专利名称：氧化的钢纤维-聚合物的增强基体的制作方法
技术领域：
本发明涉及在制动器中所用的摩擦材料的聚合物基体，在该聚合物基体中，经氧化物的钢纤维增强了基体，在制动过程中，为摩擦材料提供承受动态力的强度。
在制动器中所用的以有机物为主体的摩擦材料中，所用的酚醛树脂基体已用石棉来增强以便使其具有足够的结构强度来承受制动过程中所造成的动态负载。在发现石棉尘粒对人体可能会引起某些医学上的问题时，对一种新的增强材料的需要就变得明显了。已经认为玻璃纤维、碳纤维和钢纤维可以替代石棉。经过许多评估，从价格、磨损和噪声方面考虑，钢纤维被认为是最满意的代用品。但遗憾的是，树脂基体与钢纤维之间的结合力没有象与石棉之间的结合力那样强，结果是，用于以有机物为主体的摩擦材料的钢纤维增强的酚醛树脂基体的结构强度可能比相应的石棉增强的摩擦材料的要弱。
美国专利第4369263号公开了一种用固体树脂涂层预处理钢纤维以增强树脂基体与钢纤维之间的结合的方法，其中揭示的摩擦材料可以满足许多制动器系统的需要。但遗憾的是，要求在生产摩擦材料之前用酚醛树脂预处理钢纤维的努力对这类材料来说可能太昂贵以致于没有竞争性。
已经发现，钢纤维和酚醛树脂之间的结合可以通过氧化钢纤维来提高。在本发明中，钢纤维是用洗涤剂清洗，并用酮洗以去除钢纤维上的油脂。将清洗过的钢纤维放在约450℃的炉子里，并在炉子里保留大约1小时以氧化其表面。在这期间，可加进水蒸气以加强氧化作用。当将钢纤维从炉子里取出时，其整个表面具有明显均匀的氧化层，呈暗蓝色。这种氧化的钢纤维片是通过用树脂浸渍该钢纤维制成的，随后放在模子中固化。当把氧化的钢纤维和树脂间的结合通过剪切试验与基本不氧化的钢纤维和树脂间的结合相比较时，由于使用了氧化的钢纤维，其结合作用的提高达到约40%。
本发明的优点在于通过氧化钢纤维来提高与聚合物之间的结合，从而增加了摩擦材料的结构强度足以承受与制动过程相关的动态负载。
本发明的一个目的是提供一种用于摩擦材料的钢纤维，该钢纤维是通过加热至约450℃的温度约1小时而被氧化的。氧化的钢纤维增强了与酚醛树脂间的粘接结合从而限定了用于制动器衬里的基质结构足以承受制动过程中的动态负载。
通过阅读本说明书和附图
，上述目的和优点就应是显而易见的，在附图中，这单个图是该方法的示意图，通过这个方法，氧化钢纤维，制出生产所到的氧化钢纤维并大大地提高了与聚合基体的结合。
用于制动器衬里的摩擦材料通常是由填充物、摩擦改性剂和树脂基体中的增强材料组成的。在制动过程中，生成的热能和所产生的动态负载可导致摩擦材料的结构的破裂。当摩擦材料由于结构应力而破坏时，其增强材料被从酚醛基体中分离开来，而不是增强纤维的各个股或单丝的实际的破坏。
为了评价氧化的钢纤维与树脂基体之间建立的结合关系，我们发明了下列方法，该方法在附图中加以说明。
将一卷具有各别单丝直径为11毫米的钢丝(钢琴丝)10和一定数量的切细的钢绒纤维12置于洗涤浴池14中清洗以去除钢丝和纤维上的油或脂。利用水浴池16从钢丝去除洗涤剂或在某些场合中，利用鼓风机17、17′来充分地干燥清洗过的钢丝和纤维。然后将洗涤剂清洗过的钢丝和纤维进一步在酮(比如丙酮)浴池18中洗涤以进一步去除油、脂和所有其他可能存在在钢丝和纤维上的讨厌之物。把洗涤过的钢丝10和纤维12进行空气干燥，然后将其分成大约是等量的二份20、22和24、26。
将钢丝的20部分和钢纤维24部分放进炉28中，其中在一个小时之内把温度升至450℃。然后，将炉28的温度保持在450℃1个小时，再在1个小时之内冷却至室温。经这样处理之后，钢丝20和钢纤维单丝24被氧化，并呈暗蓝色外观。
样品30、30′…30约5厘米长，是从氧化过的钢丝卷20上切下的;样品32、32′…32约5厘米长，是从清洗过的钢丝卷22上切下的。
将样品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分别位于球形或微凹形部位40和42的顶部。将酚醛树脂放入微凹处40和42之中，并让其干燥。接着将盖44维系在部件46上以关闭室48。装上阀49和51以提供气源(氮气)，室48是充有压力约为100磅/平方英寸(kg/cm)氮气。装置器或部件46被放在约150℃的炉50内一个小时以固化酚醛树脂52。
当将样品30和32从装置器(Fixture)38中去除时，圆顶状的树脂53沿着钢丝30和32连接，平均长度为“1”或1.3厘米，基部直径为“d”或4厘米。
为了评价树脂圆顶53和钢丝表面之间在样品30和32的结合程度，我们设计了一个将钢丝从树脂圆顶53中抽出的试验。下式被用来测量剥离所需的力S＝P/πdl其中“l”为涂有树脂的钢丝的长度“d”为丝直径“P”为钢丝/树脂在剥离时的载荷对16个氧化的钢丝30的样品和16个氧化的清洁的钢丝32的样品进行这个试验。氧化过的钢丝样品30的计算的应力值为从高至3840磅/平方英寸到低至2680磅/平方英寸不等，平均值为3260磅/平方英寸。清洁的钢丝样品32的计算应力值为从高至3000磅/平方英寸到低至1600磅/平方英寸，平均值为2300磅/平方英寸。以平均值计算，当钢丝被氧化的时候，单丝的钢丝/树脂的剥离强度的提高量达到40%。
上面所述的试验表明，通过钢丝表面的氧化作用，单根钢丝和树脂之间的剥离强度和结合强度有显著的提高。为了更确切地分析摩擦材料中的结合强度，以下述方式评价部分24和26的钢纤维。
将第一簇碳纱60放入一个浅盘中，并用酚醛树脂的乙醇溶液浸渍。把一定数量的氧化的钢纤维24均匀地放在碳砂60上，并加上一些树脂以完全将氧化的钢纤维24浸没。将第二簇碳纱62放在氧化过的钢纤维24上，并再加入一些酚醛树脂。把制成的板64进行空气干燥约2小时，然后将其移到模子中，对其加压500磅/平方英寸或3.5兆帕10分钟。将模子加热至约150℃约20分钟固化酚醛树脂，限定在碳表层60和62之间夹有金属纤维的夹板64，并保留在酚醛树脂基体55内以得到板64。
以同样方式用清洁的钢纤维26制备板66。
将板64和66切成约1/2英寸宽、1英寸长、平均厚度为0.125英寸的样品。用美国材料测试标准(ASTM)对具有长厚比为4∶1的标准短束剪切试验样品进行试验。由于树脂基体55与钢纤维24分离，板64的所有样品在钢纤维增强核心中都失败。氧化了的钢纤维增强板64的测定剪切强度为从高至7300磅/平方英寸到低至6460磅/平方英寸，平均剪切强度为6800磅/平方英寸。清洁的钢纤维增强板66的测定剪切强度从高至5100磅/平方英寸到低至4600磅/平方英寸，平均剪切强度为4850磅/平方英寸。以剪切强度的平均值计算，通过采用氧化的钢纤维，结合强度的提高达到40%。
由于某些摩擦材料包括增强纤维的组合，因此可以决定将钢纤维和玻璃纤维进行比较。将玻璃纤维簇68切成长3英寸或7.6厘米，将玻璃纤维簇68中的所有束按长(线性)度方向放置，并将其放到模子中。把这种玻璃簇68用酚醛树脂的乙醇溶液浸渍，比如，50克酚醛树脂在5毫升乙醇的溶液。接着，将氧化的钢纤维24的样品放在玻璃纤维簇68的上面，并将酚醛树脂倒在氧化的钢纤维24上。将第二簇玻璃纤维72放在钢纤维74上并用酚醛树脂55浸渍整个组合件。整个组合件进行空气干燥约12小时，以让乙醇挥发。然后，将其放入模压器内加热至150℃。施加压力500磅/平方英寸或3.5兆帕，再让树脂基体55固化约20分钟，以得到板74。板74的外形尺寸为3英寸×3英寸×0.125英寸。以相同方法，用清洁的钢纤维26和玻璃簇68和70制成板76。
把板74和76切成0.5英寸宽和英寸长的样品使得长厚比为4∶1。用ASTM的短束剪切试验测试样品。板74的氧化的样品的测量剪切强度为从高至5300磅/平方英寸到低至4670磅/平方英寸，平均剪切强度为4980磅/平方英寸。板76的样品的测量剪切强度为从高至4440磅/平方英寸到低至3840磅/平方英寸，平均剪切强度为4140磅/平方英寸。以平均剪切强度计算，利用氧化的钢纤维，结合强度的提高达到20%。
上述实例说明用经过氧化的钢纤维制成的摩擦材料，在贴于背衬片82制造成制动器衬里84时可提供足够的强度，在制动过程中足以承受动态负载。
权利要求
1.一种用于制动器的摩擦材料，它包括作为聚合物基体组合物的主要增强材料的钢纤维，其特征在于所述的钢纤维是经氧化的，以增加与聚合物基体的表面粘合力和相应地增加摩擦材料的强度和耐磨性。
2.按照权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于所述的钢纤维是通过用洗涤剂洗涤以去除可能存在于钢纤维上的任何油或脂由此来加强氧化作用而进行预处理。
3.按照权利要求2所述的摩擦材料，其特征在于所述的钢纤维是通过在丙酮浴中洗涤以进一步去除其表面上的任何油或脂来进一步加强氧化作用来进行预处理。
4.按照权利要求3所述的摩擦材料，其特征在于所述的钢纤维是通过暴露于热空气中来增加氧化作用而进行预处理。
5.按照权利要求4所述的摩擦材料，其特征在于所述的钢纤维是保留在所述的热空气中约1个小时来完成氧化作用的。
6.按照权利要求4所述的摩擦材料，其特征在于所述的钢纤维的预处理是在已经通入水蒸气的气氛中进行以进一步提高其表面的氧化作用。
7.按照权利要求6所述的摩擦材料，其特征在于所述的氧化作用预处理是在大约450℃的温度下进行。
全文摘要
一种具有钢化纤维(24)来增强聚合物基体(55)的汽车制动器所用的摩擦材料(80)，特征在于其中的钢纤维(24)在约450℃的炉中进行预处理以氧化钢纤维(24)的表面。氧化钢维(24)的表面可增加其表面与聚合物基体(55)的粘合力和当用在摩擦材料(80)中时可相应增加强度和耐磨性。
文档编号C08J5/14GK1045799SQ8910157
公开日1990年10月3日 申请日期1989年3月18日 优先权日1988年4月28日
发明者伊戈尔·帕利, 安特尼·西格诺利, 威廉·伯格 申请人:阿莱德公司