專利名稱：低摩擦及低磨損聚合物/聚合物復合材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于聚合物/聚合物復合材料，尤關于低磨損聚合物/聚合物復合材料及相關的物品。
背景技術：
固體潤滑提供許多超越傳統(tǒng)油性流體動力和邊界潤滑的益處。固體潤滑系統(tǒng)普遍地比油潤滑系統(tǒng)為較小型與較低成本，因為油潤滑系統(tǒng)通常需要泵、管路、濾器和貯槽。潤滑脂會污染該潤滑系統(tǒng)的產(chǎn)品，對食品加工有不良影響且潤滑脂與真空下油釋氣二者阻礙空間上的應用。固體潤滑的一主要目標是獲得低摩擦力。
聚四氟乙烯(PTFE)商標名已知為TEFLON。PTFE已知為低摩擦力材料也因此于固體潤滑用途受到許多矚目。PTFE也具有其他不錯性質(zhì)包括，高熔點、化學惰性、生物相容性、低釋氣及低水吸收性質(zhì)。然而，PTFE磨損速度比大部分其他聚合物快的許多，因此阻礙其很多方面作為軸承材質(zhì)的應用。
已知當銅和石墨作為填充料時顯著的改善PTFE的壽命。玻璃纖維和微米尺寸陶瓷亦顯示改善PTFE的抗磨損性質(zhì)。該些填充料被認為降低磨損，因為其優(yōu)先地支撐該重量。Bricoe et al(Bricoe，B.J.，L.H.Yao，et al.(1986).「聚(四氟乙烯)-聚(醚醚酮)復合材料的摩擦及磨損性質(zhì)-該最理想組成物的初評」Wear 1084(4)357-374)揭露了PEEK/PTFE聚合物/聚合物復合材料，其包括聚醚醚酮基質(zhì)中多個分離PTFE粒子。PEEK具有低磨損及高摩擦力而PTFE具有高磨損與低摩擦力。Bricoe等人發(fā)現(xiàn)添加有少量PTFE的PEEK基質(zhì)有微量硬度、抗壓強度及楊氏系數(shù)的不對稱下降，表明該粒子-基質(zhì)界面粘著力不佳。報告指出該復合材料的磨損速率由未填充的PEEK磨損速率至3倍具有70重量％PTFE復合材料的未填充的PEEK磨損速率，其磨損速率于呈現(xiàn)線性增加。報告指出PTFE含量超過70重量％磨損速率加快。Bricoe等人判斷該含有10重量％的PTFE復合材料為最理想。

發(fā)明內(nèi)容
一種具有良好磨潤性質(zhì)復合材料，包含第一聚合物，其包括轉移薄膜成型聚合物；及第二聚合物以加強復合材料與第一聚合物混合。該第一聚合物包括至少10重量％的該復合材料，且該復合材料的磨損速率＜10-7mm3/Nm。該第二聚合物可包括15重量％至90重量％的該復合材料，于較佳實施例，該復合材料的磨損速率＜10-8mm3/Nm。該復合材料相較于轉移薄膜成型聚合物亦提供普遍地有競爭力或較低的COF值。該復合材料的COF值一般小于0.15，且較佳地為小于0.13，例如0.12、0.11及最佳地小于0.1。因此，依據(jù)本發(fā)明的物品結合了非常低的磨損與摩擦性質(zhì)。
本文敘述和請求的磨潤性質(zhì)測試及參數(shù)是基于使用往復摩擦計，并進一步于實例中敘述。除了環(huán)境測試的測試，板銷(pin)是為1/4英吋×1/4英吋×1/2英吋長并載有250N標準重量。該往復長度為1英吋。該產(chǎn)生壓力為6.3Mpa。滑動速度為2in/s。
具體發(fā)明實施例中，該第一及第二聚合物的該軟化或「熔化」點為40℃以內(nèi)，較佳地另一個為20℃以內(nèi)。于較佳實施例，該第一聚合物為PTFE且第二聚合物為聚芳醚酮(PEEK)。文獻記載PTFE的「熔點」為約327℃而PEEK約為344℃。
雖然較佳實施例運用PTFE/PEEK復合材料，該第一聚合物可為其他強機械性質(zhì)的聚合物，例如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，本文的定義為具有至少3百萬道爾頓(dalton)的平均分子量。該第二聚合物可為聚醯亞胺、尼龍、聚碳酸酯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。
形成高效能復合材料的方法，該步驟包含提供多個轉移薄膜成型聚合物粒子及多個增強相聚合物粒子，于至少一種聚合物(較佳地為二種聚合物)的熔點或熔點以上溫度擠壓或模制成形該多個轉移薄膜成型聚合物粒子及多個增強相聚合物粒子，該轉移薄膜成型聚合物與增強相聚合物以使該轉移薄膜成型聚合物粒子的至少一個軟化和活動。
該多個轉移薄膜成型聚合物粒子可平均為1至100μm且該多個增強相聚合物粒子可平均為50nm至10μm。
于其他發(fā)明實施例，高強度多層聚合物品具有低磨損表面，其包括基質(zhì)聚合物層及配置于該基質(zhì)聚合物層上的聚合物復合材料覆蓋層。該覆蓋層復合材料包含第一聚合物，其包括轉移薄膜成型聚合物，及有別于該第一聚合物的第二聚合物，其是以增強與第一聚合物的混合。該第一聚合物包括至少10重量％的該覆蓋層，且該復合材料覆蓋層表面提供的該物品磨損速率＜10-7mm3/Nm。將包含第一與第二聚合物的復合材料過渡區(qū)插入覆蓋層與基質(zhì)聚合物層之間。該過渡層的至少一部分提供非固定的第一及/或第二聚合物濃度。本發(fā)明較佳實施例中，該過渡層的至少一部分具有的聚合物濃度為具成份梯度的。
本文中使用的詞語「具成份梯度的」表明對照濃度與距離分布為本質(zhì)上單調(diào)的。單調(diào)的定義表明已知的層連續(xù)厚度增加量是固定地增加或減少，例如線性地增加或減少、以階梯模式增加或減少、或其他本質(zhì)上單調(diào)地增加或減少作用，而非相對值的擺動。


藉由再參詳下列詳細敘述與隨附的圖示將可完全了解本發(fā)明及該特征與該優(yōu)點，其中圖1顯示根據(jù)本發(fā)明PEEK重量％的功用(x-軸)例示PTFE/PEEK復合材料的磨損速率(y-軸)，并比較依據(jù)Briscoe等人揭露程序而得的PEEK/PTFE復合材料。
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明較佳實施例，例示的薄膜成型聚合物的濃度對照具有低磨損表面的高強度多層聚合物品的縱深分析。
圖3顯示根據(jù)本發(fā)明由不同例示性PTFE/PEEK組成的磨損測試結果。
圖4顯示該復合材料瞬間摩擦力結果，復合材料磨損測試數(shù)據(jù)是如圖3所示。
圖5顯示根據(jù)本發(fā)明處理材料的PEEK/PTFE復合材料的板銷磨損測試EDS結果是非常無磨蝕性的。
圖6(a)為根據(jù)本發(fā)明PTFE/PEEK復合材料的SEM掃描圖而第圖6(b)為根據(jù)本發(fā)明PTFE/PEEK復合材料的氟掃描圖。
圖7顯示根據(jù)本發(fā)明具有20重量％PEEK(其余為PTFE)的該復合材料的摩擦系數(shù)對照滑動距離結果顯示環(huán)境的不靈敏度。
圖8顯示由圖8驗證該摩擦系數(shù)的再現(xiàn)性的位置性數(shù)據(jù)。
圖9顯示根據(jù)本發(fā)明具體實施例，高強度多層聚合物品掃描的光學顯微照片，該物品是具有低磨損表面且配置于成分上方的梯度界面過渡區(qū)。
具體實施例方式
具有良好的摩潤性質(zhì)的聚合物復合材料，其包含第一聚合物，其包括轉移薄膜成型聚合物；及第二聚合物以加強復合材料與第一聚合物混合。該第一聚合物包括至少10重量％的該復合材料，且該復合材料的磨損速率＜10-7mm3/Nm。該復合材料相較于轉移薄膜成型聚合物亦提供普遍地有競爭力或較低的COF值。
于一實施例，該復合材料包括PTFE/PEEK復合材料，本文中亦描述形成該復合材料的工業(yè)上可實施方法，該復合材料普遍地為真空相容性、惰性、生物相容性、低摩擦力、易于結合、極低磨損、耐高溫、空間相容性及耐化學性。
例示性的轉移薄膜成型聚合物包含PTFE和高分子量線性聚乙烯，標準化制得的線性聚乙烯具有分子量范圍為200,000至500,000道爾頓。但市售獲得者則具有分子量范圍為3至6百萬道爾頓或更高(表明為超高分子量聚乙烯，或UHMWPE)。其他轉移薄膜成型聚合物包含聚芳謎酮。
該第二聚合物普遍地為強機械性質(zhì)、低磨損及高摩擦力高分子。舉例而言，該第二聚合物可包括聚醯亞胺、尼龍、聚碳酸酯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)及PEEK。
雖然是由包括轉移薄膜成型聚合物的第一聚合物和強化復合材料的第二聚合物所構成復合材料，該復合材料亦可包含其他材料，例如，二個或更多薄膜成型聚合物可同樣用作為二個或更多增強相聚合物。其他材料可能加入復合材料中以加強某些性質(zhì)，包括但不限于石墨、二硫化鉬、及奈米碳管。因此，更普遍地，根據(jù)本發(fā)明的化合物的主要成份為包括轉移薄膜成型聚合物的第一聚合物，及加強復合材料的第二聚合物以及視情況的其他材料。
參見圖2，本發(fā)明另一其他具體實施例顯示包括具有成份梯度的界面的多層結構。軌跡1和2所示為依據(jù)本發(fā)明實施例的薄膜成型聚合物的濃度(顯示為PTFE)對照由高強度多層聚合物品表面的縱深。該物品包含覆蓋層101、過渡層102和基質(zhì)聚合物層103。覆蓋層101及過度層102二者皆為聚合物復合材料層，而基質(zhì)聚合物103可為單一聚合物或聚合物復合材料層。
軌跡3顯示于縱深d2處的習知濃度措施界面，其是界于各自的覆蓋層101和基質(zhì)層103。該配置并不提供過渡層102。
如圖2所示，過渡層102的定義為具有由縱深d1至d3的厚度110。典型的過渡層102厚度是由0.2至10μm。參照1和2顯示根據(jù)本發(fā)明的二個例示性的具成份梯度分布的梯度界面。于該二例中，PTFE的濃度朝向物品表面呈現(xiàn)單調(diào)地增加。因此，至少該過渡層102的部分提供非固定的第一及/或第二聚合物濃度。
該過渡層102及該覆蓋層101二者較佳地皆包含包括基質(zhì)聚合物品的材料，例如PEEK。當一起配置并加熱至足夠的溫度，結合作用于基質(zhì)聚合物層103、過渡區(qū)域102及覆蓋層101的間開始，舉例而言，當基質(zhì)聚合物為PEEK，該復合材料涂層變?yōu)榕c基質(zhì)聚合物品成為整體，如通過PEEK的結合，其是延伸自基質(zhì)聚合物層103通過過渡層102至復合材料覆蓋層101。該組成逐漸變化是藉由該過渡區(qū)本質(zhì)上改善物品的結合。該獲致的物品因此變?yōu)榉浅？姑搶影l(fā)生。
該覆蓋層101同時提供該物品相較于薄膜成型聚合物普遍地有競爭力或較低的COF值。該覆蓋層101的COF值普遍地小于0.15，且較佳地是小于0.13，例如0.12、0.11及最佳地是小于0.1。
雖然不需要實施所請發(fā)明。申請人仍描述如下，但并非試圖結合理論所示。就例示的PTFE/PEEK復合材料而言，該測得的磨損速率已發(fā)現(xiàn)非常低于PTFE或PEEK的磨損速率，且該COF值可低于該低摩擦力的轉移薄膜成型聚合物。該低摩擦力區(qū)域可能是源自該轉移薄膜，該轉移薄膜非常薄、均勻及對配合端面的粘著性良好。這是直接對照PTFE，其并無形成良好轉移薄膜。內(nèi)表面裂痕很容易遍及PTFE，并于正常使用狀況下釋放多個數(shù)微米厚磨損碎薄片。該磨損型式并不會對平滑PTFE促進轉移薄膜形成。該薄片產(chǎn)生的碰撞是建立或引起相較于其他方面所呈現(xiàn)地更高的摩擦力狀況。
一般認為根據(jù)本發(fā)明的復合材料提供強機械性質(zhì)聚合物(例如，PEEK)的區(qū)域，該聚合物是藉由轉移薄膜成型聚合物(例如，PTFE)加強并由許多塊轉移薄膜成型聚合物所包圍。該加強的區(qū)域保持小范圍裂痕，僅允許小量的轉移薄膜成型聚合物于被釋放出一次。這些小碎片是較不易移動且被推進結合端面形體。一般相信會使得轉移薄膜成型聚合物加強的強機械性質(zhì)聚合物在薄的、均勻轉移薄膜成型聚合物薄膜上滑動。
這同樣的機制亦助于解釋該關于復合材料組成的低磨損性。該強機械性質(zhì)聚合物的強化避免裂痕遍及整個復合材料，因此該材料相較于轉移薄膜成型聚合物是為更抗磨損。例如，PEEK被認為是低磨損工程用聚合物，但卻有于平滑狀態(tài)下磨損的擦損態(tài)樣。這是因為多個摩擦能量必定被材料所吸收。該復合材料中擦損的減輕是因為被拉起的轉移薄膜成型聚合物保護PEEK并大大降低于界面的摩擦能量。
當具體舉出PEEK/PTFE復合材料，已發(fā)現(xiàn)該復合材料提供的COF類似或于某些情況下更優(yōu)于PTFE。該PEEK可為基于氧基-1，4-伸苯基-氧基-1，4-伸苯基-羰基-1，4-伸苯基的標準PEEK或其變化者。
該第二聚合物的重量百分比可調(diào)節(jié)以提供軸承要求的廣泛范圍，例如低摩擦力、低磨損、高載重能力及低釋氣。該第二聚合物，例如PEEK，普遍地包括至少10至15重量％的根據(jù)本發(fā)明復合材料，但可普遍地提高至約90重量％的該復合材料。
目前根據(jù)本發(fā)明描述的形成復合材料的工業(yè)上可實施方法，是關于形成PEEK/PTFE復合材料。PTFE粒子可由商業(yè)上取得或于實驗室合成。該粒子尺寸較佳為1μm至20μm。PEEK粒子亦可由上業(yè)上取得或于實驗室合成。PEEK粒子的平均尺寸較佳為奈米尺寸，例如約40至200nm。然而，該PEEK粒子可能會較大，如微米尺寸大至10μm，或小于這范圍。
該基質(zhì)層、覆蓋層及過渡層可藉由包括擠壓或模制成形步驟。該擠壓或模制成形步驟可包含提供數(shù)層包括多個轉移薄膜成型聚合物粒子及/或多個增強相聚合物粒子。藉由使用每個聚合物分別的噴嘴以應用該粒子，而于形成過渡區(qū)期間該配置的聚合物比率是可變的，例如于濃度措施，接著通常會變?yōu)楣潭ǖ慕M成以形成基質(zhì)層與低磨損覆蓋層。接著較佳地于至少一種聚合物(較佳地為二種聚合物)如該第一轉移薄膜成型聚合物及第二增強相聚合物的熔點或熔點以上溫度實施單一擠壓或壓模成形步驟，以允許該多個轉移薄膜成型聚合物粒子及多個增強相聚合物粒子的至少一種軟化或活動，其中形成的該復合材料物品提供的磨損速率＜10-7mm3/Nm。加熱的動作較佳地是足以使覆蓋層與過渡層及基質(zhì)聚合物層變成為整體，例如藉由聚合物的結合穿越基質(zhì)層/過渡層界面及過渡層/覆蓋層界面。
于一具體實施例，為形成覆蓋層，PTFE可加入混合容器并以精確分析天平秤重。較佳地于該PEEK接著加入PTFE，該混合容器是連續(xù)秤重，直到獲得所期望PEEK的重量份。在加入混合腔室后，該各別材料通常是未混合的，并主要地以PEEK與PTFE的黏聚作用存在。噴射研磨裝置或其他合適混合器態(tài)樣可用作分離該粘聚材料。
噴射研磨是使用高壓空氣以加速研磨腔室中的材料。該加速粒子碰撞并分離。該粒子持續(xù)在研磨腔室直到他們變的夠小可移動至研磨出口并進入該收集器。該研磨材料是較佳地通過數(shù)次額外的噴射研磨(例如二或三次)以產(chǎn)生更均勻分布。
研磨過后，該復合材料粉末布置于過渡層粒子的上方，該過渡層粒子布置于基質(zhì)聚合物粒子上。除了該過渡層粒子是較佳地散布在基質(zhì)層粒子上以提供如前述的梯度濃度分布，該過渡層步驟可接著類似前述關于覆蓋層形成步驟后。接著較佳地使用壓模成型。壓模成型為最常見形成熱固性材料的方法且藉由加熱與加壓模型中的該材料將易于擠壓材料成為所期望形狀。使用該模型前，通常會磨除模型中殘留材料及氧化物，且該模型是以熱聲處理(sonicated)水清潔。接著較佳地以壓縮機(經(jīng)過濾與干燥)的高速空氣干燥該模型，并填充摻混的材料。
該粉末混合物較佳地于約20至100MPa、室溫下壓模15分鐘。該壓力接著較佳地降至約10至20Mpa并于樣品加熱與接著降溫時維持固定壓力。于一實施例，該樣品以升溫速率120℃/小時加熱，以達到足以使該多個轉移薄膜成型聚合物粒子與該多個增強相聚合物粒子軟化及活動的最大溫度。對各別的PTFE與PEEK，至少約330℃的最小溫度及360至380℃范圍的最大溫度是普遍地較佳的。于該溫度范圍，PEEK及PTFE二者皆接近或大于其各別軟化點，且因此有極大的活動力。該最大溫度可固定持續(xù)數(shù)小時，例如三(3小時)，并可以同樣速率降至室溫。亦可使用稍微高的溫度，但不致發(fā)生分解作用。例如，以包括復合材料的PTFE而言，當溫度接近約420℃或更高，該PTFE的C-F鍵結開始斷裂并通常造成該材料無法使用。
除了壓模成型外，亦可使用擠出和射出成型。其他可選擇的方法，是使用第一聚合物的多孔網(wǎng)絡，例如薄膜成型聚合物PTFE，以形成如本發(fā)明的復合材料，該多孔網(wǎng)絡是配置于真空狀態(tài)。該第二聚合物的環(huán)氧樹脂可應用于該多孔網(wǎng)絡的表面。該第二聚合物滲入該多孔網(wǎng)絡的多孔內(nèi)。接著于一適合的硬化步驟，該第二聚合物可固化，因此形成復合材料，其包括轉移薄膜成型聚合物網(wǎng)絡以及與第一聚合物網(wǎng)絡成為整體的第二聚合物網(wǎng)絡。產(chǎn)生該第二聚合物間的連結通常不如經(jīng)模制成形制程的連結有效。
本發(fā)明復合材料的良好磨潤表現(xiàn)提供本發(fā)明廣泛不同的應用。本發(fā)明可提供的改良產(chǎn)品包含，但不限于軸襯、自潤軸承、滑動軸承、整形外科裝置、及塑膠齒輪。
關于整形外科裝置，例如，一般是由金屬部件(諸如類鏡面鈷鉻)制得的該基質(zhì)脛骨盤，藉由使用如本發(fā)明的具有梯度界面聚合物復合材料結合至該軸承表面，可顯著改良與降低成本。可以單一模造成型結合的高強度聚合物成分替換該傳統(tǒng)的金屬盤與UHMWPE嵌入件并結合至骨頭，該聚合物成分是由本發(fā)明具有高強度(例如PEEK)部分的復合材料物品所形成，該物品亦包含結合的固體潤滑表面(例如PTFE/PEEK)，該發(fā)明物品較佳地包含過渡層復合材料，其是插入固體潤滑表面與該基質(zhì)PEEK部分，該過渡層是提供具成份梯度的PEEK與PTFE。
如本發(fā)明的該物品固體潤滑表面并不需要類鏡面表面處理，而傳統(tǒng)UHMWPE嵌入件則需要。本發(fā)明因此為更經(jīng)濟的，因為鈷鉻拋光于替換上需花費可觀的成本。該本體中的該些傳統(tǒng)高度拋光表面同樣可被刮傷，伴隨著更多括痕出現(xiàn)該UHMWPE嵌入件的模耗速率增快。有別于傳統(tǒng)的替換，視復合材料中該增強相的量而定，本發(fā)明的復合材料同樣提供寬廣可能的彈性性質(zhì)范圍，使植入物的有效彈性系數(shù)為可調(diào)變的。于表面的最理想有效系數(shù)可幫助維持均勻磨損，因此增加如本發(fā)明組成物的壽命。
本發(fā)明同樣地適合航太應用，例如改良的航太雷達裝置。根據(jù)本發(fā)明的復合材料于航太環(huán)境是高度穩(wěn)定的。值得注意的是，有別于目前用于航太雷達的材料，例如二硫化鉬，根據(jù)本發(fā)明的復合材料于接地測試時是清楚地不會降解。
至于航太應用，材料釋氣和水的吸收與航太軸承應用非常相關，因為其可能導致儀器損壞。ASTM E 595是普遍用于真空釋氣標準試驗。此試驗量測整體質(zhì)量損失(TML)、收集揮發(fā)可壓模材料(CVCM)、及水蒸氣回收(WVR)。如果TML＞1.00％及CVCM＞0.1％則候選的航太材料通常會被淘汰。檢閱五個隨機的市售PEEK聚合物發(fā)現(xiàn)該TML、CVCM和WVR的平均值分別為0.39％、0.01％與0.1％。同樣檢視PTFE的TML、CVCM和WVR平均值分別為0.034％、0.00％與0.02％。真空下PTFE的表現(xiàn)比PEEK要好，但該二者材料仍被視為良好真空材料。該些聚合物所有組合須符合該篩選標準。含水率同樣是很重要的考量。一旦材料進入低壓環(huán)境任何地表上水的吸收將會產(chǎn)生釋氣。PTFE于0.15％含水率時變飽和，而PEEK于0.5％含水率時變飽和。該些數(shù)值相較于其他聚合物來的低且于航太應用上同樣普遍地為可接受。
航太極端溫度可造成一些聚合物的熔化與損壞斷裂。PTFE可用于溫度高如290℃與低如-200℃。PEEK則可操作于溫度高如150℃至300℃(視等級而定)與低如約-65℃。因此，根據(jù)本發(fā)明的復合材料，例如PTFE/PEEK復合材料被認為于航太應用上符合抗斷裂要求，該航太應用的特定溫度范圍為-40℃至100，或甚至達軍事應用特定溫度范圍(55℃至125)。
根據(jù)本發(fā)明的復合材料可被壓模成型為管狀物。下述部份，該或制的管狀物部分可用作軸襯、例如周圍軸。如果復合材料是形成固體桿狀物，經(jīng)材切可制造車削薄膜，其可提供該復合材料薄片。該薄片可材切成想要的尺寸、置放欲涂布的部件，其包括復雜形狀部件，接著將其結合在一起。
實例本發(fā)明進一步以下述特定實例說明，其不應以任何形式解釋為限制本發(fā)明內(nèi)容或范圍。
實例1PTFE/PEEK復合材料的形成PTFE材料是由Dupont Corporation，Wilmington，DE取得，其粒子尺寸平均為25μm。PEEK粒子是取得自(Victrex PLC，UK)，且一般相信約為2至10μm。將該PTFE加入混合容器并以Mettler Toledo精確分析天平秤重。當PEEK加入PTFE時，該混合容器是連續(xù)秤重直到得到所需的狀量成分。該些材料于混合容器中仍未混合且大部分為粘聚組成。并使用Sturtevant研磨裝置分離該凝聚材料。
研磨過后，將該復合材料粉末壓模成型。使用模型前，磨除模型中殘留材料及氧化物，并以經(jīng)熱聲處理水清洗15分鐘。接著以壓縮機(經(jīng)過濾與干燥)的高速空氣干燥該模型，并填充摻合材料。壓模成型是使用傳統(tǒng)加熱壓出法。
該粉末是于室溫下40Mpa(395Atm)壓模15分鐘。該壓力接著減至12Mpa(118Atm)，且當該樣品加熱與降溫時壓力維持固定。四個加熱器嵌入模型上下的加熱板中。PID控制器是用于得到所期望的溫度外觀。以120℃/小時加熱該樣品并升至360℃。該溫度維持固定3小時，并以相同速率降至室溫。該模制樣品為1英吋長與直徑0.75英吋的圓柱狀物。數(shù)字控制研磨機是用于將模制盤材切為1/4英吋×1/4英吋×1/2英吋的板銷。
實例2磨潤測試圖1、3、4、及5的數(shù)據(jù)是基于下列步驟該模型是用于制造直徑19mm×~25mm長的圓柱狀物。樣品測量尺寸6.4mm×6.4mm×12.7mm是使用實驗級數(shù)字控制研磨機自壓模成型圓柱狀物制得。接著測量與秤重該加工過的樣品，并由該些量測儀器計算該樣品密度。每個壓模成型圓柱狀物僅僅生產(chǎn)1個樣品。
該結合端面為板狀并由測量尺寸為38mm×25.4mm×3.4mm的304不銹鋼制得。這材料測得的Rockwell B硬度為87.3kg/mm2。于干燥滑動狀況下對161nm Rrms(帶有35nm的標準差)重疊的結合端面進行板銷磨損測試。線性往復摩擦計是用于測試根據(jù)本發(fā)明的該復合材料。該結合端面是固定于桌臺，每一方向往復25mm且該結合端面配置有步進馬達與滾珠螺桿系統(tǒng)。
于測試前，以皂和水清洗該結合端面、以丙酮清潔、于甲醇中聲波處理~15分鐘，接著以實驗室擦拭器干燥。以甲醇擦干凈該奈米復合材料，但沒有清洗或經(jīng)聲波處理。該板銷樣品是直接固定于結合至線性促動器的6-頻道荷重計。Labview軟體是于控制二個電-氣閥門，其是加壓該荷重圓柱狀物。并以相同軟體紀錄桌臺位置、板銷位移、摩擦力與法向力。施用至該板銷的該法向力為250N，而該滑動速率為50mm/s。該整體裝置是位于軟墻式(soft-walled)凈化室內(nèi)，實驗室環(huán)境空氣相對濕度介于25-50％。
該板銷的質(zhì)量是以具有220g范圍與10μg解析度的Mettler Toledo AX205精確分析天平測量。該樣品的質(zhì)量損失(ΔM)、該材料的密度(ρ)、整體測試滑動距離(D)及該平均正向荷重(Fn)是用于計算磨損速率(k)，并運用下列方程式計算k＝ΔM/(ρ·Fn·D)方程式1每隔一段時間中斷該測試以秤重該樣品。將每一測量的不確定性輸入蒙地卡羅(Monte Carlo)模擬法，其是用于計算平均磨損速率與磨損速率的不確定性。
圖1顯示根據(jù)本發(fā)明PEEK重量％(x-軸；其余為PEEK)的功用的例示PTFE/PEEK復合材料的磨損速率(y-軸)，并比較依據(jù)Briscoe等人的填充PTFE的PEEK復合材料。圖1所示的根據(jù)本發(fā)明的該復合材料磨損速率是介于于60與100重量％PTDFE。當PTFE的重量％于80％附近，根據(jù)本發(fā)明的該復合材料磨損速率為低于依據(jù)Briscoe等人提供含80重量％的PTFE(20％的PEEK)磨損速率至少有兩個等級大小。相較于傳統(tǒng)包括多個非連接性填充粒子的填充聚合物復合材料，例如Briscoe等人所揭示者，該數(shù)據(jù)提供根據(jù)本發(fā)明的聚合物/聚合物復合材料顯著結構上不同的強有力證據(jù)。
圖3顯示由磨損測試中斷的測試結果，其是根據(jù)本發(fā)明所示使用5、10、20、30及40重量％的PEEK(其余為PTFE)組成物的復合材料，關于20(a)及20(b)復合材料表明含相同的20重量％PEEK樣品，20(a)為測試所有該樣品的該日，以及20(b)為后5天重復測試。當PEEK的重量％至少有20重量％，該復合材料顯示出乎意料外的優(yōu)越磨損表現(xiàn)，在兩周連續(xù)滑動后幾乎看不到磨損，且經(jīng)1,000,000次循環(huán)滑動于Mettler精確天平仍未測得磨損(＞0.01mg)。
同樣發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的復合材料的摩擦力是非常低。圖4顯示于兩個模耗測試期間每一復合材料的瞬間摩擦力。
圖4顯示得自5、10、15、20(a)及20(b)、30及40重量％的PEEK(其余為PTFE)復合材料的平均COF值結果，其COF為約由0.1至0.13。為提供比較，相同測試條件下PTFE具有的摩擦系數(shù)范圍由0.11至0.15。因此，發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的PEEK/PTFE復合材料所提供的摩擦系數(shù)是比得上PTFE，或低于PTFE。
圖5顯示板銷磨損表面測試的EDS結果，其是根據(jù)本發(fā)明復合材料并使用20重量％的PEEK(其余為PTFE)復合材料。該結果證明該材料是無磨蝕性的，因為在滑動140km后藉由EDS測量于板銷磨損表面并未偵測Fe。該結果可與PTFE比擬，因PTFE在滑動1km后就發(fā)現(xiàn)耗盡該點而不再能測試。
圖6(a)為根據(jù)本發(fā)明PTFE/PEEK復合材料的SEM掃描圖而圖6(b)為氟掃描圖。該每個光亮區(qū)為PTFE部位。
圖7顯示根據(jù)本發(fā)明具有20重量％PEEK(其余為PTFE)的該復合材料的摩擦系數(shù)對照滑動距離，結果顯示對濕度與空氣環(huán)境的不靈敏度。圖7及圖8的數(shù)據(jù)是得自于于環(huán)境控制條件下。圖7顯示該復合材料對于水及其他種顯著不良改變傳統(tǒng)高級材料的磨潤特性的不靈敏性。該板銷為1mm半徑的鋼球、荷重0.45N并于該復合材料上以5mm/s往復運動。最大的壓力約為80MPa。
圖8顯示該每一條件開始與最終的一往復循環(huán)摩擦結果。圖8的數(shù)據(jù)驗證圖7的摩擦系數(shù)測試再現(xiàn)性。
實例3使用壓模成型的具有成份梯度的界面多層低摩擦及低磨損聚合物/聚合物復合材料的形成提供PTFE與PEEK粉末。接著模型以分離步驟填充單調(diào)地減少(或增加)的復合材料粉末，下段描述使用1.25英吋圓柱狀模型的程序，其提供詳細說明關于復合材料與質(zhì)量。
該模型底部首先填充5000mg、100重量％的7CTeflon(PTFE)。這是一犧牲層，其是較佳地被磨除于該成品。PTFE于熔化時是相當粘的，并避免該固體PTFE潤滑劑流出該模型。同樣地，既然PTFE的密度約為PEEK的兩倍，模型底部具有高濃度的PTFE有助于避免熔化時的不穩(wěn)定性。壓模該犧牲層以得到平坦界面。該步驟的壓力范圍于2000psi至20000psi。較高的壓力通常為較佳地。
接著加入包含復合材料層的固體潤滑劑2500mg。該使用的組成為50重量％的XF PEEK及其余的PTFE。接著于上述條件做壓模成形。本例子的自身梯度約為該固體潤滑層質(zhì)量的一半。然而該基本原則為視該期望成分差異而定。例如，若該梯度是由材料A至AB至B至BC至C，則該梯度層將會擴大。接著每個連續(xù)層的量得視該可得材料梯度的鑒別度而定(極限為當該梯度變?yōu)檫B續(xù)時，該些層就趨向零質(zhì)量)。在本例中，PEEK含量以10重量％增量增加。這使得每一層約為250mg。接著加入250mg的60重量％450XF PEEK與其余的PTFE然后壓模。加入250mg的70重量％450XF PEEK與其余的PTFE然后壓模。加入250mg的80重量％450XF PEEK與其余的PTFE然后壓模。加入250mg的90重量％450XFPEEK與其余的PTFE然后壓模。加入250mg的100重量％450XF PEEK然后壓模。將適當量的100重量％450XFPEEK加入以供應該基質(zhì)層材料而去完成該物品。雖然沒有使用犧牲層，但是若該PEEK流出模型外則犧牲層可附加于該PEEK基質(zhì)層的上方。
圖9顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的高強度多層聚合物品900掃描的光學顯微照片，并顯示尺寸比例。物品900包含配置于梯度界面層920上的低磨損固體潤滑表面910，該二皆由PEEK/PTFE形成。該梯度界面層920清晰可見。該梯度界面層920配置于高強度成分構件930上，該構件全由PEEK所形成。該梯度界面920提供單調(diào)增加的PTFE濃度，最小PTFE濃度位于其與高強度成分構件930的界面，而最大PTFE濃度位于其與低磨損固體潤滑表面910的界面。
說明與描述完本發(fā)明較佳實施例，當可明了本發(fā)明并非如此局限。在熟悉該項技術者所出現(xiàn)的眾多修飾、置換、變化，替代物及相等物皆不背離如申請專利范圍所述的本發(fā)明精神與范圍。
權利要求
1.一種復合材料，包括第一聚合物，其包括轉移薄膜成型聚合物；及不同于該第一聚合物的第二聚合物，以加強該復合材料與該第一聚合物混合，其中該第一聚合物包含至少10重量％的該復合材料，且該復合材料的磨損速率＜10-7mm3/Nm。
2.根據(jù)權利要求1所述的復合材料，其中該第二聚合物包括互連網(wǎng)絡。
3.根據(jù)權利要求2所述的復合材料，其中該第一聚合物包括互連網(wǎng)絡，其中該復合材料為互穿網(wǎng)絡結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的復合材料，其中該第二聚合物包含15重量％至50重量％之間的該復合材料。
5.根據(jù)權利要求1所述的復合材料，其中該第一聚合物包括PTFE。
6.根據(jù)權利要求1所述的復合材料，其中該第二聚合物包括聚芳醚酮。
7.根據(jù)權利要求6所述的復合材料，其中該第一聚合物包括PTFE。
8.根據(jù)權利要求7所述的復合材料，其中該復合材料包括15至50％之間的該第二聚合物重量。
9.根據(jù)權利要求8所述的復合材料，其中該復合材料的平均摩擦系數(shù)不高于0.15。
10.根據(jù)權利要求8所述的復合材料，其中該復合材料的平均摩擦系數(shù)不高于0.13。
11.根據(jù)權利要求1所述的復合材料，其中該復合材料的磨損速率＜10-8mm3/Nm。
12.根據(jù)權利要求1所述的復合材料，進一步包括基質(zhì)聚合物層，其中該復合材料層配置于該基質(zhì)聚合物層上，及在該復合材料的層與該基質(zhì)聚合物層之間插入過渡層復合材料，該過渡層復合材料包括第一和第二聚合物，其中至少部分的該過渡層提供非固定的第一或第二聚合物濃度。
13.根據(jù)權利要求12所述的復合材料，其中該過渡層是具成份梯度的。
14.根據(jù)權利要求12所述的物品，其中該復合材料的層的厚度小于10mm。
15.根據(jù)權利要求12所述的復合材料，其中該第二聚合物包含15重量％至50重量％的該復合材料的層。
16.一種軸承或軸襯，包括根據(jù)權利要求1所述的復合材料。
17.一種形成高效能復合材料的方法，包括以下步驟提供多個轉移薄膜成型第一聚合物粒子及多個增強相第二聚合物粒子；及在足以允許該第一聚合物粒子和該第二聚合物粒子中的至少一種軟化和活動的溫度下，模制或擠壓該多個第一聚合物粒子和該多個第二聚合物粒子，其中形成提供磨損速率＜10-7mm3/Nm的該復合材料。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，進一步包括在該模制步驟前，噴射研磨該多個轉移薄膜成型聚合物粒子和該多個增強相聚合物粒子的步驟。
19.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中該多個第一聚合物粒子平均為1至100μm，而該多個第二聚合物粒子平均為50nm至1μm。
20.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中該第一和第二聚合物二者都包括互連網(wǎng)絡，其中該復合材料為互穿網(wǎng)絡結構。
21.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中該第二聚合物包含15重量％至50重量％的該復合材料。
22.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中該第二聚合物包括聚芳醚酮且該轉移薄膜成型聚合物包括PTFE。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中該復合材料的平均摩擦系數(shù)不高于0.15。
24.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中該復合材料的磨損速率＜10-8mm3/Nm。
25.根據(jù)權利要求14所述的方法，進一步包括以下步驟提供主要由該第一聚合物或該第二聚合物組成的基質(zhì)聚合物物品；將該復合材料與該基質(zhì)聚合物物品配置在一起，和將該復合材料加熱至足以使該復合材料與該基質(zhì)聚合物層成為整體的溫度。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中該基質(zhì)聚合物包括聚芳醚酮且該薄膜成型聚合物包括PTFE。
27.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中該模制包括壓模。
全文摘要
一種具有良好磨潤性質(zhì)的復合材料，其包含轉移薄膜成型的第一聚合物及和第一聚合混合的第二聚合物。該第一聚合物為至少10重量％的該復合材料且該復合材料提供的磨耗速率＜10
文檔編號C08L27/18GK101035854SQ200580034330
公開日2007年9月12日 申請日期2005年8月9日 優(yōu)先權日2004年8月9日
發(fā)明者W·G·索亞, D·L·貝爾雷斯 申請人:佛羅里達大學研究基金會有限公司