全纤维结构摩擦材料的制作方法

专利名称：全纤维结构摩擦材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非石棉的纤维基材，所述纤维基材含有在其中以渗透或穿透梯度分散的所希望量的摩擦改性粒子。
背景技术：
汽车制造业正在发展新的和先进的传动系统和制动系统。这些新的系统常常涉及高能量的需求。因此，还必须发展摩擦材料工艺学以满足这些先进系统增长的能量需求。
特别是，需要新的高性能、持久的摩擦原料。新的摩擦材料必须能够承受表面速度高达约65米/秒的高速度。此外，该摩擦材料必须承受高达约1500psi的高面衬压力(facing lining pressure)。同样重要的是该摩擦材料在有限的润滑条件下使用的。
为了在先进的传送和制动系统中使用该摩擦材料，它必须是耐磨的而且具有高耐热性。该摩擦材料不仅必须在高温下保持稳定，它还必须能迅速地散去在操作条件期间产生的高热量。
特别地，移动式离合器等中使用的摩擦原料受到其中使用的摩擦材料的流体的逐渐分解(breakdown)。当该流体使用超过长时间时，该流体可能降解并由上述流体降解形成粒子。这些粒子留在流体里，造成摩擦材料的摩擦系数损失。
在新的传送和制动系统的啮合和脱离期间产生的高速度意味着摩擦材料必须能够在整个啮合期间保持相对稳定的摩擦。重要的是该摩擦啮合在很宽的速度和温度范围内是相对稳定的。同样重要的是该摩擦材料具有所希望的扭矩曲线形状以致在摩擦的啮合期间该摩擦材料无噪音或“嘎嘎声”。
关注的使用摩擦材料的所有应用的重要性能是摩擦接触面处的抗“热点”和能量控制。“热点”的出现可以归于许多因素，这些因素包括摩擦材料的摩擦特性、啮合面的硬度和粗糙度、油膜保留、润滑剂的化学性质和交互作用、离合器操作条件、动力线组件和硬件校准、以及动力线的污染。摩擦界面能的控制主要涉及控制界面温度，它受泵流量、油流径和控制策略的影响。摩擦材料的表面设计也有助于界面能控制的效率。
以前，为获得温度稳定性将石棉纤维加入到摩擦材料中。由于健康和环境问题，不再使用石棉。更近期的摩擦原料已经试图通过用酚醛或酚醛改性树脂来改性浸渍材料以克服摩擦材料中石棉的缺乏。然而，这些摩擦材料不会迅速地散去产生的高热量，而且不具备目前在广泛发展的高速系统中使用所需要的耐热性和满意的高摩擦性能系数。
本发明是对Seitz的美国专利No.5,083,650参考文献的改进，该参考文献涉及多步浸渍和固化过程；即用涂料组合物浸渍纸，将碳粒子置于纸上，部分固化纸中的涂料组合物，将第二种涂料组合物应用于部分固化的纸上，最后将两种涂料组合物固化。
Fujimaki等人的美国专利No.4,451,590描述了一种含有金属纤维、填料、碳粒子、碳纤维和酚醛树脂的摩擦材料。
史密斯(Smith)等人的美国专利No.5,965,658描述了一种使用源自氧化聚丙烯腈基纤维的碳纤维和金属粉末和/或金属氧化物摩擦材料的摩擦材料。
Winkler的美国专利No.5,662,993描述了一种含有纤维的摩擦材料，所述纤维是用粘合材料沿着接触点粘合的。
Irifune等人的美国专利No.6,121,168描述了一种使用纤维和多孔圆柱形硅藻土的摩擦材料。
Suzuki等人的美国专利No.6,586,673 B1描述了扁圆形硅藻土作为纤维基材填料的用途。
Suzuki等人的美国专利No.6,265,066 B1描述了一种包括纤维基材、填料、摩擦调节剂和包含具有硅氧烷键原料的粘合剂的摩擦材料。
Suzuki等人的美国专利No.6,231,977B1描述了一种包括纤维基材、填料、摩擦控制剂和用p-壬基酚改性的酚醛树脂粘合剂的摩擦材料。
Matsumoto等人的美国专利No.6,060,536描述了一种制造摩擦材料的方法，所述方法是将水溶性材料分散到原纸中，所述原纸包括纤维基材、填料和摩擦调整试剂。
Klink的美国专利No.4,522,290描述了一种包括不含树脂的木材的摩擦片，所述木材在烘干条件下具有每立方米至少550公斤的平均松散密度，木材的纤维基本上与离合器或制动器摩擦方向平行。
Jacko等人的美国专利No.4,239,666描述了一种石棉基材料，其中加入了木质素以减少对酚醛树脂的需要。
Seitz等人的美国专利No.6,524,681描述了一种形成图案的表面摩擦材料。
Kaminski等人的美国专利Nos.5,889,082和5,919,837描述了一种包括纤维和其它摩擦材料组分的混合物的摩擦材料。
Bartram的美国专利No.4,197,223和英国专利No.1,604,827描述了一种无机和有机纤维如玻璃纤维、矿棉、铝—硅酸盐纤维、木浆、黄麻、剑麻和棉绒，以及填料的混合物。
Bortz美国专利No.5,989,735描述了一种经过梳毛机梳过的纤维或织成纤维网的纤维。
Ikuta美国专利No.5,290,627描述了一种含有木浆和苎麻纤维并包括约10到约30％填料的摩擦材料。
Chuluda美国专利No.4,256,801描述了一种含有纤维素、碳纤维和耐燃有机纤维(描述为诺沃洛伊德(novoloid)-交联的酚纤维)的摩擦材料。
Royer美国专利No.4,743,634描述了棉花、黄麻、剑麻、羊毛在摩擦材料中用于摩擦改性材料的用途。
本发明也不同于此处受让人BorgWarner公司拥有的摩擦材料的专利。特别是，美国专利5,998,307涉及一种具有用可固化树脂浸渍的基材的摩擦材料，其中在摩擦材料中多孔的第一层包括至少一种纤维材料，并且碳粒子的第二层覆盖了至少约3到约90％的第一层表面。
美国专利No.5,858,883涉及一种基材，其具有较少原纤维化芳族聚酰胺纤维、人造石墨、和填料的第一层，以及在该第一层表面上含有碳粒子的第二层。
美国专利No.5,856,244涉及一种包括用可固化树脂浸渍的基材的摩擦材料，在所述摩擦材料中第一层包括较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维、人造石墨和填料，以及含有碳粒子和助留剂的第二层。
美国专利No.5,958,507涉及一种制造摩擦材料的方法，在所述方法中，用碳粒子和助留剂涂布包括较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维，含有该纤维的纤维材料的至少一个表面用酚或改性酚醛树脂浸渍并固化。
美国专利6,001,750涉及一种摩擦材料，所述摩擦材料包括用可固化树脂浸渍的纤维基材，所述纤维基材具有较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维、碳粒子、碳纤维、填充材料、酚醛诺沃洛伊德纤维和任选的棉纤维的多孔第一层，以及碳粒子覆盖了大约3到约90％该表面的第二层。
此外，在BorgWarner有限公司共有的美国专利Nos.5,753,356和5,707,905中描述了不同的基材，所述基材包括较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维、人造石墨和填料。
另一个共有的专利，专利No.6,130,176涉及一种包括较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维、碳纤维、碳粒子和填料的纤维基材。
美国专利No.5,676,577涉及一种在纤维基材中具有高含量填充材料的摩擦材料。
再一个共有专利，美国专利No.6,630,416涉及一种具有多孔的第一层和硅石微粒第二层的摩擦材料，所述硅石微粒第二层覆盖约3到约90％的第一层表面。
在其它的仍然共有的专利申请中，美国系列号在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，目前全部未决，描述了其它的摩擦材料。
为了使摩擦材料用于“湿”应用，摩擦材料必须具有多种满意的特性。该摩擦材料必须是有弹性的或能伸缩的及还耐压缩变形、耐磨损和耐应力的；具有高耐热性并能迅速地散去热量；以及具有持久的、稳定的和一致的摩擦性能。如果任何这些特性得不到满足，就不能实现该摩擦材料的最佳性能。
同样重要的是为了形成高能量应用的摩擦材料可以将合适的浸渍树脂用于纤维基材。当在浸渍期间该摩擦材料用湿树脂浸透时和当在使用期间充满着制动液或传动油时，该摩擦材料均必须具有良好的剪切强度。
同样重要的是，根据某些应用该摩擦材料具有高孔隙率以致在使用期间有高的流体渗透能力。因此，重要的是该摩擦材料不仅是多孔的，而且它必须是可压缩的。渗透到摩擦材料的流体必须能够在制动或传送作用期间施加的压力之下迅速地从摩擦材料中压出或排放出，而该摩擦材料还必须不能坍陷。同样重要的是该摩擦材料具有高的导热性以便还有助于迅速地散去在制动或传动的作用期间产生的热量。
本发明的摩擦材料不同于上述参考文献教导的那些摩擦材料，据悉，尤其尚没有公开用于传动系统的包括纤维基材的摩擦材料，所述纤维基材仅仅含有纤维材料而没有填充材料。此外，据悉，没有公开一种由纤维材料组成的摩擦材料，所述纤维材料含有分散在其中的渗透的或穿透的摩擦改性粒子。更进一步，直到本发明，没有公开上述仅仅含有纤维的纤维基材，所述基材具有渗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对称形状的二氧化硅材料。如此处实施方案所描述的，已经发现对于抗热点、摩擦稳定性系数、和低厚度损耗，这些成分的组合能够提供出人意料的优良结果。
因此，本发明的一个目的是提供一种与现有技术相比具有可靠的和改善性质的改进摩擦材料。
本发明的另一个目的是提供具有改善的摩擦特性系数、“压缩模量”、抗“热点”、高耐热性、高摩擦稳定性和持久性、多孔性、强度、以及弹性的摩擦材料。
作为广泛研究的结果而且鉴于良好的摩擦材料的需要，此处本发明人已经开发了一种具有改进特性的摩擦材料。本发明的湿摩擦材料可用于“湿”应用，其中该摩擦材料是“湿的”或在使用期间用液体如制动液或自动传动液浸渍。在“湿”摩擦材料使用期间，该流体最终从该摩擦材料上榨出或浸渍该摩擦材料。湿摩擦材料在它们的组成和物理性质方面均大大不同于“干”摩擦材料。

发明内容
为了实现上述讨论的要求，在操作期间遇到的类似的条件下评估了很多材料的摩擦和耐热的特性。对市场上可买到的制动衬片和传动材料二者都进行了调查，证实了它们不适于在高能量应用中使用。
本发明涉及一种非石棉的纤维基材，所述纤维基材含有在其中以渗透或穿透梯度分散的所希望量的摩擦改性粒子。
上述仅仅含有纤维的基材提供了一种摩擦材料，所述摩擦材料是弹性的和“柔软的”，由此制造具有非常希望的压缩模量的摩擦材料。该弹性赋予摩擦材料改善的抗“热点”和低的衬里损失。
该仅仅含有纤维的基材由于相对大的孔径因此具有希望的渗透性，大的孔径有助于渗透性和摩擦稳定性系数。
本发明的摩擦材料还具有改善的抗“热点”、“平滑移动”所希望的摩擦特性、高耐热持久性、改善的强度、和孔隙率。
根据发明的一个方面，该纤维基材定义孔的直径范围为平均孔径从约20到约50微米并容易地具有可利用的至少约50％的气孔。
在某些实施方案中，该全纤维基材由最少一种芳族聚酰胺纤维、碳纤维和纤维素纤维组成。该芳族聚酰胺纤维根据加拿大标准游离度指数优选具有约350或更小的游离度并具有约0.5到约10毫米的平均纤维长度。
在具体的实施方案中，该纤维基材包括扁平的和较小直径的纤维，所述纤维给摩擦材料提供了平滑和均匀的表面。在某些优选方面，该纤维素纤维包括具有扁平和宽纤维表面的木材纤维。在某些实施方案中，来自具有希望的树脂渗出的树木如桦树、桉树和橡胶/桉树的扁平木材纤维是尤其有用的。
在某些具体实施方案中，以该纤维基材的重量为基准，该纤维基层包括约60到约75％重量的芳族聚酰胺纤维，约10到约15％重量的棉纤维，约5到约15％重量的碳纤维；约10到约20％重量的纤维素纤维。
该全纤维基材比其它包含填充材料的纤维基材更疏松或更低的密度。在某些实施方案中，与传统典型地具有约150到约165基重的基材相比，该全纤维基材具有约120到约125的基重。
在另一个方面，本发明涉及一种包括全纤维基材的摩擦材料，所述纤维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。将该摩擦改性材料分散在全纤维基材内，在该基材中留下许多开放的小孔。该摩擦改性粒子是在该全纤维基材中保持分散的固体的不溶性颗粒。在全纤维基材的上表面或附近存在有较高浓度的摩擦改性粒子。在全纤维基材中摩擦改性粒子的浓度从该基材的上表面到底面逐渐地减少。在某些实施方案种，该摩擦材料以该纤维基材的重量计包括约0.2％到约20％重量的摩擦改性粒子。
在某些实施方案中，该摩擦改性材料以纤维基材的重量为基准包括约5到约15％重量的硅石微粒。在某些优选方面，从该全纤维基材的上表面计算，该摩擦改性粒子在全纤维基材中的深度为约150μm。该摩擦改性粒子具有约5到约100微米的平均尺寸。
在其它实施方案中，该摩擦改性材料以摩擦改性粒子的总重量为基准包括约20％到约35％重量的硅石微粒和约65％到约80％的碳粒子。还在其它的实施方案中，该摩擦改性粒子包括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。
在某些具体的实施方案中，该纤维基层以纤维基材的重量为基准包括约60到约75％重量芳族聚酰胺纤维，约10到约15％重量的棉纤维，约5-15％重量的碳纤维；约10到约20％重量的纤维素纤维；和约5到约20磅/3000英尺2重量的摩擦改性粒子。在某些实施方案中，该摩擦改性粒子以约8到约10磅/3000英尺2的量存在。
不同的摩擦改性粒子可用于该纤维基材。特别是，硅石微粒如硅藻土(diatomaceous earth)、赛里特硅藻土、硅藻土(celatom)、和/或二氧化硅是尤其有用的。该摩擦改性粒子以占该纤维基材的约0.2到约30％重量、优选约2-10％重量、最优选约3-5％重量的量存在。
本发明的另一个方面是提供一种含有全纤维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对称形状例如硅藻土。
在另一个方面，本发明还涉及一种用于制造摩擦材料的方法，所述方法包括形成全纤维基材；用摩擦改性粒子渗透该纤维基材；然后形成在纤维基材中分散的梯度摩擦改性粒子，该摩擦改性粒子的存在量以纤维基材的重量为基准为约0.2到约20％重量；然后用合适的树脂浸渍该“摩擦改性材料渗透的全纤维”基材；其后将该浸渍的纤维基材在预定温度下固化预定的一段时间。
因此，在某些方面本发明涉及一种包括用至少一种可固化树脂浸渍的纤维基材的摩擦材料，其中所述纤维基材包括具有分散在该基材中的摩擦改性粒子的全纤维基材。
该纤维基材可以用不同的树脂系统浸渍。在某些实施方案，用酚醛树脂或改性酚醛基树脂浸渍纤维基材是有益的。在某些实施方案，当将有机硅树脂与酚醛树脂在适合的溶剂中掺合或混合并用有机硅树脂-酚醛树脂混合物浸渍本发明的纤维基材时，形成了特别有效的高性能、持久的摩擦材料。


图1是全纤维基材的示意图。
图2是显示木材纤维的纤维表面形态的扫描电子显微照片(SEM)。
图3是显示棉纤维的纤维表面形态的SEM。
图4是显示对比例A的材料与在基材中包括木材纤维的全纤维基材相比较的中点摩擦系数数据的图表。
图5是显示不同材料的中点摩擦系数的模型预测法。
图6和图7是显示本发明一个实施例即实施例1的全纤维基材摩擦材料的上表面的SEMs(分别以×100和×500)，所述摩擦材料含有渗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。
图8是显示实施例1底面的SEM(×500)，其中底面中没有任何摩擦改性粒子。
图9是显示扩散(渗透)梯度的摩擦改性粒子的实施例1的剖视图，摩擦改性粒子的深度为约150μm。
图10是显示“低能量/高温”和“高能量/高温”校核水准之间的关系与实施例1、比较例A、比较例B和比较例C的动摩擦系数相比较的图表。
图11是显示实施例1、对比例B，对比例C和对比例D的压缩分析的图表。
图12是显示具有不同浸树脂量的实施例I材料的设定压缩/施加压缩的变化图表。
图13是显示不同的全纤维基材即具有不同浸树脂量的实施例1-1、和具有渗透或穿透梯度的对称形状摩擦改性粒子的实施例1-2的动摩擦系数随校核水准的图表。
图14a、14b和14c是将实施例1、对比例A和对比例B材料的Hg侵扰与孔径尺寸进行比较的原木微分Hg侵扰标尺(log differential Hg intrusionscales)。
图15是显示实施例1材料、对比例A和对比例B材料的油吸收图表。
图16是显示具有不同浸树脂量的实施例1材料和对比例D的剪切强度的图表。
图17是显示实施例1材料和对比例A材料的热点对比测试的图表。
图18是显示不同材料在5000周期寿命试验中的摩擦稳定性系数的图表。
图19是显示实施例1-1和实施例1-2在5000周期测试之后的系数减弱(fade)与传统材料相比较的图表。
图20是显示实施例1-1和实施例1-2在5000周期试验之后的经过磨损的衬里损失与传统材料相比较的图表。
图21a、21b和21c是显示实施例1-2在不同温度下的t LVFA mu-V形曲线的图表。
具体实施例方式
本发明的摩擦材料具有改善的压缩模量和改善的抗“热点”。此外，该摩擦材料具有准许在摩擦材料使用期间更均匀散热的改善的弹性和改善的孔隙率。在传送或制动中的流体可以迅速地通过摩擦材料的多孔结构。此外，增长的弹性给摩擦材料提供了更为均匀的压力和均匀的压力分配以消除不均匀的衬里磨损和隔板“热点”。
摩擦材料结构的孔隙率越高，散热越有效。当该摩擦材料是多孔时，在摩擦材料啮合期间摩擦材料中油流的进出在使用期间更迅速。
图1用示意图显示的全纤维基材10包括精磨的纤维12，所示精磨的纤维形成弹性结构或网状物14。该全纤维基材具有上表面15和底面16.该弹性结构14定义大的和均匀尺寸的小孔18。
在一个实施方案中，全纤维的基材10包括分散在纤维网状物14内的大量的摩擦改性材料20。将摩擦改性粒子20以渗透或穿透梯度分散在该弹性网状物14中以致于在全纤维网状物14的上表面15的附近存在有较高浓度的摩擦改性粒子。摩擦改性粒子20的梯度贯穿于全纤维网状物14，由此全纤维网状物14的底面16附近存在有较少浓度的摩擦改性粒子20。
用合适的树脂浸渍该全纤维基材10以便形成具有所希望的弹性(模量)的摩擦材料。更大弹性的(低的模量)摩擦材料在使用期间引起较少的厚度损耗。在使用期间，摩擦材料在压应力之下，该全纤维基材的弹性网状物能够抵抗永久变形。
此外，摩擦材料具有所希望的渗透性。高渗透性的全纤维基材是更有弹性的，并且允许更多的流体流过该摩擦材料。
摩擦材料具有令人惊讶的伸长流体动力特性，它依次保持所希望的高摩擦系数(COF)水平高达至少中点COF。此外，摩擦材料具有所希望的大孔，它通过允许更多流体流过摩擦材料来提供良好的散热。摩擦材料具有令人惊讶的表面平滑度，它在摩擦材料和啮合的啮合面之间提供较好的接触。在某些实施方案中，由于包括全纤维基材的精磨纤维的存在，全纤维基材还提供具有可控表面轮廓的摩擦材料。
此外该摩擦材料具有更有效的摩擦接触位置，它提供了具有较高的粗糙扭矩的摩擦材料。也就是说，由于精磨纤维的存在，有较大的可利用的接触面积。在某些实施方案，由于在全纤维基材之内和之上存在摩擦改性粒子的类型，因而具有更多可利用的接触部位。
在某些方面，该全纤维基材包括原纤维化芳族聚酰胺纤维、纤维素基纤维和碳纤维。在全纤维基材中的原纤维化芳族聚酰胺纤维给摩擦材料提供了所希望的孔结构，它依次给该摩擦材料了提供提高的耐热性。
原纤维化的芳族聚酰胺纤维通常具有许多附着于芯纤维的许多小纤维。使用原纤维化的芳族聚酰胺纤维可提供具有更多孔结构的摩擦材料，即在基材中有更多和更大的孔。孔结构通常用孔尺寸和液体渗透率来定义。在优选实施方案中，全纤维基材定义孔尺寸为从约2.0到约100微米的平均孔径，以直径计。在某些实施方案，平均孔尺寸以直径计为约10到约50微米，并且摩擦材料容易地具有可利用的至少约50％的孔隙率，在某些实施方案中至少为约60％或更高。
当该摩擦材料具有较高的平均流量孔径和渗透性时，由于更多自动传动液体流过摩擦材料的孔结构，所以摩擦材料更可能在低温下或者在传送中产生较少的热量下运转。在传动系统操作期间，由于自动传动液，尤其在高温下的分解，所以在该摩擦材料的表面上的油沉积容易随着时间而增长。在纤维上的油沉积降低了孔的开放。因此，当该摩擦材料最初是以较大的孔开始时，在摩擦材料的有效期期间保持有更多开放的孔。另外，在至少部分用有机硅树脂浸渍的实施方案中，由于它的弹性特性，该有机硅树脂允许在摩擦材料中的纤维具有更开放的结构。
此外，在某些实施方案中，希望芳族聚酰胺纤维具有约0.5到约10毫米的长度和约250到约300的加拿大标准游离度(CSF)。因此，在某些实施方案中，该芳族聚酰胺纤维可以具有游离度，如芳族聚酰胺纸浆具有约285-290的游离度。“加拿大标准游离度”(T227 om-85)是指纤维的原纤维化程度可以称作纤维游离度的测量。CSF测试是一种经验方法，它提供了在1公升水中3克纤维的悬浮液中排水速率的任意测量。因此，较少原纤维化芳族聚酰胺纤维比其它的芳族聚酰胺纤维或纸浆具有较高的游离度或较高的从摩擦材料中流体排水速率。
在某些实施方案中，在全纤维基材中碳纤维的存在有助于增加耐热性、维持稳定的摩擦系数和增加尖叫声阻力。在该纤维基材中使用的碳纤维具有良好的热传导以致该摩擦材料具有所希望的耐热性。在特殊的实施方案中，该纤维基材具有约5到约20％重量的碳纤维，在某些实施方案中具有约10到约15％重量的碳纤维。在其它特殊的实施方案中，通过在纤维基材中使用原纤维化芳族聚酰胺纤维和碳纤维来改善该摩擦材料耐高温的能力。
纤维素基纤维给摩擦材料提供了光滑表面，由此使摩擦材料在操作期间更稳定。在某些实施方案中纤维素纤维包含具有扁平和宽表面的纤维。该扁平的、宽的纤维素纤维可以在制造基材的单根纤维表面上保持更多的摩擦改性粒子。在某些具体的实施方案中，希望使用源自木材的纤维素纤维。在特殊的实施方案中，该全纤维基材包括基于木材的纤维素纤维如桦树纤维和/或桉树纤维。该基于木材的纤维素纤维在经济成本方面也改善了该摩擦材料离合器的“磨合”(break-in)特性。
在某些实施方案中，全纤维基材中棉纤维的存有助于对摩擦材料提供剪切强度。该棉纤维具有附着于主纤维芯的原纤维化线股，并且有助于在使用期间预防摩擦材料的分层。
图2和图3比较了不同纤维素纤维的纤维表面形态；图2显示了桦树纤维的SEM，而图3显示了棉纤维的SEM。在某些实施方案中，该全纤维基材包括约10到约15％的木基纤维素纤维，并且在某些实施方案中包括约12到约13％的木基纤维素纤维。
图4显示了对比例A的材料与在全纤维基材中包括木材纤维素的全纤维基材进行比较的中点摩擦系数数据图表。图5是一种显示了不同材料的中点摩擦系数的模型预测法。
在其它的实施方案中，将另一种类型纤维素纤维如棉纤维添加到本发明的全纤维基材中来给该纤维材料赋予较高的摩擦系数。在某些实施方案中，将约10到约15％的棉添加到纤维基材中，并且在某些实施方案中添加量为约12到约13％。
任选地，该纤维基材可以包括至少一种乳液类材料。在特殊的实施方案中，该纤维基材可以具有约0到3％重量的胶乳类材料，并且在某些实施方案中具有约2％重量。
在特殊的实施方案中，当与约25到约50％重量、在某些实施方案中约20到约30％重量的纤维素类纤维混合时，该纤维的基材具有约50到约75％重量、在某些实施方案约65到约70％重量的芳族聚酰胺纤维。
在其它特殊的实施方案中，该纤维基材具有约50到约75％重量、在某些实施方案中约65到约70％重量的芳族聚酰胺纤维，约25到约50％重量、在某些实施方案中约20％到30％重量的纤维素类纤维，和约0到15％重量、在某些实施方案中约5到10％重量的碳纤维。
根据本发明的另一个方面，将摩擦改性粒子分散在全纤维基材中。将该摩擦改性粒子在渗透或穿透梯度内分散以便使它从该全纤维基材的上表面延伸到该全纤维基材的底面上。在某些实施方案中，在该全纤维基材之内将该摩擦改性粒子分散到至少约150μm的深度。在该纤维基材之内的摩擦改性粒子提供了高耐热性和高耐用的纤维基材。
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。该硅石微粒是与纤维基材牢固结合的廉价的有机原料。该硅石微粒给摩擦材料提供了高摩擦系数。该硅石微粒也为摩擦材料提供了平滑的摩擦面并为摩擦材料提供了良好的“换挡感”和摩擦特性以便使“震颤”最小化。
在某些实施方案中，该摩擦改性粒子可以包括对称形状的粒子。根据本发明的一个方面，规则几何形状的摩擦改性材料包括圆的、平圆盘的硅藻土。当其在全纤维基材内以穿透梯度分散时，具有如圆的、平圆盘的规则几何形状的摩擦改性粒子给基材提供了独特的表面堆图案和三维结构，它依次改善了摩擦材料中的油保持性和油流量。
由于对称形状的摩擦改性粒子叠层的微小的硬固体规则的山—山谷类型的表面构形，因此该对称几何形状的摩擦改性粒子可以用来容纳摩擦材料内的大量润滑剂和在摩擦材料内产生油流量的通路。在某些实施方案中，因为硅藻土典型地具有对称形状，因此硅藻土用作摩擦改性材料。使用中，在单独的几何形状的摩擦改性粒子上形成油或流体的薄层。这个薄层在摩擦改性粒子上保持油流动薄膜，因此增加了该摩擦材料的油保持容量。这提供了良好的摩擦特性系数和良好的滑动耐用特性。
在优选方案中，分散在全纤维基材之内的摩擦改性粒子的量为摩擦纸重量的约0.2到约20％、在某些实施方案中约2到15％、在某些优选方案中约2到约5％。
一种用于制造摩擦材料的优选方法，所述方法包括混合形成全纤维基材的成分。然后用至少一种酚醛或酚醛基树脂浸渍全纤维基材，所述纤维基材含有分散在其中的摩擦改性粒子。浸渍的全纤维基材在预定温度下固化预定一段时间以形成摩擦材料。
可以采用不同方法浸渍本发明全纤维基材。优选用酚醛或酚醛基树脂浸渍该全纤维基材以便使每100重量份摩擦材料中浸渍树脂材料包括约45到约65重量份。在用树脂浸渍该全纤维基材之后，将该浸渍的全纤维基材加热预定时间到所希望的温度来形成该摩擦材料。在约300的温度下加热固化该酚醛树脂。当有其它树脂如有机硅树脂存在时，在约400的温度下加热固化该有机硅树脂。其后，用合适的方法将该浸渍和固化的摩擦材料粘附到所希望的基材上。
在某些实施方案中，优选通过该全纤维基材的树脂目标整理的量为有机硅树脂-酚醛树脂总重量的约35到约65％、在某些实施方案中约60到至少65％。在用树脂浸渍全纤维基材之后，将该全纤维基材在300-400℃温度下固化一段时间(在某些实施方案中1/2小时)来固化该树脂粘合剂并形成摩擦材料。摩擦材料的最终厚度取决于该全纤维基材的最初厚度，在某些实施方案中优选约0.014″到约0.040″。
此外设计该摩擦材料可以包括已知的有助于制备树脂混合物和制备浸渍纤维基材的其它成分和步骤。
可用于浸渍该全纤维基材的各种树脂包括酚醛树脂和酚醛基树脂。应该明白可以设计本发明使用各种酚醛基树脂，所述酚醛基树脂包括在树脂混合物中的其它改性成分，例如环氧树脂、丁二烯、有机硅树脂、桐油、苯、贾如坚果油等。在酚醛改性树酯中，通常该酚醛树脂的存在量为该树脂混合物的约50％重量或更大(排除存在的任何溶剂)。然而，在某些实施方案中，已经发现当该浸渍树脂混合物以有机硅树脂-酚醛混合物的重量计(排除溶剂和其它的处理酸性物)包含约5到约80％重量、用于某些用途时约15到55％、在某些实施方案中约15到约25％重量的有机硅树脂时，可以改善摩擦原料。
在上述参考的BorgWarner的美国专利中公开了可用于本发明中的有效的酚醛和酚醛-有机硅树脂的例子，此处将它全部引入作为参考。可用于本发明的有机硅树脂包括例如热固化聚硅氧烷密封剂和硅橡胶。不同的有机硅树脂可用于本发明。特别是包含二甲苯和乙酰丙酮(2，4-戊二酮)的一种树脂。有机硅树脂的沸点约362(183℃)，68的蒸气压mmHg21，蒸气密度(空气＝1)4.8，在水中的溶解度很小，比重约1.09，挥发性重量百分比为5％，蒸发率(乙醚＝1)小于0.1，使用Pensky-Martens方法测量的闪点为约149(65℃)。应该明白，可以在本发明中使用其它的有机硅树脂。其它有用的树脂混合物包括，例如，合适的酚醛树脂包括(重量％)约55到约60％的酚醛树脂，约20到约25％乙醇，约10到约14％的苯酚，约3到约4％的甲醇，约0.3到约0.8％的甲醛，和约10到约20％水。另一种合适的酚醛基树脂包括(重量％)约50到约55％的苯酚/甲醛树脂，约0.5％的甲醛，约11％的苯酚，约30到约35％的异丙醇，和约1到约5％的水。
还发现另一个有用的树脂是环氧改性酚醛树脂，它包含约5到约25％重量、优选约10到约15％重量的环氧化合物，其余(排除溶剂和其它的处理用酸)为酚醛树脂。该环氧酚醛树脂化合物在某些实施方案中为该摩擦材料提供比单独的酚醛树脂更高的耐热性。
该有机硅树脂和该酚醛树脂均存在于彼此相容的溶剂。将这些树脂混合在一起(在优选实施方案中)来形成均匀的混合物，然后用来浸渍纤维基材。如果用酚醛树脂浸渍纤维基材，然后加入有机硅树脂则效果不同，或反之亦然。在有机硅树脂-酚醛树脂溶液混合物和有机硅树脂粉末和/或酚醛树脂粉末乳化液之间也存在差异。当有机硅树脂和酚醛树脂在溶液中时，它们根本不会固化。相反，有机硅树脂和酚醛树脂粉粒是部分固化的。有机硅树脂和酚醛树脂的部分固化抑制了纤维基材的良好浸渍。
在本发明的某些实施方案中，用在能与酚醛树脂及其溶剂相容的溶剂中的有机硅树脂混合物浸渍该纤维基材。在一个实施方案中，已经发现异丙醇是特别合适的溶剂。然而，应该明白，在本发明的实践中可以使用不同的其它合适的溶剂，例如乙醇、甲乙酮、丁醇、异丙醇、甲苯等。当与酚醛树脂混合并用来浸渍纤维基材时，有机硅树脂的存在会导致摩擦材料比仅仅用酚醛树脂浸渍的纤维基材更有弹性。当向混合的有机硅树脂-酚醛树脂浸渍的本发明的摩擦材料施加压力时，有更均匀分布的压力，这又降低了不均匀衬里磨损的可能性。在有机硅树脂和酚醛树脂混合在一起之后，用该混合物浸渍纤维基材。
实施例本发明的摩擦材料尤其适合于具有特殊要求的移动式离合器的应用。这些要求包括高摩擦特性系数、抗热点、通过良好扭矩曲线和良好的Mμ-v曲线所示的良好的平滑和渗透特性、通过低压缩形变和高强度所示的低衬里损失、通过摩擦稳定系数显示的较好渗透性的全纤维基材内的大孔尺寸。
图6和图7是本发明的一个实施例即实施例1的SEMs(×11和×500)，显示了具有渗透或穿透梯度的摩擦改性粒子的全纤维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。图6和7表示该上表面是部分覆盖的以便在全纤维基材中保持开放的通道。
图8是显示实施例1底面(纸的反面)的SEM(×500)，它显示了原纤维化芳族聚酰胺纤维30、碳纤维32、棉纤维34、和木基纤维素纤维36。在该底面上没有任何摩擦改性粒子。
图9是实施例1的横断面图，它显示了上表面15、底面16、和如箭头40所示的约150μm深度的作为扩散(渗透)梯度的摩擦改性粒子。摩擦改性粒子从上表面14到底面16的扩散提供了具有良好的在全纤维基材内摩擦改性粒子的粘结力的摩擦材料。
此外下列实施例进一步提供了i)全纤维基材和ii)具有分散在其中的渗透或穿透梯度的摩擦改性粒子的全纤维基材，以及使用上述基材形成的摩擦材料，其比传统的摩擦原料有所改进。然而，在下列实施例中描述的本发明不同的优选实施方案不是用来限制发明的范围的。
实施例I表1显示了本发明实施例1以及对比例A、B和C的组成。
表1

实施例II在“低能量/高温”和“高能量/高温”的试验水准之间的关系与实施例1、对比例A、对比例B、和对比例C的动摩擦系数的比较如图10所示。下列表2a和2b显示了低能量区(表2a-水准I-L)和高能量区(表2b-水准M-P})的材料的模量、渗透性、粗糙度和COF的性质，其中1是最低的，4是最高的。
表2a

表2b

实施例III实施例1、对比例B、对比例C和对比例D的压缩分析如图11所示。对比例D是在基材上含有第二层对称摩擦改性材料和具有70％浸树脂量的纤维基材。实施例1显示了所希望的弹性，它允许在摩擦材料的使用期间更均匀散热。流体可以迅速地通过多孔的结构。此外，增加的弹性提供了该摩擦材料中更均匀的压力(或均匀压力分布0)以致于消除了不均匀的衬里磨损或隔板“热点”。本发明更大弹性的材料还指在使用期间没有、或极少存在摩擦材料的永久变形，即该摩擦材料往往引起少许损失或没有超时厚度损失。
实施例IV实施例1中具有不同浸树脂量的材料的压缩形变/压缩随施压的变化如图12所示。当浸树脂量(％PU)增加时，衬里压缩减少。
实施例V对于不同全纤维基材随测试水平变化的动摩擦系数如图13所示，其中实施例1-1和实施例1-2带有渗透或穿透梯度的对称形状摩擦改性粒子。该浸树脂量的变化范围从38％到65％，显示了COF的变化在3％之内。
实施例VI实施例1的孔径分布与对比例A和对比例B的孔径分布不同。实施例1的材料与对比例A和B的10μm相比具有约25到约50μm的平均孔径。与实施例1的材料相比，对比例A和B的材料具有宽的孔径分布和较高数量的较小孔径。如图14a、14b和14c所示对数微分Hg侵入比例，将实施例1材料和对比例A及对比例B材料的Hg侵入相对于孔径大小进行了比较。实施例1材料是透水良好的并具有大量的大孔。
下列表3显示了实施例1以及对比例A和B材料的渗透性(mDarcy)。
表3-渗透性

实施例VII如图15所示，实施例1材料的油吸收比对比例A和对比例B材料的更短。在传动系统操作期间，流体往往“分解”或形成碎片粒子。尤其在高温下。这些“分解”粒子往往在摩擦材料的表面形成沉积。这些在摩擦材料上的沉积减少了该摩擦材料中孔的开放。因此，当摩擦材料最初是以较大的孔开始时，在整个摩擦材料的有效使用期中就保持有更多的小孔。
实施例VIII含有不同浸树脂量的不同材料的剪切强度如图16所示。本发明的摩擦材料具有满意的能提供抗脱层性能所需要的抗剪强度。剪强度越高，摩擦材料具有的机械强度越好，这是指需要更多压力剪切该摩擦材料。
实施例IX如图17所示，热点的对比表明在第一热点开始试验中实施例1材料的耐用性至少是对比例A材料的约4倍。热点循环试验是第一热点出现，然后通过10560方法塑化(Smear)。本发明的摩擦材料具有高的耐用性，这为摩擦材料提供了增大的耐热性。
实施例X不同材料的摩擦稳定性系数的测试如图18所示，其中摩擦的中点系数是在5000周期下测量的。本发明的摩擦材料具有相对稳定的摩擦系数，这是指该材料是很稳定和随着循环数目的增加而COF不下降。
实施例XI
在5000周期试验之后将实施例1-1和实施例1-2材料的系数减弱与传统材料进行比较，如图19所示。本发明材料在5000周期试验之后不存在COF水平的改变。
实施例XII在500循环的试验之后将实施例1-1与实施例1-2材料和传统材料比较通过磨损导致的衬里损失，如图20所示。
实施例XIII实施例1-2在不同温度下的LVFA mu-V形曲线如图21a、21b、21c和21d所示。该数据表明在80-160℃的温度范围存在稳定的Mu-V曲线形状。
工业应用本发明可用作高能量摩擦材料，该摩擦材料可用于离合器摩擦片、传动带、制动片、同步器闭锁环、摩擦片或系统盘。
上面所描述的本发明的优选和供选择的实施方案意在说明，并不是对以下权利要求书的范围和内容进行限制。
权利要求
1.一种包括纤维基材的摩擦材料，所述纤维基材是用至少一种可固化树脂浸渍的，纤维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.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中该摩擦改性粒子的存在量以纤维基材的重量计为约0.2到约20％重量，该摩擦改性粒子以穿透梯度存在于从纤维基材的上表面至约150μm的深度。
3.根据权利要求2所述的摩擦材料，其中该摩擦材料以纤维基材的重量计包括约5％到约15％重量的摩擦改性粒子。
4.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中该摩擦改性材料包括硅石微粒。
5.根据权利要求4所述的摩擦材料，其中该摩擦改性粒子包括对称形状的粒子。
6.根据权利要求5所述的摩擦材料，其中该摩擦改性粒子包括硅藻土。
7.根据权利要求4所述的摩擦材料，其中该摩擦改性材料以摩擦改性粒子的总重量计包括约20％到约35％重量的硅石微粒。
8.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中该摩擦改性粒子具有约5到约100微米范围的平均粒径。
9.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中该纤维基材限定孔的平均直径在约10到约25微米的尺寸范围内。
10.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中该纤维基材轻易地具有至少约50％的有效的孔隙率。
11.一种包括用至少一种可固化树脂浸渍的纤维基材的摩擦材料，所述纤维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，其中纤维基材包括扁平的和较小直径的纤维。
12.根据权利要求11所述的摩擦材料，其中该纤维基材由至少一种类型的芳族聚酰胺纤维、碳纤维和纤维素纤维组成。
13.根据权利要求11所述的摩擦材料，其中该纤维素纤维包括木质纤维。
14.根据权利要求13所述的摩擦材料，其中该纤维基层包括桉树纤维素纤维。
15.根据权利要求12所述的摩擦材料，该芳族聚酰胺纤维根据加拿大标准游离度指数具有约350或更少的游离度。
16.根据权利要求12所述的摩擦材料，其中以纤维基材的重量为基准，该纤维基层包括约60到约75％重量的芳族聚酰胺纤维，约10到约15％重量的棉纤维，约5到约15％重量的碳纤维，约10到约20％重量的纤维素纤维；和约5到约20磅/3000英尺2重量的摩擦改性粒子。
17.根据权利要求11所述的摩擦材料，以约35到约40％重量的树脂，用至少一种酚醛树脂、改性酚醛树脂、或酚醛树脂和有机硅树脂的混合物浸渍，其中有机硅树脂在混合物中的量以混合物的重量计约5到约80％重量，该酚醛树脂存在于溶剂材料中，该有机硅树脂存在于与酚醛树脂溶剂材料相容的溶剂材料中。
18.一种制造摩擦材料的方法，所述方法包括形成全纤维基材；用摩擦改性粒子渗透该全纤维基材，然后形成分散在全纤维基材内的摩擦改性粒子的梯度，该摩擦改性粒子的存在量以该全纤维基材重量计为约0.2到约20％重量；和用酚醛树脂、酚醛基或酚醛-有机硅树脂混合物浸渍该渗透的纤维基材；以及其后将浸渍的纤维基材在预定温度下固化预定的一段时间。
全文摘要
本发明涉及一种具有全纤维含量的纤维基材的摩擦材料。该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。
文档编号C09J161/06GK1880791SQ20051008375
公开日2006年12月20日 申请日期2005年6月17日 优先权日2004年6月18日
发明者R·C·林, I·S·欧 申请人:博格华纳公司