KR20100095529A - 입자로 코팅되고 탄성 수지로 포화된 마찰재 - Google Patents

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KR20100095529A
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Abstract

다수의 섬유 및 섬유에 결합하는 수지 성분을 포함하는 마찰재에 관한 것으로서, 상기 수지 성분은 탄성 수지를 포함한다.

Description

입자로 코팅되고 탄성 수지로 포화된 마찰재{FRICTION MATERIAL COATED WITH PARTICLES AND SATURATED WITH ELASTIC RESIN}
본 출원은 2007년 10월 25일에 출원된 미국 가출원 번호 제 60/982,447호의 이익을 주장한다.
기술분야
본 공지가 일반적으로 관련된 분야는 탄성 수지를 포함하는 마찰재를 포함하는 생성물 및 이의 제조 및 사용 방법을 포함한다.
마찰재는 이에 한정되지 않지만, 클러치판, 변속기 밴드(transmission band), 브레이크 슈, 싱크로나이저 링, 마찰 디스크 및 시스템 판을 포함한 다양한 적용에서 사용될 수 있다.
발명의 예시적인 구체예의 요약
본 발명의 하나의 구체예는 지방족 부분을 가지는 중합체를 포함하는 탄성 수지를 포함하는 마찰재를 포함하는 생성물을 포함하며, 상기 지방족 부분은 중합체 중량에 대하여 40% 내지 100%이다. 지방족 부분은 적어도 3개의 단일 결합한 탄소 원자 길이 또는 그 이상이다. 지방족 부분은 분지되거나 또는 교차결합될 수 있으나 탄소-탄소 결합을 포함하여야만 한다. 그러나 중합체의 다른 부분은 이중 결합 또는 고리 결합을 포함할 수 있으며 수지 중합체의 방향족 함량은 60% 미만 바람직하게는 40% 미만이어야 한다. 중합체는 성능을 잃지 않고 탄소-탄소 골격에 부착된 비탄소 원자를 가질 수 있다. 하나의 구체예에서 탄성 수지는 캐슈넛 셀 액체, 동유, 린시드 유 또는 다른 건성유에서 발견된 천연 수지이다. 다른 구체예에서 탄성 수지는 충분한 탄소 사슬을 가진 교차결합 고무, 할로겐화, 산화 또는 질화 고무, 실리콘, 실록산 또는 에폭시 수지에서 발견된 합성 수지이다. 본 발명의 다른 구체예에서, 탄성 수지는 탄소-탄소 결합의 양 또는 탄소-탄소 골격의 배열을 포함하거나 증가시키도록 변형된 수지이다.
본 발명의 예시적인 구체예를 개시하는, 상세한 설명 및 특정 실시예는 오직 설명의 목적을 위한 것으로 의도되고 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않음을 이해하여야 한다.
본 발명의 예시적인 구체예는 상세한 설명 및 첨부된 도면으로 보다 충분하게 이해될 것이며, 여기에서:
도 1은 굵은 선으로 나타낸 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄성 수지를 포함하는 마찰재 및 비교로서 가는 선으로 나타낸 대조 수지(딱딱한 페놀 수지)를 포함하는 마찰재에 대하여 110C 및 다양한 속도 및 0.5mPa 라이닝 압력에서 마찰 계수의 그래프이다.
도 2는 굵은 선으로 나타낸 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄성 수지를 포함하는 마찰재 및 비교로서 가는 선으로 나타낸 대조 수지(딱딱한 페놀 수지)를 포함하는 마찰재에 대하여 110C 및 다양한 속도 및 1.0mPa 라이닝 압력에서 마찰 계수의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄성 수지를 포함하는 마찰재에 대하여 표준 SAE 클러치 시프팅 테스트 절차에 대한 중간 지점 마찰 계수의 차트이다.
도 4는 대조 수지(딱딱한 페놀 수지)를 포함하는 마찰재에 대하여 표준 SAE 클러치 시프팅 테스트 절차에 대한 중간 지점 마찰 계수 대 종료 지점 마찰 계수 비율의 차트이다.
도 5는 굵은 선으로 나타낸 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄성 수지를 포함하는 마찰재 및 비교로서 가는 선으로 나타낸 대조 수지(딱딱한 페놀 수지)를 포함하는 마찰재에 대하여 50C 오일 온도 및 0.5Mpa 라이닝 압력에서 표준 SAE 클러치 시프팅 테스트의 토크 인게이지먼트(torque engagement)의 차트이다.
도 6은 굵은 선으로 나타낸 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄성 수지를 포함하는 마찰재 및 비교로서 가는 선으로 나타낸 기술된 화학적 성질이 없는 유연한 엘라스토머 수지를 포함하는 마찰재에 대하여 110C 및 다양한 속도 및 0.5mPa 라이닝 압력에서 마찰 계수의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 하나의 구체예에 따라서, 탄소-규소 중합체를 형성하는 규소 원자와 화학적으로 연결된 3개의 탄소 알칸 사슬로 이루어진 탄성 수지를 포함하는 마찰재에 대하여 표준 SAE 클러치 시프팅 테스트 절차로부터의 정적 마찰계수의 그래프이다.
하기 구체예(들)의 설명은 사실상 단지 예시적인 것이고 결코 본 발명, 그 적용, 또는 용도를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명의 하나의 구체예는 지방족 부분을 가지는 중합체를 포함하는 탄성 수지를 포함하는 마찰재를 포함하는 생성물을 포함하며, 상기 지방족 부분은 중합체 중량에 대하여 40% 내지 100%이다. 지방족 부분은 적어도 3개의 단일 결합한 탄소 원자 길이 또는 그 이상이다. 지방족 부분은 분지되거나 또는 교차결합될 수 있으나 탄소-탄소 결합을 포함하여야만 한다. 그러나 중합체의 다른 부분은 이중 결합 또는 고리 결합을 포함할 수 있으며 수지 중합체의 방향족 함량은 60% 미만 바람직하게는 40% 미만이어야 한다. 중합체는 성능을 잃지 않고 탄소-탄소 골격에 부착된 비탄소 원자를 가질 수 있다. 하나의 구체예에서 탄성 수지는 캐슈넛 셀 액체, 동유, 린시드 유 또는 다른 건성유에서 발견된 천연 수지이다. 다른 구체예에서 탄성 수지는 충분한 탄소 사슬을 가진 교차결합 고무, 할로겐화, 산화 또는 질화 고무, 실리콘, 실록산 또는 에폭시 수지에서 발견된 합성 수지이다. 본 발명의 다른 구체예에서, 탄성 수지는 탄소-탄소 결합의 양 또는 탄소-탄소 골격의 배열을 포함하거나 증가시키도록 변형된 수지이다.
본 발명의 하나의 구체예는 근본재 및 제1수지일 수 있는 수지 물질의 적어도 하나의 종류, 또는 탄성 수지를 포함하는 제1층을 가지는 마찰재를 포함하는 생성물을 포함한다. 또한 마찰 변형 입자(friction modifying particle)의 적어도 하나의 종류 및 탄성 수지 블렌드를 포함할 수 있는 근본재의 상부 표면 상의 제2층을 포함한다. 마찰 변형 입자는 평균 직경이 1 내지 100미크론, 바람직하게 40미크론 미만인 입자의 적어도 하나의 종류를 가진다. 소정의 구체예에서, 제2층은 1 내지 200미크론의 평균 두께를 가지며, 상부 층은 제1층보다 더 낮은 투과성을 가진다. 소정의 구체예에서, 근본재는 다수의 섬유 및 섬유와 함께 결합하는 수지 성분을 포함하고, 수지 성분은 탄성 수지 또는 탄성 수지 및 일반적인 수지의 블렌드를 포함한다.
본 발명의 하나의 구체예는 이에 한정되지 않지만, 클러치판, 변속기 밴드(transmission band), 브레이크 슈, 싱크로나이저 링, 마찰 디스크 및 시스템 판을 포함한 다양한 적용에서 사용을 위한 마찰재를 포함한다. 마찰재 염기층은 직물 또는 부직포(무작위로 분산됨)일 수 있는 다수의 섬유, 및 상기 섬유에 결합하는 수지 성분을 포함할 수 있다. 수지 성분은 탄성 수지 또는 탄성 수지와 일반적인 수지의 블렌드를 포함할 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 탄성 수지는 캐슈넛 셀 오일, 교차결합 고무, 할로겐화, 산화 또는 질화 고무, 부틸 고무, 동유, 린시드 유 또는 다른 건성유 중 임의의 것에서 발견된 천연 또는 합성 수지일 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 탄성 수지는 염기 중합체로 이루어진 알칸 화학기 또는 염기 중합체에 부착된 알칸 화학기의 중량에 대하여 50% 내지 100%를 가질 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에서 탄성 수지는 마찰재의 총 중량의 약 10-60중량%로 존재할 수 있다. 하나의 구체예에서, 수지 성분은 전부 탄성 수지로 이루어져 있고 여기에 다른 수지는 존재하지 않는다.
본 발명의 하나의 구체예는 탄성 수지 또는 탄성-변형 수지를 포함하는 마찰재를 포함하여 양호한 μm-V 곡선 모양을 유지하면서 거친 접촉(asperity contact) 및 정적 마찰 계수를 증가시킨다. 탄성 수지의 이용은 거친 변형(asperity deformation)의 증가를 허용하여 순수한 접촉 부분 및 마찰 계수를 증가시킨다.
본 발명의 하나의 구체예에서, 탄성 수지는 반복 단위를 포함할 수 있으며, 반복 단위는 3-n-펜타데카디에닐 페놀과 같은 변형된 페놀기 또는 α-엘레오스테아르산과 같은 선형 알칸기이다. 적합한 수지는 상업적으로 이용가능하거나 또는 주문하여 합성된 것일 수 있다.
도 1은 굵은 선으로 나타낸 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄성 수지를 포함하는 마찰재 및 비교로서 가는 선으로 나타낸 대조 수지(딱딱한 페놀 수지)를 포함하는 마찰재에 대하여 110C 및 다양한 속도 및 0.5mPa 라이닝 압력에서 마찰 계수의 그래프이다.
도 2는 굵은 선으로 나타낸 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄성 수지를 포함하는 마찰재 및 비교로서 가는 선으로 나타낸 대조 수지(딱딱한 페놀 수지)를 포함하는 마찰재에 대하여 110C 및 다양한 속도 및 1.0mPa 라이닝 압력에서 마찰 계수의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄성 수지를 포함하는 마찰재에 대하여 표준 SAE 클러치 시프팅 테스트 절차에 대한 중간 지점 마찰 계수의 차트이다.
도 4는 대조 수지(딱딱한 페놀 수지)를 포함하는 마찰재에 대하여 표준 SAE 클러치 시프팅 테스트 절차에 대한 중간 지점 마찰 계수 대 종료 지점 마찰 계수 비율의 차트이다.
도 5는 굵은 선으로 나타낸 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄성 수지를 포함하는 마찰재 및 비교로서 가는 선으로 나타낸 대조 수지(딱딱한 페놀 수지)를 포함하는 마찰재에 대하여 50C 오일 온도 및 0.5Mpa 라이닝 압력에서 표준 SAE 클러치 시프팅 테스트의 토크 인게이지먼트의 차트이다.
도 6은 굵은 선으로 나타낸 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄성 수지를 포함하는 마찰재 및 비교로서 가는 선으로 나타낸 기술된 화학적 성질이 없는 유연한 엘라스토머 수지를 포함하는 마찰재에 대하여 110C 및 다양한 속도 및 0.5mPa 라이닝 압력에서 마찰 계수의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 하나의 구체예에 따라서, 탄소-규소 중합체를 형성하는 규소 원자와 화학적으로 연결된 3개의 탄소 알칸 사슬로 이루어진 탄성 수지를 포함하는 마찰재에 대하여 표준 SAE 클러치 시프팅 테스트 절차로부터의 정적 마찰계수의 그래프이다.
탄성 수지를 포함하는 마찰재는 하나 이상의 하기 성분을 포함할 수 있다.
하기 구체예(들)의 설명은 사실상 단지 예시적인 것이고 결코 본 발명, 그 적용, 또는 용도를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명의 하나의 구체예는 하기를 포함하는 생성물을 포함할 수 있다: 약 1 내지 약 20㎛ 범위의 섬유 직경을 가지는 다수의 섬유를 포함하는 마찰재, 세라믹 또는 광물 섬유를 포함하며 강도를 증가시키기 위해 섬유를 강화시킨 섬유, 상기 강화시킨 섬유는 300 초과의 캐나다 표준 여수도(Canadian Standard Freeness)로 피브릴화(fibrillated) 된다. 상기 섬유는 직물 또는 부직포일 수 있다.
섬유질 근본재의 제1층에 대한 제형의 하나의 예는 중량으로 약 10 내지 약 30%의 덜 피브릴화된 아라미드 섬유; 중량으로 약 2 내지 약 10%의 호모아크릴 섬유(homoacrylic fiber); 중량으로 약 10 내지 약 35%의 활성화된 탄소 입자; 중량으로 약 5 내지 약 20%의 면 섬유, 중량으로 약 2 내지 약 20%의 탄소 섬유; 및 중량으로 약 10 내지 약 35%의 충진재를 포함한다.
아라미드 섬유 및 아라미드 섬유 대체물
마찰재의 상대적으로 비싼 아라미드 섬유의 적어도 상당한 부분을, 특히 본 명세서에 기재된 다른 섬유와 결합될 때, 대체한다 하더라도 마찰재의 성능을 유의하게 약화시키지 않고, 상대적으로 값싼 중합체 섬유로 대체할 수 있음을 발견하였다. 아라미드의 하나의 구체예에서, 섬유 대체물은 단일중합체를 포함한다. 하나의 구체예에서, 단일중합체는 호모아크릴 중합체를 포함한다. 하나의 구체예에서, 단일중합체는 오직 아크릴로니트릴에서 유래한다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 마찰재는 마찰재의 25중량% 미만으로 존재하는 아라미드 섬유를 포함하고 아라미드 섬유 대체물은 섬유 물질의 18중량% 내지 20중량%의 범위의 양으로 존재한다. 마찰재는 하기 예시적인 구체예에서 기재된 성분을 포함하여 추가적인 성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 구체예에서 섬유질 근본재에서 덜 피브릴화된 아라미드 섬유, 호모아크릴 섬유, 및 탄소 섬유의 이용은 고온에서 견디는 마찰재의 능력을 개선시킨다. 덜 피브릴화된 아라미드, 섬유 및 호모아크릴 섬유는 일반적으로 코어 섬유에 피브릴이 거의 부착되지 않는다. 덜 피브릴화된 섬유의 이용은 더 많은 다공성 구조를 가지는 마찰재를 제공한다; 즉, 전형적인 피브릴화 섬유를 사용할 때보다 기공이 더 많다. 다공성 구조는 일반적으로 기공 크기 및 액체 투과성으로 한정된다. 소정의 구체예에서, 섬유질 근본재는 지름의 평균 크기가 약 2.0 내지 약 25미크론의 범위인 것으로 기공을 한정한다. 소정의 구체예에서, 평균 기공 크기는 지름이 약 2.5 내지 약 8미크론의 범위이고 마찰재는 적어도 약 50%, 소정의 구체예에서, 적어도 약 60% 이상, 소정의 구체예에서 최대 약 85%를 포함하여, 용이하게 이용가능한 에어 보이드(air void)를 가진다.
또한, 소정의 구체예에서, 아라미드 섬유 및 호모아크릴 섬유는 약 0.5 내지 약 10mm 범위의 길이 및 약 300 초과의 캐나다 표준 여수도(CSF)를 가지는 것이 바람직하다. 소정의 구체예에서, 또한 약 450 내지 약 550; 약 530 이상의 CSF를 가지는 덜 피브릴화된 아라미드 섬유 및 호모아크릴 섬유를 이용하는 것이 바람직하고; 다른 소정의 구체예에서, 약 580-650의 CSF를 가지는 덜 피브릴화된 아라미드 섬유 및 호모아크릴 섬유를 이용하는 것이 바람직하다. 반대로, 아라미드 펄프 또는 호모아크릴 펄프와 같은, 더 피브릴화된 섬유는 약 285-290의 여수도(CSF)를 가진다.
"캐나다 표준 여수도"(T227 om-85)는 섬유의 피브릴화 정도를 섬유의 여수도의 측정으로 설명할 수 있다. CSF 테스트는 1리터의 물 내에서 3그램의 섬유가 들어 있는 현탁액에서 물이 빠지는 속도의 임의 측정을 제공하는, 실험적인 절차이다. 따라서, 덜 피브릴화된 섬유 및 호모아크릴 섬유는 더 피브릴화된 섬유보다 더 높은 여수도 또는 마찰재에서 유체의 더 높은 배수 속도를 가진다. 통상적으로 더 피브릴화된 섬유를 포함하는 마찰재보다 약 430-650 범위(및 소정의 구체예에서 바람직하게 약 580-640, 또는 바람직하게 약 620-640)의 CSF를 가지는 섬유를 포함하는 마찰재는 더 우수한 마찰 성능을 제공하고 더 나은 물질 특성을 가진다. 높은 캐나다 여수도를 가지는 더 긴 섬유는 높은 강도, 높은 다공성, 및 양호한 내마모성(wear resistance)을 가지는 마찰재를 제공한다. 덜 피브릴화된 섬유(CSF가 약 530 내지 약 650)는 특히 양호한 장기간의 내구성 및 안정한 마찰 계수를 가진다.
근본재가 더 높은 평균 기공 직경 및 유체 투과성을 가질 때, 자동 변속기 유체가 마찰재의 다공성 구조를 통하여 더 잘 흐르기 때문에 마찰재는 보다 쉽게 냉각될 수 있거나 변속기에서 열이 덜 발생한다. 변속기 시스템의 작동 동안에, 시간이 지나면서, 유체는 브레이크다운하고 특히 고온에서 "오일 침전물" 을 형성하는 경향이 있다. 이 "오일 침전물" 은 기공 개구부를 감소시킨다. 따라서, 마찰재가 초기에 더 큰 기공으로 시작할 때, 마찰재의 유용한 수명 동안 더 많은 개방 기공이 남아있다.
본 발명의 하나의 구체예는 2.0중량%의 면섬유, 16.5중량%의 아라미드 섬유, 10.0중량%의 호모아크릴 중합체, 17.5중량%의 광물 섬유, 5.0중량%의 탄소 섬유, 27.0중량의 실리카 규조류, 및 22.0중량%의 흑연 입자를 포함한다. 선택적으로 다른 첨가제를 포함할 수 있다.
소정의 구체예에서, 마찰재는 중량%로 약 10 내지 약 30중량%의 피브릴화 아라미드 섬유, 약 2 내지 약 20중량%의 아라미드 섬유 대체물, 예컨대 피브릴화 호모아크릴 섬유, 약 10 내지 약 30중량%의 실리카 충진재, 약 10 내지 약 20중량%의 흑연, 및 약 5 내지 약 20중량%의 직경의 크기가 작은 석유 피치-기반 탄소 섬유를 포함하는 섬유질 근본재를 포함할 수 있다.
예를 들어, 섬유재, 직물 및/또는 부직포재를 포함한 비석면 근본재를 포함하여, 다양한 근본재가 본 발명의 마찰재에 사용된다. 적합한 근본재는 예를 들어, 섬유 및 충진재를 포함한다. 섬유는 유기 섬유, 무기 섬유 및 탄소 섬유일 수 있다. 유기 섬유는, 피브릴화 및/또는 비피브릴화 아라미드 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리아미드 섬유, 면/셀룰로오스 섬유 등과 같은 아라미드 섬유일 수 있다. 충진재는 예를 들어, 실리카, 규조토, 흑연, 알루미나, 캐슈 더스트 등일 수 있다. 다른 구체예에서, 근본재는 직물재, 부직포재, 및 종이재를 포함할 수 있다.
소정의 구체예에서, 마찰재는 여기에 다수의 큰 공간(void) 또는 작은 틈(interstice)을 가지는 근본재를 포함한다. 근본재에서 큰 공간의 크기는 약 0.5μm 내지 약 20μm 범위일 수 있다.
소정의 구체예에서, 근본재는 바람직하게 약 50 내지 약 60%의 큰 공간 부피를 가지며 근본재는 "다공성" 직물재와 비교하여 "밀도가 높은" 것으로 여겨진다. 소정의 구체예에서, 근본재는 섬유질 근본재와 같은 임의의 적합한 물질일 수 있다. 마찰재는 수지 물질을 더 포함하며, 적어도 부분적으로 근본재에서 큰 공간을 채운다. 수지 물질은 근본재의 두께에 걸쳐 균일하게 분산된다.
소정의 구체예에서, 근본재는 섬유질 근본재를 포함하며, 덜 피브릴화된 섬유 및 탄소 섬유가 섬유질 근본재에서 사용되어 마찰재에 바람직한 기공 구조를 제공한다. 섬유 기하구조는 증가된 열 저항을 제공할 뿐만 아니라, 박리 저항(delamination resistance) 및 스퀘이크(squawk) 또는 잡음(noise) 저항을 제공한다. 부가적으로, 소정의 구체예에서, 탄소 섬유 및 탄소 입자의 존재는 섬유질 근본재에서 열 저항을 증가시키고, 변함없는 마찰 계수를 유지하며 스퀼 저항(squeal resistance)을 증가시키는데 도움이 된다. 섬유질 근본재에서 상대적으로 적은 양의 면 섬유를 포함하여 마찰재의 클러치 "브레이크-인(break-in)" 특성을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 구체예에서, 마찰재에 사용되는 섬유는 150Gpa 초과; 약 200 내지 약 300Gpa의 범위; 또는 약 250 내지 약 300GPa의 인장탄성율을 가진다. 마찰재의 선택 성분에 관한 추가적인 상세사항은 이후에 제공된다.
마찰재는 또한 하기의 추가적인 성분을 포함할 수 있다.
탄소 기반 섬유
본 발명의 하나의 구체예에서, 마찰재는 탄소-기반 섬유, 예를 들어 용매화되지 않은 상태에서 동일한 피치의 녹는점 보다 적어도 40℃ 낮은 유체 온도를 가지는 용매화된 피치를 포함하는 석유 피치-기반 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 석유 피치-기반 섬유는 용융없이 탄화 온도로 가열될 수 있다.
다른 구체예에서, 석유 피치-기반 탄소 섬유는 섬유질 근본재에서 석유 피치-기반 탄소 섬유를 더 포함하는 섬유질 근본재 상의 제2 층으로서 사용될 수 있다.
또 다른 구체예에서, 석유 피치-기반 탄소 섬유는 섬유질 근본재에서 석유 피치-기반 탄소 섬유를 가지지 않는 섬유질 근본재의 외부 표면 상에 제2 또는 상부 층으로서 사용된다. 석유 피치-기반 탄소 섬유를 가지는 마찰재는 이탈 마찰 계수(break away coefficient of friction)를 증가시켜서, 마찰재의 보유 능력을 증가시킨다.
소정의 구체예에서, 석유 피치-기반 탄소 섬유는 예를 들어 면 및 셀룰로오스 충진재 물질을 포함하는 저렴한 기공성 물질 상에서 상부 또는 제2 층으로서 사용될 수 있다. 작은 직경의 섬유는, 중량으로 약 15 내지 약 20% 범위에서와 같이 전형적인 제형에서 존재할 수 있다.
소정의 구체예에서, 탄소 섬유는, 용매화되지 않은 상태에서 동일한 피치의 녹는점보다 적어도 약 400℃ 더 낮은, 종종 200℃ 이상의 유체 온도를 가지는, 용매화된 등방성 피치로 만들어진다. 용매화된 등방성 피치로 만들어진 섬유는 바람직한 개선된 안정화 특성을 가져서 섬유를 용융없이 탄화 온도까지 가열할 수 있다. 또한, 탄소 섬유에 존재하는 임의의 중간상(mesophase)은 탄소 섬유의 형성과 관련된 전단력(shear force)으로 크게 연장되지 않는다. 또한, 석유 피치-기반 탄소 섬유는 중량으로 약 5 내지 약 40% 용매를 가질 수 있고, 섬유로부터 용매의 제거시 피치 섬유는 녹지 않는다.
석유 피치-기반 탄소 섬유는 300℃의 초과 및 바람직하게 350℃ 초과에서 연화점을 가질 수 있으며 상기 섬유는 섬유 방사 온도(spinning temperature) 보다 더 높은 온도에서 안정화 처리될 수 있다.
용어 "피치"는 일반적으로 천연 아스팔트 석유 피치의 생산에서의 부산물 및 나프타 분해 산업(naphtha cracking industry)에서의 부산물로서 얻어진 중유 및 석탄에서 얻어진 고탄소 함량의 피치를 지칭한다. 석유 피치는 일반적으로 석유 증류액 또는 잔여물의 촉매 및/또는 열 분해로 얻어진 잔여 탄소질 물질을 지칭한다. 용매화된 피치는 일반적으로 피치에서 중량으로 약 5 내지 약 40% 사이의 용매를 포함하고 용매와 관련이 없으면 피치 성분의 녹는점보다 낮은 유체 온도를 가진다. 전형적으로, 유체 온도는 약 40℃보다 낮다. 녹는점을 초과한 온도로부터 분당 1℃에서 용매화된 피치를 냉각시키면서 6000poise의 점도를 기록한 온도에서 용매화된 피치에 대한 유체 온도를 업계에서 일반적으로 결정한다. 용매 함량은 용매의 진공 분리시 중량 손실로 결정된 값을 지칭한다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 본질적으로 탄소로 이루어지는 섬유는 마찰재의 중량으로 약 10 내지 약 20%로 존재한다. 하나의 구체예에서, 탄소 기반 섬유는 흑연을 포함하는 섬유이다.
광물 기반 섬유
본 발명의 하나의 구체예에서, 마찰재는 광물 섬유를 포함할 수 있다. 광물 섬유는 상대적으로 작은 직경을 가질 수 있다. 이 섬유는, 암석, 슬래그, 유리 또는 다른 광물 용융물과 같은 유리질 용융물(vitreous melt)로 만들 수 있다. 용융물은 일반적으로 암석 또는 광물을 혼합함으로써 형성하여 원하는 분석을 제공한다. 광물 조성물은 종종, 적어도 32% SiO2, 30% 이하의 Al2O3 및 적어도 10% CaO를 포함하는 산화물로서, 분석을 가진다.
본 발명의 하나의 구체예에서, 광물 섬유는 5 내지 10㎛ 범위의 섬유 직경을 가지는 조작된 광물 섬유를 포함한다. 광물 섬유는 더 큰 기공을 가지는 마찰재를 제조하는데 사용될 수 있고 하기 측정에 나타낸 바와 같이 더 양호한 물질 특성을 보여준다.
Figure pct00001
전형적으로, 작은 직경의 광물 섬유는 본 발명의 하나의 구체예에 따라서 마찰재에서 사용될 수 있으며 하기의 특성을 가질 수 있다.
Figure pct00002
다른 구체예에서 사용되는 조작된 광물 섬유는 하기의 특성을 가졌다: 젖은 종이 과정(가스켓 적용)에 대하여 고안된 양호한 수분산을 위하여 계면활성제로 처리함, 섬유 직경: <10μm; 길이: 650+-150μm.
본 발명의 다른 구체예에 사용되는 다른 조작된 광물 섬유는 하기의 특성을 가졌다: 용이한 혼합을 위하여 브레이크 적용 짧은 섬유 길이를 위하여 고안된 페놀 수지에 대한 양호한 결합을 위한 실란 커플링제로 처리함(도면은 없음), 섬유 직경: <10μm; 길이: 230+-50μm.
작은 직경의 광물 섬유의 섬유 직경은 다양한 구체예에서 5 내지 10㎛, 또는 약 5㎛ 내지 7㎛의 범위일 수 있다. 작은 직경의 섬유의 인장탄성율은 선택적인 구체예에서 200 내지 300GPa 또는 250 내지 300Gpa의 범위일 수 있다. 하나의 구체예에서, 광물 섬유는 마찰재의 중량으로 약 5 내지 약 30%로 존재할 수 있다.
하나의 구체예에서, 광물 섬유는 38중량% 내지 43중량%의 SiO2, 18중량% 내지 23중량%의 Al2O3, 23중량% 내지 28중량%의 CaO+MgO, 4.5중량% 내지 8중량%의 FeO, 4.5중량%의 K2O+Na2O, 및 최대 6중량%까지의 다른 성분을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 광물 섬유는 34 내지 52중량%의 SiO2, 5 내지 15중량%의 Al2O3, 20 내지 43중량%의 CaO, 4 내지 14중량%의 MgO, 0 내지 1중량%의 Na2O, 0 내지 2중량%의 K2O, 0 내지 1중량%의 TiO2, 0 내지 2중량%의 FeO2, 및 0 내지 7중량%의 다른 성분을 포함할 수 있다.
기타 섬유
바람직한 다른 섬유가 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 셀룰로오스 섬유, 세라믹 섬유 및 실리카 섬유일 때, 다른 무기 섬유들이 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 구체예에서의 이용을 위한 다른 유용한 무기 필라멘트는 석영, 마그네시아 알루미노실리케이트(magnesia aluminosilicate), 비알칼리성 알루미노보로실리케이트, 소다 보로실리케이트, 소다 실리케이트, 소다 림-알루미노실리에이트(lim-aluminosiliate), 납 실리케이트, 비알칼리성 납 보로알루미나, 비알칼리성 바륨 보로알루미나, 비알칼리성 아연 보로알루미나, 비알칼리성 철 알루미노실리케이트, 카드뮴 보레이트, 알루미나 섬유 등으로 형성된 섬유와 같은 유리 섬유를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 다른 섬유는 20㎛보다 큰 직경을 가지는 섬유일 수 있다.
하나의 구체예에서, 작은 직경 섬유는 마찰재로서 섬유질 근본재의 외부 표면 상에 존재할 수 있다. 마찰재는 전형적으로 마찰 표면과 대치되는 맞물림(engagement)에서의 이용을 위함이다. 따라서, 마찰재가 마찰 표면과 대치하여 맞물리는 동안 섬유질 근본재는 대치하는 마찰 표면과 접촉한다. 또한 섬유는 대치하는 마찰 표면에 존재할 수 있다. 또한 젖은 마찰재는 다수의 층 중 임의의 것에 존재하는 작은 직경 섬유를 가지는 다수의 섬유질 근본재를 포함할 수 있다.
소정의 구체예에서, 면 섬유는 섬유질 근본재에 첨가되어 섬유재에 더 높은 마찰 계수를 제공한다. 소정의 구체예에서는 약 5 내지 약 20%, 소정의 구체예에서는 약 10% 면이 또한 섬유질 근본재에 첨가될 수 있다.
첨가제
다양한 종류의 마찰 변형 입자는 마찰재에서 유용할 수 있다. 유용한 마찰 변형 입자는 실리카 입자를 포함한다. 다른 구체예는 페놀 수지와 같은 수지 분말; 실리콘 수지, 에폭시 수지 및 이들의 혼합물과 같은 마찰-변형 입자를 가질 수 있다. 또한 다른 구체예는 부분적 및/또는 완전히 탄화된 탄소 분말 및/또는 입자 및 이의 혼합물; 및 상기 마찰 변형 입자의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같은 소정의 구체예에서, 규조토, 및/또는 이산화규소와 같은 실리카 입자가 유용할 수 있다. 실리카 입자는 근본재에 강하게 결합하는 값싼 무기 물질이다. 실리카 입자는 마찰재에 대하여 높은 마찰 계수를 제공한다. 또한 실리카 입자는 매끄러운 마찰 표면을 가지는 근본재를 제공하며 양호한 "변속감(shift feel)" 및 마찰재에 대한 마찰 특성을 제공할 수 있어 임의의 "떨림(shudder)" 을 최소화한다.
하나의 구체예에서, 섬유/충진재 비율은 0.8/1 내지 1.4/1의 범위이다. 특정 구체예에서, 섬유/충진재 비율은 1.09/1이다.
전형적으로, 젖은 마찰재는 근본재의 표면에 증착된 마찰-변형 입자를 포함한다. 바람직하게, 입자는 합성 흑연이다. 또한 무기 충진재를 사용할 수 있다. 무기 충진재는 광범위하게 다양하며 일반적으로 규조토, 점토, 규회석, 실리카, 탄산염; 질석, 운모, 산화실리카, 산화철, 산화알루미늄, 산화티타늄 등; 질화시리카, 질화철, 질화알루미늄, 질화티타늄 등; 및 탄화실리카, 탄화철, 탄화알루미늄, 탄화티타늄 등이다. 입자는 적어도 4.5의 모스 경도를 가질 수 있다.
추가적인 결합제 및 함침제
본 발명의 일부 구체예에서는 탄성 수지가 배타적으로 바람직하지만, 본 발명의 다른 구체예에서는 추가적인 결합제 및 함침제가 하기와 같이 마찰재에 포함될 수 있다. 수지 성분은 또한 이에 제한되지 않지만, 페놀 또는 페놀-기반 수지를 포함하는 추가적인 수지를 포함할 수 있다. 하나의 구체예에서, 포화제 물질은 마찰재의 중량으로 100중량부 당 약 45 내지 약 65중량부를 포함할 수 있다. 하나의 구체예에서 수지에 포함되는 페놀-기반 수지는 에폭시, 부타디엔, 실리콘, 동유, 벤젠, 캐슈넛 오일 등과 같은, 다른 변형 성분을 혼합한다. 페놀-변형 수지에서, 페놀 수지는 일반적으로 수지 블렌드의 중량(존재하는 임의의 용매를 배제함)으로 약 50% 이상으로 존재할 수 있다. 그러나, 마찰재는 소정의 구체예에서, 혼합물이 실리콘-페놀 혼합물(용매 및 다른 처리 산을 배제함)의 중량에 대하여 실리콘의 중량으로 약 5 내지 약 80%, 소정의 목적을 위하여 약 15 내지 약 55%, 및 소정의 구체예에서 약 15 내지 약 25%의 실리콘 수지를 포함하는 수지 블렌드를 포함하는 경우에 개선될 수 있다는 것을 밝혔다.
본 발명의 다른 구체예는 알칸 사슬을 포함하고 나머지는 페놀 또는 노발락 수지인(용매 및 다른 처리 산을 배제함) 에폭시를 중량으로 약 5 내지 약 50%, 및 약 10 내지 약 35%를 포함하는 에폭시 페놀 또는 노발락 수지를 포함할 수 있다.
다른 구체예에서, 결합제는 페놀 또는 변형 페놀 수지, 실리콘 또는 변형 실리콘 수지, 또는 페놀 또는 변형 페놀 수지와 실리콘 또는 변형 실리콘 수지의 블렌드일 수 있다. 하나의 구체예에서, 결합제는 에폭시-노발락 수지이다. 젖은 마찰재는 예를 들어 이에 제한되지 않지만, 클러치 페이싱 또는 브레이크 라이닝으로서 사용될 수 있다. 하나의 구체예에서, 젖은 마찰재는 10 내지 70 중량%의 섬유, 10 내지 70중량%의 무기 충진재, 및 20 내지 60중량%의 결합제를 포함한다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 유기-실란 결합제를 본 발명의 섬유에 사용할 수 있다. 대부분의 유기기능성 알콕시실란은 접착 프로모터 및 표면 변형제와 같은 특정한 기술적 적용을 가진다. 예를 들어, 3-아미노프로필트리알콕시실란, 3-아미노프로필메틸디알콕시실란, N-아미노에틸-3-아미노프로필트리메톡시-실란, N-아미노에틸-3-아미노프로필-메틸디아메톡시실란, 3-메르캅토프로필트리메톡시-실란 및 3-메타옥시프로필트리메톡시실란이 접착 프로모터 또는 표면 변형제로서 사용된다. 3-아미노이소부틸트리알콕시실란, 3-아미노이소부틸메틸디알콕시실란, N-(2-아미노에틸)-3-아미노-2-메틸프로필-알콕시실란 및 N-(2-아미노에틸) 3-아미노-2-메틸프로필메틸디알콕시실란과 같은 화합물이 또한 공지되어 있다.
다른 구체예에서, 마찰재는 경화가능한 결합제로서 페놀-포름알데히드 수지를 가지고 만들 수 있다. 페놀-포름알데히드 수지는 1:2.8 이상의 몰 비율, 예컨대 1:5까지의 몰 비율로 페놀과 포름알데히드를 포함한다. 일반적으로, 포름알데히드의 양은 1:3.1 내지 1:5, 예를 들어 1:3.4의 비율과 같은 화학량론적 양 이상이고, 적어도 3개의 탄소-탄소 사슬을 포함한다. 암모니아 및 당과 같은 다른 화합물을 페놀 결합제를 제조하는 데 사용할 수 있다.
마찰재는 또한 상이한 수지 시스템을 사용하여 함침될 수 있다. 소정의 구체예에서, 적어도 하나의 페놀 수지, 적어도 하나의 변형 페놀-기반 수지; 적어도 하나의 실리콘 수지, 적어도 하나의 에폭시 수지, 및/또는 상기의 조합을 사용할 수 있다. 소정의 다른 구체예에서, 화합가능한 용매에서 페놀 수지와 섞거나 혼합한 에폭시 노발락 수지가 유용하다.
고압의 오일 환경은 5Mpa 초과 및 더 바람직하게 6Mpa 초과일 수 있다. 마찰 변형 입자는 바람직하게 적어도 4.5의 모스 경도를 가진다. 하나의 구체예에서, 충진재에 대한 작은 직경 섬유의 비율은 0.5/1 내지 2.0/1의 범위일 수 있고, 다른 구체예에서, 상기 비율은 0.8/1 내지 1.4/1의 범위일 수 있다. 섬유질 근본재는 또한 결합제를 포함한다. 하나의 구체예에서, 섬유질 근본재는 20 내지 60중량%의 작은 직경 섬유를 포함하고, 다른 구체예에서, 섬유질 근본재는 30 내지 50중량%의 작은 직경 섬유를 포함한다.
수지 혼합물은 원하는 양의 수지 및 마찰 변형 입자를 포함하여 섬유질 근본재에 의한 수지의 표적 픽업이 전체 탄성 수지의 중량으로 약 25 내지 약 70%의 범위, 다른 구체예에서 약 45 내지 약 200%, 소정의 구체예에서 약 40 내지 적어도 65%의 범위일 수 있다. 섬유질 근본재가 수지로 포화된 후, 섬유질 근본재는 200-400℃ 사이 범위의 온도에서 경화되어(소정의 구체예에서 약 1/2시간 동안) 수지 결합제를 경화하고 마찰재를 형성한다. 마찰재의 최종 두께는 섬유질 근본재의 초기 두께에 따라 달라진다.
본 발명의 하나의 구체예에 따른 마찰재는 섬유질 근본재의 상부 표면 상에서 마찰 변형 입자의 층을 포함할 수 있고 마찰재에 양호한 항-떨림 특성, 높은 저항, 높은 마찰 계수, 높은 내구성, 양호한 내마모성 및 개선된 브레이크인(break-in) 특성을 제공한다.
마찰재는 근본재의 제1, 또는 상부, 표면 상에 불규칙적이거나 기하학적 모양의 마찰 변형 입자의 상부, 또는 제2 층을 더 포함한다. 근본재 상의 상부 층으로서 마찰 변형 물질의 존재는 마찰재에 양호한 오일 보유 및 표면 오일 흐름 특성을 포함한, 많은 유리한 특성을 제공한다.
다양한 충진재가 또한 본 발명의 섬유질 근본재의 제1 층에서 유용하다. 특히, 규조토와 같은 실리카 충진재가 유용하다. 그러나, 다른 종류의 충진재가 본 발명에서의 사용에 적합하며 충진재의 선택은 마찰재의 특정 필요조건에 따라 다르다는 것이 고려된다.
본 발명의 구체예의 상기 설명은 사실상 단지 예시적인 것이고, 따라서 이의 변형은 본 발명의 정신 및 범위를 범어나는 것으로 여기지 않는다.

Claims (15)

  1. 근본 층에서의 수지 또는 수지 블렌드와 반드시 동일하지는 않은 적어도 하나의 종류의 탄성 수지 또는 수지 블렌드와 결합된 근본재의 상부 표면 상에서, 근본재를 포함하는 마찰재 및 적어도 하나의 종류의 마찰 변형 입자, 또는 마찰 변형 입자와 섬유의 블렌드를 포함하는 표면을 포함하며, 상기 근본재는 섬유를 포함하는, 생성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄성 수지는 3개의 단일 결합한 탄소 원자 길이 또는 그 이상의 길이인 지방족 부분을 가지는 중합체를 포함하며, 상기 지방족 부분은 분지되거나 교차결합한, 생성물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중합체는 이중 결합한 탄소 원자 또는 하나 이상의 고리 탄소 기를 더 포함하는, 생성물.
  4. 제2항에 있어서, 상기 중합체는 하나 이상의 고리 탄소 기를 더 포함하고, 상기 고리 탄소 기는 중합체의 60중량% 미만인, 생성물.
  5. 제2항에 있어서, 상기 중합체는 하나 이상의 고리 탄소 기를 더 포함하고, 상기 고리 탄소 기는 중합체의 60중량% 미만인, 생성물.
  6. 제2항에 있어서, 상기 지방족 부분은 탄소 원자 중 하나에 부착된 비탄소 원자를 포함하는, 생성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄성 수지는 캐슈넛 셀 액체, 동유, 린시드 유 또는 다른 건성유 중 적어도 하나를 포함하는 천연 수지, 또는 지방족 부분의 수의 양을 증가시키기 위해 변형된 천연 수지를 포함하는, 생성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 마찰재는 1.5Mpa 보다 낮은 적용 압력에서 동적 마찰계수를 0.175보다 크게 유지하는, 생성물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 탄성 수지는 3-n-펜타데카디에닐 페놀을 포함하는, 생성물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 탄성 수지는 3-15개의 탄소 사슬 디-산 무수물(di-acid anhydride)로 경화된 에폭시 노발락 수지로 이루어진, 생성물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 탄성 수지는 바람직하게 짧은 사슬에서, 적어도 50% 탄소를 포함하는 실리콘 또는 실리옥산 수지로 이루어지는, 생성물.
  12. 제1항에 있어서, 상기 탄성 수지는 마찰재의 총 중량의 10-60중량%로 존재하는, 생성물.
  13. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 광물 섬유,또는 면 섬유 중 적어도 하나를 포함하는, 생성물.
  14. 제1항에 있어서, 마찰 변형 입자의 하나의 종류는 실리카, 규조토, 흑연, 활성화 탄소, 광물, 수지, 또는 금속 입자를 포함하는, 생성물.
  15. 제1 층 근본재 및 결합된 근본재의 상부 표면 상에 마찰 변형 입자의 적어도 하나의 종류를 포함하는 제2 층을 포함하는 마찰재를 포함하며, 상기 제1 근본재 또는 제2 층의 적어도 하나는 탄성 수지를 포함하는 수지 성분을 포함하며, 상기 근본재는 섬유를 포함하는 생성물.
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