JP2007039492A

JP2007039492A - 摩擦材原料造粒物の製造方法及び摩擦材原料造粒物を用いて製造された摩擦材

Info

Publication number: JP2007039492A
Application number: JP2005222673A
Authority: JP
Inventors: Masanori Chiba; 正紀千葉; Yasuji Ishii; 靖二石井
Original assignee: Nisshinbo Industries Inc; Nisshin Spinning Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2007-02-15
Also published as: EP1752681A1; US20070023950A1

Abstract

【課題】造粒後に加熱加圧成形したとき、亀裂の発生が無く、十分な結合力と強度を有する摩擦材を得ることができる摩擦材原料造粒物の製造方法と、その摩擦材原料造粒物を用いて製造された十分な強度を有する摩擦材を提供する。
【解決手段】摩擦材に混入される結合材の一部を摩擦材を造粒する際に混入し、残りを成形された粒子状摩擦材に粉末状にして混合する。粉末状の結合材が、ファンデルワールス力、静電力、結合材や摩擦材原料に含まれる微量な水分の接着力などによって粒子状摩擦材に付着することで、加圧・加熱して摩擦材にしたときの摩擦材の強度を十分なものにすることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は自動車等のディスクブレーキパッドや、ブレーキライニング、クラッチフェーシングなどの摩擦材に関し、特に、粉末状の摩擦材原料混合物をタブレット状に造粒する摩擦材原料造粒物の製造方法と、その摩擦材原料造粒物を用いて製造された摩擦材に関する。

摩擦材は、有機繊維、無機繊維、金属繊維などの繊維材と、グラファイト、硫酸バリウムなどの摩擦調整材と、天然ゴム或いは合成ゴムなどの充填材とをフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を結合材として混合した粉末状の摩擦材原料混合物から成形される。

ディスクブレーキパッドは、前記粉末状の摩擦材原料混合物を加圧及び加熱して摩擦材を成形すると同時にバックプレートに貼り付けることによって形成される。あるいは、ブレーキライニングのように、前記粉末状の摩擦材原料混合物を加圧及び加熱して成形しただけで、成形と同時にバックプレートに貼り付けしないものもある。ところで、粉末状の摩擦材原料混合物は前述した複数の素材が、繊維状のものから粉末状のものまでが混合されており、各原料によって粒子の大きさが異なるので偏析し易いという問題があり、品質の均一化が問題であった。

この問題を解決するものとして、粉末状の摩擦材原料混合物をタブレット状に粒子化する方法が知られている。複数の原料を均一に混合した状態で、粒子状に固め、摩擦材原料造粒物とすることで、偏析を防止するのである。

粒子状に固める造粒方法としては、特許文献１（特開平７−２９０４４７号）、特許文献２（特開平６−１３６１４５号）、特許文献３（特開平１０−３１０７６５号）に記載されたもの等が知られている。

特許文献１では、補強用ファイバ、有機、無機の充填材、ゴム粉末及び熱硬化性樹脂を混合した粉末状の摩擦材原料混合物を６０℃以上で熱硬化性樹脂の硬化温度以下に加熱し、半溶融状態の原料を押し出し板の押し出し孔から押し出してチョッパで細かく切断し、摩擦材原料造粒物を得る造粒方法が提案されている。

特許文献２では、熱硬化性樹脂結合材、繊維基材及び摩擦調整材を主体とする原料を乾式混合しながら、水−アルコール混合溶媒からなる粘結凝集剤を添加、混合して原料混合物を湿潤化するとともに粘性を付与し、これを粒子状に造粒して乾燥し、摩擦材原料造粒物を得る造粒方法が提案されている。

また、本願の出願人の先願（特願２００４−３３４３４２号）では、少なくとも粘着性物質を含む複数の物質を混合してなる粉末状の摩擦材原料混合物に、溶剤を添加せず、あるいは５重量％以下の微量の溶剤を添加し、加圧ロールで加圧して帯状にし、これを粉砕して摩擦材原料造粒物を得る造粒方法を提案している。

しかし、特許文献１及び２に記載の摩擦材原料造粒物は、加熱加圧成形した後の摩擦材に亀裂が発生したり、強度が低くなりやすいという問題がある。これは、造粒物同士の結合力が小さくなるためと考えられる。特に、特許文献１の乾式造粒では、摩擦材原料造粒物に含まれる結合材が、タブレット状に造粒（成形）されるとき、温度が上昇していて結合材の硬化がある程度進行してしまい、加熱加圧成形して摩擦材にするときの造粒物同士の結合力が低下するためと考えられる。

この問題に対し、特許文献３では、転動流動により摩擦材原料造粒物の表面に結合材層を形成するものを提案している。転動流動による造粒法は、金網の上に粉体原料を投入し、下方からはエアーを供給し、上方から液体をスプレーすることにより一定の湿り気を与えて、原料を流動化させて造粒する方法である。金網の代わりに回転板を用いれば、回転板周辺よりの空気流による流動化と共に転動を伴う転動流動による造粒が行なわれる。液体は有機溶剤、水系液体を使用することができるが、有機溶剤は作業衛生面、作業安全面に問題があり、水系液体が好適に使用される。

特許文献３では、最初に通常の造粒を行い、その後、結合材による転動流動により摩擦材原料造粒物の表面に結合材層を形成することができる。この方法によれば、加熱加圧成形された摩擦材の強度を大きくすることができる。

しかし、この特許文献３に示す転動流動方式は、粒子相互間の圧縮、圧密に際して、固体、液体、気体の界面エネルギーを基本的な力として利用するので、液体の添加が必要であり、造粒物の乾燥工程や、調湿工程が必要となり、造粒に要する時間が長く掛かるので、効率的ではない。また、使用できる結合材は液体の添加によって強度低下しない樹脂に限定される。例えば、ノボラック型のフェノール樹脂は、耐熱性が高いことから摩擦材の結合材として多用されているが、水を吸収しやすく、水を吸収すると赤化劣化するという性質を持っており、加熱加圧成形された摩擦材に亀裂が発生したり、強度が低下するといった問題がある。
特開平７−２９０４４７号特開平６−１３６１４５号特開平１０−３１０７６５号

本発明は、このような事実から考えられたもので、造粒後に加熱・加圧を加えて摩擦材としたときに亀裂の発生がなく、摩擦材の強度も十分に強くなり、しかも、調湿作業や乾燥工程が不要で短時間で製造でき、使用できる樹脂が限定されない摩擦材原料造粒物の製造方法と、その摩擦材原料造粒物を使用して製造した摩擦材を提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために本願の摩擦材原料造粒物の製造方法は、結合材を含む複数の素材を混合して造粒する摩擦材原料造粒物の製造方法において、前記結合材の一部を除いた状態で複数の素材を混合して造粒し、造粒された摩擦材原料造粒物に前記除いておいた結合材を粉末の状態で混入して撹拌することを特徴としている。

摩擦材に混入される結合材の２０〜９７体積％を摩擦材を造粒する際に混入し、残余の３〜８０体積％を成形された摩擦材原料造粒物に粉末状にして混合した構成としたり、前記粉末状の結合材の全量が、摩擦材原料造粒物に付着する構成としたりすることができる。

有機、無機、金属などの繊維材と、グラファイト、硫酸バリウムなどの摩擦調整材と、天然ゴムなどの充填材と、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂からなる結合材を所定の割合で混合して粉末状の原料混合物とする。このとき、結合材については、所定の投入割合より少なくし、残りの分は粉末にして分けておく。

混合された粉末状原料混合物を、乾式造粒法、湿式造粒法、転動流動式造粒法あるいは、特願２００４−３３４３４２号に記載の方法等、いずれかの方法によってタブレット状に造粒する。この造粒された摩擦材原料造粒物に、残りの結合材の粉末を混合し、撹拌する。この粉末は、ファンデルワールス力、静電力、結合材や摩擦材原料に含まれる微量な水分の接着力などにより摩擦材原料造粒物の表面や窪みなどに付着する。粉末状の結合材の量が適当であれば、結合材はすべて粒子状摩擦材に付着し、偏析する粉末状結合材は発生しない。

本発明の摩擦材原料造粒物の製造方法によれば、タブレット状に造粒することで、摩擦材の素材を均一にすることができるとともに、摩擦材原料造粒物の表面には、ほぼ均一な分布で粉末状の結合材が付着しているので、加圧・加熱してバックプレートに貼りつけて摩擦材とした場合、摩擦材原料造粒物相互が強力に結合し、亀裂の発生がなくなり、摩擦材として必要な強度を得ることができる。

また、造粒後に追加する粉末状の結合材の量がファンデルワールス力、静電力、結合材や摩擦材原料に含まれる微量な水分の接着力などで付着する量以内であれば、結合材が分離して偏析することも起こらず、素材の均一性を保つことができる。また、造粒後の摩擦材に粉末状の結合材を混合し、撹拌するだけで製造でき、乾燥や調湿などが一切不要で、非常に簡単に製造できる。また、粉末状の結合材を摩擦材原料造粒物に付着させるときに液体を使用しないので、ノボラック型フェノール樹脂のように水の添加によって強度低下する樹脂も問題なく使用することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明による摩擦材の造粒方法を実施するための造粒装置の構成を示す図である。この造粒装置１００は、円筒形状のホッパ１１０、このホッパ１１０の下部に設けられたスクリューフィーダ１２０、スクリューフィーダ１２０の出口に設けられた上下一対の加圧ロール１３０、加圧ロール１３０の出口下方に配置された粉砕機１４０、粉砕機１４０の下部に連結された整粒機１５０とから構成される。

ホッパ１１０内には、螺旋状の撹拌体１１２が回転自在に設けられている。この撹拌体１１２が軸１１４を中心に回転することで、ホッパ１１０内の粉末状原料を撹拌して詰まりを防止し、スムーズにスクリューフィーダ１２０に供給できるようにしている。

スクリューフィーダ１２０は、水平な回転軸１２１に螺旋状の搬送翼１２２を取り付けたもので、ホッパ１１０から投下された粉末状原料ａを撹拌しながら次の加圧ロール１３０に送り込む。

加圧ロール１３０は、上下一対の平行に配置された鋼鉄製のロールからなり、一方のローラが他方のローラに向けて弾性体により圧接され線接触となっており、圧接力は、調整可能で、実施例では、２．４×１０^４Ｎ／ｃｍにセットされていた。そして、物質が加圧ロール１３０を通過すると、板状に圧縮されるようになっている。

粉砕機１４０は、予備粉砕機１４２と本粉砕機１４４の２つの粉砕機を備えている。予備粉砕機１４２は、３枚の粉砕翼を取り付けた回転円板を多数枚回転軸１４２ａに取り付け、粉砕翼が回転軸１４２ａ回りに３重の螺旋を構成するように配置されている。本粉砕機１４４も３枚の粉砕翼に代えて８枚の小さい粉砕翼を有し、各粉砕翼が回転軸１４４ａの回りに８重の螺旋を形成するように構成されている。これらの粉砕翼が、回転することで物体を細かな粒子状に粉砕するのである。

整粒機１５０は、６角柱の各辺に押圧板１５２を取り付けたもので、押圧板１５２の外側に金網１５４を設けている。粉砕機１４０で粉砕された粒子状物を、押圧板１５２で金網１５４に押しつけ、粒子を破砕しながら金網１５４の目を通過させ、一定の粗さの粒子状物体にする。

次に、摩擦材の造粒方法を説明する。
ホッパ１１０内には、粉末状原料ａが投入される。粉末状原料ａは、繊維材、充填材、結合材等を混合したものである。粉末状原料ａには、０．１〜５．０重量％以下の溶剤を添加する。溶剤としては水を使用している。粉末状原料ａに粘着性物質を加えると、添加量は、５重量％以下であればよく、下限としては０重量％、すなわち無添加でもよい。粘着性物質の有無に関わりなく最も好ましい添加量は、２〜３重量％である。

なお、溶剤として水を使用する場合、粉末状原料ａの各素材に含まれている水との関係が問題となる。ここで、粉末状原料ａに含まれる水分は２０℃、関係湿度６５％において平衡状態となったときの水分率とし、ここで添加する水は、水分は２０℃、関係湿度６５％において平衡状態となったときの水分率を含有する粉末状原料ａに添加される量を示すものとする。

繊維材としては、有機繊維、無機繊維、金属繊維が使用され、有機繊維としては、アラミド繊維、セルロース繊維、アクリル繊維などがあり、無機繊維としては、ロックウール、ガラス繊維、セピオライトなどがあり、金属繊維としてはステンレススチール繊維、スチール繊維、銅繊維、真鍮繊維、青銅繊維などが挙げられる。

充填材は、増量目的や、潤滑特性を付与して安定した摩擦を得られるようにするためのもので、金属片/金属粉、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、グラファイト、粘着性有機充填材としてＮＢＲなどの合成ゴムや天然ゴムなどが使用される。

結合材は、繊維材や充填材を結びつけるもので、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂が使用される。この発明では、摩擦材に含まれる結合材の量は、１０〜２０体積％程度であるが、この発明では、ここで混入される結合材は、混入される量の２０〜９７体積％程度だけとし、残りの３〜８０体積％は粉末状のまま別に分けておく。２０体積％未満とすると、結合材の存在が片寄り、偏析と似た現象が現れ、摩擦材の均一性が損なわれることにより、強度が低下するからである。また、９７体積％を越えると、粒子状に造粒した後から付加する粉末状の結合材の量が少なくなり、摩擦材としたときに亀裂が発生しやすくなったり、強度を得られないからである。

このような素材を混合した粉末状原料ａをホッパ１１０内に投入する。ホッパ１１０内に投入された粉末状原料ａは、多量に空気を含んでおり、この粉末状原料ａは、緩やかにホッパ１１０内を降下していく。この過程で上部に堆積する原料の圧力を受けて脱気される。

脱気された粉末状原料ａは、途中でアーチ状に固まってしまうことがあるので、撹拌体１１２が撹拌することでこれを防止している。粉末状原料ａはホッパ１１０内を降下して、スクリューフィーダ１２０に達する。

ホッパ１１０内の粉末状原料ａの量が一定量以上あれば、スクリューフィーダ１２０に供給される粉末状原料ａも一定量となる。スクリューフィーダ１２０は粉末状原料ａを加圧ロール１３０に向けて撹拌しながら搬送し、加圧ロール１３０の入口に設けられた供給箱１３２に押し込まれる。

供給箱１３２に押し込まれた粉末状原料ａは、加圧ロール１３０の間に入り脱気され、粘着性充填材の粘着力によって、帯状原料ｂとなる。帯状原料ｂは、加圧ロール１３０を出ると、下方にある粉砕機１４０に入る。粉砕機１４０に入った帯状原料ｂは、予備粉砕機１４２で目の粗い粒子状となり、本粉砕機１４４でさらに細かく粉砕される。

そして、整粒機１５０に入り、押圧板１５２で金網１５４に押し付けられ、網目の大きさに粒の揃った粒子状原料ｃとなる。この造粒装置１００で形成された粒子状原料ｃは、鱗片状になっている。ここで、鱗片状とは、中央が厚く、周辺が薄くなった平らな板状を指している。

前記の造粒装置１００では、加熱装置が無く、加熱は一切していない。加圧ロール１３０で加圧されることによって、若干の熱が発生するが、６０℃程度が限度であり、熱硬化性樹脂を溶融させることはない。

粉末状原料ａ内には、ＮＢＲ等の粘着性物質が含まれている。粉末状原料ａが圧縮されるとき、この粘着性物質が他の物質にくっついて固体状の帯状原料ｂになる。粘着性物質は、軟らかい粘度のような感じで他の物質に貼り付き、接着剤的な機能を果たすが、加熱を受けていないので、粒子状原料ｃは粉末状原料ａと同様に予備成形が可能となる。

また、粒子状原料ｃになると、ＮＢＲなどの粘着性物質は単独で存在せずに他の物質に貼り付いた状態となっている。そのため、金型の内壁に貼り付くことがなくなり、予備成形時の型崩れが生じなくなるものと考えられる。

前記実施例は、加圧ロール１３０の間に粉末状原料ａを通過させることとしたが、粉末状原料ａをプレス用金型内に投入し、プレス機で圧力を加えることで、帯状原料ｂのような固化された原料を作成し、これを適当な手段によって粉砕して造粒することも可能である。この場合も、溶剤は無添加ないし５重量％以下の微量の添加であり、かつ、加熱もしない。通常の予備成形品の製造の場合、粉末状原料ａに加える圧力は、２０〜７０ＭＰａであるが、本発明で造粒する場合は、これの数倍高い圧力で５０〜３００ＭＰａである。この圧力は、前記加圧ロール１３０に加わる圧縮力の、５×１０^３〜３×１０^４Ｎ／ｃｍと実質的に同程度と考えられる。

本発明の造粒方法で形成される粒子は、径が１〜４ｍｍ程度が望ましい。４ｍｍを越えると擦り切り性が低下し、１ｍｍ未満であると、繊維成分が切断されてしまうからである。

上記の実施例は粘着性物質を含むものであるが、粘着性物質を添加しない粉末状原料についても造粒をしたところ、０．１〜５．０重量％の溶剤が添加されれば、粘着性物質を添加した場合と同様に造粒することができた。これは、上述したように、本発明の造粒方法では、通常の予備成形より数倍高い圧力を加えるためと考えられる。

こうして造粒された粒子状摩擦材に、前記取り分けておいた３〜８０体積％の結合材の粉末を混合し、撹拌する。結合材は粒子状摩擦材が１〜４ｍｍ程度の径であるのに対し、０．００５〜２０００μｍ程度と非常に小さいので、ファンデルワールス力、静電力、結合材や摩擦材原料に含まれる微量な水分の接着力などにより、粒子状摩擦材の表面や表面にある凹部内に吸着される。追加された結合材の全量が粒子状摩擦材の表面に付着し、結合材の粉末として偏析しないようにすることが望ましい。

このようにして製造された粒子状摩擦材は、加圧、加熱してバックプレートに貼りつけたとき、摩擦材原料造粒物の表面に付着した結合材がすべて溶融して硬化し、ブレーキパッドなどの摩擦材として必要な強度を得ることができる。

なお、造粒方法としては、上記の実施例の方法に限定されず、従来から行われている乾式造粒法（例えば特許文献１）や湿式造粒法（例えば特許文献２）や転動流動法（例えば特許文献３）を採用可能で、これらによって造粒された摩擦材原料造粒物に粉末状の結合材を添加すればよい。

〔実施例〕
本発明の実施例を表１に、比較例を表２に示す。製品の亀裂の発生具合を目視にて確認し、製品の剪断強度をＪＡＳＯＣ４２７に従い測定した。表１及び表２における評価の欄の記号の意味は以下の通りである。
亀裂の有無
○ 亀裂無し
△ 微細な亀裂有り
× 大きな亀裂有り
剪断強度
◎ ５ＭＰａ以上
○ ５ＭＰａ未満、４ＭＰａ以上
△ ４ＭＰａ未満、３ＭＰａ以上
× ３ＭＰａ未満

実施例１〜１２
表１の第１組成は、実施例１〜１２の摩擦材原料と、各原料の混合率（体積％）を示している。これらに記載の第１組成の摩擦材原料を、図１の造粒装置を用いて２．４×１０^４Ｎ／ｃｍで圧縮、粉砕、破砕することにより造粒し、後から加える結合材として第２組成のノボラック型フェノール樹脂の粉末を添加、混合・攪拌して摩擦材原料造粒物を得た。この摩擦材原料造粒物を熱成形用型に投入し、バックプレートを重ね、成形温度１７０℃、成形圧力２０ＭＰａの条件下で１０分間加熱加圧成形し、２５０℃で５時間熱処理（後硬化）を行ない、塗装、焼き付け、研磨して、実施例１〜１２のブレーキパッドを得た。

実施例１〜３は、結合材の添加量は、第１組成と第２組成を合わせて１０体積％である。実施例４〜８は同じく１５体積％、実施例９〜１２は２０体積％である。これらの１０〜２０体積％という数字は、従来の摩擦材原料に添加される量と同じ範囲にある。

実施例１〜１２の全てで、亀裂は見られなかった。しかし、実施例３及び実施例８に示すように、造粒後に加える結合材が、全結合材の１体積％になると、剪断強度が低下することが分かった。この割合が３体積％以上であれば、問題がなく、３０〜５０体積％になると剪断強度が最も大きくなり、望ましい範囲と考えられる。

比較例１〜３
表２に記載の第１組成の摩擦材原料を図１の造粒装置を用いて２．４×１０^４Ｎ／ｃｍで圧縮、粉砕、破砕することにより摩擦材原料造粒物を得た。この比較例１〜３では、第２組成が０であり、造粒後に結合材を加えていない。この摩擦材原料造粒物を熱成形用型に投入し、バックプレートを重ね、成形温度１７０℃、成形圧力２０ＭＰａの条件下で１０分間加熱加圧成形し、２５０℃で５時間熱処理（後硬化）を行ない、塗装、焼き付け、研磨して、比較例１〜３のブレーキパッドを得た。その結果、結合材の添加率は実施例１〜１２と同じ範囲であるにも拘わらず、微細な亀裂ができ、剪断強度も低下した。これによって、本発明の造粒後に結合材を添加する方法が優れていることが分かる。

比較例４
表２に記載の第１組成の摩擦材原料を、図１の造粒装置を用いて２．４×１０^４Ｎ／ｃｍで圧縮、粉砕、破砕することにより造粒したものに、水を添加しながら第２組成のノボラック型フェノール樹脂を転動流動して得られた摩擦材原料造粒物を、熱成形用型に投入し、バックプレートを重ね、成形温度１７０℃、成形圧力２０ＭＰａの条件下で１０分間加熱加圧成形し、２５０℃で５時間熱処理（後硬化）を行ない、塗装、焼き付け、研磨して、比較例４のブレーキパッドを得たが、微細な亀裂ができ、剪断強度も低下した。ノボラック型のフェノール樹脂が、水を吸収して赤化劣化したためと考えられる。

本発明の粒子状摩擦材の造粒方法の一例を示す図である。

符号の説明

ａ粉末状原料
ｃ粒子状原料
１００造粒装置

Claims

結合材を含む複数の素材を混合した摩擦材原料混合物を造粒する摩擦材原料造粒物の製造方法において、前記結合材の一部を除いた状態で複数の素材を混合して造粒し、造粒された摩擦材原料造粒物に前記除いておいた結合材を粉末の状態で混入して撹拌することを特徴とする摩擦材原料造粒物の製造方法。
摩擦材に混入される結合材の２０〜９７体積％を摩擦材を造粒する際に混入し、残余の３〜８０体積％を成形された粒子状摩擦材に粉末状にして混合したことを特徴とする請求項１記載の粒子状摩擦材の製造方法。
前記粉末状の結合材の全量が、摩擦材原料造粒物に付着することを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦材原料造粒物の製造方法。
請求項１〜３記載の方法で得られた摩擦材原料造粒物を加熱加圧成形してなる摩擦材。