摩擦材
【課題】炭素繊維を用いた強度特性の高い摩擦材を提供すること。
【解決手段】少なくとも繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材であって、該繊維基材として、予め官能基を導入した炭素繊維を有機金属カップリング剤で処理したものを含む摩擦材。
【解決手段】少なくとも繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材であって、該繊維基材として、予め官能基を導入した炭素繊維を有機金属カップリング剤で処理したものを含む摩擦材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦材に関するものであり、特に自動車、鉄道車両、産業機械などに用いられる摩擦材に関するものであり、より具体的には前記の用途に使用されるブレーキパッド、ブレーキライニング等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
摩擦材に使われる繊維基材としてガラス繊維、セラミック繊維、ロックウール、チタン酸カリウム繊維などの無機繊維やスチール繊維、銅繊維、真ちゅう繊維などの金属繊維および麻、木綿、レーヨン、芳香族ポリアミド繊維などの有機繊維を適宜組合せた繊維基材が検討されている。また、炭素繊維もその一つとして使用されている。
炭素繊維は、表面特性からマトリックスとなる結合材との接着性が悪く、構造補強は十分満足できるものではなく、耐摩耗性の観点から使用が限られているのが、現状である。
特許文献１には、摩擦調整剤、熱硬化性樹脂、及び表面酸化処理された炭素繊維を含有するノンアスベスト摩擦材が開示され、摩擦係数が高く、耐摩耗性に優れた摩擦材を提供する旨の記載がある。
今後、ブレーキの軽量化に向けて、炭素繊維の活用は不可欠となってくることが予想される中で、更なる強度の改善が要請されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平７−２３７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、炭素繊維を用いた強度特性の高い摩擦材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の摩擦材は、少なくとも繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材であって、該繊維基材として、予め官能基を導入した炭素繊維を有機金属カップリング剤で処理したものを含む。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、炭素繊維の活用による配合設計の拡大が期待でき、環境動向に対する軽量化の取り組みに繋げることができる、強度特性の高い摩擦材を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明で有機金属カップリング剤で処理される炭素繊維は、予め官能基を導入したものである。この官能基としては、有機金属カップリング剤と反応可能なものであれば、特に制限はなく、例えば、カルボキシル基、カルボニル基、フェノール性水酸基等が挙げられる。
上記官能基を炭素繊維に導入する手段は、特に制限されないが、炭素繊維を無機酸で処理したものが好ましい。無機酸としては、硫酸、硝酸、及びそれらの組合わせ等が挙げられる。
無機酸で処理するのは、上記官能基が炭素繊維の表面に導入されることによって、有機金属カップリング剤皮膜の生成が容易となり、さらに前記有機金属カップリング剤とマトリックスである結合材との密着強化が図れるためである。
【０００８】
炭素繊維は、繊維径が１〜５０μｍで、繊維長が１０〜１０００μｍであることが好ましく、繊維径が３〜１０μｍで、繊維長が５０〜５００μｍであることが更に好ましい。ここでいう、炭素繊維とは、予め官能基を導入したもの、及び官能基のない未処理の炭素繊維を含む。
予め官能基を導入した炭素繊維は、摩擦材全体に対し３〜２０質量％配合されていることが好ましく、５〜１０質量％配合されていることが更に好ましい。
上記官能基を導入した炭素繊維のサイズ、配合量を満たすことにより、本発明の上記効果はより有効に発揮される。
【０００９】
本発明に用いられる炭素繊維としては、ＰＡＮ系繊維、ノボロイド繊維、ピッチ等を原料に高温で炭化したもの等が挙げられる。ＰＡＮ系としては、アクリロニトリルの単独重合体または共重合体あるいはこれらの重合体の混合重合体が用いられ、共重合しうる単量体としては、メチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、ブチル（メタ）アクリレート、ヘキシル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸エステル類、塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニル類、（メタ）アクリル酸、イタコン酸、クロトン酸等の酸類およびそれらの塩類や、マレイン酸イミド、フェニルマレイミド、（メタ）アクリルアミド、スチレン、α−メチルスチレン、酢酸ビニル、スチレンスルホン酸ソーダ、アリルスルホン酸ソーダ、β−スチレンスルホン酸ソーダ、メタアリルスルホン酸ソーダ等のスルホン基を含む重合性不飽和単量体、２−ビニルピリジン、２−メチル−５−ビニルピリジン等のピリジン基を含む重合性不飽和単量体等の１種以上が挙げられるが、これらに限定されるものではない。（メタ）アクリル酸とは、アクリル酸及びメタクリル酸から選ばれる１種または２種を意味する。（メタ）アクリレートも上記と同様である。ノボロイド繊維は、フェノール樹脂を繊維化した後に架橋処理し、分子構造を３次元化した繊維が挙げられる。
【００１０】
本発明に用いられる有機金属カップリング剤としては、分子中に、金属原子と、この金属原子に結合し、炭素繊維の官能基に結合可能な加水分解性基と、この金属原子に結合し、結合材に対する親和性を有する疎水性有機官能基とを有するカップリング剤であればよく、例えば、シランカップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤、ジルコニウム系カップリング剤等が挙げられる。シランカップリング剤の具体例として、例えば、フェニルトリエトキシシラン、メタクリロキシプロピルシラン、メルカプトプロピルトリメトキシシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン、アミノシラン、ビニルシラン、エポキシシラン、クロロシランなどを挙げることができる。これらのシランカップリング剤は、単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。
【００１１】
本発明に用いられる繊維基材としては、予め官能基を導入した炭素繊維のみでもよいが、他の繊維基材と併用することができる。併用可能な繊維基材としては、有機系でも無機系でもよく、例えば、有機系としては、芳香族ポリアミド（アラミド）繊維、ポリアクリル系繊維等が挙げられ、無機系としては、銅、スチール等の金属繊維、チタン酸カリウム繊維、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系セラミック繊維、ガラス繊維、通常の炭素繊維、ロックウール等が挙げられ、各々単独、または２種以上組み合わせて用いられる。
【００１２】
本発明に用いられる結合材としては、フェノール樹脂（ストレートフェノール樹脂、ゴム等による各種変性フェノール樹脂を含む）、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を挙げることができる。結合材は、摩擦材全体に対して、通常、５〜１５質量％、好ましくは８〜１０質量％用いられる。
【００１３】
本発明に用いられる摩擦調整材としては、例えば、アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア、酸化クロム、二酸化モリブデン等の金属酸化物、合成ゴム、カシュー樹脂等の有機物、銅、アルミニウム、亜鉛等の金属、バーミキュライト、マイカ等の鉱物、硫酸バリウム、ケイ酸ジルコニウム、チタン酸カリウム、炭酸カルシウム等の塩、黒鉛を挙げることができ、単独または２種以上組み合わせて用いることができる。これらは、粉体等で用いられ、粒径等は種々選定される。
【００１４】
本発明の摩擦材を製造するには、上記各成分を配合し、その配合物を通常の製法に従って予備成形し、熱成形、加熱、研磨等の処理を施すことにより製造することができる。
上記摩擦材を備えたブレーキパッドは、板金プレスにより所定の形状に成形され、脱脂処理及びプライマー処理が施され、そして接着剤が塗布されたプレッシャプレートと、上記摩擦材の予備成形体とを、熱成形工程において所定の温度及び圧力で熱成形して両部材を一体に固着し、アフタキュアを行い、最終的に仕上げ処理を施す工程により製造することができる。
【実施例】
【００１５】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００１６】
実施例１及び２
（炭素繊維の表面処理）
ＰＡＮ系炭素繊維（繊維径（直径）：１０〜５０μｍ、繊維長：５００〜１０００μｍ）５０ｇを濃硫酸８００ｇ、濃硝酸５０ｇの混酸に常温で２４時間浸漬した後、溶液を濾過して残渣を得た。残渣を１質量％フェニルトリエトキシシラン水溶液１０リットルに投入し、１時間攪拌した後、溶液を濾過してフェニルトリエトキシシランで被覆された炭素繊維を得た。なお、繊維径及び繊維長に変化はなかった。
（摩擦材の作製）
表１に示す組成（質量％）の摩擦材の配合材料をミキサーにて均一に混合し、摩擦材混合物を得た。続いて前記摩擦材混合物を常温、３０ＭＰａで予備成形を行った。次いで、予備成形物と予め接着剤を塗布したプレッシャプレートを熱成形型にセットして、１５０℃、４０ＭＰａで５分間加熱加圧成形を行った。得られた熱成形体に２２０℃、３時間の熱処理を行い、摩擦材を得た。
比較例１及び２
実施例１において、シランカップリング剤処理炭素繊維に代えて未処理の炭素繊維を用いると共に表１に従った以外は、実施例１及び２と同様にして摩擦材を作製した。
【００１７】
【表１】
【００１８】
得られた摩擦材の性能を以下により評価した.
（せん断強度試験）
ディスクパッドフルサイズせん断強度試験をＪＡＳＯ Ｃ４４４−７８に準じて常温、及び高温（３００℃）にて行った。結果を表２に示す。
【００１９】
【表２】
【００２０】
上表より、常温、高温時における強度は、共に実施例１及び２の結果から高い機械的特性を有していることが証明された。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦材に関するものであり、特に自動車、鉄道車両、産業機械などに用いられる摩擦材に関するものであり、より具体的には前記の用途に使用されるブレーキパッド、ブレーキライニング等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
摩擦材に使われる繊維基材としてガラス繊維、セラミック繊維、ロックウール、チタン酸カリウム繊維などの無機繊維やスチール繊維、銅繊維、真ちゅう繊維などの金属繊維および麻、木綿、レーヨン、芳香族ポリアミド繊維などの有機繊維を適宜組合せた繊維基材が検討されている。また、炭素繊維もその一つとして使用されている。
炭素繊維は、表面特性からマトリックスとなる結合材との接着性が悪く、構造補強は十分満足できるものではなく、耐摩耗性の観点から使用が限られているのが、現状である。
特許文献１には、摩擦調整剤、熱硬化性樹脂、及び表面酸化処理された炭素繊維を含有するノンアスベスト摩擦材が開示され、摩擦係数が高く、耐摩耗性に優れた摩擦材を提供する旨の記載がある。
今後、ブレーキの軽量化に向けて、炭素繊維の活用は不可欠となってくることが予想される中で、更なる強度の改善が要請されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平７−２３７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、炭素繊維を用いた強度特性の高い摩擦材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の摩擦材は、少なくとも繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材であって、該繊維基材として、予め官能基を導入した炭素繊維を有機金属カップリング剤で処理したものを含む。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、炭素繊維の活用による配合設計の拡大が期待でき、環境動向に対する軽量化の取り組みに繋げることができる、強度特性の高い摩擦材を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明で有機金属カップリング剤で処理される炭素繊維は、予め官能基を導入したものである。この官能基としては、有機金属カップリング剤と反応可能なものであれば、特に制限はなく、例えば、カルボキシル基、カルボニル基、フェノール性水酸基等が挙げられる。
上記官能基を炭素繊維に導入する手段は、特に制限されないが、炭素繊維を無機酸で処理したものが好ましい。無機酸としては、硫酸、硝酸、及びそれらの組合わせ等が挙げられる。
無機酸で処理するのは、上記官能基が炭素繊維の表面に導入されることによって、有機金属カップリング剤皮膜の生成が容易となり、さらに前記有機金属カップリング剤とマトリックスである結合材との密着強化が図れるためである。
【０００８】
炭素繊維は、繊維径が１〜５０μｍで、繊維長が１０〜１０００μｍであることが好ましく、繊維径が３〜１０μｍで、繊維長が５０〜５００μｍであることが更に好ましい。ここでいう、炭素繊維とは、予め官能基を導入したもの、及び官能基のない未処理の炭素繊維を含む。
予め官能基を導入した炭素繊維は、摩擦材全体に対し３〜２０質量％配合されていることが好ましく、５〜１０質量％配合されていることが更に好ましい。
上記官能基を導入した炭素繊維のサイズ、配合量を満たすことにより、本発明の上記効果はより有効に発揮される。
【０００９】
本発明に用いられる炭素繊維としては、ＰＡＮ系繊維、ノボロイド繊維、ピッチ等を原料に高温で炭化したもの等が挙げられる。ＰＡＮ系としては、アクリロニトリルの単独重合体または共重合体あるいはこれらの重合体の混合重合体が用いられ、共重合しうる単量体としては、メチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、ブチル（メタ）アクリレート、ヘキシル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸エステル類、塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニル類、（メタ）アクリル酸、イタコン酸、クロトン酸等の酸類およびそれらの塩類や、マレイン酸イミド、フェニルマレイミド、（メタ）アクリルアミド、スチレン、α−メチルスチレン、酢酸ビニル、スチレンスルホン酸ソーダ、アリルスルホン酸ソーダ、β−スチレンスルホン酸ソーダ、メタアリルスルホン酸ソーダ等のスルホン基を含む重合性不飽和単量体、２−ビニルピリジン、２−メチル−５−ビニルピリジン等のピリジン基を含む重合性不飽和単量体等の１種以上が挙げられるが、これらに限定されるものではない。（メタ）アクリル酸とは、アクリル酸及びメタクリル酸から選ばれる１種または２種を意味する。（メタ）アクリレートも上記と同様である。ノボロイド繊維は、フェノール樹脂を繊維化した後に架橋処理し、分子構造を３次元化した繊維が挙げられる。
【００１０】
本発明に用いられる有機金属カップリング剤としては、分子中に、金属原子と、この金属原子に結合し、炭素繊維の官能基に結合可能な加水分解性基と、この金属原子に結合し、結合材に対する親和性を有する疎水性有機官能基とを有するカップリング剤であればよく、例えば、シランカップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤、ジルコニウム系カップリング剤等が挙げられる。シランカップリング剤の具体例として、例えば、フェニルトリエトキシシラン、メタクリロキシプロピルシラン、メルカプトプロピルトリメトキシシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン、アミノシラン、ビニルシラン、エポキシシラン、クロロシランなどを挙げることができる。これらのシランカップリング剤は、単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。
【００１１】
本発明に用いられる繊維基材としては、予め官能基を導入した炭素繊維のみでもよいが、他の繊維基材と併用することができる。併用可能な繊維基材としては、有機系でも無機系でもよく、例えば、有機系としては、芳香族ポリアミド（アラミド）繊維、ポリアクリル系繊維等が挙げられ、無機系としては、銅、スチール等の金属繊維、チタン酸カリウム繊維、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系セラミック繊維、ガラス繊維、通常の炭素繊維、ロックウール等が挙げられ、各々単独、または２種以上組み合わせて用いられる。
【００１２】
本発明に用いられる結合材としては、フェノール樹脂（ストレートフェノール樹脂、ゴム等による各種変性フェノール樹脂を含む）、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を挙げることができる。結合材は、摩擦材全体に対して、通常、５〜１５質量％、好ましくは８〜１０質量％用いられる。
【００１３】
本発明に用いられる摩擦調整材としては、例えば、アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア、酸化クロム、二酸化モリブデン等の金属酸化物、合成ゴム、カシュー樹脂等の有機物、銅、アルミニウム、亜鉛等の金属、バーミキュライト、マイカ等の鉱物、硫酸バリウム、ケイ酸ジルコニウム、チタン酸カリウム、炭酸カルシウム等の塩、黒鉛を挙げることができ、単独または２種以上組み合わせて用いることができる。これらは、粉体等で用いられ、粒径等は種々選定される。
【００１４】
本発明の摩擦材を製造するには、上記各成分を配合し、その配合物を通常の製法に従って予備成形し、熱成形、加熱、研磨等の処理を施すことにより製造することができる。
上記摩擦材を備えたブレーキパッドは、板金プレスにより所定の形状に成形され、脱脂処理及びプライマー処理が施され、そして接着剤が塗布されたプレッシャプレートと、上記摩擦材の予備成形体とを、熱成形工程において所定の温度及び圧力で熱成形して両部材を一体に固着し、アフタキュアを行い、最終的に仕上げ処理を施す工程により製造することができる。
【実施例】
【００１５】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００１６】
実施例１及び２
（炭素繊維の表面処理）
ＰＡＮ系炭素繊維（繊維径（直径）：１０〜５０μｍ、繊維長：５００〜１０００μｍ）５０ｇを濃硫酸８００ｇ、濃硝酸５０ｇの混酸に常温で２４時間浸漬した後、溶液を濾過して残渣を得た。残渣を１質量％フェニルトリエトキシシラン水溶液１０リットルに投入し、１時間攪拌した後、溶液を濾過してフェニルトリエトキシシランで被覆された炭素繊維を得た。なお、繊維径及び繊維長に変化はなかった。
（摩擦材の作製）
表１に示す組成（質量％）の摩擦材の配合材料をミキサーにて均一に混合し、摩擦材混合物を得た。続いて前記摩擦材混合物を常温、３０ＭＰａで予備成形を行った。次いで、予備成形物と予め接着剤を塗布したプレッシャプレートを熱成形型にセットして、１５０℃、４０ＭＰａで５分間加熱加圧成形を行った。得られた熱成形体に２２０℃、３時間の熱処理を行い、摩擦材を得た。
比較例１及び２
実施例１において、シランカップリング剤処理炭素繊維に代えて未処理の炭素繊維を用いると共に表１に従った以外は、実施例１及び２と同様にして摩擦材を作製した。
【００１７】
【表１】
【００１８】
得られた摩擦材の性能を以下により評価した.
（せん断強度試験）
ディスクパッドフルサイズせん断強度試験をＪＡＳＯ Ｃ４４４−７８に準じて常温、及び高温（３００℃）にて行った。結果を表２に示す。
【００１９】
【表２】
【００２０】
上表より、常温、高温時における強度は、共に実施例１及び２の結果から高い機械的特性を有していることが証明された。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材であって、該繊維基材として、予め官能基を導入した炭素繊維を有機金属カップリング剤で処理したものを含む摩擦材。
【請求項２】
前記官能基を導入した炭素繊維は、炭素繊維を無機酸で処理したものである請求項１の摩擦材。
【請求項３】
前記官能基を導入した炭素繊維は、繊維径が１〜５０μｍで、繊維長が１０〜１０００μｍである請求項１又は２の摩擦材。
【請求項４】
前記官能基を導入した炭素繊維は、摩擦材全体に対し３〜２０質量％配合されている請求項１〜３のいずれかの摩擦材。
【請求項１】
少なくとも繊維基材、結合材及び摩擦調整材を含む摩擦材であって、該繊維基材として、予め官能基を導入した炭素繊維を有機金属カップリング剤で処理したものを含む摩擦材。
【請求項２】
前記官能基を導入した炭素繊維は、炭素繊維を無機酸で処理したものである請求項１の摩擦材。
【請求項３】
前記官能基を導入した炭素繊維は、繊維径が１〜５０μｍで、繊維長が１０〜１０００μｍである請求項１又は２の摩擦材。
【請求項４】
前記官能基を導入した炭素繊維は、摩擦材全体に対し３〜２０質量％配合されている請求項１〜３のいずれかの摩擦材。
【公開番号】特開２０１０−２８５５７８（Ｐ２０１０−２８５５７８Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４２２６８（Ｐ２００９−１４２２６８）
【出願日】平成２１年６月１５日（２００９．６．１５）
【出願人】（００００００５１６）曙ブレーキ工業株式会社 (621)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１５日（２００９．６．１５）
【出願人】（００００００５１６）曙ブレーキ工業株式会社 (621)
【Ｆターム（参考）】
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