專利名稱:不含石棉的摩擦元件的制作方法
這項發(fā)明是關于改進制造定形摩擦元件，例如離合器襯片之類。實際上，此項發(fā)明中之摩擦元件是采用特別方法將纖維捻成合股線，以便改善其摩擦特性和爆破強度。這樣的摩擦元件既符合已知的普通一般的摩擦元件的要求，而最重要的就是可以減少因采用石棉作為摩擦元件必備成份所助成環(huán)境污染及危害人類健康的可能性。
一直以來礦物石棉都是用于制造耐熱或隔熱的產品。自12世紀開始，用石棉纖維編織成之布就是普通使用之防火布。故此石棉質被認為是制造摩擦元件之主要物質，例如汽車所用之制動器及離合器，這并不驚奇，因它能承受高溫高壓，近50年來，石棉便成為摩擦元件的主要組成部份。
摩擦元件中之石棉通常先制成紗線形狀，而中間包著一細條金屬絲作芯子，以提供摩擦元件制造處理紗線時所需要的拉力強度。通常用一種強力纖維物質如棉纖維來加強石棉纖維以便使石棉制成細紗。棉或其他纖維加入到石棉是為了改善石棉細紗的可紡性與拉力強度，這些增強物是為了承壓而不是增容。近年來，對在石棉線紗里包含一定量其他纖維如棉，目的是為供制造摩擦元件之用以便使它變得更好承壓，通常如果沒有這樣的其他纖維則僅被稱作“石棉紗線”。
自從1970年通過職業(yè)安全與健康法案后，因職業(yè)上能容忍之石棉接觸標準逐漸降為零，因為長期接觸石棉可引至癌癥。因此值得(或者將來法案規(guī)定)完全取消用石棉來制造摩擦元件。
有人提議用玻璃纖維來制造摩擦制品。早期提議用玻璃纖維來補強含石棉質之摩擦元件，初時只作為傳統(tǒng)的摩擦元件之底墊，其后便有作為面層。加入玻璃纖維的目的是提高摩擦元件的爆破強度(爆破強度是一個指標，用于表示摩擦元件在離心力作用下不致于散碎，爆破強度的試驗通常是在高溫下進行的)。
最近，已提出純粹用玻璃纖維或與金屬絲或片一起使用制成不含石棉的摩擦元件)例如美國專利3756910號和3，967，037號。這表明玻璃纖維尤其是在高溫時不但能改進爆破強度和耐磨損，而且也用作有效的摩擦組成部份。通常，這樣的摩擦元件的制造能以普通工藝技術，用熱硫化的有機粘合劑把這些玻璃纖維結合成塊。
但純粹用“玻璃纖維”來制造摩擦元件比起采用含有石棉的有一毛病，其特別顯著就是與另一摩擦元件接觸時有雜聲、震動或不正常摩擦作用，故此在高級汽車工業(yè)中較難容忍及被接受。其中一補救方法在美國專利4，418，115號描述的就是采用一組由玻璃纖該和丙烯酸或改良的丙烯酸纖維組合。
其實還有許多其他方法來改良不含石棉質的摩擦元件之耐磨擦及耐磨耗性能，以求促進不含石棉質摩擦元件之商業(yè)價值。
用來制造一種已改善的無石棉摩擦元件的成份是由有機纖維，金屬絲和補強成份的玻璃纖維以及一種交聯聚合的粘合劑組成。有機纖維，金屬絲和玻璃纖維絞成一條紗線，然后浸漬樹脂粘合劑，再繞于離合器元件上。當交聯后，粘合劑把玻璃纖維、金屬絲和有機纖維在摩擦元件中形成一個整體。
有效地用于這個發(fā)明中的交聯聚合粘合劑就是通常用在摩擦元件中稱為“粘合劑”或“粘合膠漿”。
這種粘合劑含有一種交聯或硫化樹脂如一種酚醛樹脂。在這里所說的“酚醛樹脂”是用來表示和包括熱固性樹脂。這些樹脂是以一種醛和一種酚縮合為基礎。有效地生成酚醛樹脂的醛類不僅局限于甲醛、乙醛、丙烯醛之類。酚類可以是親電子的芳族代替，如酚、間苯二酚、鄰苯二酚、氨基苯酚等類似物。而可熔酚醛樹脂和線型酚醛清漆類型樹酯都屬于“酚醛樹脂”范圍之內?？扇鄯尤渲且詨A性催化劑合成為特征，而線型酚醛清漆是以酸性催化劑合成為特征。通常可熔酚醛樹脂比線型酚醛清漆有更高度羥甲基化。在一個特殊的系統(tǒng)中，可熔酚醛樹脂和線型酚醛清漆之間的選擇是隨在這個系統(tǒng)中其他物質而定。在粘合劑中，酚、甲醛，線型酚醛樹脂是最優(yōu)先選用的。
除了酚醛樹脂膠粘劑外，通常還可以含有一種彈性體如天然橡膠或合成橡膠。在這里所使用的“合成橡膠”是屬烴鏈橡膠，這些橡膠是以一種二烯單體為基礎的。用來制備適當的合成橡膠的二烯單體包括有氦丁二烯，丁二烯，異戊二烯，1，3-環(huán)戊二烯，二聚環(huán)戊二烯等類似物。具有自由基，陰離子或陽離子共聚作用而帶有共軛不飽和單體的其他烯烴類都能有效地制成合成橡膠。這些烯烴類包括丙烯單體如異丁烯酸、丙烯酸、丙烯腈、甲基丙烯腈、甲基異丁烯酸、丙烯酸甲脂、丙烯酸乙脂、甲基丙烯酸乙脂等等;單烯烴類的碳氫化合物如乙烯、丙烯、苯乙烯，α-甲基丙烯酸乙脂等等;其它官能的單不飽和單體如乙烯基吡啶，乙烯基吡咯烷酮或類似乙烯基功能的單體。也包含在合成橡膠范圍內的非硫氫鏈狀橡膠如硅橡膠。在選擇一種彈性體用作粘合劑成份時，應當注意保證此彈性體的化學成份不能影響摩擦元件的功能與使用壽命。
粘合劑中除了包括聚合體成份外還可以加入其他物質。例如加入硫化劑以加速不飽和橡膠的交聯。典型的硫化劑有硫黃、氧化鋅(用來硫化氯丁橡膠)，過氧化物，二亞硝基苯等等。硫化促進劑可以采用如氧化鋅，硬脂酸等等。聚胺類(尼龍)也可以加進粘合劑以促進酚醛樹脂與彈性體的交聯和相互作用。代表性之尼龍包括有四胺、環(huán)丁烷、三胺、四乙烯、五胺、二苯胍等。
填充劑也可以加入粘合劑中以改善摩擦元件的物理性能和降低成本。常用的填充劑包括碳黑、陶土、石墨、硫化鉛、硫化鋁、硅藻石、云母、石灰、石膏等同類物都可以采用。商業(yè)上有大量酚醛橡膠和酚醛膠粘劑可供選擇。這些樹脂可加入上述物質以改良粘合劑，配合本發(fā)明之用。
一般而言，這些粘合劑以及所有配合劑都可以溶于或能擴散于一種溶劑內制成可溶性聚合物。需用足夠的溶劑使能達到適合粘合劑溶解(或擴散)粘度以便與玻璃和有機纖維組合達到合適比例之粘合劑補強物。非溶性有機纖維與玻璃纖維大約占所制成之摩擦元件總重量的20～75%而最佳重量比例為30～65%。如果有機纖維、金屬絲和玻璃纖維成份太低的話，會造成不足夠的補強作用。如果這些纖維比例太高也會使這摩擦元件消耗量太大。
此發(fā)明中所實際應用的玻璃纖維是那些一般所用之補強的硬樹脂物質。玻璃纖維的表面必需用一種具有橋鍵成分粘合劑加以處理以便以使玻璃纖維與摩擦元件有效地結合(化學或物理)。
在制造過程中，每條玻璃纖維都用一種含有偶聯劑的膠漿處理以便使玻璃纖維表面與摩擦元件的基體連接起來。此偶聯劑包括硅烷偶聯劑和Werner(韋爾納)復合式偶聯劑。典型的硅烷偶聯劑有乙烯基，烷基，β-氯代丙基，苯基，硫代-烷基，硫代-烷芳基，異丁烯酸，環(huán)氧，巰基硅烷類，及其它們的水解物，聚合體之水解物或是它們之任何混合物。Werner(韋爾納)型偶聯劑包括含有三價原子核如鉻以及配價的一種有機酸如甲基丙烯酸。這些配合劑甚為普遍而且容易購買。玻璃絲線之各種規(guī)格也可在市面購買及適用于本發(fā)明。
玻璃纖維的形狀完全可以與摩擦元件生產的特殊方法相協調。因此，在生產摩擦元件時玻璃纖維的形狀可以采用合股線、紗線和粗紗等。在生產離合器時，摩擦元件的玻璃纖維最好是連續(xù)的而直徑應計算至最佳耐爆破強度，同時具有最方便的生產工藝。
適用于本發(fā)明的有機纖維有丙烯酸纖維，包括改性的丙烯酸纖維。這些纖維在市場上以纖維或紗線分類容易購買。而金屬絲可以是銅或銅合金如黃銅或青銅。
丙烯酸纖維，玻璃纖維和金屬絲線之比例和它們的組合所捻成的紗線對其后的產品達到好的摩擦特性和爆破強度是很重要的。此發(fā)明中之纖維需經捻合成為紗線。例如玻璃纖維首先編成左向或“Z”形之紗線。然后，捻成“Z”形的玻璃紗線與所需要的丙烯酸纖維和金屬絲線組合捻成一種右向合股紗或“S”形合股線。捻向初時可以為“S”形后期為“Z”形，最重要的是最終紗線結構的捻向一定要與最初紗線的捻向相反。各式各樣的交替捻合是有的如玻璃纖維和丙烯酸纖維先組合捻成“Z”形，然后與金屬絲線捻成“S”形的多元組合紗，或玻璃纖維、丙烯酸纖維和銅絲一起先捻成一組“Z”形紗線，然后，將二組或多組紗線再捻合成“S”形的合股紗。在這些組合的線繩中金屬絲、丙烯酸線和玻璃纖維的比例可以變化如玻璃纖維大約占重量比之30～70%，丙烯酸線大約占重量比之15～25%，而金屬絲大約占重量之15～45%。
除了能改善摩擦元件的特性外，許多組份如玻璃纖維、丙烯酸纖維和金屬絲可以降低摩擦元件的重量，改善在接合時的反應性，提高耐高溫性和提供高的爆破強度。
本發(fā)明的摩擦元件的制造可以按照已知的工藝規(guī)程和技術。這些綜合紗線用交聯聚合粘合劑的配方制成一種浸漬溶劑來浸漬。這些膠粘劑溶液粘度十分低以便浸濕這些纖維。然后膠粘劑溶液蒸發(fā)干燥至“B”程度。而此“B”程度的組合物在加熱和壓力下模壓成交聯聚合物。然后此模制品經機械加工成最后形狀。
其中一個最普通的摩擦元件成形方法是先制一個預制件，此方法尤其適用于離合器襯片。預制件是在“B”程度時的一個結構不精確的制品，由紡織或纏繞的補強物構成，并已浸漬交聯粘合劑，近似最后摩擦元件的外形。此預成型件在加熱和壓力下模壓成最后形狀。
一種特殊方法制成一種預成形件是包括制好一條由一根或多根互相聯系平行排列的連續(xù)合股線，而且已浸漬粘合劑和處理到“B”程度。此連續(xù)不斷的合股紗帶通過盛有有機交聯粘合劑溶液的浸槽內，這些溶液的粘度已調節(jié)好以便能充分浸漬這些纖維物和粘附著這些粘合劑。用一個模具控制膠粘劑的附著量，接著通過一個保持一定溫度的干燥塔以便使膠粘劑的溶劑充分揮發(fā)而制成“B”程度。然后停放在圓桶內以備用。
當制造一個預成型件時，將一條或多條“B”程度已浸漬的合股線采用一般方法以波浪形式纏繞在一個轉動的離合器的芯子上，以便制成一個合符設計尺寸，外形和重量的預制件。這個預制件經加熱和加壓便制成一個硫化了的摩擦元件，這與眾所周知的該類制品相一致。
本發(fā)明的一個最大優(yōu)點是可以用現有的工業(yè)和設備來制造摩擦元件。
下列為此發(fā)明之具體例子，其實，此發(fā)明不止局限于此，因還有其他數不勝數之變化和改良。
合股線的制造例1·將含有硅酮偶聯劑和具有tox200(200g/1000米)重量的H(E型)玻璃細絲所制成的粗玻璃纖維捻成具有大約每米70捻的左向或Z形捻向。然后將四條Z形捻向的粗玻璃纖維與每種直徑大約為8mil的二條丙烯酸纖維和二條銅線制成右捻或S型捻向的合股線，捻度大約每米70，其重量的構成是玻璃纖維占47.3%，丙烯酸纖維占17.5%和銅絲占35.2%。
例2·將二條由重量為te×200的H(E型)玻璃細絲制成的粗玻璃纖維與一條丙烯酸纖維和一條銅絲(直徑大約8mil)捻成捻度大約為每米70左向或Z型。然后再將二條這樣的Z型紗線捻成捻度大約為70右向或S型的合股線。
浸漬液和離合器襯片的制造例3·將依例1中預制的4條合股線浸入具有酚醛樹脂溶液中，其重量組成是酚醛樹脂占25.7%，橡膠和橡膠促進劑占24.9%，硫黃占15.5%，石墨占5.5%，各種填充劑占28.4%。
將四條此種合股線合成一條平行排列的帶并通過盛有膠粘樹脂的浸漬槽，然后再通過一個恒溫80℃的烘箱。樹脂的粘附量大約占整個已涂樹脂的帶子總重量的38.5%。預制件的制備是以普通方法將上述的帶子纏繞在一個波浪形的轉動芯子上。然后將此預制件放在一個離合器模具內在5000磅/吋2和160℃模壓3 1/4 分鐘，接著在180～260℃硫化7 1/2 小時以便提供作離合器襯片的試驗。
例4·將4條依例2方法預制的合股線同樣經浸漬制成一個帶狀物并繞成一個預制件，再經如例3那樣模壓和硫化并作試驗。
試驗例A-E 大體上依例1的相同方法制備的各種合股線再依例3制成離合器襯片。這些合股線的試驗例子與離合器特性試驗報告一起概括在表1內。
裝配在離合器組件內之此類離合器襯片通過測力計試驗以決定摩擦和耐磨特性。特性衰減是在一個標準krauss試驗機測定，爆破強度是在一個離心爆破機測定，升溫至500°F，爆破時記錄轉速。這試驗報告概括在表1內。
從這些數據可知，如果合股紗線是依本發(fā)明制造則摩擦元件的爆破強度是顯著的。而合股紗線之結構形式也有助于爆破強度的提高如例3和4所比較所示。也可看到若減少銅線含量如試驗B或增加玻璃纖維的含量如試驗A都會影響抗衰減性和耐磨性能。當把一個離合器裝配在一輛Ford Escort汽車內做模擬試驗時，如果離合器襯片，按例3制作與用玻璃纖維和人造絲制作比較前者顯著地減少沖擊性。
由此可見此項發(fā)明是可以改進摩擦元件，此元件包括含有一種樹脂粘合劑和一個合股纖維的復合體，而這合股纖維是由30～70%重量比之玻璃纖維，15～25%重量比之丙烯酸纖維和15～45%重量比之金屬纖維。
合股線最好是由紗線捻合成的復合體，首先每種都具有方向相同的捻向，捻度為每米50～120，然后再將所有紗線以相反方向捻合，捻度為每米50～120成一復合體。合股線可以完全由金屬絲，丙烯酸和玻璃纖維捻合而成，也可以把合股線再與金屬絲或丙烯酸纖維組合。按此發(fā)明所制成的摩擦元件明顯地改進其強度，耐衰減性和耐磨特性，超過由其他纖維成份的同類結構。這特有的技術將得到公認，無數的實例和多途徑制造方法，優(yōu)其采用的添加劑，摩擦改良劑，交替的樹脂成份等，此發(fā)明的內容還可以進一步適合用于生產多種多樣的摩擦元件，這與本發(fā)明的精神與范圍是一致的。
權利要求
1.在一個配用于離合器中的摩擦元件里，包括有用一種粘合劑樹脂浸漬的合股纖維和經一個波浪外形處理，然后硫化成一個設計形狀，在改進的方面來說，合股纖維是由包括大約30～70%重量比的玻璃纖維，大約15～25%重量比的丙烯酸纖維和15～45%重量比的金屬絲。
2.權項1中的摩擦元件，在改進方面是說合股線是由紗線的復合體組成，紗線是以每米50～120捻度捻合而成，然后再以與原紗線相反方向每米50～120捻度捻合成合股線。
3.權項1中的摩擦元件，在改進方面是說合股線至少有二根具有每米50～120捻度的紗線和至少一根銅線組成，然后再以原紗線相反方向每米50～120捻度捻合成合股線。
4.適合用于制造摩擦元件的合股線的組成是大約30～70%重量比之玻璃纖維，大約15～25%重量比之丙烯酸纖維和大約15～45%重量比之金屬絲，在這里說明，合股線應有每米50～120捻度的紗線，而復合體是再由每米50～120捻度與原捻度方向相反的合股線組成。
5.權項4中的合股線的組成至少有二條纖維線和至少一條銅絲。
專利摘要
摩擦元件，尤其是用于離合器中的摩擦元件，是包括用一種粘合劑樹脂浸漬過的纖維繩，然后纏繞成一個摩擦元件和硫化，當這些纖維繩是由玻璃纖維、丙烯酸纖維和金屬絲組成時，這些摩擦元件能顯著地改善耐磨性能和爆破強度。先捻成一根紗，再以相反方向捻成合股紗的纖維繩，大大地有助于提高性能。尤其是較好的耐衰減性和接合感應與高的爆破強度。
文檔編號F16D69/02GK85105858SQ85105858
公開日1986年5月10日 申請日期1985年8月3日
發(fā)明者R·V·沃金 申請人:博格-華納公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan