Результат интеллектуальной деятельности: МЕТАЛЛОЭЛАСТОМЕРНЫЙ СОСТАВ

Область техники

Данное изобретение относится к металлоэластомерному составу, а именно к составу, включающему волокнистый металлический материал, смешанный с эластомером в диапазоне приблизительно от 50 частей до 150 частей на 100 частей эластомера.

Уровень техники

Эластомеры по своей природе представляют собой гибкие материалы, используемые во многих изделиях, таких как ремни, шланги, шины и т.д. С другой стороны, металлы имеют гораздо меньшую гибкость, но намного более высокую прочность на растяжение и сдвиг. Несмотря на то, что металлы в ограниченном количестве добавляют к эластомерам для улучшения электропроводности, назначение, ради которого объединяли эластомеры и металлы, процентное содержание добавленных металлов и получаемые преимущества были очень ограниченными.

Другим примером объединенных с металлами эластомеров являются металлокордные шины, в которых стальные проволоки различной формы внедрены в материал эластомера для улучшения свойств. В случае шин стальные проволоки представляют собой относительно толстые вставки, не включенные в смесь эластомерного материала. Они представляют собой отдельные корды, не включенные в эластомер.

С другой стороны, композитный материал представляет собой сочетание двух или более материалов, проявляющее свойства, не присущие ни одному из таких материалов по отдельности. Давно признано, что два или более материалов могут быть смешаны вместе с образованием большого количества структурированных форм для получения продуктов, потенциально имеющих желательные сочетания свойств.

Например, стекловолокно изготавливают из тонких стеклянных волокон, связанных в большинстве случаев полиэфирной смолой. Стеклянные волокна очень прочны на растяжение, а смола помогает задать форму, хорошо сцепляется с волокнами и предотвращает волокна от взаимного повреждения в результате трения о смежные волокна. В настоящее время производится много различных видов волокон. Конечно, известно, что стекловолокно не обладает особенно высокой электропроводимостью.

Характерной в данной области техники является Японская заявка № JP 1995000207596, в которой описана композиция из диэлектрического эластомера, полученная в результате смешивания волокнистого материала из металлической соли титановой кислоты, смешанного с эластомером.

Существует потребность в составе, включающем эластомер, объединенный с металлическими волокнами или порошками с достаточно высоким содержанием металла, придающим составу достаточную прочность, способность к теплопередаче, магнитные свойства и проводимость, сохраняя при этом гибкость эластомеров. Настоящее изобретение удовлетворяет такую потребность.

Сущность изобретения

Первым аспектом данного изобретения является разработка состава, включающего эластомер, объединенный с металлическими волокнами или порошками с достаточно высоким содержанием металла, придающим составу достаточную прочность, способность к теплопередаче, магнитные свойства и проводимость, сохраняя при этом гибкость эластомеров.

Другие аспекты данного изобретения будут подчеркнуты или станут очевидными из приводимого ниже описания изобретения и прилагаемых чертежей.

Данное изобретение касается металлоэластомерного состава, включающего эластомер, имеющего молекулярную массу в диапазоне приблизительно от 100000 до 300000 г/моль, причем металловолокнистый материал содержит множество металлических волокон, каждое из которых имеет отношение длины к ширине, превышающее приблизительно 1, при этом металловолокнистый материал смешан с эластомером в количестве в диапазоне от 50 частей до 150 частей на 100 частей эластомера.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи, составляющие часть описания, иллюстрируют предпочтительные варианты настоящего изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов данного изобретения.

На фигуре 1 показана способность состава к растяжению при растяжении на разрыв (удлинение составляет около или свыше 300%).

На фигуре 2 показан модуль растяжения состава при 25%, 50% и 100% удлинении, существенно повышенный благодаря использованию металлического волокна.

На фигуре 3 представлено сравнение, основанное на прочности состава на разрыв.

На фигуре 4 представлено сравнение остаточной деформации при сжатии данного состава по сравнению с составом со связующим веществом.

На фигуре 5 представлены кривые зависимости деформаций от напряжений, сравнивающие испытания на сопротивление сжатию.

На фигуре 6 представлено сравнение потери массы для трех составов.

На фигуре 7 представлено сравнение коэффициента трения (COF).

На фигуре 8 представлены результаты испытаний, продолжавшихся 6 часов.

На фигуре 9 представлено сравнение модулей растяжения.

На фигуре 10 представлено сравнение кривых, полученных в результате испытаний на сжатие различных составов (С), (D), (Е) и (F) из таблицы 7.

На фигуре 11 представлено сравнение коэффициентов трения различных составов, представленных на фиг.10.

Фигура 12 показывает, что сопротивление сжатию материала, содержащего металлические волокна большего диаметра, ниже сопротивления сжатию контрольного состава (D).

На фигуре 13 показано изменение потери массы в зависимости от времени трения составов (Е) и (I).

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Данное изобретение касается композитного состава, содержащего смесь эластомера и волокнистого металлического материала. Относительно высокое содержание металла придает составу некоторые желательные свойства металлов, включая прочность, способность к теплопередаче, магнитные свойства и проводимость металлов, сохраняя при этом гибкость эластомеров. Металлические волокна или порошок, добавляемые к эластомеру, могут иметь любую физическую форму. Предпочтительной физической формой являются дискретные волокна, каждое из которых имеет отношение длины к ширине (длина:ширина) более чем приблизительно от 1:1 до 6000:1. После смешивания состав подвергают термообработке под давлением, используя известные в данной области техники способы. Подвергнутый такой термообработке состав может быть использован в ряде изделий. Технические требования основаны на подвергнутом такой термообработке составе, к которому также применимы результаты испытаний.

Согласно предпочтительному варианту эластомер смешивают только с металлическими волокнами. Согласно альтернативному варианту эластомер может быть смешан с комбинацией металлического волокна и металлического порошка. Согласно альтернативному варианту отношение металлического порошка к металлическому волокну в расчете на массу может составлять приблизительно от нуля, т.е. отсутствие порошка, до приблизительно единицы, т.е. по существу одинаковое количество металлического порошка и металлического волокна в расчете на массу. Частицы металлического порошка имеют отношение длины к ширине, равное приблизительно 1.

Одним из предпочтительных металлических материалов, используемых для волокна или порошка, является нержавеющая сталь благодаря своей высокой прочности на растяжение и коррозионной стойкости. Другим подходящим металлом является алюминиевый сплав благодаря своему небольшому весу, высокой прочности и коррозионной стойкости. Помимо нержавеющей стали и алюминия, могут быть использованы другие волокнистые материалы, такие как стекловолокно и углеродное волокно, а также другие описанные здесь металлы.

Для приготовления состава металлическое волокно (и металлический порошок для альтернативного варианта) смешивают с компонентами эластомера, используя способы, известные в данной области техники. Нити из частиц металлического волокна или металлического порошка случайно распределяют в массе эластомерного состава во время процесса смешивания без предпочтительной осевой ориентации. В результате сцепления, пересечения и распределения по всей матрице подвергнутого термообработке состава металлические волокна улучшают механические свойства состава, такие как прочность на растяжение, сопротивление сжатию и усталостная прочность, по сравнению с самим эластомером. Более того, при их использовании для изготовления изделий, поверхность которых подвержена износу (таких как шины и ремни), после некоторого минимального первоначального износа поверхности состава, подвергнутые воздействию металлические волокна, или металлические порошки приобретают очень высокое сопротивление износу.

Согласно следующему альтернативному варианту металлические волокна могут быть одноосно ориентированы в результате проведения известной в данной области техники стадии каландрования таким образом, чтобы главная ось существенного количества металлических волокон была по существу параллельной направлению обработки. Это придает составу двойную гибкость, зависящую от направления ориентации волокон. В частности, состав является более гибким в направлении, поперечном к направлению обработки, т.е. более гибким вдоль оси, которая направлена по нормали относительно основного направления оси параллельных волокон.

Длина и размеры поперечного сечения металлического волокна не ограничены при условии, что металлические волокна не оказывают отрицательного влияния на свойства состава. Однако предпочтительная длина волокон составляет приблизительно от 5 до 30 мм, а диаметр - от 0,005 до 0,5 мм (от 5 до 500 микрон). Исключительно с иллюстративными целями поперечное сечение волокна считается круглым, однако поперечное сечение может иметь любую форму. Процентное содержание металлического волокна в эластомере может составлять любую нужную величину, однако предпочтительный диапазон составляет предпочтительно от 20 до 80% об. Поскольку металлические волокна имеют длину всего от 5 до 30 мм с небольшим диаметром поперечного сечения, они позволяют составу изгибаться подобно эластомеру, в то же время при необходимости проявляя металлоподобные свойства. Следовательно, состав согласно данному изобретению обладает свойствами как металла, так и эластомера.

Кроме того, состав согласно данному изобретению и способ его получения применимы ко всем видам пластмасс, включая термореактивные и термопластичные материалы. Он может быть использован в любом изделии, которому желательно придать повышенную механическую прочность, улучшенную износостойкость, повышенную способность к теплопередаче, а также улучшенную электропроводимость, по сравнению с известными изделиями, благодаря более высокому содержанию металлических волокон. Вид используемого металла, размер и форма волокон и процентное содержание добавляемого металлического волокна по сравнению с количеством эластомера могут быть определены в соответствии с конкретным назначением.

Базовый уровень совместимости эластомера и металла

Ниже приведены иллюстративные составы согласно данному изобретению. В таблице 1 приведен состав, используемый в данном анализе. X означает количество металлических волокон в составе в частях на 100 частей эластомера. В таблице 2 проиллюстрированы методики смешивания состава.

0' означает начало или запуск смешивания; 1' означает 1 минута после начала смешивания; 2' означает 2 минуты после начала смешивания. МС означает “маточная смесь”, представляющая собой соединение без отверждающих добавок. Количество выражено в массовых частях из расчета 100 частей эластомера, как это общепринято в области эластомеров.

В таблице 4 представлен состав соединения, используемый для оценки эффективности первоначального смешивания состава согласно данному изобретению. Состав (А) представляет собой контрольный состав без металлического волокна. Смешивание осуществляют согласно методике, представленной в таблице 2. Были исследованы четыре различных вида волокон (см. таблицу 3), продаваемых NV Bekaert SA с главным офисом, расположенным в Бельгии. Beki-Shield GR покрывают полиэфирной смолой для улучшения связывания (или взаимодействия) с полимерной (пластмассовой или каучуковой) матрицей. Beki-Shield BU представляет собой такое же металлическое волокно, как и GR, но без покрытия и в виде пучка. Bekipor® WB представляет собой состав из металлических волокон, равномерно уложенных для получения трехмерной нетканой структуры. Ее пористая среда представляет собой нетканую, высокопористую волокнистую матрицу, изготовленную из спеченных металлических волокон. Также была проведена оценка волокон из нержавеющей стали, имеющих большой диаметр, от Fibre Technology Ltd., а именно МО446-10.

Другие подходящие для металлического волокна металлы могут также включать любую марку нержавеющей стали, любую марку стали, низкоуглеродистую, высокоуглеродистую и легированную сталь; алюминий и алюминиевые сплавы, “красные” металлы, такие как медь, латунь и бронза; никель, хром, цинк, олово, магний, ванадий и титан, Инконель и другие сплавы, а также волокно из любого другого металла или металлического сплава, совместимого с выбранным эластомером. Металлические материалы, используемые для получения металлических волокон, могут быть также использованы для получения металлического порошка.

В таблице 3 представлены виды материалов от Bekaert and Fiber Technology Ltd.

Металлическое волокно, представленное в таблице 4, включает BEKI-Shield GR™, представляющий собой материал из нержавеющей стали.

В данном изобретении, например, используется эластомер из EPDM (мономеры этилена-пропилена-диена). Однако данный эластомер может также включать этилен-альфа-олефиновый эластомер, этилен/акриловый эластомер, хлоропреновый каучук, акрилонитрилбутадиеновый каучук, гидрированный акрилонитрилбутадиеновый каучук, бутадиен-стирольный каучук, алкилированный хлорсульфонированный полиэтилен, эпихлоргидриновый каучук, бутадиеновый каучук, натуральный каучук, хлорированный полиэтилен, бромированные сополимеры полиметилстирола-бутена, блок-сополимер стирола-бутадиена-стирола, блок-сополимер (стирол-этилен-бутадиен) стирола, акриловый каучук, этилен-винилацетатный эластомер, силоксановый каучук, а также сочетание любых по меньшей мере двух перечисленных соединений.

Состав (А) был смешан без каких-либо проблем, и его температура снижена до 300°F в течение 4 минут. В таблице 5 представлено сравнение физических свойств. Состав (В) проявил меньше желательных свойств, чем состав (А).

Все вышеприведенные данные означают, что совместимость между резиной и металлическим волокном является очень плохой, что является причиной плохих характеристик смешивания и плохих физических свойств соединения.

Улучшение совместимости металла и эластомера

Для того чтобы улучшить совместимость между эластомером и металлическими волокнами, используют диметилакрилат цинка (ZDMA) (Sartomer Company, Inc., товарный знак “Saret 634”). ZDMA представляет собой хорошо известный агент для связывания резины и металла. Его используют в данном соединении для улучшения совместимости между эластомерной матрицей и металлическими волокнами. В составе согласно данному изобретению могут быть также использованы другие связующие агенты, включая привитые малеиновым ангидридом полиолефины, привитые акриловой кислотой полиолефины, диакрилат цинка, карбоксилат кобальта, цирконатную соль и титанатную соль. В таблице 6 представлены ингредиенты, используемые для каждого из составов С, D, Е в данном примере. Только состав (Е) содержит металлические волокна, а именно BEKI-Shield GR.

Полиэтиленгликоль используют в качестве вещества, улучшающего технологические свойства состава. Оксид кальция (содержание которого составляет 80 мас.%) представляет собой осушитель, используемый для предотвращения пористости в составе, вызываемой влагой.

Составы смешивают в соответствии с методикой, представленной в таблице 2. Все три состава смешиваются очень хорошо и очень хорошо подходят друг к другу. В таблице 5 указана способность состава к растяжению при растяжении на разрыв (удлинение составляет около или свыше 300%). RT на данном и других чертежах означает “комнатная температура”, равная приблизительно 22°С. Использование металлического волокна в данном составе не приводит к существенному улучшению при растяжении на разрыв. Однако модуль растяжения состава при 25%, 50% и 100% удлинении (фигура 2) существенно повышается в результате использования металлического волокна (BEKI-Shield GR).

На фигуре 3 представлено сравнение, основанное на прочности состава на разрыв. Очевидно, что прочность на разрыв повышается благодаря использованию металлического волокна BEKI-Shield GR. Однако, как показано на фигуре 4, это не сказывается отрицательно на остаточной деформации при сжатии данного состава по сравнению с составом со связующим веществом. Остаточная деформация при сжатии эластомера представляет собой полученное измерение отношения упругой составляющей к вязкой составляющей в реакции эластомера на данную деформацию. Более длинные полимерные цепи проявляют улучшенную тенденцию к “сопротивлению остаточной деформации” благодаря повышенной способности накапливать энергию (упругость). В большей части стандартов измерений остаточной деформации эластомеров при сжатии указано 25% первоначальное сжатие для определенного периода времени и температуры. Поперечное сечение измеряют после удаления нагрузки. Остаточная деформации эластомеров при сжатии равна не восстановившейся величине сжатия в процентах от первоначального сжатия. Деформация сжатием может быть осуществлена на цилиндрических дисках или О-образных кольцах. После удаления нагрузки с эластомера разницу между конечными размерами и первоначальными размерами принимают за “остаточную деформацию при сжатии”.

На фигуре 5 представлены кривые зависимости деформаций от напряжений, сравнивающие испытания на сопротивление сжатию. Очевидно, что сопротивление сжатию повышается в результате использования BEKI-Shield GR, особенно при высоком уровне напряжения.

Износ каждого состава определяют при скорости трения, составляющей 200 об/мин с нагрузкой в 20 фунтов. На фигуре 6 представлено сравнение потери массы для каждого состава. Очевидно, что состав со связующим агентом (D) имеет самую большую потерю массы. Состав согласно данному изобретению, включающий сочетание металлического волокна и связующего агента (Е), имеет самую низкую потерю массы.

На фигуре 7 представлено сравнение коэффициентов трения (COF). Очевидно, что состав (Е) имеет самое низкое значение COF, что соответствует самой низкой потере массы. Состав (D) имеет наивысший COF, что может привести к наибольшей потере массы за период испытаний, составляющий 2000 секунд. На фигуре 8 представлены результаты испытаний продолжительностью 6 часов. На фигуре 8 наблюдается такая же тенденция, как и на фигуре 7.

Исходя из полученных результатов количество металлических волокон (BEKI-Shield GR) в составе (F) повышали до 100 частей на 100 частей эластомера, см. таблицу 7.

На фигуре 9 представлено сравнение модулей растяжения. Очевидно, что модули растяжения при 25% и 50% удлинении повышаются с повышением уровня нагрузки металлическими волокнами. Однако модуль при 100% удлинении существенно не изменяется с повышением нагрузки металлическими волокнами. В целом, чем выше молекулярная масса эластомера, тем выше нагрузка наполнителями, включая металлические волокна, которые могут быть включены в состав. Иными словами, количество металлического волокна, которое может быть введено в состав, зависит от молекулярной массы эластомера. Например, при использовании EPDM, имеющего молекулярную массу в интервале приблизительно от 100000 до 300000 г/моль, нагрузка металлическим волокном может варьироваться приблизительно от 50 до 150 частей (на 100 частей эластомера) с сохранением при этом желательных физических свойств.

На фигуре 10 представлено сравнение кривых, полученных в результате испытаний на сжатие различных составов (С), (D), (Е) и (F) из таблицы 7. Из кривых для составов (Е) и (F) следует, что повышение нагрузки металлическими волокнами (BEKI-Shield GR) повышает сопротивление состава сжатию.

На фигуре 11 представлено сравнение коэффициентов трения различных составов, представленных на фиг.10. Повышение нагрузки металлическими волокнами снижает COF состава. В таблице 8 представлены ингредиенты каждого состава (Е), (G), (H), (I). Различие между всеми составами заключается в использовании различных видов металлических волокон. Все волокна используют в количестве 50 частей (на 100 частей эластомера).

Было установлено, что различные виды металлического волокна Bekaert существенно не изменяют улучшенные физические свойства составов (Е), (G) и (Н). Однако больший диаметр металлического волокна (МО446/10) (состав (I)) снижает физические свойства некоторых составов, например, как показано на фигуре 12, сопротивление сжатию ниже сопротивления сжатию контрольного состава (D) (состав без металлического волокна).

На фигуре 13 показано изменение потери массы в зависимости от времени трения составов (Е) и (I). Наклон кривой (потеря массы за единицу времени) состава (Е) ниже.

Состав согласно данному изобретению имеет более высокий модуль, более высокое сопротивление сжатию, более высокую прочность на разрыв и более высокую износостойкость, чем эластомерные материалы, не содержащие металлических волокон. Повышение уровня нагрузки металлическим волокном (до 100 частей) еще больше улучшает данные физические свойства.

Следовательно, состав согласно данному изобретению имеет ряд преимуществ. Такие преимущества включают улучшенное сопротивление сжатию, прочность на растяжение, усталостную прочность, износостойкость, электропроводность, магнитные свойства и способность к теплопередаче. Это частично проявляется в виде существенно более длительного срока службы, обеспечиваемого сочетанием свойств металлов с гибкостью эластомеров.

Данное изобретение может быть использовано в тех случаях, когда требуется сочетание прочности металлов и гибкости эластомеров. Одним из примеров являются приводимые в движение ремнем, плавно регулируемые трансмиссии (CVT). Основным компонентом CVT-трансмиссии является ремень CVT, который должен переносить тяжелые боковые нагрузки, создаваемые по всей ширине ремня шкивами различных диаметров. Ремень CVT должен также иметь очень высокую износостойкость по своим краям, где он контактирует с роликами шкива. Ремень CVT также должен иметь достаточно хорошую теплопередачу для предотвращения термического разложения эластомера. Известные выдерживающие высокие нагрузки ремни CVT включают эластомерную ленту с металлическими зажимами, установленными поперек эластомерной ленты. Изготовление ремней с поперечными зажимами является дорогостоящей операцией, при этом рабочие характеристики такого ремня CVT ограничены. Теплота, выделяемая в результате трения между поперечными зажимами или боковой стороной ремня и роликами шкива, может привести к термическому разложению эластомера и, в конце концов, к преждевременному выходу ремня из строя. Состав согласно данному изобретению обеспечивает возможность получения улучшенного ремня CVT, имеющего высокое сопротивление сжатию и высокую износостойкость по краям, а также хорошую способность к теплопередаче.

Другим примером применимости состава согласно данному изобретению являются шины для транспортных средств. Состав с высокой износостойкостью улучшает износостойкость шин, т.е. уровень износа протектора, а также придает им другие важные механические свойства, такие как улучшенная прочность на растяжение, сопротивление сжатию и усталостная прочность.

Состав согласно данному изобретению и изготовленные из него изделия могут быть также использованы для других автомобильных и неавтомобильных целей, включая, но не ограничиваясь ими, приводные ремни, шланги, демпферы, виброизоляторы и амортизаторы. В частности, состав согласно данному изобретению может быть использован при любом виде использования эластомеров или пластмасс, требующем высокой прочности, более высокой износостойкости, электропроводности, магнитных свойств и улучшенной способности к теплопередаче.

Несмотря на описанные здесь варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в процесс, конструкцию и соотношение его частей могут быть внесены изменения, не выходящие за рамки сущности и объема описанного здесь изобретения.