金属-弹性体配混物

1.金属弹性体配混物，包含：
分子量100,000g/mol至300,000g/mol的弹性体；
包括许多金属纤维的金属纤维材料，该金属纤维的尺寸范围为5-30mm长和
0.005-0.5mm直径；和粘结剂，所述粘结剂选自马来酸酐接枝的聚烯烃、丙烯酸接枝的聚烯烃、二丙烯酸锌、二甲基丙烯酸锌、羧酸钴或上述物质中两种或更多种的组合；
该金属纤维材料以50phr至150phr的量与该弹性体混合。
2.权利要求1的金属弹性体配混物，其中：所述配混物中使用的金属纤维材料的量为
150phr。
3.权利要求1的金属弹性体配混物，其中所述金属纤维材料选自不锈钢、低碳钢、高碳钢、合金钢、铝、铝合金、铜、黄铜和青铜、镍、铬、锌、锡、镁、钒、钛和铬镍铁合金和上述物质中两种或更多种的组合。
4.权利要求1的金属弹性体配混物，其中所述弹性体选自乙烯-α-烯烃弹性体、乙烯/丙烯酸系树脂弹性体、氯丁橡胶、丙烯腈丁二烯橡胶、氢化的丙烯腈丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、烷基化的氯磺化聚乙烯、聚丁二烯橡胶、天然橡胶、氯化聚乙烯、溴化聚甲基苯乙烯-丁烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯-嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、丙烯酸橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯弹性体、硅橡胶和上述物质中任何两种的组合。
5.权利要求1的金属弹性体配混物，还包含：与所述弹性体材料混合的金属粉末材料，其中所述金属粉末材料选自不锈钢、低碳钢、高碳钢、合金钢、铝、铝合金、铜、黄铜和青铜、镍、铬、锌、锡、镁、钒、钛和铬镍铁合金和上述物质中两种或更多种的组合；所述金属粉末材料具有1的长径比。
6.权利要求5的金属弹性体配混物，其中金属粉末材料与金属纤维材料的重量比为
0-1。
7.权利要求1的金属弹性体配混物，其中显著数目的所述金属纤维彼此基本上平行。

金属-弹性体配混物\n发明领域\n[0001] 本发明涉及金属弹性体配混物，即包含以约50phr-150phr的量与弹性体混合的纤维状金属材料的配混物。\n[0002] 发明背景\n[0003] 弹性体本质上是柔性材料，它们用于许多应用如带子、胶管、轮胎等。相反金属具有小得多的柔韧性，但是具有高得多的拉伸和剪切强度。虽然已将有限量的金属添加到弹性体中以改进导电性，但是将弹性体和金属结合起来的效果、添加的金属的百分率、和利益非常有限。\n[0004] 金属结合的弹性体的另一个实例是绕上钢带的轮胎，其中不同形状的钢绞线被嵌入弹性体主体中以改进性能。在轮胎的情况下，钢绞线是较厚的插入物，没有将它们引入弹性体材料混合物中。它们是没有引入弹性体中的清晰的绳索。\n[0005] 另一方面，复合材料是两种或更多种材料的结合物，该结合物具有不会由单独的任一种材料显示的特性。早就认识到两种或更多种材料可以共混在一起而形成各种结构化的形态以获得可能提供各种特性的所需结合的产物。例如，玻璃纤维由大多数情况下通过聚酯树脂粘结的细小玻璃纤维制成。玻璃纤维在张力方面非常强，并且树脂帮助限定形状，与纤维粘结良好，并阻止纤维由于相邻纤维的摩擦而彼此受损。目前，可获得许多不同类型的纤维。当然，已知玻璃纤维不是特别具有导电性。\n[0006] 该技术的代表是日本申请号JP1995000207596，其公开了一种通过将与弹性体配混的钛酸的金属盐的纤维材料共混而获得的介电弹性体组合物。\n[0007] 所需要的是这样的配混物，它包含与金属纤维或粉末结合的弹性体，该金属纤维或粉末具有足够高的金属含量以赋予该配混物足够的强度、热传递性、磁性和导电性，同时保持弹性体的柔韧性。本发明满足这一需要。\n[0008] 发明概述\n[0009] 本发明的主要方面是提供一种这样的配混物，它包含与金属纤维或粉末结合的弹性体，该金属纤维或粉末具有足够高的金属含量以赋予该配混物足够的强度、热传递性、磁性和导电性，同时保持弹性体的柔韧性。\n[0010] 以下本发明的描述和附图指出了本发明的其它方面或使其变得很清楚。\n[0011] 本发明包括一种金属弹性体配混物，它包含分子量约100,000g/mol直至约\n300,000g/mol的弹性体，包含许多金属纤维的金属纤维材料，每根金属纤维具有大于约1的长径比，并且该金属纤维材料以50phr至150phr的量与该弹性体混合。\n[0012] 附图简述\n[0013] 引入并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的优选实施方案，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。\n[0014] 图1示出了在伸长断裂(约300％或以上的伸长率)下该配混物的拉伸性能。\n[0015] 图2示出了通过使用金属纤维具有显著增加的在25％、50％和100％伸长率下的配混物伸长模量。\n[0016] 图3示出了基于配混物撕裂强度的对比。\n[0017] 图4是与具有粘结剂的配混物相比该配混物压缩变定的对比。\n[0018] 图5示出了比较抗压强度试验的应力-应变曲线。\n[0019] 图6比较三种配混物的重量损失。\n[0020] 图7示出了摩擦系数(COF)的对比。\n[0021] 图8示出了6小时的试验指导的试验结果。\n[0022] 图9示出了伸长模量的对比。\n[0023] 图10示出了表7中的各个配混物(C)、(D)、(E)和(F)的抗压试验曲线的对比。\n[0024] 图11示出了图10中各个配混物的摩擦系数的对比。\n[0025] 图12示出了具有较大直径金属纤维的材料的抗压强度低于对照配混物(D)。\n[0026] 图13示出了配混物(E)和(I)的重量损失随摩擦时间的变化。\n具体实施方式\n[0027] 本发明包括具有弹性体和纤维状金属材料的混合物的复合配混物。较高的金属含量赋予该配混物某些所需的金属属性，包括强度、热传递性、磁性和金属传导性，同时显示弹性体的柔韧性。添加到该弹性体中的金属纤维或粉末的形式可以是任何物理形状。优选的物理形状包括各自长径比(长度∶宽度)超过约1∶1直到约6000∶1的离散纤维。一旦混合，便使用本领域中已知的方法通过热和压力将该配混物固化。该固化的配混物可以用于许多产品中。本说明书基于该固化配混物，并且试验结果适用于该固化的配混物。\n[0028] 在优选的实施方案中，弹性体只与金属纤维混合。在可选实施方案中，该弹性体可以与金属纤维和金属粉末的结合物混合。在该可选实施方案中，金属粉末与金属纤维的重量比可以为约0(即，没有粉末)至约1(基本上相同重量的金属粉末和金属纤维)。该金属粉末颗粒具有约1的长径比。\n[0029] 用于该纤维或粉末的优选金属材料的一种是不锈钢，这是因为其具有高的拉伸强度和抗腐蚀性。另一种适合的金属是铝合金，这是因为其具有低的重量、高的强度和抗腐蚀性。除了不锈钢和铝之外，可以使用其它纤维材料如玻璃纤维和碳纤维以及其它在此描述的金属。\n[0030] 为了制造该配混物，使用本领域中已知的混合方法将金属纤维(和可选实施方案中的金属粉末)与该弹性体组分混合。在该混合过程中将金属纤维的丝束或金属粉末颗粒无规地分布在整个弹性体配混物中，而没有优选的轴向取向。通过连结、交叉该固化的配混物的基体并散布在整个该基体中，该金属纤维改进该配混物的机械性能，如优于单独的弹性体的拉伸强度、抗压强度和疲劳强度。另外，当用于磨损发生在部件表面的产品(如轮胎和皮带)时，在该配混物的表面的一些极小的初始磨损之后，暴露的金属纤维和金属粉末产生非常好的耐磨性。\n[0031] 在又一个可选实施方案中，可以通过本领域中已知的的压延步骤将该金属纤维轴向取向，以使相当数目的金属纤维的主轴基本上平行于纵向。这将使该配混物具有取决于该纤维的取向的双重柔韧性。即，该配混物在与该纵向横向的方向上将更具有柔韧性，也就是说，沿垂直于该平行纤维的轴线的主方向的轴线更具有柔韧性。\n[0032] 该金属纤维长度和横截面尺寸不受限制，只要该金属纤维的尺寸与形状不会不利地影响该配混物的性能即可。然而，优选的尺寸范围为约5-30mm的长和\n0.005-0.5mm(5-500微米)的直径。仅为说明起见，认为该纤维横截面为圆形，但是该横截面可以是任何形状。金属纤维在该弹性体中的百分比可以是任何所需的数量，但是约20体积％-约80体积％是优选的范围。因为该金属纤维仅有5-30mm长，且横截面直径很小，所以它们允许该配混物像弹性体一样弯曲，同时当需要时还显示类似金属的性能。因此，本发明配混物具有金属和弹性体两者的特性。\n[0033] 另外，本发明配混物和其制造方法可以应用于各种塑料，包括热固性和热塑性材料。它可以用于任何其中希望和现有技术相比由于更高的金属纤维含量而获得增加的机械强度、改进的耐磨性、提高的热传递以及改进的导电性的产品。可以调节所使用的金属种类、纤维的尺寸和形状和与该弹性体量相比所添加的金属纤维的百分比以适应特定的应用。\n[0034] 弹性体-金属基线相容性\n[0035] 下面是用于本发明配混物的实例配方。表1列出了用于这一分析的配混物配方。\n“X”表示金属纤维在该配混物中的phr值。表2示出了该配混物的混合程序。\n[0036] 表1.配混物配方\n[0037] \n 成分 对照 Phr\n EPDM 100 100\n 碳黑 150 phr＝[150-X]\n 金属纤维 0.0 X\n ZnO 5.00 5.00\n 硬脂酸锌 1.50 1.50\n 抗氧化剂 1.50 1.50\n 油 50 50\n 其它成分 10 10\n 固化剂 7 7\n[0038] 表2.混合程序\n[0039] \n母料混合 0′ 50rpm第1遍\n添加填料(黑和/或金属纤维)、油，夯实。\n添加其它化学物质，夯实。\n1′ 添加聚合物。\n抬起冲锤、刮擦和向下锤。\n当温度达到300F保持4分钟时倒出\n最终混合 20rpm最终\n添加1/2MB，然后固化剂，然后1/2MB。夯实。\n0′ 抬起冲锤、刮擦和向下锤。\n2′ 当温度达到220 保持3分钟时倒出\n[0040] 0′是指混合的开始或起始；1′是指混合开始后1分钟；2′是指混合开始后2分钟。“MB”是指“母料”，其是不含固化剂的配混物。“Phr”是指磅/100磅橡胶，是弹性体领域中已知的惯例。\n[0041] 表4示出了用来评价本发明配混物的初始混合性能的配混物配方。配混物(A)是不含金属纤维的对照配混物。根据表3中示出的程序进行混合。研究了由总部位于比利时的NV Bekaert SA销售的四种不同类型的不锈钢纤维(参见表3)。用聚酯树脂涂覆Beki-Shield GR以改进与聚合物(塑料或橡胶)基体的粘结(或配合)。Beki-Shield BU是与“GR”型相同的金属纤维，只是没有涂覆并且是以纤维束形式。Bekipor WB是金属纤维的组合物，该金属纤维均匀地布置以形成三维无纺结构。其多孔介质是由烧结的金属纤维制成的无纺、高孔隙度的纤维基体。也评价得自Fibre Technology Ltd的具有较大直径的不锈钢纤维，即MO446/10。\n[0042] 其它适合的金属纤维金属也可以包括任何类型的不锈钢、任何类型的钢、低碳、高碳和合金钢。铝和铝合金，“红”金属如铜、黄铜和青铜。镍、铬、锌、锡、镁、钒和钛。铬镍铁合金和其它合金。任何与所选择的弹性体相容的其它金属和金属合金纤维。用于金属纤维的金属材料也可以用于金属粉末。\n[0043] 表3示出了得自Bekaert和Fiber Technology Ltd的材料形式。\n[0044] 表3.研究的不锈钢纤维\n[0045] \n 商品名 制造商 直径(μm) 涂层\n SR03204/MO446-10 Fibre Technology Ltd 50 无\n Beki-Shield GR Bekaert 8 涂了聚酯\n Beki-Shield BU Bekaert 8 无\n Bekipor WB Bekaert 8 无\n[0046] 表4中使用的金属纤维包含为不锈钢材料的BEKI-Shield GRTM。\n[0047] 在本说明书中作为例子使用EPDM弹性体。然而，该弹性体还可以包含乙烯-α-烯烃弹性体；乙烯/丙烯酸系树脂弹性体；氯丁橡胶；丙烯腈丁二烯橡胶；氢化的丙烯腈丁二烯橡胶；丁苯橡胶；烷基化的氯磺化聚乙烯；表氯醇；聚丁二烯橡胶；天然橡胶；氯化聚乙烯；溴化聚甲基苯乙烯-丁烯共聚物；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯-嵌段共聚物；苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物；丙烯酸橡胶；乙烯-乙酸乙烯酯弹性体；硅橡胶和上述物质中任何至少两种的组合。\n[0048] 表4.用以评价混合性能的配混物配方。\n[0049] \n 成分 A B\n EPDM 100 100\n 碳黑 127 27\n BEKI-Shield GR \ 100\n 硬脂酸 1.45 1.45\n 聚乙二醇 1.45 1.45\n 氧化锌 6.88 6.88\n 氧化钙 2.7 2.7\n 油 59 59\n 固化剂 4.50 4.50\n[0050] 配混物(A)的混合没有任何问题，并在4分钟内降低至300F。表5示出了物理性能的对比。配混物(B)显示比配混物(A)更少的所需性能。\n[0051] 表5.物理性能对比\n[0052] \n 性能 A B\n 拉伸强度(psi) 2497.68 1240.77\n 伸长率(％) 261.00 667.13\n 模量.25％(psi) 162.51 159.67\n 模量.50％(psi) 296.76 186.53\n 模量.100％(psi) 810.45 228.90\n 模量.200％(psi) 2018.15 339.43\n 撕裂强度(lb/in) 174.12 123.02\n 压缩变定(22hrs@70C) 11.50 22.50\n 磨损质量损失(Falex测 6.77 15.00\n 试)(％)\n[0053] 所有上述观察结果表明橡胶和金属纤维之间的相容性非常差，这造成差的混合性能和差的配混物物理性能。\n[0054] 金属弹性体相容性改进\n[0055] 为了改进弹性体和金属纤维之间的相容性，使用二甲基丙烯酸锌(ZDMA)(Sartomer Company，Inc.：商品名称“Saret 634”)。ZDMA是熟知的橡胶-金属粘结剂。将它用于该配混物中以改进该弹性体基体和金属纤维之间的相容性。也可以将其它的粘结剂用于本发明化合物，包括马来酸酐接枝的聚烯烃、丙烯酸接枝的聚烯烃、二丙烯酸锌、羧酸钴、锆酸盐和钛酸盐。表6示出了在此实施例中用于各个配混物C、D、E的配方。仅配混物(E)包含金属纤维，即BEKI-Shield GR。\n[0056] 表6.粘结剂的添加\n[0057] \n 成分 C D E\n EPDM 100 100 100\n 碳黑 147 147 97\n BEKI-Shield GR 0 0 50\n 氧化锌 5.00 5.00 5.00\n 硬脂酸 1.50 1.50 1.50\n 聚乙二醇 1.45 1.45 1.45\n 氧化钙 2.00 2.00 2.00\n 油 80 80 80\n Saret 634 0 20 20\n 固化剂 6.40 6.40 6.40\n[0058] 将聚乙二醇用作该配混物中的加工助剂。氧化钙(80wt％含量)是用来防止由于湿气造成的该配混物的多孔性的干燥剂。\n[0059] 根据表3中的程序混合该配混物。所有三种配混物非常好地混合并且非常好地容合在一起。图1示出了在伸长断裂(约300％或以上的伸长率)下该配混物的拉伸性能。\n在这个和其它图中“RT”代表室温，约22℃。在该配混物中使用金属纤维不会引起伸长断裂下显著的改进。然而，通过使用金属纤维(BEKI-Shield GR)配混物在25％、50％和100％伸长率下(图2)的伸长模量获得显著的增加。\n[0060] 图3示出了基于配混物撕裂强度的对比。可以看出，通过使用金属纤维BEKI-Shield GR撕裂强度增加。然而，与含有粘结剂的配混物相比较，配混物压缩变定没有受到不利的影响，参见图4。弹性体压缩变定是弹性体对给定变形的响应的弹性分量与粘性分量的比例的量度。由于改进的储存能量的性(弹性)，较长的聚合物链往往产生更好的“抗变定性”。大多数弹性体压缩变定测量标准要求在给定时间和温度下25％的原始压缩。\n除去载荷之后测量横截面。弹性体压缩变定是没有恢复的原始压缩的百分比。可以对圆柱形板或O形环进行压缩变定。将载荷从弹性体上解除之后，认为最终尺寸和原始尺寸之间的差别是“压缩变定”。\n[0061] 图5示出了比较抗压强度试验的应力-应变曲线。可以看出，通过使用BEKI-Shield GR，抗压强度得到改进，尤其是在高的应变级下。\n[0062] 在20磅的载荷下在200rpm的摩擦速度下测试每种配混物的耐磨性。图6比较每种配混物的重量损失。可以看出，具有粘结剂的配混物(D)具有最高的重量损失。具有金属纤维和粘结剂的结合物的本发明配混物(E)显示最低的重量损失。\n[0063] 图7示出了摩擦系数(COF)的对比。可以看出，配混物(E)具有最低的COF值，这与最低的重量损失相一致。配混物(D)具有最高的COF，这可能导致在2000秒的试验期间最高的重量损失。图8示出了6小时的试验时间的试验结果。在图8中观察到与图7中相同的倾向。\n[0064] 基于上述结果，在配混物(F)中将金属纤维(BEKI-Shield GR)的量增加至\n100phr，参见表7。\n[0065] 表7.金属纤维的量\n[0066] \n成分 C D E F\nEPDM 100 100 100 100\n炭黑 147 147 97 47\nBEKI-屏蔽GR 0 0 50 100\nZnO 5.00 5.00 5.00 5.00\n位阻酸 1.50 1.50 1.50 1.50\nPEG 1.45 1.45 1.45 1.45\nCaO-80 2.00 2.00 2.00 2.00\nSunpar 2800 80 80 80 80\nSaret 634 0 20 20 20\nCuratives 6.40 6.40 6.40 6.40\n[0067] 图9示出了伸长模量的对比。可以看出，在25％和50％伸长率下的伸长模量随逐渐增加的金属纤维加入水平而增加。然而，在100％伸长率下的模量不会随金属纤维加入量的增加而显著地变化。通常，弹性体分子量越高，则可以将越多量的填料(包括金属纤维)加入该配混物中。换言之，可以加入该配混物中的金属纤维的量取决于该弹性体分子量。例如，当使用分子量为约100,000g/mol至约300,000g/mol的EPDM时，该金属纤维加入量可以为约50phr直到约150phr，同时保持所需的物理性能。\n[0068] 图10示出了来自表7中的各个配混物(C)、(D)、(E)和(F)的抗压试验曲线的对比。可以看出，金属纤维(BEKI-Shield GR)加入量的增加提高了配混物的抗压强度，参见(E)和(F)的曲线。\n[0069] 图11示出了图10中各个配混物的摩擦系数的对比。金属纤维加入量的增加降低了该配混物的COF。表8示出了各个配混物(E)、(G)、(H)、(I)的配方。各个配混物之间的差别是使用不同类型的金属纤维。所有都以50phr(磅/100磅橡胶)的量使用。\n[0070] 表8.不同金属纤维的评价\n[0071] \n成分 E G H I\nEPDM 100 100 100 100\n炭黑 97 97 97 97\nBEKI-屏蔽GR 50\nBEKI-屏蔽BU 50\nBekipor WB 50\nMO446/10 50\nZnO 5.00 5.00 5.00 5.00\n位阻酸 1.50 1.50 1.50 1.50\nPEG 1.45 1.45 1.45 1.45\nCaO-80 2.00 2.00 2.00 2.00\nSunpar 2800 80 80 80 80\nSaret 634 20 20 20 20\nCuratives 6.40 6.40 6.40 6.40\n[0072] 发现，不同形式的Bekaert金属纤维没有显著地改变改进的配混物的物理性能，配混物(E)、(G)和(H)。然而，较大直径的金属纤维(MO446/10)(配混物(I))降低一些配混物物理性能，例如，抗压强度低于对照配混物(D)(不含金属纤维的配混物，参见图12。图\n13示出了配混物(E)和(I)的重量损失随摩擦时间的变化。配混物(E)的曲线斜率(每单位时间的重量损失)更低。\n[0073] 与不包含金属纤维的弹性材料相比，本发明配混物提供更高的模量、更高的抗压强度、更高的撕裂强度和更好的耐磨性。增加金属纤维的加入量(高达100phr)进一步提高这些物理性能。\n[0074] 因此，本发明配混物具有许多优点。这些包括提高的抗压强度、拉伸强度、疲劳强度、耐磨性、导电性、磁性和热传递性。这部分地通过由金属属性与弹性体的柔韧性的结合而实现的显著增长的磨损寿命得到证明。\n[0075] 本发明可以用于其中需要金属的强度和弹性体的柔韧性的结合的应用中。皮带传动无级变速传动装置(CVT)是一个实例。CVT传动的主要构件是必须能够装载由无级变速皮带轮施加在整个皮带宽度上的重的侧加料的CVT皮带。CVT皮带还必须在其与滑车滑轮接触的皮带一侧具有非常高的耐磨性。该CVT皮带还必须具有足够好的传热性以防止该弹性体的热分解。用于高载荷CVT皮带的现有技术包括具有横向安装在弹性体带子上的金属夹的弹性体带子。制造具有横向夹子的皮带是昂贵的操作并且这些CVT皮带的性能是有限的。由横向夹子或皮带侧壁与滑车滑轮之间的摩擦产生的热可能引起该弹性体的热分解和最终该皮带的过早毁损。本发明配混物使得具有侧面上的高抗压强度和高耐磨性，以及良好的热传递特性的改进的CVT皮带成为可能。另一个本发明配混物适用的实例是车辆轮胎。该高耐磨配混物提高了轮胎的耐磨性，即胎面磨耗率，以及增加了其它重要的机械性能如提高的拉伸、压缩和疲劳强度。\n[0076] 本发明配混物和由其制造的产品还可以用于其它汽车和非汽车应用，包括但不限于动力传送带、水管、减震器、隔振器和冲击吸收器。即，本发明配混物可以用于任何需要高强度、更高的耐磨性、导电性、磁性和提高的传热特性的弹性或塑料应用中。\n[0077] 虽然已经在此描述了本发明的形式，但是对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离在此描述的本发明精神和范围的情况下可以对各部分的过程和构造和关系作出改变。