JP6266626B2 - フルオロポリマーコーティング - Google Patents
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Description
i)このスラリーのpHは、アルカリ性領域内にある。
ii)ナノダイヤモンド粒子のゼータ電位は、8より高いpHにおいて負である。
iii)ナノダイヤモンド粒子はナノダイヤモンドの生産から生じる非晶質炭素及びグラファイトを含む。
このスラリー組成物は、前記フルオロポリマーコーティングを製造するために使用することができる。
i)このスラリーのpHは、アルカリ性領域内にある。
ii)ナノダイヤモンド粒子のゼータ電位は、8より高いpHにおいて負である。
iii)ナノダイヤモンド粒子はナノダイヤモンドの生産から生じる非晶質炭素及びグラファイトを含む。
i)このスラリーのpHはアルカリ性領域内にある。
ii)ナノダイヤモンド粒子のゼータ電位は、8より高いpHにおいて−30mV以上である。
実施例で使用されるポリマー材料は、商業的なフルオロポリマーのスラリーであり、FP-1、-2、及び-3と呼ばれている。FP-1は水に分散されたPTFEポリマーである。FP-2は水及びキシレン中に分散されたFEPポリマーである。FP-3はキシレン、N-メチルピロリドン(NMP)、γ-ブチロラクトン及びエチルベンゼンの溶媒混合物中に分散されたFEPポリマーである。フルオロポリマースラリーの特性を表1に示す。
ND-1Sは、脱イオン水の一桁の分散液であった。ND含有量≧97重量%。
ND-1Nは、NMP中の凝集グレードであった(ND-1と同じND製品)。
ND-2は、脱イオン水中のpH調整凝集グレードであった。ND含有量≧97重量%。
ND-3は、脱イオン水の凝集したグレードであった。このブレンドは、デトネーションすす(グラファイト、アモルファスカーボン)を含んでいる。ND含有量≧50重量%。
ND-4は、NMP中一桁の分散液であった。ND含有量≧97重量%。
ND-5は、脱イオン水の一桁の分散液であった。ND含有量≧97重量%。
ND-6は、ND-3と同様のブレンド物から得られた脱イオン水の凝集したグレードであった。
実験研究は4つの異なる部分、すなわち出発材料の特性の測定、フルオロポリマーとナノダイヤモンドの混合試験、複合スラリーによるコーティング実験、及びこのコーティングの摩擦試験、に分けた。コーティング実験はまた2つに分けた。第1は異なる複合材料の広いセットを用いて行った。第2は、第1のセットの結果に基づいて選択したより少ない複合材料を使用して実行された。第2のセットで選択された複合材料は、濃度が固定された第1のセットのように、異なる濃度で試験した。
フルオロポリマーとナノダイヤモンドの両方のpHを、VWRpH測定装置で測定した。ゼータ電位と粒子径の測定は、電気泳動移動度を決定することによってゼータ電位を測定するし、マルバーンゼータサイザーナノZSを用いて行った。電気泳動移動度は、液体媒体中のサンプルに電界を印加し、粒子の速度を測定することによって測定される。粒子速度は、レーザードップラー速度測定(LDV)によって測定される。 ゼータ電位は、ヘンリーの式(式2)を適用することによる電気泳動移動度から得られる。
フルオロポリマースラリーをナノダイヤモンドグレードと混合し、いかに速く分散するか、混合後に静置するとこの複合スラリーがいかに挙動するかを観察した。この混合試験は室温において行った。ポリマーサンプルの質量は30グラムであった。複合材料のナノダイヤモンド濃度は、懸濁液において0.1、0.5、1.0、2.0及び3.0 / 5.0重量%であった。この分散液は、ナノダイヤモンド濃度0.05、0.1、0.5、1.0重量%で混合した。
最初のセットのために調製された複合材料スラリーは、ナノダイヤモンド分散液について1.0重量%の、ナノダイヤモンド懸濁液について0.1重量%の固定濃度であった。第2セットでは、複合サンプルは、ナノダイヤモンドのサスペンションのグレードから作られた0.1、0.5、1 0.0、2.0及び3.0重量%のナノダイヤモンドを含んでいた。分散グレードは0.05、0.1、0.25、0.5、及び1.0重量%のナノダイヤモンド濃度でフルオロポリマーに混合した。複合スラリーを混合する前に、ナノダイヤモンド懸濁液を30分間(300 rpm)混合し、混合しながら(200rpm)、60分間ヒールシャーUP400Sで超音波処理した。これは、第1及び第2のセットで行われた。コーティング用に製造したサンプル及びそれらの製造時間(コーティング前時間)を表5に示す。
フルオロポリマーの摩擦は、ピンオンディスク試験法を用いて試験した。この方法は、文献に基づいて選択した。文献で使用されるボールオンプレート法は、同じ原理を有している。文献に見られるように、選択されたパラメータは、同じ大きさであった。正確な選択は、デバイスに依存した。フルオロポリマー生産者が摩耗を試験するために使用しているため、テーバー摩耗試験を選択した。摩耗試験結果及び使用されたパラメータを、生産者が提供するデータシートに提示した。この試験は標準化され、それに応じて実行された。
摩擦係数は、ピンオンディスク装置を用いて試験した。サンプルを回転ホルダーに固定した。鋼球をサンプルの上で摺動させた。速度は3.9センチメートル/秒であった。ピンの負荷は2.9 Nであった。1つの試験には10分かかり、すべてのコーティングは、3つのサンプルを用いて試験した。この研究で提示された結果は、3回の試験の平均である。デバイスは横方向の力を測定したが、コンピュータに電圧変換した。次いで、試験の静摩擦ゾーンを調べるため電圧曲線を分析した。そのゾーンの電圧結果を平均した。平均的な検量線によって横力に逆変換した。したがって、摩擦係数は、式3により算出した。
走査型電子顕微鏡によりコーティングの構造を観察した。ポリマーの構造の深い分析は行わなかった。SEMは、日立4700であった。SEMサンプルを金粒子でスパッタリングし、サンプルを導電性にした。各コーティングの構造は、SEMにより小さな倍率で撮影した。SEMにより高倍率を試みたが、サンプルの加熱のため問題が発生した。
試験から得られた結果を示す。混合実験は言葉で評価した。摩擦や摩耗の結果をグラフとして表示する。
十分に摩耗の結果を理解するために厚さを考慮しなければならない。例えば、最初のセットでは、複合材料1−3は高い磨耗を示す。しかし、厚さの結果と摩耗の結果を比較すると、複合コーティングは、ちょうど摩耗が高いように見えるほど薄いことは明らかである。表面粗さ(Ra)は品質及びコーティングの気孔率について示している。表面粗さが小さいほど、コーティングの空隙率は小さく、品質が良い。
この結果を、1つのフルオロポリマーより形成した複合材料を含むグラフ(図1〜3)に示す。ナノダイヤモンドの濃度は、ナノダイヤモンドの懸濁グレードで1.0重量%、分散グレードで0.1重量%であった。
複合材料の摩擦は摩擦係数を比較することによって示される。図1は、コーティングの第一のセットからの摩擦の結果を示している。水性のフルオロポリマーFP−1の最も低い摩擦係数はナノダイヤモンドグレードND−3を添加して得た。これは、摩擦係数のみ室温条件で測定したところ、150℃のような高温で測定したように、測定した摩擦係数がさらに低減されるべきであると仮定することができ、従来技術に基づいていたことに留意すべきである。
第一のセットの摩耗結果を図2及び図3に示す。最も低い摩耗がナノダイヤモンドグレードND−2(FP−1)及びND−5(FP−2)で得られた。その値は、それぞれ14.2ミリグラム及び18.3ミリグラムであった。図2に示すように、複合コーティング1−3の基材は250サイクルで既に露出した。このコーティングは、テストを継続することができなかったほどひどく破損していた。
第二のセットのサンプルは第一のセットの結果に基づいていた。複合材料は、摩擦と外観の両方に基づいて選択した。例えば、ナノダイヤモンドグレードND−5を含む複合材料は、耐摩耗性はいくぶん優れていたが、その外観のためさらなる研究から除かれた。ナノダイヤモンドは凝集し、スラリーの上に存在している。それはポリマーに分散させることができなかった。
複合材料の摩擦は摩擦係数を比較することによって示される。FP−1複合材料の摩擦係数は、図4〜6に示されている。FP−1複合材料の最も低い摩擦係数は、複合材料1−2で得られた(図5)。ナノダイヤモンドの濃度が2.0重量%となると、摩擦係数が0.05まで低下した。
FP−2に基づく複合材料の摩耗を図7に示す。FP−2複合材料の最高の耐摩耗性は、複合材料2−1Sで得られた。ナノダイヤモンド濃度は0.25重量%であった。500サイクルでのコーティングの摩耗は17.6mgであった。
構造解析は、摩擦の結果に基づいていた。この結果に基づいて、製造された複合コーティングの一部に分析を実行した。この分析は低い倍率では、SEMを用いて行った。第二のセットの複合材料1−2(2.0重量%)は大きな倍率でも写真を撮影した。
図8は第一のセットのSEM写真を示す。図8において、複合材料1−2は50倍の倍率で撮影した。
図9において、複合材料との比較のためのFP−1の参照サンプルを示す。倍率は50倍である。図10の画像は、倍率50倍で複合材料1−2(2.0重量%)を示す。
図11及び12に追加摩耗試験を示す。この試験は上記のようにして行った。
フルオロポリマーに混合するNDグレードの能力を発見するために混合試験を実行した。理論は、フルオロポリマーは高い負のゼータ電位を有しているため、ナノダイヤモンドが持つ負のゼータ電位が高いほど、アルカリ環境への混合(ND−1及び2)は良好になる。この仮定を確認した。さらに、正のゼータ電位を備えていても効果的にグラファイト及び非晶質炭素を含むND−3/6材料をフルオロポリマーに混合することが可能であると結論した。
[1]
フルオロポリマー及びナノダイヤモンド粒子を含むスラリー組成物であって、以下の条件
i)このスラリーのpHがアルカリ性範囲にあること、
ii)ナノダイヤモンド粒子のゼータ電位が8より高いpHにおいて−30mV未満であること
を満たすスラリー組成物。
[2]
スラリーのpHが少なくとも8、好ましくは9〜11、より好ましくは9〜10である、項目1記載のスラリー組成物。
[3]
ナノダイヤモンド粒子のゼータ電位が8より高いpHにおいて−40mV以上である、項目1又は2記載のスラリー組成物。
[4]
スラリーが、液体媒体として水、有機溶媒、水と有機溶媒の混合物、又は有機溶媒の混合物を含む、項目1〜3のいずれかに記載のスラリー組成物。
[5]
ナノダイヤモンド粒子が懸濁液もしくは乳濁液の形態でスラリーに含まれており、このナノダイヤモンド粒子の濃度が、スラリー組成物の乾燥材料含有量から計算して、5重量%以下、好ましくは0.01〜5重量%である、項目1〜4のいずれかに記載のスラリー組成物。
[6]
フルオロポリマーが、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロアルコキシポリマー、フッ素化エチレン−プロピレン、ポリエチレンテトラフルオロエチレン、ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロエラストマー、フルオロカーボン、ペルフルオロポリエーテル、ペルフルオロスルホン酸、フッ素化ポリイミド、ペルフルオロポリオキセタン、又はこれらのポリマーの2種以上の混合物を含む、項目1〜5のいずれかに記載のスラリー組成物。
[7]
フルオロポリマーコーティングを製造するための、項目1〜6のいずれかに記載のスラリー組成物の使用。
[8]
0.01〜5重量%の濃度でナノダイヤモンド粒子を含むフルオロポリマーコーティングであって、フルオロポリマー及びナノダイヤモンド粒子を含むスラリー組成物を乾燥させかつ硬化させることにより得られ、前記ナノダイヤモンド粒子のゼータ電位が8より高いpHにおいて−30mV以上である、フルオロポリマーコーティング。
[9]
ナノダイヤモンド粒子の濃度が、0.1〜4重量%、好ましくは0.1〜3重量%、より好ましくは1〜3重量%である、項目8記載のフルオロポリマーコーティング。
[10]
フルオロポリマーが、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロアルコキシポリマー、フッ素化エチレン−プロピレン、ポリエチレンテトラフルオロエチレン、ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロエラストマー、フルオロカーボン、ペルフルオロポリエーテル、ペルフルオロスルホン酸、フッ素化ポリイミド、ペルフルオロポリオキセタン、又はこれらのポリマーの2種以上の混合物を含む、項目8又は9に記載のフルオロポリマーコーティング。
[11]
ポリテトラフルオロエチレンを含み、摩擦係数が0.08以下、好ましくは0.07以下である、項目8〜10のいずれかに記載のフルオロポリマーコーティング。
[12]
室温において測定し、ナノダイヤモンドを添加していない参照サンプルと比較して摩耗が少なくとも10%、より好ましくは少なくとも25%低下している、項目8〜11のいずれかに記載のフルオロポリマーコーティング。
[13]
スラリーのpHがアルカリ性の範囲内にあり、好ましくは少なくとも8、より好ましくは9〜11、最も好ましくは9〜10である、項目8〜12のいずれかに記載のフルオロポリマーコーティング。
[14]
ナノダイヤモンド粒子のゼータ電位が8より高いpHにおいて−40mV未満である、項目8〜13のいずれかに記載のフルオロポリマーコーティング。
Claims (11)
- フルオロポリマー及び爆轟法ナノダイヤモンド粒子を含むスラリー組成物であって、以下の条件
i)このスラリーのpHがアルカリ性範囲にあること、
ii)爆轟法ナノダイヤモンド粒子のゼータ電位が8より高いpHにおいて−40mV未満であること
を満たすスラリー組成物。 - スラリーのpHが少なくとも8である、請求項1記載のスラリー組成物。
- スラリーが、液体媒体として水、有機溶媒、水と有機溶媒の混合物、又は有機溶媒の混合物を含む、請求項1又は2に記載のスラリー組成物。
- 爆轟法ナノダイヤモンド粒子が懸濁液もしくは乳濁液の形態でスラリーに含まれており、このナノダイヤモンド粒子の濃度が、スラリー組成物の乾燥材料含有量から計算して、5重量%以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のスラリー組成物。
- フルオロポリマーが、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロアルコキシポリマー、フッ素化エチレン−プロピレン、ポリエチレンテトラフルオロエチレン、ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロエラストマー、フルオロカーボン、ペルフルオロポリエーテル、ペルフルオロスルホン酸、フッ素化ポリイミド、ペルフルオロポリオキセタン、又はこれらのポリマーの2種以上の混合物を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載のスラリー組成物。
- フルオロポリマーコーティングを製造するための、請求項1〜5のいずれか1項に記載のスラリー組成物の使用。
- 0.01〜5重量%の濃度で爆轟法ナノダイヤモンド粒子を含むフルオロポリマーコーティングであって、フルオロポリマー及び爆轟法ナノダイヤモンド粒子を含むスラリー組成物を乾燥させかつ硬化させることにより得られ、前記ナノダイヤモンド粒子のゼータ電位が8より高いpHにおいて−40mV未満であり、前記スラリーのpHがアルカリ性範囲にある、フルオロポリマーコーティング。
- 爆轟法ナノダイヤモンド粒子の濃度が、0.1〜4重量%である、請求項7記載のフルオロポリマーコーティング。
- フルオロポリマーが、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロアルコキシポリマー、フッ素化エチレン−プロピレン、ポリエチレンテトラフルオロエチレン、ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロエラストマー、フルオロカーボン、ペルフルオロポリエーテル、ペルフルオロスルホン酸、フッ素化ポリイミド、ペルフルオロポリオキセタン、又はこれらのポリマーの2種以上の混合物を含む、請求項7又は8に記載のフルオロポリマーコーティング。
- 室温において標準SFS EN 13523-16により測定し、ナノダイヤモンドを添加していない参照サンプルと比較して摩耗が少なくとも10%低下している、請求項7〜9のいずれか1項に記載のフルオロポリマーコーティング。
- スラリーのpHが少なくとも8である、請求項7〜10のいずれか1項に記載のフルオロポリマーコーティング。
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