CN105722942A - 摩擦材料组合物和摩擦材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种摩擦材料，其在用作制动器垫或制动衬片等时放置于寒冷条件之后具有减少的噪音，并且该摩擦材料中实质上不包含铜组分。本发明为：一种摩擦材料组合物，包含纤维基材、粘合材料和摩擦改良材料，所述摩擦材料组合物中的铜含量为0.5质量％以下，并且所述摩擦材料组合物包含氟系聚合物颗粒；以及一种摩擦材料，通过成型所述摩擦材料组合物而获得。
Description
技术领域
本发明涉及一种摩擦材料组合物和摩擦材料。更具体地，本发明涉及一种能够在摩擦材料寒冷环境放置之后减少啸叫(制动噪音)的摩擦材料组合物，以及从该摩擦材料组合物获得的摩擦材料。
背景技术
传统来说，诸如制动器的摩擦材料通过使用纤维基材、摩擦改良剂和粘合剂，将其掺混，并且进行包括诸如预成形、热成形和精整的步骤的制造过程来制造。在诸如制动器的摩擦材料中，使用了：纤维基材，例如有机纤维诸如芳纶纤维、无机纤维诸如玻璃纤维或者金属纤维诸如铜纤维；有机摩擦改良剂诸如橡胶粉尘和腰果粉尘；无机摩擦改良剂诸如碳酸钙、硫酸钡、金属颗粒、陶瓷颗粒和石墨；以及粘合剂诸如酚醛树脂。
形成摩擦材料骨架的纤维基材补充摩擦材料的强度、耐热性和耐磨性，并且在用作纤维基材的金属纤维中，由于铜纤维柔软并且高度可延展，带来了优秀的成形性，因此通常使用铜纤维。由于其高热导性，铜纤维具有扩散摩擦制动期间在摩擦表面上生成的热量的功能，由此增强耐衰减性。铜纤维有时以粉末形式使用，即作为铜粉。
衰减现象是在摩擦材料暴露于高温高负载下时摩擦材料中包含的有机物质分解生成的分解气体导致的，并且当向摩擦材料中加入具有高热导率的铜时，提高了摩擦材料自身的热辐射性质，从而能够抑制分解气体的生成。
迄今为止，已经争论过摩擦材料是否能够同时实现确保制动性质和增强抗啸叫性能或耐衰减性两者。为了提高抗啸叫性能，例如，专利文献1描述了一种技术，对于盘式制动器垫，使用其中掺混有诸如聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)和聚偏二氟乙烯(PVDF)的氟系聚合物的摩擦材料。除此之外，专利文献2和3分别描述了包含活性氧化铝作为无机摩擦改良剂和氟系聚合物作为有机摩擦改良剂的摩擦材料组合物，以及使用该摩擦材料组合物的摩擦材料。
制动噪音在各种条件下产生，但是特别是在摩擦材料在低温高湿条件下放置之后，在以低减速度进行低速制动时，摩擦材料发生啸叫。例如，当早晨启动停放过夜的汽车并且进行首次制动时，容易发生啸叫。
关于减小这种摩擦材料放置于低温高湿条件下之后的噪音的技术，专利文献4描述了一种技术，在摩擦材料组合物中掺混纤维直径为5μm～30μm并且纤维长度为0.5mm～80mm的纤维状氟系聚合物纤维，从而获得低温情况和高温情况之间制动输出的变化小、并且减小低温时产生的噪音的摩擦材料。
另一方面，在摩擦材料包含诸如铜的重金属的情况下，重金属由于制动作为磨损碎屑释放到空气中，所以指出其对自然环境的影响。由于这种担忧，已经开发了不包含诸如铜的重金属的摩擦材料，并且近年来国际上加速了去除重金属的行动。关于其中实质上去除了铜的摩擦材料，例如，专利文献5描述了一种非石棉摩擦材料，其既不包含重金属由不包含重金属化合物，并且以合计5体积％～25体积％的量包含石墨和焦炭。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP-T-2004-501271(本文中使用的术语“JP-T”意指PCT专利申请的公开的日文翻译)
专利文献2：JP-A-2011-17016
专利文献3：WO2004/001162
专利文献4：JP-A-H08-326805
专利文献5：JP-A-2008-179806
发明概述
本发明待解决的问题
在这种不包含铜的无铜摩擦材料中，为了解决摩擦材料在低温下放置之后的啸叫问题，即使如专利文献4使用氟系聚合物纤维时，也不能提供铜的可展性和可延性带来的润滑功能，因此，如果摩擦材料在放置在寒冷环境之后吸收水分，则摩擦系数增加，并且容易发生啸叫。此外，由于不包含铜，热导率下降，并且摩擦材料的成形性降低。成形性的降低会引起摩擦材料强度的下降，以及使用期间磨损量的不利变化。另外，由于氟树脂纤维与酚醛树脂的润湿性差，对于摩擦材料的成形性，其量的增加是不利的。
因此，关于既不包含铜也不包含含铜金属的摩擦材料组合物和使用该组合物的摩擦材料，本发明待解决的问题是提供一种摩擦材料，其抑制在寒冷环境下放置之后摩擦系数的增加，并且不仅增强了耐磨性，还提高了耐噪音性和制动输出，适合于更宽范围的车辆类型。
解决问题的手段
本发明人为了实现上述目标进行了大量研究，作为结果发现，关于无铜摩擦材料，当摩擦材料组合物中包含氟系聚合物颗粒时，由于摩擦材料组合物中氟系聚合物颗粒提高的分散性，能够获得具有良好的热成形性的摩擦材料，所获得的摩擦材料提供了稳定的摩擦系数和耐磨性，并且能够减少在寒冷环境放置之后的啸叫。基于此发现，完成本发明。摩擦材料在寒冷环境放置之后的啸叫的产生是由于空气中的水侵入摩擦材料的孔中导致的。认为的是，当掺混了氟系聚合物粉末之后，该粉末的拒水功能产生了防止水被吸收至摩擦材料的孔中的效果。此外，与氟系纤维的情况相比，氟系聚合物粉末容易在摩擦材料中均匀分散，并且因此即使其少量使用也能获得预期的效果。另外，氟系聚合物粉末的使用量比氟树脂纤维的情况小，所以还能够确保成形性。
即，本发明能够通过下列(1)～(5)来实现。
(1)一种摩擦材料组合物，包含纤维基材、粘合剂和摩擦改良剂，其中，摩擦材料组合物中的铜含量为0.5质量％以下，并且摩擦材料组合物包含氟系聚合物颗粒。
(2)根据(1)的摩擦材料组合物，其中，氟系聚合物颗粒为聚四氟乙烯颗粒。
(3)根据(1)或(2)的摩擦材料组合物，其中，氟系聚合物颗粒的含量为0.2质量％～3.5质量％。
(4)一种摩擦材料，通过对根据(1)～(3)的任一项所述的摩擦材料组合物进行成型而形成。
(5)一种摩擦材料的制造方法，包括在50MPa～70MPa的热成形表面压力下、在140℃～170℃下热成形摩擦材料组合物3分钟～10分钟，其中，摩擦材料组合物包含纤维基材、粘合剂和摩擦改良剂，并且还包含氟系聚合物颗粒，并且摩擦材料组合物中的铜含量为0.5质量％以下。
本发明的有利效果
由本发明的摩擦材料组合物形成的摩擦材料当用作诸如车辆用盘式制动器垫或制动衬片的摩擦材料时，因为在制动期间产生的磨损碎屑中实质上不存在铜，所以对环境造成的负荷小，表现出稳定的摩擦系数、耐噪音性和耐磨性，并且能够将在摩擦材料在寒冷环境中放置之后摩擦材料的啸叫特性保持在与含铜摩擦材料相同的水平。除此之外，通过使用本发明的摩擦材料组合物，能够提供具有上述性质的摩擦材料。
具体实施方式
以下详细描述本发明的具体实施方式，但是下列实施例仅为示意性的，并且本发明不局限下列实施例。
在本发明中，“无铜”意指摩擦材料中实质上不包含铜组分，并且具体表示铜组分的含量基于摩擦材料组合物的总量为0.5质量％以下。
在本说明书中，“质量”意指“重量”。
本发明的摩擦材料组合物包含纤维基材、粘合剂和摩擦改良剂，其中摩擦材料组合物中的铜含量为0.5质量％以下，并且摩擦材料组合物包含氟系聚合物颗粒。
纤维基材用于强化所制造的摩擦材料，并且关于纤维基材，举例来说，使用耐热有机纤维、无机纤维或金属纤维。耐热有机纤维的实例包括芳香族聚酰胺纤维(芳纶纤维)和耐火型丙烯酸纤维；无机纤维的实例包括钛酸钾纤维和陶瓷纤维(优选使用生物可溶性纤维)、玻璃纤维、碳纤维和岩棉等；以及金属纤维的实例包括钢纤维。这些可以单独使用或者组合使用其中两种以上。为了确保足够的机械强度，基于摩擦材料组合物的总量，纤维基材的含量优选为1质量％～15质量％，更优选为2质量％～10质量％。
粘合剂由热固性树脂组成，并且热固性树脂的实例包括酚醛树脂、环氧树脂、通过用腰果油、硅酮油、各种弹性体等改性这种热固性树脂获得的树脂、以及通过在上述热固性树脂中分散各种弹性体、氟系聚合物等获得的树脂。这些可以单独使用或者组合使用其中两种以上。为了确保足够的机械强度和耐磨性，基于摩擦材料组合物的总量，粘合剂的含量优选为7质量％～12质量％，更优选为8质量％～11质量％。
本发明中使用的氟系聚合物用作摩擦改良剂，并且可以是四氟乙烯(TFE)的均聚物，或者可以是与除TFE之外的可共聚单体的共聚物，可共聚单体诸如具有烯不饱和基团的含氟单体。可以恰当的使用一些分子量为数百万的氟系聚合物，以及诸如粒状、板状或无定形状的任意形式的聚合物，但是通常以粉末形式使用氟系聚合物。
因此，本发明中使用的氟系聚合物不仅包括TFE的均聚物(PTFE)，而且还包括通过以不损害熔体流动性的少量共聚其他单体来改性的改性聚四氟乙烯。
具有烯不饱和基团的含氟单体的实例包括六氟丙烯、全氟-1-丁烯、全氟-1-己烯、全氟-1-壬烯、全氟(甲基乙烯基醚)、全氟(乙基乙烯基醚)、全氟(丙基乙烯基醚)、全氟(庚基乙烯基醚)、(全氟甲基)乙烯、(全氟丁基)乙烯和氯三氟乙烯。其中，优选的是六氟丙烯、全氟(正丙基乙烯基醚)和(全氟正丁基)乙烯。这些含氟单体可以单独使用或者组合使用其中两种以上。可共聚单体的量通常优选为1mol％以下，更优选为0.5mol％以下。
在本发明使用的氟系聚合物中，优选的是聚四氟乙烯(PTFE，熔点：327℃)。
本发明使用的氟系聚合物颗粒通常能够通过悬浮聚合来制造。悬浮聚合能够通过单独使用TFE或者使用TFE和可共聚单体，在包含分散剂和聚合起始剂的水性介质中进行。聚合温度通常为50℃～120℃，优选为60℃～100℃。聚合压力可以恰当地选择。
本发明使用的氟系聚合物颗粒通过粉碎悬浮聚合获得的平均粒径为几毫米的颗粒而获得。具体地，当对平均粒径为约20μm以下的聚四氟乙烯(下文中，称为PTFE)粉末进行粉碎和分类时，能够将氟系聚合物颗粒容易地调节为期望的粒径。在本发明中，优选使用平均粒径为10μm以下的氟系聚合物颗粒，更优选地使用平均粒径为0.5μm～8μm的氟系聚合物颗粒。如果平均粒径超过10μm，则掺混量的效果下降，并且因此优选使用平均粒径为10μm以下的氟系聚合物颗粒。
基于摩擦材料组合物的总量，本发明使用的氟系聚合物颗粒的掺混量优选为0.2质量％～3.5质量％，更优选为0.2质量％～3.0质量％。当掺混的氟系聚合物颗粒在以上述范围内时，能够限制摩擦材料在寒冷环境下放置之后摩擦系数的上升，并且能够有利地减少啸叫。
在本发明的摩擦材料组合物中，使用常用的材料，只要符合本发明的主旨即可。具体地，其他摩擦改良剂的实例包括：有机填料，诸如腰果粉尘、橡胶粉尘(轮胎胎面橡胶的粉碎粉末)、各种未硫化的橡胶颗粒和各种硫化的橡胶颗粒；无机填料，诸如硫酸钡、碳酸钙、氢氧化钙、蛭石、云母、板状钛酸钾、鳞片状钛酸钾或钛酸镁钾以及无定形钛酸钾；磨料，诸如碳化硅、氧化铝、氧化镁、铬铁矿、四氧化三铁、氧化锆和硅酸锆；润滑剂，诸如二硫化钼、硫化锡、硫化锌和硫化铁；以及除铜和铜合金以外的非铁金属颗粒，诸如锌粉和锡粉。这些可以单独使用或者组合使用其中两种以上。根据期望的摩擦性质，可以恰当地调整摩擦改良剂的含量。根据期望的摩擦系数，基于摩擦材料的总量，摩擦改良剂的含量优选为60质量％～90质量％，更优选为65质量％～85质量％。
除此之外，如果需要也可以使用其他掺混材料。
可以通过常用的制造过程，使用本发明的摩擦材料组合物来制造摩擦材料，但是优选通过在热成形期间设置高的表面压力来制造摩擦材料。具体地，能够通过混合原材料、预成形、热成形、加热、研磨等步骤来制造摩擦材料。将通过使用搅拌机混合原材料获得的粉末状混合物置于预成形模具中并预成形，并且将预成形体置于热成形模具中，在其上层叠金属板，随后在高于一般情况10％～40％的热成形表面压力，具体为50MPa～70MPa，优选为55MPa～70MPa，更优选为55MPa～65MPa下热成形。当热成形表面压力在上述范围内时，能够确保与传统制品等同的摩擦强度。热成形温度优选为140℃～170℃，并且热成形时间优选为3分钟～10分钟。
实施例
以下通过参考实施例，更详细地描述了本发明，但是本发明的范围不仅限于这些实施例。
[试验例1]
(实施例1～6和比较例1～3)
<摩擦材料的制造>
将表1中示出的掺混材料共同置于混合搅拌机内，随后在室温下混合2分钟～10分钟，从而获得摩擦材料组合物。通过预成形(1)、热成形(2)、加热和烧制(3)等步骤处理获得的各个摩擦材料组合物，从而制备摩擦材料。
(1)预成形
将上述摩擦材料组合物置于预成形压机的模具中，其后在室温下在20MPa下成形5秒，从而制备预成形制品(样品尺寸：45×80mm)。
(2)热成形
将预成形制品置于热成形模具中，在其上层叠预先涂布黏着剂的金属板(压板：P/P)，其后在150℃和50MPa下热压成形5分钟。
(3)加热和烧制
将此热成形制品在250℃下热处理2小时并且进行研磨使其具有15.5mm的预定厚度。随后，对热成形制品的表面进行灼烧处理，随后通过精整涂漆从而获得摩擦材料(制动器垫)。
<摩擦材料评价测试>
使用实施例1～6和比较例1～3制备的摩擦材料，进行摩擦材料的成形性评价、一般性能测试、摩擦材料的磨损量和啸叫测试。所获得的评价结果在表1中示出。
(1)摩擦材料的成形性评价
通过使用洛氏硬度计，在通常能够测量硬度的总共4个预定位点，即外周上2个位点和内周上2个位点，测量热成形制品的HRS尺度的硬度。
计算上述4个测量点的硬度的平均值，并且当平均值在相对于预设的目标硬度值变化±20％之内时，该样品评级为“A”。另外，当平均值的变化多于20％且在30％以下时，该样品评级为“B”；并且当变化超过30％时评级为“C”。尽管此评价中评级为“C”的样品是可成形的，但是摩擦材料软、强度不足，并且判定为不能承受摩擦测试，因此未对这样的样品进行摩擦测试评价。
(2)一般性能测试
根据JASO·C406，将分别在50km/h和100km/h下的2.94m/s2和5.88m/s2的第二效果时的μ，定义为一般区域内的μ。
(3)摩擦材料的磨损量测量
用测微仪测量摩擦材料(制动器垫)在进行上述一般性能测试之前和之后的厚度，并且计算其间的厚度差作为磨损量。
(4)啸叫测试
通过使用电机测试仪(dynamotester)，在下列条件下进行啸叫测试，并且评价啸叫发生率。
<环境条件：温度：10℃，湿度：40％>
抛光：在65km/h、3.43m/s2和120℃下200次
矩阵：在10km/h、20km/h和30km/h、0.98m/s2、1.96m/s2和2.94m/s2以及50℃～200℃(以50℃的幅度上升或下降)的条件下各进行一次。
<环境条件：温度：10℃，湿度：80％>
放置：4小时
制动：10km/h和0.98m/s2下3次
以上测试总共进行10个循环。但是，第二个循环后的抛光变为35次。当啸叫发生率为5％以下时，样品评级为“A”；当啸叫发生率多于5％且小于10％时评级为“B”；以及10％以上时评级为“C”。
从表1的结果中已经发现，对于无铜摩擦材料，比较例1的摩擦材料不包含PTFE颗粒，其磨损量高达0.78mm并且啸叫发生率的评价分数为10％以上，而实施例1～6的摩擦材料包含PTFE颗粒，其磨损量相比于比较例1为小，并且啸叫发生率的评价分数优秀。在使用PTFE纤维的比较例2和3中，成形性严重下降。此外，在比较例2中，认为成形性的下降造成与比较例1～6相比，摩擦材料的强度下降和磨损量上升。另外，在比较例2中，与实施例1～6相比，没有获得关于啸叫的效果。
[试验例2]
(实施例7～10和比较例4)
<摩擦材料的制造>
以与试验例1相同的方法，使用表2中示出的掺混材料制造摩擦材料，但是将热成形(2)中的热成形表面压力变为50MPa～70MPa的范围内。
<摩擦材料评价测试>
使用实施例7～10和比较例4制备的摩擦材料以及试验例1中的实施例2制备的摩擦材料，进行一般性能测试、摩擦材料的磨损量测量和啸叫测试。测试方法与试验例1相同。所获得的评价结果在表2中示出。
从表2的结果中已经发现，当热成形期间的表面压力升高10～40％时(实施例7～10)，改善了啸叫，并且能够确保摩擦材料的强度，即耐磨性，与包含铜的比较例4的强度大体上相当。
尽管已详细地并参考具体实施方式对本发明进行了描述，但对于本领域技术人员来说，显然可以在不背离本发明的精神和范围时，在其中做出各种改变和修改。本发明基于2013年11月12日提交的日本专利申请号2013-234271，其内容通过引用并入本文。
工业实用性
本发明的摩擦材料组合物当用于诸如盘式制动器垫和制动衬片的摩擦材料时，因为在制动期间产生的磨损碎屑中实质上不存在铜，所以对环境造成的负荷小，表现出稳定的摩擦系数、耐噪音性和耐磨性，并且特别地，能够减少摩擦材料在寒冷环境中放置之后的啸叫。由此，通过成型本发明的摩擦材料组合物形成的摩擦材料适用于车辆的制动器垫等。
Claims (5)
1.一种摩擦材料组合物，该摩擦材料组合物包含纤维基材、粘合剂和摩擦改良剂，其中，所述摩擦材料组合物中的铜含量为0.5质量％以下，并且所述摩擦材料组合物包含氟系聚合物颗粒。
2.根据权利要求1所述的摩擦材料组合物，其中，所述氟系聚合物颗粒为聚四氟乙烯颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦材料组合物，其中，所述氟系聚合物颗粒的含量为0.2质量％～3.5质量％。
4.一种摩擦材料，该摩擦材料通过对根据权利要求1～3的任一项所述的摩擦材料组合物进行成型而形成。
5.一种摩擦材料的制造方法，包括在50MPa～70MPa的热成形表面压力下、在140℃～170℃下热成形摩擦材料组合物3分钟～10分钟，其中，所述摩擦材料组合物包含纤维基材、粘合剂和摩擦改良剂，并且还包含氟系聚合物颗粒，并且所述摩擦材料组合物中的铜含量为0.5质量％以下。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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