專利名稱：低摩擦的耐磨軸承材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含PTFE的改進(jìn)的軸承材料。這些軸承材料適用于(例如)在航空、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)中的各種應(yīng)用。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域已知使用自潤滑的軸承和材料，在承載負(fù)荷的應(yīng)用中降低摩擦和磨損。人們期望這些軸承能承受使用和安裝期間的損害。此外，自潤滑的軸承通常在使用期間經(jīng)歷各種條件，如熱和壓力，以及來自各種物質(zhì)的化學(xué)侵蝕。
選擇軸承材料以滿足給定的要求，取決于特定條件以及所需性能，這是一項(xiàng)復(fù)雜的工程任務(wù)，必須考慮到許多參數(shù)。需要考慮的條件的代表性清單包括，例如，速率、壓力(包括負(fù)荷量、負(fù)荷方向以及施加負(fù)荷的速度)、動摩擦、靜摩擦、溫度、化學(xué)暴露、潤滑、尺寸穩(wěn)定性、幾何相適性、反向表面的特性、對流體摩擦腐蝕(“成穴″)的易感性。
常規(guī)的控制摩擦的材料和系統(tǒng)包括滾柱軸承、滾球軸承以及滾動軸承。在滾動軸承領(lǐng)域，已知有許多不同形式的塑料軸承材料，包含有各種填充料和/或多孔結(jié)合層的塑料基質(zhì)。其中許多包含聚四氟乙烯(PTFE)，PTFE因?yàn)槠涞湍Σ料禂?shù)而廣為人知。PTFE還提供在寬溫度范圍穩(wěn)定且對大多數(shù)化學(xué)品呈惰性的益處。然而，PTFE的磨損特性、過度蠕變以及與基片的粘合強(qiáng)度都較差，因此以各種方式將不同的支撐材料與PTFE結(jié)合。其中一些支撐材料包括金屬，據(jù)信金屬能從系統(tǒng)吸收熱量，由此改善磨損。
此外，據(jù)認(rèn)為某些金屬如鉛有利于系統(tǒng)的潤滑。然而，這些系統(tǒng)機(jī)制的科學(xué)性還未能被人們充分理解。
許多產(chǎn)品在本領(lǐng)域都能得到，并且在各種現(xiàn)有專利中涉及結(jié)合了聚四氟乙烯(PTFE)的軸承以及其它降低摩擦的材料。例如，許多軸承材料中結(jié)合了PTFE絮凝物或短纖維，這些材料被加入到樹脂材料并且噴涂到基片上。美國專利No.3,806,216描述了具有這種類型的結(jié)構(gòu)的代表性材料。另一種類型中，從固體全密度(full-density)PTFE塊切割出PTFE薄膜，然后疊加到織物或金屬背襯上，并用各種樹脂系統(tǒng)粘合在一起。美國專利No.4,238,137(Furchak)描述了這種結(jié)構(gòu)類型的一些代表性金屬。還使用由PTFE纖維制成的織造或非織造的片材或織物，然后用樹脂浸漬(如美國專利4,074,512)和/或疊加到環(huán)氧材料或其它背襯材料上(如，美國專利3,950,599)作為軸承材料。PTFE絮凝物或顆粒被加入到熱塑性材料中，然后模塑和/或機(jī)加工成軸承。此外，PTFE分散體有時(shí)與填充料混合，干燥或者粘合在燒結(jié)的金屬層/金屬基片或其它金屬基片上(如美國專利2,689,380；5,498,654和6,548,188以及日本未審查(Kokai)專利申請No.3-121135)。
美國專利No.5,792,525(Fuhr等)揭示由一層或多層致密化的膨脹PTFE材料制成的軸承部件，將所述材料進(jìn)行機(jī)械加工或者形成所需形狀。這種材料在負(fù)荷下具有良好的抗蠕變性；然而，這種材料的磨損限度限制了其在許多高要求軸承應(yīng)用中的使用。
由所述寬范圍的含PTFE材料可知，對幾乎每一種軸承應(yīng)用已開發(fā)了某種解決方案；但是，市場仍需要能夠達(dá)到低能耗和較長壽命的低摩擦、低磨損的系統(tǒng)。此外，有關(guān)鉛的環(huán)境因素已經(jīng)引起對無鉛材料的研究，這種無鉛材料的性能優(yōu)于目前的含鉛材料，或與目前的含鉛材料相當(dāng)。
因此，在自潤滑軸承制品領(lǐng)域需要相對于通?？傻玫牟牧隙蕴岣吡四湍バ圆⑶业湍Σ恋男路f的軸承。
發(fā)明概述本發(fā)明是一種獨(dú)特的耐磨損復(fù)合軸承材料，這種材料解決了目前自潤滑軸承市場的許多問題。這種軸承材料包含與其它聚合物材料組合的單塊或連續(xù)的多孔聚四氟乙烯材料，這種材料具有本領(lǐng)域迄今未能得到的獨(dú)特構(gòu)形。
有許多多孔單塊形式的PTFE適合用作本發(fā)明的軸承材料。例如，美國專利No.5,677,031(Allan等)和No.6,019,920(Clough)涉及單塊多孔PTFE結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)包含熔融粒狀PTFE顆粒的開口網(wǎng)，所述顆粒限定出貫通該結(jié)構(gòu)的空隙的曲折網(wǎng)。適用于本發(fā)明軸承材料的多孔單塊PTFE的另一個(gè)例子是膨化PTFE，其特征是具有小纖維互連的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，這種節(jié)點(diǎn)和纖維結(jié)構(gòu)的外觀可以依據(jù)材料是在一個(gè)方向(如單軸向)還是多個(gè)方向(如雙軸向、多軸向等)膨脹而不同。適用于本發(fā)明的多孔單塊PTFE材料的其它形式可包括單塊PTFE片材以及其它網(wǎng)狀PTFE形式，所述片材被穿孔或者改性以產(chǎn)生孔隙。
我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，這類多孔單塊的PTFE材料無論是膜、棒、管或其它合適的形式，都可以吸入包括熱固性樹脂或熱塑性樹脂的聚合物樹脂(如本文詳細(xì)描述的)，由產(chǎn)生的吸入結(jié)構(gòu)制成的軸承與現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域制成的軸承相比，提高了耐磨性。
適合吸入ePTFE結(jié)構(gòu)的聚合物樹脂材料包括寬范圍的各種熱固性樹脂，所述熱固性樹脂包括但不限于環(huán)氧樹脂及其雜化物、酚醛樹脂、聚酯、丙烯酸酯類、聚酰亞胺、聚氨酯、氰酸酯、雙馬來酰亞胺、聚苯并咪唑等。優(yōu)選的熱固性樹脂是具有高熱穩(wěn)定性的那些(如，環(huán)氧樹脂、聚酰胺-酰亞胺、氰酸酯和酚醛樹脂等)。此外，許多熱塑性樹脂也可以被吸入ePTFE結(jié)構(gòu)，形成低摩擦的耐磨性復(fù)合材料，所述熱塑性樹脂包括但不限于聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚芳醚酮(PAEK)、液晶聚合物(LCP)、聚酰亞胺(PI)、聚醚酰亞胺(PEI)、乙縮醛、丙烯酸類、含氟聚合物、聚酰胺、聚碳酸酯、聚烯烴、聚苯醚、聚酯、聚苯乙烯、聚砜、聚醚砜、聚苯硫、聚氯乙烯等。
根據(jù)所得復(fù)合材料的目標(biāo)用途和性能，聚合物樹脂的固體體積百分?jǐn)?shù)以及固體的體積比值(PTFE與聚合物樹脂)可以顯著變化。樹脂體積百分?jǐn)?shù)在40-80％范圍的材料能制成本發(fā)明的合適復(fù)合材料；然而，預(yù)期更高或更低的體積百分?jǐn)?shù)也在適合于本發(fā)明的低摩擦耐磨材料的復(fù)合材料范圍之內(nèi)。
根據(jù)所需的特定性能，吸入的ePTFE復(fù)合材料還可以結(jié)合一種或多種填料，來改變或調(diào)整性能，以滿足特定的性能要求。例如，可包含如石墨或氮化硼的填料，來降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)(COF)。此外，可以使用如氧化鋁、二氧化鈦、玻璃纖維或碳的填料來提高耐磨性，哪怕這種填料會提高COF。
附圖簡述結(jié)合附圖閱讀時(shí)，將能更好地理解前面對本發(fā)明的概述以及下面對本發(fā)明的詳細(xì)描述。為說明本發(fā)明的目的，附圖中所示為優(yōu)選的實(shí)施方式。但是，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所示的精確的排列和設(shè)施。附圖中

圖1和2分別是旋轉(zhuǎn)測試樣品和測試卡具的示意圖，所示旋轉(zhuǎn)測試樣品和測試卡具用于對本發(fā)明材料進(jìn)行磨損測試；圖3是在磨損測試過程中測試卡具的負(fù)荷與壓縮關(guān)系圖。
圖4是實(shí)施例1的多孔單塊PTFE在吸入環(huán)氧樹脂之前放大250倍的橫截面透視顯微照片。
圖5是實(shí)施例2的膨脹PTFE膜在吸入環(huán)氧樹脂之前放大600倍的橫截面透視顯微照片。
圖6是實(shí)施例2的膨脹PTFE膜在吸入環(huán)氧樹脂并使環(huán)氧樹脂固化后放大600倍的橫截面透視顯微照片。
圖7是實(shí)施例5的膨脹PTFE膜在吸入環(huán)氧樹脂之前放大250倍的橫截面透視顯微照片。
圖8是實(shí)施例5的膨脹PTFE膜在吸入環(huán)氧樹脂并使環(huán)氧樹脂固化后放大300倍的橫截面透視顯微照片。
圖9是實(shí)施例5的軸承材料的膨脹系數(shù)與研磨次數(shù)的關(guān)系圖。
圖10、11、12和13分別是比較例1、2、3和4的軸承材料的橫截面的透視顯微照片。
圖14是比較例1的材料的摩擦系數(shù)與研磨次數(shù)的關(guān)系圖。
優(yōu)選實(shí)施方式的詳述本發(fā)明中，制成的復(fù)合軸承材料的摩擦系數(shù)(COF)類似于純PTFE，但其磨損率明顯降低。這種新穎的軸承材料通過在特定的多孔單塊PTFE結(jié)構(gòu)內(nèi)吸入耐磨的聚合物樹脂制成。
為了形成這種軸承材料，重要的一點(diǎn)是以多孔單塊的PTFE為原料，如本文前面所述。例如，美國專利No.5,677,031(Allan等)和美國專利No.6,019,920(Clough.)涉及單塊多孔PTFE結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)包含熔融顆粒的PTFE顆粒的開口網(wǎng)，這些顆粒限定出貫通該結(jié)構(gòu)的空隙的曲折網(wǎng)。適用于本發(fā)明軸承材料的多孔單塊PTFE的另一個(gè)例子是膨化PTFE，其特征是具有小纖維互連的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，這種節(jié)點(diǎn)和小纖維結(jié)構(gòu)的外觀可以依據(jù)材料是在一個(gè)方向(如單軸向)還是多個(gè)方向(如雙軸向、多軸向等)膨脹而不同。適用于本發(fā)明的多孔單塊PTFE材料的其它合適形式可包括單塊PTFE片材以及其它網(wǎng)狀PTFE形式，所述片材被穿孔或者改性以產(chǎn)生孔隙。
如前面所述，適合吸入本發(fā)明的PTFE結(jié)構(gòu)的聚合物材料包括寬范圍的各種耐磨性聚合物樹脂。本文所用術(shù)語“耐磨性聚合物樹脂”意指聚合物樹脂所具有的模量大于PTFE的模量(約0.7Gpa)，更好至少為1.5Gpa，最好至少為2Gpa的。合適的熱固性樹脂包括但不限于環(huán)氧樹脂及其雜化物、酚醛樹脂、聚酯、丙烯酸酯類、聚酰亞胺、聚氨酯、氰酸酯、雙馬來酰亞胺、聚苯并咪唑等。優(yōu)選的熱固性樹脂是熱穩(wěn)定性高的那些(如，環(huán)氧樹脂、聚酰胺-酰亞胺、氰酸酯和酚醛樹脂等)。此外，熱塑性樹脂也可以被吸入多孔單塊PTFE的結(jié)構(gòu)，形成低摩擦高耐磨性的復(fù)合物，所述熱塑性樹脂包括但不限于聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚芳醚酮(PAEK)、液晶聚合物(LCP)、聚酰亞胺(PI)、聚醚酰亞胺(PEI)、乙縮醛、丙烯酸類、含氟聚合物、聚酰胺、聚碳酸酯、聚烯烴、聚苯醚、聚酯、聚苯乙烯、聚砜、聚醚砜、聚苯硫、聚氯乙烯等。
雖然熱固性或熱塑性聚合物樹脂能提高制成的制品的耐磨性，除了許多其它因素外，聚合物樹脂的選擇對成功制成復(fù)合物也很重要，并且根據(jù)特定應(yīng)用的要求，特定樹脂的選擇也會發(fā)生變化。對典型的工業(yè)軸承應(yīng)用，吸入的樹脂還提供了以下有益的特征完全或部分填充了PTFE中的空隙，提供對其它基材的粘合能力，減少或防止在負(fù)荷下的變形(即蠕變強(qiáng)度)，并提供尺寸剛性(dimensionalrigidity)。我們發(fā)現(xiàn)在一些實(shí)施方式中，很好地綜合平衡了所有這些性能的材料是一種包含環(huán)氧化物、固化劑和添加劑(即固化促進(jìn)劑)的環(huán)氧樹脂。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述環(huán)氧化物是雙酚A、雙酚F、環(huán)氧甲酚甲醛樹脂、環(huán)氧線型酚醛樹脂中的任何一種，以及許多其它可得的環(huán)氧材料。固化劑可以是(但不限于)脂族胺、芳族胺、酰氨基胺(amidoamines)、聚酰胺、胺配合物、雙氰胺、脲、咪唑、多酚、酸酐和酸。但是，重要的是注意到，環(huán)氧化物并不一定是每一種應(yīng)用都要選擇的材料。例如，如果一種應(yīng)用要求對極高溫度(450)的耐受性，聚酰亞胺能更好地適用于優(yōu)選的實(shí)施方式。此外，根據(jù)所需的最終用途，對聚合物樹脂或樹脂的選擇也會不同。
為將熱固性或熱塑性聚合物結(jié)合到ePTFE結(jié)構(gòu)中，通過熔化或溶劑化使聚合物成為液態(tài)。制造這種類型復(fù)合物的一種優(yōu)選方法是將溶劑化的聚合物吸入PTFE結(jié)構(gòu)的至少一部分空隙中。這種方法能夠方便地控制聚合物的加入，并且通過簡單處理就能獲得最終結(jié)果。這種方法將熱固性或熱塑性樹脂的所有組分溶于溶劑。所述溶劑不僅溶解組分，而且具有潤滑劑的作用，潤滑多孔單塊的PTFE材料。PTFE材料吸收這種混合物。有許多種用來吸浸PTFE結(jié)構(gòu)的方法，如蘸涂、輕觸輥涂、噴涂、刷涂、真空涂布和本領(lǐng)域技術(shù)人員了解的類似技術(shù)。吸入后除去溶劑，在PTFE材料的空隙中留下所有固體組分。
吸浸的ePTFE復(fù)合材料有時(shí)稱作“預(yù)浸體(pre-preg)”，將這種復(fù)合材料制成用作軸承制品的形式。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，通過將“預(yù)浸體”粘合在背襯或基材上，可獲得上述形式。這種背襯材料由金屬、熱固性材料或其它適合粘合預(yù)浸體的基材構(gòu)成。例如，鋼片和環(huán)氧樹脂模具是合適基材的兩種代表形式。在一個(gè)包括粘合到鋼基材的優(yōu)選實(shí)施方式中，可以通過以下步驟將預(yù)浸體粘合所述基材用甲基乙基酮(MEK)清潔鋼板基材；將環(huán)氧樹脂/ePTFE“預(yù)浸體”放在鋼板上，并在與所述鋼板相對的預(yù)浸體側(cè)面上放置一剝離膜。在該剝離片頂部放置一金屬片。將該組合件置于Carver壓制單元中，施加40-1000psi的負(fù)荷，在160-200℃溫度下保持30分鐘。在此加熱和加壓步驟中，吸入的環(huán)氧樹脂在ePTFE結(jié)構(gòu)中流動，分布到孔隙中，固化(即成為交聯(lián)的)并粘合到鋼板上，形成粘結(jié)在鋼基材上的基本無孔的結(jié)構(gòu)。結(jié)果是軸承制品具有低摩擦的表面，復(fù)合材料與基材之間形成高強(qiáng)度粘合，以及軸承制品具有優(yōu)良的耐磨性。這種制品可以成形后直接使用，或者可以切割、沖壓、卷曲、形成凸緣，或者成形為要求的幾何形狀。
在另一個(gè)形成本發(fā)明軸承的優(yōu)選實(shí)施方式中，“預(yù)浸體”不粘合到基材，而是按照上面所述的方式在剝離層之間簡單地固化，然后，形成的制品可以直接使用(如以片形、管形等幾何形狀)，或者進(jìn)一步切割(如，墊片等)、沖壓、卷曲、形成凸緣等，提供適合于特定軸承應(yīng)用的形式。
另一個(gè)形成本發(fā)明軸承材料的優(yōu)選實(shí)施方式是，首先切割如上所述在剝離層之間的“預(yù)浸體”，然后在該復(fù)合層上層疊一層壓敏粘合劑，采用或不采用上述進(jìn)一步成形的方法，因此提供一種“剝離和粘著”的軸承制品，這種制品可以在任何時(shí)間應(yīng)用于任何基材。
形成本發(fā)明的軸承材料的另一種方法是，在處理PTFE之前，干混合至少一種環(huán)氧樹脂粉與PTFE，形成多孔單塊形式，或PTFE分散體與各種樹脂材料凝結(jié)。然后，將形成的含樹脂的混合物制成各種制品，制成所需的軸承復(fù)合物。例如，美國專利No.4,096,227(Gore)披露了獲得這種結(jié)果的例子。然后，形成的結(jié)構(gòu)如上所述進(jìn)行固化并被結(jié)合到本發(fā)明軸承材料的一種形式中。
制成的本發(fā)明軸承材料可用于各種工業(yè)領(lǐng)域，優(yōu)選航天、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和其它需要低摩擦或潤滑性以及耐磨性的承載軸承的有利特征的應(yīng)用。示例性的預(yù)期制品包括但不限于以三維制品、涂層、表面等形式出現(xiàn)的軸承、墊片、離合器、張力調(diào)整器、耐磨表面等。
按照上述方法制造的本發(fā)明軸承樣品用來粘結(jié)在鋼板上，然后根據(jù)下面描述的磨損試驗(yàn)測試其耐磨性。
測試方法磨損試驗(yàn)設(shè)備基本按照ASTM D 3702制造測試設(shè)備。該設(shè)備設(shè)計(jì)成測試自潤滑材料的磨損速率，并利用推力墊片試樣的構(gòu)形。該測試設(shè)備測試固定的測試樣品，并在負(fù)荷下相對該樣品測試旋轉(zhuǎn)測試的試樣。所有樣品在26磅(130psi)負(fù)荷和540rpm(150fpm)速率下進(jìn)行測試。為能施加正確的負(fù)荷和速率，設(shè)計(jì)了一個(gè)卡具，安裝在JHead型系列II的Bridgeport銑床上。該卡具用彈簧加載，當(dāng)壓縮到適當(dāng)距離時(shí)，能施加26磅的負(fù)荷。該銑床能夠控制壓縮量以及卡具的操作速度。參見圖1和2，分別是旋轉(zhuǎn)測試試樣和測試卡具的示意圖。
旋轉(zhuǎn)測試試樣旋轉(zhuǎn)測試試樣由1018不銹鋼構(gòu)成，光潔度為8-12微英寸。下面示出該試樣的圖表。該試樣精確復(fù)制ASTM D 3702試驗(yàn)，并示意性示于圖1中。
測試卡具測試卡具設(shè)計(jì)成固定旋轉(zhuǎn)測試試樣并施加恒定負(fù)荷。該卡具示意性示于圖2。
組裝卡具后，將該卡具放在型號為No.5567的INSTRONUniversal MaterialTest Machine(Instron Corporation，Canton，MA)上，測定對26磅負(fù)荷所需的壓縮量。圖3是卡具的負(fù)荷與壓縮關(guān)系圖。
測試方法按照下面的方式測試每個(gè)樣品。首先，將卡具安裝在銑床中，并與安裝樣品的基底垂直對齊。這樣做可以確保旋轉(zhuǎn)測試試樣水平位于測試樣品上。接下來，用異丙醇清潔該測試樣品和旋轉(zhuǎn)測試試樣，去除該體系中所有的油狀物。然后，將測試樣品安裝在銑床的基底上。每次測試一個(gè)樣品時(shí)，在卡具中安裝一個(gè)新的旋轉(zhuǎn)試樣。開始測試之前，啟動該銑床并用轉(zhuǎn)速計(jì)設(shè)定至540rpm。然后停止該機(jī)器，并使測試樣品與旋轉(zhuǎn)試樣接觸。
在測試樣品上放置一個(gè)0.001英寸厚的金屬墊片，然后降低卡具直到與該墊片正確嚙合。然后除去該墊片，升高銑床的基底，以正確量壓縮彈簧(0.550英寸)。然后啟動銑床，開始磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行所需的時(shí)間，如實(shí)施例中指出的。
測試后，取下樣品，測試已磨損的量。使用光學(xué)干涉計(jì)測定磨損“痕跡”。在四個(gè)位置測定所述樣品，測定平均痕跡深度和寬度。使用Zygo New View 5000掃描白光干涉計(jì)(Lambda Photometrics，Hertfordshire，UK)測定磨損“痕跡”。使用5倍物鏡(2.72微米laternal分辨率)和0.5倍可變焦鏡頭(zoom)(4.53微米照相機(jī)分辨率)，具有適當(dāng)雙極(最大145微米)或擴(kuò)大(最大500微米)掃描。Z-軸分辨率大于1μm。調(diào)整鏡臺斜率(stage tilt)和節(jié)距(pitch)，在收集數(shù)據(jù)之前，使磨損痕跡外的表面平行于該光學(xué)器件。
使用直方圖對痕跡深度定量。因?yàn)閳D像相對光學(xué)器件仔細(xì)平面化，圖像的最高部分是凹槽外的表面。來自這種圖像的數(shù)據(jù)產(chǎn)生在直方圖中具有x-軸最大值的峰。該值取作痕跡外的樣品的平均位置。痕跡底部產(chǎn)生在直方圖的下部x-軸上的第二峰。由痕跡和該痕跡外區(qū)域測定的峰之間的距離定義為痕跡深度。
摩擦系數(shù)試驗(yàn)在Micro Photonics Inc.(位于Irvine，CA)進(jìn)行摩擦系數(shù)測試。使用的測試設(shè)備是一種盤上針(pin-on-disk)摩擦計(jì)，按照ASTM G 99-95a進(jìn)行測試。所得結(jié)果為平均摩擦系數(shù)。
氣泡點(diǎn)施加差壓，將表面自由能小于拉伸后的多孔PTFE的表面自由能的液體從該結(jié)構(gòu)中擠出。首先在最大通道發(fā)生這種清潔。然后形成連續(xù)(bulk)空氣流通過的通道。該空氣流以穩(wěn)定的小氣泡流通過樣品頂部的液層。產(chǎn)生第一連續(xù)空氣流時(shí)的壓力被稱作氣泡點(diǎn)，氣泡點(diǎn)取決于測試液體的表面張力以及最大開口尺寸。氣泡點(diǎn)可用作膜結(jié)構(gòu)的一個(gè)相對測定值，并經(jīng)常與某些其它類型的性能標(biāo)準(zhǔn)如過濾效率關(guān)聯(lián)。
按照ASTM F316-86的方法測定氣泡點(diǎn)。使用乙醇作為潤濕液體，來填充測試試樣的孔。
氣泡點(diǎn)是從測試試樣的最大孔中取代乙醇以及通過上升通過覆蓋單塊介質(zhì)的異丙醇層產(chǎn)生可檢測到的第一連續(xù)氣泡流所需的空氣壓力。該測定值提供了對最大孔尺寸的估算值。
空氣流-GURLEY按照ASTM Test Method D726-58中所述的方法，使用Gurley密度計(jì)(W.&L.E.Gurley&Sons制造)，測定樣品對空氣流的阻力。所得結(jié)果報(bào)道為Gurley數(shù)或Gurley-秒，是100cm3的空氣在4.88英寸水柱壓力下通過1英寸2測試樣品的時(shí)間(按秒計(jì))。
實(shí)施例實(shí)施例1從Saint-Gobain Performance Plastics(Taunton，MA)獲得ZITEX G-108多孔PTFE片材的樣品，測定其厚度為0.008英寸，密度為1.21g/cc，乙醇的氣泡點(diǎn)為1.0psi。圖4示出該未吸浸材料的微結(jié)構(gòu)。
按照下面的方式對樣品進(jìn)行吸浸。用56.4％EPONTMSU-3(ResolutionPerformance Products)、18.8％EPONTMSU-8和24.8％ARADUR976-1(HuntsmanAdvanced Materials，Basel，Switzerland)的混合物配制環(huán)氧樹脂組合物。使用MEK作為溶劑，將該環(huán)氧樹脂混合物溶劑化為30％固體的溶液。將該材料樣品放置在一個(gè)直徑6英寸的木制箍中。樣品首先用100％MEK溶液潤濕。然后用泡沫材料刷子將該環(huán)氧樹脂溶液施涂到PTFE樣品上。蒸發(fā)MEK，隨后施涂環(huán)氧樹脂溶液，直到在PTFE微結(jié)構(gòu)中填充30重量％(44體積％固體)環(huán)氧樹脂。然后，將該箍放入65℃烘箱中保持10-15分鐘，完全除去MEK。這樣，樣品為“預(yù)浸體”形式。從所述箍中取出“預(yù)浸體”，修整并粘合到碳鋼片(測定為6英寸×6英寸×0.065英寸厚)上。如前面所述進(jìn)行粘合。然后測試樣品的耐磨性，結(jié)果列于表1。
實(shí)施例2(從W.L.Gore and Associates，Inc.，Elkton，MD)獲得GORE-TEX膨化PTFE膜樣品，其厚度為3.7密耳，密度為0.42g/cc，氣泡點(diǎn)為16.9psi，Gurley數(shù)為13秒。按照實(shí)施例1所述，樣品吸入環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂的吸入量為30重量％(44體積％)。如前面所述，將該樣品粘合到6×6英寸的碳鋼片上。圖5和6分別是該結(jié)構(gòu)在吸浸之前和之后的橫截面SEM顯微照片。
實(shí)施例3(從W.L.Gore and Associates，Inc.，Elkton，MD)獲得在實(shí)施例2中使用的GORE-TEX膨化PTFE膜樣品。按照實(shí)施例1所述，樣品吸入環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂的吸入量為69重量％(80.3體積％)。如前面所述，將該樣品粘合到6×6英寸的碳鋼片上，隨后測試耐磨性。測試結(jié)果列于表1。
實(shí)施例4以25重量％石墨對75重量％PTFE的比例，凝結(jié)石墨顆粒填料(4437型，由Asbury Company獲得)與PTFE細(xì)粉末分散體，制得填充的ePTFE膜。然后，按照美國專利3,953,566(Gore)揭示的，制得單軸向膨化膜。該膜以4∶1的比例膨脹，膜厚度為0.006英寸，密度為0.60g/cc。然后，按照實(shí)施例1，該材料的樣品進(jìn)行吸浸。最后的組合物包含約50重量％的PTFE、16.7重量％的石墨和33.3重量％的環(huán)氧樹脂(47.8體積％的環(huán)氧樹脂)。如前面所述，將該樣品粘合到6×6英寸的碳鋼片上，隨后測試耐磨性。測試結(jié)果列于表1。
實(shí)施例5(從W.L.Gore and Associates，Inc.)獲得ePTFE材料樣品，測得該樣品為8英寸×8英寸，厚度為0.008英寸，具有圖7所示的微結(jié)構(gòu)以及以下性質(zhì)密度＝0.95g/cc，乙醇?xì)馀蔹c(diǎn)＝2.64psi，拉伸強(qiáng)度＝4437psi。
所述樣品按照下面的方式進(jìn)行吸浸。用56.4％EPONTMSU-3(ResolutionPerformance Products)、18.8％EPONTMSU-8和24.8％ARADUR976-1(HuntsmanAdvanced Materials，Basel，Switzerland)的混合物配制環(huán)氧樹脂組合物。使用MEK作為溶劑，將該環(huán)氧樹脂混合物溶劑化為30％固體的溶液。將該材料樣品限制在一個(gè)直徑為6英寸的木制箍中。樣品首先用100％MEK溶液潤濕。然后用泡沫材料刷子將該環(huán)氧樹脂溶液施涂到ePTFE樣品上。蒸發(fā)MEK，隨后施涂環(huán)氧樹脂溶液，直到在PTFE微結(jié)構(gòu)中填充30重量％(44體積％固體)的環(huán)氧樹脂。具體說來，100g復(fù)合物的組成中包含30g環(huán)氧樹脂和70g PTFE。然后，將該箍放入65℃烘箱中保持10-15分鐘，完全除去MEK。這樣，樣品成為“預(yù)浸體”形式。從所述箍中取出“預(yù)浸體”，修整并粘合到碳鋼片(測定為6英寸×6英寸×0.065英寸厚)上。如前面所述進(jìn)行粘合。然后測試樣品的耐磨性，結(jié)果列于表1。圖8示出了圖7結(jié)構(gòu)在吸入和固化后的結(jié)構(gòu)的橫截面。
取此實(shí)施例的材料的樣品進(jìn)行上面所述的摩擦系數(shù)測試，測定該材料的摩擦系數(shù)(COF)。采用本文中前面所述的方法，將此實(shí)施例制備的復(fù)合材料樣品粘合到一個(gè)直徑為15/8英寸的碳鋼片上。鋼片樣品厚度為1/4英寸，用磨輪研磨平。然后，將該樣品安裝在盤上針的設(shè)備中，在下面條件下進(jìn)行測試負(fù)荷3.5N速度105cm/s
半徑17mm室溫23℃針型球形球直徑6mm球材料鋼440C#最大研磨次數(shù)35,000圖9中所示的圖線顯示COF隨研磨次數(shù)變化。平均COF為0.136。
表1軸承實(shí)施例的耐磨性

比較例比較例1-GARLOCK DUTM軸承材料從Glacier Garlock Bearings Company(Heilbronn，Germany)獲得Garlock DUTM軸承材料的6英寸×6英寸樣品。如前面所述測試樣品的耐磨性，結(jié)果列于表2。圖10是DUTM軸承材料的微結(jié)構(gòu)橫截面放大100倍的顯微照片。
為進(jìn)行比較評價(jià)，如前面所述，采用摩擦系數(shù)試驗(yàn)，在與實(shí)施例1相同的測試條件下，測試DUTM軸承材料的摩擦系數(shù)。圖14中示出的圖線顯示COF隨研磨次數(shù)變化。平均COF為0.149。
比較例2-RULONLR軸承材料從Tri Star Plastic Corporation(Massachusetts)獲得由Saint-Gobain PerformancePlastics(Taunton，MA)制造的RULONLR軸承材料的4英寸×6英寸的樣品。用3M VHBTM壓敏粘合劑(St.Paul，Minnesota)，將RULONLR軸承材料的樣品粘合到6英寸×6英寸×0.0625英寸厚的碳鋼片上。如其它實(shí)施例測試樣品的磨損，結(jié)果列于2。圖11是RULONLR軸承材料微結(jié)構(gòu)的橫截面放大100被的顯微照片。
比較例3-Skived PTFE從McMaster Carr(Part number 8569K12，2密耳厚)獲得切割的6英寸寬×6英寸長的全密度PTFE薄膜。樣品的一面進(jìn)行蝕刻，一面用3M VHBTM壓敏粘合劑(Minnesota)將該樣品粘合到6英寸×6英寸×0.0625英寸寬的碳鋼上。同樣測試該樣品的耐磨性，結(jié)果列于2。圖12是切割的PTFE軸承材料的微結(jié)構(gòu)橫截面的放大100倍的顯微照片。
比較例4-NORGLIDEPRO 1.0T軸承材料從St.-Gobain Performance Plastics(Taunton，MA)獲得NORGLIDEPRO 1.0T軸承材料的樣品。由于已經(jīng)粘合到金屬基材上，測定粘合后的樣品的耐磨性，結(jié)果列于表2。圖13是NORGLIDEPRO 1.0T軸承材料微結(jié)構(gòu)橫截面放大50倍的顯微照片。
表2比較例的耐磨性

權(quán)利要求
1.一種軸承制品，該制品包含多孔單塊PTFE材料，以及至少一種選自熱固性樹脂和熱塑性樹脂的聚合物樹脂，所述樹脂分布在所述PTFE材料的孔內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的軸承制品，其特征在于，所述至少一種聚合物樹脂包括環(huán)氧樹脂。
3.如權(quán)利要求1所述的軸承制品，其特征在于，所述至少一種聚合物樹脂包括聚酰亞胺。
4.如權(quán)利要求1所述的軸承制品，其特征在于，所述PTFE包含兩層或更多層。
5.如權(quán)利要求1所述的軸承制品，其特征在于，所述PTFE還包含至少一種填料。
6.如權(quán)利要求1所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為片材的形式。
7.如權(quán)利要求1所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為管的形式。
8.如權(quán)利要求1所述的軸承制品，其特征在于，所述制品還包括粘結(jié)到所述制品上的壓敏粘合劑。
9.如權(quán)利要求1所述的軸承制品，其特征在于，所述制品還包含至少一塊粘結(jié)到所述制品上的基材。
10.如權(quán)利要求9所述的軸承制品，其特征在于，所述至少一塊基材包含至少一種選自金屬和環(huán)氧樹脂的材料。
11.一種軸承制品，該制品包含多孔單塊PTFE材料，以及至少一種耐磨性的聚合物樹脂，所述樹脂分布在PTFE材料的孔內(nèi)。
12.如權(quán)利要求11所述的軸承制品，其特征在于，所述至少一種聚合物樹脂包括環(huán)氧樹脂。
13.如權(quán)利要求11所述的軸承制品，其特征在于，所述至少一種聚合物樹脂包括聚酰亞胺。
14.如權(quán)利要求11所述的軸承制品，其特征在于，所述PTFE材料包含兩層或更多層PTFE。
15.如權(quán)利要求11所述的軸承制品，其特征在于，所述PTFE還包含至少一種填料。
16.如權(quán)利要求11所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為片材的形式。
17.如權(quán)利要求11所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為管的形式。
18.如權(quán)利要求11所述的軸承制品，其特征在于，所述制品還包含粘結(jié)到所述制品上的壓敏粘合劑。
19.如權(quán)利要求11所述的軸承制品，其特征在于，所述制品還包含至少一塊粘結(jié)到所述制品上的基材。
20.如權(quán)利要求19所述的軸承制品，其特征在于，所述至少一塊基材包含至少一種選自金屬和環(huán)氧樹脂的材料。
21.一種軸承制品，該制品包含復(fù)合物，該復(fù)合物包含多孔單塊PTFE材料以及至少一種選自熱固性樹脂和熱塑性樹脂的聚合物樹脂，所述樹脂分布在所述PTFE材料的孔內(nèi)；以及粘結(jié)到所述復(fù)合物上的基材。
22.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為耐磨性的表面的形式。
23.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為軸承的形式。
24.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為墊片的形式。
25.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為離合器的形式。
26.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為張力調(diào)整器的形式。
27.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述至少一種聚合物樹脂包括環(huán)氧樹脂。
28.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述至少一種聚合物樹脂包括聚酰亞胺。
29.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述PTFE包含兩層或更多層PTFE。
30.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述PTFE還包含至少一種填料。
31.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為片材的形式。
32.如權(quán)利要求21所述的軸承制品，其特征在于，所述制品為管的形式。
33.一種形成軸承材料的方法，該方法包括提供多孔的單塊PTFE材料；將至少一種選自熱固性樹脂和熱塑性樹脂的聚合物樹脂吸入所述PTFE材料內(nèi)的至少一部分孔中；固化所述至少一種聚合物樹脂；以及將所述吸入的PTFE材料成形為軸承。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，該方法還包括將所述吸入的PTFE材料粘結(jié)到基材上。
全文摘要
說明一種降低了摩擦的耐磨性軸承材料。該材料包含一種單塊多孔的聚四氟乙烯(ePTFE)，其中分散有耐磨性的熱固性或熱塑性材料。
文檔編號F16C33/20GK1914432SQ200480041664
公開日2007年2月14日 申請日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月19日
發(fā)明者C·褚, J·R·漢拉罕 申請人:戈?duì)柶髽I(yè)控股股份有限公司