CN106870197A - 施用ptfe涂覆溶液的方法以及涂有ptfe涂覆溶液的车辆部件 - Google Patents

施用ptfe涂覆溶液的方法以及涂有ptfe涂覆溶液的车辆部件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种施用PTFE(聚四氟乙烯)溶液的方法，其包括以下步骤：使用珠磨将金刚石粉末分散在有机溶剂中以制备分散体溶液的分散步骤，将硅烷溶液与分散体溶液混合以制备混合物溶液的混合步骤，向混合物溶液中添加包括尺寸为0.1‑6μm的PTFE颗粒的PTFE溶液以制备涂覆溶液的添加步骤，将制备的涂覆溶液施用到活塞裙表面上以形成包括分布在其上的多个陷窝的涂层的涂履步骤，以及使涂层干燥然后进行热处理的固化步骤。

Description

施用PTFE涂覆溶液的方法以及涂有PTFE涂覆溶液的车辆部件
技术领域
本公开内容涉及一种施用PTFE涂覆溶液以控制PTFE溶液的粒径而形成涂层的方法，该涂层包括多个在其表面上形成的陷窝，借此，陷窝起到油槽的作用。
背景技术
活塞是易受到摩擦损害的部件，并且引起30-50％的发动机摩擦能量损失。具体地，在30-40MPa的压力下在发动机的爆发冲程期间，活塞的往复运动引起与气缸内表面的摩擦。可以将包括固体润滑剂例如石墨和MoS2的树脂施用在活塞裙的表面上，以使摩擦损失最小化。
PTFE涂覆溶液在工业领域已被用作涂覆剂或者润滑剂。对PTFE涂覆溶液而言，将金刚石粉末进行珠磨，分散在有机溶剂中，并与硅烷溶液混合以用硅烷溶液环绕金刚石粉末，从而制造包括金刚石粉末颗粒的混合物溶液。在这样的溶液中，金刚石粉末颗粒并不团聚而是分散成在溶液中具有纳米尺寸，然后将具有优异的低摩擦性质的PTFE(聚四氟乙烯)溶液加入到混合物溶液中，以得到PTFE涂覆溶液。
上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。
发明内容
因此，鉴于相关技术中出现的以上问题作出本公开内容，本公开内容的目的是提供施用PTFE涂覆溶液的方法，以控制PTFE溶液粒径，从而形成包括多个在其表面上形成的陷窝的涂层，借此，陷窝起到油槽的作用，从而使摩擦减小作用最大化。
为了完成以上目的，本公开内容提供一种施用PTFE(聚四氟乙烯)溶液的方法，其包括以下步骤：使用珠磨将金刚石粉末分散在有机溶剂中以制备分散体溶液的分散步骤，将硅烷溶液与分散体溶液混合以制备混合物溶液的混合步骤，向混合物溶液中添加包括尺寸为0.1-6μm的PTFE颗粒的PTFE溶液以制备涂覆溶液的添加步骤，将制备的涂覆溶液施用到活塞裙表面上以形成涂层的涂覆步骤，以及使涂层干燥然后进行热处理的固化步骤。
多个陷窝可各自具有50-350μm的直径。
在分散步骤中，使用珠磨分散在有机溶剂中的金刚石粉末的粒径可以为100-400nm。
在分散步骤中，可以将100重量份的有机溶剂与5-10重量份的金刚石粉末混合，以制备分散体溶液。
在混合步骤中，硅烷溶液可以具有氨基官能团。
在混合步骤中，可以将100重量份的金刚石粉末和2-6重量份的硅烷溶液混合以制备混合物溶液。
在添加步骤中制备的涂覆溶液可以具有20000-26000cps的粘度。
在固化步骤中热处理可以在200-220℃下进行10-20分钟。
为了完成以上目的，本公开内容还提供了以PTFE涂覆溶液涂覆的车辆部件。车辆部件包括活塞裙和使用涂覆溶液在活塞裙的表面上形成的涂层，该涂覆溶液包括含有分散在有机溶剂中的金刚石粉末的分散体溶液、硅烷溶液、和包括尺寸为0.1-6μm的PTFE(聚四氟乙烯)颗粒的PTFE溶液。
各自具有50-350μm的直径的多个陷窝可以分布在涂层的表面上。
多个陷窝的分布密度可以为0.5-10个陷窝/mm2。
根据本公开内容的施用PTFE涂覆溶液的方法，可以在活塞裙的涂层表面上形成起到油槽作用的多个陷窝，以使摩擦的降低最大化。
活塞裙的摩擦系数比已知材料的摩擦系数低约33％，因此，车辆的燃料效率得到了大约0.3％的提高。仅通过替换涂覆溶液而不需要减小车身重量，即可以预期到燃料效率的提高。
附图说明
本公开内容的以上和其他目的、特征和优点将从以下与附图相结合的具体说明中更加清楚地理解，其中：
图1是显示根据本公开内容的实施方式的活塞裙的未涂覆侧和涂层表面的放大图；
图2是显示根据本公开内容的实施方式的涂层表面的放大图；
图3是显示根据本公开内容的实施方式的PTFE颗粒的分布的图；
图4是已知材料、比较例和根据本公开内容的实施方式的实施例在干燥条件下的摩擦系数的比较图；
图5是已知材料、比较例和根据本公开内容的实施方式的实施例在润滑条件下的摩擦系数的比较图；并且
图6是显示已知材料和根据本公开内容的实施例的摩擦系数随时间变化的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本公开内容的实施方式给出具体的说明。
根据本公开内容施用PTFE(聚四氟乙烯)涂覆溶液的方法可以包括以下步骤：使用珠磨将金刚石粉末分散在有机溶剂中以制备分散体溶液的分散步骤，将硅烷溶液与分散体溶液混合以制备混合物溶液的混合步骤，向混合物溶液中添加包括尺寸为0.1-6μm的PTFE颗粒的PTFE溶液以制备涂覆溶液的添加步骤，将制备的涂覆溶液施用到活塞裙表面上以形成包括多个分布于其上的陷窝的涂层的涂覆步骤，以及使涂层干燥然后进行热处理的固化步骤。
当在活塞裙的表面上施用包括金刚石粉末、有机溶剂、硅烷溶液和PTFE溶液的涂覆溶液以形成涂层时，可以对PTFE溶液的PTFE颗粒的尺寸进行控制，以有意地在涂层的表面上形成由涂层表面的桔皮现象引起的气泡痕迹，从而使具有微单位尺寸的多个陷窝随机分布，而与相关技术不同。具有微单位尺寸的多个陷窝可以分布在涂层的表面上，以向PTFE的摩擦减小效应添加由气泡引起的纹理化(texturing)效应，从而使活塞裙的摩擦减小最大化。根据本公开内容的施用PTFE涂覆溶液的方法将在以下阶段中进行描述。
在分散步骤中可以将金刚石粉末分散到有机溶剂中。优选地，包括分布在其中的直径为10-100nm的颗粒的粉末可以被用作金刚石粉末，优选地，作为极性有机溶剂的NMP(N-甲基吡咯烷酮)可以被用作有机溶剂。NMP与PTFE溶液相容，具有高沸点(204℃)，在珠磨期间不易挥发，且在60-70℃的硅烷处理温度下不溅散和点燃，因此其相对于其他有机溶剂是优选的。
而且，可以提供有机溶剂以根据PTFE颗粒的尺寸改变而调节粘度。因此，当使用包括NMP、MIBK(甲基异丁基酮)和二甲苯彼此混合的有机溶剂时，无论PTFE颗粒的尺寸，粘度可以得到降低。因此，可以优选使用包括NMP和MIBK彼此混合的有机溶剂，更优选仅使用NMP，以保证在活塞裙表面上形成具有足够厚度的涂层的粘度。
使用珠磨分散在有机溶剂中的金刚石粉末可以优选基于100重量份的有机溶剂以5-10重量份的含量添加。当金刚石粉末的含量基于100重量份的有机溶剂低于5重量份时，研磨效率可能较低，而当含量高于10重量份时，粘度可能增加，使得在研磨之后难以将金刚石粉末与珠子分离。因此，基于100重量份的有机溶剂，金刚石粉末的含量可以被限制在5-10重量份。
优选地，在研磨期间使用的珠子的直径在0.1-0.5mm的范围内。这是因为，当珠子的直径小于0.1mm时，研磨效率可能是有利的，但是在研磨之后可能难以将粉末分离，这引起的了显著的损失，而当直径大于0.5mm时，研磨效率可能降低，妨碍了纳米尺寸颗粒的获得。珠子的材料不受具体限制，但是可以使用氧化锆珠子作为例子。
接下来，在分散步骤中制备的分散体溶液可以在混合步骤中与硅烷溶液混合。在根据本公开内容的实施方式的施用PTFE涂覆溶液的方法中，优选地，可以使用具有氨基作为有机官能团的溶液作为硅烷溶液。更优选地，可以使用氨丙基-三甲氧基硅烷(ATS)。硅烷溶液可以包括甲氧基，其具有与金刚石粉末的优异键合强度，且是一种将要与金刚石颗粒的表面键合的无机官能团。因此，可以防止金刚石颗粒的团聚以改善分散强度。
如下所述，有机官能团与PTFE和PAI(粘合剂)键合，以改善耐磨性。ATS的氨基中包括的N-H键中存在的未共用电子对具有与PTFE的优异键合性，可以改善金刚石粉末的分散性并使PTFE和PAI的粘合最大化。
在根据本公开内容的实施方式的施用PTFE涂覆溶液的方法中，优选地，基于100重量份的金刚石粉末，硅烷溶液可以以2-6重量份的含量与分散体溶液混合。然后可以将混合物溶液在60-70℃下搅拌5-7小时。硅烷溶液的加入量主要取决于与金刚石粉末颗粒的粒径相应的表面积，但是基于100重量份的金刚石粉末，2-6重量份的含量可能足以在金刚石粉末颗粒的大部分表面上形成单层。然而，可能不优选含量大于6重量份的情况，因为硅烷溶液过量剩余。
将混合物溶液的温度保持在60-70℃的原因是，硅烷溶液的水解反应可以被引发，以有效地环绕金刚石粉末颗粒。当温度低于60℃时，反应性可能较低，而当温度高于70℃时，有机溶剂的挥发性可能增加。另外，当搅拌时间小于5小时时，水解反应可能不足，而当搅拌时间大于7小时时，有机溶剂可能过量挥发，从而明显地改变金刚石粉末与有机溶剂的含量比。因此，可以优选将混合物溶液搅拌5-7小时。
包括彼此混合的分散体溶液和硅烷溶液的混合物溶液可以加入到PTFE溶液中，以制备涂覆溶液。可以使用丝网印刷工艺将涂覆溶液施用在发动机活塞裙上，得益于摩擦减小的最大化。加入到混合物溶液中的PTFE溶液的PTFE颗粒的尺寸可以被限制在0.1-6μm的范围内。可以限制该范围，以在将涂覆溶液施用到活塞裙的表面上时在涂层的表面上形成多个陷窝。
可以出于减少摩擦的目的将涂覆溶液施用到活塞裙的表面上，以防止由发动机的摩擦引起的能量损失，并且可以对PTFE颗粒的尺寸进行控制，以使用PTFE颗粒的气泡吸附性质，从而在涂层的表面上形成多个陷窝。
当在涂层的表面上形成多个陷窝时，陷窝可起到油槽的作用，以使涂层包含润滑剂，从而使摩擦的减小最大化。当PTFE颗粒的尺寸小于0.1μm时，可能难以制备PTFE颗粒，而当PTFE颗粒的尺寸大于6μm时，可能难以在涂层的表面上形成多个陷窝。因此，优选地，可以将PTFE颗粒的尺寸限制在0.1-6μm的范围内。根据活塞裙表面的未经涂覆侧和涂层的比较图图1，可以确定，PTFE颗粒的尺寸控制成在涂层的表面上形成多个陷窝。即使根据显示涂层表面的放大图的图2，也能够确定陷窝的形成，这是基于如图3所示的PTFE颗粒的均匀分布。
根据PTFE颗粒的尺寸控制，活塞裙的摩擦降低可以从图4和图5看出，图4和图5是显示使用摩擦系数测试装置TE77的测试结果的图。
图4是包括MoS2作为固体润滑剂的已知材料、包括粒径为8μm的PTFE作为固体润滑剂的比较例和包括粒径为1μm的PTFE作为固体润滑剂的实施例在不存在油的干燥条件下的摩擦系数的比较图。可以确定，在所有负荷下，比较例和实施例的摩擦系数小于已知材料的摩擦系数，且实施例的摩擦系数小于比较例的摩擦系数，即使实施例和比较例之间的差异不明显。
图5是包括MoS2作为固体润滑剂的已知材料、包括粒径为8μm的PTFE作为固体润滑剂的比较例和包括粒径为1μm的PTFE作为固体润滑剂的实施例在存在油的润滑条件下的摩擦系数的比较图。可以确定，与干燥条件相比，实施例的摩擦系数比已知材料和比较例的摩擦系数更低。这是因为，PTFE颗粒的尺寸控制成在涂层的表面上形成多个陷窝，从而允许陷窝起到油槽的作用，如上所述。
如图6所示，包括涂有根据本公开内容的PTFE涂覆溶液的活塞裙的车辆的摩擦系数比已知材料的摩擦系数低大约33％，因此，车辆的燃料效率得到了大约0.3％的提高。仅通过替换涂覆溶液而不需要降低车身重量，即可以预期到燃料效率的提高。
如由图2所确认的，在涂层上形成的多个陷窝各自具有50-350μm的直径，且陷窝的分布密度可以为0.5-10个陷窝/mm2。当陷窝的直径小于50μm时，陷窝可能无法平滑地起到包含油的油槽的作用，而当陷窝的直径大于350μm时，陷窝的深度可能大于涂层的厚度，因此，陷窝的直径可以被限制在50-350μm。当陷窝的分布密度小于0.5个陷窝/mm2时，陷窝可能包含不足以降低摩擦的油，而当陷窝的分布数目大于10个陷窝/mm2时，涂层的耐久度可能降低。因此，陷窝的分布密度可以被限制在0.5-10个陷窝/mm2。
同时，涂覆溶液的粘度可以优选地确定在15000-35000cps之间，更优选地，可以被限制在20000-26000cps之间，以实施最小的涂覆。而且，涂覆溶液的固含量可以为30-50％，以满足前述条件。当涂覆溶液的粘度小于20000cps时，可能难以获得足够的涂层厚度，而当粘度大于26000cps时，涂层丝网可能被堵塞。因此，优选将涂覆溶液的粘度限制在20000-26000cps。
在涂覆之前，可以将活塞裙部分进行碱性蚀刻。在碱性蚀刻过程中可以使用氢氧化钠(NaOH)。更具体地，可以使用10wt％的氢氧化钠溶液对活塞裙部分进行9-11秒的蚀刻，然后使用超声波在50wt％的硝酸(HNO3)溶液中洗涤50-70秒。使用碱性蚀刻可以使将要被涂覆的表面粗糙，以改善涂覆溶液与活塞裙表面之间的粘合强度。当蚀刻时间小于9秒时，蚀刻可能实施不足，妨碍获得令人满意的表面粗糙度，而当蚀刻时间大于11秒时，蚀刻可能实施过度，在涂覆后降低涂覆表面的物理性质。在丝网印刷期间，优选的网格大小为约150-180目。
在可以在活塞裙表面上形成涂层的涂覆步骤之后，可以使用天然风或热风干燥使涂层稳定化并在200-220℃下煅烧，即热处理，10-20分钟以使其固化。当热处理温度低于200℃时，涂覆溶液可能不足以固化以降低耐磨性，而当热处理温度高于220℃时，活塞裙可能由于热而变形。因此，优选将热处理温度限制在200-220℃。
涂有根据本公开内容的PTFE涂覆溶液的车辆部件包括活塞裙和使用涂覆溶液在活塞裙表面上形成的涂层，所述涂覆溶液包括含有分散在有机溶剂中的金刚石粉末的分散体溶液、硅烷溶液、和包括尺寸为0.1-6μm的PTFE(聚四氟乙烯)颗粒的PTFE溶液。各自具有50-350μm的直径的多个陷窝可以分布在涂层表面上，且多个陷窝的分布密度可以为0.5-10个陷窝/mm2。
尽管出于说明性的目的已经公开了本公开内容的优选实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不偏离如所附权利要求公开的公开内容的范围和精神的情况下，可以进行多种变化、添加和替换。

Claims (11)

1.一种施用聚四氟乙烯(PTFE)溶液的方法，其包括以下步骤：
使用珠磨将金刚石粉末分散在有机溶剂中以制备分散体溶液的分散步骤；
将硅烷溶液与所述分散体溶液混合以制备混合物溶液的混合步骤；
向所述混合物溶液中添加包括尺寸为0.1-6μm的PTFE颗粒的PTFE溶液以制备涂覆溶液的添加步骤；
将所制备的涂覆溶液施用到活塞裙的表面上以形成包括分布在其上的多个陷窝的涂层的施用步骤；以及
使所述涂层干燥并进行热处理的固化步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个陷窝各自具有50-350μm的直径。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述分散步骤中分散在所述有机溶剂中的金刚石粉末的粒径为100-400nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述分散步骤中，将100重量份的所述有机溶剂与5-10重量份的所述金刚石粉末混合，以制备分散体溶液。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述硅烷溶液具有氨基官能团。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述混合步骤中，将100重量份的所述金刚石粉末与2-6重量份的所述硅烷溶液混合，以制备混合物溶液。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述添加步骤中制备的涂覆溶液具有20000-26000cps的粘度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在所述固化步骤中，所述热处理在200-220℃下进行10-20分钟。
9.一种涂有PTFE涂覆溶液的车辆部件，所述车辆部件包括：
活塞裙；以及
使用涂覆溶液在所述活塞裙的表面上形成的涂层，所述涂覆溶液包括含有分散在有机溶剂中的金刚石粉末的分散体溶液、硅烷溶液和含有尺寸为0.1-6μm的PTFE颗粒的PTFE溶液。
10.根据权利要求9所述的车辆部件，其中各自具有50-350μm的直径的多个陷窝分布在所述涂层的表面上。
11.根据权利要求10所述的车辆部件，其中所述多个陷窝的分布密度为0.5-10个陷窝/mm2。
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