專利名稱：全纖維結構摩擦材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種非石棉的纖維基材，所述纖維基材含有在其中以滲透或穿透梯度分散的所希望量的摩擦改性粒子。
背景技術：
汽車制造業正在發展新的和先進的傳動系統和制動系統。這些新的系統常常涉及高能量的需求。因此，還必須發展摩擦材料工藝學以滿足這些先進系統增長的能量需求。
特別是，需要新的高性能、持久的摩擦原料。新的摩擦材料必須能夠承受表面速度高達約65米/秒的高速度。此外，該摩擦材料必須承受高達約1500psi的高面襯壓力(facing lining pressure)。同樣重要的是該摩擦材料在有限的潤滑條件下使用的。
為了在先進的傳送和制動系統中使用該摩擦材料，它必須是耐磨的而且具有高耐熱性。該摩擦材料不僅必須在高溫下保持穩定，它還必須能迅速地散去在操作條件期間產生的高熱量。
特別地，移動式離合器等中使用的摩擦原料受到其中使用的摩擦材料的流體的逐漸分解(breakdown)。當該流體使用超過長時間時，該流體可能降解并由上述流體降解形成粒子。這些粒子留在流體里，造成摩擦材料的摩擦系數損失。
在新的傳送和制動系統的嚙合和脫離期間產生的高速度意味著摩擦材料必須能夠在整個嚙合期間保持相對穩定的摩擦。重要的是該摩擦嚙合在很寬的速度和溫度范圍內是相對穩定的。同樣重要的是該摩擦材料具有所希望的扭矩曲線形狀以致在摩擦的嚙合期間該摩擦材料無噪音或“嘎嘎聲”。
關注的使用摩擦材料的所有應用的重要性能是摩擦接觸面處的抗“熱點”和能量控制。“熱點”的出現可以歸于許多因素，這些因素包括摩擦材料的摩擦特性、嚙合面的硬度和粗糙度、油膜保留、潤滑劑的化學性質和交互作用、離合器操作條件、動力線組件和硬件校準、以及動力線的污染。摩擦界面能的控制主要涉及控制界面溫度，它受泵流量、油流徑和控制策略的影響。摩擦材料的表面設計也有助于界面能控制的效率。
以前，為獲得溫度穩定性將石棉纖維加入到摩擦材料中。由于健康和環境問題，不再使用石棉。更近期的摩擦原料已經試圖通過用酚醛或酚醛改性樹脂來改性浸漬材料以克服摩擦材料中石棉的缺乏。然而，這些摩擦材料不會迅速地散去產生的高熱量，而且不具備目前在廣泛發展的高速系統中使用所需要的耐熱性和滿意的高摩擦性能系數。
本發明是對Seitz的美國專利No.5,083,650參考文獻的改進，該參考文獻涉及多步浸漬和固化過程；即用涂料組合物浸漬紙，將碳粒子置于紙上，部分固化紙中的涂料組合物，將第二種涂料組合物應用于部分固化的紙上，最后將兩種涂料組合物固化。
Fujimaki等人的美國專利No.4,451,590描述了一種含有金屬纖維、填料、碳粒子、碳纖維和酚醛樹脂的摩擦材料。
史密斯(Smith)等人的美國專利No.5,965,658描述了一種使用源自氧化聚丙烯腈基纖維的碳纖維和金屬粉末和/或金屬氧化物摩擦材料的摩擦材料。
Winkler的美國專利No.5,662,993描述了一種含有纖維的摩擦材料，所述纖維是用粘合材料沿著接觸點粘合的。
Irifune等人的美國專利No.6,121,168描述了一種使用纖維和多孔圓柱形硅藻土的摩擦材料。
Suzuki等人的美國專利No.6,586,673 B1描述了扁圓形硅藻土作為纖維基材填料的用途。
Suzuki等人的美國專利No.6,265,066 B1描述了一種包括纖維基材、填料、摩擦調節劑和包含具有硅氧烷鍵原料的粘合劑的摩擦材料。
Suzuki等人的美國專利No.6,231,977B1描述了一種包括纖維基材、填料、摩擦控制劑和用p-壬基酚改性的酚醛樹脂粘合劑的摩擦材料。
Matsumoto等人的美國專利No.6,060,536描述了一種制造摩擦材料的方法，所述方法是將水溶性材料分散到原紙中，所述原紙包括纖維基材、填料和摩擦調整試劑。
Klink的美國專利No.4,522,290描述了一種包括不含樹脂的木材的摩擦片，所述木材在烘干條件下具有每立方米至少550公斤的平均松散密度，木材的纖維基本上與離合器或制動器摩擦方向平行。
Jacko等人的美國專利No.4,239,666描述了一種石棉基材料，其中加入了木質素以減少對酚醛樹脂的需要。
Seitz等人的美國專利No.6,524,681描述了一種形成圖案的表面摩擦材料。
Kaminski等人的美國專利Nos.5,889,082和5,919,837描述了一種包括纖維和其它摩擦材料組分的混合物的摩擦材料。
Bartram的美國專利No.4,197,223和英國專利No.1,604,827描述了一種無機和有機纖維如玻璃纖維、礦棉、鋁—硅酸鹽纖維、木漿、黃麻、劍麻和棉絨，以及填料的混合物。
Bortz美國專利No.5,989,735描述了一種經過梳毛機梳過的纖維或織成纖維網的纖維。
Ikuta美國專利No.5,290,627描述了一種含有木漿和苧麻纖維并包括約10到約30％填料的摩擦材料。
Chuluda美國專利No.4,256,801描述了一種含有纖維素、碳纖維和耐燃有機纖維(描述為諾沃洛伊德(novoloid)-交聯的酚纖維)的摩擦材料。
Royer美國專利No.4,743,634描述了棉花、黃麻、劍麻、羊毛在摩擦材料中用于摩擦改性材料的用途。
本發明也不同于此處受讓人BorgWarner公司擁有的摩擦材料的專利。特別是，美國專利5,998,307涉及一種具有用可固化樹脂浸漬的基材的摩擦材料，其中在摩擦材料中多孔的第一層包括至少一種纖維材料，并且碳粒子的第二層覆蓋了至少約3到約90％的第一層表面。
美國專利No.5,858,883涉及一種基材，其具有較少原纖維化芳族聚酰胺纖維、人造石墨、和填料的第一層，以及在該第一層表面上含有碳粒子的第二層。
美國專利No.5,856,244涉及一種包括用可固化樹脂浸漬的基材的摩擦材料，在所述摩擦材料中第一層包括較少原纖維化的芳族聚酰胺纖維、人造石墨和填料，以及含有碳粒子和助留劑的第二層。
美國專利No.5,958,507涉及一種制造摩擦材料的方法，在所述方法中，用碳粒子和助留劑涂布包括較少原纖維化的芳族聚酰胺纖維，含有該纖維的纖維材料的至少一個表面用酚或改性酚醛樹脂浸漬并固化。
美國專利6,001,750涉及一種摩擦材料，所述摩擦材料包括用可固化樹脂浸漬的纖維基材，所述纖維基材具有較少原纖維化的芳族聚酰胺纖維、碳粒子、碳纖維、填充材料、酚醛諾沃洛伊德纖維和任選的棉纖維的多孔第一層，以及碳粒子覆蓋了大約3到約90％該表面的第二層。
此外，在BorgWarner有限公司共有的美國專利Nos.5,753,356和5,707,905中描述了不同的基材，所述基材包括較少原纖維化的芳族聚酰胺纖維、人造石墨和填料。
另一個共有的專利，專利No.6,130,176涉及一種包括較少原纖維化的芳族聚酰胺纖維、碳纖維、碳粒子和填料的纖維基材。
美國專利No.5,676,577涉及一種在纖維基材中具有高含量填充材料的摩擦材料。
再一個共有專利，美國專利No.6,630,416涉及一種具有多孔的第一層和硅石微粒第二層的摩擦材料，所述硅石微粒第二層覆蓋約3到約90％的第一層表面。
在其它的仍然共有的專利申請中，美國系列號在2002年8月30日提交的09/233,318，在2002年9月4日提交的09/234,976，在2002年8月13日提交的09/218,019，在200年9月19日提交的10/666,090，在2003年10月3日提交的10/678,720，在2003年10月3日提交的10/678,598，在2003年10月3日提交的10/678,725，在2003年10月3日提交的10/678728和在200年10月3日提交的10/678,599，目前全部未決，描述了其它的摩擦材料。
為了使摩擦材料用于“濕”應用，摩擦材料必須具有多種滿意的特性。該摩擦材料必須是有彈性的或能伸縮的及還耐壓縮變形、耐磨損和耐應力的；具有高耐熱性并能迅速地散去熱量；以及具有持久的、穩定的和一致的摩擦性能。如果任何這些特性得不到滿足，就不能實現該摩擦材料的最佳性能。
同樣重要的是為了形成高能量應用的摩擦材料可以將合適的浸漬樹脂用于纖維基材。當在浸漬期間該摩擦材料用濕樹脂浸透時和當在使用期間充滿著制動液或傳動油時，該摩擦材料均必須具有良好的剪切強度。
同樣重要的是，根據某些應用該摩擦材料具有高孔隙率以致在使用期間有高的流體滲透能力。因此，重要的是該摩擦材料不僅是多孔的，而且它必須是可壓縮的。滲透到摩擦材料的流體必須能夠在制動或傳送作用期間施加的壓力之下迅速地從摩擦材料中壓出或排放出，而該摩擦材料還必須不能坍陷。同樣重要的是該摩擦材料具有高的導熱性以便還有助于迅速地散去在制動或傳動的作用期間產生的熱量。
本發明的摩擦材料不同于上述參考文獻教導的那些摩擦材料，據悉，尤其尚沒有公開用于傳動系統的包括纖維基材的摩擦材料，所述纖維基材僅僅含有纖維材料而沒有填充材料。此外，據悉，沒有公開一種由纖維材料組成的摩擦材料，所述纖維材料含有分散在其中的滲透的或穿透的摩擦改性粒子。更進一步，直到本發明，沒有公開上述僅僅含有纖維的纖維基材，所述基材具有滲透或穿透梯度的摩擦改性粒子，所述摩擦改性粒子包括例如對稱形狀的二氧化硅材料。如此處實施方案所描述的，已經發現對于抗熱點、摩擦穩定性系數、和低厚度損耗，這些成分的組合能夠提供出人意料的優良結果。
因此，本發明的一個目的是提供一種與現有技術相比具有可靠的和改善性質的改進摩擦材料。
本發明的另一個目的是提供具有改善的摩擦特性系數、“壓縮模量”、抗“熱點”、高耐熱性、高摩擦穩定性和持久性、多孔性、強度、以及彈性的摩擦材料。
作為廣泛研究的結果而且鑒于良好的摩擦材料的需要，此處本發明人已經開發了一種具有改進特性的摩擦材料。本發明的濕摩擦材料可用于“濕”應用，其中該摩擦材料是“濕的”或在使用期間用液體如制動液或自動傳動液浸漬。在“濕”摩擦材料使用期間，該流體最終從該摩擦材料上榨出或浸漬該摩擦材料。濕摩擦材料在它們的組成和物理性質方面均大大不同于“干”摩擦材料。
發明內容
為了實現上述討論的要求，在操作期間遇到的類似的條件下評估了很多材料的摩擦和耐熱的特性。對市場上可買到的制動襯片和傳動材料二者都進行了調查，證實了它們不適于在高能量應用中使用。
本發明涉及一種非石棉的纖維基材，所述纖維基材含有在其中以滲透或穿透梯度分散的所希望量的摩擦改性粒子。
上述僅僅含有纖維的基材提供了一種摩擦材料，所述摩擦材料是彈性的和“柔軟的”，由此制造具有非常希望的壓縮模量的摩擦材料。該彈性賦予摩擦材料改善的抗“熱點”和低的襯里損失。
該僅僅含有纖維的基材由于相對大的孔徑因此具有希望的滲透性，大的孔徑有助于滲透性和摩擦穩定性系數。
本發明的摩擦材料還具有改善的抗“熱點”、“平滑移動”所希望的摩擦特性、高耐熱持久性、改善的強度、和孔隙率。
根據發明的一個方面，該纖維基材定義孔的直徑范圍為平均孔徑從約20到約50微米并容易地具有可利用的至少約50％的氣孔。
在某些實施方案中，該全纖維基材由最少一種芳族聚酰胺纖維、碳纖維和纖維素纖維組成。該芳族聚酰胺纖維根據加拿大標準游離度指數優選具有約350或更小的游離度并具有約0.5到約10毫米的平均纖維長度。
在具體的實施方案中，該纖維基材包括扁平的和較小直徑的纖維，所述纖維給摩擦材料提供了平滑和均勻的表面。在某些優選方面，該纖維素纖維包括具有扁平和寬纖維表面的木材纖維。在某些實施方案中，來自具有希望的樹脂滲出的樹木如樺樹、桉樹和橡膠/桉樹的扁平木材纖維是尤其有用的。
在某些具體實施方案中，以該纖維基材的重量為基準，該纖維基層包括約60到約75％重量的芳族聚酰胺纖維，約10到約15％重量的棉纖維，約5到約15％重量的碳纖維；約10到約20％重量的纖維素纖維。
該全纖維基材比其它包含填充材料的纖維基材更疏松或更低的密度。在某些實施方案中，與傳統典型地具有約150到約165基重的基材相比，該全纖維基材具有約120到約125的基重。
在另一個方面，本發明涉及一種包括全纖維基材的摩擦材料，所述纖維基材含有在其中以穿透梯度分散的希望用量的摩擦改性粒子。將該摩擦改性材料分散在全纖維基材內，在該基材中留下許多開放的小孔。該摩擦改性粒子是在該全纖維基材中保持分散的固體的不溶性顆粒。在全纖維基材的上表面或附近存在有較高濃度的摩擦改性粒子。在全纖維基材中摩擦改性粒子的濃度從該基材的上表面到底面逐漸地減少。在某些實施方案種，該摩擦材料以該纖維基材的重量計包括約0.2％到約20％重量的摩擦改性粒子。
在某些實施方案中，該摩擦改性材料以纖維基材的重量為基準包括約5到約15％重量的硅石微粒。在某些優選方面，從該全纖維基材的上表面計算，該摩擦改性粒子在全纖維基材中的深度為約150μm。該摩擦改性粒子具有約5到約100微米的平均尺寸。
在其它實施方案中，該摩擦改性材料以摩擦改性粒子的總重量為基準包括約20％到約35％重量的硅石微粒和約65％到約80％的碳粒子。還在其它的實施方案中，該摩擦改性粒子包括i)硅藻土粒子和ii)全碳化的碳粒子或部分碳化的粒子及其混合物的混合物。
在某些具體的實施方案中，該纖維基層以纖維基材的重量為基準包括約60到約75％重量芳族聚酰胺纖維，約10到約15％重量的棉纖維，約5-15％重量的碳纖維；約10到約20％重量的纖維素纖維；和約5到約20磅/3000英尺2重量的摩擦改性粒子。在某些實施方案中，該摩擦改性粒子以約8到約10磅/3000英尺2的量存在。
不同的摩擦改性粒子可用于該纖維基材。特別是，硅石微粒如硅藻土(diatomaceous earth)、賽里特硅藻土、硅藻土(celatom)、和/或二氧化硅是尤其有用的。該摩擦改性粒子以占該纖維基材的約0.2到約30％重量、優選約2-10％重量、最優選約3-5％重量的量存在。
本發明的另一個方面是提供一種含有全纖維基材和在其中分散有希望量的摩擦改性粒子的摩擦材料，所述摩擦改性粒子具有對稱形狀例如硅藻土。
在另一個方面，本發明還涉及一種用于制造摩擦材料的方法，所述方法包括形成全纖維基材；用摩擦改性粒子滲透該纖維基材；然后形成在纖維基材中分散的梯度摩擦改性粒子，該摩擦改性粒子的存在量以纖維基材的重量為基準為約0.2到約20％重量；然后用合適的樹脂浸漬該“摩擦改性材料滲透的全纖維”基材；其后將該浸漬的纖維基材在預定溫度下固化預定的一段時間。
因此，在某些方面本發明涉及一種包括用至少一種可固化樹脂浸漬的纖維基材的摩擦材料，其中所述纖維基材包括具有分散在該基材中的摩擦改性粒子的全纖維基材。
該纖維基材可以用不同的樹脂系統浸漬。在某些實施方案，用酚醛樹脂或改性酚醛基樹脂浸漬纖維基材是有益的。在某些實施方案，當將有機硅樹脂與酚醛樹脂在適合的溶劑中摻合或混合并用有機硅樹脂-酚醛樹脂混合物浸漬本發明的纖維基材時，形成了特別有效的高性能、持久的摩擦材料。
圖1是全纖維基材的示意圖。
圖2是顯示木材纖維的纖維表面形態的掃描電子顯微照片(SEM)。
圖3是顯示棉纖維的纖維表面形態的SEM。
圖4是顯示對比例A的材料與在基材中包括木材纖維的全纖維基材相比較的中點摩擦系數數據的圖表。
圖5是顯示不同材料的中點摩擦系數的模型預測法。
圖6和圖7是顯示本發明一個實施例即實施例1的全纖維基材摩擦材料的上表面的SEMs(分別以×100和×500)，所述摩擦材料含有滲透或穿透梯度的摩擦改性粒子，所述摩擦改性粒子基本上以穿透梯度分散在其中。
圖8是顯示實施例1底面的SEM(×500)，其中底面中沒有任何摩擦改性粒子。
圖9是顯示擴散(滲透)梯度的摩擦改性粒子的實施例1的剖視圖，摩擦改性粒子的深度為約150μm。
圖10是顯示“低能量/高溫”和“高能量/高溫”校核水準之間的關系與實施例1、比較例A、比較例B和比較例C的動摩擦系數相比較的圖表。
圖11是顯示實施例1、對比例B，對比例C和對比例D的壓縮分析的圖表。
圖12是顯示具有不同浸樹脂量的實施例I材料的設定壓縮/施加壓縮的變化圖表。
圖13是顯示不同的全纖維基材即具有不同浸樹脂量的實施例1-1、和具有滲透或穿透梯度的對稱形狀摩擦改性粒子的實施例1-2的動摩擦系數隨校核水準的圖表。
圖14a、14b和14c是將實施例1、對比例A和對比例B材料的Hg侵擾與孔徑尺寸進行比較的原木微分Hg侵擾標尺(log differential Hg intrusionscales)。
圖15是顯示實施例1材料、對比例A和對比例B材料的油吸收圖表。
圖16是顯示具有不同浸樹脂量的實施例1材料和對比例D的剪切強度的圖表。
圖17是顯示實施例1材料和對比例A材料的熱點對比測試的圖表。
圖18是顯示不同材料在5000周期壽命試驗中的摩擦穩定性系數的圖表。
圖19是顯示實施例1-1和實施例1-2在5000周期測試之后的系數減弱(fade)與傳統材料相比較的圖表。
圖20是顯示實施例1-1和實施例1-2在5000周期試驗之后的經過磨損的襯里損失與傳統材料相比較的圖表。
圖21a、21b和21c是顯示實施例1-2在不同溫度下的t LVFA mu-V形曲線的圖表。
具體實施例方式
本發明的摩擦材料具有改善的壓縮模量和改善的抗“熱點”。此外，該摩擦材料具有準許在摩擦材料使用期間更均勻散熱的改善的彈性和改善的孔隙率。在傳送或制動中的流體可以迅速地通過摩擦材料的多孔結構。此外，增長的彈性給摩擦材料提供了更為均勻的壓力和均勻的壓力分配以消除不均勻的襯里磨損和隔板“熱點”。
摩擦材料結構的孔隙率越高，散熱越有效。當該摩擦材料是多孔時，在摩擦材料嚙合期間摩擦材料中油流的進出在使用期間更迅速。
圖1用示意圖顯示的全纖維基材10包括精磨的纖維12，所示精磨的纖維形成彈性結構或網狀物14。該全纖維基材具有上表面15和底面16.該彈性結構14定義大的和均勻尺寸的小孔18。
在一個實施方案中，全纖維的基材10包括分散在纖維網狀物14內的大量的摩擦改性材料20。將摩擦改性粒子20以滲透或穿透梯度分散在該彈性網狀物14中以致于在全纖維網狀物14的上表面15的附近存在有較高濃度的摩擦改性粒子。摩擦改性粒子20的梯度貫穿于全纖維網狀物14，由此全纖維網狀物14的底面16附近存在有較少濃度的摩擦改性粒子20。
用合適的樹脂浸漬該全纖維基材10以便形成具有所希望的彈性(模量)的摩擦材料。更大彈性的(低的模量)摩擦材料在使用期間引起較少的厚度損耗。在使用期間，摩擦材料在壓應力之下，該全纖維基材的彈性網狀物能夠抵抗永久變形。
此外，摩擦材料具有所希望的滲透性。高滲透性的全纖維基材是更有彈性的，并且允許更多的流體流過該摩擦材料。
摩擦材料具有令人驚訝的伸長流體動力特性，它依次保持所希望的高摩擦系數(COF)水平高達至少中點COF。此外，摩擦材料具有所希望的大孔，它通過允許更多流體流過摩擦材料來提供良好的散熱。摩擦材料具有令人驚訝的表面平滑度，它在摩擦材料和嚙合的嚙合面之間提供較好的接觸。在某些實施方案中，由于包括全纖維基材的精磨纖維的存在，全纖維基材還提供具有可控表面輪廓的摩擦材料。
此外該摩擦材料具有更有效的摩擦接觸位置，它提供了具有較高的粗糙扭矩的摩擦材料。也就是說，由于精磨纖維的存在，有較大的可利用的接觸面積。在某些實施方案，由于在全纖維基材之內和之上存在摩擦改性粒子的類型，因而具有更多可利用的接觸部位。
在某些方面，該全纖維基材包括原纖維化芳族聚酰胺纖維、纖維素基纖維和碳纖維。在全纖維基材中的原纖維化芳族聚酰胺纖維給摩擦材料提供了所希望的孔結構，它依次給該摩擦材料了提供提高的耐熱性。
原纖維化的芳族聚酰胺纖維通常具有許多附著于芯纖維的許多小纖維。使用原纖維化的芳族聚酰胺纖維可提供具有更多孔結構的摩擦材料，即在基材中有更多和更大的孔。孔結構通常用孔尺寸和液體滲透率來定義。在優選實施方案中，全纖維基材定義孔尺寸為從約2.0到約100微米的平均孔徑，以直徑計。在某些實施方案，平均孔尺寸以直徑計為約10到約50微米，并且摩擦材料容易地具有可利用的至少約50％的孔隙率，在某些實施方案中至少為約60％或更高。
當該摩擦材料具有較高的平均流量孔徑和滲透性時，由于更多自動傳動液體流過摩擦材料的孔結構，所以摩擦材料更可能在低溫下或者在傳送中產生較少的熱量下運轉。在傳動系統操作期間，由于自動傳動液，尤其在高溫下的分解，所以在該摩擦材料的表面上的油沉積容易隨著時間而增長。在纖維上的油沉積降低了孔的開放。因此，當該摩擦材料最初是以較大的孔開始時，在摩擦材料的有效期期間保持有更多開放的孔。另外，在至少部分用有機硅樹脂浸漬的實施方案中，由于它的彈性特性，該有機硅樹脂允許在摩擦材料中的纖維具有更開放的結構。
此外，在某些實施方案中，希望芳族聚酰胺纖維具有約0.5到約10毫米的長度和約250到約300的加拿大標準游離度(CSF)。因此，在某些實施方案中，該芳族聚酰胺纖維可以具有游離度，如芳族聚酰胺紙漿具有約285-290的游離度。“加拿大標準游離度”(T227 om-85)是指纖維的原纖維化程度可以稱作纖維游離度的測量。CSF測試是一種經驗方法，它提供了在1公升水中3克纖維的懸浮液中排水速率的任意測量。因此，較少原纖維化芳族聚酰胺纖維比其它的芳族聚酰胺纖維或紙漿具有較高的游離度或較高的從摩擦材料中流體排水速率。
在某些實施方案中，在全纖維基材中碳纖維的存在有助于增加耐熱性、維持穩定的摩擦系數和增加尖叫聲阻力。在該纖維基材中使用的碳纖維具有良好的熱傳導以致該摩擦材料具有所希望的耐熱性。在特殊的實施方案中，該纖維基材具有約5到約20％重量的碳纖維，在某些實施方案中具有約10到約15％重量的碳纖維。在其它特殊的實施方案中，通過在纖維基材中使用原纖維化芳族聚酰胺纖維和碳纖維來改善該摩擦材料耐高溫的能力。
纖維素基纖維給摩擦材料提供了光滑表面，由此使摩擦材料在操作期間更穩定。在某些實施方案中纖維素纖維包含具有扁平和寬表面的纖維。該扁平的、寬的纖維素纖維可以在制造基材的單根纖維表面上保持更多的摩擦改性粒子。在某些具體的實施方案中，希望使用源自木材的纖維素纖維。在特殊的實施方案中，該全纖維基材包括基于木材的纖維素纖維如樺樹纖維和/或桉樹纖維。該基于木材的纖維素纖維在經濟成本方面也改善了該摩擦材料離合器的“磨合”(break-in)特性。
在某些實施方案中，全纖維基材中棉纖維的存有助于對摩擦材料提供剪切強度。該棉纖維具有附著于主纖維芯的原纖維化線股，并且有助于在使用期間預防摩擦材料的分層。
圖2和圖3比較了不同纖維素纖維的纖維表面形態；圖2顯示了樺樹纖維的SEM，而圖3顯示了棉纖維的SEM。在某些實施方案中，該全纖維基材包括約10到約15％的木基纖維素纖維，并且在某些實施方案中包括約12到約13％的木基纖維素纖維。
圖4顯示了對比例A的材料與在全纖維基材中包括木材纖維素的全纖維基材進行比較的中點摩擦系數數據圖表。圖5是一種顯示了不同材料的中點摩擦系數的模型預測法。
在其它的實施方案中，將另一種類型纖維素纖維如棉纖維添加到本發明的全纖維基材中來給該纖維材料賦予較高的摩擦系數。在某些實施方案中，將約10到約15％的棉添加到纖維基材中，并且在某些實施方案中添加量為約12到約13％。
任選地，該纖維基材可以包括至少一種乳液類材料。在特殊的實施方案中，該纖維基材可以具有約0到3％重量的膠乳類材料，并且在某些實施方案中具有約2％重量。
在特殊的實施方案中，當與約25到約50％重量、在某些實施方案中約20到約30％重量的纖維素類纖維混合時，該纖維的基材具有約50到約75％重量、在某些實施方案約65到約70％重量的芳族聚酰胺纖維。
在其它特殊的實施方案中，該纖維基材具有約50到約75％重量、在某些實施方案中約65到約70％重量的芳族聚酰胺纖維，約25到約50％重量、在某些實施方案中約20％到30％重量的纖維素類纖維，和約0到15％重量、在某些實施方案中約5到10％重量的碳纖維。
根據本發明的另一個方面，將摩擦改性粒子分散在全纖維基材中。將該摩擦改性粒子在滲透或穿透梯度內分散以便使它從該全纖維基材的上表面延伸到該全纖維基材的底面上。在某些實施方案中，在該全纖維基材之內將該摩擦改性粒子分散到至少約150μm的深度。在該纖維基材之內的摩擦改性粒子提供了高耐熱性和高耐用的纖維基材。
例如，硅石微粒如硅藻土(diatomaceous earth)，Celite、Celatom和/或二氧化硅是尤其有用的。該硅石微粒是與纖維基材牢固結合的廉價的有機原料。該硅石微粒給摩擦材料提供了高摩擦系數。該硅石微粒也為摩擦材料提供了平滑的摩擦面并為摩擦材料提供了良好的“換擋感”和摩擦特性以便使“震顫”最小化。
在某些實施方案中，該摩擦改性粒子可以包括對稱形狀的粒子。根據本發明的一個方面，規則幾何形狀的摩擦改性材料包括圓的、平圓盤的硅藻土。當其在全纖維基材內以穿透梯度分散時，具有如圓的、平圓盤的規則幾何形狀的摩擦改性粒子給基材提供了獨特的表面堆圖案和三維結構，它依次改善了摩擦材料中的油保持性和油流量。
由于對稱形狀的摩擦改性粒子疊層的微小的硬固體規則的山—山谷類型的表面構形，因此該對稱幾何形狀的摩擦改性粒子可以用來容納摩擦材料內的大量潤滑劑和在摩擦材料內產生油流量的通路。在某些實施方案中，因為硅藻土典型地具有對稱形狀，因此硅藻土用作摩擦改性材料。使用中，在單獨的幾何形狀的摩擦改性粒子上形成油或流體的薄層。這個薄層在摩擦改性粒子上保持油流動薄膜，因此增加了該摩擦材料的油保持容量。這提供了良好的摩擦特性系數和良好的滑動耐用特性。
在優選方案中，分散在全纖維基材之內的摩擦改性粒子的量為摩擦紙重量的約0.2到約20％、在某些實施方案中約2到15％、在某些優選方案中約2到約5％。
一種用于制造摩擦材料的優選方法，所述方法包括混合形成全纖維基材的成分。然后用至少一種酚醛或酚醛基樹脂浸漬全纖維基材，所述纖維基材含有分散在其中的摩擦改性粒子。浸漬的全纖維基材在預定溫度下固化預定一段時間以形成摩擦材料。
可以采用不同方法浸漬本發明全纖維基材。優選用酚醛或酚醛基樹脂浸漬該全纖維基材以便使每100重量份摩擦材料中浸漬樹脂材料包括約45到約65重量份。在用樹脂浸漬該全纖維基材之后，將該浸漬的全纖維基材加熱預定時間到所希望的溫度來形成該摩擦材料。在約300的溫度下加熱固化該酚醛樹脂。當有其它樹脂如有機硅樹脂存在時，在約400的溫度下加熱固化該有機硅樹脂。其后，用合適的方法將該浸漬和固化的摩擦材料粘附到所希望的基材上。
在某些實施方案中，優選通過該全纖維基材的樹脂目標整理的量為有機硅樹脂-酚醛樹脂總重量的約35到約65％、在某些實施方案中約60到至少65％。在用樹脂浸漬全纖維基材之后，將該全纖維基材在300-400℃溫度下固化一段時間(在某些實施方案中1/2小時)來固化該樹脂粘合劑并形成摩擦材料。摩擦材料的最終厚度取決于該全纖維基材的最初厚度，在某些實施方案中優選約0.014″到約0.040″。
此外設計該摩擦材料可以包括已知的有助于制備樹脂混合物和制備浸漬纖維基材的其它成分和步驟。
可用于浸漬該全纖維基材的各種樹脂包括酚醛樹脂和酚醛基樹脂。應該明白可以設計本發明使用各種酚醛基樹脂，所述酚醛基樹脂包括在樹脂混合物中的其它改性成分，例如環氧樹脂、丁二烯、有機硅樹脂、桐油、苯、賈如堅果油等。在酚醛改性樹酯中，通常該酚醛樹脂的存在量為該樹脂混合物的約50％重量或更大(排除存在的任何溶劑)。然而，在某些實施方案中，已經發現當該浸漬樹脂混合物以有機硅樹脂-酚醛混合物的重量計(排除溶劑和其它的處理酸性物)包含約5到約80％重量、用于某些用途時約15到55％、在某些實施方案中約15到約25％重量的有機硅樹脂時，可以改善摩擦原料。
在上述參考的BorgWarner的美國專利中公開了可用于本發明中的有效的酚醛和酚醛-有機硅樹脂的例子，此處將它全部引入作為參考。可用于本發明的有機硅樹脂包括例如熱固化聚硅氧烷密封劑和硅橡膠。不同的有機硅樹脂可用于本發明。特別是包含二甲苯和乙酰丙酮(2，4-戊二酮)的一種樹脂。有機硅樹脂的沸點約362(183℃)，68的蒸氣壓mmHg21，蒸氣密度(空氣＝1)4.8，在水中的溶解度很小，比重約1.09，揮發性重量百分比為5％，蒸發率(乙醚＝1)小于0.1，使用Pensky-Martens方法測量的閃點為約149(65℃)。應該明白，可以在本發明中使用其它的有機硅樹脂。其它有用的樹脂混合物包括，例如，合適的酚醛樹脂包括(重量％)約55到約60％的酚醛樹脂，約20到約25％乙醇，約10到約14％的苯酚，約3到約4％的甲醇，約0.3到約0.8％的甲醛，和約10到約20％水。另一種合適的酚醛基樹脂包括(重量％)約50到約55％的苯酚/甲醛樹脂，約0.5％的甲醛，約11％的苯酚，約30到約35％的異丙醇，和約1到約5％的水。
還發現另一個有用的樹脂是環氧改性酚醛樹脂，它包含約5到約25％重量、優選約10到約15％重量的環氧化合物，其余(排除溶劑和其它的處理用酸)為酚醛樹脂。該環氧酚醛樹脂化合物在某些實施方案中為該摩擦材料提供比單獨的酚醛樹脂更高的耐熱性。
該有機硅樹脂和該酚醛樹脂均存在于彼此相容的溶劑。將這些樹脂混合在一起(在優選實施方案中)來形成均勻的混合物，然后用來浸漬纖維基材。如果用酚醛樹脂浸漬纖維基材，然后加入有機硅樹脂則效果不同，或反之亦然。在有機硅樹脂-酚醛樹脂溶液混合物和有機硅樹脂粉末和/或酚醛樹脂粉末乳化液之間也存在差異。當有機硅樹脂和酚醛樹脂在溶液中時，它們根本不會固化。相反，有機硅樹脂和酚醛樹脂粉粒是部分固化的。有機硅樹脂和酚醛樹脂的部分固化抑制了纖維基材的良好浸漬。
在本發明的某些實施方案中，用在能與酚醛樹脂及其溶劑相容的溶劑中的有機硅樹脂混合物浸漬該纖維基材。在一個實施方案中，已經發現異丙醇是特別合適的溶劑。然而，應該明白，在本發明的實踐中可以使用不同的其它合適的溶劑，例如乙醇、甲乙酮、丁醇、異丙醇、甲苯等。當與酚醛樹脂混合并用來浸漬纖維基材時，有機硅樹脂的存在會導致摩擦材料比僅僅用酚醛樹脂浸漬的纖維基材更有彈性。當向混合的有機硅樹脂-酚醛樹脂浸漬的本發明的摩擦材料施加壓力時，有更均勻分布的壓力，這又降低了不均勻襯里磨損的可能性。在有機硅樹脂和酚醛樹脂混合在一起之后，用該混合物浸漬纖維基材。
實施例本發明的摩擦材料尤其適合于具有特殊要求的移動式離合器的應用。這些要求包括高摩擦特性系數、抗熱點、通過良好扭矩曲線和良好的Mμ-v曲線所示的良好的平滑和滲透特性、通過低壓縮形變和高強度所示的低襯里損失、通過摩擦穩定系數顯示的較好滲透性的全纖維基材內的大孔尺寸。
圖6和圖7是本發明的一個實施例即實施例1的SEMs(×11和×500)，顯示了具有滲透或穿透梯度的摩擦改性粒子的全纖維基材摩擦材料的上表面，其中所述摩擦改性粒子基本上分散在其中。圖6和7表示該上表面是部分覆蓋的以便在全纖維基材中保持開放的通道。
圖8是顯示實施例1底面(紙的反面)的SEM(×500)，它顯示了原纖維化芳族聚酰胺纖維30、碳纖維32、棉纖維34、和木基纖維素纖維36。在該底面上沒有任何摩擦改性粒子。
圖9是實施例1的橫斷面圖，它顯示了上表面15、底面16、和如箭頭40所示的約150μm深度的作為擴散(滲透)梯度的摩擦改性粒子。摩擦改性粒子從上表面14到底面16的擴散提供了具有良好的在全纖維基材內摩擦改性粒子的粘結力的摩擦材料。
此外下列實施例進一步提供了i)全纖維基材和ii)具有分散在其中的滲透或穿透梯度的摩擦改性粒子的全纖維基材，以及使用上述基材形成的摩擦材料，其比傳統的摩擦原料有所改進。然而，在下列實施例中描述的本發明不同的優選實施方案不是用來限制發明的范圍的。
實施例I表1顯示了本發明實施例1以及對比例A、B和C的組成。
表1
實施例II在“低能量/高溫”和“高能量/高溫”的試驗水準之間的關系與實施例1、對比例A、對比例B、和對比例C的動摩擦系數的比較如圖10所示。下列表2a和2b顯示了低能量區(表2a-水準I-L)和高能量區(表2b-水準M-P})的材料的模量、滲透性、粗糙度和COF的性質，其中1是最低的，4是最高的。
表2a
表2b
實施例III實施例1、對比例B、對比例C和對比例D的壓縮分析如圖11所示。對比例D是在基材上含有第二層對稱摩擦改性材料和具有70％浸樹脂量的纖維基材。實施例1顯示了所希望的彈性，它允許在摩擦材料的使用期間更均勻散熱。流體可以迅速地通過多孔的結構。此外，增加的彈性提供了該摩擦材料中更均勻的壓力(或均勻壓力分布0)以致于消除了不均勻的襯里磨損或隔板“熱點”。本發明更大彈性的材料還指在使用期間沒有、或極少存在摩擦材料的永久變形，即該摩擦材料往往引起少許損失或沒有超時厚度損失。
實施例IV實施例1中具有不同浸樹脂量的材料的壓縮形變/壓縮隨施壓的變化如圖12所示。當浸樹脂量(％PU)增加時，襯里壓縮減少。
實施例V對于不同全纖維基材隨測試水平變化的動摩擦系數如圖13所示，其中實施例1-1和實施例1-2帶有滲透或穿透梯度的對稱形狀摩擦改性粒子。該浸樹脂量的變化范圍從38％到65％，顯示了COF的變化在3％之內。
實施例VI實施例1的孔徑分布與對比例A和對比例B的孔徑分布不同。實施例1的材料與對比例A和B的10μm相比具有約25到約50μm的平均孔徑。與實施例1的材料相比，對比例A和B的材料具有寬的孔徑分布和較高數量的較小孔徑。如圖14a、14b和14c所示對數微分Hg侵入比例，將實施例1材料和對比例A及對比例B材料的Hg侵入相對于孔徑大小進行了比較。實施例1材料是透水良好的并具有大量的大孔。
下列表3顯示了實施例1以及對比例A和B材料的滲透性(mDarcy)。
表3-滲透性
實施例VII如圖15所示，實施例1材料的油吸收比對比例A和對比例B材料的更短。在傳動系統操作期間，流體往往“分解”或形成碎片粒子。尤其在高溫下。這些“分解”粒子往往在摩擦材料的表面形成沉積。這些在摩擦材料上的沉積減少了該摩擦材料中孔的開放。因此，當摩擦材料最初是以較大的孔開始時，在整個摩擦材料的有效使用期中就保持有更多的小孔。
實施例VIII含有不同浸樹脂量的不同材料的剪切強度如圖16所示。本發明的摩擦材料具有滿意的能提供抗脫層性能所需要的抗剪強度。剪強度越高，摩擦材料具有的機械強度越好，這是指需要更多壓力剪切該摩擦材料。
實施例IX如圖17所示，熱點的對比表明在第一熱點開始試驗中實施例1材料的耐用性至少是對比例A材料的約4倍。熱點循環試驗是第一熱點出現，然后通過10560方法塑化(Smear)。本發明的摩擦材料具有高的耐用性，這為摩擦材料提供了增大的耐熱性。
實施例X不同材料的摩擦穩定性系數的測試如圖18所示，其中摩擦的中點系數是在5000周期下測量的。本發明的摩擦材料具有相對穩定的摩擦系數，這是指該材料是很穩定和隨著循環數目的增加而COF不下降。
實施例XI
在5000周期試驗之后將實施例1-1和實施例1-2材料的系數減弱與傳統材料進行比較，如圖19所示。本發明材料在5000周期試驗之后不存在COF水平的改變。
實施例XII在500循環的試驗之后將實施例1-1與實施例1-2材料和傳統材料比較通過磨損導致的襯里損失，如圖20所示。
實施例XIII實施例1-2在不同溫度下的LVFA mu-V形曲線如圖21a、21b、21c和21d所示。該數據表明在80-160℃的溫度范圍存在穩定的Mu-V曲線形狀。
工業應用本發明可用作高能量摩擦材料，該摩擦材料可用于離合器摩擦片、傳動帶、制動片、同步器閉鎖環、摩擦片或系統盤。
上面所描述的本發明的優選和供選擇的實施方案意在說明，并不是對以下權利要求書的范圍和內容進行限制。
權利要求
1.一種包括纖維基材的摩擦材料，所述纖維基材是用至少一種可固化樹脂浸漬的，纖維基材含有在其中以穿透梯度分散的所希望量的摩擦改性粒子。
2.根據權利要求1所述的摩擦材料，其中該摩擦改性粒子的存在量以纖維基材的重量計為約0.2到約20％重量，該摩擦改性粒子以穿透梯度存在于從纖維基材的上表面至約150μm的深度。
3.根據權利要求2所述的摩擦材料，其中該摩擦材料以纖維基材的重量計包括約5％到約15％重量的摩擦改性粒子。
4.根據權利要求1所述的摩擦材料，其中該摩擦改性材料包括硅石微粒。
5.根據權利要求4所述的摩擦材料，其中該摩擦改性粒子包括對稱形狀的粒子。
6.根據權利要求5所述的摩擦材料，其中該摩擦改性粒子包括硅藻土。
7.根據權利要求4所述的摩擦材料，其中該摩擦改性材料以摩擦改性粒子的總重量計包括約20％到約35％重量的硅石微粒。
8.根據權利要求1所述的摩擦材料，其中該摩擦改性粒子具有約5到約100微米范圍的平均粒徑。
9.根據權利要求1所述的摩擦材料，其中該纖維基材限定孔的平均直徑在約10到約25微米的尺寸范圍內。
10.根據權利要求1所述的摩擦材料，其中該纖維基材輕易地具有至少約50％的有效的孔隙率。
11.一種包括用至少一種可固化樹脂浸漬的纖維基材的摩擦材料，所述纖維基材含有在其中以穿透梯度分散的所希望量的摩擦改性粒子，其中纖維基材包括扁平的和較小直徑的纖維。
12.根據權利要求11所述的摩擦材料，其中該纖維基材由至少一種類型的芳族聚酰胺纖維、碳纖維和纖維素纖維組成。
13.根據權利要求11所述的摩擦材料，其中該纖維素纖維包括木質纖維。
14.根據權利要求13所述的摩擦材料，其中該纖維基層包括桉樹纖維素纖維。
15.根據權利要求12所述的摩擦材料，該芳族聚酰胺纖維根據加拿大標準游離度指數具有約350或更少的游離度。
16.根據權利要求12所述的摩擦材料，其中以纖維基材的重量為基準，該纖維基層包括約60到約75％重量的芳族聚酰胺纖維，約10到約15％重量的棉纖維，約5到約15％重量的碳纖維，約10到約20％重量的纖維素纖維；和約5到約20磅/3000英尺2重量的摩擦改性粒子。
17.根據權利要求11所述的摩擦材料，以約35到約40％重量的樹脂，用至少一種酚醛樹脂、改性酚醛樹脂、或酚醛樹脂和有機硅樹脂的混合物浸漬，其中有機硅樹脂在混合物中的量以混合物的重量計約5到約80％重量，該酚醛樹脂存在于溶劑材料中，該有機硅樹脂存在于與酚醛樹脂溶劑材料相容的溶劑材料中。
18.一種制造摩擦材料的方法，所述方法包括形成全纖維基材；用摩擦改性粒子滲透該全纖維基材，然后形成分散在全纖維基材內的摩擦改性粒子的梯度，該摩擦改性粒子的存在量以該全纖維基材重量計為約0.2到約20％重量；和用酚醛樹脂、酚醛基或酚醛-有機硅樹脂混合物浸漬該滲透的纖維基材；以及其后將浸漬的纖維基材在預定溫度下固化預定的一段時間。
全文摘要
本發明涉及一種具有全纖維含量的纖維基材的摩擦材料。該基材含有在其中以穿透梯度分散的所希望量的摩擦改性粒子。
文檔編號C09J161/06GK1880791SQ20051008375
公開日2006年12月20日 申請日期2005年6月17日 優先權日2004年6月18日
發明者R·C·林, I·S·歐 申請人:博格華納公司