TWI273116B - Metal-elastomer compound - Google Patents

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1273116 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 =發明係關於-種金屬彈性體化合物，即—種包含以在 =:0: t至1 5 〇 P h Γ範圍内與彈性體混合之纖維金屬材 【先前技術】 古Γ [、二^生貝為可撓性材料，其被使用於許多應用諸如 N·生▼但心其輪胎等等中。相反地’金屬具有甚低的可撓 旦有甚南的拉伸及剪切強度。雖然已將金屬以有限 性體以改良導電性，但將彈性體與金屬結合之 用述、添加金屬夕石八、， 屬之百刀比、及效益非常有限。 金屬與舞性體$士人沾里 ^ • >， 、、口 口勺另一貫例為鋼絲胎（steel belted :“將不同形狀的鋼絲埋置於彈性體本體内以 的索帶。+ 1入入物。其係未倂入至彈性體内之明顯 性::::兩由任一材料個別展現之特 種或兩種以上的材料#:θ在、、且5。長久以來’知曉可將兩 化形態，而獲得且起，以形成相當多樣的結構 仏仔具有棱供期望特性組合之潛 例來說，纖維玻璃係由在 。舉 之微細玻璃纖維所事成:=“中由聚醋樹脂所點合 现、*听衣成。玻璃纖維之張力相者 則有助於界定形狀，充分黏合至纖二=月旨 鄰纖維摩擦而彼此損壞。 、’，’ 口鉍相 "目則已有許多不同類型的纖维可 312XP/發明說明書(補件)/95^)7/951〇9429 $ Ϊ273116 貝利用二當然，纖維玻璃並不以特別具傳導性著稱。 复技衣的代表係日本申請案第JP 1 995000207596號， 二種經由將與彈性體混料之鈦酸之金屬鹽之纖維 材料心混而製得的介電彈性體組成物。 人而要一種具夠高金屬含量之包含與金屬纖維或粉末灶 5之彈性體的化合物，以使此化合物具有足夠強度、_ 此力、磁性質及傳導性’同時仍保有彈性體之可撓性 發明係符合此需求。 響【發明内容】 本發明之主要態樣係提供一種具夠高金屬含量之包含 與金屬纖維或粉末結合之彈性體的化合物，以使此化合物 具有足夠強度、熱傳能力、磁性質及傳導性，同時仍保有 彈性體之可撓性。 本电明之其他態樣將由以下之發明說明及附圖所指出 或明瞭。 φ本發明包括一種金屬彈性體化合物，其包含分子量範圍 大約為1 00,000克/莫耳至大約300,000克/莫耳之彈性 體，包含複數個金屬纖維，其各具有長寬比（aspectrati〇 約大於1的金屬纖維材料，且金屬纖維材料係以範圍在 50phr至150phr之量與彈性體混合。 【實施方式】 本發明包括一種具有彈性體及纖維金屬材料之混合物 的複合化合物。相當尚的金屬含量使化合物具有特定的期 主金屬4寸貝，包括金屬的強度、熱傳能力、磁性質及傳導 312XP/發明說明書(補件)/95-07/95109429 . ^73116 紐同日寸仍呈現彈性體之可撓性。添加至彈性舰夕入p 維或粉末的形能可A # / ^ 平11肢之金屬纖 由各具有超二了· 5何的物理形狀。較佳的物理觀 的離散纖唯心成 6_:1之長寬比（長度··寬度） 法利二 旦經混合’則利用技藝中已知之方 心及壓力使化合物固化。經固 *許多⑽。本說明書係以經固化之二 =:使用 果為基礎。 口物及其試驗結 體例中’將彈性體單獨與金屬纖維混合。在另 可將彈性體與金屬纖維及金屬粉末之也人、、日 :在另-具體例中，金屬粉末對金屬纖維 = 自大約零(即無粉末)至大約i(即以重 ：= =金屬粉末及金屬纖維)之範圍内。金屬粉末顆 大約1之範圍内之長寬比。 不顆粒具有在 銹：：為::= 末Γ其中一種較㈣^ 口 /、具有问拉伸強度及耐腐蝕性。 係-合金’因其具低重量、高強度及她性適二= 鋼及!呂之外，可使用其他纖維材料諸如玻璃纖維 以及其他文中說明之金屬。 A減、、隹 為製造化合物’使用技藝中已知之混合方法 (。及另類具體例之金屬粉末）與彈性體成分混合。在，= 知中’使金屬纖維之絲束或金屬粉末顆粒 = 彈性體化合物中，而不具有較佳的轴向定向個 穿越及散佈於整個經固化化合物之基質中， ：:、 合物之機械性質諸如拉伸強度、I縮強度及疲勞強度改良 312XP/發明說明書(補件)/95·〇7/95109429 7 1273116 ^超越^性體本身。再者’“於在零件（諸如輪船及皮 :二it會發生磨損之產物時，於化合物表面之-些 r、j 後’經暴露的金錢維及金屬粉末產生非 常良好的耐磨性。 王非 在又另一具體例中，可藉由技藝中已止 屬纖雄軸向定向，以致實„教曰 驟使金 以致貝貝數置之金屬纖維的主 平行於縱向。此將導致化合物具有取白方 =严:與平行纖維之主要軸向正交的軸上更可換。 金屬纖維長度及截面尺寸並無限制，只要金1 = 寸及形狀不會不利影響化合物* 尺寸範圍係大約5至30毫f /、'、而’較佳的 ύυ毛木長及直徑0.005至〇 ^真氺 =微米)。為作說明，僅將纖維截面視為圓形二 截可為任何形狀。彈性體中之金屬纖維之百分 量’但較佳範圍為大約20體積％至約8〇體修由 而僅有5至30毫米且具小截面直徑，因 的似金屬性質。因此，本發明入 斤而 兩者之特性。 之化δ物具有金屬及彈性體 再者’本發明之化合物及並制古、、土 "-r、立 強产:二二'Γ而獲致超越先前技藝之增加的機械 虽又改良的耐磨性、增進的熱傳、以及改良 任何產物中。可調整所使用金屬之類型、纖維之尺;及形 312ΧΡ/發明說明書(補件)/95-07/95109429 8 1273116 加金相維相較於彈性體量之百分比π適合特 〈彈性體-金屬基線相容性> 以下係本發明化合物的實例配方。表1列出此八加由 使用之化合物配方。「X」表示化合物中之全屬二 ^ 值。表2說明化合物混合程序。 、’屬義、、隹的Ph] 表1 ·化合物配方一 33； 0 金硬抗其 固 2 表 序 維鋅劑分丨程 ^K i 黑纖ηΟ酸化 成b合 碳屬Z脂氧油他Μ混 母料混合 最終混合 對照 10 0 15 0 0 . 0 5.00 1.50 1.50 5 0 10 5〇rpm第1程 ，人y料（黑色及/或金屬纖維）、 加入其他化學物質，衝柱降下。 加入聚合物。 ，起衝柱，刮除，及降低衝柱。 0 5

5 ο ο- • IX 7 油 衝柱降下 i，接著固化劑，接著再腿b。衝柱降下 ^起衝柱，刮除，及降低衝柱。 時傾皇 〇’係指混合開始；1’係指開始混合後1分鐘；2， 指開始混合後2分鐘。「迎」係指「母料」，其係未含 化劑的化合物。「Phr」係指每百份橡膠中之磅數，其 彈性體技藝中所習知。 表4顯示用於評估本發明化合物之起始浪合性能的 合物配方。化合物（A)係不具有金廣纖維的對照化合物 312XP/發明說明書(補件)/95-07/95109429 〇 1273116 混合係根據表3所示之程序進a NV Bekaert SA所銷售之四種研九總部位在比利時之 表3)。Beki-Shield GR經塗布:類型的不錢鋼纖維（見 (塑膠或橡膠）基質的黏合妓^1樹脂以改良與聚合物 係與「⑶」形式相同的金屬 狀形態。叫r”B係經均句舖t;々經塗布且係呈束 金屬纖維的組成物。其之多孔介$ 1二維不織結構之 . 丨貝係由燒結金屬纖維所制 成之不織、高度多孔的纖維基、衣 1 貝亦汗估獲自Fibre 騫Technology Ltd之具有大直 M0446/1。。 ^的不銹鋼纖維’即 一」此，扣W Ί則汉頁鰂。鏢、鉻、鋅、錫、鎂 釩及鈦。英高鎳（Inc〇nel)及其他合金。任何其他可與^ 選彈性體相容的金屬及金屬合金纖維。金屬纖維所用之/ 屬材料亦可用於金屬粉末。 表 3 顯示獲自 Bekaert 及 Fiber Techn〇1〇gy 之 料形態。 其他適當的金屬纖維金屬^包括任何類型的不銹 鋼、任何類型的鋼（低碳、高碳）、及合金鋼。鋁及鋁合金， 紅色」金屬諸如銅、黃銅及青銅 312XP/發鴨明書(補件)/95-07/95109429 10 1273116 表3.研究的不銹鋼纖維 商品名 製造商 直徑 (// m) 塗層 Fibre Techno 1〇gy Ltd 50 M. GR Bekaert 8 tcV>_ 經珍杰酯 -^i^S]nejd BU Bekaert 8 益 Ll^iLlPoiMVB Bekaert 8 ί、、\ 無_ 一 八㈧、个 銹鋼材料。 在本說明書中使用EPDM彈性體作為範例。然而，彈性 ，亦可包括乙烯-α _烯烴彈性體；乙烯/丙烯酸系彈性 體，聚氯丁二烯橡膠；丙烯腈丁二烯橡膠；氫化丙烯腈丁 二烯橡膠；苯乙烯-丁二烯橡膠；烷化氯磺化聚乙烯；環 ^氯丙烷；聚丁二烯橡膠；天然橡膠；氯化聚乙烯；溴化 聚甲基苯乙烯-丁烯共聚物；苯乙烯_丁二烯_苯乙烯_嵌段 1聚物；苯乙烯-乙烯-丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物；丙歸 :系橡膠；乙烯乙酸乙烯酯彈性體；聚矽氧橡膠，及任何 前述材料之至少兩者之組合。 估混合性能之化合物配方

化合物(… 降至3_。表5顯示物性之比較。化合物⑻顯現較化1 分鐘户 312XP/發明說明書(補件)/95-07/95109429 π 1273116 物（A)不佳的性質。 表5 ·物性比較 性 質 A B 拉 伸 強 度 (P s 1 ) 2 4 9 7 .68 1240.77 伸 長 率 (% ) — 2 6 1. 0 0 6 6 7. 13 模 數 2 5°/〇 (P s 1 ) 162. 5 1 159. 6 7 模 數 5 0 % C P s 1 ) 2 9 6. 76 186. 5 3 模 數 1 0 0 % ( p s i ) 8 10. 45 2 2 8. 9 0 模 數 2 0 0 % ( p s i ) 2 0 18, .15 3 3 9. 4 3 撕 裂 強 度 (1 b/ i nl — 174. 12 123. 0 2 C s e t (2 ：2 小時@ 7 0 C ) 11·! 5 0 22. 5 0 損 失 重 (—F a 1 e x 試驗）（) 6. 7 7 15· 00 鲁所有以上的觀察顯示在橡膠與金屬纖維之間的相容性 相當差，其導致不良的混合行為及不良的化合物物性。 〈金屬彈性體相容性改良〉 為改良彈性體與金屬纖維之間的相容性，使用二曱基丙 稀酸鋅（ZDMA)(Sartomer Company，Inc.:商品名「Saret 634」）。ZDMA係一種熟知的橡膠—金屬黏合劑。將其使用 於此化合物中以改良彈性體基質與金屬纖維之間的相容 性。亦可將其他黏合劑使用於本發明之化合物中，其包括 鲁順丁烯二酸酐接枝聚烯烴、丙烯酸接枝聚烯烴、二丙烯酸 鋅、羧酸鈷、鍅酸鹽及鈦酸鹽。表6顯示用於此實施例中 之各化合物C、D、E的配方。僅有化合物（E)包含金屬纖 維’即 BEKI-Shield GR 。 312XP/發明說明書(補件)/95-07/95109429 12 1273116 表6.添加黏合劑

~~-—---—1- 6 4 0 -a'~~-- 聚乙二醇係於化合物~一一 >0/入… 用作加工助劑。氧化鈣(80重量 /〇含置）係用於防止化合物中 初中由於濕軋所致之孔隙度的乾 煉劑。 依照表3中之程序混合化合物。所有三種化合物皆混合 得相當良好且相當良好地結合在一起。圖i顯示在斷裂延 伸（伸長率在3GG%左右或高於3_下之化合物拉伸性 質。在此圖及其他圖中之「RT」係代表室溫，大約為^ C。於此化合物中使用金屬纖維並未顯著改良斷裂延伸。 然=，在25%、50%及職伸長率下之化合物延伸模數（圖 2)藉由使用金屬纖維（BEKI-Shield GR)而獲得顯著增加。 圖3顯示基於化合物撕裂強度的比較。可看到撕裂強度 經由使用金屬纖維BEK I -Sh i e 1 d GR而增加。然而，見圖 4，當與具有黏合劑之化合物比較時，化合物壓縮變形並 未受到不利影響。彈性體壓縮變形係彈性體對給定變形之 反應之彈性對黏性成分之比的量度。較長的聚合物鏈由於 改良的儲存能量之能力（彈性）而有產生較佳「抗變形性: 的傾向。大部分的彈性體壓縮變形測量標準皆需要2⑽原 3 UXP/發明說明書(補件)/95-07/95109429 13 1273116 t壓縮一段給定的時間及溫度。於移除負荷後測量截面。 淨性體I縮變形係未經回復之原㈣縮的百分m變 形可於圓柱形碟或η游ί班I»、社/ - _ 飞υ形銥上進仃。於自彈性體釋放負荷 後將最終尺寸與原始尺寸之間的差視為「壓縮變形」。 圖5顯不比較壓縮強度試驗的應力—應變曲線。可看 壓縮強度經由使用咖_Shleld GR而獲得改良， 於高應變值下。 ' ' 利用20碍之負荷在2〇〇rpm之摩擦速度下測試各化合物 的磨損性質。目6比較各化合物的失重。可看到具有黏人 劑的化合物⑻具有最高的失重。具有金屬纖維與黏合； 之組合的發明化合物（E)顯現最低的失重。 圖7顯示摩擦係數（⑽）之比較。可看到化合物⑻具有 最低的COF值，此與最低的失重一致。化合物③）具^最 高的COF，其會導致2000秒試驗期間之最高的失重'。圖^ 顯示6小時之試驗期間的試驗結果。在目8中觀察到與 7相同的趨勢。 基於前述結果’在化合物⑻中將金屬纖維 (BEKI_Shield GR)之量增加至 1〇〇phr，見表 7。 312XP/發明說明書(補件)/95_07/9510料29 14 Ϊ273116 屬纖維之量

F ££—里 碳里 5 0 50

|^H£IIFs ^Λ£^χ 63 ，圖9顯示延^ 下之延伸模數隨金屬纖維負载量值之二50%伸長』 在100%伸具玄 、 值之增加而增加。然而 顯著地:變長屬纖維負載量之增… 合物，之填料二：::= 加入至化人札山 月戟里忽回。換言之，习 之金屬纖維的量係視 定。舉例來筇，木从 丨了优5早性體分子量而 300,000克/莫耳1网咖 iUU，⑽0克/莫耳至大約 載量可自大約5。：之分子量的觸時’金屬纖維負 的物性。5他至大約㈣咖，同時仍可維持期望 圖10顯示來自表7之各種化合物（c 之壓縮試驗曲線的比 ）及（F) 旦>、， J有到金屬纖維（BEKI-Shielrl 、里增加使化合物的壓縮強度增加，見（E) 之曲線。 曰7 見及（F) 圖11顯示圖+ 中之各種化合物之摩捧係童 屬纖維負載量之擗加枯儿人^ 手^係數的比較。金 里〇日加使化合物的COF降低。异 合物（E)、（G)、（in 〇、 牛他表8顯示各化 〇〇'⑴之配方。各化合物間之差異係使 312ΧΡ/發明說明書(補件)/95-〇7/95丨〇9429 ^ I273116 用不同類型的金i纖維。5Qphr(每百份橡 之石旁數）之量使用。 不同金j纖維之評估

—J——二·…二 :~— Lu D . 4 ϋ—^ 現不同形態的Bekaert金屬纖維並不會顯著改變 經改良的化合物物性_化合物（E)、（〇)及（11)。然而，較大 直徑的金屬纖維（M〇446/10 )(化合物（I ))會使一些化合物 物性降低，例如，壓縮強度較對照化合物（D)(不具有金屬 纖維之化合物）低，見圖12。 圖13顯示化合物（E)及（1)之失重隨摩擦時間的變化。 化合物（E)的曲線斜率（每單位時間的失重）較低。 發明化合物較不含金屬纖維之彈性體材料提供較高的 模數、較高的壓縮強度、較高的撕裂強度及較佳的磨：性

質。增加金屬纖維之負載量值（直至1〇〇phr)可進一 + 良此等物性。 V 因此’本發明化合物包括許多優點。其包括改良的壓縮 強度、拉伸強度、疲勞強度、耐磨性、導電性、磁性質及 312XP/發明說明書(補件)/95-〇7/95109429 16 1273116 Ά傳Sb力。此部分表現在由金屬之特質與彈性體之可$ 之組合所獲致之顯著較長的磨損壽命上。 π紅! 生 本發明可使用於需要金屬之強度與彈性體之可栌 組合的應用中。皮帶傳動的無段變速系統二之 ⑶rUmuousb variable transmissi〇n)係—實例。’ 變速系統的主要組件係CVT皮帶，其必需能應付 滑輪施加於皮帶寬度上之沈重的側向負荷。CVT皮帶亦： 需於與滑輪刮齒接觸的皮帶側邊上具有相#高的耐$ 性。CVT皮帶亦必需充分良好地傳熱，以避免彈性體熱八 解。先前技藝的高負荷ατ皮帶包括彈性體帶與 ϋ :彈性體帶上之金屬夹。製造具有横向夹之皮帶係成= =的操作’且此-CVT皮帶的性能有限。由在橫向夹 帶側壁與滑輪刮齒之間之摩擦所產生的熱會導致彈性體 熱㈣且最終導致皮帶早期失效。本發明之化合物可產生 具间壓㈣度及於側邊上具高耐磨性以及具良好 性之經改良的CVT皮帶。 本發明化合物可應用的另一實例係交通工具的輪胎。高 才磨f生的化δ物可改良輪胎的耐磨性’即胎紋磨耗等級， 以及增加其他重要的機械性質諸如改良的拉伸、壓縮及疲 勞強度。 、 本=月化σ物及由其製得之產物亦可使用於其他汽車 =非Α車的應用中，包括，但不限於，動力傳送皮帶、軟 官、減振ϋ、振動隔絕器及避震器。換言之，本發明化合 物可使用於任何需要高強度、較高耐磨性、導電性、磁性 312ΧΡ/發明說明書(補件)/95-〇7/95丨〇9429 17 1273116 質及改良熱傳性質的彈性體或塑膠應用中。 雖然文中已說明本發明的形式，但熟悉技藝人士當明瞭 可不脫離文中說明之發明精神及範疇而就方法及構造及 相關部分進行變化。 【圖式簡單說明】 經倂入且構成說明書之一部分的附圖說明本發明之較 佳具體例，且其可連同說明一起闡述本發明之原理。 圖1顯示在斷裂延伸（伸長率在300%左右或高於3〇〇 ♦下之化合物拉伸性質。 圖2顯示經由使用金屬纖維而具有顯著增加之在25%、 50%及100%伸長率下之化合物延伸模數。 圖3顯示基於化合物撕裂強度的比較。 圖4係與具有黏合劑之化合物相比之化合物壓 的比較。 、 圖5顯示比較壓縮強度試驗的應力_應變曲線。 圖6比較三種化合物的失重。 • 圖7顯示摩擦係數（COF)之比較。 圖8顯示6小時之試驗耐用的試驗結果。 圖9顯示延伸模數之比較。 圖1〇顯示來自表7之各種化合物（c)、（D)、化）及 之壓縮試驗曲線的比較。 圖11顯示圖10中之各種化合物之摩擦係數的比較。 圖12顯示具較大直徑金屬纖維之材料的壓縮 照化合物（D)低。 又 τ 圖13顯示化合物⑻及⑴之失重隨摩擦時間的變化。 312ΧΡ/發明說明書(補件)/95-07/95109429 18

Claims (1)

1273116 十、申請專利範圍： 1 · 一種金屬彈性體化合物，包括： 彈性體，其分子量範圍大約為⑽，〇〇 300,000克/莫耳； 关升主大約 金屬纖維材料，包含複數個金屬纖維，其各具有長* (aspect rati〇）約大於i ;且 〆、 、見匕 該金屬纖維材料係以範圍在5Gphr至 彈性體混合。 、里铃该 2·如申請專利範圍第i項之金屬彈性體化合物， 該長寬比範圍係在1 : 1至大約6000 ·· i ;且八. :亥金：纖維材料於該化合物中之用量大約軸*。 .口申4專利範圍们項之金屬彈性體 步包括選自包括下列之群的黏合劑:順丁稀接：： 烯烴、丙烯酸接枝聚烯烴、二丙烯酸鋅、二 枝艰 羧酸鈷、鍅酸鹽、鈦酸鹽或前述 ;"、酸鋅、 組合。 、初貝之兩種或兩種以上的 4·如申請專利範圍第丨項之金屬彈性體化 金屬纖維材㈣選自包括下列 D /、中该 碳鋼、合金鋼、紹、紹合金、銅、黃:=低:鋼、高 鋅、錫1、鈒、鈦及英高鎳（lncone月乂銅、錦、鉻、 種或兩種以上的組合。 ）及則述材料之兩 5.如申請專利範圍第！項之金屬 彈性體係選自包括下列之群：乙烯—匕。物，其中該 /丙烯酸系彈性體、聚氯丁二烯橡 ：彈性體、乙烯 ^腈丁二烯橡膠、 312ΧΡ/發明 g兌明書(補件)/95_q*7/95 109429 19 1273116 ==腈丁二稀橡膠、苯乙稀-丁二稀橡膠、烧化氯續 “細、環氧氯丙烧、聚丁二烯 t、崎甲基娜、苯；^二 —二:：編、苯乙稀~乙稀-丁二稀-苯乙稀嵌段 :…物两烯酉夂系橡膠、乙烯乙酸 橡膠及前述材料之任何兩者之組合。 步2申請專利範圍第1項之金屬彈性體化合物，其進一 金屬粉末材料’其中該金屬粉末 金鋼、叙Γί 不鎮鋼、低碳鋼、高碳鋼、合 、呂口金、銅、黃銅及青銅、錄、鉻、鋅、錫、 合；且凡、鈦及英高鎳及前述材料之兩種或兩種以上的組 該金屬粉末材料具有長寬比大約為卜 八遥4申°月專利範圍第6項之金屬彈性體化合物，Α中兮 =末材料對金屬纖維材料之重量比範圍係在零至： 8·如申請專利範圍第1 質數量的該等金屬纖維實 9·如申請專利範圍第8 質數量的該等金屬纖維實 項之金屬彈性體化合物，其中實 貝上係彼此平行。 項之金屬彈性體化合物，其中實 質上係彼此平行。 312ΧΡ/發明說明書(補件)/95·〇7/95ι〇9429 20