JP2002542391A - 液晶ポリマーコーティングの方法 - Google Patents

液晶ポリマーコーティングの方法

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JP2002542391A JP2000599517A JP2000599517A JP2002542391A JP 2002542391 A JP2002542391 A JP 2002542391A JP 2000599517 A JP2000599517 A JP 2000599517A JP 2000599517 A JP2000599517 A JP 2000599517A JP 2002542391 A JP2002542391 A JP 2002542391A
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ジェイムズ エイ． クラーク
カーミン パシアニ
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ノースロップ グラマン コーポレーション
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    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/02—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying
    • B05D1/08—Flame spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

(57)【要約】 コンポジット若しくは金属構造体の表面（１４）上にサーモトロピック液晶ポリマー粒子をプラスマ溶射する。本プラスマ溶射法は、通常の直流電子アークプラスマ溶射ガン（１２）を用いて、不活性ガスを導入して渦流を形成し、例外的に14000゜Ｋよりも高温の回転プラスマ炎として放出させる。液晶ポリマー粒子は、溶解して、目標表面（１４）上に推進力によって放射される。好ましくは、目標表面（１４）は、予加熱され、溶解した粒子が堆積されて冷却され、所望の厚さの積み重ね体を形成する。冷却は、約200゜Ｆから500゜Ｆの間の温度まで堆積体をポスト加熱することによって制御される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、コーティング基板、例えば先端複合構造材料、アルミニウム、チタ
ン、鋼等への新規なコーティング方法に関する。該コーティングは、酸化、湿気
、浸食、汚れ、塩害、摩耗、紫外線照射、衝撃、過酷な温度及び化学作用によっ
て生じる損傷を防止若しくは遅延させる。基板の表面、特に船舶、軍用及び商用
の航空機の構造材料は、上記原因によって、重大な損傷及び劣化を生じることを
経験している。したがって、損傷の防止や頻繁な補修や部品交換を回避するため
の保護が必要である。
【０００２】
【従来の技術】
上述した原因のうちの少なくとも１つ以上を防止若しくは低減させる表面への
塗布に適した多種多様な保護コーティングが公知である。かかる幾つかのコーテ
ィングは、金属表面のみに接着可能であって、及び／又は、上述した特定の要因
のみによって生じる損傷からの保護を与える。また、多くのこの種のコーティン
グは、環境的、且つ、物理的に危険とされる揮発性有機溶媒若しくは媒質によっ
て塗布され、及び／または、クロム、カドミウム、鉛等の重金属や、同様に危険
であって好ましからざるものを含む。この種のコーティングのほとんどは、修復
が不可能であって、及び／または、燃料を供給された航空機や電子機器のハウジ
ング等の如く、動作状態では使用することのできない塗布温度を必要とする。
【０００３】 米国特許第5,530,050号は、タービンシュラウド、コンプレッサのハウジング
やシール上に被削性コーティングを形成するための熱溶射粉末コーティング材を
開示するものとして参照される。この粉状組成物は、セラミックコーティングさ
れたプラスチックコア粒子を重量で１から20%、ジルコニアを重量で80から99%含
む。かかるプラスチックコアは、液晶ポリマーを含む耐熱プラスチックの多種多
様な異なるタイプのいずれか１つからなることができる。また、この組成物は、
１つ以上の熱溶射ガンを使用して、目標表面上へ溶射されて被削性コーティング
を形成し、かかるコーティングは、優れた高温特性を有することのみが開示され
ている。
【０００４】 米国特許第5,216,092号及び第5,296,542号は、芳香族ポリエステルを含む液晶
ポリマーのブレンドからなる押し出し溶融樹脂組成物を開示するものとして参照
される。 米国特許第5,019,686号は、基板上に粉末状若しくは微粒子状のコーティング
材を溶射して、高密度のコーティングを形成する高速ガスプラスマを用いたプラ
スマ溶射法を含む公知の熱溶射デバイス及び技法を開示するものとして参照され
る。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、サーモトロピック液体の結晶性ポリマーを基礎とする高度な微粒子
重合体組成物とプラスマ溶射との特徴的な組合せを含み、コンポジット及び金属
構造体の表面の耐久性を強化する、極めて優れた能力を達成する。また、厳しい
環境下において、かかる構造体の動作特性を高めるとともに、維持費を減じ、寿
命を延長し、更に、最も一般的なコーティングに関連する有害なゴミを減じる。
本発明は、上記範囲における複合材（コンポジット）ラミネートの性能特性を改
善し、この種のラミネートの使用は、より重い金属構造体の代替品として、媒質
及び他のボディの重さを減じる。
【０００６】 現在のプラスマ溶射による熱処理法において使用される最新の微粒子重合体組
成物は、約300℃以上の融点を有する芳香族コポリエステル、コポリエステルア
ミド、多数のモノマー全芳香族ポリエステル及び類似の液晶熱可塑性ポリマーか
らなる高融点熱可塑性物質液晶ポリマーであって、且つ、それらは、他の公知の
重合体材料と比較して、湿度及び酸素に例外的に影響されない。
【０００７】 本発明によるプラスマ溶射法は、従来の直流アークプラスマ溶射ガンを１つ使
用し、不活性プラスマガスをかかるガンの内部に導入して、陰極及び出口陽極ノ
ズルの間で渦流を生じさせる。更に、非常に高温の回転プラスマ炎として放出さ
せて、微粒子液晶ポリマーが溶解して及び目標表面上へ推進力によって放出され
、かかる位置で溶融した粒子が堆積して冷却され、所望の厚さの積み上げ体を形
成する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本方法において使用される物理的に液晶であるポリマー組成物は、高融点の熱
可塑性ポリマーである。 ＬＣＰは、溶融相での棒状微細構造によって他のプラスチックと区別される。
他の樹脂は、溶融相の分子をランダムに配向させたものであるが、ＬＣＰが溶け
るときに、それらの長く且つ剛性の高い分子が多くの特徴的な形態を生じて、高
次元形態に整列配置し得るものである。これらは、低い結晶化熱、非常に高い流
動性且つ顕著な溶融強度を含む。かかる分子構造は、特性及び処理特性において
、ＬＣＰが最も明瞭に分離されたポリマーカテゴリとみなされるような影響を及
ぼす。
【０００９】 ここで、２種類の利用可能な液晶ポリマー、すなわち、リオトロピックアラミ
ド及びサーモトロピック芳香族コポリエステルが存在する。リオトロピックアラ
ミドは、溶液、例えばケブラーから処理される。サーモトロピックコポリエステ
ルは、溶融状態から処理されて、熱溶射処理に適する。 Vectra ＬＣＰ芳香族ポリエステルポリマーは、溶融状態においてサーモトロ
ピックであって、流動容易である。Vectra ＬＣＰのこれらの及び他の特徴的な
特性は、熱プラスマ溶射に理想的である。
【００１０】 本方法に使用される適切な液晶芳香族ポリエステルポリマーは、米国特許第5,
216,092号及び第5,296,542号に開示されている材料を含み、これらの開示は、引
用によって本願明細書に包含されるものとする。このポリマーは、30から70ミク
ロンの範囲内の平均粒子サイズを有する微粒子原料の形で使用される。全てのこ
の種のＬＣＰポリマーは、300℃よりも高い融点を有しており、酸素及び水蒸気
にほとんど影響を受けない。すなわち、ASTM D1434に従って、230℃、80%の相対
湿度で計測したときに、それらは約0.1cm3-mil/100in2-day-atm以下の酸素透過
値を有し、且つ、ASTM E96に従って、水蒸気伝送は、0.1g-mil/100 in2-day @10
0%RH以下を示す。
【００１１】 本方法によれば、微粒子ＬＣＰは、酸化、湿度、浸食、汚れ、塩害、摩耗、紫
外線放射、衝撃、熱サイクル、腐食及び／または他の力による実質的な損傷や劣
化を問題とする船体や軍事若しくは商用航空機の構造体の如き、コンポジット若
しくは金属基板の表面上にプラスマ溶射されて、これを保護する。 従来のプラスマ溶射ガンは、溶射速度、火炎及び基板の温度、圧力ガン角度、
位置及びトラバース速度及び30-50ミクロンサイズでのＬＣＰ粒子の形を含む主
なパラメータの全てを制御していた。基板材料、粒度組成（texture）及び温度
は、プロセスの詳細に影響を与えるプロセス変数である故、基板の伝熱速度は、
その熱の付加の状態によって、コーティングの制御された冷却を防止若しくは遅
延させることができる。
【００１２】 したがって、本発明の好適な実施例に従って、予熱熱溶射ガンがプラスマ溶射
ガンのパスの前に取り付けられて、ＬＣＰコーティングの塗布に先立って、直前
に加熱不活性ガスで約300゜Ｆから600゜Ｆの間の温度に基板を予加熱する。さら
に、ポスト加熱熱溶射ガンは、プラスマ溶射ガンのパスの下流に取り付けられて
、コーティングの冷却速度を規制することを目的に、塗布後直ちに加熱不活性ガ
スを塗布されたＬＣＰコーティングに与えるポスト加熱を行う。予加熱及びポス
ト加熱温度は、制御することができて、基板の性質に依存する場合には、塗布さ
れたＬＣＰコーティングに均一な冷却速度を与えるためには基板の性質のそれぞ
れにおいて制御する。選択されたＬＣＰ材料及び基板材料の特性によっては、予
熱及び／またはポスト加熱熱溶射ガンは必要ではない。
【００１３】 図１を参照して、装置10は、予熱熱溶射ガン11、プラスマ溶射ガン12及びポス
ト加熱熱溶射ガン13の配列からなり、各々は、基板14の被覆される目標表面15と
、予め定められた距離「d」で据え付けられている。基板14及び装置10は、図１
の矢印によって示される方向に相対的に移動自在に支持されており、故に、各々
のガンは、共通のパスに沿って基板表面15に対して放出されて、パスの上流部を
予加熱して、コーティング16を含む予加熱された表面をプラスマ溶射し、そして
、その冷却を遅延し、規制するためにコーティング16をポスト加熱する。
【００１４】 周囲の状態を制御することで、十分なプラスマ溶射コーティングをほとんどの
基板に与えることが出来て、基板上のＬＣＰコーティングの加熱及び冷却速度を
規制することにより、熱溶射ガン11及び13なしで、図１の装置が１つのプラスマ
溶射ガン12だけからなり得ると理解されなければならない。 図１のプラスマ溶射ガン12は、ハウジング17を冷却する水冷ジャケット18と、
銅陽極からなる環状ノズル19とを与えられた外側バレルハウジング17を有する従
来と同様の同軸のガンである。ガン12の内側バレル20は、中空ボア21及びアウタ
ー環状トリエテッドタングステン陰極22を有する。ハウジング17の内部表面及び
バレル20の外部表面の間の環状通路23は、渦流ノズル19としてプラスマガスを導
入するように設計されており、ＤＣパワー陽極と陰極間に電磁アークを発してプ
ラスマ炎24を射出する。ＬＣＰ粒子は、プラスマ炎24の渦流の中に放出されるよ
うに予め定められた供給速度で口径21に導かれる。プラスマ炎は、40キロワット
で動作する典型的なＤＣトーチにおける約14000゜Ｋ以上の温度を有する。プラ
スマ温度は、陽極ノズル19の出口から急速に低下し、故に、ＬＣＰは、炎の最も
高温の部分に導かれる。炎は、ガスの渦流モーメントによって軸方向に渦巻き、
溶融し、基板14の表面15に向けて溶融したＬＣＰ粒子を射出する。ここで、粒子
は冷却され、多くのこのような粒子の堆積が繰り返されて堆積体が積み重ねられ
、保護コーティング16を形成する。
【００１５】 図１で例示される好適な実施例において、装置10は、基板14の表面15に対して
、被加熱ガス流を生じさせるための一対の熱溶射ガン11及び13を具備して、各々
のプラスマコーティング溶射に先立って、予め定められた温度、例えば約300゜
Ｆから600゜Ｆの間の温度に表面15若しくはコーティング16を予加熱する。そし
て、各々塗布した後に約200゜Ｆから500゜Ｆの間の温度にコーティング16をポス
ト加熱し、それぞれ冷却を規制する。熱溶射ガンは、実質的に同一であるが、そ
れに対して供給されるガス組成物及びガス流速度を規制して、個々の温度調節を
目的とする。
【００１６】 熱溶射ガン11及び13は、各々、収斂ノズル部分26を有するアウターハウジング
25、及びボア28を有する内部同軸バレル27からなる。不活性ガス（アルゴン）は
、予め定められた供給速度でハウジング25及びバレル27の間の環状ボア29に供給
され、且つ、水素の如き、酸化可能なエンタルピー強化ガスが毎分１リットルの
供給速度でバレルボア28に供給される。点火されたノズル26で、可燃性混合物を
生じて、基板表面15及びコーティング16に対して被加熱ガスを与えて熱ガス炎30
を形成する。
【００１７】 塗布されたコーティング16の厚みは、同じパス若しくは基板の領域に亘ってプ
ラスマ溶射ガン12を繰り返すパスの回数によって主として支配され、コーティン
グ16内の気孔率は、コーティング温度、基板表面の性質及びＬＣＰ材料の選択に
依存する。一般的に、厚さは５から15milの間である。 コンポジット構造体の表面に本プラスマ溶射液晶ポリマー組成物を塗布した、
例えば航空機の操縦面は、エポキシ樹脂シンタクチックフィルムミニサンドイッ
チ若しくは、グラファイト繊維ファブリックエポキシスキンを含む。且つ従来の
ファスナーをも含むラミネートは、コンポジット表面上に液晶ポリマーの平らな
表面コーティングを形成するが、ファスナーは、視覚的に発見される剥離若しく
はその他の欠陥を生じることがない。コートされたコンポジットは、全くクラッ
クを生じることなく、１インチ歪み当たり6000マイクロインチの繰り返し疲労を
受け、350゜Ｆでの加速度劣化試験でも劣化することのないことを課題とされた
。
【００１８】 本発明の好適な実施例が詳細に開示されると共に、本明細書に記載されて、請
求の範囲に定義される如く、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、多様
な他の修正が図示された実施例からなされることは、当業者によって理解される
であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 予熱及びポスト加熱熱溶射ガンをプラスマ溶射ガンとした本発明の好
適な実施例によるコンポジット基板表面上へ溶融した微粒子保護層を堆積させる
ステップにおけるプラスマ溶射ガン装置の断面図である。
【手続補正書】特許協力条約第１９条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月２７日（２０００．４．２７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パシアニ カーミン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 11763 メッドフォード ブルーリッジドライブ 726 Ｆターム(参考） 4D075 AA18 AA86 BB18Z CA04 CA06 CA18 CA32 CA33 CA34 CA47 DA06 DB02 DB07 DC08 EA15 EB35 EB44 4K044 AA01 BA21 BB01 BC02 CA15 CA24 CA44

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 使用時にエロージョン若しくはコロージョンを生じ易い基板の表
    面に保護コーティングを施す方法であって、 約300℃よりも高い融点を有し且つ湿気及び酸素を透過しないサーモトロピッ
    ク液晶ポリマーからなる粒状組成物を供給するステップと、 前記粒状組成物を約14000゜Ｋよりも高い温度を有するガスプラスマ炎に噴射
    して溶融した液晶ポリマー粒子を生成するステップと、 前記溶融した粒子を前記基板の表面に射出して所望厚さの均一且つ平坦なコー
    ティングを形成するステップと、 前記コーティングの冷却速度を制御して前記基板を覆う保護表面層を形成する
    ポスト加熱ステップと、からなることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記基板は、グラファイト繊維ファブリック及びエポキシ樹脂の
    コンポジットラミネートからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記基板は、金属であることを特徴とする請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記液晶ポリマーは、芳香族ポリエステルポリマーからなること
    を特徴とする請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記ガスプラスマ炎は、不活性ガス及び少量の酸化ガスの混合物
    を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記混合物は、アルゴン及び水素を含むことを特徴とする請求項
    ５記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記基板の表面の同じ領域に亘って繰り返し前記溶融した粒子を
    射出して所望の厚さのコーティング堆積体を形成するステップを含むことを特徴
    とする請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記溶融した液晶ポリマー粒子の前記堆積体の形成に先立って前
    記基板表面を約300゜Ｆから600゜Ｆの間の温度に予熱するステップを含むことを
    特徴とする請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記溶融した粒子の堆積に先立って、基板表層に対して及び／ま
    たはコーティングに対して不活性ガスからなる加熱ガス流を射出することで前記
    基板表層及び／またはコーティングを予熱するステップを含むことを特徴とする
    請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記コーティングの冷却を規制するために前記コーティングの 上に前記堆積物を形成した直後に約200゜Ｆから500゜Ｆの間の温度で前記コーテ ィングを予熱するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記コーティングの冷却を規制するために前記コーティングに 対して、不活性ガスからなる熱ガス流を射出することによって前記コーティング をポスト加熱するステップを含むことを特徴とする請求項10記載の方法。
JP2000599517A 1999-02-19 2000-01-11 液晶ポリマーコーティングの方法 Pending JP2002542391A (ja)

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JP2002524617A (ja) * 1998-09-11 2002-08-06 ノースロップ グラマン コーポレーション 液晶ポリマーを原位置に有し、共に硬化された複合構造物のコーティング

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