～７５μｍの亜鉛粉を２～５質量％含有してなることを特徴とするブレーキ摩擦材が提案されている。

　金属繊維の中でも銅繊維は延性に富み、また、高い熱伝導性を持つ材料であることから耐フェード性を高める作用を有している。そして、その役割の一つに摩擦材の補強効果がある。この銅繊維は、粉状の形態の銅粉末として用いられる場合もある。

　しかしながら、銅成分を含む摩擦材はブレーキ制動により銅成分が摩耗粉として空気中に放出されるため、自然環境への影響が指摘されている。そこで、アメリカ環境保護庁は、自動車用ブレーキパッドへの銅等の使用を制限する取り組みとして、自動車用ブレーキパッドの銅含有量を２０２１年までに５質量％未満、２０２５年までに０．５質量％未満に削減するように求めている。カリフォルニア州とワシントン州は、ブレーキパッドに使用する物質の州規制基準を可決しており、２０２１年以降は、銅を５質量％以上含有する摩擦材製品の販売及び新車への組み付けを禁止し、２０２５年以降は、その規制を０．５質量％以上まで高めている。

　このような背景から、近年では、銅の含有量を低減させた摩擦材が種々提案されている。
　例えば、特許文献３には、結合材、有機充填材、無機充填材、及び繊維基材を含有する摩擦材組成物であり、元素としての銅含有率が０．５質量％を超えず、鉄系繊維又は鉄系粉末を１～３質量％含有し、かつ、繊維基材としてウォラストナイトを１０～３０質量％含有する摩擦材組成物が提案されている。

日本国特開２０１３－１８５０１６号公報日本国特開２０１０－７７３４１号公報日本国特開２０１５－１５７９１４号公報

　特許文献３の技術では、鉄系繊維又は鉄系粉末は、摩擦材の強度を高めるという点で一定の効果は見込まれるものの、相手材と同等若しくはそれ以上の硬度を有するため、相手材に対する攻撃性が増加し、相手材の研削による鳴き振動やホイールダストが発生する；耐摩耗性が悪化する；という問題点があった。また、銅成分は摩擦材の初期効力を向上させることが知られているが、特許文献３に記載の鉄系繊維又は鉄系粉末では当該効果を得ることができなかった。

　したがって、本発明の課題は、銅の含有量が０．５質量％以下の所謂銅フリーの摩擦材において、高い強度を有しつつ、相手材に対する攻撃性を悪化させること無く、優れた耐摩耗性及び初期効力を有する摩擦材を得ることのできる摩擦材組成物及び摩擦材を提供することにある。

　本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、再生セルロース繊維を摩擦材組成物に含有させることにより、得られる摩擦材は前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

　すなわち本発明は、下記（１）～（６）により達成されるものである。
（１）繊維基材、摩擦調整材及び結合材を含有する摩擦材組成物であって、該摩擦材組成物中の銅の含有量が銅元素換算で０．５質量％以下であり、前記繊維基材として再生セルロース繊維を含有する摩擦材組成物。
（２）前記再生セルロース繊維の繊維長が、２～２０ｍｍである、前記（１）に記載の摩擦材組成物。
（３）前記再生セルロース繊維の繊度が、０．３～１００ｄｔｅｘである、前記（１）又は（２）に記載の摩擦材組成物。
（４）前記再生セルロース繊維の含有量が、０．５～１０質量％である、前記（１）～（３）のいずれか１つに記載の摩擦材組成物。
（５）前記再生セルロース繊維が、レーヨン繊維、リヨセル繊維、キュプラ繊維及びポリノジック繊維からなる群から選択される少なくとも１種の繊維である、前記（１）～（４）のいずれか１つに記載の摩擦材組成物。
（６）前記（１）～（５）のいずれか１つに記載の摩擦材組成物を用いて成形された摩擦材。

　本発明は、摩擦材組成物中の繊維基材として再生セルロース繊維を使用することを特徴としている。再生セルロース繊維は、それ自体の強度に加え、再生セルロース繊維同士の絡まり易さ、他の粉体材料の抱き込み易さ等を有し、これらの要因により摩擦材に高い強度並びに耐摩耗性を付与することができる。一方、有機材料である再生セルロース繊維は相手材より柔らかいため、相手材に対する攻撃性を悪化させることが無い。さらに、再生セルロース繊維は一定の柔軟性を摩擦材に付与することができ、初期効力を向上させることができる。
　以上から本発明によれば、高い強度を有しつつ、相手材に対する攻撃性を悪化させること無く、優れた耐摩耗性及び初期効力を有する摩擦材を提供することができる。

　以下、本発明について詳細に説明する。
　なお、本発明において「銅フリー」とは、摩擦材中に実質的に銅成分を含まないことであり、具体的には、その含有量が摩擦材組成物の全量に対し０．５質量％以下であることを意味する。
　また、本明細書において、「質量」は「重量」と同義である。

＜摩擦材組成物＞
　本発明の摩擦材組成物は、繊維基材、摩擦調整材及び結合材を含有し、摩擦材組成物中の銅の含有量が銅元素換算で０．５質量％以下であり、繊維基材として再生セルロース繊維を含有することを特徴とする。

　再生セルロース繊維とは、木材パルプや綿等に含まれている天然セルロースを溶剤等を用いて化学的に溶解させ、繊維素を抽出して紡績し、再度、繊維としたものであり、公知のものを使用できる。

　再生セルロース繊維はそれ自体に強度を有しており、また再生セルロース繊維同士は絡まりやすい。よって、摩擦材組成物における他の粉体成分を抱き込みやすいので、本発明の摩擦材組成物を用いて成形された摩擦材に従来と同等以上の強度を与えることができる。また、再生セルロース繊維を用いることで摩擦材に柔軟性を付与することができるので、相手材との接触性（あたり）が改善され、耐摩耗性や初期効力を向上させることができる。

　本発明で用いる再生セルロース繊維の種類は特に制限されないが、例えばレーヨン繊維、リヨセル繊維、キュプラ繊維、ポリノジック繊維等が挙げられ、これらの１種以上を好適に用いることができる。中でも、レーヨン繊維は断面が凹凸形状を有し、他の摩擦材材料の抱き込み性に優れること、またリヨセル繊維はそれ自体のもつ強度が高く、かつフィブリル化が容易であり繊維同士の絡まり易さに優れることから、強度及び耐摩耗性が高まるという点で好ましく、特にリヨセル繊維は銅繊維使用時と同等の強度及び耐摩耗性を発揮することができ、更に好ましい。

　本発明において、再生セルロース繊維の繊維長は、２～２０ｍｍであることが好ましい。再生セルロース繊維の繊維長が２ｍｍ以上であることにより、摩擦材組成物を用いて成形された摩擦材に十分な強度を付与することができ、２０ｍｍ以下であることにより、摩擦材作製時に混合原材料の偏析が発生することを抑制し、均一な品質の摩擦材が得られる。中でも本発明の効果が更に向上するという観点から、再生セルロース繊維の繊維長は、２～１５ｍｍであるのが好ましい。

　また、本発明において、再生セルロース繊維の繊度は、０．３～１００ｄｔｅｘであることが好ましい。０．３ｄｔｅｘ未満の再生セルロース繊維は、その製造に困難を伴うため汎用性に劣る。また、再生セルロース繊維の繊度が１００ｄｔｅｘ以下であることにより、摩擦材作製時に混合原材料の偏析が発生することを抑制し、均一な品質の摩擦材が得られる。中でも、本発明の効果が更に向上するという観点から、再生セルロース繊維の繊度は、０．３～１０ｄｔｅｘであるのが好ましい。

　再生セルロース繊維の繊維長と繊度は、紡糸原液の濃度の調整や、紡糸条件または精練条件等を調整することにより、所望の範囲に調節することができる。紡糸方法としては、具体的に、溶剤紡糸法、半乾湿式紡糸法、メルトブローン法等が挙げられる。

　なお、本発明で言う再生セルロース繊維の繊維長及び繊度の測定方法は、ＪＩＳ　Ｌ１０１５（２０１０年）化学繊維ステープル試験方法に準ずる。

　再生セルロース繊維の含有量は、摩擦材組成物全体に対し、０．５～１０質量％であることが好ましい。再生セルロース繊維の含有量が０．５質量％以上であることにより、摩擦材組成物を用いて成形された摩擦材に十分な強度を付与することができる。また、再生セルロース繊維の含有量が１０質量％を超えると混合原材料が偏析する場合があるので、含有量が１０質量％以下とすることにより、摩擦材作製時の混合原材料の偏析の発生が抑制され、均一な品質の摩擦材が得られる。また、摩擦材の強度、相手材に対する攻撃性、耐摩耗性及び初期効力が更に向上するという観点から、再生セルロース繊維の含有量は、２～１０質量％が更に好ましく、４～１０質量％が特に好ましい。

　本発明の摩擦材組成物では、再生セルロース繊維以外の繊維基材を併用することもできる。このような繊維基材としては、有機繊維、無機繊維、金属繊維等が挙げられる。有機繊維としては、例えば、芳香族ポリアミド（アラミド）繊維、耐炎性アクリル繊維、セルロース繊維（再生セルロース繊維を除く）等が挙げられ、無機繊維としては、例えば、生体溶解性繊維、ガラス繊維、カーボン繊維等が挙げられ、また、金属繊維としては、例えば、スチール繊維、アルミニウム繊維、亜鉛繊維、錫または錫合金繊維、ステンレス繊維、銅又は銅合金繊維等が挙げられる。なお、生体溶解性繊維としては、ＳｉＯ_２－ＣａＯ－ＭｇＯ系繊維、ＳｉＯ_２－ＣａＯ－ＭｇＯ－Ａｌ_２Ｏ_３系繊維、ＳｉＯ_２－ＭｇＯ－ＳｒＯ系繊維などの生体溶解性セラミック繊維や生体溶解性ロックウール等を挙げることができる。

　再生セルロース繊維を含めた繊維基材の含有量は、摩擦材組成物全体に対し１～２５質量％程度とすることが好ましい。

　なお、摩擦材組成物中に銅又は銅合金繊維を含有させる場合は、環境規制の観点から、摩擦材組成物中の銅の含有量が銅元素換算で０．５質量％以下とする。本発明においては、摩擦材組成物中に銅を実質的に含有しないことが好ましい。

　摩擦調整材は、耐摩耗性、耐熱性、耐フェード性等の所望の摩擦特性を摩擦材に付与するために用いられる。
　摩擦調整材としては、例えば、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、バーミキュライト、マイカ（金雲母、白雲母、合成雲母、天然雲母）、チタン酸カリウム、チタン酸リチウムカリウム、チタン酸マグネシウムカリウム、等の無機充填材、アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア、ケイ酸ジルコニウム、酸化クロム、四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）等の研削材、アルミニウム、亜鉛、錫等の金属粉末、各種ゴム粉末（ゴムダスト、タイヤ粉末等）、カシューダスト、メラミンダスト等の有機充填材、黒鉛（グラファイト）、二硫化モリブデン、硫化錫、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の固体潤滑材等が挙げられる。これらの摩擦調整材は、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。

　摩擦調整材の含有量は、所望する摩擦特性に応じて適宜調整すればよく、摩擦材組成物全体に対し、６０～９０質量％とすることが好ましく、６５～８５質量％とすることがより好ましい。

　結合材は摩擦材組成物に含まれる繊維基材及び摩擦調整材を一体化するために用いられる。結合材としては、例えば、ストレートフェノール樹脂、エラストマー等による各種変性フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。エラストマー変性フェノール樹脂としては、アクリルゴム変性フェノール樹脂やシリコーンゴム変性フェノール樹脂、ＮＢＲゴム変性フェノール樹脂などを挙げることができる。これらの結合材は、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。

　結合材の含有量は、十分な機械的強度、耐摩耗性を確保するため、摩擦材組成物全体に対し、５～１３質量％とすることが好ましく、７～１１質量％がより好ましい。

　本発明の摩擦材組成物は、繊維基材、摩擦調整材及び結合材以外に、必要に応じてその他の材料を配合することができる。

　本発明の摩擦材組成物は、これを成形することにより、産業機械、鉄道車両、貨物車両、乗用車等のブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等の摩擦材として使用することができる。

＜摩擦材＞
　本発明の摩擦材は、上記した摩擦材組成物を用いて成形されたものである。
　以下、本発明の摩擦材の製造方法について説明する。

　本発明の摩擦材の製造方法は、銅の含有量が銅元素換算で０．５質量％以下となるように、繊維基材、摩擦調整材及び結合材を混合し、摩擦材組成物を調製する工程と、前記工程で得られた摩擦材組成物を所望の形状に成形する工程とを有し、前記繊維基材が、再生セルロース繊維を含有することを特徴とする。摩擦材組成物としては、上記した組成物原料及びその配合割合が適用される。以下、各工程について具体的に説明する。

　摩擦材組成物を調製する工程では、まず、前記摩擦材組成物の各原料を、所定の配合割合にて混合し、摩擦材組成物を調製し、更に乾式混合にて十分に均質化する。

　続いて、均質化された摩擦材組成物を、常温にて仮押しして予備成形体を作製することが好ましい。

　次に、摩擦材組成物を所望の形状に成形する工程では、予備成形体を熱成形型に投入して金属板（プレッシャプレート）を重ねて加熱圧縮成形を行い、摩擦材成形体を得る。加熱圧縮成形の条件としては、成形温度１３０～１８０℃、成形圧力３０～８０ＭＰａ、成形時間２～１０分間の条件下で行うことが好ましい。

　なお、摩擦材成形体に対してアフターキュア（加熱処理）を行うことが好ましい。アフターキュアを行うことで、熱硬化性樹脂を十分に硬化して摩擦材に必要な強度を付与することができる。アフターキュアの条件としては、１５０～３００℃、１～５時間の条件下で行うことができる。

　その後、必要に応じて、研摩、表面焼き、塗装等の仕上げ処理を更に施してもよい。

　本発明の摩擦材組成物を用いて成形された摩擦材は、再生セルロース繊維を含有しているので、優れた強度と耐摩耗性、並びに相手材攻撃性の悪化抑制特性を備え、また優れた初期効力を有している。

　以下、実施例及び比較例により本発明を更に説明するが、本発明は下記例に制限されるものではない。

（実施例１～１０、比較例１～４）
　表１に示す配合材料を、混合攪拌機に一括して投入し、常温で２～１０分間混合を行い摩擦材組成物を得た。得られた摩擦材組成物を以下の予備成形（ｉ）、熱成形（ｉｉ）、加熱および焼成（ｉｉｉ）の工程を経て、摩擦材を備えたブレーキパッドを作製した。
（ｉ）予備成形
　摩擦材組成物を予備成形プレスの金型に投入し、常温にて１５ＭＰａで１秒間、成形を行い予備成形品を作製した。
（ｉｉ）熱成形
　この予備成形品を熱成形型に投入し、予め接着剤を塗布した金属板（プレッシャプレート）を重ねて１５０℃、４０ＭＰａで５分間加熱圧縮成形を行った。
（ｉｉｉ）加熱、焼成
　工程（ｉｉ）で得られた加熱圧縮成形体に、１５０～３００℃、１～４時間の熱処理を実施した後、研摩した。次いで、この加熱圧縮成形体の表面に表面焼き処理を施し、仕上げに塗装を行い、摩擦材を備えたブレーキパッドを得た。

　実施例１～１０及び比較例１～４で得られた摩擦材を備えたブレーキパッドに対して以下の方法により、摩擦材せん断強度、摩耗量、相手材攻撃性、及び初期効力特性の評価を行った。

（１）摩擦材せん断強度
　ＪＩＳＤ４４２２に準拠し、摩擦材のテストピース（３０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み４．８ｍｍ）に対して摩擦材せん断強度の測定を行った。
　せん断強度（単位：Ｎ／ｃｍ^２）が７００以上を「◎」、６５０以上７００未満を「○」、６００以上６５０未満を「△」、６００未満を「×」として評価した。

（２）摩擦材摩耗試験
　ＪＡＳＯ－Ｃ４２７に準拠し、摩擦試験機（曙ブレーキ工業株式会社製１／７スケールテスター）を用い、摩擦材のテストピース（３０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み４．８ｍｍ）に対してブレーキ温度２００℃時の制動１０００回相当の摩擦材摩耗量を求め、耐摩耗性を評価した。なお、相手材（ロータ）はＦＣ２５０を用いた。
　摩擦材摩耗量（単位：ｍｍ）が０．３５未満を「◎」、０．３５以上０．４０未満を「○」、０．４０以上０．４５未満を「△」、０．４５以上を「×」として評価した。

（３）相手材攻撃性
　上記（２）摩擦材摩耗試験の試験後の相手材摩耗量を計測した。
　相手材摩耗量（単位：μｍ）が１０未満を「◎」、１０以上１５未満を「○」、１５以上を「×」として評価した。

（４）初期効力特性
　ＪＡＳＯ－Ｃ４０６（２０００）に準拠し、摩擦試験機（フルサイズダイナモメーター）を用い、摩擦材のテストピース（３０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み４．８ｍｍ）に対する一般性能試験における初速度２０ｋｍ／ｈでの初期効力特性（平均μ）を計測した。
　第一効力２０ｋｍ／ｈ時の平均μが０．３５以上を「◎」、０．３０以上０．３５未満を「○」、０．３０未満を「×」として評価した。

　各試験の結果を表１に示す。

　表１の結果から、実施例１～１０の摩擦材は、繊維基材として再生セルロース繊維を含有しており、これを含有しない比較例１、天然セルロース短繊維を配合した比較例４に比べて強度及び耐摩耗性に優れる結果となった。また、再生セルロース繊維を２質量％以上配合することによって、強度及び耐摩耗性が更に向上することが分かった。
　なお、実施例１～５と実施例６～１０とを比較すると、レーヨン繊維とリヨセル繊維の含有量が同じであるとき、リヨセル繊維を配合した摩擦材組成物の方がより優れた強度及び耐摩耗性を示した。特に、リヨセル繊維を４質量％配合した実施例８の摩擦材は、銅繊維を４質量％配合した比較例２の摩擦材と同等の強度及び耐摩耗性を示した。

　また、鉄繊維を配合した比較例３の摩擦材では、耐摩耗性及び相手材攻撃性に劣る結果となっているが、実施例１～１０の摩擦材はいずれも相手材攻撃性が満足な結果であった。
　そして、初期効力特性について、再生セルロース繊維を配合した実施例１～１０の摩擦材はいずれも良好な結果を示した。

　本発明を詳細にまた特定の実施形態を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は、２０１６年１１月２日出願の日本特許出願（特願２０１６－２１５３３１）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明の摩擦材は、高い強度を有しつつ、相手材に対する攻撃性を悪化させること無く、優れた耐摩耗性及び初期効力を有することから、産業機械、鉄道車両、貨物車両、乗用車等のブレーキパッド、ブレーキライニング、クラッチフェーシング等に好適に用いられる。

Claims

　繊維基材、摩擦調整材及び結合材を含有する摩擦材組成物であって、該摩擦材組成物中の銅の含有量が銅元素換算で０．５質量％以下であり、前記繊維基材として再生セルロース繊維を含有する摩擦材組成物。
　前記再生セルロース繊維の繊維長が、２～２０ｍｍである、請求項１に記載の摩擦材組成物。
　前記再生セルロース繊維の繊度が、０．３～１００ｄｔｅｘである、請求項１又は２に記載の摩擦材組成物。
　前記再生セルロース繊維の含有量が、０．５～１０質量％である、請求項１～３のいずれか１項に記載の摩擦材組成物。
　前記再生セルロース繊維が、レーヨン繊維、リヨセル繊維、キュプラ繊維及びポリノジック繊維からなる群から選択される少なくとも１種の繊維である、請求項１～４のいずれか１項に記載の摩擦材組成物。
　請求項１～５のいずれか１項に記載の摩擦材組成物を用いて成形された摩擦材。