專利名稱：氧化的鋼纖維-聚合物的增強基體的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及在制動器中所用的摩擦材料的聚合物基體，在該聚合物基體中，經(jīng)氧化物的鋼纖維增強了基體，在制動過程中，為摩擦材料提供承受動態(tài)力的強度。
在制動器中所用的以有機物為主體的摩擦材料中，所用的酚醛樹脂基體已用石棉來增強以便使其具有足夠的結(jié)構(gòu)強度來承受制動過程中所造成的動態(tài)負載。在發(fā)現(xiàn)石棉塵粒對人體可能會引起某些醫(yī)學上的問題時，對一種新的增強材料的需要就變得明顯了。已經(jīng)認為玻璃纖維、碳纖維和鋼纖維可以替代石棉。經(jīng)過許多評估，從價格、磨損和噪聲方面考慮，鋼纖維被認為是最滿意的代用品。但遺憾的是，樹脂基體與鋼纖維之間的結(jié)合力沒有象與石棉之間的結(jié)合力那樣強，結(jié)果是，用于以有機物為主體的摩擦材料的鋼纖維增強的酚醛樹脂基體的結(jié)構(gòu)強度可能比相應的石棉增強的摩擦材料的要弱。
美國專利第4369263號公開了一種用固體樹脂涂層預處理鋼纖維以增強樹脂基體與鋼纖維之間的結(jié)合的方法，其中揭示的摩擦材料可以滿足許多制動器系統(tǒng)的需要。但遺憾的是，要求在生產(chǎn)摩擦材料之前用酚醛樹脂預處理鋼纖維的努力對這類材料來說可能太昂貴以致于沒有競爭性。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鋼纖維和酚醛樹脂之間的結(jié)合可以通過氧化鋼纖維來提高。在本發(fā)明中，鋼纖維是用洗滌劑清洗，并用酮洗以去除鋼纖維上的油脂。將清洗過的鋼纖維放在約450℃的爐子里，并在爐子里保留大約1小時以氧化其表面。在這期間，可加進水蒸氣以加強氧化作用。當將鋼纖維從爐子里取出時，其整個表面具有明顯均勻的氧化層，呈暗藍色。這種氧化的鋼纖維片是通過用樹脂浸漬該鋼纖維制成的，隨后放在模子中固化。當把氧化的鋼纖維和樹脂間的結(jié)合通過剪切試驗與基本不氧化的鋼纖維和樹脂間的結(jié)合相比較時，由于使用了氧化的鋼纖維，其結(jié)合作用的提高達到約40%。
本發(fā)明的優(yōu)點在于通過氧化鋼纖維來提高與聚合物之間的結(jié)合，從而增加了摩擦材料的結(jié)構(gòu)強度足以承受與制動過程相關(guān)的動態(tài)負載。
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于摩擦材料的鋼纖維，該鋼纖維是通過加熱至約450℃的溫度約1小時而被氧化的。氧化的鋼纖維增強了與酚醛樹脂間的粘接結(jié)合從而限定了用于制動器襯里的基質(zhì)結(jié)構(gòu)足以承受制動過程中的動態(tài)負載。
通過閱讀本說明書和附圖
，上述目的和優(yōu)點就應是顯而易見的，在附圖中，這單個圖是該方法的示意圖，通過這個方法，氧化鋼纖維，制出生產(chǎn)所到的氧化鋼纖維并大大地提高了與聚合基體的結(jié)合。
用于制動器襯里的摩擦材料通常是由填充物、摩擦改性劑和樹脂基體中的增強材料組成的。在制動過程中，生成的熱能和所產(chǎn)生的動態(tài)負載可導致摩擦材料的結(jié)構(gòu)的破裂。當摩擦材料由于結(jié)構(gòu)應力而破壞時，其增強材料被從酚醛基體中分離開來，而不是增強纖維的各個股或單絲的實際的破壞。
為了評價氧化的鋼纖維與樹脂基體之間建立的結(jié)合關(guān)系，我們發(fā)明了下列方法，該方法在附圖中加以說明。
將一卷具有各別單絲直徑為11毫米的鋼絲(鋼琴絲)10和一定數(shù)量的切細的鋼絨纖維12置于洗滌浴池14中清洗以去除鋼絲和纖維上的油或脂。利用水浴池16從鋼絲去除洗滌劑或在某些場合中，利用鼓風機17、17′來充分地干燥清洗過的鋼絲和纖維。然后將洗滌劑清洗過的鋼絲和纖維進一步在酮(比如丙酮)浴池18中洗滌以進一步去除油、脂和所有其他可能存在在鋼絲和纖維上的討厭之物。把洗滌過的鋼絲10和纖維12進行空氣干燥，然后將其分成大約是等量的二份20、22和24、26。
將鋼絲的20部分和鋼纖維24部分放進爐28中，其中在一個小時之內(nèi)把溫度升至450℃。然后，將爐28的溫度保持在450℃1個小時，再在1個小時之內(nèi)冷卻至室溫。經(jīng)這樣處理之后，鋼絲20和鋼纖維單絲24被氧化，并呈暗藍色外觀。
樣品30、30′…30約5厘米長，是從氧化過的鋼絲卷20上切下的;樣品32、32′…32約5厘米長，是從清洗過的鋼絲卷22上切下的。
將樣品30和32放入到聚四氟乙烯
混合物38中的孔穴34和36之中，孔穴34和36分別位于球形或微凹形部位40和42的頂部。將酚醛樹脂放入微凹處40和42之中，并讓其干燥。接著將蓋44維系在部件46上以關(guān)閉室48。裝上閥49和51以提供氣源(氮氣)，室48是充有壓力約為100磅/平方英寸(kg/cm)氮氣。裝置器或部件46被放在約150℃的爐50內(nèi)一個小時以固化酚醛樹脂52。
當將樣品30和32從裝置器(Fixture)38中去除時，圓頂狀的樹脂53沿著鋼絲30和32連接，平均長度為“1”或1.3厘米，基部直徑為“d”或4厘米。
為了評價樹脂圓頂53和鋼絲表面之間在樣品30和32的結(jié)合程度，我們設計了一個將鋼絲從樹脂圓頂53中抽出的試驗。下式被用來測量剝離所需的力S＝P/πdl其中“l(fā)”為涂有樹脂的鋼絲的長度“d”為絲直徑“P”為鋼絲/樹脂在剝離時的載荷對16個氧化的鋼絲30的樣品和16個氧化的清潔的鋼絲32的樣品進行這個試驗。氧化過的鋼絲樣品30的計算的應力值為從高至3840磅/平方英寸到低至2680磅/平方英寸不等，平均值為3260磅/平方英寸。清潔的鋼絲樣品32的計算應力值為從高至3000磅/平方英寸到低至1600磅/平方英寸，平均值為2300磅/平方英寸。以平均值計算，當鋼絲被氧化的時候，單絲的鋼絲/樹脂的剝離強度的提高量達到40%。
上面所述的試驗表明，通過鋼絲表面的氧化作用，單根鋼絲和樹脂之間的剝離強度和結(jié)合強度有顯著的提高。為了更確切地分析摩擦材料中的結(jié)合強度，以下述方式評價部分24和26的鋼纖維。
將第一簇碳紗60放入一個淺盤中，并用酚醛樹脂的乙醇溶液浸漬。把一定數(shù)量的氧化的鋼纖維24均勻地放在碳砂60上，并加上一些樹脂以完全將氧化的鋼纖維24浸沒。將第二簇碳紗62放在氧化過的鋼纖維24上，并再加入一些酚醛樹脂。把制成的板64進行空氣干燥約2小時，然后將其移到模子中，對其加壓500磅/平方英寸或3.5兆帕10分鐘。將模子加熱至約150℃約20分鐘固化酚醛樹脂，限定在碳表層60和62之間夾有金屬纖維的夾板64，并保留在酚醛樹脂基體55內(nèi)以得到板64。
以同樣方式用清潔的鋼纖維26制備板66。
將板64和66切成約1/2英寸寬、1英寸長、平均厚度為0.125英寸的樣品。用美國材料測試標準(ASTM)對具有長厚比為4∶1的標準短束剪切試驗樣品進行試驗。由于樹脂基體55與鋼纖維24分離，板64的所有樣品在鋼纖維增強核心中都失敗。氧化了的鋼纖維增強板64的測定剪切強度為從高至7300磅/平方英寸到低至6460磅/平方英寸，平均剪切強度為6800磅/平方英寸。清潔的鋼纖維增強板66的測定剪切強度從高至5100磅/平方英寸到低至4600磅/平方英寸，平均剪切強度為4850磅/平方英寸。以剪切強度的平均值計算，通過采用氧化的鋼纖維，結(jié)合強度的提高達到40%。
由于某些摩擦材料包括增強纖維的組合，因此可以決定將鋼纖維和玻璃纖維進行比較。將玻璃纖維簇68切成長3英寸或7.6厘米，將玻璃纖維簇68中的所有束按長(線性)度方向放置，并將其放到模子中。把這種玻璃簇68用酚醛樹脂的乙醇溶液浸漬，比如，50克酚醛樹脂在5毫升乙醇的溶液。接著，將氧化的鋼纖維24的樣品放在玻璃纖維簇68的上面，并將酚醛樹脂倒在氧化的鋼纖維24上。將第二簇玻璃纖維72放在鋼纖維74上并用酚醛樹脂55浸漬整個組合件。整個組合件進行空氣干燥約12小時，以讓乙醇揮發(fā)。然后，將其放入模壓器內(nèi)加熱至150℃。施加壓力500磅/平方英寸或3.5兆帕，再讓樹脂基體55固化約20分鐘，以得到板74。板74的外形尺寸為3英寸×3英寸×0.125英寸。以相同方法，用清潔的鋼纖維26和玻璃簇68和70制成板76。
把板74和76切成0.5英寸寬和英寸長的樣品使得長厚比為4∶1。用ASTM的短束剪切試驗測試樣品。板74的氧化的樣品的測量剪切強度為從高至5300磅/平方英寸到低至4670磅/平方英寸，平均剪切強度為4980磅/平方英寸。板76的樣品的測量剪切強度為從高至4440磅/平方英寸到低至3840磅/平方英寸，平均剪切強度為4140磅/平方英寸。以平均剪切強度計算，利用氧化的鋼纖維，結(jié)合強度的提高達到20%。
上述實例說明用經(jīng)過氧化的鋼纖維制成的摩擦材料，在貼于背襯片82制造成制動器襯里84時可提供足夠的強度，在制動過程中足以承受動態(tài)負載。
權(quán)利要求
1.一種用于制動器的摩擦材料，它包括作為聚合物基體組合物的主要增強材料的鋼纖維，其特征在于所述的鋼纖維是經(jīng)氧化的，以增加與聚合物基體的表面粘合力和相應地增加摩擦材料的強度和耐磨性。
2.按照權(quán)利要求1所述的摩擦材料，其特征在于所述的鋼纖維是通過用洗滌劑洗滌以去除可能存在于鋼纖維上的任何油或脂由此來加強氧化作用而進行預處理。
3.按照權(quán)利要求2所述的摩擦材料，其特征在于所述的鋼纖維是通過在丙酮浴中洗滌以進一步去除其表面上的任何油或脂來進一步加強氧化作用來進行預處理。
4.按照權(quán)利要求3所述的摩擦材料，其特征在于所述的鋼纖維是通過暴露于熱空氣中來增加氧化作用而進行預處理。
5.按照權(quán)利要求4所述的摩擦材料，其特征在于所述的鋼纖維是保留在所述的熱空氣中約1個小時來完成氧化作用的。
6.按照權(quán)利要求4所述的摩擦材料，其特征在于所述的鋼纖維的預處理是在已經(jīng)通入水蒸氣的氣氛中進行以進一步提高其表面的氧化作用。
7.按照權(quán)利要求6所述的摩擦材料，其特征在于所述的氧化作用預處理是在大約450℃的溫度下進行。
全文摘要
一種具有鋼化纖維(24)來增強聚合物基體(55)的汽車制動器所用的摩擦材料(80)，特征在于其中的鋼纖維(24)在約450℃的爐中進行預處理以氧化鋼纖維(24)的表面。氧化鋼維(24)的表面可增加其表面與聚合物基體(55)的粘合力和當用在摩擦材料(80)中時可相應增加強度和耐磨性。
文檔編號C08J5/14GK1045799SQ8910157
公開日1990年10月3日 申請日期1989年3月18日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月28日
發(fā)明者伊戈爾·帕利, 安特尼·西格諾利, 威廉·伯格 申請人:阿萊德公司