KR100639443B1 - 복합 다층 물질 - Google Patents

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Abstract

복합 다층 물질은 오일이 존재할 때 마찰 계수의 감소 없이 비교적 높은 마모 저항과 파손 저항을 보여주는 것으로 설명된다. 복합 다층 물질은 적어도 하나의 분말 형태의 폴리아라미드를 그의 도금층에 포함하며, PTFE 또는 매트릭스 물질을 형성하는 다른 불화열가소성 수지를 함께 포함하는 PTFE의 함유량은 55-90 vol.% 이며, 다른 첨가제의 함유량은 9.5-44.5 vol.% 이고, 폴리아라미드의 함유량은 0.5-10 vol.% 이다.

Description

복합 다층 물질{COMPOSITE MULTILAYER MATERIAL}
본 발명은 금속 배킹층, 다공성 중간층 및 그 위에 도포된 폴리테트라플루오르에틸렌 (Polytetrafluoroetylene : PTFE) 또는 녹는점이 260℃이상이며 그 안에 충진제가 혼합되어 있는 다른 불화열가소성 수지와 결합된 PTFE로 되어 있는 도금층을 포함하는 복합 다층 물질에 관한 것이다.
이러한 유형의 물질은 윤활제가 없는 곳에서도 어려움 없이 이용될 수 있지만, 본 발명에 따른 복합 다층 물질은, 높은 마모 저항 및 공동형성 저항과 함께 매우 낮은 마찰 계수가 예를 들면 자동차 산업에서 사용되는 충격흡수장치 또는 기어 펌프나 유압 모터 등에서 큰 중요성을 갖기 때문에, 오일을 사용하는 베어링에 특히 적당하다. 요구되는 마찰 계수 때문에, 다른 공지된 플라스틱이 다른 특성에는 적합하다고 하더라도 마찰 계수의 요구는 충족시키지 못하기 때문에, 이러한 물질은 현재의 지식으로는 대부분 PTFE으로 구성되어야 한다.
PTFE는 단독으로 사용될 때 너무 물러 높은 마모 계수를 나타내기 때문에, 마찰 계수를 실제로 증가시키지 않고 공동형성과 마모에 대응하기 위한 물질들이 혼합되어야 한다.
상기 언급된 출원 분야에서 가장 자주 사용되는 베어링 물질은 강철 배킹, 다공성 청동층 및 80 vol.% 가 PTFE 이고 나머지는 납 또는 술폰화몰리브덴으로 되어 있는 플라스틱 재료로 이루어져 있다. 플라스틱 물질은 청동틀로 가압되고, 그 위에 얇은 밀폐층을 형성한다. 그러나, 예를 들면, 과적, 높은 미끄럼 속도 및 과속으로 인한 충격 흡수기에서의 온도상승 및 베어링 갭에서 높은 유동 속도와 같은 극한 조건하에서, 상기의 구조를 가진 물질은 부식과 공동형성 현상을 초래하는 경향이 있으므로 특히 고응력 하에서 사용 수명이 제한된다.
예를 들면 PVDF 또는 PEEK 와 같은 다른 열가소성 물질이 PTFE 대신에 사용된다면 상기 언급된 조건하에서 거의 마모가 없으며 공동형성에 전혀 민감하지 않은 물질을 제조할 수 있다고 하더라도, 오일 윤활제가 사용되는 경우에 현저한 마찰의 증가는 감수해야 한다.
많은 공보에는 PTFE에 기초한 조성물이 제시되어 있지만, 이들은 아직까지 상기 언급된 표준 물질과 관련하여 비교적 작은 개선점만을 보여주고, 대부분의 경우에는 유럽 특허 공보 제 0 183 375 호에 기재되어 있는 불화칼슘 또는 독일 특허 공보 제 42 27 909 C2 호에 제안되어 있는 폴리이미드의 경우에서처럼 마찰 계수의 증가를 보여준다.
영국 공개 공보 제 2272029 A 호에서, 공동형성 저항의 증가는 납 분말이 사용되는 특히 큰 특정 표면 영역에서 발생한다. 그러나, 납 또는 납 화합물의 사용은 미끄럼 요소의 사용자들에게 많은 비판을 받고 있으므로, 완전히 만족스러운 해결책이 되지 않는다.
자동-윤활 PTFE를 기초로 한 베어링 물질에서 첨가제로서 폴리-(p-페닐렌-테레프탈아미드) 를 사용하는 가능성이 자주 언급되지만, 이것은 예외없이 예를 들면 영국 공개 공보 제 2291879 A 호에서처럼, 섬유 형태로 사용된다.
국제 공개 공보 제 95/02772 호는 PTFE 매트릭스로 통합되는 특정 형태의 원섬유로된 섬유를 설명하고 있다. 이러한 섬유 형태는 PTFE 매트릭스로의 균질성 통합의 문제를 초래하여 대응하는 특정한 제조 장치를 필요로 한다. 또한, 이러한 섬유는 흡입가능한 입자를 포함하여 발암성이 되기 쉽다는 단점이 있다.
이러한 섬유는 불규칙한 고리버들 세공 방식으로 매트릭스로 통합되어서, 다른 부드러운 PTFE 매트릭스의 부식과 부서짐을 감소시킨다.
반복해서 언급하는 아라미드 섬유는, 예를 들면 다른 섬유로 교체될 수 있는 섬유 형태의 중립 성분으로서, 국제 공개 공보 제 97/03299 호 또는 영국 공개 공보 제 2177099 A 호에 나타나 있으며, 어떤 특별한 특성을 성취하는 데에 반드시 필수적인 것은 아니다.
이러한 섬유의 사용 및 적합성에 대한 기본적인 이유는 각각의 단단한 분자 가닥의 강한 물리적 평행 결합과 섬유의 길이방향으로의 특히 높은 수준의 분자 배향에 바탕을 둔, 그의 우수한 기계적 특성값-매우 높은 장력 강도와 탄성 계수-때문이다.
본 발명의 목적은 오일이 존재할 때 제조 공정의 변경과 마찰 계수의 감소없이 비교적 높은 마모 저항과 파손 저항을 보여주는 복합 다층 물질을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 도금층이 최소한 하나의 분말 형태의 폴리아라미드를 함유하고, PTFE 또는 다른 불화열가소성 수지를 함께 포함한 PTFE의 함유량은 55-90 vol.% 까지이며, 또다른 첨가제의 함유량은 9.5-44.5 vol.% 까지이고, 폴리아라미드의 함유량은 0.5-10 vol.% 까지인, 복합 다층 물질에 의해서 달성된다.
이러한 비교적 적은 양의 폴리아라미드 분말을 첨가하는 것은 유사한 첨가제가 없는 혼합물과 비교하여, 부식과 공동형성 현상에 의해 초래되는 도금층 표면의 부서짐을 현저하게 감소시키기에 충분하다. 윤활제 없이 사용될 때, 복합 다층 물질은 전혀 개선되지 않거나 단지 미미하게 개선될 뿐이다.
PTFE 또는 다른 불화열가소성 수지를 함께 포함한 PTFE의 함유량은 65-80 vol.% 인 것이 유리하며, 다른 첨가제의 함유량은 10-34 vol.% 및 폴리아라미드의 함유량은 2-10 vol.% 인 것이 유리하다.
폴리아라미드는 바람직하게는 높은 분자 경도를 갖는 폴리-(p-페닐렌-테레프탈아미드) (PPTA) 및/또는 폴리-(p-벤자미드) (PBA) 이다.
폴리아라미드 분말의 입자 크기는 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 폴리아라미드 분말의 입자 크기는 ＜50 ㎛ 인 것이 더욱 바람직하다.
특히 적합한 다른 첨가제로는 단독으로 또는 결합하여 사용될 수 있는, 납, 납산화물, 술폰화몰리브덴과 같은 층구조 술폰화금속, 불화금속, 질화붕소, 흑연, 카본 블랙, 코크스 및 산화철이 있다.
상기 언급된 첨가제외에, 경질 물질, 색소, 섬유물질, 고체 윤활제, 열경화성 수지 또는 고온 열가소성 수지를 포함하는 하나 또는 그 이상의 그룹 중에서 선택한 첨가제가 사용될 수 있다.
바람직한 첨가제 배합은 층구조 술폰화금속, 육방정계 질화붕소 및 산화철 (III) 로 구성되어 있다.
Fe2O3 가 다른 첨가제와 결합하여 함유되어 있다면, 함유량은 1-6 vol.% 인 것이 바람직하다.
PTFE 에 더하여, 다른 불화열가소성 수지가 매트릭스 물질로 사용되면, PFA, FEP, ETFE 또는 EPE 가 적당하다. 그의 함유량은 최대(at most), PTFE의 함유량과 같을 것이다.
복합 다층 물질의 바람직한 사용은 충격 흡수기 또는 다른 유압 기기들에 사용하기 위한 미끄럼 요소에 사용하는 것이다.
예로서, 가능한 실시예들이 폴리-(p-페닐렌테레프탈아미드) 분말 또는 폴리-(p-벤자미드) 분말의 첨가가 부족한 유사 물질과 비교된다. 이러한 혼합물들이 표 1 에 기재되어 있다.
예 번호. Vol.% 로 비교
1 PTFE 80 MoS215 PPTA 5
2 PTFE 80 MoS220
3 PTFE 80 graphite 15 PPTA 5
4 PTFE 80 graphite 20
5 PTFE 80 BN 6.75 MoS2 6.75 Fe2O3 1.5 PPTA 5
6 PTRD 80 BN 9 MoS2 9 Fe2O3 2
7 PTFE 80 MoS2 15 PBA 5
상기 물질들은 공지된 방법으로 제조될 수 있다.
- 비이온 습윤제의 촉진을 통해 첨가제와 폴리아라미드 분말을 물과 혼합한 균질 현탁액의 준비 ;
- 30% PTFE 분산액 첨가 및 균질 혼합 ;
- 혼합물을 알루미늄 질산염 용액의 도움으로 응고 ;
- 코팅을 위하여 혼합물의 정확한 농도가 얻어질 때까지 과잉 수용액을 제거하고 혼합 ;
- 혼합물을 강철에 놓여진 다공성 청동틀로 압연 ;
- 380℃에서 PTFE의 소결 ;
- 압연에 의해 전체 구조를 열압축.
이러한 물질의 부시(bushes)는 충격 흡수 테스트를 받았고, 마모가 검사되었다. 이러한 테스트 프로그램은 30 시간 동안 진행되었고, 80 mm 리프트에서의 램프 작용(ramp function)과 0.5 Hz의 주파수에 바탕을 두었다. 부가적으로, 적하 공급에 의해 윤활될때 물질의 마찰 계수는 1000 N 하중을 받으며, 20 mm/s 의 미끄럼 속도에서 운전이 측정되었다.
이 데이터는 표 2 에 나타나 있다. 물질들을 비교한 예 1-6에서, 폴리아라미드 분말의 첨가가 있는 경우와 없는 경우 각각이 비교된다. 예 7 은 PPTA에 대한 구조가 유사한 폴리머 물질이 본 발명에 따른 효과를 또한 초래할 수 있다는 것을 보여준다.
예 번호. 마모 [㎛] 오일이 제공된 경우의 마찰 계수
1 15 0.028
2 42 0.019
3 33 0.040
4 80 0.034
5 7 0.025
6 24 0.016
7 18 0.026
이러한 결과는 마모 저항에 대한 폴리아라미드 분말의 긍정적인 영향을 명백히 보여주며, 마찰 계수는 단지 약간 감소된다는 증거이다.
상기에 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 다층 물질은 높은 마모 저항 및 공동형성 저항과 함께 매우 작은 마찰 계수값이 예를 들면 자동차 산업에서 사용되는 충격흡수장치 또는 기어 펌프나 유압 모터등에서 큰 중요성을 갖기 때문에, 오일을 사용하는 베어링에 특히 적당하다.

Claims (11)

  1. 금속 배킹층, 다공성 중간층 및 그 위에 도포된 PTFE 또는 그 안에 첨가제가 혼합되어 있는 ETFE와 결합한 PTFE로 되어 있는 도금층을 포함하는 복합 다층 물질에 있어서,
    상기 도금층은 최소한 하나의 분말형태의 폴리아라미드를 포함하며, PTFE 또는 ETFE와 결합한 PTFE의 함유량은 55-90 vol.%, 또 다른 첨가제의 함유량은 9.5-44.5 vol.%, 폴리아라미드의 함유량은 0.5-10 vol.% 인 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질.
  2. 제 1 항에 있어서,
    PTFE 또는 ETFE와 결합한 PTFE의 함유량은 65-80 vol.% 이며, 첨가제의 함유량은 10-34 vol.% 이고, 폴리아라미드의 함유량은 2-10 vol.% 인 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리아라미드는 폴리-(p-페닐렌테레프탈아미드) 및 폴리-(p-벤자미드)중 최소한 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리아라미드 분말의 입자 크기는 ＜ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리아라미드 분말의 입자 크기는 ＜ 50 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 ETFE의 함유량은 최대 PTFE의 함유량과 동일한 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 단독으로 또는 결합하여 사용될 수 있는, 납, 산화납, 술폰화몰리브덴과 같은 층 구조 술폰화금속, 불화금속, 질화붕소, 흑연, 카본 블랙, 코크스 또는 산화철인 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 첨가제로는 부가적으로 경질 물질, 색소, 섬유 물질, 고체 윤활제, 열경화성 수지 또는 고온 열가소성 수지를 포함하는 그룹 중에서 하나 또는 그 이상이 사용되는 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 복합 다층 물질은 최소한 하나의 다른 첨가제와 함께 1-6 vol.% 의 Fe2O3 를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 첨가제는 층 구조 술폰화금속, 질화붕소 및 Fe2O3 의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질.
  11. 제 1 항 내지 10 항 중의 어느 한 항에 따른 복합 다층 물질을 사용하는 방법에 있어서,
    충격 흡수기 또는 다른 유압 기기들에 사용하기 위한 미끄럼 요소에 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 다층 물질을 사용하는 방법.
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