説明

摩擦材

【課題】本発明は、アラミドパルプの添加量を少なくしても高いフィラー保持性や成型性、摩擦材強度を達成できる摩擦材を提供するものである。
【解決手段】所定の範囲に高度にフィブリル化されたパラ型アラミドパルプを摩擦材に特定量含有させることにより、アラミドパルプの添加量を少なくしても高いフィラー保持性や摩擦材成型性、摩擦材強度を有する摩擦材とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、車両や産業機械等のディスクブレーキやドラムブレーキなどのブレーキに用いられる摩擦材において、繊維状材料、充填剤、結合剤、摩擦調整剤を主成分として成る摩擦材に関する。
【背景技術】
【0002】
ディスクブレーキやドラムブレーキなどのブレーキは、ディスクやドラムといった相手材に摩擦材を押し付けることにより、制動力が得られる。摩擦材は、一般に摩擦材を補強するための繊維状材料、摩擦性能を調整するための摩擦調整剤や充填剤、更にこれらを一体化するための結合剤から成る。
【0003】
従来、摩擦材には繊維材料として、耐熱性、温度安定性のためにアスベストが使われていたが、健康面、環境面の深刻な影響からもはや使われていない。そのためアスベストに代わる繊維材料が求められるようになり、性能やコストを考慮して金属繊維や無機繊維、有機繊維などを複数種組み合わせて用いることが一般的となっている。
その中で耐熱性や成形性、補強性能の面などから、芳香族ポリアミド繊維が特に広く用いられるようになってきた。
【0004】
例えば、特開昭64−55441号公報には繊維材料としてロックウールと芳香族ポリアミド繊維等を組み合わせることにより石綿に代わる材料として開示されている。また特開平11−256461号公報には繊維材料として低フィブリルアラミド繊維と綿繊維、炭素繊維等から成る摩擦材用繊維質基材が開示されている。更に特開平9−144792号公報には繊維材料としてフィブリル化アラミド繊維とノボロイド繊維を組み合わせることが開示されている。
【0005】
しかしながら、特開昭64−55441号公報ではロックウールを主体として、芳香族ポリアミド繊維を補助的に組み合わせる場合において性能が得られるものであり、芳香族ポリアミド繊維の効果も限定されたものである。更に特開平9−144792号公報の場合はフィブリル化アラミド繊維とノボロイド繊維を併用することにより耐摩耗性と相手材の摩耗を防止する性能が得られるものであり、特開平11−256461号公報でも、繊維材料として低フィブリルアラミド繊維と綿繊維、炭素繊維等の組み合わせの場合に性能が得られるものであり、どの場合においても他の特定繊維との併用という限定されたものである。それゆえ摩擦材用途における芳香族ポリアミド繊維の特性を十分に発揮しているとは言えなかった。
【0006】
しかしながら現在のところ耐熱性や補強性能の面で芳香族ポリアミド繊維に変わる有機繊維材料はなく、その結果、摩擦材性能を向上させるために、一般的に芳香族ポリアミド繊維の摩擦材中の含有量は10〜90%、中でも20〜50%が好ましく用いられている。
【0007】
しかしながら芳香族ポリアミド繊維は高価であり、そのため芳香族ポリアミド繊維の添加量を少なくしても摩擦材性能を維持できる方法、特定の繊維を併用しなくても性能が取れる方法や芳香族ポリアミド繊維の含有量を変えずに、摩擦材性能を大幅に向上させる方法等が強く望まれていた。
【0008】
【特許文献1】特開昭64−55441号公報
【特許文献2】特開平9−144792号公報
【特許文献3】特開平11−256461号公報
【特許文献4】特開2005−194648号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、芳香族ポリアミド繊維の添加量を少なくしても高いフィラー保持性や成型性、摩擦材強度を達成できる摩擦材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者は、本目的達成のため鋭意検討を重ねた結果、フィラー保持性や摩擦材の成形性、摩擦材強度等が、繊維材料として用いる芳香族ポリアミド繊維の形態と強く関わっていること、またそれらが特に芳香族ポリアミド繊維の比表面積に強く依存していることに着目した。
【0011】
つまり、高度にフィブリル化されたパラ系芳香族ポリアミド繊維(以下アラミドパルプと略称)を摩擦材に繊維材料として特定量含有させることにより、芳香族ポリアミド繊維の添加量を少なくしても高いフィラー保持性や摩擦材成型性、摩擦材強度を有する摩擦材とすることができることを見出した。
【0012】
かくして本発明によれば、繊維状材料、充填剤、結合剤、摩擦調整剤を主成分として成る摩擦材において、該繊維状材料が高度にフィブリル化されたパルプ状の有機繊維を少なくとも一部含む構成であって、該高度にフィブリル化されたパルプ状の有機繊維が、(a)比表面積として14〜25m/gの範囲のものであること、(b)繊維長が、長さ加重平均で0.5〜1.2mmの範囲のものであること、(c)含有量として該摩擦材全量に対しての体積分率で1〜10vol%含まれることを特徴とする摩擦材が提供される。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、繊維材料として高度にフィブリル化したアラミドパルプを特定量、摩擦材へ用いることにより、従来よりも少ない添加量であっても、高いフィラー保持性や分散性、成形性、補強性能を達成できるので、摩擦材の高機能化や製造コスト削減といった面で特に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
一般にアラミドパルプは、比表面積が小さいほどパルプ同士の絡み合いが少なく、予備開繊工程や撹拌工程で開繊でき、摩擦材中に分散不良のパルプ塊がない摩擦材を得ることができる。しかしながら、本発明のように非常に高度にフィブリル化したアラミドパルプでは、予備開繊工程や撹拌工程を経ても十分に開繊することが難しく、その結果、摩擦材中に分散不良のパルプ塊が無数含まれ、意匠性が悪くなる他、摩擦材の強度が低下したり、割れなどの欠陥が発生しやすくなったりする問題があった。
【0015】
ところが、非常に高度にフィブリル化されたアラミドパルプであっても、その比表面積、繊維長、含有量を適正化するにより、通常と同様の予備開繊工程や撹拌工程で十分に開繊することができ、その結果得られた摩擦材中には、分散不良のパルプ塊が含まれないばかりでなく、高い成形性や補強性能が得られることを見出し、本発明に到達した。
【0016】
高度にフィブリル化したアラミドパルプについては特開2005−194648号公報に記載されているが、化学的に不活性なアラミドフィブリルの表面を改質してフェノール樹脂との接着力を向上させることが目的であり、高度にフィブリル化されていることによる高い成形性や補強性能、相手財の損傷低減等が得られることについて記載したものではない。
【0017】
本発明におけるパルプ状の有機繊維として、ポリ−p−フェニレンテレフタルアミドに代表されるパラ型芳香族ポリアミド繊維が代表的であるが、芳香族ポリエステル繊維、ポリベンザゾール繊維などの剛直な分子構造を持つ有機繊維をパルプ状にしたものも含まれる。こうしたパルプ状の有機繊維をリファイナーやビーター、ミル、高圧ホモジナイザー、摩砕装置等の装置により高度にフィブリル化することができる。中でも耐熱性や汎用性、加工性の面などから、ポリ−p−フェニレンテレフタルアミドを高度にフィブリル化したパルプ状の有機繊維(アラミドパルプ)が、最も好ましい。このフィブリル化の程度は、装置での処理時間や出力などの条件設定により制御することが可能である。
【0018】
本発明に用いる高度にフィブリル化したアラミドパルプのフィブリル化の程度として比表面積が、14m/gから25m/gが好ましく、15m/gから20m/gがより好ましい。その理由として、比表面積が14m/g未満である場合、比表面積が小さいために開繊性は向上するものの、フィラー保持性や摩擦材成形性、補強性能が小さいため、十分な性能が得られない。また比表面積が25m/gを超える場合、製造プロセスの観点から非常に困難であるばかりでなく、アラミドパルプ同士が強固に絡み合い、通常の予備開繊や混合工程で開繊することは困難である。
【0019】
このように非常に高度にフィブリル化したアラミドパルプであることにより、その耐熱性、補強効果は維持されるものの、充填剤、摩擦調整剤のフィブリル内への分散が均一化されかつ十分に保持されるため摩擦材の耐摩耗性が向上するだけでなく、フィブリルが非常に微細に細くなるため相手材の摩耗が減少する効果があるものと推定できる。
【0020】
本発明に用いるアラミドパルプの長さ加重平均繊維長は、0.5〜1.2mmであることが必要であり、0.6〜1.0mmが好ましい。その理由として、長さ加重平均繊維長が0.5mmよりも短い場合、繊維長が短くなることにより、開繊性は向上するものの、繊維長が短いゆえに摩擦材中で十分に補強性能が発現しない可能性があるばかりでなく、製造プロセスの観点から製造が困難であるためである。また長さ平均繊維長が1.2mmを超える場合、パルプ同士の絡み合いがより強固となるため、予備開繊や混合工程での開繊が困難となるため好ましくない。
【0021】
また、添加するアラミドパルプは、全配合物に対して体積分率で1〜10vol%であることが必要であり、好ましくは、3〜8vol%である。その理由として、アラミドパルプの体積分率が1vol%未満である場合、添加量が少ないことにより開繊性は向上するものの、添加量が少なすぎるために、フィラー保持性が低くなり摩擦材の成形性が悪くなるばかりでなく、摩擦材を十分に補強することができない。一方アラミドパルプの体積分率が10vol%を超える場合、摩擦材成形性や補強性能は向上するものの、パルプを十分に開繊することができず、その結果、摩擦材中にパルプ塊が大量に混入し意匠性が悪くなる他、摩擦材自体の製造コストが高くなるため好ましくない。
【0022】
本発明における繊維状材料としては、前記アラミドパルプのほか、リンターパルプや木材パルプ等のセルロース繊維、メタ型アラミド繊維、アクリル繊維、ポリイミド繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維や、ガラス繊維、ロックウール、チタン酸カリウム繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維などの無機繊維、銅繊維やスチール繊維などの金属繊維を複数種組み合わせて併用することができる。
【0023】
本発明における充填剤としては、硫酸バリウムや炭酸カルシウム、マイカ、カオリンなどの無機充填材や、カシューダストなどの有機充填材をそれぞれ複数種組み合わせて用いることができ、その組合せの比率は、特に限定されるものではない。
【0024】
本発明における摩擦調整剤としては、アルミナやジルコニア、グラファイト、カシューダストなどをそれぞれ複数種組み合わせて用いることができ、その組合せの比率は、特に限定されるものではない。
【0025】
本発明における結合剤としては、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂やエポキシ樹脂、またその変性体などを用いることができる。
【0026】
次に、本発明の摩擦材の製造方法を説明する。本発明における摩擦材を作製する工程として、まずアラミドパルプの予備開繊を行う。これは、アラミドパルプの摩擦材中での高い分散性を得る上で重要な工程である。
【0027】
予備開繊の方法としては、アジテーターを用いる方法やレディゲミキサーやアイリッヒミキサー、MTIミキサーなどの混合装置を用いる方法、またミルによる方法、手で解す方法など公知の方法を適宜用いることができる。ただし、予備開繊の際、特にミキサーなどによる開繊では、アラミドパルプのみで実施した場合、アラミドパルプは帯電しやすいため、容器の側面にへばり付くなど取扱い性や作業性が非常に悪くなるため好ましくない。この帯電を抑える目的で、摩擦材の配合物に含まれる充填材を添加してアラミドパルプを予備開繊することが望ましい。この予備開繊工程を経ることにより、アラミドパルプをある程度開繊することができる。
【0028】
次に、混合装置を用いて摩擦材の繊維状材料や充填材、摩擦調整剤、結合剤を混合し、コンパウンドを作製する。この混合には、一般に混合に用いられるレディゲミキサーやアイリッヒミキサー、MTIミキサーなど公知の混合装置を用いることができる。ミキサーの容量や撹拌翼の形状、撹拌速度、撹拌時間、投入順序などは特に限定されるものではなく、配合物の総容積や配合組成等により適宜調整することができる。なお、混合の際に撹拌翼と配合物との摩擦や配合物同士の衝突により発生する熱により悪影響を受ける可能性のある結合剤や、混合工程で破損する可能性のあるガラス繊維やシリカ繊維などは、混合工程の終わりの方に添加することが望ましい。
【0029】
アラミドパルプ以外の繊維状材料や各種充填材、摩擦調整剤、結合剤の添加量および組合せや組合せ比率などについては、アラミドパルプの添加量である体積分率で1〜10vol%を満たす範囲内であれば特に限定されるものではないが、一般的な組成として、アラミドパルプを除く繊維状材料としては、1〜20vol%、充填材は30〜70vol%、摩擦調整剤は5〜30vol%、結合剤としては3〜20vol%をそれぞれ用いることが好ましい。
【0030】
次に得られたコンパウンドを熱成型することにより摩擦材を成型する。通常、摩擦材を成型する際、予めコンパウンドを金型に入れて予備成型し、この予備成型体を熱プレスする方法が一般的であるが、コンパウンドをそのまま熱プレスして摩擦材を成型しても特に差し支えない。しかし、コンパウンドをそのまま熱プレスする場合は、摩擦材中にクラックが発生しやすくなるため、ガス抜きを十分に行う必要がある。通常、コンパウンドの予備成型は、常温下で490〜4900Paの面圧で行うが、特にこの条件に限定されるものではない。
【0031】
予備成型体の熱プレスは、通常予めプレス温度に加熱された金型を用い、120〜200℃の温度で、適宜ガス抜きを行いながら980〜9800Paの面圧で5〜20分行うのが一般的であるが、特にこの条件に限定されるものではなく、結合剤の量や種類により条件を調節することが可能である。
【0032】
その後、樹脂を後硬化させるために、120〜200℃の温度で3〜15時間熱処理を行い、必要に応じて表面研磨や形状加工を行って摩擦材を得る。
通常の摩擦材を成型する場合は、プライマー処理や接着剤が塗布された金属プレート上に、予備成型体を乗せ、前記と同様の条件で熱成型や後硬化を行う。
【実施例】
【0033】
以下に本発明を実施例に基づき具体的に説明する。なお本発明はこれらに限定されるものではない。測定方法は下記の方法に従って各種の物性測定を実施した。
1)フィラー保持性
得られたコンパウンドを、一定重量(W1)篩いにかけて落下した粉体の重量(W2)と元の重量から次式の通りフィラー保持性を測定した。
フィラー保持性(%)=(W1−W2)/W1×100
篩い直径=100mm、#60(0.25mm)
振とう速度=1600rpm
振とう時間=10分
サンプル重量(W1)=10g
2)コンパウンド中のパルプの分散性
得られたコンパウンド5gを篩い(#20、1mm)の上に置き、この状態でコンパウンドに水を約5分間、緩やかにかけた。これにより、充填材や摩擦調整剤、結合剤および開繊したアラミドパルプはすべて洗い流されるが、開繊が不十分のアラミドパルプはパルプ塊として残り、篩いを通過することができず、篩い上に残る。そこで、この篩いを通過できなかったパルプ塊の数を数えることにより、コンパウンド中のパルプの分散性を評価した。
3)摩擦材の曲げ応力
得られた摩擦材をFRPカッターでカットし、下記の試験条件で摩擦材の曲げ応力を測定した(JIS K7171に準拠)。
試験機:INSTRON 5565型(INSTRON社製)
試験片:幅×長さ=15mm×100mm、厚みは任意
支点間距離:80mm
圧子半径:10mm
試験速度:10mm/分
【0034】
[実施例1]
繊維材料の一部として、パラ型芳香族ポリアミド繊維(商品名「トワロン」)を高度にフィブリル化したアラミドパルプ(比表面積:15.3m/g、長さ加重平均繊維長:0.66mm、以下このパルプをアラミドパルプ1と記す)を用い、その体積比率を3vol%、またその他、表1に示す体積比率の配合により、コンパウンドの作製および摩擦材の成型を行った。
【0035】
(コンパウンドの作製)
まず、アラミドパルプと硫酸バリウム(BA)を全量、レディゲミキサー((株)マツボー社製)に投入し、ローター/チョッパー=230rpm/6000rpmで3分間、パルプの予備開繊を行った。
その後、残りの配合成分を全量すべて投入し、同じくレディゲミキサーを用いて、ローター/チョッパー=230rpm/6000rpmで5分間混合し、コンパウンドを得た。
【0036】
(摩擦材の成型)
145mm×95mmの金型に、得られたコンパウンドを250g投入し、これを常温下、980Paで10分間加圧して予備成型を行った。
次に、得られた予備成型体を、150℃に加熱した、150mm×100mmの金型に入れ、適宜ガス抜きを行いながら、150℃、1960Paの面圧で15分間熱プレスを行った。その後、この成型体を150℃で5時間後硬化して摩擦材サンプルを得た。なお得られた摩擦材サンプルの厚みは8.5mm、気孔率は20.2vol%であった。
【0037】
この結果、含有量が低いにもかかわらずフィラー保持性が良好であり、これは、非常に高度にフィブリル化したアラミドパルプを用いることにより、コンパウンド中で充填材や摩擦調整剤、結合剤をより多く抱えることができるためであると考えられる。これにより、成型の際にコンパウンドが型崩れしにくくなるため、成形性も向上すると考えられる。
【0038】
またコンパウンド中のパルプ塊の数も少なく、アラミドパルプの分散性も良好であり、コンパウンド中でアラミドパルプが有効に活用しているものと考えられる。
補強性能として測定した曲げ応力についても良好で実用上問題のないものであり、これはアラミドパルプが非常に高度にフィブリル化しているために、摩擦材中でアラミドパルプが高度にネットワークを形成し、根を張る形態となるため、その結果、曲げに対する応力が増したものと考えられる。
【0039】
以上の結果はアラミドパルプの比表面積が大きくなることにより、それがよりフィラー保持性や補強性能の向上につながったことを裏付けている。
【0040】
[実施例2]
繊維材料の一部として、実施例1と同様のアラミドパルプ1を用い、その体積比率を5vol%、またその他、表1に示す体積比率の配合にした以外は実施例1と同様の方法で摩擦材サンプルを作製した。
なお得られた摩擦材サンプルの厚みは8.7mm、気孔率は20.5vol%であった。フィラー保持性、パルプ分散性とも良好で、曲げ応力も非常に良好で実用上問題のないものであった。
【0041】
[実施例3]
パラ型芳香族ポリアミド繊維(商品名「トワロン」)を非常に高度にフィブリル化したアラミドパルプ(比表面積:24.5m/g、長さ加重平均繊維長:0.51mm、以下このパルプをアラミドパルプ2と記す)を作製した。このアラミドパルプを繊維材料の一部として体積比率で3vol%用い、表1に示す体積比率の配合にした以外は実施例1と同様の方法で摩擦材サンプルを作製した。なお得られた摩擦材サンプルの厚みは8.6mm、気孔率は20.3vol%であった。
フィラー保持性、パルプ分散性とも良好で、曲げ応力も非常に良好で実用上問題のないものであった。
【0042】
[比較例1]
実施例1と同様のアラミドパルプ1を用い、体積比率を0.5vol%とした。その他は表1に示す体積比率の配合とし、実施例1と同様の方法で摩擦材サンプルを作製した。なお得られた摩擦材サンプルの厚みは8.2mm、気孔率は19.7vol%であった。
パルプ分散性は良好であったがフィラー保持性が悪く、曲げ応力も低下し実用上問題のあるものであった。
【0043】
[比較例2]
実施例1と同様のアラミドパルプ1を用い、体積比率を15vol%とした。その他は表1に示す体積比率の配合とし、実施例1と同様の方法で摩擦材サンプルを作製した。なお得られた摩擦材サンプルの厚みは9.1mm、気孔率は21.2vol%であった。
フィラー保持性は良好であったがパルプ分散性が非常に悪く意匠性も悪いものとなった。曲げ応力は非常に良好であるが、コストもアップするものであった。
【0044】
[比較例3]
繊維材料の一部として、パラ型芳香族ポリアミド繊維をフィブリル化したパルプ(商品名「トワロン3091」、帝人トワロン(株)製、比表面積:10.3m/g、長さ加重平均繊維長:0.91mm、以下このパルプをアラミドパルプ3と記す)を用いたこと以外は実施例1と同様の配合および手法で摩擦材サンプルを作製した。
なお得られた摩擦材サンプルの厚みは8.5mm、気孔率は20.0vol%であった。パルプ分散性は良好であったがフィラー保持性が悪くまた曲げ応力も低下し、実用上問題のあるものであった。
【0045】
[比較例4]
アラミドパルプ2をさらに非常に高度にフィブリル化したアラミドパルプ(比表面積:27m/g、長さ加重平均繊維長:0.59mm、以下このパルプをアラミドパルプ4と記す)を作製した。このアラミドパルプを繊維材料の一部として体積比率で3vol%とした以外は実施例1と同様の方法で摩擦材サンプルを作製した。なお得られた摩擦材サンプルの厚みは8.7mm、気孔率は20.5vol%であった。
フィラー保持性、曲げ応力はは非常に良好であったが、パルプ分散性が低下し、製造上の困難さもありコスト性も良いものとは言えないものであった。
【0046】
[比較例5]
アラミドパルプ1の繊維長を0.3mmとする以外は実施例1と同様な配合、手法で摩擦材サンプルを作成した。なお得られた摩擦材サンプルの厚みは8.4mm、気孔率は20.0vol%であった。
分散性は良好であるもののフィラー保持性が低下し、曲げ応力も十分なものではなかった。
【0047】
[比較例6]
アラミドパルプ1の繊維長を1.5mmとする以外は実施例1と同様な配合、手法で摩擦材サンプルを作成した。なお得られた摩擦材サンプルの厚みは8.7mm、気孔率は20.5vol%であった。
フィラー保持性は良好であったが分散性は悪下し、曲げ応力も十分ではなく実用上問題のあるものであった。
【0048】
【表1】

【産業上の利用可能性】
【0049】
特定条件範囲のフィブリル化したアラミドパルプを摩擦材へ用いることにより、添加量を少なくしても高いフィラー保持性や成形性、補強性能が発現し、車両用ディスクブレーキやドラムブレーキなどのブレーキ用等に使用できる高性能の摩擦材を低コストで提供できる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
繊維状材料、充填剤、結合剤、摩擦調整剤を主成分として成る摩擦材において、該繊維状材料が高度にフィブリル化されたパルプ状の有機繊維を少なくとも一部含む構成であって、該高度にフィブリル化されたパルプ状の有機繊維が、(a)比表面積として14〜25m/gの範囲のものであること、(b)繊維長が、長さ加重平均で0.5〜1.2mmの範囲のものであること、(c)含有量として該摩擦材全量に対しての体積分率で1〜10vol%含まれることを特徴とする摩擦材。
【請求項2】
該高度にフィブリル化されたパルプ状の有機繊維がパラ型芳香族ポリアミドである請求項1記載の摩擦材。
【請求項3】
該高度にフィブリル化されたパルプ状の有機繊維がポリ−p−フェニレンテレフタルアミドである請求項1〜2いずれか一項記載の摩擦材。

【公開番号】特開2007−153986(P2007−153986A)
【公開日】平成19年6月21日(2007.6.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−349143(P2005−349143)
【出願日】平成17年12月2日(2005.12.2)
【出願人】(303013268)帝人テクノプロダクツ株式会社 (504)
【Fターム(参考)】