包含具有多峰分子量的ptfe添加劑的自潤滑熱塑性層的制作方法
【專利摘要】本發明涉及用于滑動元件的滑動材料，其中滑動材料包含熱塑性基質材料和PTFE添加劑。滑動材料的特征在于，PTFE添加劑包含至少兩種不同類型的具有不同分子量的PTFE。
【專利說明】包含具有多峰分子量的PTFE添加劑的自潤滑熱塑性層
[0001 ]本發明涉及用于滑動元件的滑動材料，其中滑動材料包含熱塑性基質材料和PTFE (聚四氟乙烯)添加劑。本發明還涉及滑動元件和滑動軸承。
[0002] 無需保養的滑動元件(例如滑動軸承)通常由多層材料組成。在多數通過鋼襯實現 的載體介質上施加多孔燒結層。所述多孔的并且多數為金屬的組分又用滑動材料浸漬并且 被滑動材料覆蓋。根據滑動材料的基質塑料的類型，在如下兩種不同的類型之間進行區分： 基于PTFE的滑動材料和基于熱塑性可加工塑料(簡稱:熱塑性塑料)的滑動材料，本文主要 涉及后者。
[0003] 由熱塑性滑動材料組成的滑動層要么具有凹部從而可以容納持久有效的潤滑劑 量，要么以用潤滑劑改性的配混物的形式使用。
[0004]經證實，一些具有塑料滑動面的所述類型的材料由于其良好的適形能力和吸塵能 力以及較高的耐磨性，因此在介質潤滑的應用中（例如栗或液壓減震器)比純的金屬軸承材 料更為有利。在此，基于PTFE的材料的特征在于在介質潤滑時的特別低的摩擦系數，而熱塑 性材料可以非常耐磨。適當改性的熱塑性層可以明顯超過基于PTFE的層的耐磨性和負荷能 力，雖然其被改性但是在介質潤滑時仍然具有明顯升高的摩擦系數。
[0005] 因此熱塑性軸承材料多年來用在磨損特別強烈的介質潤滑的應用中。例如，DE 102 26 264 B4描述了特別針對高溫開發的改性的PEEK材料，所述材料具有較高的耐磨性。 但是通過使用所述材料不能實現基于PTFE的材料在介質潤滑時的低摩擦系數。
[0006] 通過DE 198 08 540 B4已知基于熱塑性塑料的材料，相比于常規熱塑性軸承材 料，所述文獻中的材料由于相對高的PTFE份數并且免去硬質添加劑因此具有更有利的摩擦 系數，但是仍然明顯高于基于PTFE的材料的摩擦系數。
[0007] 然而可加入的PTFE份數的量受到限制，因為過高的份數使得熱塑性基質弱化，這 又對材料的耐磨性產生負面影響。
[0008] 為了解決所述問題，DE 10 2008 055 195 B4中提出通過用PTFE分散體浸漬材料 產生PTFE梯度，從而可以明顯降低主要是滑動層外部區域中的摩擦系數。但是這也降低了 耐磨性。所述方式的另一個缺點是組合方法，其中必須首先將粉末然后將液體施加至帶狀 材料上，這要求更高的機械開支。
[0009] 因此本發明的目的是改進熱塑性材料在介質潤滑時的摩擦系數，而不影響無潤滑 時的耐磨性。
[0010] 通過根據權利要求1所述的滑動材料、根據權利要求14所述的滑動元件以及根據 權利要求15所述的滑動軸承實現所述目的。
[0011] 根據本發明的用于滑動元件的滑動材料包含熱塑性基質材料和PTFE添加劑。所述 PTFE添加劑又包含至少兩種不同類型的具有不用分子量的PTFE。
[0012]通過加入具有至少兩種不同分子量的PTFE，可以同時優化基于熱塑性塑料的滑動 材料的摩擦系數以及耐磨性，因此使滑動元件的滑動性能適應各種要求。
[0013] 例如通過文獻W0 2011/075351 A1或US 2001/0016625 A1已知兩種類型PTFE的混 合物。第一篇文獻的主題是具有低分子量PTFE、高分子量PTFE和至少兩種可熔融加工的氟 化聚合物的作為防粘涂層的氟化聚合物混合物。第二篇文獻涉及提供PTFE組合物，所述組 合物可熔融加工，特別是可擠出。
[0014]在根據本發明的滑動材料的一個有利的實施方案中，至少兩種不同類型的PTFE包 含平均分子量>l〇6g/mol的高分子量(高分子量_HMW)PTFE和平均分子量<106g/mol，優選〈 10 5g/mo 1的低分子量(低分子量-LMff) PTFE。
[0015]低分子量PTFE部分可以例如為市售微粉類型。所述PTFE微粉可以通過輻射或熱分 解由高分子量類型制得，并且通常具有數Mi量級的粒度。微粉類型的分子量為l〇4-l〇5g/mol 的量級。
[0016] 高分子量PTFE部分可以例如由具有合適粒度(優選〈300m)的擠出類型組成。"擠 出類型"用于根據粒度和/或粒形對PTFE進行分類。作為高分子量PTFE，特別優選預燒結粉 末，例如再生材料。尚分子量類型具有l〇 6_l〇7g/mol量級的分子量。
[0017] 微粉類型的熔體粘度在lOlH^Pa ? s之間，高分子量類型的熔體粘度在108-1010Pa ? s之間。
[0018]在另一個有利的實施方案中，滑動材料的PTFE添加劑包含60-95體積％，特別是 65-87.5體積％的高分子量PTFE。
[0019] 由于所述組成，實現了滑動材料無潤滑時的磨損減少和滑動材料有潤滑時的摩擦 系數的優化。因此滑動材料具有最低摩擦系數同時具有最高耐磨性。
[0020] 相應地，滑動材料的PTFE添加劑包含5-40體積％，優選12.5-35體積％的低分子量 PTFE。
[0021]在滑動材料的一個優選的實施方案中，PTFE添加劑的總量在滑動材料的5-50體 積％之間，特別優選在15-45體積％之間，非常特別優選不大于35體積％，特別是在15和35 體積％之間。
[0022] 以滑動材料計，PTFE的總量可以僅在一定界限內變化。在極低量(特別是低于5體 積％)的情況下，摩擦減少和磨損減少的效果劇烈降低，因此PTFE的使用不再有利。相反在 過大量PTFE(特別是超過50體積％)的情況下，基質材料的結合弱化并且造成過度磨損，因 此造成滑動層的劇烈降低的負荷能力。因此，優選的實施方案是滑動材料的負荷能力和滑 動性能之間的優化。特別優選的混合物總共具有15和45體積％之間的PTFE，其中對于更高 負荷的應用，甚至僅至多35體積％是有利的。
[0023] 在另一個有利的實施方案中，滑動材料的熱塑性基質材料由至少一種選自如下的 材料形成：PA(聚酰胺）、PVDF(聚偏二氟乙烯）、PFA(多聚甲醛）、ETFE(乙烯四氟乙烯）、PPA (聚鄰苯二甲酰胺）、PSU(聚砜）、PEI (聚醚酰亞胺）、PEEK(聚醚醚酮）、PPS(聚苯硫醚）、PESU (聚醚砜)或LCP(Liquid_crystal polymer-液晶聚合物）。
[0024] 通過不同的熱塑性基質材料，滑動層可以容易地適應對滑動層提出的不同的輪廓 要求。此外，在處理這些材料方面存在大量經驗，因此能夠實現容易、安全和迅速的加工。 [0025]滑動層優選具有高溫熱塑性塑料形式的其它添加劑，例如單獨或混合的PBA(聚苯 并咪唑）、PI (聚酰亞胺）、PAI(聚酰胺酰亞胺）、PPTA(聚對苯二甲酰對苯二胺）、PPA(聚鄰苯 二甲酰胺)和/或PPS02 (聚苯砜）。
[0026] 相反滑動層優選不具有可熔融加工的氟化聚合物。
[0027] 通過加入至少一種高溫熱塑性塑料可以進一步升高滑動材料的耐磨性。
[0028] 優選地，滑動材料的熱塑性基質材料由選自PEEK、PPS、PPA和PESU的材料連同至少 一種耐磨添加劑PPTA或PPS0 2形成。
[0029]經證實，通過所述材料組合可以優化熱塑性基質材料的耐磨性。
[0030] 為了進一步優化滑動材料的性能情況，滑動材料包含其它額外組分，例如固體潤 滑劑、纖維材料和/或硬質材料。硬質材料可以例如造成反向運動元件變平滑。因此降低其 研磨性，由此提高滑動材料的長期穩定性。固體潤滑劑和纖維材料同樣造成滑動材料的耐 磨性和滑動性能的變化，由此通過加入這些材料可以使滑動材料針對性地適應要求條件。
[0031] 優選地，組分高溫熱塑性塑料、固體潤滑劑、纖維材料和/或硬質材料總共的額外 份數至多為滑動材料的30%。
[0032]在所述材料份數更高的情況下，滑動材料的滑動能力降低，因此磨損和摩擦阻力 過高。此外，在過高份數的額外組分的情況下，基質穩定性降低。
[0033] 在一個有利的實施方案中，滑動材料包含至少一種選自MoS2、WS2、hBN(六方氮化 硼）、Pb、PbO、ZnS、BaSCk、CaF2和石墨的固體潤滑劑。
[0034] 所述實施方案的優點是摩擦阻力減小，特別是在無潤滑運轉的情況下。
[0035] 優選地，摩擦材料包含選自基于瀝青或基于PAN的碳纖維、聚芳綸纖維和/或玻璃 纖維的纖維材料。
[0036] 通過額外使用纖維材料可以改進滑動材料的機械性能，特別是滑動材料的拉伸強 度和剪切強度。
[0037] 優選地，纖維材料由纖維長度小于1.5_，特別是小于0.5_的短纖維組成。
[0038] 相比于例如長纖維，由短纖維組成的纖維材料在滑動材料的制備中可以更容易地 均勻分布在熱塑性基質內。這能夠造成滑動材料內的均勻的性能分布。
[0039] 在滑動材料的另一個有利的實施方案中，硬質材料由至少一種選自如下的材料形 成:SiC、Si3N4、BC、cBN(立方氮化硼）、層狀硅酸鹽、金屬氧化物和Fe 2〇3。
[0040] 硬質材料例如提供了特別是在試運轉階段中調節反向運動元件的可能性。因此反 向運動元件的滑動面中可能存在的不平坦性變平滑，從而減少之后的磨損并且使滑動配對 之間出現的摩擦最小化。
[0041 ] 有利地，高分子量PTFE具有〈300WI1的粒度。
[0042]在滑動材料的制備中，使用粒度低于300wii的高分子量PTFE造成熱塑性基質內的 足夠精細和均勻分布的PTFE。因此能夠實現整個滑動材料的均勻的性能分布。
[0043] 除了滑動材料之外，本發明還包括具有金屬支撐層的滑動元件，所述滑動元件具 有施加在支撐層上的金屬多孔載體層和施加在多孔載體層上或浸漬在多孔載體層中的滑 動材料，所述滑動材料為上述類型。
[0044] 然而根據本發明的滑動材料不應當限制于所述復合材料，而是例如也包括其它類 型的實心塑料或金屬塑料復合物，例如通過粘合制備的層壓件。此外，根據本發明的滑動材 料還可用于擠出方法中。
[0045] 本發明還包括滑動軸承，特別是軸承套、軸承外殼或止推片，其分別由根據本發明 的滑動元件形成。
[0046] 根據如下附圖詳細描述根據本發明的滑動材料、根據本發明的滑動元件和根據本 發明的徑向滑動軸承的其它示例性實施方案以及其它特征。
[0047] 附圖顯示：
[0048]圖1顯示了根據本發明的不同的滑動材料組合物的磨損情況，和
[0049] 圖2顯示了根據本發明的不同的滑動材料組合物的摩擦系數。
[0050] 兩張圖1和2中顯示的兩張圖表各自具有在根據本發明的具有作為基質材料的30 體積％的？了?￡和PEEK或PESU的組合物上進行的兩個測量序列。PTFE的組成分別以一定方式 變化，使得PTFE的總量包含0和80體積％之間的低分子量PTFE，剩余為高分子量PTFE。
[0051] 下文示例性地解釋了用于對比銷輥試驗的根據本發明的滑動材料和對比樣本的 制備以及銷輥試驗的進行。
[0052] 在具有脈沖葉片的共混器（例如1000ml實驗室共混器）中將物質混合成根據本發 明的組合物，例如70g PEEK、15g HMW-PTFE、7.5g LMW PTFE和7.5g PPTA，以 18000UpM混合 30秒然后例如將混合物以1mm厚的粉末層的形式涂在鋼帶上，所述鋼帶具有300m厚的燒結 青銅覆蓋層，所述覆蓋層具有約30%的孔體積，并且在380°C下加熱5分鐘。使表面在空氣中 短暫冷卻之后乳制樣本，使得仍具塑性的層壓縮并且壓入孔中。
[0053]對于銷輥試驗，由完全冷卻的樣本帶沖壓直徑為10mm的圓形試樣。測量試樣的厚 度并且用例如20MPa的一定負荷將試樣壓在干燥無油脂并且以lOOUpM旋轉的直徑為100mm 的缸筒上。缸筒的與試樣接觸的面(缸筒的側面)的粗糙度為約Rz = 1mi。試驗結束之后重新 測量厚度并且通過之前和之后的厚度的差值計算磨損速度。在缸筒運轉中通過轉矩傳感器 確定摩擦系數。
[0054] 對于有潤滑試驗，額外通過油繩用減震器油連續潤濕試驗軌跡。
[0055]在圖1的圖表中顯示了兩種不同的根據本發明的滑動材料(基質材料PEEK中的30 體積％的？了?￡，和基質材料PESU中的30體積％的？了?￡，其中PTFE的組成分別以一定方式變 化，使得PTFE的總量包含0至80體積％的低分子量PTFE，剩余為高分子量PTFE)的隨著低分 子量PTFE份數與PTFE總體積的比例而變化的用mi表示的磨損。在之前描述的銷輥測試中得 到這些數據，其中負荷為20MPa并且相對速度為0.5m/s，無潤滑。
[0056] 可以看出，當不具有低分子量PTFE時(對應于100體積％的高分子量PTFE;在x軸的 坐標原點），磨損最大。隨著比例的升高和因此低分子量PTFE份數的升高，磨損減少，因此在 根據本發明的區域A中（5-40體積％的低分子量PTFE)，磨損明顯低于所有使用的PTFE類型 (僅高分子量PTFE或僅低分子量PTFE)。在優選的區域A'中（12.5-35V 〇l.-%的低分子量 PTFE)，磨損值處于進一步明顯降低的水平。隨著低分子量PTFE份數的進一步升高，磨損增 加直至從約45體積％開始達到平穩。PEEK基質以及PESU基質的結果都是如此。在圖2的圖表 中顯示了與圖1相同的根據本發明的滑動材料(基質材料PEEK中的30體積％的？了?￡，和基質 材料PESU中的30體積％的？了?￡，其中PTFE的組成分別以一定方式變化，使得PTFE的總量包 含在0和80體積％之間的低分子量PTFE)的隨著低分子量PTFE與PTFE總體積的比例而變化 的摩擦系數，所述摩擦系數在之前描述的銷輥測試中在20MPa、0.5m/s、有潤滑的條件下確 定。
[0057]可以看出，當不具有低分子量PTFE時（在x軸的坐標原點），摩擦系數也最大。隨著 比例的升高和因此低分子量PTFE份數的升高，摩擦系數也減少，因此在根據本發明的區域A 中（5-40體積％的低分子量PTFE)，摩擦系數明顯低于所有使用的PTFE類型（僅高分子量 PTFE或僅低分子量PTFE)。在優選的區域A '中（12.5-35V〇 1. - %的低分子量PTFE)，摩擦系數 處于進一步明顯降低的水平。隨著低分子量PTFE份數的進一步升高，摩擦系數增加直至從 約45體積％開始達到平穩。
[0058]根據本發明的示例性滑動材料組合物的概述列于下表：
[0061] 表中顯示了不同的根據本發明的滑動材料的實施例，通過銷輥試驗在20MPa、 0.5m/s、無潤滑的條件下對滑動材料進行測試。對于表中列出的根據本發明的每個實施例， 顯示了兩個對比測試，其中分別研究未落入本發明的僅具有兩種PTFE類型之一的組合物。 在此研究具有多種不同的基質材料(例如PEEK、PVDF、PPS或PESU)、不同的固體潤滑劑或硬 質材料以及纖維的組合物。根據本發明的組合物的LMW和HMW PTFE的份數在此從2:5、5:15、 5.5:16.5改變至6:18然后改變至7:21體積％。
[0062]相比于具有相同份數的僅一種PTFE而其它方面組成相同的滑動材料，根據本發明 配制的所有滑動材料在無潤滑時具有獨立于基質材料或額外固體潤滑劑、硬質材料或纖維 的較少磨損，同時在有潤滑時具有較小磨損系數。
【主權項】
1. 用于滑動元件的滑動材料，其中滑動材料包含熱塑性基質材料和PTFE添加劑，其特 征在于，PTFE添加劑包含至少兩種不同類型的具有不同分子量的PTFE。2. 根據權利要求1所述的滑動材料，其特征在于，至少兩種不同類型的PTFE包含平均分 子量> 106g/mo 1的高分子量PTFE和分子量〈106g/mo 1，優選〈105g/mo 1的低分子量PTFE。3. 根據權利要求2所述的滑動材料，其特征在于，PTFE添加劑包含60-95體積％，優選 65-87.5體積％的高分子量PTFE。4. 根據權利要求2或3任一項所述的滑動材料，其特征在于，PTFE添加劑包含5-40體 積％，優選12.5-35體積％的低分子量PTFE。5. 根據權利要求1至4任一項所述的滑動材料，其特征在于，PTFE添加劑的總量為滑動 材料的5-50體積％，優選15-45體積％。6. 根據權利要求1至5任一項所述的滑動材料，其特征在于，熱塑性基質材料由至少一 種選自 PA、PVDF、PFA、ETFE、PPA、LCP、PSU、PE I、PEEK、PPS 和 PESU 的材料形成。7. 根據權利要求1至6任一項所述的滑動材料，其特征在于，熱塑性基質材料具有至少 一種選自PBA、PI、PAI、PBI、PPTA和PPS0 2的耐磨添加劑。8. 根據權利要求6或7所述的滑動材料，其特征在于，熱塑性基質材料由選自PEEK、PPS、 PPA和PESU的材料連同至少一種耐磨添加劑PPTA或PPS02形成。9. 根據權利要求1至8任一項所述的滑動材料，其特征在于，額外包含固體潤滑劑、纖維 材料和硬質材料中的至少一種組分。10. 根據權利要求9所述的滑動材料，其特征在于，耐磨添加劑以及組分固體潤滑劑、纖 維材料和硬質材料總共的額外份數至多為滑動材料的30體積％。11. 根據權利要求9或10所述的滑動材料，其特征在于，固體潤滑劑包含至少一種選自 MoS2、WS2、hBN、Pb、PbO、ZnS、BaS〇4、CaF2和石墨的材料。12. 根據權利要求9或10所述的滑動材料，其特征在于，硬質材料為至少一種選自SiC、 Si3N4、BC、cBN、層狀硅酸鹽、金屬氧化物和Fe2〇3的材料。13. 根據權利要求2至12任一項所述的滑動材料，其特征在于，高分子量PTFE具有<300μ m的粒度。14. 具有金屬支撐層的滑動元件，所述滑動元件具有施加在支撐層上的金屬多孔載體 層和施加在多孔載體層上或浸漬在多孔載體層中的滑動材料，其特征在于，滑動材料為根 據權利要求1至13任一項所述的滑動材料。15. 滑動軸承，特別是軸承套、軸承外殼或止推片，其特征在于，其由至少一個根據權利 要求14所述的滑動元件形成。
【文檔編號】C08L81/06GK105849182SQ201480070482
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月22日
【發明人】A·亞當, N·福雷希哈克
【申請人】聯合莫古爾威斯巴登有限公司