DE602004006489T3 - Zusammensetzungen mit polyphenylenether und/oder polystyrol mit verbesserten tribologischen eigenschaften sowie verfahren zur verbesserung der tribologischen eigenschaften von polyphenylenether- und/oder polystyrolzusammensetzungen - Google Patents

Zusammensetzungen mit polyphenylenether und/oder polystyrol mit verbesserten tribologischen eigenschaften sowie verfahren zur verbesserung der tribologischen eigenschaften von polyphenylenether- und/oder polystyrolzusammensetzungen Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Traditionell verwenden Abnutzungssysteme externe Schmiermittel, wie z. B. Öl oder Fett, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen und die Reibungsverluste zwischen sich bewegenden, in Kontakt stehenden Oberflächen von Komponenten in tribologischen Systemen zu reduzieren. Solche externen Schmiermittel müssen jedoch oftmals periodisch ersetzt werden und können ungleichmäßig über die Abnutzungsoberfläche verteilt sein, was in erhöhten Kosten und Ineffizienz des Abnutzungssystems resultiert. Zusätzlich können in manchen Bereichen, wie z. B. der Lebensmittelverarbeitung und beim Fotokopieren, wo Produktverunreinigung ein Anliegen ist, traditionelle externe Schmiermittel unerwünscht sein.
  • Daher kann es in vielen Abnutzungssystemen erwünscht sein, externe Schmiermittel durch Verwendung von internen Schmiermitteln in polymeren Bestandteilen zu ersetzen oder zu eliminieren, um die tribologischen Eigenschaften (wie z. B. Verschleißfestigkeit und Reibungsbeständigkeit) zu verbessern. Interne Schmiermittel können verwendet werden, um Reibungskoeffizienten zwischen polymeren und metallischen Oberflächen zu reduzieren, Abnutzungsbeständigkeit zu erhöhen, Fließcharakteristiken zu verbessern und Eigenschaften des Polymeren, wie z. B. Verschlingen (knitting) und Befeuchten, zu erhöhen. Die Verwendung eines internen Schmiermittels kann entweder die Notwendigkeit für ein externes Schmiermittel eliminieren oder verbesserte Lebensdauer von Teilen in einer Anwendung zur Verfügung stellen, die ein externes Schmiermittel nicht tolerieren kann. Allgemein verwendete interne Schmiermittel beinhalten Wachse, Fettsäuren, Metallstearate, Aramid, Silikone, Graphit und Molybdändisulfid. Zusätzlich sind gewisse Fluorpolymere dafür bekannt, in gewissen Polymeren geringe Reibungskoeffizienten beizusteuern. Z. B. ist Polytetrafluorethylen (PTFE), das einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten hat und vorteilhafte Schmiereigenschaften zeigt, ein allgemein verwendetes internes Schmiermittel für viele Verbindungen und Basispolymere.
  • In einigen Systemen kann es jedoch erwünscht sein, eine Zusammensetzung zu verwenden, die frei von PTFE ist. Z. B. erfordern einige Anwendungen Materialien, die nicht halogeniert sind, und demzufolge sollte PTFE vermieden werden. PTFE ist auch dafür bekannt, die Schlageigenschaften von einigen Polymerkomposits nachteilig zu beeinträchtigen, was die Verwendung einer solchen Verbindung in solchen Anwendungen ausschließt, in denen Schlagfestigkeit von erhöhter Wichtigkeit ist. Letztendlich ist PTFE allgemein teuerer als Basispolymere, in die es kompoundiert wird, in welchem Fall die Menge an Vorteil, der durch das PTFE verliehen wird, die zusätzlichen Kosten nicht rechtfertigen kann. Da ein gewisser Level an internem Schmiermittel aber dennoch erwünscht sein kann, werden Alternativen für PTFE benötigt.
  • Verfahren zur Verwendung von Polyolefinen als innere Schmiermittel, um die tribologischen Eigenschaften von verschiedenen Arten von Polymerkomposits zu verbessern, sind bekannt. Solche Komposits beinhalten Polyamid/Polypropylen-Blends und Polycarbonatzusammensetzungen, einschließlich Polycarbonat/Polyolefin-Blends. Es verbleibt jedoch eine Notwendigkeit im Stand der Technik für den Ersatz von PTFE, der als ein internes Schmiermittel für Polyphenylenether und/oder Styrol-enthaltende Zusammensetzungen wirkt und von dem gezeigt wird, dass er die tribologischen Eigenschaften von solchen Zusammensetzungen verbessert, aber keinen der oben angegebenen Nachteile des PTFE zeigt.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist in den Ansprüchen spezifiziert.
  • Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung, aufweisend: (a) Ein Basispolymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Polymer, aufweisend Styrol, und einem Polymer, aufweisend Polyphenylenether, (b) ein Polymer, aufweisend Olefin, um innere Schmierung zur Verfügung zu stellen, und (c) einen Kompatibilisierer, wobei die Zusammensetzung verbesserte tribologische Eigenschaften im Vergleich zu dem Basispolymer alleine zeigt.
  • Diese Erfindung betrifft auch einen Formgegenstand, hergestellt aus einer Zusammensetzung, aufweisend (a) ein Basispolymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Polymer, aufweisend Styrol, und einem Polymer, aufweisend Polyphenylenether, (b) ein Polymer, aufweisend Olefin, um die innere Schmierung zur Verfügung zu stellen und (c) einen Kompatibilisierer, wobei die Zusammensetzung verbesserte tribologische Eigenschaften im Vergleich zu dem Basispolymer alleine zeigt.
  • Die Erfindung betrifft auch einen flammhemmenden Gegenstand. Der Gegenstand wird hergestellt aus einer Zusammensetzung, aufweisend (a) ein Basispolymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Polymer, aufweisend Styrol, und einem Polymer aufweisend Polyphenylenether, (b) ein Polymer, aufweisend Olefin, um innere Schmierung zur Verfügung zu stellen, (c) einen Kompatibilisierer und (d) einen Flammhemmer, wobei die Zusammensetzung verbesserte tribologische Eigenschaften im Vergleich zu dem Basispolymer alleine zeigt.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Verbesserung einer tribologischen Eigenschaft eines Basispolymeren, wobei das Basispolymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Polymer aus Styrol und einem Polymer aus Polyphenylenether, ebenfalls in der Erfindung eingeschlossen ist. Das Verfahren weist das zur Verfügung stellen von zumindest einem Polymer aus Olefin und zumindest einem Kompatibilisierer zu dem Basispolymeren auf, um eine Zusammensetzung zu bilden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein weiteres Verfahren zur Verbesserung einer tribologischen Eigenschaft eines Basispolymeren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Polymer aus Styrol und einem Polymer aus Polyphenylenether, welches ebenfalls hier zur Verfügung gestellt wird. Das Verfahren weist das zur Verfügung stellen von zumindest einem im Wesentlichen halogenfreien inneren Schmiermittel zu dem Basispolymeren auf, um eine Zusammensetzung zu bilden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Verbesserung der Abnutzungsbeständigkeit eines Basispolymeren in einem trockenen, gleitenden tribologischen Verschleißsystem mit weichem Kontakt, wobei eine Oberfläche des Basispolymeren auf einer weiteren Oberfläche lastet, was Reibung verursacht. Das Verfahren weist auf: (a) Zur Verfügung stellen eines Basispolymeren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Polymer aus Styrol und einem Polymer aus Polyphenylenether, (b) zur Verfügung stellen eines Polymeren aus Olefin zu dem Basispolymer, (c) zur Verfügung stellen eines Kompatibilisierers zu dem Basispolymer und (d) Schmelzvermischen des Basispolymeren, des Polymeren aus Olefin und des Kompatibilisierers, um eine Zusammensetzung zu bilden. Die Zusammensetzung hat eine verbesserte Abnutzungsbeständigkeitsverbindung in dem Basispolymer und einen Abnutzungsfaktor von weniger als etwa 130 × 10–11 mm5/Pa-m in einem tribologischen System.
  • Letztendlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren, um einem Basispolymeren ein inneres Schmiermittel zur Verfügung zu stellen, wobei das Basispolymer ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einem Polymer aus Styrol und einem Polymer aus Polyphenylenether. Das Verfahren weist das zur Verfügung stellen von zumindest einem Polymer aus Olefin und zumindest einem Kompatibilisierer zu dem Basispolymer auf, um eine Zusammensetzung zu bilden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorhergehende Zusammenfassung sowie die folgende eingehende Beschreibung von erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsformen wird besser verstanden, wenn sie im Zusammenhang mit den anhängenden Zeichnungen gelesen wird. Um die Erfindung zu veranschaulichen, sind in den Zeichnungen Ausführungen gezeigt, die derzeit bevorzugt sind. Es soll jedoch verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die gezeigten präzisen Anordnungen und Gerätschaften eingeschränkt ist.
  • In den Zeichnungen ist:
  • 1 eine graphische Darstellung der Abnutzungsrate von verschiedenen Zusammensetzungen gemäß Erfindung, gemessen in Realzeit, und
  • 2 eine graphische Darstellung der Abnutzungsrate von verschiedenen zusätzlichen Zusammensetzungen gemäß Erfindung, gemessen in Realzeit.
  • EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Eine intern geschmierte Polymerzusammensetzung wird zur Verfügung gestellt, die in tribologischen Abnutzungssystemen verwendet werden kann, insbesondere solchen, in welchen das tribologische System eine Komponente enthält, aufweisend Styrol oder basierend auf einem Styrolmonomer und/oder eine Komponente, aufweisend Polyphenylenether (PPE). Die Verwendung von solchen Zusammensetzungen reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit eines externen Schmiermittels, während eine halogenfreie, relativ preiswerte Alternative zu den PTFE-geschmierten Styrolzusammensetzungen zur Verfügung gestellt wird und die Reibungsverluste reduziert werden. Die intern geschmierten Zusammensetzungen zeigen reduzierte Reibungskoeffizienten und niedrigere Abnutzungsfaktoren (bessere Verschleißfestigkeit) in polymeren/metallischen tribologischen Systemen.
  • Die Zusammensetzungen können verwendet werden, um in Kontakt stehende Komponenten für tribologische Systeme herzustellen, wie z. B. solche, die typischerweise in Maschinen- oder Hausgeräte-Anwendungen gefunden werden. Die Bezeichnung „tribologisch” kann so verstanden werden, dass sie sich auf Abnutzung und Reibung bezieht, was wie in größerem Detail unten beschrieben gemessen werden kann.
  • In einem typischen tribologischen Abnutzungssystem wird die Oberfläche eines polymeren Komposits dazu gebracht, dass sie gegen eine trockene oder ungeschmierte Oberfläche, einschließlich metallischen Oberflächen, wie z. B. Stahl, drückt. Für Reibungs- und Abnutzungs-Tests der vorliegenden Erfindung wird 1141 kalt gerollter Stahl als die metallische Oberfläche verwendet. Während Bestandteile, die aus den erfindungsgemäßen polymeren Zusammensetzungen gebildet werden, vorzugsweise unter trockenen Bedingungen verwendet werden, können die Komponenten auch unter feuchten Bedingungen oder in Kontakt mit einer breiten Vielzahl von Materialien, wie z. B. anderen Polymeren, etc. verwendet werden.
  • Der primäre Abnutzungsmechanismus von polymeren Komponenten in trockenen tribologischen Abnutzungssystemen mit glattem Kontakt unter moderaten Belastungsbedingungen ist Haftabnutzung. Wenn die polymeren und metallischen Komponenten in belasteten Bewegungskontakt (z. B. Gleiten) gebracht werden, schert und spreizt sich das polymere Komposit, um einen polymeren Film zu bilden, der auf die Oberfläche der Metallkomponente chemisch angeheftet wird, d. h. ein Transferfilm wird auf der Oberfläche der Metallkomponente gebildet. Die Haftabnutzung wird von zwei Faktoren beeinflusst, nämlich der Menge an Arbeit, die in der polymeren Oberfläche getan wird und der intrinsischen Haltbarkeit der gleitenden Grenzfläche. Der Abnutzungsfaktor K oder Geschwindigkeit der Abnahme der polymeren Materialoberfläche wird bestimmt durch die Geschwindigkeit von Abrieb und anschließendem Ersatz des Transferfilms, wenn neue Schichten der Oberfläche des polymeren Materials durch gleitenden Kontakt mit der Metallkomponente abgerieben werden. Abnutzungseigenschaften von Materialien in tribologischen Systemen basieren jedoch allgemein unvorhersehbar auf anderen mechanischen Eigenschaften der Polymere.
  • Die vorliegenden polymeren Zusammensetzungen können verwendet werden, um tribologische Abnutzungskomponenten mit hoher Verschleißfestigkeit (geringem Abnutzungsfaktor) und geringem Reibungskoeffizienten zur Verwendung in einer breiten Vielzahl von gleitenden Komponenten zu bilden.
  • Die vorliegende Zusammensetzung umfasst zumindest drei primäre Komponenten wie in den Ansprüchen definiert. Die resultierende intern geschmierte Zusammensetzung zeigt verbesserte tribologische Eigenschaften im Vergleich mit dem Basispolymer alleine.
  • Die Zusammensetzung enthält eine Basispolymer-Mischung aus einem Styrol enthaltenden Polymer zusätzlich zu Polyphenylenether. Das Styrol enthaltende Polymer kann jedes Homopolymer oder Copolymer, basierend auf einem Styrolmonomer und seinen Derivaten sein, einschließlich, aber nicht eingeschränkt auf, Polystyrol, Polyacrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polystyrol-Acrylnitril (SAN) oder Mischungen aus jedem der vorhergehenden Materialien mit anderen Polymeren, wie z. B. vorzugsweise Polyphenylenether. Das Basispolymer ist ein Polyphenylenether/Polystyrol-Blend, wie z. B. solche, die kommerziell als Noryl® von General Electric erhältlich sind. Solche Mischungen werden aufgrund ihrer hohen Temperaturleistung, chemischen Beständigkeit und Festigkeit verwendet.
  • Die Komponente auf Olefinbasis, welche innere Schmierung zur Verfügung stellt, ist lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE). Das verwendete Olefin umfassende Polymer ist LLDPE, da gezeigt wurde, dass es in Zusammensetzungen mit besonders niedrigen Abriebfaktoren resultiert.
  • Letztendlich ist der Kompatibilisierer zur Verwendung in den Zusammensetzungen Polystyrol-Ethylen-Butadien-Styrol (SEES). Der Kompatibilisierer funktioniert so, dass er die Zusammensetzungen besser formbar macht und ihnen auch erlauben, einen höheren Anteil der Styrol- oder Polyphenylenether enthaltenden Basispolymereigenschaften zu behalten, wie z. B. Schlagfestigkeit. Der verwendete Kompatibilisierer ist SEES.
  • Das Polymer aus Olefin ist in den Zusammensetzungen vorzugsweise in einer Menge von etwa 3 bis etwa 30 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzungen vorhanden und in einer stärker bevorzugten Ausführungsform zu etwa 5 bis etwa 15 Gewichtsprozent. Wenn die Menge an Olefin enthaltendem Polymer zu niedrig wird, wird der Abriebfaktor der Zusammensetzungen unerwünscht hoch und demzufolge können die Zusammensetzungen für die Verwendung in einigen Abriebanwendungen nicht geeignet sein. Alternativ können höhere Prozentanteile von Polymer, enthaltend Olefin, in Zusammensetzungen resultieren, die Eigenschaften zeigen, die denen von Olefin enthaltendem Polymer ähnlicher sind als dem Polyphenylenether oder Styrol enthaltenden Basispolymer, was für Abriebanwendungen möglicherweise nicht stärker erwünscht ist als die bevorzugten Zusammensetzungen und in unerwünschten mechanischen Eigenschaften resultieren kann.
  • Der Kompatibilisierer ist in den Zusammensetzungen vorzugsweise in einer Menge von etwa 1 bis etwa 20 Gewichtsprozent vorhanden und stärker bevorzugt von etwa 3 bis etwa 10 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Zusammensetzungen, abhängig von der Menge des Olefin enthaltenden Polymeren in den Zusammensetzungen und dem speziellen Basispolymer oder Polymeren, die in den Zusammensetzungen verwendet werden. Das Einbringen von höheren Mengen an Kompatibilisierer tendiert dazu, die Viskosität der Zusammensetzungen zu erhöhen, was abhängig von der jeweiligen Anwendung erwünscht oder unerwünscht sein kann. Das Verhältnis von Olefin enthaltendem Polymer zu Kompatibilisierer ist vorzugsweise etwa 0,5:1 bis etwa 10:1 und stärker bevorzugt etwa 1:1 bis 2:1.
  • Zusätzlich zu diesen drei Komponenten können die Zusammensetzungen weiterhin Standardadditive enthalten. Typische Leistungssteigerungen, die durch diese Additive erhalten werden, beinhalten, sind aber nicht eingeschränkt auf, Verstärkung, Flammhemmung, thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit, Dimensionsstabilität, Fluss- und Schlagmodifikation. Es ist bevorzugt, dass solche Additive die tribologischen Eigenschaften der Zusammensetzungen materiell nicht beeinträchtigen.
  • Typische Additive beinhalten Füller, Verstärkungsmittel, zusätzliche Schmiermittel, Färbemittel wie z. B. Tinten, Verarbeitungshilfsmittel, Schlagmodifizierer, Weichmacher, Gleitmittel, Ultraviolettabsorber und Stabilisatoren, Flammhemmer, Entformungsmittel, Fließmodifizierer und/oder Wärmestabilisatoren. Spezifische Beispiele für solche Additive beinhalten Kohlenfaser, Kohlenpulver, Glasfaser, Glaspulver, Glaskügelchen, Aramidfaser, Polyethylenterephthalatfaser, rostfreie Stahlfaser, Keramikfaser, keramisches Pulver, Wollastonit, Talk, Ton, Glimmer, Pigmente, Stearate, Wachse, Molybdändisulfid und verschiedene Öle einschließlich Silikonöl. Vorzugsweise werden die Additive minimiert, insbesondere solche, die irgendeinen signifikanten nachteiligen Effekt auf Abrieb- und/oder Reibungseigenschaften der Zusammensetzungen haben können.
  • Die erfindungsgemäß bevorzugte Zusammensetzung weist einen Flammhemmer auf und eine solche Zusammensetzung kann verwendet werden, um einen flammhemmenden Gegenstand herzustellen. Der Flammhemmer zum Einbringen in die Zusammensetzung kann ein Halogen enthaltender Flammhemmer, wie z. B. Decabromdiphenylether, Tetrabrombisphenol A oder ein bromiertes Oligomer oder Polymer, ein Phosphor enthaltender Flammhemmer, wie z. B. roter Phosphor, ein Phosphat, ein Phosphonat oder ein Phosphorsäureester, wie z. B. Resorcindiphosphat, ein Stickstoff enthaltender Flammhemmer, wie z. B. Melamincyanurat, oder eine Kombination aus einem oder mehreren dieser Arten von Flammhemmern, wie z. B. Melaminpolyphosphat sein. Die spezifischen Flammhemmer sind lediglich beispielhaft und andere Flammhemmer, die im Stand der Technik bekannt oder noch zu entwickeln sind, können ebenfalls für die Verwendung in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen geeignet sein. Bevorzugte Flammhemmer sind nichthalogenierte Flammhemmer, wie z. B. Resorcindiphosphat und Bisphenol A-Diphosphat. Der Flammhemmer wird vorzugsweise in die Zusammensetzung in einer Menge von etwa 3 bis 30 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt etwa 5 bis 15 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Zusammensetzung eingebracht.
  • Um die Zusammensetzungen mit verbesserten tribologischen Eigenschaften zu bilden, können die Komponenten in jeder geeigneten Art und Weise, wie im Stande der Technik bekannt, vermischt oder schmelzvermischt werden, wie z. B. durch Schmelzmischen unter Verwendung einer geeigneten thermoplastischen Verarbeitungsapparatur, Mischer, Mixer und ähnlichem, oder durch Schmelzverarbeitung. Alternativ kann Vermischen beispielsweise unter Verwendung eines statischen oder schrauben-/bohrerartigen Mischers ausgeführt werden. Vorzugsweise werden die Bestandteile in einem Zwillingsschrauben-Kompoundierungsextruder kombiniert, wie er z. B. kommerziell von Werner Pfleiderer erhältlich ist, oder einem Buss-Kneter von Buss (America) Inc. aus Elk Grove Village, III.
  • Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen können auch unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens, welches im Stand der Technik bekannt ist, einschließlich Extrusionsformen, Formpressen, Spritzgießen, Co-Extrusion, Extrusion/Pressen und ähnlichem, entweder in roher oder pelletisierter Form zu Formgegenständen geformt werden. Die Komponenten können auch mit anderen Formpellets oder Pulvern aus anderen Thermoplasten vermischt werden.
  • Die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Polymerzusammensetzungen können bewertet werden, indem die dynamische Reibung und Abriebwerte wie folgt beurteilt werden. Typischerweise werden der Reibungs- und Abriebtest gemäß einem standardisierten Druckscheiben-Trockengleit-Abnutzungstestverfahren bestimmt, ähnlich zu jenem, welches in ASTM D3702 beschrieben ist. Kurz gesagt wird eine Polymerprobe an eine Stahldruckscheibe in einem automatisierten LRI-la Tribometer (Lewis Research, Inc.) angepasst, der kontinuierlich Daten sammelt und den Abrieb, Reibung und Temperatur des tribologischen Systems überwacht. Der für den Reibungskoeffizienten erhaltene Wert wird sowohl von der Belastung (Druck oder senkrechte Kraft) als auch der Geschwindigkeit abhängen, was zu einem gewissen Druck-Geschwindigkeits(PV)-Wert korrespondiert. Dieser Wert trägt zu dem Abriebfaktor, auch als ein K-Faktor bekannt, bei. Der Test kann von variabler Länge sein, läuft jedoch typischerweise mehr als 24 Stunden und kann sieben Tage oder mehr laufen.
  • Um die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zu analysieren, werden Abriebtests bei einem Kontaktdruck von 275,8 kPa und einer Testgeschwindigkeit von 0,254 m/s bei Raumtemperatur (ungefähr 23°C) gegen eine passende Metalloberfläche aus 1141 kalt gerolltem Stahl durchgeführt. Jede Probe wird 75 Stunden laufen lassen und die relevanten Messungen werden aufgenommen. Abnutzungsfaktoren (repräsentiert durch K in Einheiten von mm5/Pa-m) für jede Zusammensetzung basieren auf den Gesamtabnutzungsgeschwindigkeiten und stellen eher die Systemabnutzung als die Abnutzung jeder einzelnen Komponente dar.
  • Die Abnutzungswerte für die Zusammensetzungen gemäß vorliegender Erfindung, wie durch den oben beschriebenen Test bestimmt, sind weniger als etwa 130 × 10–11 mm5/Pa-m und stärker bevorzugt weniger als etwa 65 × 10–11 mm5/Pa-m. Der dynamische Reibungskoeffizient der Zusammensetzungen ist typischerweise weniger als etwa 0,5. Im Vergleich dazu zeigen ungeschmiertes 100% Polystyrol und 1:1 Polystyrol/Polyphenylenether-Blend beide einen Abnutzungswert von ungefähr 3000 × 10–11 mm5/Pa-m unter den gleichen Bedingungen und dynamische Reibungskoeffizienten von 0,73 bzw. 0,88. Der gleiche PPE/PS-Blend, enthaltend ein herkömmliches internes Schmiermittel, PTFE, würde jedoch einen Abnutzungsfaktor von ungefähr 130 × 10–11 mm5/Pa-m zeigen, vergleichbar zu Abnutzungsfaktoren der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen. Man kann somit sehen, dass die vorliegenden Zusammensetzungen als eine ausgezeichnete, nicht halogenierte Alternative zu PTFE als ein internes Schmiermittel für Styrol- und/oder Polyphenylenether enthaltende Systeme funktionieren.
  • Zusätzlich zu den Zusammensetzungen stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Verbesserung einer tribologischen Eigenschaft eines Basispolymeren zur Verfügung, aufweisend Polyphenylenether und Styrol. Das Verfahren weist das zur Verfügung stellen von zumindest einem Polymer aus Olefin und zumindest einem Kompatibilisierer zu dem Basispolymeren auf, um eine Zusammensetzung zu bilden. Die Art und relativen Mengen des Polyphenylenether- und Styrol-enthaltenden Polymers, des Olefin enthaltenden Polymers und des Kompatibilisierers können irgendwelche wie zuvor beschrieben sein. Durch Einbringen des Olefin enthaltenden Polymeren und des Kompatibilisierers zeigt die resultierende Zusammensetzung einen Abnutzungsfaktor von weniger als etwa 130 × 10–11 mm5/Pa-m und stärker bevorzugt weniger als etwa 65 × 10–11 mm5/Pa-m. Zusätzliche Bestandteile können ebenfalls in die Zusammensetzung eingebracht werden, wie z. B. die zuvor beschriebenen Additive, vorausgesetzt, dass es bevorzugt ist, dass für Abnutzungsanwendungen die tribologischen Eigenschaften nicht nachteilig beeinträchtigt werden. Die Zusammensetzung kann gemäß jedem bekannten Verfahren hergestellt werden, wie z. B. solchen, die zuvor beschrieben sind.
  • Ein zweites Verfahren zur Verbesserung einer tribologischen Eigenschaft eines Basispolymeren umfassend Styrol und Polyphenylenether gemäß Erfindung weist das zur Verfügung stellen von zumindest einem im Wesentlichen halogenfreien internen Schmiermittel zu dem Basispolymer auf, um eine Zusammensetzung zu bilden. Das im Wesentliche halogenfreie interne Schmiermittel ist ein Olefin enthaltendes Polymer wie zuvor beschrieben, und wird vorzugsweise in die Zusammensetzung in einer Menge von etwa 3 bis etwa 30 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt etwa 5 bis etwa 15 Gewichtsprozent der Zusammensetzung, basierend auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzung, zugegeben. Das Verfahren umfasst weiterhin das zur Verfügung stellen eines Kompatibilisierers, wie z. B. jenem wie zuvor beschrieben, zu der Zusammensetzung auf. Die bevorzugte Menge an Kompatibilisierer ist etwa 1 bis 20 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt etwa 3 bis etwa 10 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzung, und das Verhältnis von Olefin enthaltender Verbindung zu Kompatibilisierer ist vorzugsweise etwa 0,5:1 bis etwa 10:1. Die resultierende Zusammensetzung zeigt einen Abnutzungsfaktor wie zuvor beschrieben.
  • Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Verbessern der Abnutzungsbeständigkeit eines Basispolymeren in einem trockenen gleitenden tribologischen Abnutzungssystem mit glattem Kontakt zur Verfügung, wobei eine Oberfläche eines Basispolymeren gegen eine andere Oberfläche drückt, was Reibung und Abnutzung verursacht. Das Verfahren weist auf: (a) Zur Verfügung stellen eines Basispolymeren aus Polyphenylenether und Styrol, (b) zur Verfügung stellen eines Polymeren aus Olefin zu dem Basispolymeren, (c) zur Verfügung stellen eines Kompatibilisierers zu dem Basispolymeren und (d) Schmelzvermischen des Basispolymeren aus Polyphenylenether und/oder Styrol, des Polymeren aus Olefin und des Kompatibilisierers, um eine Zusammensetzung zu bilden. Die Zusammensetzung hat eine verbesserte Abnutzungsbeständigkeit und einen Abnutzungsfaktor von weniger als etwa 130 × 10–11 mm5/Pa-m in einem tribologischen System. Die Komponenten der Zusammensetzung und ihre bevorzugten Gewichtsprozentanteile in der Zusammensetzung sind wie zuvor beschrieben. Die hier beabsichtigten tribologischen Systeme sind ebenfalls oben beschrieben. Die Abnutzungsbeständigkeit wird in dem Verfahren verbessert und die tribologischen Eigenschaften der Zusammensetzung werden gegenüber dem Basispolymeren alleine verbessert (geringerer K-Faktor und geringere Reibungskoeffizienten).
  • Letztendlich betrifft die Erfindung ein Verfahren, um ein internes Schmiermittel für ein Styrol- und Polyphenylenether enthaltendes Basispolymer zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren weist das zur Verfügung stellen von zumindest einem Polymer aus Olefin und zumindest einem Kompatibilisierer zu dem Basispolymeren auf. Das Styrol- und Polyphenylenether enthaltende Polymer, Olefin enthaltende Polymer und der Kompatibilisierer und ihre bevorzugten Mengen und Verhältnisse sind wie zuvor beschrieben. Der resultierende Abnutzungsfaktor ist vorzugsweise weniger als etwa 130 × 10–11 mm5/Pa-m und stärker bevorzugt weniger als etwa 65 × 10–11 mm5/Pa-m.
  • Die Erfindung wird nun eingehender mit Bezugnahme auf die folgenden nicht einschränkenden Beispiele beschrieben:
  • BEISPIELE A–H
  • Acht Zusammensetzungen werden durch Vermischen eines Basispolymeren, enthaltend einen Blend aus 1:1 Polyphenylenether/Styrol, ein Polyolefin und einen Kompatibilisierer hergestellt. Das Basispolymer ist Noryl®731 oder Noryl®EN185 (kommerziell erhältlich von General Electric), wobei der „EN 185”-Blend einen Flammhemmer enthält. Als ein Kompatibilisierer ist ein Polystyrol-Ethylen-Butadien-Styrol (SEES) der Qualität KratonTM G2705 oder G1651 (kommerziell erhältlich von Kraton Polymer) enthalten. Letztendlich ist das Polyolefin entweder ein lineares Polyethylen geringer Dichte (LLDPE) (Petrothene GA818-07, kommerziell erhältlich von Equistar), oder ein Polyethylen/Polypropylen(PE/PP)-Copolymer (C105-02, kommerziell erhältlich von Dow Chemical). Jede Zusammensetzung enthält 7,5 oder 15 Gew.-% der Gesamtmenge an Polyolefin und Kompatibilisierer und ein 2:1-Verhältnis von Polyolefin zu Kompatibilisierer. Die relativen Mengen der Bestandteile jeder Zusammensetzung, bezeichnet als A–H, sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Die Zusammensetzungen werden durch Handvermischen hergestellt und werden unter Verwendung eines Werner Pfleiderer ZSK-40TM Zwillingsschraubenextruders extrudiert und anschließend pelletisiert. Die extrudierten Zusammensetzungen werden zu 3,175 mm dicken Platten spritzgegossen, aus denen Teile zum Testen maschinell hergestellt werden. Die maschinell hergestellten Teile haben ungefähr 28,6 mm Außendurchmesser mit einem äußeren ringförmigen Bereich mit einem Innendurchmesser von ungefähr 22,9 mm, welcher die Kontaktoberfläche für die Untersuchung ist. Der Reibungs- und Abnutzungstest jeder Probe wird gemäß dem Druckscheiben-Trockengleit-Abnutzungstestverfahren unter Verwendung der zuvor beschriebenen Parameter bestimmt. Die Ergebnisse des Reibungs- und Abnutzungsverluststests sowie andere physikalische Eigenschaften der Zusammensetzungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
  • Man kann an den Daten sehen, dass der Gesamtabnutzungsfaktor für jede Zusammensetzung im Bereich von 41 bis 157 × 10 mm5/Pa-m liegt und der dynamische Reibungskoeffizient von 0,309 bis 0,443 rangiert. Geringere Abnutzungsfaktoren werden eher bei Verwendung von LLDPE (41 bis 56 × 10–11 mm5/Pa-m) als mit Polyethylen/Polypropylen(PE/PP)-Copolymer als Polyolefin erhalten. Zum Vergleich ist der Abnutzungsfaktor von reinem Noryl®731 3900 × 10 was die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen internen Polyolefin-Schmiermittels demonstriert.
  • Das automatisierte LRI-1a Tribometer ist zusätzlich dazu in der Lage, die Abnutzungsleistung einer Zusammensetzung in Realzeit aufzutragen. Die Steigung der Linie wird verwendet, um den Abnutzungsfaktor so wie zuvor zitiert zu berechnen. Die erhaltenen Abnutzungsdaten sind graphisch in 1 gezeigt.
  • BEISPIEL I
  • Die Zusammensetzung wird hergestellt durch das oben beschriebene Verfahren unter Verwendung von 100% Polystyrol als Basispolymer, 15% SEBS (Kraton G1651) als Kompatibilisierer und 10% LLDPE als Polyolefin. Die Abnutzungsdaten für die resultierende Zusammensetzung sind in Tabelle 1 und 1 gezeigt. Der Abnutzungsfaktor von Zusammensetzung I ist 59 × 10–11 mm5/Pa-m, verglichen mit 3900 × 10–11 mm5/Pa-m für reines Polystyrol. Dies zeigt, dass tribologische Eigenschaften von reinem Polystyrol durch Einbringen eines geeigneten Polyolefins und Kompatibilisierers verbessert werden können.
  • BEISPIELE J–Q
  • Acht zusätzliche Zusammensetzungen werden durch das oben beschriebene Verfahren unter Verwendung eines 1:1 Polyphenylenether/Styrol-Blends als Basispolymer (Noryl®731), SEES (KratonTM G1651) als Kompatibilisierer und LLDPE (Petrothene GA818-07) als Polyolefin hergestellt. Jede Zusammensetzung enthält zwischen 2 und 30 Gew.-% Polyolefin, 0 bis 6 Gew.-% Kompatibilisierer und ein Verhältnis von Polyolefin zu Kompatibilisierer, welches von 30:0 bis 2:1 rangiert. Die relativen Mengen der Komponenten jeder Zusammensetzung sind in Tabelle 2 gezeigt. Die Eigenschaften werden wie zuvor beschrieben bewertet und in Tabelle 2 tabellarisch aufgetragen und graphisch in 2 gezeigt.
  • Proben J, L, M und N, die alle 10% Polyolefin enthalten und ansteigende Konzentrationen an Kompatibilisierern von 0 bis 5 Gew.-%, zeigen alle vorteilhafte Abnutzungsfaktoren zwischen 16 und 105 × 10–11 mm5/Pa-m. Diese Proben zeigen auch, dass ein Anstieg in der Konzentration des Kompatibilisierers die Schlagfestigkeit verbessert, wie durch den Anstieg in den Kerb-Izod-Werten belegt wird. Insbesondere ist der Kerb-Izod-Schlagwert von Noryl®731 215 J/m. Zum Vergleich hat Probe J, die keinen Kompatibilisierer enthält, einen Kerb-Izod-Schlagwert von 106,8 J/m. Wenn die Konzentration des Kompatibilisierers jedoch ansteigt, steigt der Kerb-Izod-Schlagwert ebenfalls an, so dass Probe N, die 5% Kompatibilisierer enthält, einen Schlagwert von 184,2 J/m zeigt, der sich dem des Basispolymeren nähert. Demzufolge hilft die Gegenwart des Kompatibilisierers in der Zusammensetzung, die Eigenschaften des Basispolymeren beizubehalten.
  • BEISPIEL R
  • Eine flammhemmende Zusammensetzung „R” wird hergestellt durch das oben beschriebene Verfahren unter Verwendung von Noryl®PPE (enthaltend kein Styrol) als Basispolymer, SEBS (KratonTM G1651) als Kompatibilisierer und LLDPE (Petrothene GA818-07) als Polyolefin. Das Noryl-Material enthält einen Flammhemmer (Resorcindiphosphat (RDP), kommerziell erhältlich von Akzo Nobel als Fyrolflex). Die Gewichtsprozentanteile von jeder der Komponenten sind in Tabelle 2 gezeigt. Die Eigenschaften werden wie zuvor beschrieben bewertet und sind in Tabelle 2 enthalten. Man kann sehen, dass ein vorteilhafter Abnutzungsfaktor von 29 × 10–11 mm5/Pa-m erreicht wird, was zeigt, dass Polyolefin wirksam beim zur Verfügung stellen von interner Schmierung für Polymerzusammensetzungen ist, die alleine auf Polyphenylenether basieren. Weiterhin zeigt dieses Beispiel, dass es in einigen Situationen erwünscht sein kann, mehr Kompatibilisierer als Olefin enthaltendes Polymer in die Zusammensetzung einzubringen. Dieses Beispiel zeigt weiterhin, dass das Einbringen von Additiven, wie z. B. einem Flammhemmer, zusätzliche Eigenschaften erreichen kann, ohne die Wirksamkeit des Olefin-Schmiermittels zu reduzieren.
  • VERGLEICHSBEISPIEL 1
  • Zum Vergleich wird eine Probe aus einem Polypropylen/Polyphenylenether-Blend, in welchem Polypropylen die vorherrschende Komponente ist (kommerziell erhältlich als Noryl®PPX 7110 von General Electric) ausgewertet und es wird gefunden, dass sie unter den gleichen Bedingungen einen Abnutzungsfaktor von 234 × 10–11 mm5/Pa-m und einen dynamischen Reibungskoeffizienten von 0,599 hat. Es kann auch graphisch in 2 beobachtet werden, dass die Steigung des Polypropylen/Polyphenylenether-Blends höher ist als die erfindungsgemäßen Beispiele, was einen höheren Abnutzungsfaktor anzeigt.
  • BEISPIELE S und T
  • Zwei Proben werden hergestellt wie zuvor beschrieben, die Noryl®731 als Styrolpolymer enthalten, LLDPE (Petrothene GA818-07) und SEBS (KratonTM G1651). In diesen Vergleichsbeispielen sind lediglich 2% des Polyolefins enthalten. Die resultierenden Zusammensetzungen zeigen höhere Abnutzungsfaktoren von 1239 und 1386 × 10–11 mm5/Pa-m, was zeigt, dass die relativ niedrige Konzentration an Polyolefin die tribologischen Eigenschaften nicht so verbessert, wie es größere Mengen tun. Die Eigenschaften sind im Vergleich jedoch noch vorteilhaft gegenüber den 3900 × 10–11 mm5/Pa-m für reines Polystyrol.
  • An all den Beispielen kann man sehen, dass die Auswahl von Olefin enthaltendem Polymer signifikant die Abnutzungseigenschaften der Zusammensetzungen beeinflusst. Obwohl diese Beispiele in den Abnutzungseigenschaften variieren ist es klar, dass es hier einen Unterschied in der Leistung zwischen den Zusammensetzungen, enthaltend PE/PP-Copolymer und jenen, die LLDPE enthalten, gibt. Interessanterweise wurde in anderen Mischungen, insbesondere Nylon-Komposits, beobachtet, dass das PE/PP-Copolymer ausgezeichnete Leistung zur Verfügung stellt, mit Abnutzungsfaktoren, die geringer sind als jene, die mit den erfindungsgemäßen Proben beobachtet werden. Wie durch diese Beispiele jedoch gezeigt, ist LLDPE ein überragendes internes Schmiermittel für Systeme, die Polyphenylenether und/oder Styrol enthalten.
  • Man kann auch beobachten, dass ein Anstieg in der Zugabenmenge nicht notwendigerweise in einer Leistungsverbesserung resultiert. Zum Beispiel erreicht in Proben A und C eine Gesamtadditivbeladung von 7,5% den gleichen Abnutzungsfaktor wie eine Probe, die 15% Additiv enthält und ergibt auch einen geringeren dynamischen Reibungskoeffizienten. Unter Berücksichtigung von 1 ist es, obwohl auf den ersten Blick angenommen werden könnte, dass Probe A überragend ist, die Steigung der Kurve anstatt der Position, die verwendet wird, um den Abnutzungsfaktor zu bestimmen, und Probe C weist nach einer anfänglichen Einlaufphase, die für viele Materialien häufig ist, genau so gute Werte auf. Außerdem weist die Probe R, die nur 7,5% Additiv enthält, ebenso gute Werte auf wie die Proben mit höheren Additivbeladungen, selbst bei Anwesenheit eines Flammverzögerungsmittels.
  • Der Fachmann wird erkennen, dass Änderungen an den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von ihrem breiten Erfindungskonzept abzuweichen. Es versteht sich daher, dass diese Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern Modifikationen innerhalb des Geistes und Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abdecken soll. Tabelle 1
    Figure DE602004006489T3_0001
    * Beispiele B, E, G, H und I gehören nicht zur Erfindung. Tabelle 2
    Figure DE602004006489T3_0002
    * Beispiele J, K und R gehören nicht zur Erfindung.

Claims (2)

  1. Die Verwendung eines linearen Polyethylens mit niedriger Dichte (linear low density polyethylene, LLDPE) zur Bereitstellung innerer Schmierung an eine Zusammensetzung, Folgendes umfassend: (a) ein Basispolymer, gewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Polymer, das Styrol umfasst, und einem Polymer, das Polyphenylenether umfasst, worin das Basispolymer eine Mischung aus dem Styrolpolymer und dem Polyphenylenether ist, und (b) einen Kompatibilisator, worin der Kompatibilisator Polystyrol-Ethylen-Butadien-Styrol (SEBS) ist, worin die Zusammensetzung verbesserte tribologische Eigenschaften gegenüber dem Basispolymer allein aufweist.
  2. Die Verwendung gemäß Anspruch 1, worin die Zusammensetzung weiter Folgendes umfasst: (d) wenigstens ein Additiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Füllstoff, einem Verstärkungsmaterial, einem zusätzlichem Schmiermittel, einem Färbemittel, einer Verarbeitungshilfe, einem Schlagzäh-Modifzierer, einem Weichmacher, einem Gleitmittel, einem UV-Absorber, einem UV-Stabilisator, einem Flammverzögerer, einem Entformungsmittel, einem Fliess-Modifizierer, und einem Wärmestabilisator.
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