(57)【要約】  本発明は、乾式運転能力を有する摩擦低減ポリマー材料に関し、この材料が、ポリマーマトリックス材料及び充填剤を含み、ここでこの充填剤が、強化粒子、高硬度材料の粒子、潤滑剤粒子を含む。本発明は更に、回転摩擦低減リング及び静止対向リングを含むメカニカル端面シールに関し、ここでこの摩擦低減リング及び／又は対向リングが、乾式運転能力を有する摩擦低減ポリマー材料を含む。本発明は更に、乾式運転用途、より詳細には湿式運転及び乾式運転ポンプにおける排気エレメントのための材料として乾式運転能力を有するこれらのポリマー材料の使用に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマーマトリックス材料及び充填剤を含むポリマー摺動材料であって、前記充填剤が、強化粒子、硬質材料粒子及び潤滑剤を含む、ポリマー摺動材料。
【請求項２】
前記ポリマーマトリックス材料が、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ、ＰＥＳＵ）、ポリアリールスルホン（ＰＳＵ、ＰＰＳＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載のポリマー摺動材料。
【請求項３】
前記強化粒子が繊維状粒子を含む、請求項１又は２のいずれかに記載のポリマー摺動材料。
【請求項４】
前記繊維状粒子が炭素繊維及び／又はアラミド繊維を含む、請求項３に記載のポリマー摺動材料。
【請求項５】
前記強化粒子の含有量が、前記ポリマー摺動材料に基づいて、１〜２０重量％、好ましくは５〜２０重量％である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項６】
前記硬質材料粒子が、炭化ケイ素、炭化ホウ素、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、及びダイアモンド粒子、並びにこれらの組み合わせからなる群より選択され、好ましくは炭化ケイ素、炭化ホウ素、酸化アルミニウム及び二酸化ケイ素粒子及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項７】
前記硬質材料粒子が炭化ケイ素粒子を含む、請求項６に記載のポリマー摺動材料。
【請求項８】
前記硬質材料粒子がサブミクロン粒子を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項９】
前記硬質材料粒子の含有量が、前記ポリマー摺動材料に基づいて、１〜３０重量％、好ましくは５〜２０重量％である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項１０】
前記強化粒子及び硬質材料粒子の総量が、前記ポリマー摺動材料に基づいて、２〜５０重量％、好ましくは１０〜３０重量％である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項１１】
前記潤滑剤が、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、窒化ホウ素、及びモリブデンジスルフィド（ＭｏＳ２）粒子、並びにこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項１２】
前記潤滑剤が、グラファイト及びＰＴＦＥ粒子の組み合わせである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項１３】
前記潤滑剤の総量が、前記ポリマー摺動材料に基づいて、１〜４０重量％、好ましくは１０〜３０重量％である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項１４】
前記強化粒子、硬質材料粒子及び潤滑剤の総量が、前記ポリマー摺動材料に基づいて、３〜７０重量％、好ましくは３０〜５０重量％である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項１５】
前記強化粒子及び硬質材料粒子の総量における硬質材料粒子の割合が、２０〜９０重量％、好ましくは４０〜８０重量％である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項１６】
前記硬質材料粒子及び潤滑剤の総量における硬質材料粒子の割合が、１０〜７０重量％、好ましくは２５〜６０重量％である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項１７】
前記強化粒子及び潤滑剤の総量における強化粒子の割合が、１０〜７０重量％、好ましくは２５〜４５重量％である、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項１８】
前記ポリマー摺動材料の弾性率が少なくとも７ＧＰａである、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料。
【請求項１９】
回転摺動リング及び／又は静止対向リングが、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料を包含する、回転摺動リング及び静止対向リングを含むメカニカルシール。
【請求項２０】
前記摺動リングが、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料から構成され、前記対向リングが鋼から構成される、請求項１９に記載のメカニカルシール。
【請求項２１】
前記摺動リングが、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料から構成され、前記対向リングが、焼結セラミック、好ましくは焼結炭化ケイ素（ＳＳｉＣ）から構成される、請求項１９に記載のメカニカルシール。
【請求項２２】
前記回転摺動リング及び／又は前記静止対向リングの前記摺動表面が研磨されている、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載のメカニカルシール。
【請求項２３】
前記回転摺動リング及び前記静止対向リングの摺動表面が研磨されている、請求項１９〜２２のいずれか一項に記載のメカニカルシール。
【請求項２４】
湿式及び乾式運転ポンプにおける排気エレメントのための材料としての請求項１〜１８のいずれか一項に記載のポリマー摺動材料の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本記載は、乾式で運転できるポリマー摺動材料、乾式で運転できるポリマー摺動材料の摺動リングを含むメカニカルシール、並びに乾式運転用途のための、特に湿式運転及び乾式運転ポンプにおける排気エレメントとしてのこうした材料の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
媒体潤滑されたメカニカルシールは、例えばポンプドライブにおけるドライブシャフトシールとして使用され、ここではシールが周囲から及び駆動機構からの液圧をシールする。それらの単純な構成及びそれらの性能のために、メカニカルシールを有するポンプは、液体を輸送及び循環するために広く使用されている。
【０００３】
このタイプのポンプについて、約５０％の損傷が、メカニカルシールによって生じ、これらの場合の半分以上が、メカニカルシールが乾式運転を行っている事実が原因である。乾式運転は、特に液体供給が妨害される場合の不完全な取扱いから生じ得る。
【０００４】
特別な構成のメカニカルシールはまた、永久的に乾式運転でき、そうする際に、例えば圧力容器に対するブッシングにおけるアジテーターシャフトをシールする。これまで、アジテーターシールは、グラファイト及び炭化ケイ素のメカニカルシールペアリングから製造されていた。しかし、これらの材料の性能は限定される。多くの用途について、特に得られたグラファイト摩耗は許容できるものではない。
【０００５】
永久的に乾式運転するか、又は媒体によって潤滑されるメカニカルシールについて、機械的摩擦損失は、液体潤滑媒体への及びベアリングシートへの熱インプットとして消散する。乾式運転条件下での液体潤滑がない場合、摩擦損失、ひいては熱インプットは明らかに増大する。加えて、熱は液体によって消散されない。結果として、従来のシールペアリング、例えばＳｉＣ／ＳｉＣ又はＡｌ２Ｏ３／Ａｌ２Ｏ３において、数分以内に温度が２００℃を超え、直接的に静的二次シールに熱損傷を生じる。二次シールは、通常、弾性材料からのＯリングとして構成される。このタイプのシール損傷は、現在の循環ポンプにおけるすべてのポンプ損傷の約５０％を占める。
【０００６】
排気ポンプ、例えば真空ベーンポンプはまた、ブレーキブースタとして使用される場合に、操作状態において液体で潤滑されない。この手順においては、圧力を増大させる排気エレメント（スライドバルブ）は、ポンプハウジングを擦る。このことが、摩擦接触において高いトライボロジー熱を導き、ハウジング及び駆動機構への高い熱インプットを導く。同様にこのタイプのポンプについて、熱損傷は、長い乾式運転時間の後では欠陥の主な原因である。
【０００７】
他の排気ポンプ、例えばギアポンプにおいて、排気エレメント（ギアホイール）は、圧力プレート間に固定される。通常鋼で両方とも製造される圧力プレートとギアホイールとの間の摩擦接触は、高い摩擦損失及び性能損失を導く。一時的な乾式運転の場合でも、熱のオーバーロードが容易に生じ得る。
【０００８】
技術の現状
媒体潤滑されたシャフトメカニカルシールを有する現在のポンプタイプにおいて、通常はグラファイトの回転摺動リング及び焼結セラミックの静止対向リングからなるメカニカルシールペアリングが使用される。これらのペアリングに関して、一定操作の１０年までの長い耐用年数は、液体潤滑を用いる場合は約０．０５の摩擦係数において、及び短い乾式運転時間を用いる場合には約０．１５の摩擦係数にて達成できる。
【０００９】
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）はまた、回転摺動リングのための材料としてグラファイトの代替として使用できる。しかし、その非常に低い圧力耐性及び非常に低い摩耗耐性のために、ＰＴＦＥとセラミックとのペアリングは、非常に小さい負荷にのみ耐えなければならないシールにのみ好適であり、広く使用されていない。
【００１０】
顕著に高い負荷に耐えることができる媒体潤滑されたシャフトメカニカルシールのために、セラミックのセラミックに対する組み合わせから、好ましくは焼結炭化ケイ素（ＳＳｉＣ）のＳＳｉＣに対する組み合わせからのメカニカルシールが使用される。これらのペアリングを用いれば約０．０５の摩擦係数が、液体潤滑によって得ることができる；しかし、乾式運転の約０．８の摩擦係数は非常に高い。そのため、これらの摺動リングペアリングは、わずか数分間の乾式運転操作にのみ使用できる。炭化ケイ素材料のバリエーション、例えばグラファイト添加剤を有する炭化ケイ素を用いることによって；約１０分のわずかに長い乾式運転時間が可能である。しかし、これらの材料も、永久的な乾式運転操作のためには使用できない。
【００１１】
故に現段階では、グラファイト及びセラミックの材料ペアリングは、使用のために液体潤滑されたメカニカルシールのために使用されるが、ここでシーリングは、一時的な乾式運転操作に好適でなければならない。
【００１２】
これまで、材料の好適なペアは、メカニカルシールの永久的な乾式運転に関して設計者に利用可能にはなっていない。短い乾式運転時間だけが可能であるので、グラファイト及びセラミックのペアリングは、メカニカルシールとして永久的な乾式運転用途のために使用できない。加えて、このペアリングはまた、強いノイズ発生のため、及び摩耗されたグラファイトがメカニカルシールから放出されるため、不利益である。永久的に乾式運転可能でなければならない、特にアジテーターシールのために、両方の作用は、使用中所望でない。
【００１３】
永久的に乾式運転できるメカニカルシールのための構造的な解決策は、いわゆるガスシールとしてのメカニカルシールの構成であり、ここでセラミックは、セラミックと対になり、乾燥摩擦は、摩擦パートナーとの間のガスフィルムを増大させることによって大きく低下される。しかし、一般に１０，０００を超える非常に高いＲＰＭが、この目的のために必要とされる。更に、この解決策は、構造上非常に高価であり、これまで陸上パイプラインのためのガスコンプレッサのような大きな設置物のためだけに使用されている。
【００１４】
これまで、ポリマー系材料は、媒体潤滑されたメカニカルシール又は排気ポンプにおいて広く使用されてはいないが、特にプロセス及びシステムを単純化し、これに関連するコストを低下させるため、ポンプ構成成分におけるポリマー材料の割合は、それぞれのポンプの世代が新しくになるにつれて増大している。ポリマー系材料の材料に関連する不利益は、１．０Ｗ／ｍ＊Ｋ未満の低い熱伝導率、圧力下での低い寸法安定性及び摩耗耐性のために熱の消散が不十分であり、これはこれまでのところ適合されていない。メカニカルシールの操作中に生じる摩擦熱の高いアウトプットは、ポリマー材料によってはほとんど消散されない。更に、ポリマー材料は、比較的低温でも既に機能しない。循環ポンプは、しばしば、約１４０℃にて加圧された水システムにおいて操作される。これらの条件下、多くの従来のポリマーは、加水分解及び／又は機械的強度の損失のために機能しない。
【００１５】
ＷＯ  ２０１２／１６９６０４  Ａ１には摺動リングが記載されており、これはポリフタルアミドを含有する樹脂組成物から製造される。加えて、樹脂組成物は、充填剤、例えば炭素繊維、ガラス繊維、炭化ケイ素繊維、グラファイト、ＭｏＳ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、窒化ホウ素及びＰＴＦＥ粉末を含有してもよい。しかし、繊維の粒子形態でのセラミック充填剤は、トライボロジーパートナーとの高い摩耗を導き、樹脂組成物が乾式運転できない。マトリックス材料は、熱可塑性処理できない。
【００１６】
ＷＯ  ２０１０／０５４２４１  Ａ２は、特に非常に大きい直径のシールのための熱可塑性摺動リングを製造する方法が記載されている。この目的のために、押出ストランドは、リングに成形され、フロント面に接合される。熱可塑性ポリマーは、充填剤としてのＰＴＦＥ又はカーボンブラックを含有してもよい。
【００１７】
排気ポンプ、例えばベーンポンプにおいて、焼結されたグラファイトは、湿式運転のためのスライド要素及び短い乾式運転のためのスライド要素のための標準材料としてこれら自体を確立した。一部の特許出願には、ポリマー系材料の使用が既に提案されている。しかし、ポリマー系材料の使用は、これまでの不満足な乾式運転能力により、液体潤滑されたポンプに限定されている。
【００１８】
ＤＥ  １０  ２００８  ０１９  ４４０  Ａ１には、乾式運転真空ポンプにおけるスライドバルブのためのポリマー材料の使用が提案されている。使用されたポリマー材料は、乾式運転操作においてグラファイトに勝る利点はなく、限られた摩耗耐性を有するのみである。
【００１９】
ＤＥ  ２０  ２００９  ０００  ６９０  Ｕ１には、Ｔｅｆｌｏｎ又はＰＥＥＫのようなポリマー材料から製造されるベアリング及び排気エレメントを有する回転排気ポンプが記載されている。
【００２０】
ＤＥ  ２０  ２００７  ０１２  ５６５  Ｕ１には、ＰＥＥＫ材料のローターを有する排気ポンプが記載されている。
【００２１】
ＥＰ  １  ４２４  ４９５  Ａ２には、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ及びＰＥＳのようなポリマー材料のポンプローター及び／又はローターブレードを有する排気ポンプが記載されている。列挙された材料は、限られた乾式運転能力を有するのみであり、すなわちそれらは短時間でのみ、更に中程度の負荷下でのみ乾式運転可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
このため、本記載は、先行技術の不利益を回避し、利用可能なポリマー摺動材料、並びにそれらから製造されるメカニカルシールを製造する目的に対処し、これは、摩耗による損失が小さく、湿式運転条件下で長い運転時間にわたってさえも摩耗耐性であり、更に永久的に乾式運転できる。更に、本記載は、乾式運転ポンプにおける排気エレメントのためのポリマー系摺動材料を利用可能にする目的に対処し、この材料により乾式運転時間を延長できる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記で指定された目的は、請求項１のポリマー摺動材料、請求項１９のメカニカルシール、及び請求項２４のポリマー摺動材料の使用によって達成される。ポリマー摺動材料の好ましい又は特に適切な実施形態及びメカニカルシールの好ましい又は特に適切な実施形態は、従属請求項２〜１８及び２０〜２３に与えられる。
【００２４】
これに応じた記載の主題は、ポリマーマトリックス材料及び充填剤を含むポリマー摺動材料であり、この充填剤は強化粒子、硬質材料粒子及び潤滑剤を含む。
【００２５】
本記載のさらなる主題は、回転摺動リング及び静止対向リングを含むメカニカルシールであり、この回転摺動リング及び／又は対向リングは、本記載に従うポリマー摺動材料を含む。
【００２６】
本記載のさらなる主題は、乾式運転用途のためのこうした材料の、特に湿式及び乾式運転のポンプにおいて排気エレメントのための材料としての使用である。
【００２７】
本記載に従うポリマー摺動材料は、摩耗耐性であり、機械的に安定であり、グラファイトとは異なり、永久的に乾式運転可能である。摩耗耐性は、グラファイトよりも良好である。
【００２８】
本記載に従うポリマー摺動材料は、湿式運転及び乾式運転において可能な摩擦による損失が非常に小さい。メカニカルシールにおける回転摺動リング及び／又は静止対向リングとして、並びに排気エレメント並びに湿式運転及び乾式運転ポンプ、例えばベーンポンプにおけるスライドバルブとして永久的な乾式運転操作に好適である。
【００２９】
本記載に従うメカニカルシールは、非常に低い摩擦損失を生じ、永久的に乾式運転を行うことができることによって区別される。
【００３０】
本記載に従うメカニカルシールは、コスト面で有効に製造でき、乾式運転する場合にほとんどノイズを生じることなく操作することによって区別される。
【００３１】
ほとんどノイズのない乾式運転ポンプの操作は、排気エレメントとしての本記載に従うポリマー摺動材料の使用によって可能となる。
【００３２】
好ましくは、本記載に従うポリマー摺動材料は、１．４〜１．６ｇ／ｃｍ３の低い特定密度（specific density）を有する。これは、グラファイト（密度２．２ｇ／ｃｍ３）よりも更に有利であり、回転排気ポンプにおいては更に、摩擦パートナーに作用する垂直抗力が低減するために性能損失が低下する。
【００３３】
本記載に従うポリマー摺動材料は、射出成形によって製造でき、これは多くの設計可能性を有する構成成分の製造を簡単にして、コスト面で有効にする。
【００３４】
そのため、ポンプ用途における標準材料として予め使用されている焼結されたグラファイト材料は、本記載に従うポリマー摺動材料によって置き換えることができる。結果として、ポリマー材料は、ポンプにおけるメカニカルシールにおいて最初に使用でき、これはわずかな負荷から約１６ｂａｒまでの中程度負荷にて操作する。
【００３５】
本記載に従うメカニカルシールの乾式運転の摩擦係数は、強化繊維及び乾式潤滑剤の添加を伴うが、硬質材料粒子、特にサブミクロンセラミック粒子は使用せずに製造されたポリマー材料を有する比較メカニカルシールの場合よりも低い。
【００３６】
特性におけるこの改善は、一般にセラミック材料が非常に高い乾燥摩擦係数を有し、乾式運転は不可能であるので、予測されなかった。セラミック／鋼及びセラミック／セラミックペアリングの乾燥摩擦係数は＞０．５である。他方で、焼結グラファイトは、鋼及びセラミックとペアになる場合に、０．１５〜０．２の乾燥摩擦係数を有する。本記載に従うメカニカルシールにより達成可能な乾燥摩擦係数は、０．１未満であり、故にグラファイト及びセラミック又はグラファイト及び鋼の標準ペアリングで達成可能な値よりも低い。特性におけるこの改善はまた、当業者には驚くべきことである。
【００３７】
本記載に従うメカニカルシールのさらなる利点は、温度が乾式運転操作においてわずかにのみ増大することであり、これは特に二次ポリマーシール、例えばＯ−リングを保護するために必要である。
【００３８】
非常に高い負荷、例えば３０００ＲＰＭの回転速度及び０．６ＭＰａの表面圧力においてさえ乾式運転する場合、本記載に従うポリマー摺動材料の調査された回転摺動リングは、摩耗跡がほとんどない非常に平坦な表面を示す。より長い１時間の使用期間の後であっても、摺動表面は平坦であり、正の機械的係合（positive mechanical engagement）のほんの少しの作用を示す。故に、液体潤滑を用いない連続操作下であっても非常に低い摩擦係数が維持される。
【００３９】
湿式運転条件下、回転摺動リングとして本記載に従うポリマー材料及び対向リングとしてＡｌ２Ｏ３セラミックを有する本記載に従うメカニカルシールの０．０１５の摩擦係数は、測定された値の中間であり、従ってグラファイト及びセラミックから製造された従来のメカニカルシールの摩擦係数よりも３倍小さい。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
家庭用及び自動車用循環ポンプにおいて使用される媒体、例えば水、油、ブレーキフルード、及びグリコールに対して高い化学耐性を有する材料は、本記載に従うポリマー摺動材料のためのポリマーマトリックス材料として好適である。更に、ポリマーマトリックス材料は、最大使用温度において連続操作に好適でなければならない。最大使用温度は、水に関して１４０℃及び油に関して２２０℃である。ポリマーマトリックス材料のガラス転移温度は、これらの温度よりも高くなければならない。製造理由のために、ポリマーマトリックス材料は、好ましくは熱可塑性加工処理可能であるべきである。更に、ポリマーマトリックス材料は、良好な圧力耐性、及び変形がほとんどない機械的応力を吸収するための高い弾性率を有していなければならない。
【００４１】
これらの要件は、特に、熱可塑性処理でき、好ましくはポリマーマトリックス材料として使用され、以下の分類の材料を含む高温プラスチックによって充足される：ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ、ＰＥＳＵ）、ポリアリールスルホン（ＰＳＵ，ＰＰＳＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミド（ＰＡ）及び液晶ポリマー（ＬＣＰ）。しかし、他のポリマーマトリックス材料、例えば熱可塑性処理できない以下のようなものも使用されてもよい：ポリイミド（ＰＩ）、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）、及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）。これらの分類の材料の組み合わせも可能である。
【００４２】
本記載に従うポリマー摺動材料は、トリボ添加剤とも称され得る充填剤を含有する。強化粒子、潤滑剤及び硬質材料粒子は充填剤として使用される。
【００４３】
強化粒子の機能は、ポリマー材料を機械的に強化する機能である。特に繊維状粒子、例えば炭素及び／又はアラミド繊維は、強化粒子として好適である。強化粒子の添加により、ポリマー材料の弾性率が増大する。弾性率が増大するにつれて、所与の圧力における弾性変形が低下し、それによってそこから製造されたポンプ構成成分、例えば回転摺動リングの圧力吸収能力及びメカニカルシールの負荷保持能力が増大する。それらが摺動特性を支持し、メカニカルシールの対向リングにおいて摩耗性を低減するので、本記載に従うポリマー摺動材料のための機械的強化粒子としての炭素繊維の使用は、特に好ましい。
【００４４】
強化粒子の含有量及び粒径又は繊維長さは、それぞれの設計について最適である剛性及び強度値が得られるように選択される。好ましくは、強化粒子の含有量は、ポリマー摺動材料に基づいて１〜２０重量％、特に５〜２０重量％である。好ましくは、強化粒子、例えば炭素繊維として使用されるのが好ましい繊維の長さは、より長い繊維がコンパウンド化及び射出成形の間に安定ではないので、２００μｍ未満である。
【００４５】
本記載に従うポリマー摺動材料のための硬質材料粒子として、炭化ケイ素、炭化ホウ素、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、二酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、及びダイアモンド粒子が使用されてもよい。これらの硬質材料粒子の組み合わせも可能である。好ましくは、炭化ケイ素、炭化ホウ素、酸化アルミニウム及び二酸化ケイ素粒子又はこれらの粒子の組み合わせが使用される。
【００４６】
好ましくは、炭化ケイ素粒子が硬質材料粒子として使用される。炭化ケイ素充填剤は、＞９．５モースの硬度を有し、故にすべて天然の摩耗材料（ダイアモンドを除く）よりも硬質ある。更に、ほぼ全ての液体ポンプ媒体において、炭化ケイ素は非常に良好な耐食性を有し、これは既知のポリマーマトリックス材料の安定性をはるかに超えている。
【００４７】
炭化ケイ素充填剤を用いるバージョンの更なる利点は、炭化ケイ素の１２０Ｗ／ｍ＊Ｋを超える非常に高い熱伝導率であり、この結果、得られる摩擦熱は、複合材料中においてでさえも効果的に消散する。
【００４８】
粗粒セラミック充填剤は、処理され、対向リングとトライボロジー接触した場合に高度に摩耗性であるので、１μｍ以下の平均粒径（ｄ５０）を有する非常に微細なグレインが、好ましくは硬質材料粒子として使用される。硬質材料粒子の平均粒径（ｄ５０）が１μｍ未満（サブミクロン粒子）である場合に特に好ましく、０．８μｍ以下である場合に更により好ましい。
【００４９】
硬質材料粒子は、好ましくは２以下の低アスペクト比（長さと直径との比）を有し；これは摩耗を減らすのに有利な作用を有する。
【００５０】
硬質材料の含有量は、粒子の理論的充填密度の限界まで、広範囲から選択できる。好ましくは、硬質材料粒子の含有量は、１〜３０重量％であり；ポリマー材料の良好な機械的特性は、これらの含有量で得られる。５〜２０重量％の硬質材料粒子が、それぞれの場合にポリマー摺動材料に基づいて添加される場合に特に好ましい。
【００５１】
強化粒子及び硬質材料粒子の総量は、ポリマー摺動材料に基づいて、好ましくは２〜５０重量％であり、特に１０〜３０重量％である。
【００５２】
強化粒子と硬質材料粒子との混合比は、それぞれの用途に所望される、硬度、剛性及び強度に従って選択される。
【００５３】
潤滑剤として、例えばグラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、窒化ホウ素及びモリブデンジスルフィド（ＭｏＳ２）が好適である。シリコーン油も考慮される。潤滑剤は、好ましくは潤滑粒子の形態で使用される。
【００５４】
潤滑粒子の平均粒径（ｄ５０）は、好ましくは１〜５０μｍである。
【００５５】
潤滑粒子としてグラファイト及びＰＴＦＥ粒子の組み合わせの使用が特に好ましい。
【００５６】
潤滑剤の総量は、ポリマー摺動材料に基づいて、好ましくは１〜４０重量％、特に１０〜３０重量％である。
【００５７】
処理の理由から、強化粒子、硬質材料粒子及び潤滑剤の総量は、７０重量％を超えるべきではない。強化粒子、硬質材料粒子及び潤滑剤の総量は、ポリマー摺動材料に基づいて、好ましくは３〜７０重量％であり、特に３０〜５０重量％である。ポリマーマトリックス材料の総量は、好ましくはポリマー摺動材料に基づいて、好ましくは３０〜９７重量％、特に５０〜７０重量％である。
【００５８】
硬質材料粒子及び強化粒子の総量に関連して、硬質材料粒子は、好ましくは２０〜９０重量％、特に４０〜８０重量％の量で含有される。
【００５９】
硬質材料粒子及び潤滑剤の総量に関連して、硬質材料粒子は、好ましくは１０〜７０重量％、特に２５〜６０重量％の量で含有される。
【００６０】
強化粒子及び潤滑剤の総量に関連して、強化粒子は、好ましくは１０〜７０重量％、特に２５〜４５重量％の量で含有される。
【００６１】
好ましい実施形態において、炭素繊維、ＳｉＣサブミクロン粒子及び潤滑剤粒子の組み合わせは、本記載に従うポリマー摺動材料のための充填剤として使用される。ここでまた、潤滑剤粒子としてのグラファイト及びＰＴＦＥ粒子の好ましい組み合わせを使用するのが有利である。
【００６２】
弾性率、すなわち本記載に従うポリマー摺動材料の剛性は、少なくとも７ＧＰａである。
【００６３】
本記載に従うメカニカルシールの回転摺動リング及び／又は回転対向リングは、本記載に従うポリマー摺動材料を包含する。好ましい実施形態において、本記載に従うメカニカルシールに従う回転摺動リング及び／又は静止対向リングは、本記載に従うポリマー摺動材料から構成される。
【００６４】
本記載に従うポリマー摺動材料を包含する、本記載に従うメカニカルシールの回転摺動リング又は対向リングの摺動パートナー、すなわち静止対向リング又は更に回転摺動リングは、従来のメカニカルシール材料、例えばセラミック、グラファイト、硬質金属、金属又は青銅から構成されてもよい。
【００６５】
更に可能性としての実施形態において、回転摺動リング及び静止対向リングの両方は、ポリマー材料から製造され；好ましくは両方のリングは、本記載に従うポリマー摺動材料から製造される。これらの手段によって、メカニカルシールの総コストは、更に低減できる。
【００６６】
好ましくは、本記載に従うメカニカルシールの回転摺動リングは、本記載に従うポリマー摺動材料から構成される。
【００６７】
本記載に従うメカニカルシールの好ましい実施形態において、回転摺動リングは、本記載に従うポリマー摺動材料から製造され、対向リングは鋼から製造される。この実施形態は、油及び水圧用途に特に好適である。
【００６８】
本記載に従うメカニカルシールの更に好ましい実施形態において、摺動リングは本記載に従うポリマー摺動材料から製造され、対向リングは、密な微粒焼結セラミック、例えば酸化アルミニウムから製造される。焼結炭化ケイ素（ＳＳｉＣ）からの構成は特に有利である。好適な炭化ケイ素材料は、ＥＳＫ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ＧｍｂＨ  ＆  Ｃｏ．ＫＧから、ＥＫａｓｉｃ（登録商標）Ｆの名称で入手可能であり、これは＞１２０Ｗ／ｍ＊Ｋの熱伝導率を有する。
【００６９】
回転摺動リング及び／又は静止対向リングの摺動表面は、好ましくは非常に高い表面品質、すなわち低い粗さ値を有するべきである。摺動リング及び／又は対向リングの粗さ値を減少させることによって、摩擦係数及び磨耗が顕著に減少され得るということを示すことができた。摺動リング及び／又は対向リングの両方が研磨された摺動表面を有する場合が、特に好ましい。
【００７０】
対向リングの摺動表面は、好ましくは平坦性からほとんど逸脱することなく構成されるべきである。
【００７１】
本記載に従うポリマー摺動材料は、乾式運転条件下で連続的に使用できる。
【００７２】
メカニカルシールにおけるその使用とは別に、本記載に従うポリマー摺動材料はまた、湿式運転及び乾式運転ポンプにおける排気エレメントとしても使用できる。排気エレメントの例は、排気ポンプ、例えば真空ベーンポンプにおけるスライドバルブ、及びギアポンプにおける圧力プレートである。更に、本記載に従うポリマー摺動材料はまた、半径及び軸ベアリングにおける構成成分として使用されてもよい。
【００７３】
本記載に従うポリマー摺動材料の排気エレメント及び本記載に従うメカニカルシールは、熱水循環ポンプ、飲料水ポンプ、内燃エンジンのための冷水循環ポンプ、及び電気デバイス、凝集冷却サイクルのためのコンプレッサポンプ、ブレーキブースタのための真空ポンプ、ブレーキフルードのための排気ポンプ（ＥＳＰ及びＡＢＳシステム）、コントロールキャビネットを冷却するための冷却水循環ポンプ、水圧ユニット及びレーザーデバイスに使用できる。
【００７４】
乾式運転用途とは別に、本記載に従うポリマー摺動材料の排気エレメントはまた、腐食性媒体、例えばアルカリ性溶液及び酸、溶媒、油、低粘度脂質及びブレーキフルード中の用途のために使用できる。
【００７５】
更に、本記載に従うメカニカルシールはまた、油、脂肪又は他の潤滑剤を用いた永久的な潤滑が確実である限り、電気モーター、特に小さいモーターのシールに好適である。
【００７６】
本記載に従うポリマー摺動材料は、好ましくは、熱可塑性射出成形プロセスによって、本記載に従うメカニカルシールの摺動リング及び対向リングのような構成成分及び排気エレメントに転換される。要求される複雑性及び機能的一体性の要件を有する構成成分はまた、熱可塑性射出成形プロセスによって産業スケールで製造できる。当該技術分野の慣用的な方法、例えばツインスクリュー押出は、ポリマー摺動材料を混合し、コンパウンド化するために使用される。
【００７７】
分散特性を改善するために、硬質材料粒子は、それらが混合され、コンパウンド化される前に、例えばスプレー乾燥によってアグロメレートされてもよい。アグロメレートの平均サイズは、好ましくはここで７０〜１５０μｍである。アグロメレートは、標準設定下においてツインスクリュー押出によるコンパウンド化の間に容易に崩壊し、３０重量％までの硬質材料粒子の高含有量においてさえも効率の良い押出プロセスを許容する。アグロメレートしていない硬質材料粒子の処理は、サブミクロン範囲の粒径には好ましくない。
【００７８】
ポリマーマトリックス材料を製造するために他の既知の方法はまた、本記載に従ってポリマー摺動材料を調製するために使用されてもよい。
【実施例】
【００７９】
実施例及び比較例
【００８０】
（実施例１）
充填ポリマー材料は、熱可塑性ツインスクリュー押出によって調製される。ツインスクリュー押出によるコンパウンド化のための組成物は、６０重量％のＰＥＥＫ（Ｖｉｃｔｒｅｘ（登録商標）ＰＥＥＫ  １５０）、１０重量％のグラファイト、１０重量％のＰＴＦＥ、１０重量％の炭素繊維及び１０重量％の炭化ケイ素粉末を含む。
【００８１】
炭化ケイ素粉末は、＞９６％の純度及び１５０ｎｍの平均粒径（ｄ５０）を有する。分散特性を改善するために、炭化ケイ素粉末は、水性懸濁液からスプレー乾燥することによってアグロメレートされる。スプレー乾燥されたアグロメレートの平均サイズは１００μｍである。アグロメレートは、標準設定でのツインスクリュー押出によるコンパウンド化の間に容易に崩壊し、効率の良い押出プロセスが可能になる。
【００８２】
（実施例２）
充填ポリマー材料は、熱可塑性ツインスクリュー押出によって調製される。ツインスクリュー押出機においてコンパウンド化するための組成物は、５５重量％のＰＰＳ（ＴｉｃｏｎａからのＦｏｒｔｒｏｎ  ０２０３）、１０重量％のグラファイト、１０重量％のＰＴＦＥ、１０重量％の炭素繊維及び１５重量％の炭化ケイ素粉末を含む。実施例１に使用されるアグロメレート化粉末は、炭化ケイ素粉末として使用される。
【００８３】
（実施例３）
充填ポリマー材料は、熱可塑性ツインスクリュー押出によって調製される。ツインスクリュー押出機においてコンパウンド化するための組成物は、６０重量％のＰＥＳＵ（ポリエーテルスルホン；ＢＡＳＦからのＵｌｔｒａｓｏｎ  Ｅ  １０１０）、１０重量％のグラファイト、１０重量％のＰＴＦＥ、１０重量％の炭素繊維及び１０重量％の炭化ケイ素粉末を含む。実施例１に使用される粉末は、炭化ケイ素粉末として使用される。
【００８４】
（実施例４）
乾式運転テストを、リング−オン−リングタイプのテストリグにて行う。この目的のために、実施例１の材料のリングは、押出ロッドを機械的に処理することによって固定子用に製造される。リングは、３０ｍｍの外部直径Ｄａ及び２０ｍｍの内部直径Ｄｉ及び１６ｍｍの高さを有する。リングの摺動表面は、精密に研磨され、リングは続いて乾式運転テストリグの固定子サンプルホルダーに挿入される。精密に研磨された表面を有する１．４７１３のステンレス鋼のリングを、ロ−ターのためのサンプルホルダーに挿入する。固定子の摺動表面を、ローターの摺動表面に対して０．２ＭＰａの接触圧力で空気圧により加圧する。モーターが始動した後、ローターは１０００ＲＰＭで回転し、これは１．３ｍ／ｓの平均摺動速度に対応する。固定子は、それが回転でき、ロードセルに導くワイアによって保持されるように載置され、結果として透過した摩擦力を測定できる。温度を測定する熱電対も固定子に固定される。摩擦係数は、ロードセルの測定シグナルから計算され、温度と共に時間の関数として記録される。
【００８５】
摩擦係数μは、次から計算される：
μ＝（ＦＬＭＤ＊ｒＬＭＤ）／（ｐＦｌａｃｈｅ＊ＡＲｅｉｂ＊ｒＲｅｉｂ）
式中、
ＦＬＭＤ［Ｎ］は、ロードセルによって測定される摩擦力である。
ｒＬＭＤ［ｍｍ］は、摩擦力が測定される位置での半径である。
ｐＦｌａｃｈｅ［Ｎ／ｍｍ２］は、リングの表面圧力である。
ＡＲｅｉｂ［ｍｍ２］は、係合表面積である。
ｒＲｅｉｂ［ｍｍ］は、摩擦表面の平均半径である。
【００８６】
得られた測定値から決定された運転時間全体に対する平均摩擦係数、並びに１時間の実験後の固定子にて測定される温度は、乾式運転を行う能力に関する評価パラメータとして作用する。
【００８７】
表１は、得られた測定値を示す。
【００８８】
摩擦係数が高くなるにつれて、熱の形態で摩擦エネルギーが大きくなり、温度の上昇が速くなる。温度は、導入されている摩擦熱だけなく、摩擦パートナーの熱特性（熱容量、熱伝導率、サンプルへの及びサンプルホルダーにわたる測定装置全体への熱フロー）に依存する。摩擦係数が低い場合、温度は徐々にのみ上昇し、次いでプラトー値において水平になり、これは表１において記述「プラトー値」によって「コメント」欄に示される。この挙動は、本記載に従う実施例すべてについて観察される。高い摩擦係数において、＞１５０℃の温度においてテストリグの電源を切るまで、温度は連続的に上昇する。
【００８９】
乾式運転のための表１の実施例の好適性を、操作の緊急モード及び連続使用について別々に表２に示す。
【００９０】
過熱なしに潤滑媒体の簡単な欠陥に耐える材料は、過熱なしに乾式運転可能であると評価される。この関連性において、３０分までの時間は、短いと考えられる。過熱を導く又は数分後に機能しなくなる材料は、操作の緊急モードにおいて乾式運転できない。
【００９１】
過熱がなく、潤滑媒体を用いずに長期間運転できる材料は、連続使用のために乾式運転できると分類される。１時間以上の時間はより長い時間として考慮される。永久的に乾式運転する能力についてのさらなる本質的な基準は、システム構成成分にとって重要な温度未満の一定温度レベル（プラトー）の調整である（例えばここで行われる実験に関して、１５０℃の最大温度がテストリグのために許容できる）。これは、乾式運転中にシステムに導入される摩擦熱が非常にわずかである場合であり、温度のさらなる上昇なしに、再びもう一度システムによって吸収されるか、又は消散されることができる場合である。こうした手段によって、温度は永久的に低いままであることが確実になる。
【００９２】
（実施例５）
実施例４を繰り返した；しかし、固定子は、実施例２の材料から製造された。
【００９３】
得られた測定値を表１に与え、乾式運転能の評価を表２に与える。
【００９４】
（実施例６〜８）
実施例４を繰り返した；しかし、接触圧力及び摺動速度を表１に示すように評価した。
【００９５】
得られた測定値を表１に与え、乾式運転能の評価を表２に与える。
【００９６】
非常に高い負荷、例えば１０００ＲＰＭの回転速度及び０．６ＭＰａの表面圧力の後でさえも、本記載に従う材料の摩擦試料は、実施例４〜８の乾式運転テストが行われた後に試験されたが、摩耗の跡がほとんどない非常に平坦な表面を示した。
【００９７】
参照例１
実施例５の乾式運転テストを繰り返した；しかし、乾式運転テストのための固定子リングを実施例１に対応する材料から調製したが、炭化ケイ素のサブミクロンの硬質材料粒子の添加はなかった。ＰＥＥＫ材料のための充填剤として、１０重量％のグラファイト、１０重量％のＰＴＦＥ及び１０重量％炭素繊維を使用した（７０重量％のＰＥＥＫ）。
【００９８】
得られた測定値を表１に与え、乾式運転能の評価を表２に与える。
【００９９】
実験は、固定子の温度が既に７０℃になってから４．５分後に終了したが、このような急なさらなる温度上昇は固定子の溶融を導くことになり得た。
【０１００】
参照例２
実施例５の乾式運転テストを繰り返した；しかし、乾式運転テストのための固定子リングを実施例２に対応する材料から調製したが、炭化ケイ素のサブミクロンの硬質材料粒子の添加はなかった。ＰＰＳ材料のための充填剤として、１０重量％のグラファイト、１０重量％のＰＴＦＥ及び１０重量％炭素繊維を使用した（７０重量％のＰＰＳ）。
【０１０１】
得られた測定値を表１に与え、乾式運転能の評価を表２に与える。
【０１０２】
実験は、固定子の温度が既に７０℃になってから２．５分後に終了したが、このような急なさらなる温度上昇は固定子の溶融を導くことになり得た。
【０１０３】
比較例１：
実施例５の乾式運転テストを繰り返した；しかし、例外として乾式運転テストのための固定子リングは、アンチモンで含浸されているカーボングラファイト（ＥＫ３２０５、ＳＧＬ  Ｃａｒｂｏｎ）から製造された。接触圧力は０．２ＭＰａであり、摺動速度は１．３ｍ／ｓであった（実施例５と同様に、表１を参照）。
【０１０４】
得られた測定値を表１に与え、乾式運転能の評価を表２に与える。
【０１０５】
６０分の実験期間後、固定子での温度は１２０℃であり、依然として上昇した。従って、メカニカルシールペアリングは、連続使用条件下で、乾式運転可能ではない。
【０１０６】
テストされたメカニカルシールのペアリングは、操作の緊急モードのために使用できる；しかし、このペアリングの摩耗による除去は、本記載に従う実施例４及び５の場合よりも顕著に高い（表１の最終カラムを参照）。
【０１０７】
比較例２：
実施例８の乾式運転テストを繰り返した；しかし、例外として乾式運転テストのための固定子リングは、アンチモンで含浸されているカーボングラファイト（ＥＫ３２０５、ＳＧＬ  Ｃａｒｂｏｎ）から製造された。接触圧力は０．６ＭＰａであり、摺動速度は３．９ｍ／ｓであった（実施例９と同様に、表１を参照）。
【０１０８】
得られた測定値を表１に与え、乾式運転能の評価を表２に与える。
【０１０９】
実験は、固定子温度が既に１５０℃になってから２４分後に終了し、乾式運転テストリグは、高温のために設計されなかった。
【０１１０】
表１
リング−オン−リングタイプの乾式運転テスト
Ｄａ＝３０ｍｍ、Ｄｉ＝２０ｍｍ
鋼ローターに対する乾式運転
固定子での温度測定
ｖ＝１．３ｍ／ｓ（１０００ＲＰＭ）又は３．９ｍ／ｓ（３０００ＲＰＭ）
ｐ＝０．２ＭＰａ又は０．４ＭＰａ又は０．６ＭＰａ
【０１１１】
【表１】
2016519702.tif 000002
【０１１２】
【表２】
2016519702.tif 000003
【国際調査報告】
2016519702.tif 000004
2016519702.tif 000005
2016519702.tif 000006
2016519702.tif 000007
2016519702.tif 000008
2016519702.tif 000009
2016519702.tif 000010
2016519702.tif 000011
2016519702.tif 000012
2016519702.tif 000013