(57)【要約】  部品の表面と平行に配向された（強化）繊維を含有するペルフルオロポリマー部品は、繊維の方向性を乱すことなく振動溶接および超音波溶接などの摩擦溶接方法によって接合され得る。部品は直接使用されてもよいし、あるいは他の形状に切断されてもよい。このような部品は、強度および／または靭性などの良好な物理特性と共に耐高温性および／または耐薬品性が所望される場合に有用である。これらのタイプの部品には、ガスケットおよびシールリングが含まれる。
2010513098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペルフルオロポリマーまたはポリクロロトリフルオロエチレンポリマーを含む部品を形成するための方法であって、
（ａ）ペルフルオロポリマーを含む第１の部品の平坦な表面と、ペルフルオロポリマーまたはポリクロロトリフルオロエチレンポリマーのいずれかを含む第２の部品の平坦な表面とを接触させるステップであって、前記第１および第２の部品が、前記平坦な表面の面と本質的に平行に配向された繊維を含むステップと、
（ｂ）前記第１および第２の部品の間に十分な摩擦熱を生じさせるために、前記第１の部品および前記第２の部品を互いに対して動かしながら、前記第１および第２の部品の前記平坦な表面の間の接触を保持し、それによって、前記第１および第２の部品のそれぞれの平坦な表面を溶融および／または軟化させるステップと、
（ｃ）前記第１および第２の部品の平坦な表面を冷却して互いに接着させるのに十分な時間、前記平坦な表面の間の接触を保持しながら、前記第１および第２の部品の運動を停止させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記運動が反復運動であり、約１５０Ｈｚ〜約３００Ｈｚの振動数で行われる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記運動が反復運動であり、約１５ｋＨｚ〜約５０ｋＨｚの振動数で行われる請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記繊維が、部品中の前記フルオロポリマーおよび繊維の全重量を基準として、部品の約５重量パーセント〜約５０重量パーセントである請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記繊維が、少なくとも約０．６ｃｍの長さである請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の部品のペルフルオロポリマーおよび／または前記第２の部品のペルフルオロポリマーが、テトラフルオロエチレンのコポリマーまたはテトラフルオロエチレンのホモポリマーである請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記コポリマーが、テトラフルオロエチレンから誘導される少なくとも８０重量パーセントの繰返し単位を含有する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記コポリマーが、ペルフルオロ化アルキルビニルエーテルまたはペルフルオロ化オレフィンを含有する１つまたは複数コポリマーである請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第１および第２の部品が、約０．３ｃｍ以上の最小断面寸法を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記繊維が、ガラス、炭素、またはアラミド繊維のうちの１つまたは複数である請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の部品がペルフルオロポリマーを含む請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の部品のペルフルオロポリマーが、前記第２の部品のペルフルオロポリマーと同一である請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法によって形成された部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によって全体が本明細書に援用される２００６年１２月２２日に出願された米国仮特許出願第６０／８７６，８３６号明細書の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、長繊維を含有するペルフルオロポリマー部品の溶接方法に関する。本発明は、特に、平面と本質的に平行に配向された長繊維を含むペルフルオロポリマー部品を、繊維の方向性を実質的に乱すことなく摩擦溶接するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
熱可塑性樹脂であり、シートの主平面（シートの厚さを通るｚ軸とは対照的ないわゆるｘ−ｙ平面）と平行に配向された連続または長繊維を含有するペルフルオロポリマーのシートが知られている（例えば、米国特許第４，１６３，７４０号明細書、米国特許第５，１９４，４８４号明細書、米国特許第５，２３２，９７５号明細書、米国特許第５，４７０，４０９号明細書、米国特許第５，５０３，６６２号明細書、および米国特許第５，５０６，０５２号明細書が参照され、その全ては参照によって本明細書に援用される）。しかしながら、従来技術では、繊維の方向性を実質的に乱すことなく、繊維がｘ−ｙ平面内に配向された繊維強化ペルフルオロポリマー材料を一緒に溶接するための方法は記載されていない。
【０００４】
従来の方法のもう１つの欠点は、従来の溶接方法によって得られるシートの厚さが方法により多少制限されることである。例えば、厚いシートが望ましい場合、マトリックスポリマーの圧密化が完全でないかもしれない。より厚い片、例えば０．０５ｃｍよりも大きい公称厚さを有する片は、何枚かのシートを一緒に圧縮成形することによって得ることができる。しかしながら、加熱および／または冷却速度が高すぎると熱応力によりクラッキングまたは他の欠陥が生じ得るので、このような方法は、比較的厚いシートが所望される場合には時間がかかり得る。製造方法では、製造品質と製造効率との間でバランスが追求されるのが一般的である。繊維の方向性の実質的な変化を回避しながらこのような厚い部品を得るためにより高速の方法を有することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様では、本発明は、ペルフルオロポリマーまたはポリクロロトリフルオロエチレンポリマーを含む部品を形成するための方法であって、
（ａ）ペルフルオロポリマーを含む第１の部品の平坦な表面と、ペルフルオロポリマーまたはポリクロロトリフルオロエチレンポリマーのいずれかを含む第２の部品の平坦な表面とを接触させるステップであって、前記第１および第２の部品が、前記平坦な表面の面と本質的に平行に配向された繊維を含むステップと、
（ｂ）前記第１および第２の部品の間に十分な摩擦熱を生じさせるために、前記第１の部品および前記第２の部品を互いに対して動かしながら、前記第１および第２の部品の前記平坦な表面の間の接触を保持し、それによって、前記第１および第２の部品のそれぞれの平坦な表面を溶融および／または軟化させるステップと、
（ｃ）前記第１および第２の部品の平坦な表面を冷却して互いに接着させるのに十分な時間、前記平坦な表面の間の接触を保持しながら、前記第１および第２の部品の運動を停止させるステップと
を含む。
【０００６】
もう１つの態様は、本発明の方法によって形成される部品に対するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の２つのペルフルオロポリマー部品を示しており、これらは一緒に振動溶接されている。図中には、スケールおよび溶接線が記されており、溶接線における繊維の方向性が変化していないことが分かる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書では特定の用語が使用され、そのうちのいくつかは以下に定義される。
【０００９】
シートの「ｘ−ｙ平面」または平坦な表面とは、指定された表面の表面と平行な平面を意味する。「ｚ」方向は、ｘ−ｙ平面に垂直である。
【００１０】
「接触している」とは、２つ（またはそれ以上）の品目が実際に触れていることを意味し、これらは、ほとんど圧力（力）をかけずに、あるいは大きな圧力をかけて接触され得る。
【００１１】
「シート」とは、好ましくは互いに平行な２つの主表面を有するエッジのある形態を意味する。シートのｘ−ｙ平面は、これらの表面のうちの少なくとも１つ、好ましくは両方の表面に平行である。「ｚ」方向は、シートの厚さを通る方向である。好ましくは、シート厚さは、シートの表面の最小直線寸法の２０％未満、より好ましくは１０％未満である。本明細書で使用される場合、本発明のシートは正方形または矩形の形態である必要はなく、むしろ、最終物品の厚さが単一のシートよりも大きい厚さを必要とする場合には、最終物品の所望の形状に近似した「予備成形品」であってもよい。例えば、あるタイプのリングが製造される場合、２つの主表面は平坦であるがシートはドーナツ形状であり、リングは、リングを得るために使用されるシートの何枚か分の厚さを含むことができる。
【００１２】
「ｘ−ｙ平面と本質的に平行に配向された繊維」とは、繊維の長軸がｘ−ｙ平面と平行に配向されることを意味する。繊維の長軸は湾曲していてもよいが、長軸は、ｘ−ｙ平面とほぼ平行であろう。
【００１３】
１つの実施形態では、本発明の方法で使用されるシートはペルフルオロポリマーを含む。当業者は、ペルフルオロポリマーが、本質的に全ての水素原子がフッ素原子で置換された合成有機ポリマーであることを知っているであろう。本発明の目的のために、このようなポリマーは、０．５重量パーセント未満の水素を含み、より好ましくは０．２重量パーセント未満、そして非常に好ましくは０．１パーセント未満の水素を含む。あるいは、全てではないが少なくともいくらかの水素原子がフッ素原子で置換されたフルオロポリマーもペルフルオロポリマーと同じように使用するのに適切である。ペルフルオロポリマーが好ましい。
【００１４】
熱可塑性樹脂などのポリマーの摩擦溶接はよく知られており、いくつかの主要な「タイプ」が使用されており、その全てが本明細書において適用可能である。振動溶接は、単に、２つの部品（通常、溶接されるところは平坦である）が所与の圧力下で互いに接触され、比較的低い振動数（例えば、約１５０Ｈｚ〜約３００Ｈｚ、好ましくは約１７０Ｈｚ〜約２５０Ｈｚ）で、２つの部品が互いに関連付けられて反復運動で動かされることを意味する。表面が十分に溶融および／または軟化されると動きは停止され、熱可塑性樹脂が凝固または硬化して部品が結合されるまで部品間の接触は保持される。他方の部品に対する一方の部品の運動は、線形（すなわち、直線）、円形（すなわち、放射状の線または曲線）、ランダム（すなわち、非反復運動）、またはこれらの任意の組み合わせでよいが、線形の動きが好ましい。
【００１５】
もう１つのタイプの摩擦溶接において、部品は上記のように接合されるが、運動の振動数ははるかに高く、通常１５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの超音波の範囲である。この場合も、運動は線形、円形、ランダムまたは任意の運動の組み合わせでよい。
【００１６】
特に円形部品に対しては、スピン溶接が使用されてもよい。スピン溶接では、部品は上記のように接合されるが、ここでは、運動は互いに円形であり、適用される速度（ｒｐｍ）および圧力は熱可塑性樹脂を溶融または軟化させるのに十分である。しかしながら、表面の回転軸付近の部分は、外側部分よりもゆっくり動くので、この方法は、平坦な表面のリング様形状を有する品目に最も良く適用される。好ましい溶接方法は振動溶接である。
【００１７】
１つの好ましい実施形態では、第１および第２の部品の一方または両方がペルフルオロポリマーシートである。このような２枚のシートを一緒に溶接し、次に、得られた部品を第３の単一のシートに溶接し、所望の厚さの部品が製造されるまでこれを繰り返すことができる。当業者は本発明の範囲から逸脱することなく、シートを結合するための他の組み合わせまたは方法を考案することができるであろう。例えば、２枚以上の溶接シートを、２枚以上の溶接シートの別の部品に溶接することができる。所望の厚さの部品を製造するために多数の溶接工程が必要とされるかもしれないが、それでも、本発明の方法は、同様の厚さの部品を製造するための従来の圧縮成形法よりも高速であり得る。
【００１８】
本明細書で記載されるように得られた厚い部品はそのままで使用することもできるし、あるいはトリミングおよび／または機械加工および／または細分して、所望の最終部品を提供することもできる。これらはペルフルオロポリマーからなり、繊維を含有するので、このような部品は並外れた化学および熱安定性を有すると共に、良好な強度、モジュラスおよび／または靭性を有する。これらは、このような特性が必要とされる用途において、例えばシール、ガスケット、ブッシング、チューブ、およびリングとして使用することができる。
【００１９】
高いモジュラスおよび／または引張強さを有する繊維（一般に、強化繊維と呼ばれる）が特に有用である。有用な繊維としては、ガラス、炭素（黒鉛）、アラミドが挙げられ、炭素が特に好ましく、とりわけ炭素が好ましい。繊維の典型的な添加量は少なくとも約５％であり、より好ましくは少なくとも約１０％、そして非常に好ましくは少なくとも約１５％である。繊維の最大添加量は通常６５％であり、より好ましくは約５０％、そして特に好ましくは約３０％である。このような百分率は全て、組成物中の繊維およびペルフルオロポリマーの全重量を基準とした重量パーセントである。好ましい最小添加量のいずれかを好ましい最大添加量のいずれかと組み合わせて、好ましい添加量範囲を形成できることは理解されるべきである。有用な繊維「グレード」には、熱可塑性樹脂を強化するために通常使用されるものが含まれる。
【００２０】
好ましくは、繊維は少なくとも約０．３ｃｍの長さであり、より好ましくは少なくとも約０．６ｃｍの長さであり、非常に好ましくは少なくとも約１．３ｃｍの長さであり、特に好ましくは少なくとも約２．５ｃｍの長さである。繊維の長さは、実際に組成物中の繊維の長さを意味するものとする。
【００２１】
ペルフルオロポリマー組成物中に通常含まれる他の材料は、本発明の組成物中にも含まれ得る。このような材料には、従来の量の顔料が含まれる。
【００２２】
好ましくは、第１および第２の部品の両方のペルフルオロポリマーは同一であり、そして／あるいは好ましいペルフルオロポリマーは熱可塑性樹脂でもあり得る。好ましくは、ペルフルオロポリマーは、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）を含む１つまたは複数のモノマーからなり、より好ましくはこのようなＴＦＥポリマーは、ＴＦＥから誘導される繰返し単位を少なくとも８０モルパーセント含有する。ＴＦＥとの有用なコモノマーは、ペルフルオロ化アルキルビニルエーテル、特にペルフルオロ（ｎ−プロピルビニルエーテル）と、ペルフルオロ化オレフィン、特にヘキサフルオロプロピレンとである。もう１つの好ましいペルフルオロポリマーはポリＴＦＥである。
【００２３】
図１は、配向された炭素繊維を含有する２枚のペルフルオロポリマーシートの間の振動溶接部を示す。図は、参照によって本明細書に援用されるＡおよびＤ．Ｖａｎ  Ｄｙｃｋ、Ｄｅｓｋｔｏｐ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、１９１巻、１５１−１５８頁（１９９８年）に概略的に記載されるように、Ｘ線マイクロトモグラフィーによって作成された。図面中には溶接線が記されており、観察できるように、溶接線において繊維の方向性の変化は認められない。
【００２４】
一般的な手順、実施例１〜９
２０重量％の０．６４ｃｍ（０．２５インチ）長さの短炭素繊維で強化され、部分的に圧密化された（注−部品は完全に圧密化することができ、好ましくは完全に圧密化される）（９５〜９７％）０．６４ｃｍ（０．２５インチ）の厚さのＴｅｆｌｏｎ（登録商標）ＰＦＡ３４０（米国１９８９８本件特許出願人（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ  １９８９８  Ｕ．Ｓ．Ａ．）から入手可能なテトラフルオロエチレンおよびペルフルオロ（プロピルビニルエーテル）のコポリマー）のシートを、参照によって本明細書に援用される米国特許第５，４７０，４０９号明細書に従って調製した。これらのプレートを帯鋸によって適切なサイズの正方形に切断した。Ｂｒａｎｓｏｎ（登録商標）ＶＷ−８ＵＨＬマシン（Ｂｒａｎｓｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐ．（Ｄａｎｂｕｒｙ，ＣＴ  ０６８１３  Ｕ．Ｓ．Ａ．））において、１．７８ｍｍ（０．０７０インチ）の線形振動振幅の２４０Ｈｚで、全てのサンプルを振動溶接した。溶接中のサンプルの滑りを防止するために固定具（ｆｉｘｔｕｒｉｎｇ）の代わりにマシンプラテンにおいてアンチスキッド型を用いた。
【実施例】
【００２５】
実施例１
２枚の５．０８ｃｍの正方形（２インチ×２インチ）シートを互いに積み重ねて溶接機内に配置した。１８１ｋｇ（４００ポンド）の締め付け力（６８９ｋＰａ、１００ｐｓｉ）をもたらし、１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）の溶接深さ（溶接部品全体の厚さの１０％）まで振動するように機械を設定した。溶接のために規定された２０秒以内では溶接深さは達成されず、フラッシュはほとんど生じなかった。プレートは容易に引き離され、局部的な溶融領域しか示さなかった。
【００２６】
実施例２
２枚の５．０８ｃｍの正方形（２インチ×２インチ）シートを互いに積み重ねて溶接機内に配置した。３２７ｋｇ（７２０ポンド）の締め付け力（１．２４ＭＰａ、１８０ｐｓｉ）をもたらし、１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）の溶接深さ、２０秒の振動時間になるように機械を設定した。フラッシュが溶接部品全体の重量の２．１％であること（１．２７ｍｍの変位について計算される約１０％に対して）によって示されるように、溶接変位は到達されなかった。しかしながら、溶接部にくさびを打ち込むことができないことにより実証されるように、強力な溶接が達成された。溶接部品の比重は１．９９であった（個々のプレートの場合は約２．０であるのに対して）。
【００２７】
実施例３
締め付け力を９０７ｋｇ（２０００ポンド）（３．４５ＭＰａ、５００ｐｓｉ）に増大させ、その後、溶融した溶接部を圧力下で凝固させるために振動を停止させてから１．７２ＭＰａ（２５０ｐｓｉ）に保持したことを除いて、実施例２を繰り返した。溶接部品全体の重量の１０．４％に等しいフラッシュが生じたことから明らかであるように、全体で１．２７ｍｍが達成された。振動開始の約１０秒後に、変位（すなわち、界面における溶融の開始）が開始した。側面付近に間隙が生じることなく良好な溶接が達成された。溶接部品の比重は２．０１であった。
【００２８】
実施例４
９０７ｋｇ（２０００ポンド）の締め付け荷重（３．４５ＭＰａ、５００ｐｓｉ）および０．６４ｍｍ（０．０２５インチ）の溶接変位設定を用いて、２枚の５．０８ｃｍの正方形（２インチ×２インチ）シートを一緒に溶接した。エッジ付近に目に見える間隙が生じることなく良好な溶接が得られた。溶接部品の全重量を基準として５．７重量％の広範囲に及ぶフラッシュが生じた。部品の比重は２．０３であった。
【００２９】
実施例５
３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉ）で１０秒から始まった後６８９ｋＰａ（１００ｐｓｉ）で１０秒の振動サイクルを用いて、２枚の５．０８ｃｍの正方形（２インチ×２インチ）シートを一緒に溶接した。溶接変位は制御しなかった。フラッシュはほとんど生じず、０．３重量％であったが、溶接は良好であり、手で引き離すことはできなかった。部品の比重は２．０２であった。
【００３０】
実施例６
３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉ）における振動時間を１０秒から１３秒に延長したことを除いて、実施例５を繰り返した。溶接部にくさび（冷たがねおよびハンマー）を打ち込むことによって、溶接強度を試験した。分離したプレートの目視検査によって、溶接界面に沿った不具合、およびプレートの一方のバルク材料内への不具合の両方が示された。これは、溶接強度が溶接平面におけるプレートのバルク強度に匹敵することを示す。
【００３１】
実施例７
５枚のシートの連続的な溶接（４回の溶接）によって、５．０８ｃｍ（２インチ）の正方形で３．１８ｃｍ（１．２５インチ）の厚さのブロックを構成した。溶接サイクルは、３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉ）で１４秒、そして６８９ｋＰａ（１００ｐｓｉ）で１０秒であった。必要とされる総時間は、各溶接サイクルの後にポリマーヒュームを排出するために使用される６０秒を含めて約６分であった。４回の溶接は全て視覚的に良好と思われた。評価したフラッシュは、３．５重量％であった。
【００３２】
実施例８
２７２０ｋｇ（６０００ポンド）の荷重（３．３８ＭＰａ、４９０ｐｓｉ）を２４秒間用いて、２枚の８．８９ｃｍ（３．５インチ）の正方形シートを溶接した。溶接は視覚的に良好であったが、生じたフラッシュの量は１０．２重量％であった。部品の比重は２．０２であった。
【００３３】
実施例９
溶接サイクルを、３．３８ＭＰａ（４９０ｐｓｉ）で１４秒と、６７６ｋＰａ（９８ｐｓｉ）で１０秒とに分けたことを除いて、実施例８を繰り返した。溶接線は良好な外観であり、生じたフラッシュの量は２．５重量％に低下した。この実施例は、振動時間／圧力サイクルが一定に保持される場合には溶接時間は部品面積の大きさに無関係であることを示す。部品の比重は１．９７であった。
【図１】
2010513098.tif 000003
【国際調査報告】
2010513098.tif 000004
2010513098.tif 000005
2010513098.tif 000006
2010513098.tif 000007