JPS594455B2 - 耐摩耗性に優れる摩擦材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭素繊維を基材とし、フェノール樹脂を結合材
とする摩擦材料に関し、特に高温領域に５ おいて、摩
擦係数が安定しかつ耐摩耗性に優れる摩擦材料を提供す
るものである。

本発明の摩擦材料とは自動車のブレーキ、クラッチ等、
鉄道車両の制輪子、スリ板等および各種産業機械等に用
いられる有機系摩擦材料をさすも１０のである。

従来有機系摩擦材料は一般にアスベストを基材としフェ
ノール樹脂を結合材とし各種の摩擦調整剤が添加された
系より成つている。

しかしながらアスベストはその優れた種々の特１５性を
有するものの、１９７２年の国際ガン研究機構主催の医
学シンポジウムでアスベストの発ガン性が問題となつた
のを契機に、世界的にアスベストの取扱いに関する規制
が強化されることとなつた。

また一方アスベストは天然物であることより２０資源保
護の立場からもその使用が思うままにならなくなつてき
ている。以上アスベストの使用に関してはいわゆる環境
問題、資源問題が関わり、今後はアスベストを使用しな
い方向で種々のアスベスト代替材料を開発していくこと
が急務となつて２５きている。このため有機系摩擦材料
においてもアスベスト代替品としてガラス繊維、スチー
ル繊維、各種セラミック繊維および炭素繊維等が検討さ
れてきている。

３０本発明の炭素繊維有機摩擦材料の開発の目的は、上
記アスベストの規制に対処することは勿論であるが、ア
スベスト系有機摩擦材料が従来有していた欠点を改良し
、優れた性能を具備した摩擦材料を提供することにある
。

３５既に炭素繊維の摩擦材料への応用については何件か
の先行技術が公知となつている。

たとえば特公昭３８−２６５７４号、特公昭４８−１５
１２７号、特開昭４８−３３２７２号（米国特許第４０
１９９１２号）、特開昭５２−１３２２６９号、特開昭
５１−１３３３５１号、特開昭４８一１４８０１号、特
開昭４９−１２８０４９号等である。特公昭３８−２６
５７４号は炭素繊維と樹脂系結合剤の系から成るブレー
キライニングを開示しているが、その製造方法および特
性等については何ら開示されていない。特公昭４８一１
５１２７号は補強合成ブレーキ片について炭素繊維、充
填剤および結合材の配合組成を開示したものである。

特開４８−３３２７２号は炭素繊維と溶融ガラス、粘土
等の無機結合材から構成される繊維補強摩擦材を開示し
ている。特開昭５２一１３２２６９号では炭素繊維系有
機摩擦材料は一般に低摩擦係数の材料であることを指摘
し、その改善策として使用する炭素繊維に予め無機微粉
末を含有せしめることを開示している。特開昭５１−１
３３３５１号は炭素繊維系有機摩擦材料における結合材
としてポリオキシフエニルメタンフエノキシシロキサン
が有効であることを開示している。特開昭４８−１４８
０１号は油中用摩擦材料をパルプ、アスベストおよび炭
素繊維等を抄紙しこれに樹脂を含浸した後成形して得る
ことを開示している０特開昭４９−１２８０４９号は従
来のアスベストーフエノール樹脂系複合材料に炭素繊維
を添加することにより摺動特性にすぐれた複合材料組成
物を得ることを開示している。以上先行技術はそれぞれ
炭素繊維を摩擦材料に応用展開したものであるが、いま
だ炭素繊維のすぐれた特性を充分に発揮した技術に到達
したものとは言い難い。

本発明者らは炭素繊維の有するすぐれた摩擦摩耗特性、
耐熱性、力学特性等を摩擦材料として充分発現さすべく
鋭意検討した結果本発明に到達したものである。

すなわち従来の摩擦材料は一般に各種素材の配合秤量→
混合（乾式混合）→予熱、予備成形→熱加圧成形→後硬
化の工程により製造されているものであるが、本発明の
要点は炭素繊維とフエノール樹脂および摩擦調整剤より
構成される摩擦材料の製造に際し新規なる前熱処理の工
程を導入し、この前熱処理工程において７０〜１４０℃
の温度にて機械的に加圧せん断混練を実施し上記組成の
混合物を得、ついで該混合物を熱加圧成形し、炭素繊維
の有する諸特性を充分発揮せしめた摩擦材料を得る点に
ある。

本発明において使用する炭素繊維が長繊維であつても機
械的な加圧せん断混練工程を経ることにより炭素繊維の
長さを平均繊維長で０．４ｗｎ以下にまで切断すること
が不可欠の要件となる。平均繊維長か０．４ｍ以上であ
ると加圧せん断混練の効果が不充分であり、また成形品
中の炭素繊維の分散状態が不良でかつ気孔率が１５％以
上になり緻密な成形品が得られなくなり、以下に述べる
本発明の特徴であるすぐれた摩擦、摩耗特性および力学
特性が発現されなくなる。

本発明により得られる成形品は、従来の成形法により得
られる成形品すなわち機械的な加圧せん断混練工程を含
まない成形法により得られる成形品に比較して驚くべき
優れた摩擦摩耗特性を発現した。

すなわち耐摩耗性に関しては低温領域（１００〜２００
℃）では勿論であるが、高温領域（２５０〜３５０℃）
においても著しく摩耗率が小さく、従来の成形法により
得られる炭素繊維系成形品やアスベスト系摩擦材料に対
しても全く予期されない程のすぐれた耐摩耗性を示した
。

また摩擦係数においても従来のアスベスト系摩擦材料は
高温領域（２５０〜３５０スＣ）において摩擦係数の低
下が顕著である（いわゆるフエード現象）のに対し、本
発明により得られる成形品はこの現象が全く観察されず
、高温領域においても摩擦係数の安定が見られた。一方
力学特性に関しても従来の成形法より得られる成形品に
対してよりすぐれた曲げ強度、衝撃強度の値を示した。
以上のごとく炭素繊維系有機摩擦材料において本発明の
要点である成形工程に新規なる前処理工程すなわち機械
的な加圧せん断混練工程を導入することにより従来の成
形法により得られる炭素繊維系成形品やアスベスト系摩
擦材料に比較して著しく改善された摩擦、摩耗特性およ
び力学特性を発現せしめることが可能となつた。

前熱処理工程すなわち機械的な加圧せん断混練工程を経
ずに従来の成形法によつて得られた複合材料は全く本発
明のごとき摩擦，摩耗特性を有しない。このような効果
の差異についての理論的解明はいまだ定かではないが、
前熱処理工程において炭素繊維が加圧せん断混練のため
切断されると同時に溶融した結合材樹脂、充填剤および
繊維が充分混練され樹脂との親和性が著るしく向上し、
その結果として緻密な成形品が得られるためと考えられ
る。

以上の如く本発明は摩擦材料としてすぐれた特性を有す
るものであるが、更に本発明による前熱処理工程の導入
は作業環境の改善に大きく寄与するものである。

前熱処理すなわち機械的な加圧せん断混練はバンバリ型
ミキサー、連続式ミキサー、ロール、ニーダ一、スクリ
ユ一型押出し機等により実施される。

混練される際の温度は７０〜１４０℃が好ましく、外部
からの加熱もしくは混練により発生する摩擦熱を利用し
てもよい。７０℃以下の場合はフエノール樹脂が充分に
溶融せず、また１４０℃以上ではフエノール樹脂の硬化
が進行して不都合である。

本発明の摩擦材料の組成は炭素繊維、フエノール樹脂お
よび摩擦調整剤がそれぞれ炭素繊維が５〜６０重量％、
好ましくは２０〜５０重量％、フエノール樹脂が１０〜
３０重量％、好ましくは１５〜２５重量％および摩擦調
整剤が残部を構成するＯ炭素繊維はポリアクリルニトリ
ル、レイヨン、ピツチ等を原料とするものいずれでも良
いが、工業的な経済性からピツチを原料とする炭素繊維
が好ましい。

使用する炭素繊維の長さは特に限定されるものではない
が、混合の容易さから１５０Ｔｔ１ｎ以下のものが好ま
しい。フエノール樹脂は一般に市販されている摩擦材料
用のフエノール樹脂すなわちストレート樹脂およびカシ
ユ一変成、エポキシ変成、エラストマー変成等の変成樹
脂が用いられる〇摩擦調整剤とは従来より公知のもので
あり、硫酸バリウム、カシユーダストレジン、ラバーダ
スト、銅、鉄等の金属粉およびパルプ、合成繊維、無機
繊維等の繊維物質である。

本発明においてはこれらのうち一種以上を添加するもの
であるが特にその種類は限定されない。以下実施例およ
び比較例により本発明をさらに詳細に説明する。

実施例 １ 平均繊維長６ｍのピツチ系炭素繊維（クレハカーボンフ
アイバ一Ｃ−１０６ｔ８、太洋化研株式会社製）３０重
量％、フエノール樹脂（ＢＰ−７００８、群栄化学製）
２０重量％、硫酸バリウム５０重量％をペンシェル混合
機により３０秒間混合した。

該混合物をコニーダ一（ＰＲ−４６［Ｆ］、ブス社製連
続式二ーダ一）により加圧せん断混練した０この時混練
物質の温度は約１００℃にコントロールした。得られた
混練物質中の炭素繊維の長さは第１図に示された写真の
ごとく長いもので０．５ＴＷＬ程度あり、平均繊維長と
しては０．２５ｍ程度であることが観察された。該第１
図写真は混練物質を空気中にて４５０℃、３０分間熱処
理することによりフエノール樹脂を焼失せしめることに
より炭素繊維を回収し、その回収物質を顕微鏡により観
察し写真撮影したものである。

ついで該混練物質を成形用金型を用いて１６０℃、２０
０ｋｇ／Ｃｒ！ｉの条件で１５分間圧縮形成にて成形し
た。

更に該成形物を１８０℃にて１５時間後硬化処理した。
得られた成形品のカサ密度の測定により気孔率を算出し
たところ８．９（Ｆ６であつた。気孔率の算出はをもつ
てする。

ついで得られた成形物は以下の物性評価に供された。

該成形板より２５Ｔｒｍ角、５ｗｎ厚さの試験片を２枚
切り出しＪＩＳＤ−４４１１に準拠した定速式摩擦試験
により摩擦摩耗特性を評価した。

その結果を第１表に示す〇また該成形板より幅１２．５
ｗｍ、長さ１００ｔｆｒｍ、厚さ３．５Ｗｒ１ｒＬの試
験片を切り出し曲げ試験および衝撃試験を行なつた〇曲
げ試験はＡＳＴＭ．Ｄ−９７０、衝撃試験はＡＳＴＭ．
Ｄ−２５６に準拠して行なつた。

その結果を表２に示す。実施例 ２ 平均繊維長０．７７ｍのピツチ系炭素繊維（クレハカー
ボンフアイバ一Ｍ−１０７ｔ［Ｆ］、太洋化研株式会社
製）４０重量％、フエノール樹脂（カシユ一株式会社製
カシユ一変成樹脂）２０重量％、硫酸バリウム４０重量
％を二ーダ一にそれぞれ投入し加圧せん断混練した。

このとき混練物質の温度は１１５℃にコントロールした
０得られた混練物質中の繊維の長さは平均繊維長で０，
２Ｔｍ程度であることが観察された。ついで該混練物質
を成形用金型を用いて１６０℃、２００Ｋｆ／ｉの条件
で１５分間圧縮成形にて成形した。

更に該成形物を１８０℃にて１５時間後硬化処理した。
成形品のカサ密度の測定より気孔率は７．１％であつた
。得られた成形品は実施例１と同様に摩擦試験、曲げ試
験、衝撃試験に供された。

結果はそれぞれ表１、表２に示す〇 比較例 １ 平均繊維長０．７ｍのピツチ系炭素繊維（クレハカーボ
ンフアイバ一Ｍ−１０７ｔ［Ｆ］、太洋化研株式会社製
）４０重量％、フエノール樹脂（カシユ一株式会社製カ
シユ一変成樹脂）２０重量％、硫酸バリウム４０重量％
をペンシェル混合機により３０秒間混合した。

該混合物における炭素繊維の長さは出発繊維長である０
．７Ｔｒｒ１ｎ程度であり特に切断されていないことが
認められた。ついで該混合物を成形用金型を用いて実施
例１と同様に成形した。

得られた成形品の気孔率は１７％であつた〇〉 ｘ成形品の摩擦試験および力学特性の評価結果はそれぞ
れ表１、表２に示す。

比較例 ２ 平均繊維長０．１ＷＷＬのピツチ系炭素繊維（クレハカ
ーボンフアイバ一Ｍ−１０１［Ｆ］、太洋化研株式会社
製）４０重量％、フエノール樹脂（カシユ一株式会社製
カシユ一変成樹脂）２０重量％、硫酸バリウム４０重量
％をペンシェル混合機により３０秒間混合した。

該混合物における炭素繊維の長さは出発繊維と変らず０
．１Ｗｒ１ｎ程度であつた〇ついで該混合物を成形用金
型を用いて実施例１と同様に成形した。得られた成形品
の気孔率は９．２％であつた。成形品の摩擦試験および
力学特性の評価結果はそれぞれ表１、表２に示す〇繊維
長０．４ｗｒ１ｎ以下、成形品の気孔率１５％以下でも
前熱処理で加圧せん断混合しないと本発明の如き効果は
有しなかつたｏ以上のごとく本発明の摩擦材料は高温領
域において摩擦係数の安定かつ優れた耐摩耗性を示し、
さらに優れた機械的特性を有することが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は炭素繊維、フエノール樹脂及び硫酸バリウムの
混合物を加圧せん断混練した後フエノール樹脂を焼失し
て回収した炭素繊維の顕微鏡写真で、白い短繊維状は炭
素繊維を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭素繊維とフェノール樹脂と摩擦調整剤を前熱処理
   として加圧せん断混練することにより混合し、ついで該
   混合物を熱加圧成形することにより得られる複合材料中
   の炭素繊維の平均繊維長が０．４ｍｍ以下で気孔率が１
   ５％以下の摩擦材料。 ２ 炭素繊維、フェノール樹脂および摩擦調整剤の組成
   がそれぞれ炭素繊維が５〜６０重量％、フェノール樹脂
   が１０〜３０重量％および摩擦調整剤が残部である特許
   請求の範囲第１項記載の摩擦材料。 ３ 炭素繊維とフェノール樹脂と摩擦調整剤より構成さ
   れる摩擦材料の製造に際し、前熱処理として７０〜１４
   ０℃において加圧せん断混練することにより混合物を得
   、ついで該混合物を熱加圧成形することを特徴とする摩
   擦材料の製造方法。 ４ 炭素繊維、フェノール樹脂および摩擦調整剤の組成
   がそれぞれ炭素繊維が５〜６０重量％、フェノール樹脂
   が１０〜３０重量％および摩擦調整剤が残部である特許
   請求の範囲第３項記載の摩擦材料の製造方法。