(57)【要約】【課題】改良された“耐シャダ”、耐“ホットスポット”性、高い耐熱性、高い摩擦安定性及び耐久性、並びに強度を有する摩擦材料を提供する。【解決手段】基材、少なくとも１つのタイプの樹脂材料、及び少なくとも１つのタイプのナノ粒子サイズの摩擦調整粒子を含む摩擦材料である。【選択図】　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材及び少なくとも１つのタイプの樹脂材料を含む第１の層、並びに基材の上面の少なくとも１つのタイプのナノ粒子サイズの摩擦調整粒子を含む第２の層を含む、摩擦材料。
【請求項２】
前記ナノ粒子サイズの摩擦調整粒子の層は厚さ約１０ｎｍ〜約２５０μｍを有する、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項３】
前記ナノ粒子サイズの摩擦調整粒子は、平均直径サイズ約１０ｎｍ〜約１５０ｎｍを有する、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項４】
前記ナノ粒子層は前記基材の約３〜約９９面積％を被覆する、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項５】
前記ナノ粒子は前記基材の約３〜約２０面積％を被覆する、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項６】
前記ナノ粒子は、前記基材を構成する個別の繊維及び／または充填材を少なくとも部分的に被覆する、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項７】
前記摩擦調整粒子はシリカ粒子を含む、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項８】
前記摩擦調整粒子は、シリカ粒子及び少なくとも１つの他のタイプのナノ粒子サイズの摩擦調整粒子を含む、請求項７に記載の摩擦材料。
【請求項９】
前記摩擦調整粒子はケイソウ土を含む、請求項７に記載の摩擦材料。
【請求項１０】
前記摩擦調整粒子は炭素粒子とシリカ粒子との混合物を含む、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項１１】
前記シリカナノ粒子は不規則な形状を有する、請求項７に記載の摩擦材料。
【請求項１２】
シリカの粒子は約１０ｎｍ〜約１５０ｎｍの範囲にわたる直径サイズを有する、請求項７に記載の摩擦材料。
【請求項１３】
摩擦調整ナノ粒子は金属酸化物を含む、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項１４】
前記摩擦調整ナノ粒子は窒化物を含む、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項１５】
前記摩擦調整ナノ粒子は炭化物を含む、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項１６】
前記基材は繊維質基材を含む、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項１７】
前記基材は不織布繊維質材料である、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項１８】
前記基材は織物状繊維質材料である、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項１９】
前記基材は、約１５〜約２５％の綿、約４０〜約５０％のアラミド繊維、約１０〜約２０％の炭素繊維、約５〜約１５％の炭素粒子、及び約５〜約１５％のセライトを含む、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項２０】
摩擦材料の上層は、前記基材中の繊維及び／または充填材料に堆積したナノ粒子サイズのシリカ摩擦調整粒子を含む、請求項１９に記載の摩擦材料。
【請求項２１】
前記基材は平均細孔直径約５〜約７μｍを有する、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項２２】
前記基材は、約１０〜約５０重量％のより少なくフィブリル化したアラミド繊維、約１０〜約３５重量％の活性炭粒子、約５〜約２０重量％の綿繊維、約２〜約１５重量％の炭素繊維、及び約１０〜約３５重量％の充填材料を含む、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項２３】
前記樹脂は、少なくとも１種のフェノール樹脂、少なくとも１種の変性フェノール樹脂、少なくとも１種のシリコーン樹脂、少なくとも１種のシリコーン変性樹脂、少なくとも１種のエポキシ樹脂、少なくとも１種のエポキシ変性樹脂、及び上記の混合物を含む、請求項１に記載の摩擦材料。
【請求項２４】
前記樹脂は、少なくとも１種のフェノール樹脂と少なくとも１種のシリコーン樹脂との混合物を含み、該樹脂混合物中のシリコーン樹脂の量は、前記樹脂混合物の重量を基準として約５〜約８０重量％の範囲にわたる、請求項２３に記載の摩擦材料。
【請求項２５】
前記フェノール樹脂は、溶媒材料中に存在し、前記シリコーン樹脂は、前記フェノール樹脂の前記溶媒材料と相溶性がある溶媒材料中に存在する、請求項２３に記載の摩擦材料。
【請求項２６】
前記シリコーン−フェノール樹脂混合物中に存在するシリコーン樹脂の量は、前記混合物の重量を基準として約２０〜約２５重量％の範囲にわたる、請求項２３に記載の摩擦材料。
【請求項２７】
前記シリコーン−フェノール樹脂混合物中に存在するシリコーン樹脂の量は、前記混合物の重量を基準として約１５〜約２５重量％の範囲にわたる、請求項２３に記載の摩擦材料。
【請求項２８】
前記変性フェノール樹脂は、少なくとも１種のエポキシフェノール樹脂を含む、請求項２３に記載の摩擦材料。
【請求項２９】
前記エポキシフェノール樹脂中に存在するエポキシ樹脂の量は、前記エポキシフェノール樹脂の重量を基準として約５〜約２５重量％の範囲にわたる、請求項２３に記載の摩擦材料。
【請求項３０】
前記エポキシフェノール樹脂中に存在するエポキシ樹脂の量は、前記エポキシフェノール樹脂の重量を基準として約１０〜約１５重量％の範囲にわたる、請求項２３に記載の摩擦材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つのタイプの硬化可能な樹脂で飽和させた基材を含む第１の層すなわち下層と、摩擦調整材料のナノ粒子を含む少なくとも１つのタイプの摩擦調整粒子を含む第２の層すなわち上層とを有する摩擦材料に関する。本発明の摩擦材料は、高い摩擦係数特性、非常に良好な耐シャダ特性（すなわち、優れたｄｕ／ｄｖ勾配特性）及び極めて高い耐熱性を有する。本摩擦材料はまた、改良された強度、多孔性、耐摩耗性及び耐ノイズ性を有する。
【０００２】
【従来の技術】
連続スリップトルクコンバータとシフティングクラッチシステムとを有する新しくかつ先進の連続トルクトランスミッションシステムが、自動車業界により開発されつつある。こうした新システムはしばしば、高エネルギー要件を伴う。従って、摩擦材料技術をも開発することで、こうした先進のシステムのますます増大しつつあるエネルギー要件を満たさなければならない。
【０００３】
特に、新しく高性能で耐久性のある摩擦材料が必要である。新しい摩擦材料は、表面速度が約６５ｍ／秒にまでなるような高速度に耐えることができなければならない。また摩擦材料は、約１５００ｐｓｉまでの高フェーシングライニング圧力に耐えることができなければならない。また摩擦材料は、限定された潤滑条件下で有用であることも重要である。
【０００４】
先進のシステムにおいて有用であるためには、摩擦材料は、耐久性がありかつ高い耐熱性を有しなければならない。摩擦材料は、高温で安定であり続けなければならないだけではなく、使用条件下で発生する高熱を迅速に放散できなければならない。
【０００５】
新システムの係合及び切り離しの最中に高速度が生じているということは、摩擦材料は、係合の間じゅう終始比較的一定の摩擦を維持できなければならないということを意味する。摩擦係合が、広範囲の速度と温度とにわたって比較的一定であり、それにより、制動の最中の材料の“シャダリング”または１つのギヤから別のギヤへのパワーシフトの最中のトランスミッションシステムの“シャダリング”を最小にすることが重要である。また摩擦材料は、摩擦係合の間中、摩擦材料にノイズまたは“甲高い音”が生じないように、所望のトルク曲線形状を有することも重要である。
【０００６】
特に、トランスミッションシステム及びトルクオンデマンドシステムは、主として燃料効率及び運転の快適さのために、スリッピングクラッチを取り入れている。こうしたシステム内部のスリップクラッチの役割は、車両発進装置の例えば湿式スタートクラッチからトルクコンバータクラッチまで変化する。動作条件によって、スリップクラッチは、次の３つの主要なクラスに区分することができる：（１）低圧及び高スリップ速度のクラッチの例えば湿式スタートクラッチ；（２）高圧及び低スリップ速度のクラッチの例えばコンバータクラッチ；及び（３）極低圧及び低スリップ速度のクラッチの例えばニュートラルからアイドルのクラッチ。
【０００７】
スリップクラッチの全ての用途に関わる主要な性能の関心事は、シャダの予防及び摩擦界面のエネルギー管理である。シャダの発生は、摩擦材料の摩擦特性、かみ合う面（ｍａｔｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ）の硬さ及び粗さ、油膜の保持、潤滑剤の化学的性質及び相互作用、クラッチの動作条件、動力伝達装置の組み立て及びハードウェアの心合わせ、並びに動力伝達装置の汚染を含む多くの要因によるとすることができる。摩擦界面のエネルギー管理は、主として界面温度の制御と関係があり、ポンプ容量、油の流れの経路及び制御方法によって影響される。摩擦材料表面の設計も、界面エネルギー管理の効率に寄与する。
【０００８】
以前には、温度安定性のためにアスベスト繊維を摩擦材料中に含ませていた。健康及び環境の問題が原因となって、アスベストはもはや使用されていない。より最近の摩擦材料においては、含浸用の紙または繊維材料を、フェノール樹脂またはフェノール変性樹脂類を用いて修正することで、摩擦材料中にアスベストの無いことを克服しようと試みてきた。しかしながらこうした摩擦材料は、発生した高熱を迅速に放散せず、かつ、現在開発中の高速度システム中に使用するために現在必要とされる、必要な耐熱性と満足の行く高摩擦係数性能とを有していない。
【０００９】
Ｓｅｉｔｚの米国特許第５，０８３，６５０号参考文献は、多工程の含浸及び硬化方法を含む；すなわち、紙にコーティング組成物を含浸させ、炭素粒子を紙表面に置き、紙中のコーティング組成物を部分的に硬化し、第２のコーティング組成物を、部分的に硬化済みの紙に施用し、最後に両方のコーティング組成物を硬化する。
【００１０】
様々な紙ベースの繊維質材料が、摩擦材料中に使用するために開発されており、これは、本発明における譲受人であるボーグワーナーＩｎｃ．（ＢｏｒｇＷａｒｎｅｒ　Ｉｎｃ．）によって共有されている。この参考文献を、本明細書において参考のために完全に引用する。
【００１１】
特に、Ｌａｍ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許第５，９９８，３０７号は、硬化可能な樹脂を含浸させた一次繊維質基材を有する摩擦材料に関し、ここで、多孔質の一次層は、少なくとも１種の繊維質材料を含み、二次層は、一次層の表面の少なくとも約３〜約９０％を被覆する炭素粒子を含む。
【００１２】
Ｌａｍ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許第５，８５８，８８３号は、より少なくフィブリル化したアラミド繊維、人造黒鉛、及び充填材の一次層と、一次層の表面の炭素粒子を含む二次層と、を有する基材に関する。
【００１３】
Ｌａｍ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許第５，８５６，２２４号は、硬化可能な樹脂を含浸させた基材を含む摩擦材料に関する。一次層は、より少なくフィブリル化したアラミド繊維、人造黒鉛、及び充填材を含み；二次層は、炭素粒子及び歩留まり向上剤を含む。
【００１４】
Ｌａｍ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許第５，９５８，５０７号は、摩擦材料を製造するための方法に関し、ここで、より少なくフィブリル化したアラミド繊維を含む繊維質材料の少なくとも１つの表面の約３〜約９０％に、炭素粒子をコーティングする。
【００１５】
Ｌａｍの米国特許第６，００１，７５０号は、硬化可能な樹脂を含浸させた繊維質基材を含む摩擦材料に関する。多孔質の一次層は、より少なくフィブリル化したアラミド繊維、炭素粒子、炭素繊維、充填材料、フェノールノボロイド繊維、及び所望により綿繊維を含む。二次層は、表面の約３〜約９０％を被覆する炭素粒子を含む。
【００１６】
さらに別の共有されている特許出願第０９／７０７，２７４号は、一次層の表面積の約３〜約９０％を被覆する摩擦調整粒子を有する多孔質の一次繊維質基材層を有する紙タイプの摩擦材料に関する。
【００１７】
加えて、様々な紙タイプの繊維質基材は、共有されているボーグワーナーＩｎｃ．、Ｌａｍ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許第５，７５３，３５６号、及び同第５，７０７，９０５号に説明されており、これは、より少なくフィブリル化したアラミド繊維、人造黒鉛及び充填材を含む基材を説明しており、こうした参考文献も、本明細書において参考のために完全に引用する。
【００１８】
別の共有されているＬａｍの米国特許第６，１３０，１７６号は、より少なくフィブリル化したアラミド繊維、炭素繊維、炭素粒子及び充填材を含む非金属でかつ紙タイプの繊維質基材に関する。
【００１９】
全てのタイプの摩擦材料にとって、“湿式”用途において有用であるためには、摩擦材料は広く様々な許容可能な特性を有しなければならない。摩擦材料は、良好な耐シャダ特性を有しなければならず；高い耐熱性を有し、また熱を速やかに放散できなければならず；長く持続し、安定で、むらのない摩擦性能を有しなければならない。こうした特性のいずれかが満たされない場合、摩擦材料の最適性能は実現されない。
【００２０】
また、適切な含浸用樹脂を摩擦材料中に使用して、高エネルギー用途の摩擦材料を形成することも重要である。摩擦材料は、使用最中にブレーキ液またはトランスミッションオイルが摩擦材料にしみ込んだ時に、使用最中の良好なせん断強度を有しなければならない。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、従来技術のものと比較して信頼性がありかつ改良された特性を有する、改良された摩擦材料を提供することにある。
【００２２】
本発明のさらなる目的は、改良された“耐シャダ”、耐“ホットスポット”性、高い耐熱性、高い摩擦安定性及び耐久性、並びに強度を有する摩擦材料を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
摩擦材料のためのより良好な飽和剤（ｓａｔｕｒａｎｔ）が必要であることを考慮して広範な研究を行った結果、改良された特性を有する摩擦材料が本発明によって開発された。
【００２４】
摩擦材料は、基材及び少なくとも１つのタイプの樹脂材料を含む第１の層、並びに基材の上面の少なくとも１つのタイプのナノ粒子サイズの摩擦調整粒子を含む第２の層を含む。摩擦材料は、厚さ約１０〜約２５０μｍを有するナノ粒子サイズの摩擦調整粒子の層を有することができる。ナノ粒子サイズの摩擦調整粒子は、平均直径サイズ約１０ｎｍ〜約１５０ｎｍを有する。特定の実施例においては、ナノ粒子層は基材の約３〜約９９面積％を被覆し、他の実施例においては、ナノ粒子は基材の約３〜約２０面積％を被覆する。さらに、特定の実施例においては、ナノ粒子は、基材の個別の繊維及び／または充填材を少なくとも部分的に被覆する。
【００２５】
特定の好適な実施例においては、摩擦調整粒子はシリカナノ粒子を含む。
特定の他の実施例においては、摩擦調整粒子は、シリカナノ粒子及び少なくとも１種の他のナノ粒子サイズの摩擦調整粒子をさらに含むことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
上記に検討した要件を実現するために、使用最中に生じる条件と同様の条件下で、多くの摩擦材料を、摩擦と耐熱性特性とに関して評価した。市販の摩擦材料を調査して、高エネルギー用途での使用には適していないことが判明した。
【００２７】
本発明によれば、摩擦材料は、基材と基材の主表面の摩擦調整材料のナノ粒子の実質的に均一な層との全体にわたる、硬化可能な樹脂の均一な分散を有する。本発明によれば、ナノ粒子の層を、繊維質摩擦基材の主表面に堆積させる。基材繊維質層を、ナノ粒子で完全に被覆でき、または他に、ナノ粒子で部分的に被覆できる。いずれの実施例においても、ナノ粒子は内部構造中に浸透し、基材の繊維及び／または充填材成分の表面に接着する。
【００２８】
理論によって束縛されることを望むものではないが、ナノ粒子は、基材の繊維に接着した場合、さらなる機械的強度と摩擦特性の増大とを摩擦材料に与えると考えられている。ナノ粒子は、その極めて小さなサイズが理由となって、また、繊維／充填材自体によって提供される、ナノ粒子と比較して比較的大きな表面積が理由となって、基材中に存在する繊維及び／または充填材の表面に接着する。ナノ粒子が基材中の繊維／充填材と比較して極めて小さなサイズであることは、ナノ粒子が、基材の成分（すなわち、例えば、繊維及び／または充填材）の表面全体に実質的に均一に分布することを可能にする。
【００２９】
表面の上にこのようなナノ粒子を堆積させることの１利点は、摩擦性能が高められる（例えば、より高い摩擦係数、より良好なｍｕ−ｖ勾配、及びその他同様なもの）という点である。
【００３０】
特定の実施例においては、ナノ粒子の直径サイズは、約１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲にわたる。また、特定の実施例においては、ナノ粒子は、ナノ粒子のクラスターを形成する。本発明の１態様によれば、ナノ粒子摩擦調整粒子の上層は、半径方向と垂直方向との両方で基材層よりも低い浸透性を有する緻密なすなわち実質的に無孔質の層を形成する。ナノ粒子摩擦調整粒子の上層のより低い浸透性が理由となって、摩擦材料は、所望の量の流体を上面に保持する。
【００３１】
本発明の別の態様によれば、ナノ粒子摩擦調整粒子の上層は、基材層よりも高い浸透性を有する開放されたすなわち実質的に多孔質の層を形成する。ナノ粒子摩擦調整粒子の上層のより高い浸透性は、摩擦材料が、摩擦材料の上面に所望の量の流体を保持することを依然として可能にし、同時に、所望の特性を有する摩擦材料を与える。
【００３２】
従って、本発明のさらに別の態様は、上記に説明したように新規でミクロ構造化された表面（すなわち、“緻密な”または“多孔質の”ナノ粒子表面）を有する摩擦材料に関する。こうしたナノ粒子すなわちミクロ構造化された表面を有する摩擦材料は、所望の高い摩擦係数、よりロバストな耐シャダ特性、及び極めて高い耐熱性を有する。
【００３３】
特定の実施例においては、本発明は、多孔質のすなわちかさ高（ｌｏｆｔｙ）で開放された基材を有する摩擦材料に関する。摩擦材料は、所望の低密度を有し、樹脂材料が摩擦材料中にしみ込むことを可能にする繊維構造を有する。摩擦材料は、摩擦材料が熱応力及び機械的応力下で申し分なく応答することを可能にする極めて良好な耐熱性と摩擦係数特性とを有する。
【００３４】
別の態様においては、本発明は、ナノ粒子サイズの摩擦調整材料で部分的に被覆された表面を有する“マクロ細孔性（ｍａｃｒｏ　ｐｏｒｏｕｓ）”繊維質基材（例えば織物状基材）に関する。多孔質の基材中の大きな細孔は、ナノ粒子サイズの摩擦調整材料が、多孔質の基材中の空隙または間隙中に沈降することを可能にする。本発明のマクロ細孔性摩擦材料においては、大きな細孔は、流体中の汚染物が摩擦材料を容易に通過することを可能にする。当業者には周知のように、潤滑は時間と共に劣化し、破片が生成する。本発明の摩擦材料は、摩擦材料の摩擦挙動を、摩擦材料の耐用寿命の間じゅう終始一定に維持する。
【００３５】
本発明の１態様においては、基材の平均空隙容量は約４０〜約８０％である。特定の実施例においては、基材は、平均細孔／空隙／間隙直径約２〜約１０μｍを有し、平均直径約５〜約７μｍを有する。
【００３６】
さらに、特定の実施例においては、摩擦調整粒子はシリカのナノ粒子を含み、他の実施例においては、ナノ粒子は、他の摩擦調整粒子の混合物を組み合わせることができる。
【００３７】
さらに他の実施例においては、摩擦調整粒子はまた、他の摩擦調整粒子の例えば金属酸化物、窒化物、炭化物を含むことができ、さらなる実施例においては、炭素粒子とシリカ粒子との混合物を含むことができる。こうした実施例としては、例えば、シリカ酸化物、酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化チタン及びその他同様なもの；シリカ窒化物、窒化鉄、窒化アルミニウム、窒化チタン及びその他同様なもの；並びにシリカ炭化物、炭化鉄、炭化アルミニウム、炭化チタン及びその他同様なものが挙げられることは、本発明の予測される範囲内である。
【００３８】
様々な基材が本発明の摩擦材料において有用であり、こうした基材としては、例えば、布材料、織物状材料及び／または不織布材料を含む非アスベスト基材が挙げられる。適切な基材としては、例えば、繊維及び充填材が挙げられる。繊維は、有機繊維、無機繊維及び炭素繊維とすることができる。有機繊維は、アラミド繊維の例えばフィブリル化したアラミド繊維及び／またはより少なくフィブリル化したアラミド繊維、アクリル繊維、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、ポリアミド繊維、綿／セルロース繊維及びその他同様なものとすることができる。充填材は、例えば、シリカ、ケイソウ土、黒鉛、アルミナ、カシュー粉（ｃａｓｈｅｗ　ｄｕｓｔ）及びその他同様なものとすることができる。
【００３９】
特定の実施例においては、摩擦材料は、内部に複数の空隙または間隙を有する基材を含む。基材中の空隙のサイズは、０．５μｍ〜約２０μｍの範囲にわたることができる。
【００４０】
特定の実施例においては、基材は、任意の適切な材料の例えば繊維質基材とすることができる。摩擦材料は、基材中の空隙を少なくとも部分的に充填する樹脂材料をさらに含む。樹脂材料は、基材の厚さ全体にわたって実質的に均一に分散する。
【００４１】
特定の実施例においては、基材は繊維質基材を含み、ここで、より少なくフィブリル化した繊維と炭素繊維とを繊維質基材中に使用して、望ましい細孔構造を摩擦材料に与える。繊維の幾何学的形状は、向上した耐熱性を与えるだけではなく、耐層間剥離性と耐スキール性または耐ノイズ性とを与える。また、特定の実施例においては、炭素繊維と炭素粒子との存在は、繊維質基材の耐熱性を向上し、安定した摩擦係数を維持し、耐スキール性を向上する助けとなる。繊維質基材中に比較的少量の綿繊維を含ませて、摩擦材料のクラッチ“慣らし運転”特性を改良することができる。
【００４２】
特定の実施例においては、より少なくフィブリル化したアラミド繊維と炭素繊維とを繊維質基材中に使用することで、高温に耐える摩擦材料の能力が改良される。より少なくフィブリル化したアラミド繊維は一般に、コア繊維に結合したフィブリルをほとんど有しない。より少なくフィブリル化したアラミド繊維を使用することで、より多孔質の構造を有する摩擦材料が得られる；すなわち、典型的なフィブリル化アラミド繊維を使用した場合よりも、より多くのかつより大きな細孔が存在する。多孔質構造は一般に、孔径と液体浸透性とによって定義される。
【００４３】
特定の実施例においては、繊維質基材では、細孔の平均サイズは直径約２．０〜約２５ミクロンの範囲に限定される。特定の実施例においては、平均孔径は直径約２．５〜約８ミクロンの範囲にわたり、摩擦材料は、少なくとも約５０％、特定の実施例においては少なくとも約６０％以上の容易に利用可能な空隙を有した。
【００４４】
また、特定の実施例においては、アラミド繊維は、約０．５〜約１０ｍｍの範囲にわたる長さと約３００を超えるカナダ標準形ろ水度（ＣＳＦ）とを有することが望ましい。特定の実施例においては、ＣＳＦ約４５０〜約５５０、好ましくは約５３０以上；他の特定の実施例においては、約５８０〜６５０以上、好ましくは約６５０以上を有するより少なくフィブリル化したアラミド繊維を使用することも望ましい。それに反して、より多くフィブリル化した繊維の例えばアラミドパルプは、ろ水度約２８５〜２９０を有する。
【００４５】
“カナダ標準形ろ水度”（Ｔ２２７　ｏｍ−８５）とは、繊維のフィブリル化度は、繊維のろ水度の測定値で表わすことができることを意味する。ＣＳＦ試験は、１リットルの水中の３グラムの繊維の懸濁液を排水できる速度の任意の尺度を与える実験的手順である。従って、より少なくフィブリル化したアラミド繊維は、他のアラミド繊維またはパルプよりも高いろ水度すなわち摩擦材料からの流体のより大きい排水速度を有する。約４３０〜６５０（特定の実施例においては、好ましくは約５８０〜６４０、または好ましくは約６２０〜６４０）の範囲にわたるＣＳＦを有するアラミド繊維を含む摩擦材料は、優れた摩擦性能を提供し、また、従来のより多くフィブリル化したアラミド繊維を含む摩擦材料よりも良好な材料特性を有する。繊維長がより大きいことは、高いカナダろ水度に加えて、摩擦材料に高強度、高多孔性及び良好な耐摩耗性を与える。より少なくフィブリル化したアラミド繊維（ＣＳＦ約５３０〜約６５０）は、特に良好な長期耐久性と安定した摩擦係数とを有する。
【００４６】
様々な充填材も、本発明の繊維質基材の一次層において有用である。他の実施例は、摩擦調整粒子の例として樹脂粉末の例えばフェノール樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂及びこれらの混合物を有することができる。さらに他の実施例としては、部分的及び／または完全に炭化した炭素粉末及び／または粒子及びこれらの混合物；並びにこのような摩擦調整粒子の混合物が挙げられる。特定の実施例においては、シリカ粒子の例えばケイソウ土、セライト（登録商標）、セラトム（Ｃｅｌａｔｏｍ）（登録商標）、及び／または二酸化ケイ素は特に有用である。特に、シリカ充填材の例えばケイソウ土は有用である。しかしながら、他のタイプの充填材が本発明において使用するために適切であることと、精選された充填材は、摩擦材料の個々の要件によって異なることとは予測される。
【００４７】
特定の実施例においては、綿繊維を本発明の繊維質基材に加えることで、摩擦材料により高い摩擦係数を与える。特定の実施例においては約５〜約２０％、特定の実施例においては約１０％の綿も、繊維質基材に加えることができる。
【００４８】
上記に参考のために引用した米国特許第６，１３０，１７６号に説明するように、繊維質基材の一次層のための配合物の１例は、約１０〜約５０重量％のより少なくフィブリル化したアラミド繊維、約１０〜約３５重量％の活性炭粒子、約５〜約２０重量％の綿繊維、約２〜約１５重量％の炭素繊維、及び約１０〜約３５重量％の充填材料を含む。
【００４９】
特定の他の実施例においては、有用であることが見い出された１特定の配合物は、約３５〜約４５重量％のより少なくフィブリル化したアラミド繊維、約１０〜約２０重量％の活性炭粒子、約５〜約１５重量％の綿繊維、約２〜約２０重量％の炭素繊維、及び約２５〜約３５重量％の充填材を含む。
【００５０】
さらに他の実施例においては、基材は、約１５〜約２５％の綿、約４０〜約５０％のアラミド繊維、約１０〜約２０％の炭素繊維、約５〜約１５％の炭素粒子、約５〜約１５％のセライト、及び所望により追加で（ａｄｄ−ｏｎ）約１〜約３％のラテックスを含む。
【００５１】
基材が、高い平均流れ細孔直径（ｍｅａｎ　ｆｌｏｗ　ｐｏｒｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ）と浸透性とを有する場合、摩擦材料は、摩擦材料の多孔質構造全体にわたる自動変速機油のより良好な流れが理由となって、恐らくより低温で動作するかまたはトランスミッション中に発生する熱がより少ないと思われる。トランスミッションシステムの動作中に、特に高温では、流体は時間と共に分解し、“油堆積物”を形成する傾向がある。こうした“油堆積物”は、基材中の細孔の開口部を減少させる。従って、摩擦材料が基材中に最初により大きな細孔を有する場合、摩擦材料の耐用寿命の間中、より多くの開放気孔が残存する。加えて、少なくとも部分的にシリコーン樹脂を含浸させた実施例においては、シリコーン樹脂は、その弾性特性が理由となって、摩擦材料中の繊維がさらに開放された構造を有することを可能にする。
【００５２】
従って、摩擦材料は、基材の第１の面すなわち上面に、摩擦調整粒子のナノ粒子の上層すなわち第２の層をさらに含む。基材の表面に上層として摩擦調整粒子のナノ粒子が存在することで、良好な油保持特性を含む多くの有利な特性を有する摩擦材料が得られる。
【００５３】
基材の上面の摩擦調整粒子のナノ粒子は、得られた摩擦材料に改良された三次元構造を与える。
本発明の摩擦材料の使用最中に、上部摩擦調整ナノ粒子層の表面の油または流体の層は、油膜を表面に維持し、従って、油または流体が最初に摩擦材料中に浸透するのをより困難にする。上部摩擦調整ナノ粒子層の材料は、流体潤滑剤を表面に保持し、摩擦材料の油保持容量を増大させる。本発明の摩擦材料は従って、油膜が表面に残存することを可能にする。これはまた、良好な摩擦係数特性及び良好なスリップ耐久性特性を与える。
【００５４】
特定の実施例においては、上層を形成する摩擦調整粒子の平均被覆面積は、表面積の約３〜約１００％の範囲内である。特定の他の実施例においては、平均被覆面積は、約９７〜約９９％の範囲にわたる。摩擦調整粒子は、基材の個別の成分（すなわち、例えば、繊維及び／または充填材）の表面に、好ましい平均厚さとして約１０〜約２００μｍで実質的に残存する。特定の実施例においては、上層は、好ましい平均厚さとして約６０〜約１００ミクロンを有する。
【００５５】
様々な異なる実施例においては、ナノ粒子の被覆はある程度分散するので、被覆面積は約３〜約２０％の範囲にわたる。特定の実施例においては、ナノ粒子は、基材を構成する個別の繊維及び／または充填材を被覆する。基材の表面の摩擦調整粒子の堆積済みの層の均一性を実現するために、一次粒度として直径約１０〜約１５０ｎｍ、好ましくは約１０〜約５０ｎｍの範囲にわたることがある摩擦調整粒子のサイズを使用する。特定の実施例においては、粒子は、一次ナノ粒子サイズとして平均ナノ粒子直径約１５ｎｍ〜約３０ｎｍを有する。
【００５６】
図１ａは、繊維質基材１２と珪藻摩擦調整粒子１４とを有する従来技術の摩擦材料１０を示す概略図である。図１ｂ、１ｃ及び１ｄは、繊維（図１ｂ）、従来のシリカ粒子（図１ｃ）、及び本発明において使用するナノ粒子（図１ｄ）のサイズの比較を示す略図である。図５は、繊維の表面にナノ粒子を有する繊維の略図である。
【００５７】
特定の実施例においては、摩擦調整粒子のサイズが極めて小さい場合、所望の最適三次元構造が実現され、従って熱放散及び耐シャダ特性が最適化されることが発見されている。
【００５８】
特定の実施例においては、摩擦調整材料のナノ粒子は、基材層の外側表面を形成する個別の繊維及び充填材の表面にナノ粒子のクラスターまたはアグリゲートを形成すると考えられている。特定の実施例においては、クラスターは平均直径約３０〜１００ｎｍ未満を有する。
【００５９】
基材の表面の摩擦調整粒子の被覆は、基材の個別の繊維及び／または充填材の表面において十分に厚く、これによって、摩擦調整粒子の層が、ナノ粒子の個別の粒子（及び、特定の実施例においてはクラスター）で構成される有利な三次元構造を与えるようにする。ナノ粒子の上層は、基材の表面に三次元構造を形成し、これは、流体を摩擦材料の上面に保持する助けとなる。
【００６０】
様々なタイプの摩擦調整粒子のナノ粒子が、摩擦材料において有用である。１実施例においては、有用な摩擦調整粒子としては、シリカ粒子のナノ粒子が挙げられる。シリカナノ粒子は、繊維質材料に強く結合する有機材料である。シリカナノ粒子は、摩擦材料に高い摩擦係数を与える。シリカナノ粒子はまた、基材に平滑な摩擦表面を与え、摩擦材料に良好な“シフト感触”と摩擦特性とを与え、これによって、いかなる“シャダ”も最小になるようにする。
【００６１】
特定の実施例においては、本発明の摩擦材料の上層を構成する摩擦調整材料のナノ粒子は、不規則な形状を有することができる。不規則な形状の摩擦調整粒子の表面の多くの陥入（ｉｎｖａｇｉｎａｔｉｏｎ）の毛管作用が理由となって、不規則な形状の摩擦調整粒子は、所望の量の潤滑剤を基材の表面に保持するように働く。
【００６２】
摩擦材料に、様々な樹脂系を使用して含浸させることができる。特定の実施例においては、フェノール樹脂または変性フェノールベースの樹脂、シリコーン樹脂または変性シリコーンベースの樹脂、エポキシ樹脂またはエポキシ変性ベースの樹脂、及び上記の組合せを使用することは有用である。
【００６３】
特定の他の実施例においては、シリコーン樹脂を相溶性溶媒中でフェノール樹脂とブレンドするかまたは混合することは有用である。
本発明の摩擦材料を製造する際に使用する樹脂混合物は、少なくとも１つのタイプの樹脂と少なくとも１つのタイプのナノ粒子サイズの摩擦調整粒子とを含む。樹脂と摩擦調整材料との混合物は、基材全体にわたるマトリックスを形成し、これによって、樹脂材料が、基材全体にわたって実質的に均一に分散し、同時に、かなりの量のナノ粒子サイズの摩擦調整粒子が、基材の上面に上層を形成するようにする。飽和剤中の樹脂材料は、飽和プロセスの最中に樹脂材料が基材を通って流れることを可能にするような所望の粘度を有する。含浸済みのまたは飽和済みの基材の上面には、層を形成するより大きなパーセントのナノ粒子サイズの摩擦調整粒子が存在する。
【００６４】
様々な樹脂が本発明において有用である。特定の実施例においては、好ましくは、飽和剤材料が、１００重量部の摩擦材料につき約４５〜約６５重量部を占めるように、樹脂は、フェノール樹脂またはフェノールベースの樹脂を含むことができる。樹脂混合物を基材に施用し、基材に樹脂混合物を含浸させた後、含浸済みの基材を、予め定められた長さの時間、所望の温度に加熱して、摩擦材料を形成する。特定の実施例においては、加熱によって、飽和剤中に存在するフェノール樹脂を温度約３００°Ｆで硬化する。シリコーン樹脂等の他の樹脂が飽和剤中に存在する場合、加熱によって、シリコーン樹脂を温度約４００°Ｆで硬化する。その後、硬化済みの摩擦材料を、適切な手段によって所望の基体に接着させる。
【００６５】
様々な有用な樹脂としては、フェノール樹脂及びフェノールベースの樹脂が挙げられる。樹脂ブレンド中に他の変性成分の例えばエポキシ、ブタジエン、シリコーン、桐油、ベンゼン、カシューナッツ油及びその他同様なものを含むような様々なフェノールベースの樹脂は、本発明に関して有用であると予測されることは理解できるはずである。フェノール変性樹脂においては、フェノール樹脂は一般に、樹脂ブレンドの約５０重量％以上（存在するいかなる溶媒も除いて）存在する。しかしながら、混合物が、シリコーン−フェノール樹脂混合物の重量を基準として（溶媒と他の加工用酸を除いて）、特定の実施例においては約５〜約８０重量％、特定の目的のためには約１５〜約５５重量％、特定の実施例においては約１５〜約２５重量％のシリコーン樹脂を含む樹脂ブレンドを含む場合、摩擦材料を改良できることが見い出された。
【００６６】
本発明において有用なフェノール樹脂及びフェノール−シリコーン樹脂の例は、上記に参照したボーグワーナーの米国特許において完全に開示されており、これを、本明細書において参考のために完全に引用する。本発明において有用なシリコーン樹脂としては、例えば、熱硬化シリコーンシーラント及びシリコーンゴムが挙げられる。様々なシリコーン樹脂類が、本発明に関して有用である。１つの樹脂は、特に、キシレンとアセチルアセトン（２，４−ペンタンジオン）とを含む。このシリコーン樹脂は、沸点約３６２°Ｆ（１８３℃）、蒸気圧６８°Ｆで２１ｍｍＨｇ、蒸気密度（空気＝１）４．８、無視し得る水への溶解度、比重約１．０９、パーセント揮発性５重量％、蒸発率（エーテル＝１）０．１未満、ペンスキー−マルテンス法を使用して引火点約１４９°Ｆ（６５℃）、を有する。他のシリコーン樹脂を本発明に関して利用できることは理解できるはずである。他の有用な樹脂ブレンドとしては、例えば：（重量％で）約５５〜約６０％のフェノール樹脂、約２０〜約２５％のエチルアルコール、約１０〜約１４％のフェノール、約３〜約４％のメチルアルコール、約０．３〜約０．８％のホルムアルデヒド、及び約１０〜約２０％の水、を含むような、適切なフェノール樹脂が挙げられる。別の適切なフェノールベースの樹脂は：（重量％で）約５０〜約５５％のフェノール／ホルムアルデヒド樹脂、約０．５％のホルムアルデヒド、約１１％のフェノール、約３０〜約３５％のイソプロパノール、及び約１〜約５％の水、を含む。
【００６７】
別の有用な樹脂は、約５〜約２５重量％、好ましくは約１０〜約１５重量％のエポキシ化合物を含み、残り（溶媒と他の加工助剤を除いて）はフェノール樹脂であるようなエポキシ変性フェノール樹脂であることが見い出された。エポキシ−フェノール樹脂化合物は、特定の実施例においては、フェノール樹脂単独の場合よりも高い耐熱性を摩擦材料に与える。
【００６８】
特定の実施例においては、基材による樹脂の標的ピックアップが、全シリコーン−フェノール樹脂の約２５〜約７０重量％、他の実施例においては約４０〜約６５重量％、特定の実施例においては約６０〜少なくとも６５重量％の範囲にわたるように、樹脂混合物が、所望の量の樹脂と摩擦調整粒子とを含むことが好ましい。基材を樹脂で飽和させた後、基材を、ある時間（特定の実施例においては約１／２時間）、３００〜４００℃の範囲にわたる温度で硬化して、樹脂結合剤を硬化し、摩擦材料を形成する。摩擦材料の最終厚さは、基材の初期厚さによって決まる。
【００６９】
さらに、樹脂ブレンドの製造と基材の製造との両方において有用であることが周知の他の成分と加工助剤とを含めることができ、これは、本発明の予測される範囲内にあることは予測される。
【００７０】
特定の実施例においては、樹脂混合物は、互いに相溶性である溶媒中に存在するシリコーン樹脂とフェノール樹脂との両方を含むことができる。こうした樹脂類を共に混合して（好適な実施例において）均一ブレンドを形成し、次にこれを使用して基材を飽和する。特定の実施例においては、基材にフェノール樹脂を含浸させ、次にシリコーン樹脂をその後加えた場合と、逆の場合とでは、同じ効果は生じない。また、シリコーン−フェノール樹脂溶液の混合物と、シリコーン樹脂粉末及び／またはフェノール樹脂粉末のエマルションとの間にも、相違がある。シリコーン樹脂とフェノール樹脂とが溶液中にある場合、これらは全く硬化しない。それに反して、シリコーン樹脂とフェノール樹脂との粉末粒子は部分的に硬化する。シリコーン樹脂とフェノール樹脂の部分的硬化は、基材の良好な飽和を阻害する。
【００７１】
本発明の特定の実施例においては、基材に、溶媒中のシリコーン樹脂ブレンドを含浸させ、ここで溶媒は、フェノール樹脂とその溶媒とに相溶性があるようなものである。１実施例においては、イソプロパノールは特に適切な溶媒であることが見い出された。しかしながら、様々な他の適切な溶媒の例えばエタノール、メチルエチルケトン、ブタノール、イソプロパノール、トルエン及びその他同様なものを、本発明の実施において利用できることは理解できるはずである。シリコーン樹脂をフェノール樹脂とブレンドしてから、これを使用して基材を飽和した場合、得られた摩擦材料は、シリコーン樹脂が存在することで、フェノール樹脂のみを含浸させた基材よりも弾性が大きくなる。シリコーン−フェノール樹脂をブレンドし含浸させた本発明の摩擦材料に圧力を加えた場合、より均一な圧力分布が得られ、その結果、不均一なライニングの摩耗が生じる可能性が低減する。シリコーン樹脂とフェノール樹脂とを摩擦調整粒子と共に混合した後、この混合物を使用して基材に含浸させる。
【００７２】
本発明の摩擦材料は、基材の上面のナノ粒子サイズの摩擦調整粒子の層を含み、この層は、良好な耐シャダ特性、高い抵抗、高い摩擦係数、高い耐久性、良好な耐摩耗性及び改良された慣らし運転特性を摩擦材料に与える。
【００７３】
図２ａは、本発明のナノ粒子摩擦材料の、５０００倍の倍率のＳＥＭ像である。図２ｂは、本発明のナノ粒子摩擦材料の、５００倍の倍率のＳＥＭ像である。図３ａ〜３ｄは、サイクル１０、５０、５００、１０００、２０００、３０００、及び４０００での、本発明の摩擦材料に関する湿式スタートクラッチ台上評価を示す一連のグラフ（白丸：実施例１（表面に存在する１最適化された濃度のナノ粒子を示す）、四角：比較摩擦材料）であり：図３ａ−初期摩擦係数；図３ｂ−中間摩擦係数；図３ｃ−最終摩擦係数；図３ｄ−最終／中間比を示す。
【００７４】
本発明の摩擦材料中に使用するナノ粒子サイズの摩擦調整材料の層は、摩擦材料に良好な耐シャダ特性を与える。示される実施例においては、基材の高温合成繊維と多孔性とは、改良された耐熱性を与える。
【００７５】
図２ａ〜ｂのＳＥＭに示す本発明は、基材の表面のナノ粒子サイズの摩擦調整粒子及び基材中に含浸されたナノ粒子サイズの摩擦調整粒子を示す本発明の摩擦材料である。
【００７６】
以下の実施例は、本発明の摩擦材料内部の摩擦調整粒子の勾配が従来の摩擦材料に勝る改良を提供するというさらなる証拠を提供する。本摩擦材料は、望ましい摩擦係数、耐熱性及び耐久性特性を有する。本発明の様々な好適な実施例を以下の実施例において説明するが、これは本発明の範囲を限定することを意図したものではない。
【００７７】
【実施例】
実施例Ｉ
湿式スタートクラッチを、実施例１（白丸）及び比較例（四角）に関して評価し（４０００サイクル、９５０ｋＰａ、２１００ｒｐｍ）：図３ａ−初期摩擦係数；図３ｂ−中間摩擦係数；図３ｃ−最終摩擦係数；図３ｄ−最終／中間比を示す。
【００７８】
白丸（本発明）と四角（従来技術の材料）との間の曲線形状の相違は、明らかにより高い係数を示し、μ−Ｖ勾配が正であることを示す。
実施例ＩＩ
図４は、初期係数−比較材料（黒丸）；初期係数−本発明の実施例１（黒四角）；台上試験後−比較材料（白丸）；台上試験後−本発明の実施例１（白四角）；に関して摩擦係数対速度（ｒｐｍ）を比較したＳ３１試験の結果を示すグラフである。
【００７９】
溝付き材料に関する勾配対スリッピング速度は、実施例１はより長い寿命を有することを示す。勾配（ｕ−速度）として−１×１０−５は、業界において許容可能である。このレベル未満のいかなる製品も、所望の摩擦係数特性を有しない。実施例１の材料は、油の流れが所望の条件の範囲内にあることを可能にし、熱の良好な放散に対処する。
実施例ＩＩＩ
特定の実施例においては、ナノ粒子サイズの摩擦調整粒子を堆積させることは、上層の浸透性を低下させる緻密な表面層を生成する。特定の実施例においては、本発明の摩擦材料は、半径方向（すなわち、上層すなわち摩擦調整層によって定義される平面と平行な方向）と垂直方向（すなわち、上層によって定義される平面と垂直な方向）との両方で、第１の層すなわち基材層の半径方向浸透性及び垂直浸透性よりも低い浸透性を有する。上部摩擦調整粒子層のより低い浸透性は、流体または潤滑剤を摩擦材料の表面に保持する。
【００８０】
摩擦調整粒子のナノ粒子がシリカを含むような実施例においては、シリカ粒子は、ミクロ細孔中の潤滑剤の毛管作用が理由となって潤滑剤を表面に保持する助けとなるようなミクロ細孔を有する。特に、様々なタイプのセライトの例えばケイソウ土は、潤滑剤を表面に保持するさらなる助けとなるような不規則な形状と粗いまたは陥入した表面とを有する。従って、上部摩擦調整粒子層の半径方向浸透性対基材層の半径方向浸透性の比は１未満であり、上部摩擦調整粒子層の垂直浸透性対基材層の垂直浸透性の比は１未満である。
【００８１】
【産業上の利用性】
本発明は、クラッチ板、トランスミッションバンド、ブレーキシュー、シンクロナイザーリング、摩擦円板またはシステムプレートと共に使用するための高エネルギー摩擦材料として有用である。
【００８２】
本発明の好適な実施例及び他の実施例に関する上記の説明は、例示とするためのものであり、請求の範囲及びその内容を限定するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】繊維質基材と摩擦調整粒子とを有する従来技術の摩擦材料を示す概略図である。
【図１ｂ】粒子の相対的サイズを示す概略図であり、代表的な繊維直径として１０〜１５マイクロメートルを示す。
【図１ｃ】粒子の相対的サイズを示す概略図であり、珪藻粒子の代表的な平均サイズとして１０〜２０マイクロメートルを示す。
【図１ｄ】粒子の相対的サイズを示す概略図であり、ナノ粒子サイズとして０．０１マイクロメートルを示す。
【図２ａ】本発明のナノ粒子摩擦材料の、５０００倍の倍率のＳＥＭ像である。
【図２ｂ】本発明のナノ粒子摩擦材料の、５００倍の倍率のＳＥＭ像である。
【図３ａ】サイクル１０、５０、５００、１０００、２０００、３０００、及び４０００での、本発明の摩擦材料に関する湿式スタートクラッチの台上評価を示すグラフ（白丸：実施例１（表面の１最適化された濃度のナノ粒子を示す）、黒四角：比較摩擦材料）であり、初期摩擦係数を示す。
【図３ｂ】サイクル１０、５０、５００、１０００、２０００、３０００、及び４０００での、本発明の摩擦材料に関する湿式スタートクラッチの台上評価を示すグラフ（白丸：実施例１（表面の１最適化された濃度のナノ粒子を示す）、黒四角：比較摩擦材料）であり、中間摩擦係数を示す。
【図３ｃ】サイクル１０、５０、５００、１０００、２０００、３０００、及び４０００での、本発明の摩擦材料に関する湿式スタートクラッチの台上評価を示すグラフ（白丸：実施例１（表面の１最適化された濃度のナノ粒子を示す）、黒四角：比較摩擦材料）であり、最終摩擦係数を示す。
【図３ｄ】サイクル１０、５０、５００、１０００、２０００、３０００、及び４０００での、本発明の摩擦材料に関する湿式スタートクラッチの台上評価を示すグラフ（白丸：実施例１（表面の１最適化された濃度のナノ粒子を示す）、黒四角：比較摩擦材料）であり、最終／中間比を示す。
【図４】初期係数−比較材料（黒丸）；初期係数−本発明の実施例１（黒四角）；台上試験後−比較材料（白丸）；台上試験後−本発明の実施例１（白四角）；に関して摩擦係数対速度（ｒｐｍ）を比較したＳ３１試験の結果を示すグラフである。
【図５】繊維の表面にナノ粒子を有する繊維の略図である。
【図１ａ】
2004075969.tif 000003
【図１ｂ】
2004075969.tif 000004
【図１ｃ】
2004075969.tif 000005
【図１ｄ】
2004075969.tif 000006
【図２ａ】
2004075969.tif 000007
【図２ｂ】
2004075969.tif 000008
【図３ａ】
2004075969.tif 000009
【図３ｂ】
2004075969.tif 000010
【図３ｃ】
2004075969.tif 000011
【図３ｄ】
2004075969.tif 000012
【図４】
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【図５】
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