JPS61500798A - 繊維を用いた強化材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 嗟維を用いた強化材料及びその裏道方法本発明はポリマーと繊維からなる固体− 面坏組成の強化材料に関する。よシ詳しくは、 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、自身が潤滑剤であシ、そして摩擦に 強い強化材料とその製造方法に関する。

２、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１Ｒ維と 混合するのは困難であった。

さらにたとえこの巨大分子量の一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くよりたのでは、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った。そこで近年はこれを押出成型する際 、直径約１０μ惰、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て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シ特殊な材料が要求される場合に、・ま不向きであった。

このように特殊な材料が要工されるし０としては、高仝で用いられる低温装置用 のピストンリングシールがある。これらのピストンリングは１ｍ自身がｒ閏滑剤 としての性質な有し、長期間にわたっ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ァイバー ゛を含有する材料からは破片がとび出て研摩剤として創〈ためシールの４耗が早 ま９、好ましくないつ 本発明の目的は、ピストンリングシールに用いられ、高窒の極端な使用条件に１ 耐え、摩耗の度合が小さく、研摩剛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装造方法も本発明に含１れる。

発明の概要 本発明の独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。この塊維のアスにクト比 は約１００　：ｌないし約３００：１である。

本発明は、さらに次の工程に２いて示すようにこの５ｊ化材料の表迄方法をも提 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ャリ ヤーを用意する。

Ｃ）繊維と粒状の／　ＩＪマ□−を不活性な液体キャリヤー中で混合し、均一な 分散液を形成する。

ｄ）上記分散液を濾過して、フィルター上に、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ャリヤーを除去する。

ｆ）この中間体に正圧をかけて、その中に取シ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、Ｏ，ＯＳインチ（１２７０μｍ）よシ長い補 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。

図面の簡単な説明 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図りて示した部分を稠密化した種違ででさ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＄１説図でちる 。

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。

発明の詳細な説明 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池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下（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ＭＲがこ几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ァイトはこれに適した潤滑剤 でめシ、多くの用途がある。

用いるポリマーばここで運べる工程における濾過の際、目詰まり又はＰ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。それ自身をイ 閲滑剤として用いる４合は、４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ュポン社製造のポリアミドであるケブラーや ノメックスがるる。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、グラファイト、水扁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。（＝）湿潤状態における 混合の踪、からまって固まりになったりしない長さのものであること。（ｂ）短 くて粒状に近くが−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 うなからまシが起こる長さは、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）を超えるものでア夛、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ェ アリング混合器を用い、このせん断力によって不活性な液体キャリヤー中でそれ 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重量挿 、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、 これと液体キャ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 性な液体キャリヤーは、ポリマーと繊維を湿潤させて、よい分散液を与えるが、 乾燥によって容易に除去できるものでなげればならない。ポリエチレンに通した 液体キャリヤーの−っにインフロビ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、の公知のキャリヤーもポリマーと繊維の種類によっては使 える。ポリマー粒子の大きさ、繊維の大きさ及び液体キャリヤーの組合せは、キ ャ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、表面張カ、密度、長さ、アスペクト比２よび粒 径である。固体材料がキャリヤー中でよく分散されないと、ポリマーと繊維が濾 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、本発明の方法に従って濾過すると、繊維はフィ 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Ａ造を なして混ぜ合わさる。ポリ１−の粒子は、繊維網の自由空間中に分散して、＝Ｗ 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１５ ０’Ｆ（６６℃）で２時間強、真空中（好ましくは約２０ｍＨｇ）で乾燥し、次 いで室温で正圧をかげ、稠密なプレフォームを形成する。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、取シ込まれた空名を除去して 、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 プレフォームはさらに金型に入れて圧縮する。ポリマーは−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げる。最終生成物は珀いた金型 の形状暑している。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 子鎖が直視的レベルで浸透し、僅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った。これは材料を摩擦した表面から、小 さな穴を残して充填剤が押し出されることかられかる。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、とりゎけポリマーの繊維は、余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４惟を押し出すのに要求されるそ れよシずりと大きい。そのようなわけで不発明で用いる蹴セの高いアメ４クト比 と＠械的な固着は、これまで運べたようにｑ維と巨大分子量ポリマーの間の結合 の≦さか弱いのにも汚ら丁、摩擦中にポリマー母材から横紐が凧ひ出るの′？： 防止する。従って不発明の襄い繊維を用いた強化材料ぼｉＴＴ　ＩＪ’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 明に用いれに、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（・１、これまでに運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Ｙ！し、耐早耗性Ｖ′ｉ＋広＜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シにされており、アスペクト比は約２５＜ ）：１、そしてｉ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磯によっ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ュール社にょって構造され、 １９００　ＵＨｗＩ　ポリマーの商標が町されている巨大分子型の粒状ポリエチ レンポリマーとなら、これらの緘維も混合できることを発見した。このど状ポリ マーは音通分子童が約２００万〜約６００万、セして粒径が約３００μｍである 。

偵遜並びにインフロビルアルコール及び水の混合物中の１９００　ＵＨＭＷポリ マーを混合し、円盤翼のあるウェアリング混合器のようなせん断乎段を用いて一 ７Ａ維とポリマーを分散させる。この液体キャリヤー中に分散した橡維とポリマ ーを一過すると、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車体的な綱状構造をなす繊維１１と、こ の繊維網でとシ囲まれた空間中にあって機械的に保持さ１ているポリマー粒子１ ２からなる。ただし第２区は図式的に示したものであって、繊維とポリマー粒子 の一般的な配向たげを示している。さらにこの図は一定の尺度を保ったものでは ないので、本発明の橡維のアスペクト比’Ｐ＄＋）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６易にまる でろろう。

本発明製造方法を実施するにめだっては、実験室レベルでは第３区に示したよう 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のフィルター１８を有する！フナー１斗１６を通して吸引 する。

シリンダー状のアダプター２０ｑ真空装置を用いて分散物をビローカー１４から １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２２を連結している。フラスコ２２の枝口２４はろまり大きくない 実験室用のポンプのような真全発生装置（図示せず）に連結される。この真空装 置によってビーカー１４中にある分散物１３をフィルター１８まで吸い上げる。

その洗液体キャリヤーは導管２１７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、フィルター０表面とこれを取り囲 む装置でつくられた形状をしている。この中間体１０をフィ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ャリヤーを除去する（例えば１９ ００　ＵＨｉＷポリマーと、イソフロビルアルコール／水の液体キャリヤーに対 し、１５０下（６６℃）で２時間２０ｖｓＨｇの圧力下で行なう）。

さらに乾保温金物を室温下で、５０００ポンド／平万イア＋（３４Ｘ１０’・や スカル）の圧力で不問密化する。第４図に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Ｋからみ合った繊維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）から成っている。既に 運べたように、連続的なポリマー母材は稠密化の除ポリマー粒子が巨視的なレベ ルで相互に密層することによって形成される。第２図についても述べたが、＠４ −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（９１Ｉえば１９００　ＵＩ（ＭＷ ポリマーについては４００’Ｆ（２０４℃））。その後冷却するとポリマー粒子 が相互にからみ合って、融解しない線維をもポリマーに結びつげる。各工程にお ける時間、温度２よび圧力は母材に用いるポリマーに依存する。最終的な生成物 は、例えは第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慎伝的にからみ合ったアスペクト比の高い繊維網で福強さ れた連続的なポリマー母材からなる。このような構造体に繊維のからみ合う程度 が高いため、多方向に配回しているという固有の性質をもつ。このためこの繊維 網は七の＠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乞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って、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装造に用いること乞可馳Ｖこするも のでるるか、これは促釆の方法でば不可Ｍｅだった。さらに不発明のポリマーと 懺譲からなる材料は、櫃維網の２かげて耐摩擦性が覆すとともに、ポリマーのそ れ自身が潟滑剤で８％がめ１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図に示したよりな環状部品３０が得られる。この部品３００角に当たるとこ ろは適当な打型に入れて例えば３５０下（１７７℃）ぐらいの高温下で圧縮する ことンζよってなめらかにしてもよい。様々な金型を使えは他の異った幾何形状 の構造体もつくることができる。さらに濾過時に様々な形状のフィルターを使え ば、ここで示した円λ状以外の乾採混合物もつくることができる。

実施例１ 本明細書で評しく説明したようにアルコール／水のキャリヤー中の巨大分子量の 一すエチレン（１９００ＵＨツポリマー）とケプラー繊維を用いて強化材料を形 成した。

インフロビルアルコールと水の混合物（容量比２：１）３００ゴ中で分子量２０ ０万ないし６００万、粒径３０・Ｏｔｔｍの１９０００）ＩＭＷポリ？−６，８ ｇ及ヒ長す１／／８インチ（３１７５μｍ）、アスペクト比約２５０：１、直径 ボタ１２μｍのぶち切りにしたケプラー線維ｔ、　２　ｇの混合物を形成した。

この混合物を平らな円盤異ｆｆ：備えたウェ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、液体キャリヤー中に懺惟とポリマーを分散したも のをビーカー１３の中に入れた。約２０秒間、約２０順Ｈｇ　（３，４Ｘ１　ｏ 　）母スカル）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、ワイヤーのメッ７．に集められた混合物を２０　ｍＨｚ　（３， ４Ｘ１０　・−スカル）の真空中で２時間。

１５０下Ｖ（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／チ（３４Ｘ１０’−＃スカル）で・稠密化し、稠密なグレアオーム を形成した。

次いでこ′のグレアオームを金型に入れ、４００下（２０４Ｃ）Ｋ刀口熱した。

さらにこのグレアオームに圧力をか９け、次いで金型を毎分１０　’Ｆ　（６Ｃ ）の冷却速度で室温にまで冷却した。金型とグレアオームへの加圧は徐々に行っ た。材料が冷却されて２００’Ｆ（９，３℃）になる頃、圧力は最大になシ、５ ００ポンド／平方インチ＋（３４Ｘ１０６　、臂スカル）になったが、これは冷 却を始めてから２０分後であった。次いで成型した形成物を金Ｍカ・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った。

円盤形の最終生成物に次のような＃ｔ５＃耗性試験を行った。これは該生成物を ステンレス鋼を合わせ約１９０ポ／ド／平方インチ（１，３Ｘ１０６・ぐスカル ）の圧力をかけて、毎分１７フイー）（５，２ｍ）の速度でこすったところ、整 然とした巨大分子量のポリエチレンに匹敵する耐京耗性を示した。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１ ５０下（６６℃）で３０００ポンド／平万インチ（２１Ｘ１０’・母スカル）の 圧力をかげて行った。

その結果０，５インチ（１，２７ｃｍ　）立方の歪然としたポリエチレンは０１ １６インチ変形したか、本発明の強化材料でできたものは０．０１１インチ（０ ，０２７ｃ１ｎ）　Ｌか変形しなかりた。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 より侵れている。

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（ＰＴ ＦＥ　）　ｉ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、ａ維の大き さおよび液体キャリヤーの組合せは、ちょうどよ−・分敢区が得られるように調 製した。

これまで運べてさたことは不発明の実施をする上では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。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. （１）０．０５インチ（１２７０μｍ）より長い強化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。
2. （２）繊維が主に平面的に配向している請求の範囲第１項記載の強化材料。
3. （３）ポリマーの分子量が１００万を超える請求の範囲第１項記載の強化材料。
4. （４）ポリマーがポリエチレン及びポリテトラフルオロエチレンから成る群より 選ばれる請求の範囲第３項記載の強化材料。
5. （５）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。
6. （６）繊維が芳香族ポリアミドからなる請求の範囲第５項記載の強化材料。
7. （７）繊維がホウ素、ガラス、グラファイト、石英及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。
8. （８）繊維が１００：１ないし３００：１の範囲のアスペクト比を有する請求の 範囲第１項記載の強化材料。
9. （９）繊維が５〜６０重量％、ポリマーが４０〜９５重最％の混合比を有する請 求の範囲第１項記載の強化材料。
10. （１０）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９項記載の強化材料。
11. （１１）ａ）前記ポリマーが、分子量２×１０６〜６×１０６、粒度が３００μ ｍ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 が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。
12. （１２）請求の範囲第１項記載の強化材料でできた構造を有する部品。
13. （１３）前記部品が環状部材からなる請求の範囲第１２項記載の部品。
14. （１４）ａ）所定粒度の巨大分子量ポリマーと、ｂ）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ャリヤーを用意し、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液体キャリヤー中で混合し、 ｄ）この混合液をフィルターを通過させて、準等方性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得、ｅ）この中間 体を乾燥して過剰の液体キャリヤーを除し、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。
15. （１５）繊維とポリマーの混合物の割合が、液体担体、繊維及びポリマーからな る混合体全体において３重量％を超えない請求の範囲第１４項記載の方法。
16. （１６）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正が約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）の正圧をかけて行ない、そして。）前記 高温は約２０４℃（４００Ｆ）である請求の範囲第１４項記載の方法。