具有摩擦改性層的多孔摩擦材料的製作方法

2023-05-20 16:36:46 2

專利名稱：具有摩擦改性層的多孔摩擦材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有包括多孔基底材料的第一層或底層和包括至少一種摩擦改性顆粒的第二層或頂層的多孔摩擦材料。本發明的摩擦材料具有高摩擦係數特性、非常強的抗抖動特性和極其高的耐熱性。該摩擦材料還具有提高的強度、耐磨性和抗噪性。
背景技術：
汽車工業正發展新的先進連續扭矩傳遞系統，其具有連續滑動扭矩轉換器和換檔離合器系統。這些新系統往往涉及到高能量需求。因此，還必須發展摩擦材料技術以滿足這些先進系統日益增加的能量需求。
尤其需要新的高性能耐用摩擦材料。新摩擦材料必須能承受高速度，其中表面速度達到約65m/s。另外，該摩擦材料必須能承受高達約1500psi的高對向襯面壓力(facing lining pressure)。該摩擦材料在有限的潤滑條件下有用也是重要的。
為了在先進系統中有用，摩擦材料必須耐用並具有高耐熱性。摩擦材料不僅必須在高溫下保持穩定，而且還必須能快速散逸在運行條件下產生的高熱量。
在新系統的嚙合和脫離過程中產生的高速度意味著摩擦材料必須能在整個嚙合過程中保持相對固定的摩擦。重要的是摩擦嚙合應在寬範圍的速度和溫度內相對固定，以便最小化剎車過程中材料的「抖動」或從一個排擋動力換檔到另一個過程中傳遞系統的「抖動」。摩擦材料具有理想的扭矩曲線形狀也是重要的，從而在摩擦嚙合過程中，摩擦材料無噪聲或「嘎嘎聲」。
特別地，傳遞和扭矩需求系統結合滑動離合器主要為了燃料效率和駕駛舒適性。滑動離合器在這些系統內的角色從車輛起動裝置如溼式起動離合器變化到扭矩轉換器離合器。根據運行條件，滑動離合器可被分成三個基本類別(1)低壓高滑動速度離合器，如溼式起動離合器；(2)高壓低滑動速度離合器，如轉換器離合器；和(3)超低壓低滑動速度離合器，如空擋慢速離合器。
所有滑動離合器應用所關心的主要性能是防止抖動和摩擦界面的能量管理。抖動的發生可歸因於許多因素，包括摩擦材料的摩擦特性、配合表面的硬度和粗糙度、油膜保持力、潤滑劑化學和相互作用、離合器運行條件、傳動系統裝置和硬體排列，和傳動系統汙染。摩擦界面能量管理主要與控制界面溫度有關，並受泵容量、油流路和控制策略影響。摩擦材料表面設計還有助於界面能量管理的效率。
以前，為了溫度穩定性，在摩擦材料中包括石棉纖維。由於健康和環境問題，不再使用石棉。最近的摩擦材料已嘗試通過用酚醛或酚醛改性樹脂改性浸漬紙或纖維材料來克服石棉的缺乏。但是，這些摩擦材料不能迅速地散逸產生的高熱量，並且沒有目前發展的高速系統中應用正需要的必要耐熱性和令人滿意的高摩擦係數性能。
Kearsey的美國專利5585166描述了具有多孔襯底層(纖維素和合成纖維、填料和熱固性樹脂)和多孔摩擦層(在熱固性樹脂中的無紡合成纖維)的多層摩擦襯裡，其中摩擦層比襯底層具有較高的孔隙率。
Seiz的美國專利5083650文獻涉及多步驟浸漬和固化工藝；即用塗料組合物浸漬紙，碳顆粒被放在紙上，紙中的塗料組合物被部分固化，將第二塗料組合物施加到部分固化的紙上，最後，固化兩種塗料組合物。
在其它摩擦材料中，為了耐磨性而在摩擦材料中包括與碳材料結合的金屬纖維。例如，Fujimaki等人的美國專利4451590描述了具有金屬纖維、填料、碳顆粒、碳纖維和酚醛樹脂的摩擦材料。但是，金屬基摩擦材料沒有充分的孔隙率和可壓縮性以能在使用時有高流體滲透能力。另外，金屬基摩擦材料沒有足夠回彈力或彈性，而且抵抗能承受高達約1500psi(大約105kg/cm2)的高對向襯裡壓力的壓縮形變。金屬基摩擦材料還不能承受新傳遞和剎車系統嚙合和分離過程中產生的高達約65m/s的高表面速度。
已開發了與本文受讓人BorgWarner Inc.共有的各種紙基纖維材料用於摩擦材料。這些文獻被全文引入作為參考。
特別地，Lam等人的美國專利5998307涉及一種摩擦材料，具有用可固化樹脂浸漬的原纖維基材料，其中多孔首層包括至少一種纖維材料，第二層包括覆蓋首層至少約3-約90％表面的碳顆粒。
Lam等人的美國專利5858883涉及一種基底材料，具有原纖化較少的芳族聚醯胺纖維、合成石墨和填料的首層，和在首層表面上包括碳顆粒的第二層。
Lam等人的美國專利5856224涉及一種摩擦材料，包括用可固化樹脂浸漬的基底。首層包括原纖化較少的芳族聚醯胺纖維、合成石墨和填料；第二層包括碳顆粒和助留劑。
Lam等人的美國專利5958507涉及一種製造摩擦材料的方法，其中纖維材料的至少一個表面塗有碳顆粒，纖維材料包括原纖化較少的芳族聚醯胺纖維。
Lam的美國專利6001750涉及一種摩擦材料，包括用可固化樹脂浸漬的纖維基材料。多孔首層包括原纖化較少的芳族聚醯胺纖維、碳顆粒、碳纖維、填料材料、酚醛諾沃洛伊德類纖維和任選的棉纖維。第二層包括碳顆粒，其覆蓋表面的約3-約90％。
還一共有的目前已準許的專利申請序列號09/707274涉及紙類摩擦材料，具有多孔第一纖維底層，摩擦改性顆粒覆蓋第一層約3-約90％的表面積。
另外，各種紙基纖維基底材料描述在共有人BorgWarner Inc.和Lam等人的美國專利5753356和5707905中，它們描述了包括原纖化較少的芳族聚醯胺纖維、合成石墨和填料的基底材料，該文獻也被全文引入作為參考。
另一共有專利，Lam的美國專利6130176涉及非金屬紙基纖維基底材料，包括原纖化較少的芳族聚醯胺纖維、碳纖維、碳顆粒和填料。
對於各類摩擦材料，為了在「溼式」應用中有用，摩擦材料必須具有各式各樣的可接受特性。摩擦材料必須具有良好的抗抖動特性；具有高耐熱性和能快速散逸熱；並具有長期持久的穩定和一致摩擦性能。如果這些特性中的任何一個不能滿足，則不能達到摩擦材料的最佳性能。
另外重要的是應在摩擦材料中使用合適的浸漬樹脂，以便形成高能量應用摩擦材料。當摩擦材料在使用過程中充滿剎車液或傳動油時，摩擦材料在使用過程中必須具有良好的剪切強度。
因此，本發明的一個目的是提供與現有技術那些相比具有可靠和改進性能的改進摩擦材料。
本發明的又一目的是提供一種摩擦材料，具有改進的「抗抖動」、耐「熱點」、高耐熱性、高摩擦穩定性和耐用性，和強度。


圖1為顯示多孔摩擦材料的示意圖，該多孔摩擦材料具有多孔纖維基底材料和至少一種形成頂層的摩擦改性顆粒。
圖2為實施例1沉積表面在放大500倍後的SEM圖。
圖3為顯示對比例Z、對比例E、對比例G和實施例1的斜率對滑動時間的曲線。
圖4a和4b為顯示對比例1(圖4a)、實施例1(圖4b)在527Kpa、1054Kpa和1580Kpa下的摩擦係數對速度(rpm)的圖。
圖5a和5b顯示對比例Z和實施例1配方之間的耐用性試驗比較。

發明內容
本發明涉及一種摩擦材料，其具有包括多孔基底材料的第一層和在基底材料上表面上包括至少一種摩擦改性顆粒的第二層。
第二層沉積在第一層上，從而第二層具有比第一層低的滲透率。摩擦改性顆粒沉積在單獨的纖維上，或如果是無紡材料的話，沉積在摩擦材料表面上隨機隔開的部分。
在一個方面，摩擦材料包括具有多孔基底材料和至少一種樹脂材料的第一層，和具有至少一種摩擦改性顆粒的第二層，該摩擦改性顆粒至少部分覆蓋多孔基底材料的頂面。第二層具有約30-約400μm的平均厚度，從而第二層具有比第一層低的滲透率。
在一些實施方案中，在構成多孔基底材料的單獨纖維和/或填料上的摩擦改性顆粒層具有約50-約100μm的厚度，在一些實施方案中，在構成第一層或基底層的單獨纖維和/或填料顆粒上為約75-約85μm。在一些實施方案中，第二層在徑向和法向上具有比多孔基底材料低的滲透率。
另外，在一些實施方案中，摩擦改性顆粒具有約0.1-約80微米的平均尺寸，在一些實施方案中，具有約0.5-約20微米的平均尺寸，在一些其它實施方案中，具有約0.1-約0.15微米的平均尺寸。
基底材料可具有約60％-約85％的平均空隙體積。在一些實施方案中，多孔基底層包括約70-85wt％的纖維和約10-30wt％的填料。在一些實施方案中，多孔基底材料可包括約80％的纖維和約20％的填料。
在另一方面，本發明涉及製造摩擦材料的方法，其中用浸漬劑(saturant)浸漬(saturate)多孔基底材料，該浸漬劑可包括至少一種樹脂材料和至少一種摩擦改性顆粒，從而使得大量摩擦改性顆粒在構成基底材料的單獨纖維和/或填料上形成層。在一些實施方案中，摩擦改性顆粒層具有約30-400μm的平均厚度，從而第二層具有比第一層低的滲透率。然後，在一定溫度下固化浸漬的基底材料達預定的一段時間。
在另一方面，該方法包括按如下製造摩擦材料製備包括至少一種可固化樹脂材料和至少一種摩擦改性顆粒的混合物的浸漬劑材料，製備到處分散有大量間隙的多孔基底材料，和用浸漬劑材料浸漬多孔基底材料。摩擦改性顆粒沉積在基底材料的頂面上，從而摩擦改性顆粒實際上沉積在構成基底材料的單獨纖維和/或單獨填料上。但是，同時，浸漬劑中的樹脂材料基本均勻地分散在整個基底材料內。因此，在一些實施方案中，摩擦改性顆粒在基底材料的至少一面上形成多孔頂層。
具體實施例方式
為了達到上述要求，評價了多種摩擦材料在類似於運行中遇到的那些條件下的摩擦和耐熱特性。研究了市售摩擦材料，並證實不適用於高能量應用。
根據本發明，摩擦材料具有均勻分散在整個多孔基底材料內的可固化樹脂，和多孔基底材料頂面或外表面上的摩擦改性材料的基本不均勻層。
在一個方面，基底材料層包括高度多孔材料如織物材料。在其它方面，基底材料包括高度多孔無紡布材料。在一些實施方案中，多孔基底材料具有在約75-約85wt％範圍內的高纖維含量，在一些實施方案中，為約80％，以基底材料的重量計。基底材料還具有在約15-約25wt％範圍內的填料含量，在一些實施方案中，為約20％，以基底材料的重量計。
本發明的摩擦材料中可使用各種基底材料，包括例如非石棉纖維基底材料，其包括例如紡織材料、織物材料和/或無紡材料。合適的纖維基底材料包括例如纖維和填料。纖維可為有機纖維、無機纖維和碳纖維。有機纖維可為芳族聚醯胺纖維，如原纖化的和/或未原纖化的芳族聚醯胺纖維、丙烯酸纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、聚醯胺纖維、棉/纖維素纖維等。填料可為例如二氧化矽、硅藻土、石墨、氧化鋁、檟如堅果粉等。
在其它實施方案中，基底材料可包括纖維織物材料、纖維無紡材料和紙材料。另外，本發明中使用的各種纖維基底材料的例子公開在上面引用的BorgWarner的美國專利中，本文引入其全文作為參考。但是，應認識到，本發明的其它實施方案也可包括不同的纖維基底材料。
在一些其它實施方案中，織物材料可為例如有機纖維如芳族聚醯胺纖維、碳纖維、棉/纖維素纖維、玻璃纖維、聚醯胺纖維、陶瓷纖維等。
在一些實施方案中，在織物材料中使用芳族聚醯胺纖維以為摩擦材料提供理想的孔結構，其又為摩擦材料提供提高的耐熱性。纖維幾何形狀不僅提供提高的耐熱性，而且提供抗分層性和抗嘯聲或噪聲性能。
基底材料中使用原纖化較少的芳族聚醯胺纖維提高了摩擦材料承受高溫的能力。原纖化較少的芳族聚醯胺纖維通常具有較少與芯纖維連接的原纖維。原纖化較少的芳族聚醯胺纖維的使用提供了具有更多孔結構的摩擦材料，即比如果使用典型的原纖化的芳族聚醯胺纖維有較多和較大的孔。多孔結構一般用孔尺寸和液體滲透率表示。在一優選實施方案中，基底材料限定孔直徑平均尺寸為約2.0-約25微米。在一些實施方案中，平均孔直徑尺寸為約2.5-約8微米，並且摩擦材料具有至少約50％的易得空隙率，在一些實施方案中，為至少約60％或更高。
另外，在一些實施方案中，希望芳族聚醯胺纖維具有約0.5-約10mm的長度和大於約300的加拿大標準游離度(CSF)。在一些實施方案中，還希望使用CSF為約450-約550、優選約530和更大的原纖化較少的芳族聚醯胺纖維，在其它一些實施方案中，CSF為約580-650和以上，並優選約650和以上。相反，原纖化較多的纖維如芳族聚酸胺紙漿具有約285-290的游離度。
「加拿大標準游離度」(T227om-85)指纖維的原纖化程度可被描述為纖維游離度的量度。CSF測試為經驗過程，其給出3克纖維在1升水中的懸浮液被排出速度的任意測量。因此，原纖化較少的芳族聚醯胺纖維比原纖化較多的芳族聚醯胺纖維或紙漿具有較高的自由度或較高的流體從摩擦材料中排出的速度。包含CSF範圍為約430-650(在一些實施方案中，優選約580-640，或優選約620-640)的芳族聚醯胺纖維的摩擦材料能提供比常規包含原纖化較多的芳族聚醯胺纖維的摩擦材料更優異的摩擦性能和更好的材料性能。較長的纖維長度和高加拿大自由度一起為摩擦材料提供了高強度、高孔隙率和良好的耐磨性。原纖化較少的芳族聚醯胺纖維(CSF約530-約650)具有尤其好的長期耐用性和穩定的摩擦係數。
在特定的實施方案中，基底材料具有約10-約20wt％的芳族聚醯胺纖維，在一些實施方案中為約15wt％，當與相對高含量的棉或其它纖維素型纖維聯合時。
在其它特定實施方案中，織物材料具有約50-約60wt％的芳族聚醯胺纖維，在一些實施方案中為約55wt％，當與碳纖維聯合時。
在一些實施方案中，第一層中碳纖維的存在有助於提高耐熱性，保持穩定的摩擦係數和提高抗嘯聲性。當在基底材料中使用碳纖維提供良好導熱時，摩擦材料就具有理想的耐熱性。在特定的實施方案中，基底材料具有約5-約20wt％的碳纖維，在一些實施方案中，約10-約15wt％。
在第一層中存在碳纖維的一些實施方案中，優選沒有棉纖維含量。在沒有碳纖維含量的其它實施方案中，基底材料第一層中的相對大量棉纖維如約40-50wt％節省成本地提高了摩擦材料離合器「磨合(break-in)」特性。在這種實施方案中，向本發明的基底材料中加入棉纖維給予摩擦材料較高的摩擦係數。在一些實施方案中，還可向基底材料中加入約40-約50％的棉，在一些實施方案中，為約45％。
基底材料第一層配方的一個例子為包含約10-約50wt％的原纖化較少的芳族聚醯胺纖維；約10-約35wt％的活性炭顆粒；約5-約20wt％的棉纖維，約2-約15wt％的碳纖維；和約10-約35wt％的填料材料。在一些實施方案中，發現一種特定的配方是有用的，該配方包含約35-約45wt％的原纖化較少的芳族聚醯胺纖維；約10-約20wt％的活性炭顆粒；約5-約15％的棉纖維，約2-約10wt％的碳纖維；和約25-約35wt％的填料。
在本發明的纖維基底材料第一層中也可使用各種填料。尤其是二氧化矽填料如硅藻土是有用的。但是，認為其它類型的填料也適用於本發明，填料的選擇取決於摩擦材料的具體要求。
在一些實施方案中，棉纖維被加入到本發明的纖維基底材料中，給予纖維材料更高的摩擦係數。在一些實施方案中，約10-約20％，和在一些實施方案中，約10％的棉也可被加入到纖維基底材料中。
纖維基底材料第一層配方的一個例子包含約15-約25％的棉，約40-約50％的芳族聚醯胺纖維，約10-約20％的碳纖維，約5-約15％的碳顆粒，約5-約15％的Celite，和任選添加的約0-約3％的乳膠。
在一些實施方案中，摩擦材料包含其中具有大量空隙或間隙的基底材料。纖維基底材料中空隙尺寸可為約0.5μm-約20μm。
在一些實施方案中，基底材料優選具有約60-約85％的空隙體積，使得纖維基底材料與「緻密」基底材料相比被視為「多孔的」。
在本發明的一個方面，涉及具有新型微結構表面的摩擦材料。有微結構表面的摩擦材料具有較高的摩擦係數，甚至更強的抗抖動特性和極其高的耐熱性。
在一個方面，摩擦材料具有多孔或膨鬆鬆散基底材料。基底材料具有低密度，並具有使樹脂材料滲透入基底材料的纖維結構。摩擦材料具有極其好的耐熱性和摩擦係數特性，這使摩擦材料在熱和機械應力條件下響應良好。
在另一方面，「大孔」纖維材料具有部分未被摩擦改性材料覆蓋的表面。大孔使摩擦改性材料沉入到基底材料的空隙或間隙內。在本發明的大孔摩擦材料中，大孔使流體中的汙染物容易地通過。由於潤滑油隨時間的流逝變質，因此產生殘渣。本發明的摩擦材料保持摩擦材料的摩擦行為穩定。
摩擦材料因此在纖維基底材料的第一面或頂面上包括摩擦改性顆粒的頂層或第二層。摩擦改性材料作為纖維基底材料上不連續或隨機覆蓋的頂層的存在為摩擦材料提供了許多有利性能，包括良好的持油(oil retention)性能。
當纖維基底材料具有較高的平均孔直徑和流體滲透率時，摩擦材料由於傳動液更好地自動流過摩擦材料的多孔結構而更可能變冷或產生較少的熱。在傳遞系統運行過程中，流體往往隨著時間的流逝而分解並形成「油沉渣(oil deposit)」，尤其在高溫下。這些「油沉渣」降低了氣孔大小。因此，當摩擦材料最初以較大的孔開始時，在摩擦材料的有效使用期限內仍保留有較多的開孔。
纖維基底材料頂面上的摩擦改性顆粒為得到的摩擦材料提供改進的三維結構。
在頂部摩擦改性顆粒層上的油或流體層保持油膜在表面上，從而使得油或流體更難以最初滲透到摩擦材料內。頂部摩擦改性材料層保持液體潤滑劑在表面上，並提高了摩擦材料的持油能力。本發明的摩擦材料因此能使油膜保持在其表面上。這還提供了良好的摩擦係數特性和良好的滑動持久(slip durability)特性。
在一些實施方案中，形成頂層的摩擦改性顆粒的平均覆蓋面積在表面面積的約0-約50％範圍內。在一些其它實施方案中，平均覆蓋面積為約40-約100％。
摩擦改性顆粒可具有約0.1-約80微米的直徑尺寸，在一些實施方案中，直徑為約0.5-約20微米，在其它一些實施方案中，直徑為約0.1-約0.5微米。在一些實施方案中，該顆粒具有約12μm的平均顆粒直徑。在一些實施方案中，發現如果摩擦改性顆粒尺寸太大或太小，就不能獲得所需的最佳三維結構，並且因此熱散逸和抗抖動(antishudder)特性不是最優。
摩擦改性顆粒在纖維基底材料上的覆蓋量充分隨機，從而基底材料的單獨纖維和/或填料上的摩擦改性顆粒層具有三維結構。這種三維結構由在基底材料的單獨纖維和/或填料上和在單獨纖維之間的空隙或間隙中的摩擦改性材料單獨顆粒構成。在一些實施方案中，第二層(包括摩擦改性顆粒)比底層(纖維基底材料)孔少。
各種摩擦改性顆粒可用作摩擦材料中的第二層或頂層。在一種實施方案中，有用的摩擦改性顆粒包括二氧化矽顆粒。其它實施方案可具有摩擦改性顆粒如樹脂粉末如酚醛樹脂、有機矽樹脂、環氧樹脂和它們的混合物。還有其它實施方案可包括部分和/或完全碳化的碳粉末和/或顆粒和它們的混合物；和這類摩擦改性顆粒的混合物。在一些實施方案中，二氧化矽顆粒如硅藻土、Celite、Celatom和/或二氧化矽尤其有用。二氧化矽顆粒是能有力粘合到基底材料的廉價無機材料。二氧化矽顆粒為摩擦材料提供高摩擦係數。二氧化矽顆粒還為基底材料提供光滑的摩擦表面，並為摩擦材料提供良好的「換檔感覺(shift feel)」和摩擦特性，從而使任何「抖動」最小。
在還一實施方案中，摩擦改性顆粒還可包括其它摩擦改性顆粒如金屬氧化物、氮化物、碳化物和它們的混合物。在本發明考慮範圍內的這些實施方案可包括例如矽氧化物、鐵氧化物、鋁氧化物、鈦氧化物等；矽氮化物、鐵氮化物、鋁氮化物、鈦氮化物等；和矽碳化物、鐵碳化物、鋁碳化物、鈦碳化物等。
在一些實施方案中，構成第二層的摩擦改性材料可具有不規則形狀。不規則形狀的摩擦改性顆粒由於不規則形狀摩擦改性顆粒表面上大量內陷的毛細作用而用於在纖維基底材料表面處和「主體」中保持所需量的潤滑劑。在一些實施方案中，二氧化矽材料如Celite用作摩擦改性材料，因為Celite具有不規則或粗糙表面。
樹脂材料至少部分填充纖維基底材料中的空隙。樹脂材料基本均勻地分散在基底材料的整個厚度內。
在一些實施方案中，可使用不同的樹脂體系浸漬摩擦材料。在一些實施方案中，使用至少一種酚醛樹脂、至少一種改性酚醛基樹脂、至少一種有機矽樹脂、至少一種改性有機矽樹脂、至少一種環氧樹脂、至少一種改性環氧樹脂和/或上述的組合是有用的。在一些其它實施方案中，在相容溶劑中與酚醛樹脂共混或混合的有機矽樹脂是有用的。
本發明中可使用各種樹脂。在一些實施方案中，該樹脂可包括酚醛或酚醛基樹脂，優選每100重量份摩擦材料中，浸漬劑材料佔約45-約65重量份。在將樹脂混合物施加到基底材料上並用樹脂混合物浸漬基底材料後，加熱浸漬的基底材料至所需的溫度，保持預定長時間形成摩擦材料。在一些實施方案中，加熱在約300°F的溫度下固化浸漬劑中存在的酚醛樹脂。當浸漬劑中存在其它樹脂時，如有機矽樹脂，加熱在約400°F的溫度下固化有機矽樹脂。然後，通過合適的方式將固化的摩擦材料粘著到所需的基底上。
各種有用的樹脂包括酚醛樹脂和酚醛基樹脂。要認識到在樹脂共混物中包括其它改性成分如環氧樹脂、丁二烯、矽酮、桐油、苯、檟如堅果油等的各種酚醛基樹脂都被考慮用於本發明。在酚醛改性樹脂中，酚醛樹脂通常佔樹脂共混物的約50wt％或更多(不包括存在的任何溶劑)。但是，已發現在一些實施方案中，當混合物包括以矽酮-酚醛樹脂共混物(不包括溶劑和其它處理酸)重量計含約5-約80wt％有機矽樹脂的樹脂共混物時，摩擦材料可得到改善，為了特定目的，可含約15-約55wt％，在一些實施方案中，含約15-約25wt％。
本發明中使用的有用酚醛樹脂和酚醛-有機矽樹脂的例子全部公開在上面引用的BorgWarner的美國專利中，本文全文引入其作為參考。本發明中有用的有機矽樹脂包括例如熱固矽酮密封劑和矽酮橡膠。各種有機矽樹脂適用於本發明。特別地，一種樹脂包括二甲苯和乙醯丙酮(2，4-戊二酮)。有機矽樹脂沸點為約362°F(183℃)，蒸汽壓在68°F下為21mmHg，蒸汽密度(空氣＝1)為4.8，在水中幾乎不溶解，比重為約1.09，揮發率為5wt％，蒸發速度(乙醚＝1)小於0.1，閃點約149°F(65℃)，使用Pensky-Martens方法。應認識到其它有機矽樹脂也可用於本發明。其它有用的樹脂混合物包括例如合適的酚醛樹脂，其包括(wt％)約55-約60％的酚醛樹脂；約20-約25％的乙醇；約10-約14％的苯酚；約3-約4％的甲醇；約0.3-約0.8％的甲醛；和約10-約20％的水。另一合適的酚醛基樹脂包括(wt％)約50-約55％的苯酚/甲醛樹脂；約0.5％的甲醛；約11％的苯酚；約30-約35％的異丙醇；和約1-約5％的水。
還發現另一有用的樹脂為環氧改性的酚醛樹脂，其包含約5-約25wt％、優選約10-約15wt％的環氧化合物，餘量(不包括溶劑和其它處理酸)為酚醛樹脂。在一些實施方案中，環氧-酚醛樹脂化合物比單獨酚醛樹脂為摩擦材料提供更高的耐熱性。
在一些實施方案中，優選樹脂混合物包括所需量的樹脂和摩擦改性顆粒，從而纖維基底材料獲得的目標樹脂範圍為約25-約70％，在其它實施方案中，為約40-約65％，在一些實施方案中，為約60-至少65％，以全部矽酮-酚醛樹脂重量計。在用樹脂浸漬基底材料後，在300-400℃之間的溫度下固化基底材料一段時間(在一些實施方案中約1/2小時)，以固化樹脂粘合劑並形成摩擦材料。摩擦材料的最終厚度取決於基底材料的初始厚度。
還認為可包括已知在製備樹脂共混物和製備基底材料中有用的其它成分和處理助劑，並在本發明的考慮範圍內。
在一些實施方案中，樹脂混合物可包括在彼此相容的溶劑中存在的有機矽樹脂和酚醛樹脂兩者。這些樹脂被混合到一起(在優選的實施方案中)形成均勻共混物，然後用於浸漬纖維基底材料。在一些實施方案中，如果用酚醛樹脂浸漬基底材料，然後在其後加入有機矽樹脂或反之亦然，則沒有相同的效果。在矽酮-酚醛樹脂溶液的混合物和有機矽樹脂粉末和/或酚醛樹脂粉末的乳液之間也有差別。當有機矽樹脂和酚醛樹脂在溶液中時，它們根本不能固化。相反，有機矽樹脂和酚醛樹脂的粉末顆粒被部分固化。有機矽樹脂和酚醛樹脂的部分固化抑制了基底材料的良好浸漬。
在本發明的一些實施方案中，用有機矽樹脂在其與酚醛樹脂及其溶劑相容的溶劑中的共混物浸漬基底材料。在一種實施方案中，發現異丙醇是尤其合適的溶劑。但是，應認識到，在本發明的實施中可使用各種其它合適的溶劑，如乙醇、甲乙酮、丁醇、異丙醇、甲苯等。當與酚醛樹脂混合併用於浸漬基底材料時，有機矽樹脂的存在使得到的摩擦材料比只用酚醛樹脂浸漬的基底材料更有彈性。當對本發明的共混矽酮-酚醛樹脂浸漬的摩擦材料施加壓力時，壓力有更均勻的分布，這又降低了不均勻襯裡磨損的可能性。在將有機矽樹脂和酚醛樹脂與摩擦改性顆粒混合到一起後，使用混合物浸漬基底材料。
本發明的摩擦材料包括形成基底材料隨機覆蓋表面的摩擦改性顆粒層，這為摩擦材料提供了良好的抗抖動特性、高抗力、高摩擦係數、高耐用性、良好的耐磨性和改善的磨合特性。
圖1顯示了摩擦材料10的示意圖，摩擦材料10具有纖維基底材料12和基本覆蓋基底材料12的非連續或隨機覆蓋表面的摩擦改性材料層14。
圖2為實施例1的SEM圖，其中摩擦材料具有許多大孔，從而至少部分潤滑劑不能停留在摩擦材料的表面上。實施例1配方中的摩擦顆粒更深地滲透入到纖維基底材料內，從而表面孔保持相當敞開。
本發明多孔摩擦材料中使用的摩擦改性材料不連續層為摩擦材料提供良好的抗抖動特性。在所示實施方案中，高溫合成纖維和基底材料的孔隙率提供提高的耐熱性。
另外，多孔摩擦材料具有使流體汙染物容易通過的相對大的孔。這類降解產物的這種吸收為摩擦材料提供了更穩定的摩擦行為。
下面的實施例進一步證明本發明能提供相對於常規摩擦材料的改進。摩擦材料具有理想的摩擦係數，耐熱性和耐用特性。下面的實施例中描述本發明的各種優選實施方案，但是，實施例不用於限制本發明的範圍。
實施例實施例I實施例1、對比例E、對比例G、對比例Z和對比例C在有槽材料中斜率對滑動時間的比較示於圖3。對比例E為商業摩擦材料。對比例G為商業摩擦材料配方。對比例Z為具有摩擦改性顆粒緻密層作為頂層的摩擦材料配方。mu-v(摩擦係數對滑動速度(rpm))斜率的失效標準設為-1.0*E-5，其在工業上是可接受的。斜率低於這個水平的產品更易於抖動。實施例1材料允許油流在所需的條件內，並允許良好的散熱。實施例1材料在落到「失效標準」下前持續超過40小時，而其它材料在6和20小時之間就失效。
實施例II摩擦改性顆粒的沉積形成不能顯著降低頂層滲透率的多孔表面層。頂部摩擦改性顆粒層的滲透率使流體或潤滑劑能流入基底材料內，並且不能保持停留在摩擦材料表面處。
實施例1摩擦材料具有約0.36Darcy或更低的法向滲透率(k法向)和約0.71Darcy或更大的橫向滲透率(k橫向)。與之相比，對比例Z材料具有約0.22Darcy的法向滲透率(k法向)和約0.35Darcy的橫向滲透率(k橫向)。
實施例III商業摩擦材料對比例I(BWA5301)和實施例1的不同壓力下的摩擦係數(COF)和速度之間的比較分別示於圖4a和4b。元孔材料實施例1具有有利的COF對速度關係。
實施例IV
對比例Z和實施例1配方的耐用性試驗結果分別示於圖5a和5b，比較了8、18、28、36和48小時的摩擦係數(μ)對滑動速度(rpm)。在當滑動速度增加，摩擦係數降低前，對比例Z材料持續超過18小時，而實施例1材料持續超過48小時。當滑動速度增加時，實施例1材料的摩擦係數輕微降低至約0.137而仍好於對比例Z材料的摩擦係數。
工業適用性本發明適用於離合器板、傳遞帶、剎車片、同步環、摩擦片或系統板使用的高能摩擦材料。
上述本發明優選和可選實施方案的描述用於說明，不是用於限制下面權利要求的範圍和內容。
權利要求
1.一種摩擦材料，其包括第一層和第二層，第一層包含多孔基底材料和至少一種樹脂材料，第二層包含至少一種至少部分覆蓋多孔基底材料頂面的摩擦改性顆粒，第二層具有約30-400μm的平均厚度，其中第二層具有低於第一層的流體滲透率。
2.如權利要求1的摩擦材料，其中摩擦改性顆粒第二層在構成多孔基底材料的單獨纖維和/或填料材料上形成。
3.如權利要求2的摩擦材料，其中在構成基底材料的單獨纖維和/或填料材料上的摩擦改性顆粒第二層在單獨纖維和/或單獨填料材料上具有約50-約100μm的厚度。
4.如權利要求1的摩擦材料，其中第二層在徑向和法向上具有比多孔基底材料低的滲透率。
5.如權利要求1的摩擦材料，其中，該摩擦改性顆粒尺寸為約0.5-約20微米。
6.如權利要求1的摩擦材料，其中，該多孔基底材料具有約65％-約85％的平均空隙體積。
7.如權利要求1的摩擦材料，其中，該摩擦改性顆粒包括二氧化矽顆粒。
8.如權利要求7的摩擦材料，其中，該摩擦改性顆粒包括Celite顆粒。
9.如權利要求7的摩擦材料，其中，該摩擦改性顆粒包括硅藻土。
10.如權利要求1的摩擦材料，其中，該摩擦改性顆粒包括碳顆粒和二氧化矽顆粒的混合物。
11.如權利要求7的摩擦材料，其中，該Celite具有不規則形狀。
12.如權利要求8的摩擦材料，其中，該Celite顆粒具有約2-約20μm的尺寸。
13.如權利要求1的摩擦材料，其中，該摩擦改性顆粒包括金屬氧化物。
14.如權利要求1的摩擦材料，其中，該摩擦改性顆粒包括氮化物。
15.如權利要求1的摩擦材料，其中，該摩擦改性顆粒包括碳化物。
16.如權利要求1的摩擦材料，其中，該多孔基底材料包括纖維基底材料。
17.如權利要求1的摩擦材料，其中，該多孔基底材料為無紡纖維材料或織物纖維材料。
18.如權利要求17的摩擦材料，其中，該多孔纖維基底材料包含約15-約25％的棉，約40-約50％的芳族聚醯胺纖維，約10-約20％的碳纖維，約5-約15％的碳顆粒，約10-約15％的Celite，和任選添加的約1-約3％的乳膠。
19.如權利要求18的摩擦材料，其中，該摩擦材料的第二層包括沉積在纖維基底材料中纖維材料纖維上和填料材料上的二氧化矽摩擦改性顆粒。
20.如權利要求17的摩擦材料，其中，該多孔纖維基底材料其有約5μm的平均孔直徑。
21.如權利要求1的摩擦材料，其中，該樹脂包括至少一種酚醛樹脂或至少一種改性酚醛樹脂。
22.如權利要求1的摩擦材料，其中，該樹脂包括至少一種酚醛樹脂和至少一種有機矽樹脂的混合物，其中以樹脂混合物重量計，樹脂混合物中有機矽樹脂的量為大約5-大約80wt％。
23.一種製造摩擦材料的方法，包括用浸漬劑浸漬多孔基底材料，該浸漬劑包括至少一種樹脂材料和至少一種摩擦改性顆粒，使得大量摩擦改性顆粒在構成基底材料的單獨纖維和填料上形成層，該摩擦改性顆粒層具有約30-400μm的平均厚度，其中第二層具有比第一層低的流體滲透率，和在一定溫度下固化浸漬的基底材料預定的一段時間。
24.一種製造摩擦材料的方法，包括製備包括至少一種可固化樹脂材料和至少一種摩擦改性顆粒的混合物的浸漬劑材料，製備到處分散有大量間隙的多孔基底材料，和用浸漬劑材料浸漬多孔基底材料，藉此大量摩擦改性顆粒至少部分沉積在構成基底材料的單獨纖維上，並且樹脂材料基本均勻地分散在整個基底材料內。
25.如權利要求24的方法，其中摩擦改性顆粒在基底材料的至少一面上形成多孔層。
全文摘要
本發明公開了一種摩擦材料，其包括多孔基底材料、至少一種樹脂材料和至少一種摩擦改性顆粒。該樹脂材料基本均勻地分散在整個基底材料內，並且預定量的摩擦改性材料層在基底材料上形成多孔頂面。
文檔編號C08J5/14GK1721176SQ200510083518
公開日2006年1月18日 申請日期2005年7月8日 優先權日2004年7月9日
發明者F·董, R·C·林, Y·-F·陳, B·查夫達 申請人:博格華納公司