CN103998652A - 包括含氟聚合物表面与非氟化聚合物过渡层的多层复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了轴承制品，可以包括具有青铜层的金属基底；PEEK层；覆盖并渗透所述PEEK层的PTFE组合物层。本发明公开了用于制备轴承制品的方法，可以包括提供具有烧结的青铜层的金属基底，将非氟化聚合物静电喷涂到所述金属基底上，接着将氟化聚合物喷涂到所述非氟化聚合物上，并热轧以形成层压材料。

Description

包括含氟聚合物表面与非氟化聚合物过渡层的多层复合材料

技术领域

本公开涉及包含金属载体、直接施加于其上的包含非氟化热塑性塑料的过渡层和可以充当施加到过渡层上的滑动层的氟化聚合物的层压材料。

背景技术

包含具有金属载体材料、中间层和施加于其上的滑动层的层结构的层压材料在现有技术中早已以多种形式为人所知，并用于多个技术领域，例如在汽车工程领域中。

对于滑动轴承，尤其是常规轴承材料，由PTFE化合物材料组成的滑动层依次施加到中间层上。在该滑动轴承材料中，该中间层(其具有将滑动层牢固粘接到载体材料上的功能)仅仅是由青铜粒子烧结的青铜层。但是，该方法因多种原因而存在问题，包括层压材料产品的性能限制和无法确保PTFE与载体材料之间的组合。因此，始终需要用于诸如滑动轴承的应用的改善的层压材料。

因此，有利的是能够制造具有金属载体与滑动层的强粘合性的层压材料。

发明内容

在一方面，轴承制品可以包括金属基底。该金属基底可以包括青铜层。该轴承制品可以进一步包括聚醚醚酮(PEEK)层。聚四氟乙烯(PTFE)组合物层可以覆盖并渗透该PEEK层。

在另一方面，形成层压材料的方法包括提供金属基底。该方法可以包括预热该金属基底。该方法可以包括用热塑性粉末静电喷涂该金属基底以形成过渡层。该热塑性粉末可以包括非氟化热塑性粉末。该方法可以包括用第二热塑性粉末喷涂该过渡层。该第二热塑性粉末可以包括氟化热塑性粉末。

在另一方面，形成轴承制品的方法可以包括提供金属基底。该方法可以包括用青铜层烧结该金属基底。该方法可以进一步包括预热该金属基底。该方法可以包括用聚醚醚酮静电喷涂该金属基底以形成过渡层。该方法可以包括用热塑性粉末喷涂该过渡层。该热塑性粉末可以包括氟化热塑性粉末。

附图说明

通过参考附图可以更好地理解本公开，其许多特征和优点对本领域技术人员变得显而易见。

图1以截面视图显示了示例性滑动轴承；和

图2显示了用于形成层压材料的方法。

不同附图中使用相同的附图标记显示类似或相同的项目。

具体实施方式

在一个实施方案中，轴承制品可以包括金属基底、青铜层和聚醚醚酮(PEEK)层。聚四氟乙烯(PTFE)组合物层可以覆盖并渗透该PEEK层。

在一个实施方案中，包括青铜层的金属基底可以具有至少大约1微米、如至少大约2微米或大约5微米、至少大约10微米或甚至至少大约100微米的表面粗糙度。该金属基底的表面粗糙度可以不大于大约200微米，如不大于大约150微米、不大于大约100微米或甚至不大于大约80微米。

在一个实施方案中，该青铜层可以用青铜粒子烧结。

在另一个实施方案中，该轴承制品包括厚度为至少大约10微米、如至少大约20微米、至少大约30微米、至少大约50微米或至少大约70微米的PEEK层。在另一个实施方案中，该轴承制品包括厚度为不大于大约500微米、如不大于大约400微米、不大于大约300微米、不大于大约200微米、不大于180微米或不大于大约150微米的PEEK层。

在另一个实施方案中，该轴承制品包括PEEK层，其中该PEEK层是多孔的。孔隙率(孔隙体积对PEEK层总体积的比)可以为至少大约0.05，如至少大约0.1或至少大约0.2。该孔隙率可以不大于大约0.8，如不大于大约0.7，或不大于大约0.5。

在一个实施方案中，该轴承制品包括厚度为至少大约10微米、如至少大约20微米、至少大约30微米、至少大约50微米或至少大约70微米的PTFE组合物层。在另一个实施方案中，该轴承制品包括厚度为不大于大约500微米、如不大于大约400微米、不大于大约300微米、不大于大约200微米、不大于180微米或不大于大约150微米的PTFE组合物层。

在一个实施方案中，该轴承制品以组合的聚合物层(即PEEK层与PTFE组合物层的组合)的至少大约10体积％、如至少大约20体积％、至少大约40体积％或至少大约50体积％的量包括PEEK。在另一个实施方案中，该轴承制品以组合的层(即PEEK层与PTFE组合物层的组合)的不大于大约80体积％、如不大于大约70体积％、不大于大约60体积％或不大于大约50体积％的量包括PEEK层。

在又一个实施方案中，该轴承制品具有进一步包括填料的PTFE组合物层。该填料可以包括纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺、无机材料、陶瓷材料、碳、玻璃、石墨、氧化铝、硫化钼、青铜、碳化硅、织造织物、粉末、球体、热塑性材料、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、聚亚苯基砜(PPSO2)、液晶聚合物(LCP)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、芳族聚酯(Ekonol)、矿物材料、硅灰石、硫酸钡或其任意组合。

在一个实施方案中，形成层压材料的方法可以包括提供金属基底；预热该金属基底；用非氟化热塑性粉末静电喷涂该金属基底以形成过渡层。该方法可以进一步包括用氟化热塑性粉末喷涂该过渡层以形成化合物层。

在另一个实施方案中，该方法可以进一步包括热轧该过渡层。在另一个实施方案中，该方法可以包括热压该过渡层。

在一个实施方案中，该金属基底包括烧结层。在另一个实施方案中，该金属基底包括青铜层。在一个特定实施方案中，该金属基底包括烧结青铜层。

在一个实施方案中，预热该金属基底包括在至少大约25℃、如至少大约30℃、至少大约40℃或至少大约60℃的温度下预热。在另一个实施方案中，预热该金属基底包括在不大于大约125℃、如不大于大约100℃、不大于大约90℃或不大于大约80℃的温度下预热。在一个特定实施方案中，预热该金属基底包括在25℃至100℃的温度下预热。

在一个实施方案中，该方法包括用非氟化热塑性粉末静电喷涂该金属基底以形成过渡层至至少大约10微米、如至少大约20微米、至少大约30微米、至少大约50微米或至少大约70微米的厚度。

非氟化粉末可以具有至少大约1微米、如至少大约2微米、至少大约5微米或甚至大约10微米的平均粒度。在另一个实施方案中，该非氟化粉末可以具有不大于大约100微米、如不大于大约80微米、不大于大约60微米或甚至不大于大约40微米的平均粒度。

在另一个实施方案中，该方法包括用非氟化热塑性粉末静电喷涂该金属基底以形成过渡层至不大于大约500微米、如不大于大约400微米、不大于大约300微米、不大于大约200微米、不大于180微米或不大于大约150微米的厚度。

在一个实施方案中，用非氟化热塑性粉末静电喷涂该金属基底可以包括选自聚醚醚酮(PEEK)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)、聚酰胺酰亚胺(PAI)或其任意组合的热塑性粉末。

在一个实施方案中，喷涂该过渡层包括用氟化热塑性粉末喷涂该过渡层。该氟化热塑性粉末可以包括聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、氟化乙烯-丙烯(FEP)、聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)或其任意组合。

在另一个实施方案中，喷涂该过渡层包括用氟化热塑性粉末静电喷涂该过渡层。

在另一个实施方案中，该方法可以进一步包括热轧该化合物层。在另一个实施方案中，该方法可以包括热压该化合物层。

在一个实施方案中，形成轴承制品的方法包括提供金属基底，用青铜层烧结该金属基底，预热该金属基底，用聚醚醚酮静电喷涂该金属基底以形成过渡层。该方法可以进一步包括用氟化热塑性粉末喷涂该过渡层以形成化合物层。

在一个实施方案中，该方法包括热轧该化合物层。

如关于形成层压材料的方法在上文所讨论的那样，在该方法中预热该金属基底包括在至少大约25℃、如至少大约30℃、至少大约40℃或至少大约60℃的温度下预热。在另一个实施方案中，预热该金属基底包括在不大于大约125℃、如不大于大约100℃、不大于大约90℃或不大于大约80℃的温度下预热。在一个特定实施方案中，预热该金属基底包括在25℃至100℃的温度下预热。

在一个实施方案中，该过渡层具有至少大约10微米、如至少大约20微米、至少大约30微米、至少大约50微米或至少大约70微米的厚度。在另一个实施方案中，该过渡层具有不大于大约500微米、如不大于大约400微米、不大于大约300微米、不大于大约200微米、不大于180微米或不大于大约150微米的厚度。

该氟化热塑性粉末包括聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、氟化乙烯-丙烯(FEP)、聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)或其任意组合。

在一个实施方案中，该过渡层与该化合物层具有至少大约20微米、如至少大约40微米、至少大约80微米或至少大约100微米的组合厚度。在另一个实施方案中，该组合厚度为不大于大约1毫米，如不大于大约500微米或不大于大约300微米。

实施例

高性能非氟化聚合物如PEEK具有有利的性质如耐化学腐蚀性、电绝缘性、自润滑性或对应力的耐久性。氟化聚合物如PTFE具有有利的性质如耐化学腐蚀性、耐热性和低摩擦性。

图1以截面视图显示了一种示例性层压材料。层102描述了覆盖并渗透层104的PTFE。层104由PEEK组成，围绕并覆盖元件106和背衬108。元件106是烧结到金属背衬108上的青铜粒子。

图2显示了用于形成层压材料的示例性方法。用PEEK粉末204喷涂包括经由烧结到该金属表面的表面上的青铜粒子粗糙化的表面的金属基底202。该喷涂经由能够静电喷涂的设备206进行。静电喷涂产生多孔PEEK层214。该多孔PEEK层214可以施加至任何所需厚度。施加的PEEK的量可以依赖于诸如粘接到该金属背衬上的所需强度的性质或其它性质例如电绝缘性(这可能需要更厚的层)得出。在喷涂该PEEK层后，通过刮板208平整该PEEK层。接着，由敷料器210将PTFE化合物粉末212施加到该多孔PEEK层214上。该PTFE化合物可以包括单一的PTFE聚合物或PTFE与另一种聚合物、填料、表面剂、软化剂、增塑剂或任何其它有益试剂的混合物。

该PTFE化合物层可以施加至任何所需厚度，这取决于其商业目的。该PTFE化合物层可以喷涂到该多孔PEEK层上。例如，该PTFE也可以电喷涂。还考虑可以如图2中所示依次、同时(未显示在图2中)或部分同时(未显示在图2中)喷涂PEEK和PTFE，即存在喷涂PEEK时的阶段、施加PEEK和PTFE时的阶段和施加PTFE时的阶段。

在施加该PTFE化合物粉末时，该组件承受压力和/或热处理。如图2中所示，该组件可以通过辊216压制。在另一个实施方案中，辊216也可以加热，由此压延该组件。可以用加热器218施加热220。任选地，在热处理后，可以通过辊220压制或压延该组件以形成化合物层224。在其它未显示在图2中的实施方案中，该组件可以承受冷轧，并随后进行聚合物或塑料烧结。

实施例1

将平均粒度为大约20微米的PEEK电喷涂到青铜烧结的钢基底上。随后，施加PTFE化合物材料。该PTFE化合物材料包括PTFE粉末、石墨和二硫化钼。该PTFE粉末具有40微米的平均粒度，该石墨具有1微米至7微米的粒度。二硫化钼具有大约3微米的平均粒度。

轧制该层压材料以实现1毫米的层压材料厚度，随后该层压材料在370℃下烧结2小时，接着在200℃下加热。

根据China Standard GB3960-83使用Instrument Tribometer MA2000进行摩擦测试。测试条件包括200N的载荷，旋转速度：200rpm。表1总结了具有和不具有PEEK层的层压材料的结果。在2小时摩擦测试后，在不具有PEEK层的层压材料上金属背衬变得可见，而具有PEEK层的层压材料在表面上仍具有塑料。

表1

如表1中所示，含有电喷涂的PEEK层的该层压材料与不含有PEEK层的样品相比具有更低的测试过程中的摩擦系数和更低的失重。此外，具有PEEK的样品的磨痕宽度小于不具有PEEK。

层压材料或滑动轴承可以以非常大量的非常不同的形状与尺寸制备。最小的轴承，也称为超微型(pico)轴承，高度仅有几微米，与之相比，用于其它用途的轴承高度可以高达500毫米。

由本文中讨论的层压材料制成的滑动轴承可以包括平面轴承、环形轴承、轴衬、球窝接头轴承(半球)、滑动轴承、支撑轴承、推力轴承、线性轴承、轴瓦、轴承外圈及其组合。

有利的是该轴承是免维护的、术语“免维护”描述了如早期车门轴承的情况那样无需润滑的轴承。但是，免维护轴承的寿命超过并入这些轴承的产品的平均寿命或用于相同目的的常规轴承的寿命。

滑动轴承应用于由重金属行业到汽车和自行车行业、笔记本电脑/移动电话铰链、用于太阳能应用的轴承及更多的多个工业行业。

注意，在一般描述或实施例中并非所有上述活动均是必要的，一部分特定活性可能并不要求，除了描述的这些之外可以进行一项或多项其它活动。此外，列举的活动的次序并不一定是实施它们的次序。

在上述说明书中已经参照特定实施方案描述了这些概念。但是，本领域普通技术人员理解可以在不离开下文权利要求书所记载的本发明范围的情况下进行各种修改和变化。因此，说明书和附图仅视为说明性的，而不是限制性的，并且本发明的范围意在包括所有此类修改。

本文中所用的术语“包含”、“含有”、“包括”、“囊括”、“具有”、“有”或其任何其它变体意在覆盖非排它性的包括。例如，包含特征列表的工艺、方法、制品或设备不必仅限于这些特征，而是可以包括未明确列举的其它特征或此类工艺、方法、制品或设备所固有的其它特征。此外，除非明确相反地说明，“或”指的是包含性的“或”而不是排它性的“或”。例如，通过下列任意一种满足条件A或B：A是真实的(或存在)且B为虚假的(或不存在)，A是虚假的(或不存在)且B是真实的(或存在)，且A和B均是真实的(或存在)。

同样，使用“一个”或“一种”来描述本文中所述的元素和组分。这仅仅是为了方便并给出本发明的范围的一般含义。这种描述应理解为包括一种或至少一种，并且该单数还包括复数，除非其明显另有所指。

上文中已就特定实施方案描述了益处、其它优点和问题的解决方案。但是，益处、优点、问题的解决方案和可以使任何益处、优点或解决方案产生或变得更为显著的任何特征不应解释为任何或所有权利要求的关键的、必要的或基本特征。

在阅读说明书后，本领域技术人员将理解，某些特征为清楚起见在本文中在单独的实施方案中描述，也可以在单个实施方案中组合提供。相反，为简化起见在单一实施方案中描述的各种特征也可以单独地提供或以任何子组合提供。此外，提到以范围描述的值包括该范围内的各个和每一数值。

Claims (32)

1.一种形成层压材料的方法，所述方法包括：

提供金属基底；

用非氟化热塑性粉末静电喷涂所述金属基底以形成过渡层；

用氟化热塑性粉末喷涂所述过渡层以形成化合物层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中金属基底包括烧结层。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述烧结层用青铜粒子烧结。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，进一步包括预热所述金属基底。

5.根据权利要求4所述的方法，其中预热所述金属基底包括在25℃至100℃预热。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述过渡层具有至少大约10微米、如至少约30微米或至少约70微米的厚度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述厚度为不大于约500微米，如不大于约300微米、不大于约180微米或不大于约150微米。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述过渡层的所述喷涂包括用氟化热塑性粉末静电喷涂所述过渡层。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述非氟化热塑性粉末选自聚醚醚酮(PEEK)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)、聚酰胺酰亚胺(PAI)或其任意组合。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述氟化热塑性粉末选自聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、氟化乙烯-丙烯(FEP)、聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)或其任意组合。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，进一步包括压延所述化合物层，加热所述化合物层，压制所述化合物层或其任意组合。

12.一种轴承制品，包含：

具有青铜层的金属基底；

PEEK层；

覆盖并渗透所述PEEK层的PTFE组合物层。

13.根据权利要求12所述的轴承制品，其中所述PEEK层具有至少大约10微米、如至少大约30微米或至少大约70微米的厚度。

14.根据权利要求13所述的轴承制品，其中所述PEEK层具有不大于约500微米、如不大于约300微米、不大于180微米或不大于约150微米的厚度。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的轴承制品，其中所述PTFE组合物层具有至少约10微米、如至少约30微米或至少约70微米的厚度。

16.根据权利要求15所述的轴承制品，其中所述PTFE组合物层具有不大于约500微米、如不大于约300微米、不大于180微米或不大于约150微米的厚度。

17.根据权利要求12所述的轴承制品，其中所述PEEK层构成所述PEEK层与所述PTFE组合物层的组合的至少约10体积％，如至少约40体积％或至少约50体积％。

18.根据权利要求17所述的轴承制品，其中所述PEEK层构成所述组合的层的不大于约80体积％，如不大于约60体积％或不大于约50体积％。

19.根据权利要求12或16所述的轴承制品，其中所述PTFE组合物层进一步包括填料。

20.根据权利要求19所述的轴承制品，其中所述填料选自纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺、无机材料、陶瓷材料、碳、玻璃、石墨、氧化铝、硫化钼、青铜、碳化硅、织造织物、粉末、球体、热塑性材料、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、聚亚苯基砜(PPSO2)、液晶聚合物(LCP)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、芳族聚酯(Ekonol)、矿物材料、硅灰石、硫酸钡或其任意组合。

21.根据权利要求12所述的轴承制品，其中所述青铜层具有至少约1微米、至少约5微米、至少约10微米或至少约100微米的表面粗糙度。

22.根据权利要求21所述的轴承制品，其中所述表面粗糙度不大于约200微米，如不大于约100微米或不大于约80微米。

23.根据权利要求12或22所述的轴承制品，其中所述青铜层由青铜粒子烧结。

24.一种形成轴承制品的方法，所述方法包括：

提供金属基底；

用青铜层烧结所述金属基底；

用聚醚醚酮静电喷涂所述金属基底以形成过渡层；

用氟化热塑性粉末喷涂所述过渡层以形成化合物层。

25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括预热所述金属基底。

26.根据权利要求25所述的方法，其中预热所述金属基底包括在25℃至100℃预热。

27.根据权利要求24至26中任一项所述的方法，其中所述过渡层具有至少约10微米、如至少约30微米或至少约70微米的厚度。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述厚度不大于约500微米，如不大于约200微米、不大于180微米或不大于约150微米。

29.根据权利要求24所述的方法，其中所述氟化热塑性粉末选自聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、氟化乙烯-丙烯(FEP)、聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)或其任意组合。

30.根据权利要求24或29所述的方法，其中所述过渡层与所述化合物层具有至少约20微米、如至少约40微米或至少约80微米的组合厚度。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述组合厚度不大于约1毫米，如不大于约500微米或不大于约300微米。

32.根据权利要求24或29所述的方法，进一步包括压延所述化合物层，加热所述化合物层，压制所述化合物层或其任意组合。