Imprägnierverfahren zur Herstellung von gewickelten Kupplungsbelägen

Die Erfindung betrifft einen Reibbelag sowie Verfahren zur Herstellung eines Reibbelags, insbesondere für Kupplungsscheiben, Bremsen oder dergleichen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 14.

Stand der Technik

Derartige Kupplungsbeläge werden insbesondere für Reibungskupplungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt, in denen sie auf einer metallischen Trägerplatte, beziehungsweise Kupplungsscheibe aufgenietet sind, um in Verbindung mit einem Gegenelement in gekuppeltem Zustand eine Kraftübertragung zwischen einem Motor und einem Getriebe zu ermöglichen, beziehungsweise bei geöffneter Kupplung auszukuppeln.

Dabei werden an die Kupplungsbeläge hohe Anforderungen gestellt, weil sie mehrere Anforderungen erfüllen sollen, die nicht ohne weiteres in gleicher Weise erreichbar sind. Insbesondere soll der Kupplungsbelag eine hohe Berstdrehzahl aufweisen, um nicht durch Fliehkräfte zerstört zu werden, einen hohen Reibwert besitzen, indem ein großes Drehmoment ü- bertragen werden kann, dabei verschleißarm sein und gegen ein formänderndes Verziehen durch Wärme und/oder Krafteinflüsse widerstandsfähig sein. Trotzdem sollen die Kupplungsbeläge möglichst unkompliziert und damit wirtschaftlich herstellbar sein.

Nach dem Stand der Technik wird zur Herstellung eines Kupplungsbelags zunächst ein Wickling erzeugt. Ein solcher Wickling kann beispielsweise aus einem imprägnierten Garn gewickelt werden. Dabei wird ein auf Reibwert und Verschleiß optimiertes Garn durch eine Imprägnierlösung gezogen und auf ein konstantes Gewichtsverhältnis Garn zu Imprägnierlösung gebracht. Anschließend wird das Garn getrocknet. Beispielsweise kann ein kardiertes Garn, bestehend auf Aramidfasern, Glasstapelfasern, Viskosefasern oder PAN-Fasern, sowie Messingdraht verwendet werden. Ein anderes Beispiel ist ein Filamentmischgarn, bestehend aus Glasfilament und Metalldrähten. Die verschiedenen Garne können auch als Kombination eingesetzt werden. Als Imprägnierlösung eignet sich eine Dispersion, bestehend aus polyme- ren Komponenten, Füllstoffen und Lösungsmitteln. Die polymeren Komponenten können aus duroplastischen Komponenten wie beispielsweise Phenolharz oder Melaninharz, sowie

elastomeren Komponenten wie beispielsweise SBR- oder NBR-Kautschuk bestehen. Füllstoffe sind beispielsweise Bariumsulfat, Kaolin oder Russ. Als Lösungsmittel wird üblicherweise Wasser verwendet. Das getrocknete Garn wird anschließend zu einem Wickling gewickelt.

Zur Herstellung von bekannten Reibbelägen nach dem Stand der Technik werden als Bindemittel überwiegend Novolakharze eingesetzt. Neben den novolakstämmigen Bindemitteln sind auch Phenol- und Kresol-Resole im Einsatz. Bei feucht aufbereiteten Massen sind die lösungsmittelhaltigen und wässrigen Resole vorherrschend. Ein wichtiger Parameter bei diesen flüssigen Bindemitteln ist, dass sie eine hohe Imprägnierfähigkeit, gleichmäßige Abtrocknungs- und Abbindegeschwindigkeiten und gute Verträglichkeit zu eventuell eingesetzten Kautschukmodifikatoren aufweisen. Nachteilig bei den bekannten Bindemitteln auf Kunstharzbasis ist, dass sie eine nicht ausreichende Temperaturstabilität aufweisen.

Nach dem Stand der Technik werden für trocken laufende Kupplungen organisch gebundene Reibbeläge eingesetzt. Der Begriff „organisch gebunden" leitet sich aus der chemischen Nomenklatur ab und besagt, dass als Bindemittel Phenolharze, Melaninharze, Polyesterharze und/oder verschiedene Kautschuktypen verwendet werden. Als Phenolharz wird meist ein so genanntes Resol eingesetzt, ein auf Wasser als Lösungsmittel basierendes, selbstvernetzendes Phenolharz. Alternativ dazu werden lösungsmittelhaltige Novolakharzsysteme verwendet. Diese Bindemittel werden mit einem reibaktiven, meist pulverförmigen Füllstoffsystem versehen und als Dispersion in einem Imprägnierverfahren mit anschließender Trocknung auf ein, aus organischen und/oder anorganischen Fasern bestehenden Garn aufgetragen. Dieses imprägnierte, mit „Reibzement" versetzte Garn wird in den folgenden Prozessschritten in eine definierte Form gewickelt und verpresst. Abschließend erfolgt eine Fertigbearbeitung.

Speziell Resolsysteme reagieren häufig äußerst unflexibel auf Rohstoffmodifikationen, insbesondere auf Modifikationen des Kautschuksystems (Latexverträglichkeit). Somit ist eine kontinuierliche Anpassung der Rezepturen an die sich verändernden Marktbedingungen nur schwer zu realisieren.

Ein weiterer Nachteil des Resolystems besteht im hohen Wasser- bzw. Lösungsmittelgehalt des Resols bzw. Novolaks, sowie des zugesetzten Latex. über ein energetisch bzw. thermisch aufwändiges System muss das Wasser bzw. das Lösungsmittel wieder entfernt werden. Bei dieser Erwärmung besteht, insbesondere bei Resol, die Gefahr, dass das selbstvernetzende Phenolharz Undefiniert reagiert, und damit eine Veränderung der Materialeigenschaften

nach sich zieht. Die bei der Vernetzung entstehenden Reaktionsprodukte müssen auf Grund ihrer Toxizität aufwändig, meist über eine thermische Nachverbrennung entsorgt werden.

Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein alternatives, wasserfreies und leistungsfähiges Bindemittelsystem auf Phenolharzbasis zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie einen Reibbeiag gemäß Anspruch 14 gelöst.

Der Reibbelag wird gemäß dem Verfahren aus mindestens einem Wickling hergestellt, wobei der Wickling aus mindestens einem mit einer Imprägnierdispersion imprägnierten Garn gewickelt wird. Die Imprägnierdispersion enthält mindestens Harz, einen Härter, ein Kautschuksystem, Füllstoffe und ein Vulkanisationssystem. Erfindungsgemäß wird dabei als Harz ein niedrig schmelzendes, wasser- und lösungsmittelfreies Novolakharz und ein hoch- bis mittelviskoses Kautschuksystem verwendet.

Das Novolakharz weist dabei einen Schmelzpunkt unterhalb von 50 bis 100 Grad Celsius, bevorzugt 70 Grad Celsius auf.

Das Kautschuksystem weist eine Viskosität oberhalb 5000 mPas (Brookfield Viskosität) auf und lässt sich mit den übrigen Bestandteilen der Imprägnierdispersion homogenisieren.

Der Härter wird erst oberhalb einer Initiierungstemperatur reaktiv und sorgt dann für eine Vernetzung des Harzes. Der Härter wird dabei so gewählt, dass die Initiierungstemperatur o- berhalb des Schmelzpunktes des Novolaks liegt.

Als Härter wird Hexamethylentetramin verwendet, welches eine Initiierungstemperatur von ca. 110 Grad aufweist.

Das Novolakharz wird durch Erhitzen verflüssigt und mindestens das Kautschuksystem, die Füllstoffe und das Vulkanisationssystem eingemischt. In einem weiteren Schritt wird der Härter zugesetzt.

Alternativ werden in das erhitzte verflüssigte Novolakharz alle Bestandteile der Imprägnierlösung eingemischt.

Das durch Erhitzen verflüssigte Novolak weist dabei eine Temperatur zwischen 50 und 100 Grad Celsius, bevorzugt 70 Grad Celsius auf. Diese bevorzugte Temperatur liegt bei oder o- berhalb des Schmelzpunktes des Novolaks, aber unterhalb der Initiierungstemperatur des Härters.

Die Imprägnierung des Garns mit der Imprägnierdispersion erfolgt mittels eines Imprägnierbades.

Alternativ kann die Imprägnierung des Garns mit der Imprägnierdispersion mittels eines Pultrusionsverfahrens bzw. Strangziehverfahrens erfolgen.

Erst in einem Weiterverarbeitungsschritt liegt die Temperatur über der Initiierungstemperatur des Härters, sodass in diesem Schritt die Vernetzung des Harzes erfolgt.

Die Imprägnierdispersion enthält wenigstens

15- 55% Novolakharz

1 - 5% Hexamethylentetramin

7- 35% Kautschuk

0 - 8% Kaolin

7 - 25% Schwerspat

0 - 15% Tricalciumphosphat

0 - 25% Ruß

0 - 8% Zinnsulfid

0 - 8% Koks

0 - 8% Graphit

0,1- 5% Schwefel

0,1 - 5% Vulkanisationsbeschleuniger,

wobei es sich um Gewichtsprozent bezogen auf die Imprägnierdispersion handelt und der Kautschuk SBR- oder NBR-Kautschuk sein kann.

Nach diesem Verfahren kann ein Reibbelag, insbesondere ein Reibbelag für Kupplungen hergestellt werden, welcher mindestens ein mit einer Imprägnierdispersion imprägniertes Garn enthält. Die Imprägnierdispersion umfasst dabei mindestens Harz, einen Härter, ein Kautschuksystem, Füllstoffe und ein Vulkanisationssystem. Bei dem Harz handelt es sich um ein niedrig schmelzendes, wasser- und lösungsmittelfreies Novolak und das Kautschuksystem ist hoch bis mittel bis groß.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figur, sowie deren Beschreibung. Es zeigen im Einzelnen:

Figur 1 Schematisch das erfindungsgemäße Verfahren

Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee ist, ein selbst vernetzendes Resolsystem durch ein niedrig schmelzendes wasser- und lösungsmittelfreies Novolakharz auszutauchen. Bei Novolak handelt es sich um ein häufig auf Basis der sauren Katalyse hergestelltes festes Phenolharz, welches einen niedrigen Schmelzpunkt unterhalb von 70 Grad Celsius aufweist und ohne zusätzlichen Härter bzw. Vernetzer keine selbst vernetzende Eigenschaften hat. Weiterhin wird als Ersatz für ein im Zusammenhang mit dem Resolsystem verwendetes wässriges Latexsystem bzw. pulverförmiges Kautschuksystem ein hoch bis mittelviskoser NBR oder SBR-Kautschuk eingesetzt, der sich mit den übrigen Bestandteilen der Imprägnierdispersion homogenisieren lässt. Im Folgenden werden vier Rezepturen zur Herstellung der Imprägnierdispersion angegeben. Dabei sind die Bestandteile der Imprägnierdispersion in Gewichtsprozent angegeben.

Um das Garn imprägnieren zu können, werden im Misch-Schritt 10 alle Komponenten der jeweiligen Rezeptur in das auf ca. 50 bis 100 Grad Celsius erhitze und somit verflüssigte No- volakharz eingemischt. Zusätzlich wird ein Härter beispielsweise Hexamethylentetramin zugesetzt, welcher erst ab einer bestimmten Initiierungstemperatur reaktiv wird und für eine Vernetzung des Phenolharzes sorgt. Im Falle des Hexamethylentetramin liegt diese Initiierungstemperatur oberhalb von 100 Grad Celsius.

Anschließend erfolgt im Imprägnier-Schritt 20 die Imprägnierung des Garns entweder über ein herkömmliches Imprägnierverfahren oder durch ein Pultrusionsverfahren. Beim herkömmlichen Imprägnierverfahren wird das Garn durch ein Imprägnierbad geführt, wobei üblicherweise temperierte Zuleitungen, die in der Regel nicht über 100 Grad Celsius erwärmt sind, verwendet werden. Beim Pultrusionsverfahren, welches auch als Strangziehverfahren bezeichnet wird, wird die viskose, temperierte Imprägnierdispersion mit Hilfe eines Druckimprägnierkopfes auf das Garn aufgetragen. Das Garn wird dazu durch eine entsprechende Düse geführt, mit deren Hilfe eine genau definierte Menge Lösung auf das Garn aufgebracht wird. Die Trocknung des Garns wird durch eine kurze Abkühlstrecke an Raumtemperatur erreicht. Bedingt durch den Schmelzpunkt des Novolakharzes härtet die viskos aufgetragene Dispersion innerhalb weniger Sekunden soweit aus, dass das imprägnierte Garn klebefrei weiterverarbeitet werden kann.

Während dieses Imprägniervorganges findet keine oder lediglich eine minimale Vernetzungsreaktion des Novolakharzes statt, da die Initiierungstemperatur des Härters bzw. Vernetzers in den vorangegangenen Verfahrensschritten nicht erreicht wird. Die Vernetzung erfolgt erst im Weiterverarbeitungsschritt 30, beispielsweise beim Verpressen, was bei Temperaturen oberhalb von 110 Grad Celsius durchgeführt wird. üblicherweise wird zuvor das klebefreie Garn zu einem Coil aufgewickelt, später in einem Wickelprozess zu einem Wickling verarbeitet und dann verpresst.