CN101495566B - 低摩擦系统和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有低摩擦系数的组合物和系统。低摩擦系统包括第一表面和第二表面,其中第一表面包括(i)聚碳酸酯和第一添加剂,或者(ii)聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂;第二表面包括聚甲醛和第三添加剂。低摩擦组合物和系统对于生产设备例如医疗设备很有价值。
Description
技术领域
本发明涉及低摩擦系统,该系统被用于制造滑动部件以及还用于生产设备。本发明还涉及用于生产这样的低摩擦系统和设备的组合物。
背景技术
当两种材料相对于彼此滑动时,经常需要材料表面之间光滑接触以减小接触区域的摩擦。对于一对给定的滑动表面,摩擦的大小通常由摩擦系数给出。较低的摩擦系数通常能使磨损改善以及尖锐噪音减小。
一个需要平稳滑动材料的重要应用领域是药物注射系统,其通常被用来输送治疗剂。笔式注射器构成一类药物注射系统。通常由塑料材料制成笔式注射器的部件,例如热塑性材料。部件一般采用注塑成型技术生产而得。笔式注射器广泛地用于向身体例如人体里输送或者注射治疗剂。笔式注射系统的相互接触的表面在向人体注射治疗剂的过程中滑动。这导致在滑动运动过程中,相互接触的各部件表面之间产生摩擦。例如,当活塞相对于笔式注射系统的圆柱形管滑动时,活塞的外表面受到滑动摩擦。通过笔式注射系统将治疗剂注入到人体中所需的力被叫作注射力。其中一个决定笔式注射器中注射力的因素是笔式注射器的彼此相互滑动的各部件之间的摩擦。因此,如果摩擦可以被减小,注射力也可以有利地被减小,从而导致更平稳操作和注射系统的更长期使用。
已知的笔式注射器部件当其相对于彼此滑动时显出相对较高的摩擦系数。进一步的,采用普遍公知的技术例如注模成型制造的部件,需要长时间磨合、外部润滑,或者两者兼需以获得它们之间的瞬时低摩擦系数。
因此,需要一种含有具有低摩擦系数的部件的系统,即,当使用3.0MPa(兆帕)的接触压和0.02米每秒的滑动速度测量时,摩擦系数小于0.06。进一步的,需要一种生产低摩擦系统的方法,该低摩擦系统显出小于或等于0.06的低摩擦系数,而不用使其部件经历额外步骤,即彻底磨合、外部润滑,或两者兼有。此外,需要一种系统,其中,在对两个部件的表面之一或两者都进行额外的外部润滑后,摩擦力不会进一步降低。
发明内容
本发明提供了低摩擦系统和设备,其含有当部件之间有相对运动时显出低摩擦系数的部件。
一方面,本发明提供一种系统,包括:第一表面,其包括(i)聚碳酸酯和第一添加剂,或者(ii)聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂;以及第二表面,其包括聚甲醛和第三添加剂。
另一方面,本发明提供一种包括设备的系统,该设备包括:与第二部件表面接触的第一部件,第一部件包括:(i)包括第一添加剂的聚碳酸酯,或者(ii)包括第二添加剂的聚对苯二甲酸丁二酯;以及第二部件包括:包括第三添加剂的聚甲醛。
又一方面,一种生产设备的方法,包括:形成第一模制组合物,其包括聚碳酸酯和第一添加剂,或者聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂;形成第二模制组合物,其包括聚甲醛和第三添加剂;以及模制成型第一模制组合物和第二模制组合物。
还有一个方面,本发明提供一种组合物,包括:(i)聚碳酸酯和第一添加剂,或者聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂,它们形成第一部件;以及(ii)聚甲醛和第三添加剂,它们形成第二部件;其中第一和第二部件通过相互接触形成低摩擦系统。
本文公开的系统和设备具有低摩擦系数,即,当使用3.0MPa的接触压和0.02米每秒的滑动速度测量时,摩擦系数小于或等于0.06。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的包括第一和第二部件的示例性低摩擦系统,其中,部件相对于彼此互相压靠和圆周滑动。
具体实施方式
本发明提供具有包括聚合物材料的特定组合的两个或更多表面的系统和设备。这样的表面的接触和相对滑动运动具有低摩擦系数,当使用3.0MPa的接触压和0.02米每秒的滑动速度测量时,摩擦系数小于或等于0.06。
本发明的一个方面公开了一种系统,包括:第一表面,包括(i)聚碳酸酯和第一添加剂,或者(ii)聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂;以及第二表面,包括聚甲醛和第三添加剂。
在另一个实施例中,本发明提供了一种系统,包括:第一表面,包括聚碳酸酯和第一添加剂;以及第二表面,包括聚甲醛和第三添加剂。在又一个实施例中,本发明提供了一种系统,包括:第一表面,包括聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂;以及第二表面,包括聚甲醛和第三添加剂。
第一添加剂优选为硅酮。硅酮,有时也被称作聚硅氧烷、聚有机硅氧烷或者有机硅氧烷,它是由硅氧主链(-Si-O-Si-O-Si-0-)和取代硅原子的例如烷基和/或芳基的有机基组成。硅酮无味、无色、抗水、抗化学物品、抗氧化且在高温下稳定,并且不导电。可获得多种结构变异和多种分子量的硅酮。举例来说,以甲基作为取代基的硅酮,通常公知为聚二甲硅氧烷,在一系列的分子量和粘度范围内很容易获得。在一个实施例中,硅酮油可以被用作聚碳酸酯的第一添加剂。硅酮油和聚碳酸酯独立地处于从0.001到0.05的相对重量比范围内。
和聚甲醛一起使用的第三添加剂优选也是如上所述的硅酮。在一个实施例中,第一和第三添加剂可以是相同的硅酮。在另一个实施例中,第一和第三添加剂可以是不同的硅酮。在又一个实施例中,可以使用不同的硅酮油,其具有相同的在硅原子上的有机取代基、但也可使用不同的粘度范围。
在一个实施例中,第一、第二和第三添加剂可以都是相同的硅酮。在另一个实施例中,第一、第二和第三添加剂中的任何两者可以是相同的硅酮。在又一个实施例中,第一、第二和第三添加剂可以是各不相同的硅酮,硅酮具有相同的在硅原子上的有机取代基、但不同的粘度或者分子量。基于本技术领域所公知的宽广范围的硅酮,分子量、取代模式和粘度的组合的其它可能的变化也是有可能的。
包括聚碳酸酯和第一添加剂的第一表面还可以包括第四添加剂。在另一个实施例中,包括聚甲醛和第三添加剂的第二表面还可以包括第五添加剂。第四和第五添加剂可以各自独立地包括乙烯聚合物、氟化乙烯聚合物或者乙烯聚合物和氟化乙烯聚合物的组合。因此,第四和第五添加剂,在一个实施例中,可以都是乙烯聚合物,在另一个实施例中,可以分别为乙烯聚合物和氟化乙烯聚合物,在又一个实施例中,可以都是氟化乙烯聚合物。也可以使用这些聚合物的其他可能的变化。另外,乙烯聚合物和氟化乙烯聚合物可以具有相同的分子量或者不同的分子量。合适的乙烯聚合物包括乙烯同聚物和共聚物。在一个实施例中,聚乙烯,简写为PE,是一种合适的用于第一表面的和聚碳酸酯和第一添加剂一起使用的乙烯聚合物。氟化乙烯聚合物的合适的例子包括聚四氟乙烯,简写为PTFE。在另一个实施例中,公开了包括第一表面和第二表面的系统,其中,第一表面包括聚碳酸酯、作为第一添加剂的硅酮油和作为第四添加剂的聚乙烯,或者聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂;第二表面包括聚甲醛、作为第一添加剂的硅酮油和作为第五添加剂的聚乙烯。
在一个实施例中,乙烯聚合物和聚甲醛,以及乙烯聚合物和聚碳酸酯可以相互独立地处于从0.01到0.99的重量比范围内。在另一个实施例中,氟化乙烯聚合物和聚甲醛,以及氟化乙烯聚合物和聚碳酸酯可以相互独立地处于从0.01到0.99的重量比范围内。
在一个实施例中,用于形成第一表面的聚碳酸酯可以包括任何公知的聚碳酸酯同聚物和共聚物。聚碳酸酯是具有商业价值的热塑性聚合物,其通常使用一个或多个芳香双酚生产而得。使用双酚A作为单体或者共聚单体制备的聚碳酸酯同聚物和共聚物随处可得,且可被有利地用于形成本发明的低摩擦系统。在一个特殊实施例中,形成第一表面的聚碳酸酯是双酚A聚碳酸酯。可买到多种商标名下的聚碳酸酯,例如: 和聚碳酸酯的商业制造商包括GE Plastics、DOW、BASF、Mitsubishi、Bayer、RTP公司和Teijin Chemicals。
适于作为第一表面的替代材料的聚对苯二甲酸丁二酯原则上可是任何类型的同聚物或共聚物。本技术领域中公知的任何一种聚对苯二甲酸丁二酯都可以使用。聚对苯二甲酸丁二酯在商业上通常由1,4-丁二醇和对苯二酸反应生产而得。也可以使用包括由其它脂肪二醇共聚单体例如乙二醇和1,3-丙二醇衍生的结构单元的聚对苯二甲酸丁二酯共聚物。聚对苯二甲酸丁二酯的商业制造商包括GE Plastics、Toray、BASF和Ticona。聚对苯二甲酸丁二酯的可商购品级的一些例子包括: 和
聚甲醛(此处简写为POM)也通常被称作其它名字,例如聚缩醛和缩醛缩聚物。在POM-中聚合物链上的重复结构单元是甲醛基(-OCH2-)。在一个实施例中,也可以使用聚甲醛共聚物。例如可以使用通过利用含有一个或多个氧甲烯基的共聚单体而获得的共聚物。可买到多种商标名下POM,例如: 和POM的供应商包括Ashley Polymers、Dupont公司、RTP公司和Shuman Plastics。
氟化乙烯聚合物可以是由含有至少一个氟原子的乙烯单体生产而得的任何同聚物或者共聚物。氟原子可以是乙烯氟原子或者形成氟烷基例如单氟甲基、二氟甲基、三氟甲基和全氟烷基的一部分。例如,可以使用聚(全氟丙二烯醚)。也可以使用各种氟化乙烯聚合物的混合物。聚四氟乙烯(通常公知为PTFE,也公知为)也可以作为氟化乙烯聚合物使用。它通常通过聚合四氟乙烯而获得。PTFE一般在正常的使用条件下是惰性聚合物。
乙烯聚合物不仅包括上述氟化乙烯聚合物,还包括各种类型的聚合物。合适的乙烯聚合物包括分别使用乙烯作为单体或共聚单体生产的同聚物和共聚物。有链分支或无链分支的聚乙烯可被用作合适的第四或第五添加剂。因此可使用本技术领域中公知的聚乙烯同聚物和共聚物。通常通过控制分支例如沿聚合物主链分支的长链的分子量和密度来获得各种密度的聚乙烯。合适的乙烯聚合物包括超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、高密度交联聚乙烯、交联聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯和极低密度聚乙烯。密度大于或者等于0.94克每立方厘米的聚乙烯通常被认为是高密度聚乙烯。低密度聚乙烯通常是密度为0.91-0.94克每立方厘米的材料。线性低密度聚乙烯通常是密度为0.915-0.925克每立方厘米的材料。极低密度聚乙烯通常是密度为0.88-0.915克每立方厘米的材料。
在一个实施例中,乙烯聚合物和聚碳酸酯,以及乙烯聚合物和POM相互独立地处于在从0.01到0.99的相对重量比范围内。在另一个实施例中,氟化乙烯聚合物和聚甲醛,以及乙烯聚合物和聚碳酸酯相互独立地处于从0.01到0.99的相对重量比范围内。
以上描述的材料提供了用于形成具有低摩擦系数的低摩擦系统的组合物,其中低摩擦系数小于或等于0.06。在一个实施例中,提供的组合物包括:(i)聚碳酸酯和第一添加剂,或者聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂,它们形成了第一部件;以及(ii)聚甲醛和第三添加剂,它们形成了第二部件;其中第一和第二部件通过相互接触形成低摩擦系统。在另一个实施例中,本发明提供的组合物包括:聚碳酸酯和第一添加剂,它们形成了第一部件;聚甲醛和第三添加剂,它们形成了第二部件;其中第一和第二部件通过相互接触形成低摩擦系统。在又一个实施例中,本发明提供的组合物包括:聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂,它们形成了第一部件;以及聚甲醛和第三添加剂,它们形成了第二部件;其中第一和第二部件通过相互接触形成低摩擦系统。
以上描述的材料和组合物适用于形成低摩擦系统和设备。在一个实施例中,这样的设备包括与第二部件表面接触的第一部件,其中,第一部件包括:(i)聚碳酸酯和第一添加剂,或者(ii)聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂;第二部件包括:包括第三添加剂的POM。在另一个实施例中,所述设备包括与第二部件表面接触的第一部件,其中,第一部件包括聚碳酸酯和第一添加剂;第二部件包括POM和第三添加剂。在又一个实施例中,所述设备包括与第二部件表面接触的第一部件,其中,第一部件包括聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂;第二部件包括POM和第三添加剂。
所述系统和设备的第一和第二表面可以以多种方式相对运动。因此,在一个实施例中,第一表面可以相对于第二表面静止;在另一个实施例中,第二表面可以相对于第一表面静止。又在另外一个实施例中,第一和第二表面可以都沿相同的方向、以相同或者不同的速度运动;第一和第二表面可以沿相反的方向、以相同或不同的速度运动。当这两个表面相对于彼此滑动且依然保持接触时,会在接触区域产生摩擦。根据本发明的示例性实施例,当这两个表面彼此相对运动时接触区域具有小于或等于0.06的摩擦系数。图1示出了根据本发明的实施例的示例性系统100,该系统具有第一表面102,其在第二表面104上滑动。表1中示出了可以被用作第一表面102和第二表面104以形成具有小于或等于0.06的摩擦系数的低摩擦系统的化学组合物的非限制性示例,这些将在下文中进一步讨论。
低摩擦系统对于生产具有滑动部件的设备是有价值的,滑动部件可以更平稳地运转而产生更少的磨损,例如在卫生保健和治疗应用中使用的设备。无需外部润滑,这使得与滑动表面接触的材料具有低污染。在一个实施例中,可以生产与当前本技术领域所公知的注射系统相比具有更小的注射力的注射系统或者注射设备。可以生产具有更小的注射力的用于注射药物或者药剂例如胰岛素的笔式注射器。其它潜在的应用包括用于制造液晶显示设备的铰链和泵轴承。
低摩擦设备可以通过以下方法生产,该方法包括:形成第一模制组合物,第一模制组合物包括聚碳酸酯和第一添加剂以及任选的第四添加剂,或者聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂以及任选的第五添加剂;形成第二模制组合物,第二模制组合物包括POM和第三添加剂;将第一模制组合物和第二模制组合物制模。可以使用任何一种本技术领域公知的用于塑料材料制模的技术。本发明将通过下面的例子进一步说明。
例子
为测试的目的,第一和第二模制组合物可以被制模形成圆盘或者平板。用于制备模制组合物和模制样品的基础聚合物和其它成分的各种用量在表1中示出。圆盘(测试样品),由下方旋转聚合物样品和上方静止聚合物样品组成,安装在用于测量摩擦系数的测试设备上。通过使ASTM标准D-3702(2004年重新批准)测试方法中描述的程序适应于测试医疗设备的程序、并采用3Mpa的样品间接触压和0.02米每秒的滑动速度进行了测试。结果示于表1中,表1也显示了第一部件102和第二部件104的化学组合物,以及所测得的每对部件的摩擦系数。在表1中,各缩写的含义如下:“PC”-聚碳酸酯;“PBT”-聚对苯二甲酸丁二酯;“PE”-聚乙烯;“COE”-摩擦系数;“PC-Si”-聚碳酸酯-硅氧烷嵌段共聚物,可商购如EXL 1112品级;以及“POM”-聚甲醛;“E”代表示例;以及“CE”代表对比示例。
表1
对表1中数据的观察显示,所示的不同的聚合物组合物可用于生产具有小于或等于0.06的摩擦系数的低摩擦系统。另外,模制部件间只需很少的磨合就可以实现低摩擦。
本文中任何和所有示例、或者示例性语言(如,“例如”)的使用,目的仅仅在于更好地阐释本发明,除非另有声明,不对本发明的范围构成限制。本说明书中的任何语言都不得被解释为将任何未载入权利要求的元素指示为实施本发明所必需的。在此引入本文中所引用的任何参考的全部内容。
本发明包括被适用法律所允许的所附权利要求书中所列举的主题的所有修改和等同物。尽管图示和描述了本发明的优选实施例,但清楚的是本发明不仅限于这些实施例。在不偏离如权利要求中所描述的本发明的精神和范围的情况下,多种修改、变化、变形、替代和等同物对于本领域技术人员来说是显而易见的。
Claims (15)
1.一种低摩擦系统,该系统被用于制造滑动部件,该系统包括:
第一表面,其包括:
(i)聚碳酸酯和第一添加剂,或者
(ii)聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂;以及
第二表面,其包括聚甲醛和第三添加剂,第一表面与第二表面是表面接触;
其中第一、第二和第三添加剂各自独立地包括硅酮油,硅酮油和聚碳酸酯独立地处于从0.001到0.05的相对重量比范围内。
2.权利要求1的系统,其中,第一表面还包括第四添加剂。
3.权利要求1的系统,其中,第二表面还包括第五添加剂。
4.权利要求2和3之一的系统,其中,第四和第五添加剂各自独立地包括乙烯聚合物或者氟化乙烯聚合物,或者两者的组合。
5.权利要求4的系统,其中,乙烯聚合物和聚甲醛,以及乙烯聚合物和聚碳酸酯相互独立地处于从0.01到0.99的相对重量比范围内。
6.权利要求5的系统,其中,氟化乙烯聚合物和聚甲醛,以及乙烯聚合物和聚碳酸酯相互独立地处于从0.01到0.99的相对重量比范围内。
7.权利要求1-3之一的系统,其中,第一表面相对于第二表面静止。
8.权利要求1-3之一的系统,其中,第二表面相对于第一表面静止。
9.权利要求1-3之一的系统,其中,当使用3.0MPa的接触压和0.02米每秒的滑动速度测量时,由第一和第二表面之间任何方向的相对运动引起的接触区的摩擦系数小于或等于0.06。
10.一种低摩擦设备,包括第一部件和第二部件,当第一和第二部件之间有相对运动时显出低摩擦,其中第一部件包括:
(i)包括第一添加剂的聚碳酸酯,或者
(ii)包括第二添加剂的聚对苯二甲酸丁二酯;以及
第二部件包括包含第三添加剂的聚甲醛;
其中第一、第二和第三添加剂各自独立地包括硅酮油,硅酮油和聚碳酸酯独立地处于从0.001到0.05的相对重量比范围内。
11.权利要求10的设备,其中,当使用3MPa的接触压和0.02米每秒的滑动速度测量时,由第一和第二部件之间任何方向的相对运动引起的接触区的摩擦系数小于或等于0.06。
12.权利要求10的设备,其为医疗设备。
13.权利要求12的设备,其为药物注射设备。
14.一种生产低摩擦设备的方法,设备包括第一部件和第二部件,当第一和第二部件之间有相对运动时显出低摩擦,该方法包括:
形成第一模制组合物,其包括聚碳酸酯和第一添加剂以及任选的第四添加剂,或者聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂以及任选的第五添加剂;
形成第二模制组合物,其包括聚甲醛和第三添加剂;以及
模制成型第一模制组合物和第二模制组合物,第一模制组合物与第二模制组合物是表面接触;
其中第一、第二和第三添加剂各自独立地包括硅酮油,硅酮油和聚碳酸酯独立地处于从0.001到0.05的相对重量比范围内。
15.一种用于形成具有低的摩擦系数的低摩擦系统的组合物,包括:
(i)聚碳酸酯和第一添加剂,或者聚对苯二甲酸丁二酯和第二添加剂,它们形成第一部件;以及
(ii)聚甲醛和第三添加剂,它们形成第二部件;
其中第一和第二部件通过相互接触形成低摩擦系统;
其中第一、第二和第三添加剂各自独立地包括硅酮油,硅酮油和聚碳酸酯独立地处于从0.001到0.05的相对重量比范围内。
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