JPH0436181B2 - - Google Patents

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JPH0436181B2
JPH0436181B2 JP60502876A JP50287685A JPH0436181B2 JP H0436181 B2 JPH0436181 B2 JP H0436181B2 JP 60502876 A JP60502876 A JP 60502876A JP 50287685 A JP50287685 A JP 50287685A JP H0436181 B2 JPH0436181 B2 JP H0436181B2
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JP
Japan
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polymer
fibers
present
matrix
fiber
Prior art date
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JP60502876A
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Japanese (ja)
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JPS61500798A (en
Inventor
Robin Dabuyu Roozaa
Jeemuzu Esu Tedesuko
Robaato Dabuyu Seiboorudo
Jon Ui Mireusuki
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
Application filed by Hughes Aircraft Co filed Critical Hughes Aircraft Co
Publication of JPS61500798A publication Critical patent/JPS61500798A/en
Publication of JPH0436181B2 publication Critical patent/JPH0436181B2/ja
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  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Description

請求の範囲 1 固体ポリマー母材中に不規則に分散され、約
1270ミクロン(0.05インチ)より長く前記ポリマ
ーと湿式混合中にからまりが起こるような長さよ
り短い長さであり、100:1〜300:1の範囲内の
アスペクト比を有する強化繊維を有する固体ポリ
マー母材を含有する強化材料であつて、前記ポリ
マーがポリエチレンおよびポリテトラフルオロエ
チレンから選ばれたものであり、かつ、100万を
超える分子量を有し、並びに前記繊維がポリマー
母材内で各々独立して分散し、主に平面的に互い
に不規則に発列され、ポリマー母材により固着さ
れて保持されて、ポリマー母材全体に広がる繊維
網を形成し、これにより強化材料をクリープおよ
び摩耗に対して安定化させることを特徴とする強
化材料。 2 繊維が有機ポリマーでできている請求の範囲
第1項記載の強化材料。 3 繊維が芳香族ポリアミドからなる請求の範囲
第2項記載の強化材料。 4 繊維がホウ素、ガラス、グラフアイト、石英
および金属からなる群より選ばれる請求の範囲第
1項記載の強化材料。 5 繊維が5〜60重量%、ポリマーが40〜95重量
%の混合比を有する請求の範囲第1項記載の強化
材料。 6 繊維が5〜15重量%、ポリマーが85〜95重量
%の混合比を有する請求の範囲第5項記載の強化
材料。 7 a 前記ポリマーが、分子量2×106〜6×
106、粒度300μmであるポリエチレンであり、 b 前記繊維が長さ3175μm、アスペクト比250:
1である芳香族ポリアミドである請求の範囲第
1項記載の強化材料。 8 固体ポリマー母材中に不規則に分散され、約
1270ミクロン(0.05インチ)より長く前記ポリマ
ーと湿式混合中にからまりが起こるような長さよ
り短い長さであり、100:1〜300:1の範囲内の
アスペクト比を有する強化繊維を有する固体ポリ
マー母材を含有する強化材料であつて、前記ポリ
マーがポリエチレンおよびポリテトラフルオロエ
チレンから選ばれたものであり、かつ、100万を
超える分子量を有し、並びに前記繊維がポリマー
母材内で各々独立して分散し、主に平面的に互い
に不規則に配列され、機械的に固着されて、ポリ
マー母材全体に広がる繊維網を形成し、これによ
り強化材料をクリープおよび摩耗に対して安定化
させることを特徴とする強化材料から形成された
ピストンリングシール。 9 a ポリエチレンおよびポリテトラフルオロ
エチレンから選ばれたものであり、100万を超
える分子量を有する所定粒度の巨大分子量ポリ
マーを用意し、 b 約1270ミクロン(0.05インチ)より長く前記
ポリマーと湿式混合中にからまりが起こるよう
な長さより短い長さであり、100:1〜300:1
の範囲内のアスペクト比を有する繊維およびポ
リマー粒子を均一に分散させることができる不
活性な液体キヤリアーを用意し、 c 繊維とポリマー粒子を均一な分散が得られる
ように不活性なキヤリアー中で混合し、 d この混合液をフイルターを通過させて、準等
方性配列で不規則に配向している繊維網とその
間隙に分散しているポリマー粒子からなる中間
体をフイルター上に得、 e この中間体を乾燥して過剰の液体キヤリアー
を除し、 f この中間体に正圧をかけて、その中に取り込
まれた空気を除去して稠密にし、そして g ポリマーは溶解するが繊維は溶解しないよう
な高い温度下で、稠密な中間体を金型に入れて
圧縮し、冷却して、0.05インチ(1270μm)よ
り長い補強繊維が不規則に配向した巨大分子量
の固体ポリマー母材からなる強化材料を製造す
る方法。 10 繊維とポリマーの混合物の割合が、液体キ
ヤリアー、繊維およびポリマーからなる混合体全
体において3重量%を超えない請求の範囲第9項
記載の方法。 11 a 前記ポリマーが、分子量200万〜300
万、粒度300μmのポリエチレンであり、 b 前記繊維が長さ3175μm、アスペクト比250:
1の芳香族ポリアミドであり、 c 前記稠密のための正圧が約5000ポンド/平方
インチ(34×106パスカル)であり、 d 前記圧縮は最大5000ポンド/平方インチ(34
×106パスカル)の正圧をかけないで行い、そ
して e 前記高温は約204℃(400゜F)である請求の範
囲第9項記載の方法。 明細書 産業上の利用分野 本発明はポリマーと繊維からなる固体−固体組
成の強化材料に関する。より詳しくは、 本発明は、長さ0.05インチ(1270μm)を超え
る比較的長い繊維で補強された巨大分子量のポリ
マーでできており、自身が潤滑剤であり、そして
摩擦に強い強化材料とその製造方法に関する。 従来の技術 巨大分子量のポリマーは、通常100万を超える
分子量を有する。ポリエチレン及びポリテトラフ
ルオロエチレンは典型的な巨大分子量の化合物で
ある。これらの物質は本来潤滑剤としての性質を
有している。しかしその巨大な分子量のため、こ
れらの物質は流動性に乏しく、補強繊維と混合す
るのは困難であつた。さらにたとえこの巨大分子
量のポリマーを繊維と混合したとしても、浸漬や
圧縮成型以外の従来の技術によつたのでは、分子
鎖が切断されて分子量が減少してしまうため、成
型することができなかつた。そこで近年はこれを
押出成型する際、直径約10μm、アスペクト比
(直径に対する長さの比)が約1ないし10のガラ
スのようなごく短い繊維や粉末を用いて、それら
の原材料を補強するのが通例である。これまで述
べた原材料には多くの用途があるが、航空機のよ
うな極端な使用条件のためにより特殊な材料が要
求される場合には不向きであつた。このように特
殊な材料が要求される例としては、高空で用いら
れる低温装置用のピストンリングシールである。
これらのピストンリングは普通自身が潤滑剤とし
ての性質を有し、長期間にわたつて摩耗の度合が
小さいため、シールとしての機能が損われること
はない。しかし従来使われていた前述のグラスフ
アイバーを含有する材料からは破片がとび出て研
摩剤として働くためシールの摩耗が早まり、好ま
しくない。 本発明の目的は、ピストンリングシールに用い
られ、高空の極端な使用条件に耐え、摩耗の度合
が小さく、研摩剤的な性質のない繊維による強化
ポリマーを提供することである。 またこのポリマーの製造方法も本発明に含まれ
る。 発明の概要 本発明の強化材料は少くとも約0.05インチ
(1270μm)の長さを有する繊維で補強された巨
大分子量のポリマーでできている。この繊維のア
スペクト比は約100:1ないし約300:1である。 本発明は、さらに次の工程において示すように
この強化材料の製造方法をも提供する。 a 所定の大きさの粒状の巨大分子量ポリマーを
用意する。 b 繊維と粒状のポリマーを均一に分散させるこ
とができる不活性な液体キヤリヤーを用意す
る。 c 繊維と粒状のポリマーを不活性な液体キヤリ
ヤー中で混合し、均一な分散液を形成する。 d 上記分散液を過して、フイルター上に、準
等方性で不規則に配置されている繊維網とその
間隙に分散しているポリマー粒子から成る中間
体を得る。 e この中間体を乾燥して過剰の液体キヤリヤー
を除去する。 f この中間体に正圧をかけて、その中に取り込
まれた空気を除去して稠密にする。 g ポリマーは溶解するが、繊維は溶解しないよ
うな高い温度下で、稠密な中間体を型に入れて
圧縮し、冷却して、0.05インチ(1270μm)よ
り長い補強繊維が不規則に分散した巨大分子量
の固体ポリマー母材からなる強化材料を製造す
る。
Claim 1: Randomly dispersed in a solid polymeric matrix, about
A solid polymer having reinforcing fibers of length greater than 1270 microns (0.05 inch) and less than such that entanglement occurs during wet mixing with said polymer and having an aspect ratio within the range of 100:1 to 300:1. A reinforcing material comprising a matrix, wherein the polymer is selected from polyethylene and polytetrafluoroethylene and has a molecular weight greater than 1 million, and the fibers are each independent within the polymer matrix. The fibers are dispersed and arranged irregularly with respect to each other primarily in a planar manner, and are held firmly in place by the polymer matrix to form a network of fibers that extends throughout the polymer matrix, thereby making the reinforcing material more susceptible to creep and abrasion. A reinforcing material characterized by stabilizing against. 2. The reinforcing material according to claim 1, wherein the fibers are made of an organic polymer. 3. The reinforcing material according to claim 2, wherein the fibers are made of aromatic polyamide. 4. The reinforcing material according to claim 1, wherein the fibers are selected from the group consisting of boron, glass, graphite, quartz and metal. 5. The reinforcing material according to claim 1, having a mixing ratio of 5 to 60% by weight of fibers and 40 to 95% by weight of polymer. 6. The reinforcing material according to claim 5, having a mixing ratio of 5 to 15% by weight of fibers and 85 to 95% by weight of polymer. 7 a The polymer has a molecular weight of 2×10 6 to 6×
10 6 , a polyethylene with a particle size of 300 μm, and b the fibers have a length of 3175 μm and an aspect ratio of 250:
1. The reinforcing material according to claim 1, which is an aromatic polyamide. 8 Randomly dispersed in a solid polymer matrix, approximately
A solid polymer having reinforcing fibers of length greater than 1270 microns (0.05 inch) and less than such that entanglement occurs during wet mixing with said polymer and having an aspect ratio within the range of 100:1 to 300:1. A reinforcing material comprising a matrix, wherein the polymer is selected from polyethylene and polytetrafluoroethylene and has a molecular weight greater than 1 million, and the fibers are each independent within the polymer matrix. dispersed, irregularly arranged with respect to each other primarily in a planar manner, and mechanically anchored to form a network of fibers extending throughout the polymer matrix, thereby stabilizing the reinforcing material against creep and abrasion. A piston ring seal formed from a reinforced material characterized by: 9 a) providing a macromolecular weight polymer of a predetermined particle size selected from polyethylene and polytetrafluoroethylene and having a molecular weight greater than 1 million; b) during wet mixing with said polymer for a length greater than about 1270 microns (0.05 inch); The length is shorter than that at which tangling occurs, and is 100:1 to 300:1.
providing an inert liquid carrier capable of uniformly dispersing fibers and polymer particles having aspect ratios within the range of c. mixing the fibers and polymer particles in the inert carrier such that a uniform dispersion is obtained; d This mixed solution is passed through a filter to obtain an intermediate on the filter consisting of a fiber network randomly oriented in a quasi-isotropic arrangement and polymer particles dispersed in the gaps, and e this The intermediate is dried to remove excess liquid carrier, f a positive pressure is applied to this intermediate to remove any air entrapped within it and densify it, and g the polymer dissolves but the fibers do not. The dense intermediate is compressed in a mold at high temperatures such as How to manufacture. 10. The method of claim 9, wherein the proportion of the mixture of fibers and polymer does not exceed 3% by weight of the total mixture of liquid carrier, fibers and polymer. 11 a The polymer has a molecular weight of 2 million to 300
10,000, the fiber is made of polyethylene with a particle size of 300 μm, and b the fiber has a length of 3175 μm and an aspect ratio of 250:
1 aromatic polyamide, c the positive pressure for densification is approximately 5000 lbs/in 2 (34 x 10 Pascals), and d the compression is up to 5000 lbs/in 2 (34
10. The method of claim 9 , wherein said elevated temperature is approximately 204°C (400°F). FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to reinforcing materials of solid-solid composition consisting of polymers and fibers. More specifically, the present invention relates to a reinforcement material made of a macromolecular weight polymer reinforced with relatively long fibers greater than 0.05 inches (1270 μm) in length, which is itself a lubricant, and which is resistant to friction and its manufacture. Regarding the method. BACKGROUND OF THE INVENTION Macromolecular weight polymers typically have a molecular weight in excess of one million. Polyethylene and polytetrafluoroethylene are typical macromolecular weight compounds. These substances inherently have lubricant properties. However, due to their large molecular weights, these materials have poor fluidity and are difficult to mix with reinforcing fibers. Furthermore, even if this large molecular weight polymer were mixed with fibers, it would not be possible to mold them using conventional techniques other than dipping or compression molding, as the molecular chains would be cut and the molecular weight would decrease. . Therefore, in recent years, when extruding these materials, the raw materials are reinforced using very short fibers or powders such as glass with a diameter of about 10 μm and an aspect ratio (ratio of length to diameter) of about 1 to 10. is customary. Although the raw materials described above have many uses, they have been unsuitable for applications such as aircraft, where extreme conditions of use require more specialized materials. An example of such a requirement for special materials is piston ring seals for cryogenic equipment used at high altitudes.
These piston rings usually have lubricant properties themselves and wear to a low degree over a long period of time, so that their sealing function is not impaired. However, the previously used materials containing the aforementioned glass fibers cause debris to protrude and act as an abrasive, causing premature wear of the seal, which is undesirable. It is an object of the present invention to provide a fiber-reinforced polymer for use in piston ring seals that withstands extreme high-altitude service conditions, exhibits low wear, and has no abrasive properties. The present invention also includes a method for producing this polymer. SUMMARY OF THE INVENTION The reinforcing material of the present invention is made of a macromolecular weight polymer reinforced with fibers having a length of at least about 0.05 inches (1270 μm). The fibers have an aspect ratio of about 100:1 to about 300:1. The present invention also provides a method of manufacturing this reinforcing material as shown in the following steps. a. Prepare a granular macromolecular weight polymer of a predetermined size. b. Provide an inert liquid carrier capable of uniformly dispersing the fibers and particulate polymer. c. Mix the fibers and particulate polymer in an inert liquid carrier to form a homogeneous dispersion. d. The above dispersion is passed through a filter to obtain an intermediate consisting of a quasi-isotropic and irregularly arranged fiber network and polymer particles dispersed in the spaces between them. e Dry the intermediate to remove excess liquid carrier. f Positive pressure is applied to this intermediate to remove any air trapped therein and densify it. g The dense intermediate is molded and compressed at high temperatures that dissolve the polymer but not the fibers, and is then cooled to form giant, irregularly dispersed reinforcing fibers longer than 0.05 inch (1270 μm). A reinforced material consisting of a solid polymer matrix of molecular weight is produced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の稠密な固体強化材料を形成す
る前の中間体の斜視図である。第2図は第1図に
示した形成物の一部についての拡大図である。第
3図は本発明の製造方法の一工程において用いる
装置の断面図である。第4図は第2図に示した部
分を稠密化した繊維でできた連続体母材の拡大図
である。第5図は圧縮後における円盤形をした本
発明の最終的な形成物の斜視図である。第6図は
本発明の強化材料でできた環状部品の斜視図であ
る。
FIG. 1 is a perspective view of an intermediate prior to forming the dense solid reinforcement material of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of a part of the formation shown in FIG. FIG. 3 is a sectional view of an apparatus used in one step of the manufacturing method of the present invention. FIG. 4 is an enlarged view of a continuum matrix made of densified fibers in the portion shown in FIG. 2. FIG. 5 is a perspective view of the final disc-shaped formation of the invention after compression. FIG. 6 is a perspective view of an annular component made of the reinforcing material of the present invention.

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明の強化材料を構成するポリマーは100万
を超える分子量を有し、好ましくはポリエチレ
ン、ポリテトラフルオロエチレン又は他の巨大分
子量若しくは流動性の低い物質である。低流動性
ポリマーの例としては、ポリテトラフルオロエチ
レンがある。これは700〓(371℃)の融点におい
て約1011ポアズの粘度を有する。このような物質
はそれ自身が潤滑剤として働き、通常研摩性はな
い。しかしながら他の潤滑剤又は顔料がこれらの
ポリマーに添加されることがある。例えばモリブ
デン、ジスルイド又は粉末グラフアイトはこれら
に適した潤滑剤であり、多くの用途がある。用い
るポリマーはここで述べる工程における過の
際、目詰まり又は紙を通過しないように適当な
大きさの粒状であることが望ましい。 本発明の強化材料に用いられる繊維は、上述の
巨大分子量の母材ポリマーの融点においてもその
性質を失なうことのないものでなければならな
い。それ自身を潤滑剤として用いる場合は、繊維
は非研摩性の有機ポリマーでできているものが好
ましい。そのような例としてはデユポン社製造の
ポリアミドであるケブラーやノメツクスがある。
研摩性のないことが要求されないような場合は、
ホウ素、ガラス、グラフアイト、石英又は金属の
ような他の繊維がポリマー繊維の代わりに、又は
これと共に用いられる。 本発明で用いる繊維の長さには、次の制限が付
される。(a)湿潤状態における混合の際、からまつ
て固まりになつたりしない長さのものであるこ
と。(b)短くて粒状に近くポールミルのような従来
の方法を用いた方が巨大分子量のポリマーとよく
混合できるようなものでないこと。前者の制限に
ついて言えば、そのようなからまりが起こる長さ
は、繊維の直径と分散液中における繊維の濃度に
依存する。好ましい長さは0.05インチ(1270μm)
を超えるものであり、約1/8インチ(3175μm)
のものが特に効果的である。 繊維とポリマーの望ましい混合方法としては、
例えば平らな円盤翼を有するウエアリング混合器
を用い、このせん断力によつて不活性な液体キヤ
リヤー中でそれらを分散するのがよい。繊維とポ
リマーの混合比は典型的には、繊維が5〜60重量
%、ポリマーが40〜95重量%であり、好ましくは
繊維が5〜15重量%、ポリマーが85〜95重量%で
ある。この繊維とポリマーの混合物の割合は、こ
れと液体キヤリヤーとの混合物全体において約3
%を超えることはない。不活性な液体キヤリヤー
は、ポリマーと繊維を潤滑させて、よい分散液を
与えるが、乾燥によつて容易に除去できるもので
なければならない。ポリエチレンに適した液体キ
ヤリヤーの一つにイソプロピルアルコールと水を
2:1の容量比で混合物したものがある。他の公
知のキヤリヤーもポリマーと繊維の種類によつて
は使える。ポリマー粒子の大きさ、繊維の大きさ
及び液体キヤリヤーの組合せは、キヤリヤー中で
のよい分散液をつくるために適当に選択する。材
料の性質のうち分散液に影響を与えるのは、粘
度、表面張力、密度、長さ、アスペクト比および
粒径である。固体材料がキヤリヤー中でよく分散
されないと、ポリマーと繊維が過時にいくつか
の層を形成してしまう。 ポリマー粒子と繊維の分散液を、本発明の方法
に従つて過すると、繊維はフイルター上で不規
則に配向するが、一般的には準等方性又はほぼ立
体的網状構造をなして混ぜ合わさる。ポリマーの
粒子は、繊維網の自由空間中に分散して、機械的
に保持される。この後繊維とポリマーからなる網
状構造体を、典型的には150〓(66℃)で2時間
強、真空中(好ましくは約20mmHg)で乾燥し、
次いで室温で正圧をかけ、稠密なプレフオームを
形成する。この稠密化は巨視的レベルでポリマー
を互いによく密着させるとともに、取り込まれた
空気を除去して、巨視的レベルで連続したポリマ
ーの母材を形成するために行なう。この稠密なプ
レフオームはさらに金型に入れて圧縮する。ポリ
マーは一たん溶解するが、冷却されたときに、繊
維をポリマーの母材と結びつける。最終生成物は
用いた金型の形状をしている。ポリマーが溶解す
る最後の工程において、ポリマー粒子の分子鎖が
微視的レベルで浸透し、微視的レベルでの連続し
たポリマー母材を形成する。 従来の方法においては、粉末や短い繊維がポリ
マーの中に分散されても、望ましい耐摩耗性を有
する材料は得られなかつた。これは材料を摩耗し
た表面から、小さな穴を残して充填剤が押し出さ
れることからわかる。しかし本発明においては長
い繊維が不規則に配向されているため、そのよう
に充填剤が押し出されることはない。繊維、とり
わけポリマーの繊維は、徐々に摩耗していくが、
材料から押し出されることはない。本発明で用い
る繊維はアスペクト比が高いため、ポリマー母材
の表面張力を高め、繊維相互間の固着を強める。
ところでそのような長い繊維を押し出すのに必要
なエネルギーは、従来用いられていたぶち切り繊
維を押し出すのに要求されるそれよりずつと大き
い。そのようなわけで本発明で用いる繊維の高い
アスペクト比と機械的な固着は、これまで述べた
ように繊維と巨大分子量ポリマーの間の結合の強
さが弱いのにも拘らず、摩擦中にポリマー母材か
ら繊維が飛び出るのを防止する。従つて本発明の
長い繊維を用いた強化材料は耐摩耗性は低いが、
研摩性の断片を生ずることはない。さらに非研摩
性のポリマー繊維を本発明に用いれば、本発明強
化材料の低研摩性はさらに増進される。 本発明強化材料の利点は、これまでに述べた説
明から明らかなように自身が潤滑剤としての機能
を有し、耐摩耗性は低くても研摩性がないという
ことである。一番重要なのは、この材料は様々な
形の構造物に形成され、例えば環状の部品にして
ピストンリングシールや他の航空機の部品として
用いられるということである。 本発明のその他の利点を次に図面を引用して説
明する。 本発明においては、ケブラーのような非連続な
繊維の固まりを出発物質の一つとして用いる。こ
れらの繊維はぶち切りにされており、アスペクト
比は約250;1、そして普通長さが約1/8インチ
(3175μm)、直径が約12μmである。これらの繊
維は押出し機によつては巨大分子量のポリマーと
よく混合することができない。しかし発明者らは
例えばヘルキユール社によつて製造され、
1900UHMWポリマーの商標が附されている巨大
分子量の粒状ポリエチレンポリマーとなら、これ
らの繊維も混合できることを発見した。この粒状
ポリマーは普通分子量が約200万〜約600万、そし
て粒径が約300μmである。 繊維並びにイソプロピルアルコール及び水の混
合物中の1900UHMWポリマーを混合し、円盤翼
のあるウエアリング混合器のようなせん断手段を
用いて繊維とポリマーを分散させる。この液体キ
ヤリヤー中に分散した繊維とポリマーを過する
と、第1図に示したように繊維網とポリマーの混
合物からなる中間体が得られる。第2図は、第1
図に示した中間体10の部分拡大図である。この
中間体は、準等方性に配向しておりほぼ立体的な
網状構造をなす繊維11と、この繊維網でとり囲
まれた空間中にあつて機械的に保持されているポ
リマー粒子12からなる。ただし第2図は図式的
に示したものであつて、繊維とポリマー粒子の一
般的な配向だけを示している。さらにこの図は一
定の尺度を保つたものではないので、本発明の繊
維のアスペクト比やポリマー粒子の相対的な大き
さを表すものではない。ポリマーの寸法は本明細
書における開示内容から容易に求まるであろう。 本発明製造方法を実施するにあたつては、実験
室レベルでは第3図に示したような装置が用いら
れる。ここに示すようにポリマー粒子と繊維の分
散物又は混合物13をビーカー14の中に入れ、
40/60のフイルター18を有するブフナー漏斗1
6を通して吸引する。シリンダー状のアダプター
20は真空装置を用いて分散物をビーカー14か
ら漏斗16へ吸引する際に用いる。導管21は栓
23を通して漏斗16の排出口と三角フラスコ2
2を連結している。フラスコ22の枝口24はあ
まり大きくない実験室用のポンプのような真空発
生生装置(図示せず)に連結される。この真空装
置によつてビーカー14中にある分散物13をフ
イルター18まで吸い上げる。その際液体キヤリ
ヤーは導管21を通してフラスコ22内に導入す
る。漏斗16に吸い上げられた繊維は、第2図に
示したように準等方性の配向をしており、その繊
維網11中に取り込まれたポリマー粒子12とと
もに、第1図に示した中間体10を形成する。こ
の過された混合物は、フイルターの表面とこれ
を取り囲む装置でつくられら形状をしている。こ
の中間体10をフイルターから取りはずし、真空
中で高温乾燥して水分と過剰の液体キヤリヤーを
除去する(例えば1900UHMWポリマーと、イソ
プロペルアルコール/水の液体キヤリヤーに対
し、150〓(66℃)で2時間20mmHgの圧力下で行
なう)。さらに乾燥混合物を室温下で、5000ポン
ド/平方インチ(34×106パスカル)の圧力で稠
密化する。第4図はこの圧縮混合物の部分拡大図
である。これは実質上平面的に配向し、相互にか
らみ合つた繊維11と、繊維網中にできた空間に
分散している連続的なポリマー母材(図示せず)
から成つている。既に述べたように、連続的なポ
リマー母材は稠密化の際ポリマー粒子が巨視的な
レベルで相互に密着することによつて形成され
る。第2図についても述べたが、第4図は図式的
に示したもので、尺度は正確ではない。 最終的には稠密な混合物は5000ポンド/平方イ
ンチで望みの金型中で圧縮し、用いたポリマーが
溶解する温度に加熱する(例えば1900UHMWポ
リマーについては400〓(204℃))。その後冷却す
るとポリマー粒子が相互にからみ合つて、融解し
ない繊維をもポリマーに結びつける。各工程にお
ける時間、温度および圧力が母材に用いるポリマ
ーに依存する。最終的な生成物は、例えば第5図
に示したような円盤28の形状をとるが、この円
盤は、主に平面的に不規則に配向し機械的にから
み合つたアスペクト比の高い繊維網で補強された
連続的なポリマー母材からなる。このような構造
体は繊維のからみ合う程度が高いため、多方向に
配向しているという固有の性質をもつ。このため
この繊維網はその繊維と母材からなる表面におい
て、ポリマー母材の動きを制限する。本発明は、
繊維と母材の強い結合を求める要求に対して、繊
維とポリマーの新しい組合せを利用することによ
つて、新しい強化材料と構造体をつくり出すもの
である。本発明は流動性の低いポリマーを母材の
製造に用いることを可能にするものであるが、こ
れは従来の方法では不可能だつた。さらに本発明
のポリマーと繊維からなる材料は、繊維網のおか
げで耐摩擦性が増すとともに、ポリマーそれ自身
が潤滑剤で摩擦があまり生じないという性質を有
している。 第5図の円盤28からその中心部をくり抜く
と、第6図に示したような環状部品30が得られ
る。この部品30の角に当たるところは適当な打
型に入れて例えば350〓(177℃)ぐらいの高温下
で圧縮することによつてなめらかにしてもよい。
様々な金型を使えば他の異つた幾何形状の構造体
もつくることができる。さらに過時に様々な形
状のフイルターを使えば、ここで示した円盤状以
外の乾燥混合物もつくることができる。 実施例 1 本明細書で詳しく説明したようにアルコール/
水のキヤリヤー中の巨大分子量のポリエチレン
(1900UHMWポリマー)とケブラー繊維を用い
て強化材料を形成した。 イソプロピルアルコールと水の混合物(容量比
2:1)300ml中で分子量200万ないし600万、粒
径300μmの1900UHMWポリマー6.8g及び長さ
1/8インチ(3175μm)、アスペクト比約250:1、
直径約12μmのぶち切りにしたケブラー繊維1.2g
の混合物を形成した。この混合物を平らな円盤翼
を備えたウエアリング混合器中で2分間混合し
た。第3図に示した装置を用い、液体キヤリヤー
中に繊維とポリマーを分散したものをビーカー1
3の中に入れた。約20秒間、約20mmHg(3.4×103
パスカル)に減圧して、全ての分散物をビーカー
13から引き上げた。過が終了した後、ワイヤ
ーのメツシユに集められた混合物を20mmHg(3.4
×103パスカル)の真空中で2時間、150〓(66
℃)で乾燥した。この乾燥混合物を室温で5分間
500ポンド/平方インチ(34×106パスカル)で稠
密化し、稠密なプレフオームを形成した。次いで
このプレフオームを金型に入れ、400〓(204℃)
に加熱した。さらにこのプレフオームに圧力をか
け、次いで金型を毎分10〓(6℃)の冷却速度で
室温にまで冷却した。金型とプレフオームへの加
圧は徐々に行つた。材料が冷却されて200〓(93
℃)になる頃、圧力は最大になり、500ポンド/
平方インチ(34×106パスカル)になつたが、こ
れは冷却を始めてから20分後であつた。次いで成
型した形成物を金型から取り出した。最終的な生
成物は第5図に示したような円盤形であつた。 円盤形の最終生成物に次のような耐摩耗性試験
を行つた。これは該生成物とステンレス鋼を合わ
せ約190ポンド/平方インチ(1.3×106パスカル)
の圧力をかけて、毎分17フイート(5.2m)の速
度でこすつたところ、整然とした巨大分子量のポ
リエチレンに匹敵する耐摩耗性を示した。またこ
の生成物についてはクリープ特性も調べてみた。
この試験は、この構造物に24時間150〓(66℃)
で3000ポンド/平方インチ(21×106パスカル)
の圧力をかけて行つた。その結果0.5インチ
(1.27cm)立方の整然としたポリエチレンは0.16
インチ変形したが、本発明の強化材料でできたも
のは0.011インチ(0.027cm)しか変形しなかつ
た。さらに本発明の生成物はポリマー繊維ででき
ていて、従来のガラスによる補強材料より軟かい
ため、非研摩性においてより優れている。 実施例 2 実施例1において巨大分子量ポリマーとしてポ
リテトラフルオロエチレン(PTFE)を用いて、
同じように本発明による強化材料を形成した。
PTFEは巨大分子量のポリエチレンより稠密なた
め、ポリマー粒子の大きさ、繊維の大きさおよび
液体キヤリヤーの組合せは、ちようどよい分散液
が得られるように調製した。 これまで述べてきたことは本発明の実施をする
上でも最もよいやり方を示したものであるが、図
面や上述の具体例に変更を加えることもできる。
The polymers that make up the reinforcing material of the invention have a molecular weight greater than 1 million, preferably polyethylene, polytetrafluoroethylene or other large molecular weight or low flow materials. An example of a low flow polymer is polytetrafluoroethylene. It has a viscosity of about 10 11 poise at a melting point of 700°C (371°C). Such materials act as lubricants themselves and are usually not abrasive. However, other lubricants or pigments may be added to these polymers. For example molybdenum, disuride or powdered graphite are suitable lubricants for these and have many uses. It is desirable that the polymer used be in the form of particles of an appropriate size so as not to clog or pass through the paper during the process described herein. The fibers used in the reinforcing material of the present invention must not lose their properties even at the melting point of the above-mentioned macromolecular weight matrix polymer. When used as a lubricant itself, the fibers are preferably made of non-abrasive organic polymers. Examples of such are the polyamides Kevlar and Nomex manufactured by DuPont.
In cases where non-abrasiveness is not required,
Other fibers such as boron, glass, graphite, quartz or metal may be used in place of or in conjunction with the polymer fibers. The length of the fiber used in the present invention is subject to the following limitations. (a) It must be of a length that will not tangle and form a lump when mixed in a wet state. (b) They are short and granular and cannot be mixed well with large molecular weight polymers using conventional methods such as pole milling. Regarding the former limitation, the length at which such entanglement occurs depends on the fiber diameter and the fiber concentration in the dispersion. Preferred length is 0.05 inch (1270μm)
approximately 1/8 inch (3175μm)
are particularly effective. The preferred method of mixing fibers and polymers is
For example, a wear ring mixer with flat disc blades may be used to disperse them in an inert liquid carrier by the shear force. The blend ratio of fibers and polymer is typically 5-60% by weight fibers and 40-95% by weight polymer, preferably 5-15% by weight fibers and 85-95% by weight polymer. The proportion of the fiber and polymer mixture in the total mixture with the liquid carrier is approximately 3.
%. The inert liquid carrier lubricates the polymer and fibers to provide a good dispersion, but must be easily removable by drying. One suitable liquid carrier for polyethylene is a mixture of isopropyl alcohol and water in a 2:1 volume ratio. Other known carriers may also be used depending on the type of polymer and fiber. The combination of polymer particle size, fiber size and liquid carrier is selected appropriately to produce a good dispersion in the carrier. Among the material properties that affect the dispersion are viscosity, surface tension, density, length, aspect ratio, and particle size. If the solid material is not well dispersed in the carrier, the polymer and fibers will form several layers over time. When a dispersion of polymer particles and fibers is passed through the method of the present invention, the fibers are randomly oriented on the filter, but are generally intermixed in a quasi-isotropic or nearly three-dimensional network structure. . The polymer particles are dispersed and mechanically retained in the free space of the fiber network. The network of fibers and polymer is then dried in vacuum (preferably about 20 mmHg), typically at 150°C (66°C) for just over 2 hours.
Positive pressure is then applied at room temperature to form a dense preform. This densification is performed to bring the polymers into close contact with each other on a macroscopic level and to remove trapped air to form a continuous polymer matrix on a macroscopic level. This dense preform is further compressed into a mold. Once the polymer melts, it binds the fibers to the polymer matrix when cooled. The final product has the shape of the mold used. In the final step when the polymer dissolves, the molecular chains of the polymer particles penetrate at the microscopic level to form a continuous polymer matrix at the microscopic level. Previous methods, even when powders or short fibers were dispersed in polymers, did not provide materials with the desired wear resistance. This can be seen by the fact that the filler is forced out of the surface where the material has been worn away, leaving small holes behind. However, in the present invention, since the long fibers are randomly oriented, the filler is not extruded in this way. Fibers, especially polymer fibers, gradually wear out.
It is not extruded from the material. Since the fibers used in the present invention have a high aspect ratio, they increase the surface tension of the polymer matrix and strengthen the adhesion between the fibers.
However, the energy required to extrude such long fibers is significantly greater than that required to extrude the conventionally used chopped fibers. Therefore, the high aspect ratio and mechanical adhesion of the fibers used in the present invention, despite the weak bond strength between the fibers and the macromolecular weight polymer as mentioned above, Prevents fibers from popping out of the polymer matrix. Therefore, although the reinforced material using long fibers of the present invention has low wear resistance,
No abrasive fragments are produced. Additionally, the use of non-abrasive polymer fibers in the present invention further enhances the low abrasiveness of the reinforcing materials of the present invention. As is clear from the above description, the advantage of the reinforced material of the present invention is that it functions as a lubricant, and although it has low wear resistance, it is not abrasive. Most importantly, this material can be formed into structures of various shapes, such as annular parts for use as piston ring seals and other aircraft parts. Further advantages of the invention will now be explained with reference to the drawings. In the present invention, a mass of discontinuous fibers such as Kevlar is used as one of the starting materials. These fibers are chopped, have an aspect ratio of about 250:1, and are typically about 1/8 inch (3175 μm) long and about 12 μm in diameter. These fibers cannot be mixed well with large molecular weight polymers in some extruders. However, the inventors believe that the
We have discovered that these fibers can be mixed with a macromolecular weight granular polyethylene polymer branded as 1900UHMW Polymer. The particulate polymer typically has a molecular weight of about 2 million to about 6 million and a particle size of about 300 μm. The fibers and 1900 UHMW polymer in a mixture of isopropyl alcohol and water are mixed and a shearing means such as a wear ring mixer with disk blades is used to disperse the fibers and polymer. Passing the fibers and polymer dispersed in this liquid carrier yields an intermediate consisting of a mixture of fiber network and polymer, as shown in FIG. Figure 2 shows the first
It is a partially enlarged view of the intermediate body 10 shown in the figure. This intermediate is made up of fibers 11 that are quasi-isotropically oriented and have an almost three-dimensional network structure, and polymer particles 12 that are mechanically held in a space surrounded by the fiber network. Become. However, FIG. 2 is a schematic representation and only shows the general orientation of the fibers and polymer particles. Furthermore, this figure is not to scale and does not represent the aspect ratio of the fibers or the relative sizes of the polymer particles of the present invention. The dimensions of the polymer will be readily determined from the disclosure herein. In carrying out the manufacturing method of the present invention, an apparatus as shown in FIG. 3 is used at the laboratory level. A dispersion or mixture 13 of polymer particles and fibers is placed in a beaker 14 as shown here;
Buchner funnel 1 with 40/60 filter 18
Aspirate through 6. The cylindrical adapter 20 is used to draw the dispersion from the beaker 14 into the funnel 16 using a vacuum device. The conduit 21 passes through the stopper 23 and connects the outlet of the funnel 16 and the Erlenmeyer flask 2.
2 are connected. Spout 24 of flask 22 is connected to a vacuum generator (not shown), such as a modest laboratory pump. This vacuum device sucks up the dispersion 13 in the beaker 14 to the filter 18. The liquid carrier is then introduced into flask 22 through line 21. The fibers sucked up into the funnel 16 have a quasi-isotropic orientation as shown in FIG. 2, and together with the polymer particles 12 incorporated into the fiber network 11, the intermediate shown in FIG. form 10. This filtered mixture is shaped by the surface of the filter and the surrounding device. This intermediate 10 is removed from the filter and dried at high temperature in vacuo to remove moisture and excess liquid carrier (e.g. 1900UHMW polymer and isopropel alcohol/water liquid carrier at 150ⓓ (66°C)). (performed under a pressure of 20 mmHg for an hour). The dry mixture is further densified at room temperature under a pressure of 5000 pounds per square inch (34×10 6 Pascals). FIG. 4 is a partially enlarged view of this compressed mixture. This consists of substantially planarly oriented, intertwined fibers 11 and a continuous polymer matrix (not shown) dispersed in the spaces created in the fiber network.
It consists of As already mentioned, a continuous polymer matrix is formed by the polymer particles coming into close contact with each other on a macroscopic level during densification. As mentioned in Figure 2, Figure 4 is shown schematically and the scale is not accurate. The final dense mixture is compressed in the desired mold at 5000 pounds per square inch and heated to a temperature at which the polymer used melts (e.g., 400° for a 1900 UHMW polymer). When it is then cooled, the polymer particles become entangled with each other, binding even the unmelted fibers to the polymer. The time, temperature and pressure in each step depend on the polymer used for the base material. The final product takes the form of a disk 28, as shown in FIG. Consists of a continuous polymer matrix reinforced with Such a structure has a unique property of being oriented in multiple directions because the fibers are highly entangled. The fiber network thus restricts the movement of the polymer matrix at the surface of the fibers and matrix. The present invention
In response to the demand for strong fiber-to-matrix bonds, new combinations of fibers and polymers are used to create new reinforcing materials and structures. The present invention makes it possible to use polymers with low fluidity in the production of the matrix, which was not possible using conventional methods. Furthermore, the material made of the polymer and fibers of the present invention has increased friction resistance thanks to the fiber network, and the polymer itself has the property of being a lubricant and causing less friction. When the center of the disc 28 in FIG. 5 is hollowed out, an annular part 30 as shown in FIG. 6 is obtained. The corners of this part 30 may be made smooth by placing it in a suitable mold and compressing it at a high temperature of, for example, 350°C (177°C).
Structures with other different geometries can be made using a variety of molds. Furthermore, by using filters of various shapes during the drying process, dry mixtures other than the disk shape shown here can be created. Example 1 Alcohol/
A reinforced material was formed using a large molecular weight polyethylene (1900UHMW polymer) and Kevlar fibers in a water carrier. 6.8 g of 1900 UHMW polymer with molecular weight 2 million to 6 million, particle size 300 μm and 1/8 inch (3175 μm) length, aspect ratio approximately 250:1, in 300 ml of a mixture of isopropyl alcohol and water (2:1 by volume);
1.2g of Kevlar fiber cut into pieces with a diameter of approximately 12μm
A mixture was formed. The mixture was mixed for 2 minutes in a wear ring mixer equipped with flat disk blades. Using the apparatus shown in Figure 3, the fibers and polymer dispersed in the liquid carrier are prepared in beaker 1.
I put it in 3. Approximately 20mmHg (3.4×10 3
The entire dispersion was withdrawn from the beaker 13 by applying a vacuum of 100 mPascals. After the filtration is completed, the mixture collected on the wire mesh is heated to 20 mmHg (3.4
150〓 (66
℃). This dry mixture was heated at room temperature for 5 minutes.
It was densified at 500 pounds per square inch (34×10 6 Pascals) to form a dense preform. Next, put this preform into a mold and heat it at 400㎓ (204℃).
heated to. Further pressure was applied to the preform and the mold was then cooled to room temperature at a cooling rate of 10㎓ per minute (6°C). Pressure was applied gradually to the mold and preform. The material is cooled down to 200〓(93
℃), the pressure is at its maximum, 500 lbs.
20 minutes after cooling began. The molded product was then removed from the mold. The final product was disc-shaped as shown in FIG. The disc-shaped final product was subjected to the following abrasion resistance test. This is approximately 190 pounds per square inch (1.3 x 10 Pascals) of the product and stainless steel.
When rubbed at a speed of 17 feet (5.2 m) per minute under pressures of We also investigated the creep properties of this product.
This test was carried out at 150°C (66°C) for 24 hours on this structure.
3000 pounds per square inch (21× 106 pascals)
I went there under pressure. The resulting 0.5 inch (1.27 cm) cube of ordered polyethylene is 0.16
inch deformation, whereas those made from the reinforced material of the present invention deformed only 0.011 inch (0.027 cm). Furthermore, the products of the present invention are made of polymer fibers and are softer than conventional glass reinforcement materials, making them more non-abrasive. Example 2 Using polytetrafluoroethylene (PTFE) as the macromolecular weight polymer in Example 1,
A reinforcing material according to the invention was formed in a similar manner.
Because PTFE is more dense than macromolecular weight polyethylene, the combination of polymer particle size, fiber size, and liquid carrier were tailored to give just the right dispersion. Although what has been described thus far indicates the best way to carry out the invention, modifications may be made to the drawings and the embodiments described above.

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