KR20130129216A

KR20130129216A - 초고압 및 초고속 환경용 중합체 베어링 물품

Info

Publication number: KR20130129216A
Application number: KR20137014817A
Authority: KR
Inventors: 브라이언 에이. 스턴; 위훙 우; 스테펜 에스트버그; 타냐 버필드
Original assignee: 솔베이 스페셜티 폴리머즈 유에스에이, 엘.엘.씨.
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-11-27
Also published as: CN103443484A; CN103443484B; JP2013543958A; US20130334006A1; BR112013011554A2; EP2638300A1; US9121442B2; WO2012062851A1

Abstract

본 발명은 초고 압력 및 속도 환경용 중합체 베어링 물품에 관한 것이다. 초고 PV 환경용으로 중합체 스러스트 베어링을 제공한다. 중합체 스러스트 베어링은 내주와 외주를 가진 환형 베어링 몸체; 및 내주로부터 외주까지 환형 베어링 몸체를 가로질러 연장되는 복수개의 윤활유 채널을 포함한다. 환형 베어링 몸체는 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 중합체, 이를테면 방향족 폴리이미드 또는 폴리(아릴 에테르 케톤), 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함한다. 중합체 스러스트 베어링은 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 윤활 환경에서의 속도와 압력을 견디도록 구성된다.

Description

초고압 및 초고속 환경용 중합체 베어링 물품{POLYMERIC BEARING ARTICLES FOR USE IN ULTRA-HIGH PRESSURE AND VELOCITY ENVIRONMENTS}

관련 출원 참조

본원은 2010년 11월 11일에 출원된 미국 가출원 제61/412789호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 개시를 본원에 참조로 통합한다.

본 발명은 전반적으로 베어링 물품에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 초고압 및 초고속 환경용 중합체 베어링 물품에 관한 것이다.

베어링은 회전면에 대한 마찰을 줄이는데 흔히 사용된다. 초고압 및 초고속(PV) 환경에서(즉, 다양한 현대의 자동변속기 및 파워트레인 시스템에서와 같이, 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 환경 또는 조건 하에서), 베어링 부품은 이러한 환경에 비일비재한 하중과 속도를 견디는 한편 적절한 마모 성능을 가진 금속으로 통상 만들어진다. 이러한 초고 PV 적용분야에 사용되는 예시적 종류의 베어링으로는 스틸 니들 베어링과 볼 베어링이 있다.

일 양태에서는, 초고 PV 환경용 중합체 스러스트 베어링을 제공한다. 중합체 스러스트 베어링은 내주와 외주를 가진 환형 베어링 몸체, 및 내주로부터 외주까지 환형 베어링 몸체를 가로질러 연장되는 복수개의 윤활유 채널을 포함한다. 환형 베어링 몸체는 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 적어도 1종의 중합체 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함한다. 중합체 스러스트 베어링은 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 윤활 환경에서의 속도와 압력을 견디도록 구성된다.

다른 양태에서는, 초고 PV 환경에서 중합체 베어링 물품을 활용하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상이 되는 압력 및 속도에 중합체 베어링 물품을 노출시키는 조작을 포함한다. 중합체 베어링 물품은 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 적어도 1종의 중합체 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에서는, 중합체 베어링 물품을 포함하는 파워트레인 부품을 제공한다. 중합체 베어링 물품은 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 적어도 1종의 중합체 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함한다. 파워트레인 부품은 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상이 되는 압력 및 속도에 중합체 베어링 물품을 노출시키도록 구성된다. 시스템은 바람직하게 윤활유를 포함한다.

또 다른 양태에서는, 중합체 베어링 물품이 포함된 파워트레인 부품을 구비한 시스템을 제공한다. 중합체 베어링 물품은 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 적어도 1종의 중합체 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함한다. 파워트레인 부품은 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상이 되는 압력 및 속도에 중합체 베어링 물품을 노출시키도록 구성된다.

또 다른 양태에서, 본 발명은 내주와 외주를 가진 환형 베어링 몸체; 및 내주로부터 외주까지 환형 베어링 몸체를 가로질러 연장되는 복수개의 윤활유 채널을 포함하는 초고 PV 환경용 중합체 스러스트 베어링에 관한 것이며, 환형 베어링 몸체는 한편으로 적어도 1종의 방향족 폴리이미드 및/또는 적어도 1종의 폴리(아릴 에테르 케톤) 및 다른 한편으로는 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함하고; 중합체 스러스트 베어링은 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 윤활 환경에서의 속도와 압력을 견디도록 구성된다. 본 발명은 또한 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상이 되는 압력 및 속도에 중합체 베어링 물품을 노출시키는 조작을 포함하는 방법에 관한 것이며, 중합체 베어링 물품은 한편으로 적어도 1종의 방향족 폴리이미드 및/또는 적어도 1종의 폴리(아릴 에테르 케톤), 및 다른 한편으로는 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함한다. 끝으로, 본 발명의 마지막 양태는 한편으로 적어도 1종의 방향족 폴리이미드 및/또는 적어도 1종의 폴리(아릴 에테르 케톤) 및 다른 한편으로는 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물이 포함된 중합체 베어링 물품을 포함하며, 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상이 되는 압력 및 속도에 중합체 베어링 물품을 노출시키도록 구성된 파워트레인 부품을 포함하는, 시스템에 관한 것이다.

본원의 상기 특징 및 기타 특징은 첨부된 청구범위와 함께, 이하 상세 설명을 검토함으로써 당업자에게 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른 중합체 스러스트 베어링의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른 중합체 베어링을 이용하는 시스템의 횡단면도이다.
도 3은 베어링에 적용되는 중합체 조성물의 성능을 시험하기 위한 시험 장치의 분해사시도이다.
도 4는 자동변속기오일 배쓰에서 PV 한계 시험을 거친 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 시험편 온도 및 마찰계수(COF)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 자동변속기오일 배쓰에서 PV 한계 시험을 거친 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 PV 및 마찰계수(COF)를 나타내는 그래프이다.
도 6은 자동변속기오일 배쓰에서 PV 한계 시험을 거친 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 PV 및 시험편 온도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 자동변속기오일 배쓰에서 PV 한계 시험을 거친 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 PV 및 챔버 온도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 자동변속기오일 배쓰에서 787 psi(55.37 kg/cm²)의 축방향 압력과 1550 fpm(472.44 m/min)의 속도에 50시간 동안 노출된 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 챔버 온도 및 시험편 온도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 자동변속기오일 배쓰에서 787 psi(55.37 kg/cm²)의 축방향 압력과 1550 fpm(472.44 m/min)의 속도에 50 시간 동안 노출된 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 마찰계수 및 토크(회전력)를 나타내는 그래프이다.
도 10은 자동변속기오일이 재순환되는 가운데 PV 한계 시험을 거친 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 상대표면(countersurface)의 온도 및 시험편 온도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 자동변속기오일이 재순환되는 가운데 PV 한계 시험을 거친 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 상대표면의 온도 및 시험편 온도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 자동변속기오일이 재순환되는 가운데 PV 한계 시험을 거친 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 상대표면의 온도 및 시험편 온도를 나타내는 그래프이다.
도 13은 자동변속기오일이 재순환되는 가운데 PV 한계 시험을 거친 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 상대표면의 온도 및 시험편 온도를 나타내는 그래프이다.
도 14는 자동변속기오일이 재순환되는 가운데 PV 한계 시험을 거친 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 PV, 시험편 온도 및 챔버 온도를 나타내는 그래프이다.
도 15는 자동변속기오일이 재순환되는 가운데 PV 한계 시험을 거친 중합체 베어링 물품과 도 3의 시험 장치를 사용한 시행에서 측정된 PV 및 마찰계수(COF)를 나타내는 그래프이다.

초고 PV 환경에 사용하기 위한 신규 중합체 베어링을 개발하였다. 본원에 사용된 바와 같은 "초고 PV"란 용어는 베어링이 노출되는 하중 및 속도의 환경 또는 조건으로서, 하중의 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(in²당 파운드 - 분당 피트)(23540 kg/cm² x m/min) 이상이 되는 환경 또는 조건을 가리킨다. 초고 PV 조건은 많은 현대 자동변속기 및 파워트레인 시스템에서 찾아볼 수 있다. 특정 구현예에서, 중합체 베어링은 상기와 같은 환경에 비일비재한 하중과 속도를 견디는 한편 적절한 마모 성능을 가진다. 이러한 중합체 베어링을 이용하는 신규 방법 및 시스템을 또한 개발하였다.

중합체 조성물이 하중 및 속도를 견디는 능력은 베어링 표면의 마찰계수 또는 온도가 안정화되는데 실패하는 하중 및 속도의 조합으로 표현될 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, "PV 한계"란 용어는 베어링 표면의 마찰계수 또는 온도가 안정화되는데 실패하는 하중 및 속도의 조합에 의해 결정되는 압력-속도 관계를 나타내는데 사용되며, 예상되는 베어링 면적을 기준으로 한 단위 압력 P(단위: psi 또는 kg/cm² x m/min)와 선형 속도 V(단위: fpm 또는 m/min)를 곱한 값으로 표현된다. 토크 또는 온도가 증가하면 베어링이 고장 및/또는 심하게 마모된다. 중합체 스러스트 베어링의 경우, 선형 속도는 평균 선형 속도로 표현되며, 중합체 스러스트 베어링의 경우에 선형 속도는 각속도 및 베어링의 내경 및 외경에 따른다.

본 발명의 목적상, 1 psi는 0.0703 kg/cm²에 해당되며, 1 fpm은 0.3048 m/min에 해당되고, 100 psi-fpm은 0.0214 (kg/cm² x m/min)에 해당되며, 1 인치(in)는 2.54 센티미터(cm), 0.0254 m 또는 25.4 mm에 에 해당된다. 이들 환산치는 전체 본문에 적용되며, 괄호 안에 표시된다.

본원에 사용되는 바와 같이, "마모"란 용어는 일반적으로 베어링 표면이 자신과 상호작용되는 표면에 대해 상대적 이동한 결과로 베어링 표면으로부터 제거되는 중합체 조성물의 양을 가리킨다. 중합체 조성물의 마모는 보통 "마모계수"로 기재된다. 동일한 작동 조건 하에서 중합체 조성물의 성능에 대한 상대적 척도로서, 마모계수는 매우 신뢰성이 높은 것으로 입증되었다. 마모계수는 P와 V를 곱한 값으로 나누어진 마모율(in/hr 또는 (m/hr))이다. 중합체 베어링 물품은 초기 브레이크-인 기간 동안에 후 브레이크-인 조작 동안과는 상이한 마모율과 마모계수를 나타낼 수 있다. 달리 구체적으로 제공되지 않는 한, 본원에 기술되는 마모계수는 초기 브레이크-인 기간이 지난 후의 중합체 베어링 물품의 성능 특성을 가리킨다.

또한, 달리 구체적으로 제공되지 않는 한, 마모계수 값은 (in³ min)/(hr lb fr)*10^-10 단위 또는 대안으로 (kg/cm² x m/min)*10^-10 단위로 기재되거나 언급된다.

PV 한계, 마찰계수 및 마모계수와 같은 중합체 베어링 물품의 성능 특성을 분석하기 위한 시험 장치(140)를 도 3에 도시하였다. 시험 장치(140)는 회전 시험편 홀더(144)를 경유하여 시험편(146)에 토크(τ)를 공급하는 회전 스핀들(142)을 포함한다. 시험편(146)은 고정식 시험편 홀더(150) 안에 보관되어 고정된 스틸와셔(148)와 접합된다. 축방향 하중(F)이 고정식 시험편 홀더(150)를 경유하여 시험편(146)에 인가된다. 스틸와셔(148)에 접촉되는 시험편(146)의 표면적, 시험편(146)의 회전 속도, 및 시험편(146)에 인가되는 힘이 알려져 있기 때문에, 중합체 조성물의 마찰계수(COF), 마모계수(WF) 및 PV 한계를 비롯한 중합체 조성물의 다양한 성능 특성을 분석할 수 있다. 예를 들면, ASTM D3702 및 D3706을 비롯한 다양한 ASTM 시험 프로토콜에 따라 시험편(146)을 분석할 수 있다. 일부 경우에, 시험 장치(140)는 윤활식 환경에서의 시험편(146)의 성능 특성을 분석하기 위한 윤활유 배쓰를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시험편(146) 및 스틸와셔(148) 주변에 저장용기를 제공할 수 있으며, 이러한 저장용기는 변속기 오일과 같은 윤활유로 적어도 부분적으로 채워질 수 있다. 특정 경우에는, 강제 재순환 시스템을 이용하여 저장용기로부터 윤활유를 배출시키고, 윤활유가 냉각된 후에 윤활유를 저장용기에 재순환시킬 수 있다.

본원에 사용되는 바와 같이, "토크"란 용어는 일반적으로 원형 경로에서 이동하는 시험편들 사이의 마찰력으로 인해 방향이 달라지는(turn) 경향의 작용을 가리킨다. 토크는 억제력(restraining force)과, 마찰 토크의 균형을 맞추기 위해 토크가 작용하는 반경을 곱한 값이다. 토크는 lb*in 또는 N*m의 단위로 기재되거나 언급된다.

특정 구현예에서는, 기존의 ASTM D3702 표준 시험 방법(ASTM D3702_94(2009년에 재승인됨), 전체 내용을 본원에 참조로 통합함)에서 유래된 시험 방법을 따라 마모율과 마찰계수(COF)를 구하였다. 본문의 나머지 부분에서, "수정된 ASTM D3702 방법"이란 표현은, 본 발명의 목적상, 기존의 ASTM D3702 표준 시험 방법에서 유래된 시험 방법으로 이해하면 된다. 이하에서는, ASTM D3702 표준 시험 방법과의 차이점만 설명하기로 한다.

수정된 ASTM D3702 방법에서는, ASTM D3702에 기재된 바와 같으며 도 3의 시험 장치에 상응하는 시험 장비, 특히 Multi-Specimen Falex^® 시험 장비, 컴퓨터 제어방식 버젼(일련 번호, Ser. No. 800635001766; 미국 일리노이주, 슈거 그로브에 소재한 Falex사)을 고정식 스틸와셔(예컨대, 고정식 스틸와셔는 16±2 uin Ra의 일정한 표면조도를 지닌 1018 강철임)에 대한 하중 하에, 윤활유, 특히 Valvoline Dexron III^® 자동변속기 오일(Valvoline Oil사)로 회전하는 시험편(146)을 사용하여 작동시켰다. 상기 하중은 10:1 레버 암에 대한 고정하중(dead weight)을 인가하는 대신에 공압 시스템을 이용하여 인가하였다. 토크(τ)를 측정하기 위해, 0 내지 100 lb(kg)의 하중 셀을 시험편 테이블의 저부에 부착시켰다. 각각의 특정 하중에 대해, 시험 장비로 토크(τ) 값을 감시하였다. 통상, 시험편 열전대는 반대 표면(예컨대, 시료로부터 1.5 mm 떨어짐) 가까이에 시험편과 접촉되지 않게 위치된다.

Leeson Speed Master 기어 펌프를 이용하여, 2 갤런 온도-조절된 저장용기로부터 윤활유를 90℃의 온도에서 공급한다. 윤활유 유량은 0.2 L/min으로 하고, 0.1 내지 0.75 L/min 유량 처리능력을 지닌 Hedland 유량계로 제어한다. 윤활유를 시험편 테이블의 기저부에 전달한 후, 위로 흐르게 하고, 시험편의 중심으로부터 회전하고 있는 시험편의 표면을 가로질러 흐르게 한다. 그런 후에는 챔버의 바닥에 있는 구멍을 통해 챔버로부터 윤활유를 빼낸 후, 중력에 의해 다시 오일 저장용기로 재순환시킨다. 동일하게 선택된 하중 및 속도에서 수행되는 각 시험은 40시간 대신 25시간 동안의 초기 브레이크-인 기간에 이어, 25시간의 시험기간으로 구성되며, 총 100시간의 시험 시간을 달성할 때까지 반복된다. 25시간의 각 시험기간이 끝나면, 시험편의 두께 차이를 측정한다. ASTM D3702 표준 방법과 유사하게, 두께를 측정하기 전에 실온에서 최소 1시간 동안 시험편의 상태를 조절한다. 시험편(146)의 두께 측정은, ASTM D3702에 기재된 바와 같이, 4개 지점 대신 9개 지점에서 수행된다. 시험편(146)에 9개 지점을 표시하여(예컨대, 시험편(146)의 측면을 가볍게 식각함), 동일한 9개 지점에서 후속으로 두께를 측정할 수 있다.

개정된 ASTM D3702 방법에 따르며 본 발명의 중합체 스러스트 베어링 물품에 상응하는 시험편(146)은 사출성형, 압출, 블로우 성형, 발포 공정 등을 비롯한 공지된 가공처리법에 따라 제조가능하다. 원한다면, 시험편(146)을 선택적으로 추가 경화할 수 있다. 또한 시험편의 중심에 오프셋 구멍을 뚫어서, 시험 장비의 큰 쓰러스트와셔 시험편 홀더에 끼워지도록 한다.

수정된 ASTM D3702 방법에 따른 시험편(146)은 1.869 인치(4.75 cm)의 내경, 2 인치(5.08 cm)의 외경, 그리고 윤활유 채널로서 26개의 방사상 홈을 가진다. 각 방사상 홈의 폭은 0.04 인치(1 mm)이고, 깊이는 0.012 인치(300 마이크론)이다. 접촉 면적은 0.326 in²(0.828 cm²)이고, 평균 반경(r)은 0.967 in(2.456 cm)이다. 본 발명의 목적상, "평균 반경"이란 용어는 시험편(146)의 내경과 외경의 평균값을 가리킨다.

본 발명의 목적상, 시간당 마모량(in/hr(m/hr))으로 표현되는 마모율은 25시간의 제1 브레이크-인(25시간의 제1 시험기간 이전) 후에 시험편(146) 상에서 수행된 8번의 두께 측정(특히, X_1a, X_1b, X_1c, X_1d, X_1e, X_1f, X_1g, X_1h 및 X_1i로 표현됨)과, 25시간의 제1 시험기간(T) 후에 시험편(146) 상에서 수행된 9번의 두께 측정(특히, X_2a, X_2b, X_2c, X_2d, X_2e, X_2f, X_2g, X_2h 및 X_2i 으로 표현됨)으로부터 산출한다.

구체적으로 마모율을 아래와 같은 계산법으로 산출한다:

마모율(단위: m/hr(in/hr)) = [(X_1a + X_1b + X_1c + X_1d + X_1e + X_1f +X_1g + X_1h +　X_1i,) - (X_2a + X_2b + X_2c + X_2d + X_2e + X_2f + X_2g + X_2h +X_2i,)] / 9 * T

여기서 T = 25 시간이고,

X는 인치 단위(m)의 두께이다.

따라서 마모계수를 전술된 바와 같은 마모율로부터 산출할 수 있다.

본 발명의 목적상, 마찰계수를 구체적으로는 아래와 같은 계산법으로 산출한다:

COF = 토크(τ) / (평균 반경 * 하중)

여기서 토크(τ)는 전술된 바와 같이 측정되었으며, 평균 반경(r)은 0.967 인치(2.456 cm)이다.

중합체 스러스트 베어링

초고 PV 환경에 사용하기 위한 중합체 스러스트 베어링을 개발하였다. 에를 들어, 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른 중합체 스러스트 베어링을 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 환경에서 이용할 수 있다.

일부 구현예에 의하면, 중합체 스러스트 베어링은 내주와 외주를 가진 환형 베어링 몸체 형태로 존재한다. 환형 베어링 몸체는 내주로부터 외주까지 환형 베어링 몸체를 가로질러 연장되는 복수개의 윤활유 채널을 포함할 수 있다. 환형 베어링 몸체는 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 적어도 1종의 중합체를 함유한 중합체 조성물로 형성될 수 있다. 상기 중합체 조성물로 형성된 중합체 스러스트 베어링은 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 윤활 환경에서의 속도와 압력을 견딜 수 있다.

본원에 사용되는 바와 같이, "윤활유"란 용어는 2개의 이동 표면(그 중 하나는 스러스트 베어링의 표면을 포함할 수 있음) 사이에 배치되어 이들 표면 사이의 마찰을 줄일 수 있는 액체와 같은 물질을 가리킨다. 일부 구현예에 의하면, 윤활유는 모터 오일 또는 변속기 오일과 같은 오일을 포함할 수 있다. 이러한 윤활유는 당해 기술분야에 잘 알려져 있다.

본 발명에 의한 중합체 스러스트 베어링의 환형 베어링 몸체는 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 적어도 1종의 중합체 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함한다. 중합체 조성물의 중량은 환형 베어링 몸체의 중량을 기준으로 보통 10% 초과하거나, 종종 50% 초과하거나, 심지어 90%를 초과한다. 많은 구현예에서, 환형 베어링 몸체는 중합체 조성물로 구성된다. 환형 베어링 몸체는 한 부분으로 이루어질 수 있거나, 또는 여러 부분으로 이루어질 수 있다. 특히 환형 베어링 몸체는 여러 부분으로 이루어질 수 있는데, 상기 부분들 중 적어도 하나, 그리고 가능하게는 모두가 상기 중합체 조성물로 구성된다. 다수 부분으로 이루어진 환형 베어링 몸체의 적어도 한 부분[이하, 다른 부분]이 상기 중합체 조성물이 아닌 재료(예컨대, 금속 또는 강철)로 구성되는 경우, 상기 다른 부분의 중량은 환형 베어링 몸체의 중량을 기준으로 보통 90% 미만, 종종 50% 미만, 또는 심지어 10% 미만이다. 본 발명에 따르면, 특정의 바람직한 환형 베어링 몸체는 상기 중합체 조성물로 구성된 단일부(single part)이다.

예시적 중합체 스러스트 베어링(110)을 도 1에 도시하였다. 일반적으로 중합체 스러스트 베어링(110)은 샤프트를 수용하기 위해 외주(114)와 내주(116)를 가진 환형일 수 있다. 적어도 한쪽에서, 접합면(mating surface, 112)이 외주(114)와 내주(116) 사이로 연장된다. 접합면(112)은 복수개의 윤활유 채널(118)을 포함할 수 있다. 도시된 구현예에서, 복수개의 윤활유 채널(118)은 방사방향으로 배향된 선형 홈들이지만; 기타 형태 역시 이용가능하다. 또한, 윤활유 채널(118)은 다양한 횡단면 기하구조를 가질 수 있으며, 그 예로 삼각형, 사다리꼴 및 원형이 포함되나 이에 한정되지 않는다. 중합체 스러스트 베어링(110)은 또한 내주(116)를 따라 하나 이상의 윤활유 채널(120)을 포함할 수 있다. 중합체 스러스트 베어링(110)이 윤활 환경에서 샤프트 상에 위치되는 경우, 윤활유 채널(118 및 120)은 중합체 스러스트 베어링(110) 둘레로의 윤활유 흐름을 용이하게 한다.

일부 구현예에서, 윤활유 채널(118)은 접합면(112) 표면적의 약 5% 내지 약 25%를 차지한다. 특정 구현예에서, 윤활유 채널(118)은 접합면(112) 표면적의 약 10% 내지 약 20%를 차지하거나, 또는 접합면 표면적의 약 15%를 차지한다. 중합체 스러스트 베어링(110)이 윤활 환경에서 사용되는 경우, 윤활유 채널(118)은 중합체 스러스트 베어링(110)을 위해 유체역학적 리프트(lift)를 제공하고, 냉각시킬 수 있다. 특정 구현예에 의하면, 윤활유 채널(118)은 약 50 μm 내지 약 1000 μm, 약 250 μm 내지 약 750 μm, 또는 약 500 μm의 깊이를 가진다. 일부 구현예에 의하면, 중합체 스러스트 베어링(110)은 접합면(112)에 직각 방향으로 약 1 mm 내지 약 3.5 mm, 또는 약 1.5 mm 내지 약 2 mm의 두께를 가진다.

예시적인 일 구현예에서, 중합체 스러스트 베어링(110)은 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 단일 중합체 또는 혼화성 중합체 블렌드; 및 1종 이상의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물로 형성된다. 이때 개별적으로 취한 경우, 혼화성 블렌드의 각 중합체의 유리전이온도는 약 140℃ 이상이며, 상기 단일 중합체 또는 상기 혼화성 중합체 블렌드는 중합체 조성물의 매트릭스를 형성하고, 상기 1종 이상의 마찰마모 첨가제는 중합체 매트릭스의 성능 특성을 향상시키며 중합체 매트릭스 중에 분산된 상태로 함유된다.

특정 구현예에 의하면, 중합체 조성물은 유리전이온도(T_g)가 약 140℃ 이상인 단 1종의 중합체를 함유한다. 특정한 다른 구현예들에 의하면, 중합체 조성물은 여러 중합체를 함유하며, 개별적으로 취한 경우(즉, 조합하지 않은 상태) 각 중합체의 유리전이온도(T_g)는 약 140℃ 이상이다. 특정 구현예들에서, 유리전이온도(T_g)가 약 140℃ 이상인 상기 적어도 1종의 중합체의 유리전이온도는 약 170℃ 이상, 약 200℃ 이상, 약 240℃ 이상, 또는 약 270℃ 이상이다. 이와 같이, 예를 들면, 예시적 중합체 조성물은 유리전이온도(T_g)가 약 140℃ 이상인 단 1종의 중합체를 함유하고; 다른 예시적 중합체 조성물은 2종, 3종 또는 그 이상의 중합체를 함유하며, 개별적으로 취한 경우 각 중합체의 유리전이온도(T_g)는 약 170℃ 이상이다.

특정 중합체에 대해 얻을 수 있는 T_g의 특정값은 T_g를 구하기 위해 이용되는 구체적인 방법에 따라 좌우된다는 것이 잘 알려져 있다. 본원에서의 목적상, 유리전이온도는 본원에 기술된 방법을 이용하여 시차 주사 열량분석법(DSC)으로 구한다. 구체적으로는, 하기에 제시되는 특정 매개변수들을 이용하여, ISO 13357-2(유리전이온도 측정) 및 ASTM D-3418(시차 주사 열량 분석법에 의한 중합체의 전이온도 및 용융 엔탈피 및 결정화에 대한 표준 시험 방법)에 따라 DSC 분석을 수행한다.

DSC 측정은 Thermal Advantage 버젼 5.1.2를 사용하는 TA 기구로부터 Q1000 또는 Q20 DSC를 이용하여 수행될 수 있다. 캐리어 가스로는 50 ml/min의 유량으로 순도 99.998%의 질소를 사용하였다. 보조 장비(예컨대, 냉각 유닛 및 유량계)를 표준 절차에 따라 사용하여도 된다. 분석 대상 중합체 시료는 분말, 펠렛, 또는 그래뉼 형태로 존재한다. 필요하다면, 시료 형태를 절단하기 위해, 이를테면 펠렛을 작은 조작으로 절단하기 위해, 수동 절단기를 사용할 수 있다. 10 mg의 시료를 알루미늄 DSC 팬(pan)에서 계량한 후 적절한 권축기(crimper)를 사용하여 알루미늄 뚜껑으로 DSC 팬을 밀폐시킨다.

시료를 DSC 기구 안에 넣은 후, 다음과 같은 프로토콜에 따라 가열한다:(1) 20℃/min 가열 속도로 램프(ramp) 온도 30℃로부터 450℃까지 가열하고, (2) 등온선상으로 450℃에 1분간 유지하고, (3) 20℃/min 냉각 속도로 램프 온도 450℃로부터 30℃까지 냉각시키고, (4) 등온선상으로 30℃에 1분간 유지하고, (5) 20℃/min 가열 속도로 램프 온도 30℃로부터 450℃까지 가열함. 유리전이온도는 두 번째 가열 램프 동안 생성된 데이터로부터 결정된다. DSC 실험들의 경우, T_g는 중간지점 분석을 통해 결정되는데, 이때 중간지점 온도는 2개의 외삽 기준선 사이에서 등거리로 있는 라인과 곡선이 교차하는 지점으로 정의된다. DSC에 의해 분명히 나타나는 T_g가 없을 때는 동역학적 분석(DMA)을 이용한다.

DMA 측정은 Orchestrator 소프트웨어 버젼 V7.2.0.2을 이용하는 TA Instruments사로부터의 ARES RDA3을 사용하여 수행될 수 있다. 오븐 퍼지 가스로는 40 psi(오븐이 켜진 상태)의 유량 설정값으로 99.998% 순도의 질소를 사용하였다. 모터 공기 및 RSA-III 모터 변환기 공기를 위한 전형적인 설정값은 각각 60 psi 및 60 psi이다. 보조 장비(예컨대, 냉각 유닛 및 유량계)를 표준 절차에 따라 사용하여도 된다.

시험편은 다음과 같은 기하 구조 범위를 지닌 직사각형이다: 시료의 길이(Ls) = 50 mm, 폭(W) = 10 내지 12 mm, 및 두께(T) = 3 내지 4 mm. 표준 시험 시료는 ASTM 또는 ISO 늘어지거나 휘어지는 바를 위한 표준 몰드를 이용하여 사출성형 공정으로부터 제조한다. 이들 성형된 시험편을 Buehler ISOMET 저속 절단톱을 사용하여 적절한 치수로 절단할 수 있다. 시험에 앞서, 모든 시료를 중합체 조성물에 따라 결정되는 특정 온도 조건 하의 공기 순환 오븐에서 1시간 넘게 어닐링 처리한다.

DMA 실험은 변형률이 제어된 직사각형 기하구조를 위한 비틀림 모드에서 수행한다. 간극 길이는 원하는 적절한 시험 길이(L = 30 내지 35 mm)로 설정한다. 시험편의 폭과 두께를 0.01 mm에 가깝게 측정하고, 측정치들을 기록한다. 시험편을 상부(이동식) 및 하부(고정식) 시험 고정부 사이에 죔쇠로 고정시킨다. 이러한 공정 동안에는 한계 설정치가 70 cN.m인 토크 드라이버를 사용하여도 된다. 모든 실험을 위해 0.05%의 변형률과 10 rad/sec의 시험 주파수를 적용한다. 모든 시험을 5 ℃/min의 동적 가열 속도로 30℃ 내지 450℃의 온도 범위에 걸쳐 수행한다. 온도에 따른 저장탄성률(G'), 손실탄성률(G") 및 탄-델타(G"/G')의 열-기계적 스펙트럼을 기술된 시험 조건에 따라 모은다. 그런 후에는 T_g를 구하고, 이를 탄 델타 피크에서 최대값에 해당되는 온도로서 보고한다.

일부 구현예에서, 중합체 스러스트 베어링(110)은 윤활 시스템에서 약 0.04 이하의 마찰계수(COF)를 가진 중합체 조성물을 함유한다. 특정 구현예에서, 중합체 스러스트 베어링(110)은 윤활 시스템에서의 COF가 약 0.03 이하, 0.02 이하, 또는 0.01 이하인 중합체 조성물을 함유한다. 일부 구현예에서, 중합체 스러스트 베어링(110)의 PV 한계는 유리하게 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상이다. 특정 구현예에서, 중합체 스러스트 베어링(110)의 PV 한계는 바람직하게 약 1,500,000 psi-fpm(32100 kg/cm² x m/min) 이상, 더 바람직하게는 약 1,750,000 psi-fpm(37450 kg/cm² x m/min) 이상, 더욱더 바람직하게 약 2,000,000 psi-fpm(42800 kg/cm² x m/min) 이상, 가장 바람직하게는 약 2,500,000 psi-fpm(53500 kg/cm²x m/min) 이상, 또는 심지어 가능하게는 약 3,000,000 psi-fpm(64200 kg/cm² x m/min) 이상이다. 일부 구현예에서, 중합체 스러스트 베어링(110)의 마모계수(WF)는 약 0.2 이하이다. 특정 구현예에서, 중합체 스러스트 베어링(110)의 WF는 약 0.1 이하, 0.05 이하, 또는 0.01 이하이다. 바람직한 구현예에서, 중합체 스러스트 베어링(110)의 WF는 약 1.0 이하, 0.80 이하, 0.60 이하, 0.50 이하, 0.20 이하, 0.10 이하, 0.08 이하, 0.05 이하, 또는 0.01 이하이다.

마찰계수(COF) 및 마모계수(WF)는 전술한 바와 같이 수정된 ASTM D3702 방법에 따라 측정하였음을 이해한다.

유리전이온도가 약 140℃ 이상인 적어도 1종의 중합체는 방향족 폴리이미드, 이를테면 폴리아미드-이미드(PAI) 또는 폴리에테르이미드; 또는 폴리벤즈이미다졸(PBI); 또는 폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK) 중합체, 이를테면 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK) 중합체, 설폰화된 PEEK 또는 설파미드화된(sulfamidated) 폴리(에테르 에테르 케톤)일 수 있다. 예시적인 방향족 폴리이미드로, E. I. du Pont de Nemours and Company의 VESPEL^®비-금속-가공처리가능한폴리에테르이미드, Mitsui Chemicals사의 AURUM^®용융-가공처리가능한 폴리에테르이미드, 및 Solvay Advanced Polymers사의 TORLON^®용융-가공처리가능한 방향족 폴리아미드-이미드가 있다. 예시적 폴리(아릴 에테르 케톤)으로, Solvay Advanced Polymers사의 KETASPIRE^®PEEK 중합체가 있다.

중합체 조성물은 전술된 또는 여기에 기술되는 중합체 중 임의의 1종 이상을 함유한 중합체 조합물을 포함할 수 있다. 중합체 조합물은 혼화성 블렌드, 부분 혼화성 블렌드 또는 비혼화성 블렌드일 수 있다. 예를 들어, 중합체 조성물은 TORLON^® 4000T PAI와 같은 폴리아미드-이미드와, 설폰화된 폴리(에테르 에테르 케톤), 설파미드화된 폴리(에테르 에테르 케톤), MATRIMID^® 5218 폴리이미드, 또는 폴리벤즈이미다졸(PBI)과의 블렌드를 포함할 수 있다. 대안으로, 중합체 조성물은 폴리(에테르 에테르 케톤)과, TORLON^® 4000T PAI와 같은 폴리아미드-이미드의 비혼화성 블렌드를 포함할 수 있다. 다른 중합체 블렌드 역시 가능하다.

유리전이온도가 약 140℃ 이상인 적어도 1종의 중합체의 중량은 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 일반적으로 약 25% 이상, 바람직하게는 약 50% 이상이다. 특정 구현예에 의하면, 상기 중량은 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상, 또는 약 90% 이상이다. 특정한 기타 구현예에 의하면, 상기 중량은 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 약 50% 내지 약 99%, 약 60% 내지 약 98%, 약 70% 내지 약 97%, 약 80% 내지 약 96%, 또는 약 90% 내지 약 95% 범위이다.

다양한 마찰마모 첨가제를 중합체 조성물에 혼입시켜도 된다. 본 발명에 따르면, "마찰마모 첨가제"는, 생성되는 중합체 조성물의 마찰계수를 마찰감소 성분이 함유되지 않은 유사 중합체 조성물에 비해 감소시키는 효과를 제공하는, 중합체 조성물의 한 성분을 가리키고자 한다. 따라서 마찰감소 첨가제는, 중합체 조성물(또는 상기 중합체 조성물을 포함하는 물품)과 이러한 중합체 조성물과 접촉되는 재료 사이의 마찰을 감소시켜, 생성되는 중합체 조성물 및 상기 중합체 조성물을 포함하는 물품이 더 미끈거리거나, 실크 또는 매끄러운 느낌을 가지도록 한다.

이러한 1종 이상의 마찰마모 첨가제의 중량은 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 일반적으로 약 0.5% 이상, 바람직하게는 약 1% 이상이다. 상기 중량은 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 약 2% 이상, 약 5% 이상, 약 10% 이상, 또는 약 20% 이상일 수 있다. 또한, 상기 중량은 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 약 50% 이하, 약 40% 이하, 약 30% 이하, 약 20% 이하, 10% 이하, 또는 약 5% 이하일 수 있다. 또 다른 특정 구현예에 의하면, 상기 중량은 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 약 1% 내지 약 50%, 약 2% 내지 약 40$, 약 3% 내지 약 30%, 약 4% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 10% 범위이다.

마찰 감소 첨가제는 바람직하게 플루오로중합체(이를테면, 폴리(테트라플루오로 에틸렌)), 탄소 섬유, 무기 섬유, 중합체 섬유, 흑연, 실리콘유, 실록산 중합체, 이황화몰리브덴, 질화붕소, 탄화규소, 실리카, 질화규소, 산화지르코늄, 산화알루미늄, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된다. 더 바람직하게는, 플루오로중합체, 탄소 섬유, 중합체 섬유, 흑연, 이황화몰리브덴, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된다.

본 발명을 실시하는 경우에 사용하기에 적합한 플루오로중합체는 윤활유 용도로 당해 기술분야에 알려져 있는 플루오로중합체 중 임의의 것일 수 있으며, 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)일 수 있다. PTFE 수지는 내화학성, 윤활성 및 인성으로 널리 알려져 있으며, PTFE 분말은 광범위한 재료의 윤활성을 개선시키는 데 오랫동안 사용되어 왔다. PTFE 구형체 또는 비드를 수지 제제의 성형시 혼입시킴으로써, 내부 윤활제로서 작용하고, 마찰 및 마모 특성의 개선과 함께 매끄럽고, 미끈거리는 표면을 생성하게 할 수 있다. 적합한 플루오로중합체 수지는, DuPont사의 Zonyl^® 플루오로첨가제, Daikin America사의 Daikin-Polyflon^TM PTFE, Solvay Solexis사의 Polymist^®PTFE, 및 Dyneon사의 Polylube PA 5956을 비롯하여, 다양한 공급체로부터 쉽게 구입할 수 있다.

본원에 사용되는 바와 같이, "탄소 섬유"란 용어는 흑연화-, 부분 흑연화- 및 비흑연화-된 탄소 강화 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함하고자 한다. 본 발명에 유용한 탄소 섬유는, 유리하게, 예를 들면 레이온, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 방향족 폴리아미드 또는 페놀성 수지와 같은 다양한 중합체 전구체를 열처리 및 열분해시켜 얻을 수 있으며; 본 발명에 유용한 탄소 섬유는 피치와 같은(pitchy) 재료로부터도 얻을 수 있다. "흑연 섬유"란 용어는 탄소 섬유를 (2000℃보다 높은) 고온에서 열분해시켜 얻어지는 탄소 섬유를 가리키고자 하며, 이때 탄소 원자는 어느 정도 흑연 구조와 유사하다. 본 발명에 유용한 탄소 섬유는 바람직하게 PAN계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유, 흑연 섬유, 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된다.

본 발명을 실시하는 경우에 사용하기에 적합한 탄소 섬유는, 피치로부터 생성되어 높은 열전도율 및 낮거나 또는 음의(negative) 열팽창 계수를 가진, 고도로 흑연화된 탄소 섬유를 포함한다. 예시적 탄소 섬유로는 피치계 탄소 섬유가 있으며, 일반적으로 이들은 약 140 W/mK 이상의 열전도율을 갖게 된다. 바람직하게, 탄소 섬유는 약 300 W/mK를 초과하는 열전도율을 갖게 된다. 본 발명의 특정 구현예에서, 탄소 섬유는 약 600 W/mK를 초과하는 열전도율을 갖게 된다. 기타 구현예에서는 열전도율이 900 W/mK를 초과하거나, 1000 W/mK를 초과하는 탄소 섬유가 사용된다. 더욱더 높은 열전도율, 1300 W/mK로부터 단결정 흑연의 열전도율까지, 1800 W/mK 이상의 열전도율을 가진 섬유 또한 적합하다.

흑연화된 피치계 탄소 섬유는 약 50 중량% 이상의 흑연질 탄소, 약 75 중량%를 초과하는 흑연질 탄소, 및 최대 실질적으로 100% 흑연질 탄소를 함유하는 상업용 공급원으로부터 쉽게 입수가능하다. 본 발명을 실시하는 경우에 특히 적합하게 사용되는 고도의 흑연질 탄소 섬유는 또한 높은 전도성을 특징으로 할 수 있으며, 이렇게 사용되는 섬유의 탄성률은 일반적으로 약 8천만 내지 약 1억2천만 파운드/제곱인치(즉, 약 8천만 내지 1억2천만 lbs/in²(MSI))이다. 특정 구현예에 의하면, 상기 고도의 흑연질 탄소 섬유의 탄성률은 약 85 내지 약 120 MSI이고, 기타 구현예에 의하면 약 100 내지 약 115 MSI이다.

특정 구현예에서, 베어링 표면을 가진 물품은 적어도 2종의 마찰마모 첨가제의 혼합물을 함유한다. 적어도 2종의 마찰감소 첨가제의 혼합물은 흑연과 같은 미립자 고체 유형 마찰감소 첨가제들 중에서 선택된 적어도 1종의 마찰감소 첨가제, 및 윤활성 강화 섬유 및/또는 PTFE 중에서 선택된 적어도 1종의 기타 마찰감소 첨가제로 구성될 수 있다.

일부 구현예에서, 중합체 조성물, 구체적으로 중합체 스러스트 베어링(110)은 PTFE, 흑연, 및 선택적으로는 상기 중합체 매트릭스 재료에 혼합되는 이황몰리브덴(MoS₂)을 함유한다. 특정 구현예에 의하면, PTFE는 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 약 1% 내지 약 20%, 또는 바람직하게는 약 2% 내지 약 10%의 농도로 존재할 수 있다. 특정 구현예에 의하면, 흑연은 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 약 1% 내지 약 55%, 또는 바람직하게는 약 2% 내지 약 20%의 농도로 존재할 수 있다. 일부 구현예에서, 중합체 조성물, 구체적으로 중합체 스러스트 베어링(110)은 탄소 섬유를 함유할 수 있다. 특정 구현예에 의하면, 탄소 섬유는 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 약 1% 내지 약 40%의 농도로 존재할 수 있다.

선택적으로, 중합체 조성물에는, 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 중합체와 마찰마모 첨가제 외에, 1종 이상의 성분이 혼입될 수 있다. 이들 성분은 성질상 중합체이거나 아닐 수 있다.

따라서, 예를 들면, 중합체 조성물의 어떤 특성, 특히, 단기 기계적 능력(즉, 기계적 강도, 인성, 경도, 강성도), 열전도율, 크립 강도 및 내파괴성, 고온 치수안정성, 내피로성 등을 향상시키기 위해 강화용 또는 충전용 첨가제를 중합체 조성물에 혼입할 수 있다. 마찰마모 첨가제 외의 첨가제로는 유리 섬유; 석면 섬유; (예컨대, 텅스텐 또는 탄산염 얀에 붕소 마이크로그래뉼을 증착시켜 얻어지는) 붕소 섬유; 금속 섬유; 세라믹 섬유, 이를테면 질화규소 Si₃N₄; 탈크-유리 섬유; 규산칼슘 섬유, 이를테면 규회석 마이크로-섬유; 탄화규소 섬유; 금속 붕화물 섬유(예컨대, TiB₂); 및 이들의 혼합물이 있을 수 있다. 중합체 조성물에는 안료, 이를테면 이산화티탄 및/또는 군청색 안료 또한 혼입될 수 있다.

본 발명에 따른 특정 구현예에서, 중합체 조성물은 유리전이온도가 실질적으로 140℃ 미만, 예컨대 135℃ 미만 또는 심지어 100℃ 미만인 1종 이상의 중합체, 이를테면 폴리페닐렌 설파이드(통상 T_g가 약 88℃임) 또는 폴리프탈아미드(통상 T_g가 약 85℃ 내지 약 130℃임)를 더 포함한다. 유리전이온도가 실질적으로 140℃ 미만인 1종 이상의 중합체를 본 중합체 조성물에 첨가하는 것은 어떤 경우에, 특히 중합체 스러스트 베어링이 충족시켜야 하는 기술적 요구사항들에 따른 중합체 조성물의 비용-특성간 균형을 최적화시키고자 하는 목적에 유용할 수 있다. 사실, 본 출원인의 전문지식을 바탕으로, 유리전이온도가 실질적으로 140℃ 미만이면서 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 중합체보다 일반적으로 가격면에서 실질적으로 더 매력적인 폴리페닐렌 설파이드 및 폴리프탈아미드와 같은 특정 중합체를, 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 중합체에 의해 제공되는 높은 수준의 내마찰마모성을 실질적으로 손상시키지 않으면서, 본 중합체 조성물에 혼입시킬 수 있다. 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 1종 이상의 중합체의 중량을 기준으로, 유리전이온도가 실질적으로 140℃ 미만인 1종 이상의 중합체의 중량의 비는 유리하게 1.0 이하, 바람직하게는 0.75 이하, 더욱더 바람직하게는 0.5 이하, 가장 바람직하게는 0.2 이하이다; 상기 비는 0.01 이상, 0.02 이상, 0.05 이상, 0.1 이상, 0.2 이상 또는 0.5 이상일 수 있다. 또한, 본 특정 구현예에 따르면, 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 1종 이상의 중합체와 유리전이온도가 실질적으로 140℃ 미만인 1종 이상의 중합체의 중량 합계는 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 약 50% 내지 약 99%, 약 60% 내지 약 98%, 약 70% 내지 약 97%, 약 80% 내지 약 96%, 또는 약 90% 내지 약 95% 범위일 수 있다.

일부 구현예에서, 중합체 조성물, 특히 중합체 스러스트 베어링(110)(또는 다른 베어링 물품)은 폴리(아릴 에테르 케톤) 중합체를 함유할 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이 "폴리(아릴 에테르 케톤)"(PAEK)이란 용어는 반복단위의 50 중량%가 넘는 반복단위가 적어도 1개의 아릴렌기, 적어도 1개의 에테르기(-O-) 및 적어도 1개의 케톤기[-C(=O)-]를 함유한 하나 이상의 화학식의 반복단위(R1)인 모든 중합체를 포함한다.

반복단위(R1)는 일반적으로 적어도 1개의 -Ar-CO-Ar 모이어티, 특히 적어도 1개의

모이어티를 포함하며, 특히

(화학식에서, Ar은 독립적으로 페닐렌, 바이페닐렌 및 나프틸렌 중에서 선택된 2가 방향족 라디칼이고,

X는 독립적으로 O, C(=O) 또는 직접 결합이고,

n은 0 내지 3의 정수이고,

b, c, d 및 e는 0 또는 1이고,

a는 1 내지 4의 정수이고, 바람직하게, b가 1인 경우에 d는 1임), 그리고 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.

더 바람직하게, 반복단위(R1)는 하기 중에서 선택된다:

및 이들의 혼합물.

더욱더 바람직하게, 반복단위(R1)는 하기 중에서 선택된다:

및 이들의 혼합물.

가장 바람직하게, 반복단위(R1)는

이다.

폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK) 중합체는 반복단위의 50 중량%가 넘는 반복단위가 화학식(7)의 반복단위(R1)인 모든 중합체를 나타내고자 한다. PEEK 중합체는 반복단위의 50 중량%가 넘는 반복단위가 화학식(6)의 반복단위(R1)인 모든 중합체를 나타내고자 한다

PEEK 단일중합체는 본질적으로 모든(그렇지 않다면, 모든) 반복단위가 화학식(7)의 반복단위(R1)인 모든 중합체를 나타내고자 한다. PEEK 단일중합체는 본질적으로 모든(아니면, 모든) 반복단위(R1)가 화학식(6)의 반복단위인 모든 중합체를 나타내고자 한다.

폴리(아릴 에테르 케톤)은 특히 단일중합체, 랜덤 공중합체, 교대 공중합체 또는 블록 공중합체일 수 있다. 폴리(아릴 에테르 케톤)이 공중합체인 경우에는, 특히 (i) 화학식(6) 내지 (25) 중에서 선택된 적어도 2개의 상이한 화학식의 반복단위(R1), 또는 (ii) 화학식(6) 내지 (25) 중 1개 이상 화학식의 반복단위(R1) 및 반복단위(R1)와 상이한 반복단위(R1*)를 함유할 수 있다.

반복단위(R1)는 폴리(아릴 에테르 케톤)의 반복단위들의 바람직하게는 70 중량% 넘게, 더 바람직하게는 85 중량% 넘게 차지한다. 더욱더 바람직하게는, 폴리(아릴 에테르 케톤)의 본질적으로 모든 반복단위가 반복단위(R1)이다. 가장 바람직하게, 폴리(아릴 에테르 케톤)의 본질적으로 모든, 또는 심지어 모든 반복단위는 반복단위(R1)이다.

폴리에테르에테르케톤(P1)은 1 g/100 ml의 농도로 95 내지 98% 황산(d = 1.84 g/ml) 중에서 측정한 경우, 0.60 dl/g 이상, 0.65 dl/g 이상 또는 0.70 dl/g 이상의 환원점도(RV)를 가질 수 있다. 상기 측정은 No 50 캐논-플레스케(Cannon-Fleske) 점도계를 사용하여 수행하며; RV는 폴리에테르에테르케톤이 용해된 후 4시간 이내의 시점에서 25℃에서 측정한다. 게다가, 폴리에테르에테르케톤(P1)의 RV는 특히 1.20 dl/g 이하, 또는 1.10 dl/g 이하일 수 있다. 폴리에테르에테르케톤(P1)의 RV는 또한 0.70 내지 0.90 dl/g, 또는 0.90 내지 1.10 dl/g일 수 있다.

폴리에테르에테르케톤(P1)은 400℃에서 유리하게는 0.12 kPa.s 이상, 바람직하게는 0.25 kPa.s 이상, 더 바람직하게는 0.32 kPa.s 이상, 더욱더 바람직하게는 0.38 kPa.s 이상의 용융점도와, 모세관 유동계를 사용하여 ASTM D3835에 따라 측정하였을 때 1000 s^-1의 전단율을 가진다. 모세관 유동계로는, Kayeness Galaxy V 유동계(모델 8052 DM)를 사용할 수 있다. 또한, 폴리에테르에테르케톤(P1)은 400℃에서 유리하게는 1.00 kPa.s 이하, 바람직하게는 0.50 kPa.s 이하, 더 바람직하게는 0.44 kPa.s 이상의 용융점도와, 모세관 유동계를 사용하여 ASTM D3835에 따라 측정하였을 때 1000 s^-1의 전단율을 가진다.

당해 기술분야에 잘 알려져 있는 폴리(아릴 에테르 케톤)(P1), 특히 폴리에테르에테르케톤(P1)의 생성 방법은 적어도 1종의 비스페놀의 보통 실질적인 등몰 혼합물을 적어도 1종의 디할로벤조이드 화합물, 및/또는 1종 이상의 할로페놀 화합물을 반응(친핵성 중축합 반응)시키는 단계를 포함한다. 상기 방법에서 바람직한 비스페놀은 p-하이드로퀴논이고, 상기 방법에서 바람직한 디할로벤조이드 화합물은 4,4'-디플루오로벤조페논이며, 상기 방법에서 바람직한 할로페놀 화합물은 4-(4-플루오로벤조일)페놀이다. 당해 기술분야에 잘 알려져 있는 폴리에테르에테르케톤(P1)의 다른 생성 방법은 용매로서 알칼 설폰산을 사용하고, 축합제의 존재 하에 페녹시페녹시벤조산 등을 친전자성 중합반응시키는 단계를 포함한다. 폴리에테르에테르케톤은 특히 Solvay Advanced Polymers사로부터 KETASPIRE^® PEEK로 구입가능하다.

일부 구현예에서, 중합체 조성물, 특히 중합체 스러스트 베어링(110)(또는 다른 베어링 물품)은 방향족 폴리이미드 중합체를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 방향족 폴리이미드(P2)는 반복단위의 50 중량%가 넘는 반복단위(R1)가 적어도 1개의 방향족 고리 및 적어도 1개의 이미드기를 포함하는 모든 중합체이다. 방향족 폴리이미드(P2)는 예를 들어 방향족 폴리아미드 이미드 또는 폴리에테르 이미드로 분류될 수 있다.

반복단위(R1)에 함유된 이미드기는 있는 그대로[화학식(26)]의 이미드기 및/또는 아미드산 형태[화학식(27)]의 이미드기일 수 있다:

있는 그대로의 이미드기 및/또는 아미드산 형태의 이미드기는, 유리하게, 아래에 도시된 바와 같이 방향족 고리에 연결된다:

화학식에서, Ar'는 적어도 1개의 방향족 고리를 함유한 모이어티를 가리킨다.

유리하게 이미드기는 축합된 방향족계로서 존재하여, 이를테면, 가령 벤젠과 함께 5- 또는 6-원 헤테로방향족 고리[프탈이미드형 구조, 화학식(30)] 및 나프탈렌[나프탈이미드형 구조, 화학식(31)]을 생성한다.

제1 특정 구현예에서, 방향족 폴리이미드(P2)의 반복단위(R1)는 가능하게는 이미드기의 아미드산 형태 내에 포함된 기 외에 어떠한 에테르기나 아미드기도 포함하지 않는다[반복단위(R1a)].

반복단위(R1a)는 바람직하게 하기의 화학식(32), (33) 및 (34), 그리고 이들의 혼합물의 반복단위 중에서 선택된다:

화학식에서

- Ar은

(여기서, X는

(n = 1, 2, 3, 4 또는 5),

및 이들의 혼합물 중에서 선택됨), 및 이들의 혼합물 중에서 선택되고;

- R은

(여기서, Y는

(n = 1, 2, 3, 4 또는 5),

,

, 및 이들의 혼합물 중에서 선택됨), 및 이들의 혼합물 중에서 선택된다.

제2 특정 구현예에서, 방향족 폴리이미드(P2)는 방향족 폴리아미드-이미드이다. 본 발명의 목적상, 방향족 폴리아미드-이미드는 반복단위(R1)의 50 중량%가 넘는 반복단위[반복단위(R1b)]가 적어도 1개의 방향족 고리, 적어도 1개의 이미드기(있는 그대로 및/또는 아미드산 형태), 및 적어도 1개의 아미드기(이미드기의 아미드산 형태에 포함된 것이 아님)를 포함하는 모든 중합체를 가리키고자 한다.

반복단위(R1b)는 바람직하게 반복단위(35) 및 (36), 그리고 이들의 혼합물 중에서 선택된다:

(이미드 형태) (아미드산 형태)

화학식에서

- Ar은

(여기서, X는

(n = 1, 2, 3, 4 또는 5),

, 및 이들의 혼합물 중에서 선택됨), 및 이들의 혼합물 중에서 선택되고;

- R은

(여기서, Y는

(n = 1, 2, 3, 4 또는 5),

(n = 1, 2, 3, 4 또는 5), 및 이들의 혼합물 중에서 선택됨), 및 이들의 혼합물 중에서 선택된다.

더 바람직하게, 반복단위(R1b)는 하기 중에서 선택된다:

( R1b -1)

및/또는 상응하는 아미드-아미드산 함유 반복단위:

(이때 화학식(38)에 예시된 바와 같이 방향족 고리로 2개의 아미드기가 부착된 부분은 1,3 및 1,4 폴리아미드-아미드산 구조를 나타내는 것으로 이해하면 됨)

( R1b -2)

및/또는 상응하는 아미드-아미드산 함유 반복단위:

(이때 화학식(40)에 예시된 바와 같이 방향족 고리로 2개의 아미드기가 부착된 부분은 1,3 및 1,4 폴리아미드-아미드산 구조를 나타내는 것으로 이해하면 됨)

( R1b -3)

및/또는 상응하는 아미드-아미드산 함유 반복단위:

(이때 화학식(42)에 예시된 바와 같이 방향족 고리로 2개의 아미드기가 부착된 부분은 1,3 및 1,4 폴리아미드-아미드산 구조를 나타내는 것으로 이해하면 됨).

반복단위(R1b)는 바람직하게 반복단위(R1b-2)와 (R1b-3)의 혼합이다. 폴리아미드-이미드의 본질적으로 모든(아니면, 모든) 반복단위가 이 기준을 따를 때 월등한 결과를 얻었으며, 이들은 특히 Solvay Advanced Polymers사로부터 TORLON^® 폴리아미드-이미드로 구입가능하다.

방향족 폴리아미드-이미드는 특히 (i) 무수트리멜리트 및 무수트리멜리트 모노산 할로겐화물 중에서 선택된 적어도 1종의 산 단량체와 (ii) 디아민 및 디이소시아네이트 중에서 선택된 적어도 1종의 공단량체 사이의 중축합 반응을 포함하는 방법에 의해 제조가능하다.

무수트리멜리트 모노산 할로겐화물 중에서, 무수트리멜리트 모노산 클로라이드가 바람직하다.

공단량체는 바람직하게 적어도 1개의 방향족 고리를 포함한다. 그 외에도, 공단량체는 바람직하게 2개 이하의 방향족 고리를 포함한다. 더 바람직하게, 공단량체는 디아민이다. 더욱더 바람직하게, 디아민은 4,4'-디아미노디페닐메탄, 4,4'-디아미노디페닐에테르, m-페닐렌디아민, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된다.

제3 구현예에서, 방향족 폴리이미드(P2)는 방향족 폴리에테르이미드이다. 본 발명의 목적상, 방향족 폴리에테르-이미드는 반복단위(R1)의 50 중량%가 넘는 반복단위[반복단위(R1c)]가 적어도 1개의 방향족 고리, 적어도 1개의 이미드기(있는 그대로 및/또는 아미드산 형태), 및 적어도 1개의 에테르기를 포함하는 모든 중합체를 가리키고자 한다.

반복단위(R1c)는 선택적으로 이미드기의 아미드산 형태에 포함되지 않은 적어도 1개의 아미드기를 더 포함할 수 있다.

방향족 폴리에테르이미드의 제1 부류는 하기 중에서 선택된 반복단위(R1)로 구성된다:

( R1c -1)

화학식에서

- Ar은

(여기서, X는

(n = 1, 2, 3, 4 또는 5),

- R은

, 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 에테르-함유 모이어티이다.

이러한 제1 부류의 방향족 폴리에테르이미드에 관한 한, 바람직한 Ar기는

이다.

이러한 제1 부류의 방향족 폴리에테르이미드에 속하는 매우 바람직한 방향족족 폴리이미드(P2)는 반복단위(R1)가 하기 화학식:

을 갖고/갖거나, 그의 상응하는 2개의 아미드산 형태[화학식(44) 및 (45) 대 화학식(43)의 완전한 이미드 형태를 참조함]인 폴리이미드이다.

본질적으로 모든(아니면, 모든) 반복단위가 화학식(48-a)을 갖고/갖거나, 그의 상응하는 2개의 아미드산 형태인 방향족 폴리에테르이미드는 특히 Mitsu사로부터 AURUM^® 폴리이미드로 구입가능하다.

이러한 제1 부류의 방향족 폴리에테르이미드에 속하는 기타 매우 바람직한 방향족족 폴리이미드(P2)는 반복단위(R1)가 하기 화학식:

본질적으로 모든(아니면, 모든) 반복단위가 화학식(48-b)을 갖고/갖거나, 그의 상응하는 2개의 아미드산 형태인 방향족 폴리에테르이미드는 특히 DuPont사로부터 VESPEL^® 폴리이미드로 구입가능하다.

제2 부류의 방향족 폴리에테르이미드는 반복단위(R1)가

있는 그대로, 및/또는 그의 아미드산 형태

및/또는

(화학식에서

- →는 이성질체를 나타내며, 이로써 임의의 반복단위에서 화살표가 가리키는 기는 예시된 바와 같이 또는 교환된 위치에 존재할 수 있고;

- E는 하기 중에서 선택되고;

(E-i)

(서로 독립적인 R'는 1개 내지 6개의 탄소 원자를 포함하는 알킬 라디칼, 아릴 또는 할로겐임)

(E-ii)

(n = 1 내지 6의 정수)

(E-iii)

(R'는, 서로 독립적으로, 1개 내지 6개의 탄소 원자를 포함한 알킬 라디칼, 아릴 또는 할로겐)

(E-iv)

(R'는, 서로 독립적으로, 1개 내지 6개의 탄소 원자를 포함한 알킬 라디칼, 아릴 또는 할로겐이고,

Y는

(Y-i) 1개 내지 6개의 탄소 원자를 포함한 알킬렌, 특히

(n = 1 내지 6의 정수);

(Y-ii) 1개 내지 6개의 탄소 원자를 포함한 퍼플루오로알킬렌, 특히

(n = 1 내지 6의 정수);

(Y-iii) 4개 내지 8개의 탄소 원자를 포함한 사이클로알킬렌;

(Y-iv) 1개 내지 6개의 탄소 원자를 포함한 알킬리덴;

(Y-v) 4개 내지 8개의 탄소 원자를 포함한 사이클로알킬리덴;

중에서 선택됨)

- Ar"는

(Ar"-i) 6개 내지 20개의 탄소 원자를 포함하는 방향족 탄화수소 라디칼 및 그의 할로겐화 치환 또는 알킬 치환된 유도체(알킬 치환기는 1개 내지 6개의 탄소 원자를 함유함), 이를테면

및 그의 할로겐화 치환 또는 알킬 치환된 유도체(알킬 치환기는 1개 내지 6개의 탄소 원자를 함유함);

(Ar"-ii)

(Y는 앞서 정의된 (Y-i), (Y-ii), (Y-iii), (Y-iv), (Y-v), (Y-vi), (Y-vii), (Y-viii), (Y-ix) 및 (Y-x) 중에서 선택됨);

(Ar"-iii) 2개 내지 20개의 탄소 원자를 포함한, 알킬렌 및 사이클로알킬렌 라디칼, 및

(Ar"-iv) 말단 폴리디오가노실록산 중에서 선택됨)

반복단위(R1c-4)인 폴리에테르이미드로 구성된다.

반복단위(R1)가 반복단위(R1c-4)인 방향족 폴리에테르이미드는 당업자에 잘 알려져 있는 방법들 중 임의의 방법에 의해 제조될 수 있으며, 상기 방법은 하기 화학식

(화학식에서, E는 앞서 정의된 바와 같음)의 임의의 방향족 비스(에테르 무수물)을 화학식 H₂N-Ar"-NH₂ (53)(화학식에서, Ar"는 앞서 정의된 바와 같음)의 디아미노 화합물과 반응시키는 단계를 포함한다. 일반적으로, 상기 반응은, 약 20℃ 내지 약 250℃의 온도에서, 이무수물과 디아민 사이의 상호반응을 일으키기 위해 잘 알려져 있는 용매, 예컨대, o-디클로로벤젠, m-크레졸/톨루엔, N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 등을 이용하여 유리하게 수행될 수 있다.

대안으로, 이러한 폴리에테르이미드는

화학식(52)의 임의의 이무수물 및 화학식(53)의 임의의 디아미노 화합물을 용융 중합반응시키는 한편, 이들 성분의 혼합물을 고온에서 가열하는 동시에 함께 혼합시킴으로써 제조될 수 있다.

화학식(52)의 방향족 비스(에테르 무수물)의 예로는

- 2,2-비스[4-(2,3-디카르복시페녹시)페닐]프로판 이무수물;

- 4,4'-비스(2,3-디카르복시페녹시)디페닐 에테르 이무수물;

- 1,3-비스(2,3-디카르복시페녹시)벤젠 이무수물;

- 4,4'-비스(2,3-디카르복시페녹시)디페닐 설파이드 이무수물;

- 1,4-비스(2,3-디카르복시페녹시)벤젠 이무수물;

- 4,4'-비스(2,3-디카르복시페녹시)벤조페논 이무수물;

- 4,4'-비스(2,3-디카르복시페녹시)디페닐 설폰 이무수물;

- 2,2-비스[4 (3,4-디카르복시페녹시)페닐]프로판 이무수물;

- 4,4'-비스(3,4-디카르복시페녹시)디페닐 에테르 이무수물;

- 4,4'-비스(3,4-디카르복시페녹시)디페닐 설파이드 이무수물;

- 1,3-비스(3,4-디카르복시페녹시)벤젠 이무수물;

- 1,4-비스(3,4-디카르복시페녹시)벤젠 이무수물;

- 4,4'-비스(3,4-디카르복시페녹시)벤조페논 이무수물;

- 4-(2,3-디카르복시페녹시)-4'-(3,4-디카르복시페녹시)디페닐-2,2-프로판 이무수물; 기타; 및 이들 이무수물의 혼합물이 있다.

화학식(53)의 유기 디아민의 예로는 m-페닐렌디아민, p-페닐렌디아민, 2,2-비스(p-아미노페닐)프로판, 4,4'-디아미노디페닐-메탄, 4,4'-디아미노디페닐 설파이드, 4,4'-디아미노 디페닐 설폰, 4,4'-디아미노디페닐 에테르, 1,5-디아미노나프탈렌, 3,3'-디메틸벤지딘, 3,3'-디메톡시벤지딘이 있다.

반복단위(R1c-4)에서, E는 바람직하게 (E-i)

(서로 독립적인 R'는 1개 내지 6개의 탄소 원자를 포함한 알킬 라디칼, 아릴 또는 할로겐임)이고, 더 바람직하게 E는 비치환된 m-페닐렌이다.

또한, 반복단위(R1c-4)에서, Ar"는 바람직하게 (Ar"-ii)

(Y는 앞서 정의된 바와 같은 (Y-i), (Y-ii), (Y-iii), (Y-iv), (Y-v), (Y-vi), (Y-vii), (Y-viii), (Y-ix) 및 (Y-x) 중에서 선택됨)이다.

더 바람직하게, Ar"는

이다.

반복단위(R1c-4)가 있는 그대로, 이미드 형태, 및/또는 아미드산 형태[화학식(55) 및 (56)]로 존재하는 화학식(54)의 반복단위일 때 좋은 결과를 얻었다:

화학식(55) 및 (56)에서, →는 이성질체를 나타내며, 이로써 임의의 반복단위에서 화살표가 가리키는 기는 예시된 바와 같이 또는 교환된 위치에 존재할 수 있다.

반복단위(R1c-4)가 있는 그대로, 이미드 형태, 및/또는 아미드산 형태[화학식(55) 및 (56)]로 존재하는 화학식(54)의 반복단위일 때 뛰어난 결과를 얻었다.

본질적으로 모든(아니면, 모든) 반복단위가 화학식(54)의 반복단위, 및/또는 그의 상응하는 아미드산 형태(화학식(55) 및/또는 (56))인 방향족 폴리에테르이미드는 General Electric사(현재는 SABIC사)로부터 ULTEM^® 폴리에테르이미드로 구입가능하다.

아래에 나타낸 바와 같이, 반복단위(R1c-4)가 있는 그대로, 이미드 형태, 및/또는 아미드산 형태[화학식(58) 및 (59)]

(화학식에서,

- (58) 및 (59)는 화학식(57)의 이미드 형태에 상응하는 아미드산 형태이고;

- →는 이성질체를 나타내며, 이로써 임의의 반복단위에서 화살표가 가리키는 기는 예시된 바와 같이 또는 교환된 위치에 존재할 수 있으며;

- Ar"는 하기 구조물 중에서 선택된다:

(오르쏘, 메타 또는 파라 위치에 연결기를 가지며, 화학식에서 R'는 수소 원자이거나 또는 1개 내지 6개의 탄소 원자를 포함한 알킬 라디칼임);

(R은 최대 6개의 탄소 원자를 가진 지방족 2가기, 이를테면 메틸렌, 에틸렌, 이스프로필렌 등임))

및 이들의 혼합물로 존재하는 화학식(57)의 반복단위일 때 좋은 결과를 얻었다.

본질적으로 모든(아니면, 모든) 반복단위가 화학식(57)의 반복단위, 및/또는 그의 상응하는 아미드산 형태(화학식(58) 및/또는 (59))인 방향족 폴리에테르이미드는 General Electric사(현재는 SABIC사)로부터 EXTEM^® 폴리에테르이미드로 구입가능하다.

반복단위(R1)는 방향족 폴리이미드(P2)의 반복단위의 바람직하게는 75 중량% 넘게, 더 바람직하게는 90 중량% 넘게 차지한다. 더욱더 바람직하게는, 방향족 폴리이미드(P2)의 본질적으로 모든(아니면, 모든) 반복단위가 반복단위(R1)이다.

중합체 조성물은 단 1종의 방향족 폴리이미드(P2)를 포함할 수 있다. 대안으로, 중합체 조성물은 2종, 3종 또는 심지어 3종보다 많은 방향족 폴리이미드(P2)를 포함할 수 있다.

시스템

초고 PV 조건에 노출되는 중합체 베어링 물품을 그 내부에 이용하는 신규 파워트레인 부품 시스템을 개발하였다. 이러한 파워트레인 부품 시스템은 엔진(이를테면, 내연기관) 부품 시스템, 변속기 부품 시스템 또는 차동기 부품 시스템을 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 파워트레인 부품 시스템은 변속기, 이를테면 자동 변속기, 수동 변속기, 무단 변속기, 또는 이중 클러치 변속기이다. 예를 들어, 중합체 베어링 물품은 클러치, 토크 변환기, 토크 댐퍼, 또는 콘센트릭 슬레이브 실린더의 부품으로 이용될 수 있다. 중합체 베어링 물품은 경부하 변속기 부품 시스템, 중부하 변속기 부품 시스템, 및 오프로드 변속기 부품 시스템에 이용될 수 있다.

"베어링 물품"이란 용어는 베어링 표면이 상대적으로 높은 하중, 상대적으로 높은 속도, 또는 둘 다에 노출되는 물품을 가리킨다. 본원에 사용되는 바와 같이, "베어링 물품" 및 "베어링"은 가령 슬라이딩, 선회, 진동, 왕복, 회전 등과 같이 상대적인 이동을 하는 표면과 상호작용하는 표면을 가진 모든 물품(들)을 가리킨다. 이러한 물품의 예로는, 볼, 밸브 시트, 피스톤 링, 밸브 가이드, 압축기 베인 및 (고정식 및 동적) 씰을 포함하는, 스러스트 베어링, 슬리브 베어링, 저널 베어링, 쓰러스트와셔, 러브 스트립, 베어링 패드, 니들 베어링, 볼 베어링이 있으나, 이에 한정되지 않는다. 특정 구현예에 의하면, 베어링 물품은 축방향 베어링, 예컨대 스러스트 베어링일 수 있다. 본 개시되는 축방향 베어링은 유리하게 초고 PV 시스템 내의 니들 베어링을 대체할 수 있다.

중합체 베어링 물품은 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 적어도 1종의 중합체, 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함한다. 중합체 조성물의 중량은 중합체 베어링 물품의 중량을 기준으로 보통 10%를 초과하거나, 종종 50%를 초과하거나, 심지어 90%를 초과한다. 많은 구현예에서, 중합체 베어링 물품은 중합체 조성물로 구성된다. 중합체 베어링 물품은 한 부분으로 이루어질 수 있거나, 또는 여러 부분으로 이루어질 수 있다. 특히 중합체 베어링 물품은 여러 부분으로 이루어질 수 있는데, 상기 부분들 중 적어도 하나, 그리고 가능하게는 모두가 상기 중합체 조성물로 구성된다. 다수 부분으로 이루어진 중합체 베어링 물품의 적어도 한 부분[이하, 다른 부분]이 상기 중합체 조성물이 아닌 재료(예컨대, 금속 또는 강철)로 구성되는 경우, 상기 다른 부분의 중량은 중합체 베어링 물품의 중량을 기준으로 보통 90% 미만, 종종 50% 미만, 또는 심지어 10% 미만이다. 본 발명에 따르면, 특정의 바람직한 중합체 베어링 물품은 상기 중합체 조성물로 구성된 단일부(single part)이고; 다른 바람직한 중합체 베어링 물품은 상기 중합체 조성물로 구성된 여러 부분으로 이루어진다.

바람직하게, 시스템은 또한 모터 오일 또는 변속기 오일과 같은 윤활유를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 전술된 바와 같은 파워트레인 부품 시스템에 이용될 때 초고 PV 조건에 노출되는 중합체 베어링 물품을 포함하는 파워트레인 부품에 관한 것이다. "중합체 베어링 물품"이란 용어는 전술된 바와 같은 중합체 베어링 물품을 가리킨다. 파워트레인 부품은 예를 들어 클러치, 토크 변환기, 토크 댐퍼, 또는 콘센트릭 슬레이브 실린더일 수 있다.

도 2는 중합체 스러스트 베어링(예컨대, 도 1의 중합체 스러스트 베어링(110))과 같은 중합체 베어링 물품(138)을 이용하는 파워트레인 부품과 같은 시스템(130)을 나타낸다. 예시된 구현예에서, 중합체 베어링 물품(138)은 회전식 부품(134)과 고정식 부품(136) 사이의 샤프트(132) 상에 배치된다. 일부 구현예에서, 고정식 부품(136)은 대안으로 상대-회전식 부품이거나, 또는 샤프트(132)와 회전하는 상기 회전식 부품(134)과는 상이한 각속도로 회전하는 부품일 수 있다. 시스템(130)은 모터 오일 또는 변속기 오일과 같은 윤활유를 포함할 수 있으며, 이러한 윤활유는 중합체 베어링 물품(138), 고정식 부품(136), 회전식 부품(134) 및 샤프트(132)의 계면들 사이에 제공된다. 시스템(130)은 부족-공급 윤활 방식(starved-fed lubrication regime) 또는 완전-윤활 방식 하에 윤활유를 계면으로, 그리고 계면으로부터 순환시킬 수 있다. 부족-공급 윤활 방식에서는 윤활제를 약 0.025 L/min 이하의 유량으로 순환시킬 수 있다. 바람직한 완전-윤활 방식에서는 윤활제를 약 0.025 L/min 이상의 유량으로, 예를 들면, 약 0.025 L/min 내지 약 1 L/min, 또는 약 0.025 L/min 내지 약 0.1 L/min, 또는 약 0.025 L/min 내지 약 0.05 L/min의 유량으로 순환시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 시스템은 중합체 베어링 물품(138)을 약 90℃ 이상, 약 120℃ 이상, 또는 약 130℃ 이상의 윤활유 온도에 노출시킨다.

예시적 구현예에서, 중합체 베어링 물품(138)은 중합체 매트릭스 재료, 및 상기 중합체 매트릭스 재료의 성능 특성을 향상시키는 1종 이상의 첨가제로 구성된다. 일부 구현예에서, 중합체 매트릭스 재료는 T_g가 약 140℃ 이상인 중합체를 포함한다. 특정 구현예에 의하면, 상기 중합체의 T_g는 약 200℃ 이상, 약 240℃ 이상, 또는 약 270℃ 이상이다. 일부 구현예에서, 중합체 베어링 물품(138)은 윤활 시스템에서의 COF가 약 0.04 이하인 재료를 포함한다. 특정 구현예에서, 중합체 베어링 물품(138)은 윤활 시스템에서의 COF가 약 0.03 이하, 0.02 이하, 또는 0.01 이하인 재료를 포함한다. 일부 구현예에서, 중합체 베어링 물품(138)의 PV 한계는 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상이다. 특정 구현예에서, 중합체 베어링 물품(138)의 PV 한계는 약 1,500,000 psi-fpm(32100 kg/cm² x m/min) 이상, 약 1,750,000 psi-fpm(37450 kg/cm² x m/min) 이상, 약 2,000,000 psi-fpm(42800 kg/cm²x m/min) 이상, 가장 바람직하게는 약 2,500,000 psi-fpm(53500 kg/cm² x m/min) 이상, 또는 약 3,000,000 psi-fpm(64200 kg/cm² x m/min) 이상이다. 일부 구현예에서, 중합체 베어링 물품(138)의 WF는 약 0.2 이하이다. 특정 구현예에서, 중합체 베어링 물품(138)의 WF는 약 0.1 이하, 0.05 이하, 또는 0.01 이하이다. 바람직한 구현예에서, 중합체 베어링 물품(138)의 WF는 약 1.0 이하, 0.80 이하, 0.60 이하, 0.50 이하, 0.20 이하, 0.10 이하, 0.08 이하, 0.05 이하, 또는 0.01 이하이다.

마찰계수(COF) 및 마모계수(WF)는 전술한 바와 같이 수정된 ASTM D3702에 따라 측정하였음을 이해한다.

중합체 매트릭스 재료는 PI(이를테면, 방향족 PAI), PAEK(이를테면, PEEK), 또는 PPA 중합체를 포함할 수 있다. 다양한 첨가제를 중합체 매트릭스 재료에 혼입하여도 된다. 일부 구현예에 의하면, 중합체 베어링 물품(138)은 중합체 매트릭스 재료 내에 또는 중합체 매트릭스 재료 상에 혼입된 PTFE, 흑연, 및/또는 MoS₂를 포함한다. 일부 구현예에 의하면, 중합체 베어링 물품(138)은 중합체 매트릭스 재료 내에 혼입된 탄소 섬유를 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 시스템(130)은 중합체 베어링 물품(138)을 속도와 압력을 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 속도 및 압력에 노출시킨다. 특정 구현예에서, 시스템(130)은 중합체 베어링 물품(138)을 속도와 압력을 곱한 값이 약 1,500,000 psi-fpm(32100 kg/cm² x m/min) 이상, 약 1,750,000 psi-fpm(37450 kg/cm² x m/min) 이상, 약 2,000,000 psi-fpm(42800 kg/cm² x m/min) 이상, 가장 바람직하게는 약 2,500,000 psi-fpm(53500 kg/cm² x m/min) 이상, 또는 약 3,000,000 psi-fpm(64200 kg/cm² x m/min)의 속도 및 압력에 노출시킨다.

예시적 구현예에서, 시스템(130)은 중합체 베어링 물품(138)을 약 200 psi(14.06 kg/cm²) 이상, 약 300 psi(21.09 kg/cm²) 이상, 400 psi(28.12 kg/cm²) 이상, 500 psi(35.15 kg/cm²) 이상, 600 psi(42.18 kg/cm²) 이상, 또는 700 psi(49.21 kg/cm²) 이상의 압력에 노출시킨다. 예시적 구현예에서, 시스템(130)은 중합체 베어링 물품(138)을 약 2800 fpm(853.44 m/min) 이상, 3000 fpm(914.40 m/min) 이상, 또는 3200 fpm(975.36 m/min) 이상의 속도에 노출시킨다. 일부 구현예에서, 시스템(130)은 중합체 베어링 물품(138)을 약 200 psi(14.06 kg/cm²) 내지 약 2500 psi(175.75 kg/cm²)의 압력과 약 440 fpm(134.11 m/min) 내지 약 5500 fpm(1676.40 m/min)의 속도에 노출시키며, 이때 P와 V를 곱한 값은 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm²x m/min) 이상이다. 예시적 구현예에서, 시스템(130)은 중합체 베어링 물품(138)을 약 300 psi(21.09 kg/cm²) 내지 약 900 psi(63.27 kg/cm²)의 압력과 약 2800 fpm(853.44 m/min) 내지 약 3600 fpm(1097.28 m/min)의 속도에 노출시킨다.

방법

중합체 베어링 물품을 초고 PV 환경에서 이용하기 위한 신규 방법을 개발하였다. 예시적 구현예에 의하면, 상기 방법은 중합체 베어링 물품을 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 속도 및 압력에 노출시키는 조작을 포함한다. 예를 들면, 중합체 베어링 물품은 초고 PV 환경에 노출되는 파워트레인 부품 시스템에 이용될 수 있다. 특정 구현예에서, 중합체 베어링 물품은, 도 2에 예시된 시스템(130)에서와 같이, 회전식 부품들 사이의 마찰을 줄이기 위해 시스템 내의 초고 PV 조건에 노출될 수 있다. 일부 구현예에서, 중합체 베어링 물품은 도 1의 중합체 스러스트 베어링(110)과 같은 중합체 스러스트 베어링이다. 예시적 구현예에서, 중합체 베어링 물품은 윤활유가 중합체 베어링 물품의 계면들 사이에 제공되는 윤활 환경에 이용된다. 상기 방법은 부족-공급 윤활 방식 또는 완전-윤활 방식 하에 윤활유를 계면으로, 그리고 계면으로부터 순환시키는 조작을 포함할 수 있다. 부족-공급 윤활 방식에서는 윤활제를 약 0.025 L/min 이하의 유량으로 순환시킬 수 있다. 완전-윤활 방식에서는 윤활제를 약 0.025 L/min 이상의 유량으로, 예를 들면, 약 0.025 L/min 내지 약 1 L/min, 또는 약 0.025 L/min 내지 약 0.1 L/min, 또는 약 0.025 L/min 내지 약 0.05 L/min의 유량으로 순환시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 중합체 베어링 물품을 약 90℃ 이상, 약 120℃ 이상, 또는 약 130℃ 이상의 윤활유 온도에 노출시키는 조작을 포함할 수 있다.

예시적 구현예에서, 중합체 베어링 물품은 중합체 매트릭스 재료, 및 상기 중합체 매트릭스 재료의 성능 특성을 향상시키는 1종 이상의 첨가제로 구성된다. 일부 구현예에서, 중합체 매트릭스 재료는 T_g가 약 140℃ 이상인 중합체를 포함한다. 특정 구현예에 의하면, 상기 중합체의 T_g는 약 200℃ 이상, 약 240℃ 이상, 또는 약 270℃ 이상이다. 일부 구현예에서, 중합체 베어링 물품은 윤활 시스템에서의 COF가 약 0.04 이하인 재료를 포함한다. 특정 구현예에서, 중합체 베어링 물품은 윤활 시스템에서의 COF가 약 0.03 이하, 0.02 이하, 또는 0.01 이하인 재료를 포함한다. 일부 구현예에서, 중합체 베어링 물품의 PV 한계는 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상이다. 특정 구현예에서, 중합체 베어링 물품의 PV 한계는 약 1,500,000 psi-fpm(32100 kg/cm² x m/min) 이상, 약 1,750,000 psi-fpm(37450 kg/cm² x m/min) 이상, 약 2,000,000 psi-fpm(42800 kg/cm² x m/min) 이상, 가장 바람직하게는 약 2,500,000 psi-fpm(53500 kg/cm² x m/min) 이상, 또는 약 3,000,000 psi-fpm(64200 kg/cm² x m/min) 이상이다. 일부 구현예에서, 중합체 베어링 물품의 WF는 약 0.2 이하이다. 특정 구현예에서, 중합체 베어링 물품의 WF는 약 0.1 이하, 0.05 이하, 또는 0.01 이하이다. 바람직한 구현예에서, 중합체 스러스트 베어링(110)의 WF는 약 1.0 이하, 0.80 이하, 0.60 이하, 0.50 이하, 0.20 이하, 0.10 이하, 0.08 이하, 0.05 이하, 또는 0.01 이하이다.

중합체 매트릭스 재료는 PI(이를테면, 방향족 PAI), PAEK(이를테면, PEEK), 또는 PPA 중합체를 포함할 수 있다. 다양한 첨가제를 중합체 매트릭스 재료에 혼입하여도 된다. 일부 구현예에 의하면, 중합체 베어링 물품은 중합체 매트릭스 재료 내에 혼입된 PTFE, 흑연, 및/또는 MoS₂를 포함한다. 일부 구현예에 의하면, 중합체 베어링 물품은 중합체 매트릭스 재료 내에 혼입된 탄소 섬유를 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 상기 방법은 중합체 베어링 물품(38)을 속도와 압력을 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 속도 및 압력에 노출시키는 조작을 포함한다. 특정 구현예에서, 상기 방법은 중합체 베어링 물품을 속도와 압력을 곱한 값이 약 1,500,000 psi-fpm(32100 kg/cm² x m/min) 이상, 약 1,750,000 psi-fpm(37450 kg/cm² x m/min) 이상, 약 2,000,000 psi-fpm(42800 kg/cm² x m/min) 이상, 가장 바람직하게는 약 2,500,000 psi-fpm(53500 kg/cm² x m/min) 이상, 또는 약 3,000,000 psi-fpm(64200 kg/cm² x m/min) 이상인 속도 및 압력에 노출시키는 조작을 포함한다. 중합체 베어링 물품은 이러한 초고 PV 조건에 상당한 기간에 걸쳐 단속적 또는 연속적으로 노출될 수 있다.

예시적 구현예에서, 상기 방법은 중합체 베어링 물품을 약 200 psi(14.06 kg/cm²) 이상, 약 300 psi(21.09 kg/cm²) 이상, 400 psi(28.12 kg/cm²) 이상, 500 psi(35.15 kg/cm²) 이상, 600 psi(42.18 kg/cm²) 이상, 또는 700 psi(49.21 kg/cm²) 이상의 압력에 노출시키는 조작을 포함한다. 예시적 구현예에서, 상기 방법은 중합체 베어링 물품을 약 2800 fpm(853.44 m/min) 이상, 3000 fpm(914.40 m/min) 이상, 또는 3200 fpm(975.36 m/min) 이상의 속도에 노출시키는 조작을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 중합체 베어링 물품을 약 200 psi(14.06 kg/cm²) 내지 약 2500 psi(175.75 kg/cm²)의 압력과 약 440 fpm(134.11 m/min) 내지 약 5500 fpm(1676.40 m/min)의 속도에 노출시키는 조작을 포함하며, 이때 P와 V의 곱한 값은 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상이다. 예시적 구현예에서, 상기 방법은 중합체 베어링 물품을 약 300 psi(21.09 kg/cm²) 내지 약 900 psi(63.27 kg/cm²)의 압력과 약 2800 fpm(853.44 m/min) 내지 약 3600 fpm(1097.28 m/min)의 속도에 노출시키는 조작을 포함한다.

실시예 1

85 중량%의 Torlon 순수 수지 4000T(Solvay Advaned Polymers사), 12 중량%의 흑연, 및 3 중량%의 PTFE로 구성된 중합체 베어링 물품을 도 3의 시험 장치(140)를 이용하여 분석하였다. 중합체 베어링 물품은 1.1 인치(2.79 cm)의 직경을 가지며, 물품에는 4개의 방사상 홈이 있다. 각 방사상 홈의 폭은 0.14 인치이고, 깊이는 0.115 인치이다. 중합체 베어링 물품의 PV 한계를 분석하기 위해 2번의 시험을 시행하였다. 각 시행시, 속도를 800 ft/min에 유지하고, 압력을 대략 최대값까지 서서히 증가시킨 한편, 중합체 베어링 물품을 Valvoline Dexron III^® 자동변속기 오일(Valvoline Oil사)의 배쓰에 유지하였다. 시험 시행의 결과를 도 4에 나타내었다. 중합체 베어링 물품은 2,000,000 psi-fpm(42800 kg/cm² x m/min)에서 안정적이었다.

실시예 2

실시예 1의 제제로 형성된 중합체 베어링 물품을 도 3의 시험 장치(140)를 이용하여 분석하였다. 중합체 베어링 물품은 1.1 인치(2.79 cm)의 직경을 가지며, 물품에는 4개의 방사상 홈이 있다. 각 방사상 홈의 폭은 0.14 인치(3.56 cm)이고, 깊이는 0.115 인치(2921 마이크론)이다. 중합체 베어링 물품을 Valvoline Dexron III^® 자동변속기 오일(Valvoline Oil사)의 배쓰에서 1550 fpm(472.75 m/min)의 속도에 노출하였으며, 압력은 6시간에 걸쳐 서서히 증가시켰다. 시험이 시행되는 동안, PV, COF, 시험편 온도, 및 챔버 온도를 측정하였다. 시행된 시험 결과를 도 5, 도 6 및 도 7에 나타내었다. PV 한계는 2,000,000psi-fpm(42800 kg/cm² x m/min)을 초과하였다.

실시예 3

실시예 1의 제제로 형성된 중합체 베어링 물품을 도 3의 시험 장치(140)를 이용하여 분석하였다. 중합체 베어링 물품은 1.1 인치(2.79 cm)의 직경을 가지며, 물품에는 4개의 방사상 홈이 있다. 각 방사상 홈의 폭은 0.14 인치(3.56 cm)이고, 깊이는 0.115 인치(2921 마이크론)이다. 중합체 베어링 물품을 Valvoline Dexron III^® 자동변속기 오일(Valvoline Oil사)의 배쓰에서 787 psi의 압력과 1550 fpm(472.75 m/min)의 속도에 노출하였다. 챔버 온도, 시험편 온도, COF 및 토크를 측정하였다. 시행된 시험 결과를 도 8 및 도 9에 나타내었다. 시험편의 마모계수는 약 0.2였다.

실시예 4

실시예 1의 제제로 형성된 중합체 베어링 물품을 도 3의 시험 장치(140)를 이용하여 분석하였다. 중합체 베어링 물품은 1.1 인치(2.79 cm)의 직경을 가지며, 물품에는 4개의 방사상 홈이 있다. 각 방사상 홈의 폭은 0.14 인치(3.56 cm)이고, 깊이는 0.115 인치(2921 마이크론)이다. 중합체 베어링 물품을 Valvoline Dexron III^® 자동변속기 오일(Valvoline Oil사)이 0.025 L/min으로 재순환되는 가운데 1000 psi가 넘는 압력과 1770 fpm(539.496 m/min)의 속도에 노출하였다. 챔버 온도 및 상대면 온도를 측정하였다. 시행된 시험 결과를 도 10에 나타내었다. 시험편은 약 1,840,000 psi-fpm(39376 kg/cm² x m/min)에 용융되었다.

실시예 5

실시예 1의 제제로 형성된 중합체 베어링 물품을 도 3의 시험 장치(140)를 이용하여 분석하였다. 중합체 베어링 물품은 1.1 인치(2.79 cm)의 직경을 가지며, 물품에는 4개의 방사상 홈이 있다. 각 방사상 홈의 폭은 0.14 인치(3.56 cm)이고, 깊이는 0.115 인치(2921 마이크론)이다. 중합체 베어링 물품을 Valvoline Dexron III^® 자동변속기 오일(Valvoline Oil사)이 0.025 L/min으로 재순환되는 가운데 1700 psi가 넘는 압력과 1770 fpm(539.496 m/min)의 속도에 노출하였다. 챔버 온도 및 상대면 온도를 측정하였다. 시행된 시험 결과를 도 11에 나타내었다. 3,000,000 psi-fpm(64200 kg/cm² x m/min)에서 시험을 중단하였다.

실시예 6

실시예 1의 제제로 형성된 중합체 베어링 물품을 도 3의 시험 장치(140)를 이용하여 분석하였다. 중합체 베어링 물품은 1.1 인치(2.79 cm)의 직경을 가지며, 물품에는 20개의 방사상 홈이 있다. 각 방사상 홈의 폭은 1 mm이고, 깊이는 100 마이크론이다. 중합체 베어링 물품을 Valvoline Dexron III^® 자동변속기 오일(Valvoline Oil사)이 0.025 L/min으로 재순환되는 가운데 최대 약 2000 psi의 압력과 1770 fpm(539.496 m/min)의 속도에 노출하였다. 챔버 온도 및 상대면 온도를 측정하였다. 시행된 시험 결과를 도 12에 나타내었다. 약 2000 psi에서 시험을 중단하였다.

실시예 7

실시예 1의 제제로 형성된 중합체 베어링 물품을 도 3의 시험 장치(140)를 이용하여 분석하였다. 중합체 베어링 물품은 2 인치(5.08 cm)의 직경을 가지며, 물품에는 10개의 방사상 홈이 있다. 각 방사상 홈의 폭은 4 mm이고, 깊이는 500 마이크론이다. 중합체 베어링 물품을 Valvoline Dexron III^® 자동변속기 오일(Valvoline Oil사)이 0.025 L/min으로 재순환되는 가운데 최대 약 2000 psi(140.60 kg/cm²)의 압력과 3222 fpm(982.066 m/min)의 속도에 노출하였다. 챔버 온도 및 상대면 온도를 측정하였다. 시행된 시험 결과를 도 13에 나타내었다. 시험 장치의 모터의 오버토크 현상으로 인해 약 1,840,000 psi-fpm(39376 kg/cm² x m/min)에서 시험을 중단하였다.

실시예 8

78 중량%의 Torlon 순수 수지 4000T(Solvay Advaned Polymers사), 20 중량%의 흑연, 및 2 중량%의 PTFE로 구성된 중합체 베어링 물품을 도 3의 시험 장치(140)를 이용하여 분석하였다. 중합체 베어링 물품은 2 인치(5.08 cm)의 직경을 가지며, 물품에는 26개의 방사상 홈이 있다. 각 방사상 홈의 폭은 1 mm이고, 깊이는 300 마이크론이다. 중합체 베어링 물품을 90℃의 Valvoline Dexron III^® 자동변속기 오일(Valvoline Oil사)이 0.20 L/min 유량으로 재순환되는 가운데 3222 fpm(982.066 m/min)의 속도에 노출하고, 압력은 6시간에 걸쳐 서서히 증가시켰다. 시험이 시행되는 동안 PV, COF, 시험편 온도 및 챔버 온도를 측정하였다. COF는 위에 언급되어 있는 수정된 ASTM D3702 방법을 따라 구하였다. 시행된 시험 결과를 도 14 및 도 15에 나타내었다. PV 한계는 2,500,000 psi-fpm(53500 kg/cm² x m/min)을 초과하였다.

실시예 9

78 중량%의 Torlon 순수 수지 4000T( Solvay Advaned Polymers 사), 20 중량%의 흑연, 및 2 중량%의 PTFE 로 구성된 중합체 베어링 물품의 마모량, 마모율 및 마모계수의 측정

마모량, 마모율 및 마모계수는 위에 언급되어 있는 수정된 ASTM D3702 방법을 따라 측정하였으며, 상기 방법은 아래에 상술된 바와 같이 수행되었다.

78 중량%의 Torlon 순수 수지 4000T(Solvay Advaned Polymers사), 20 중량%의 흑연, 및 2 중량%의 PTFE를 함유한 조성물로부터, 1.869 인치(4.747 cm)의 내경, 2 인치(5.08 cm)의 외경, 0.326 in²의 접촉면적, 0.967 in의 평균 반경 및 26개의 방사상 홈(각 방사상 홈의 폭은 1 mm이고, 깊이는 300 마이크론임)을 가진 시험편을 사출성형하였다. 시험편을 재경화하였다. 또한 시험 장비의 큰 쓰러스트와셔 시험편 홀더에 끼워지도록 시험편의 중심에 오프셋 구멍을 뚫고(Multi-Specimen Falex^®시험 장비, 컴퓨터 제어방식 버젼(일련 번호, Ser. No. 900631001816R; 미국 일리노이주, 슈거 그로브에 소재한 Falex사), 모든 남아있는 오일을 제거하기 위해 메탄올로 세정하였다. ASTM D3702에 기재된 바와 같고 도 3의 시험 장치(140)에 상응하는 Multi-Specimen Falex^® 시험 장비를 고정식 스틸와셔(예컨대, 고정식 스틸와셔는, 원래 장비 제조업체인 Falex사로부터 구입한, 16±2 uin Ra의 일정한 표면조도를 지닌 1018 강철이며 ASTM D3702에 기재된 바와 같음)에 대한 하중 하에 회전하는 시험편을 사용하여 윤활유로서의 Valvoline Dexron III^® 자동변속기 오일(Valvoline Oil사)이 재순환되는 가운에 작동시켰다. 상기 하중은 10:1 레버 암에 대한 고정하중을 인가하는 대신에 공압 시스템을 이용하여 인가하였다. 시험편 열전대를 반대 표면(예컨대, 시료로부터 1.5 mm 떨어짐) 가까이에 시험편과 접촉되지 않게 위치시켰다.

Leeson Speed Master 기어 펌프를 이용하여, Valvoline Dexron^® III 자동변속기 오일을 2 갤런 온도-조절된 저장용기로부터 0.20 L/min의 유량으로 90℃의 온도에서 공급하였다. 상기 유량은 0.1 내지 0.75 L/min 유량 처리능력을 지닌 Hedland 유량계로 제어하였다. 변속기 오일을 시험편 테이블의 기저부에 전달한 후, 위로 흐르게 하고, 시험편의 중심으로부터 회전하고 있는 시험편의 표면을 가로질러 흐르게 하였다. 그런 후에는 챔버의 바닥에 있는 구멍을 통해 챔버로부터 변속기 오일을 빼낸 후, 중력에 의해 다시 오일 저장용기로 재순환시켰다.

시험 조건을 다음과 같이 선택하였다: 회전속도 6365 rpm, 400 psi(28.12 kg/m²)의 압력 P를 얻기 위한 하중 131 lbs(59.4 kg), 속도(V) 3222 ft/min(982.066 m/min) 및 PV 1,300,00 psi-fpm(27820 kg/cm² x m/min). 동일하게 선택된 하중 및 속도에서 수행되는 각 시험은 25시간 동안의 초기 브레이크-인 기간에 이어, 25시간의 시험기간으로 구성되며, 총 100시간의 시험 시간을 달성할 때까지 반복하였다. 25시간의 각 시험기간이 끝나면, 시험을 중단하고, 시험 장비(rig) 및 시험편으로부터 시험편 홀더를 분리하였다. 적어도 1시간 동안 실온에 방치한 후, 0.0001 in까지 측정할 수 있는 마이크로미터를 사용하여 시험편의 두께 변화를 측정하였다.

시험편의 두께 측정은, ASTM D3702에 기재된 바와 같이, 4개 지점 대신 9개 지점에서 수행하였다. 따라서 시험편에 9개 지점을 표시하여(예컨대, 시험편의 측면을 가볍게 식각함), 동일한 8개 지점에서 후속으로 두께를 측정할 수 있었다. 시험편 홀더에 있는 시험편을 교체하고, 시험 장비에 넣고, 총 100시간의 시험 시간을 달성할 때까지 상기 과정을 반복하고, 25시간이 지날 때마다 측정 조작을 반복하였다. 시간당 마모량(in/hr)으로 표현되는 마모율은 25시간의 브레이크-인(25시간의 제1 시험기간 이전) 후에 시험편 상에서 수행된 9번의 두께 측정(특히, X_1a, X_1b, X_1c, X_1d, X_1e, X_1f, X_1g X_1h 및 X_1i로 표현됨)과, 25시간의 제1 시험기간(T) 후에 시험편(146) 상에서 수행된 9번의 두께 측정(특히, X_2a, X_2b, X_2c, X_2d, X_2e, X_2f, X_2g, X_2h 및 X_2i 으로 표현됨)으로부터 산출하였다.

구체적으로, 마모율을 아래와 같은 계산법으로 산출하였다:

마모율(단위: m/hr(in/hr)) = [(X_1a + X_1b + X_1c + X_1d + X_1e + X_1f +X_1g + X_1h +　X_1i,) - (X_2a + X_2b + X_2c + X_2d + X_2e + X_2f + X_2g + X_2h +X_2i,)] / 9 X T

여기서 T = 25 시간이고,

X는 인치 단위(m)의 두께이다.

마모계수 = 마모율/PV = 마모율/1,300,000.

결과를 표 1에 정리하였다.

전술된 설명은 오로지 본원의 바람직한 구현예들에 관한 것이며, 하기 청구범위 및 이에 대등한 내용에 정의된 바와 같은 본 발명의 전반적인 사상 및 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다수의 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims

내주와 외주를 가진 환형 베어링 몸체; 및
내주로부터 외주까지 환형 베어링 몸체를 가로질러 연장되는 복수개의 윤활유 채널을 포함하며,
환형 베어링 몸체는 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 적어도 1종의 중합체 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함하고,
압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 윤활 환경에서의 속도와 압력을 견디도록 구성되는 것인 초고(ultra-high) PV 환경용 중합체 스러스트 베어링.
내주와 외주를 가진 환형 베어링 몸체; 및
내주로부터 외주까지 환형 베어링 몸체를 가로질러 연장되는 복수개의 윤활유 채널을 포함하며,
환형 베어링 몸체는 한편으로는 적어도 1종의 방향족 폴리이미드 및/또는 적어도 1종의 폴리(아릴 에테르 케톤)을 함유하며 다른 한편으로는 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함하고;
압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 윤활 환경에서의 속도와 압력을 견디도록 구성되는 것인 초고 PV 환경용 중합체 스러스트 베어링.
제1항 또는 제2항에 있어서, 중합체 스러스트 베어링은 수정된 ASTM D3702 방법에 의해 측정하였을 때 0.04 이하의 마찰계수를 가지는 것인 중합체 스러스트 베어링.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 스러스트 베어링은 수정된 ASTM D3702 방법에 의해 측정하였을 때 약 1 이하의 마모계수(wear factor)를 가지는 것인 중합체 스러스트 베어링.
제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 상기 적어도 1종의 중합체의 유리전이온도는 약 200℃ 이상인 중합체 스러스트 베어링.
제5항에 있어서, 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 상기 적어도 1종의 중합체의 유리전이온도는 약 240℃ 이상인 중합체 스러스트 베어링.
제5항에 있어서, 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 상기 적어도 1종의 중합체의 유리전이온도는 약 270℃ 이상인 중합체 스러스트 베어링.
제1항 및 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 상기 적어도 1종의 중합체는 방향족 폴리이미드, 폴리(아릴 에테르 케톤), 폴리벤즈이미다졸, 또는 이들의 조합물인 중합체 스러스트 베어링.
제8항에 있어서, 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 상기 적어도 1종의 중합체는 방향족 폴리이미드인 중합체 스러스트 베어링.
제2항에 있어서, 환형 베어링 몸체는 적어도 1종의 방향족 폴리이미드 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함하는 것인 중합체 스러스트 베어링.
제9항 또는 제10항에 있어서, 방향족 폴리이미드는 폴리아미드-이미드, 폴리에테르이미드, 또는 이들의 조합물인 중합체 스러스트 베어링.
제11항에 있어서, 방향족 폴리이미드는 폴리아미드-이미드인 중합체 스러스트 베어링.
제1항 및 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 상기 적어도 1종의 중합체는, 적어도 1종의 방향족 폴리아미드-이미드와, 유리전이온도가 약 140℃ 이상이며 방향족 폴리아미드-이미드 외의 적어도 1종의 중합체, 이를테면 방향족 폴리에테르이미드, 폴리(에테르 에테르 케톤), 폴리벤즈이미다졸 또는 이들의 조합물로 구성된 조합물인 중합체 스러스트 베어링.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 1종의 마찰마모 첨가제는 폴리테트라플루오로에틸렌, 흑연, 이황화몰리브덴, 탄소 섬유, 및 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 중합체 스러스트 베어링.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 환형 베어링 몸체는 상기 중합체 조성물로 구성된 단일부(single part)인 중합체 스러스트 베어링.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 윤활유 채널은 환형 베어링 몸체 접합면의 표면적의 약 5% 내지 약 25%를 차지하는 것인 중합체 스러스트 베어링.
압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 속도 및 압력에 중합체 베어링 물품을 노출시키는 조작을 포함하며,
상기 중합체 베어링 물품은 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 중합체 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함하는 것인 방법.
압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 속도 및 압력에 중합체 베어링 물품을 노출시키는 조작을 포함하며,
중합체 베어링 물품은 한편으로는 적어도 1종의 방향족 폴리이미드 및/또는 적어도 1종의 폴리(아릴 에테르 케톤)을 함유하며 다른 한편으로는 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함하는 것인 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서, 중합체 베어링 물품은 윤활 환경 하에 있을 때 상기 속도 및 압력에 노출되는 것인 방법.
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 베어링 물품은 회전하는 사물과 결부(interface)되는 것인 방법.
제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 베어링 물품은 파워트레인 부품 시스템 내에 위치하는 것인 방법.
제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 베어링 물품은 적어도 1종의 방향족 폴리이미드 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함하는 것인 방법.
중합체 베어링 물품이 포함된 파워트레인 부품을 포함하는 시스템이며,
상기 베어링 물품은 유리전이온도가 약 140℃ 이상인 중합체 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함하고,
상기 파워트레인 부품은 상기 중합체 베어링 물품을 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 속도 및 압력에 노출시키도록 구성되는 것인 시스템.
중합체 베어링 물품이 포함된 파워트레인 부품을 포함하는 시스템이며,
상기 베어링 물품은 한편으로는 적어도 1종의 방향족 폴리이미드 및/또는 적어도 1종의 폴리(아릴 에테르 케톤)을 함유하며 다른 한편으로는 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함하고,
상기 파워트레인 부품은 상기 중합체 베어링 물품을 압력과 속도를 곱한 값이 약 1,100,000 psi-fpm(23540 kg/cm² x m/min) 이상인 속도 및 압력에 노출시키도록 구성되는 것인 시스템.
제23항 또는 제24항에 있어서, 파워트레인 부품은 변속기를 포함하는 것인 시스템.
제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 베어링 물품은 파워트레인 부품 내부의 윤활 환경에 유지되는 것인 시스템.
제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 베어링 물품은 중합체 스러스트 베어링을 포함하는 것인 시스템.
제27항에 있어서, 중합체 베어링 물품은 내주와 외주를 가진 환형 베어링 몸체, 및 내주로부터 외주까지 환형 베어링 몸체를 가로질러 연장되는 복수개의 윤활유 채널을 포함하는 것인 시스템.
제23항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 파워트레인 부품은 중합체 베어링 물품에 인접하여 있으며 상기 물품과 결부되는 회전식 부품을 포함하는 것인 시스템.
제23항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 회전식 부품은 중합체 베어링 물품을 약 200 psi(14.06 kg/cm²) 내지 약 2500 psi(175.75 kg/cm²)의 하중 및 약 440 fpm(134.11 m/min) 내지 약 5500 fpm의 속도에 노출시키는 것인 시스템.
제30항에 있어서, 상기 하중은 약 300 psi(21.09 kg/cm²) 내지 약 900 psi(63.27 kg/cm²)이고, 상기 속도는 약 2800 fpm(853.44 m/min) 내지 약 3600 fpm(1097.28 m/min)인 시스템.
제30항에 있어서, 상기 하중은 약 600 psi(42.18 kg/cm²) 내지 약 2500 psi인 시스템.
제32항에 있어서, 상기 속도는 약 3000 fpm 내지 약 5500 fpm인 시스템.
제23항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 베어링 물품은 적어도 1종의 방향족 폴리이미드 및 적어도 1종의 마찰마모 첨가제를 함유한 중합체 조성물을 포함하는 것인 시스템.
제34항에 있어서, 방향족 폴리이미드는 폴리아미드-이미드, 폴리에테르이미드, 또는 이들의 조합물인 시스템.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 중합체 스러스트 베어링을 포함하는 파워트레인 부품.
제36항에 있어서, 클러치, 토크 변환기, 토크 댐퍼 또는 콘센트릭 슬레이브 실린더(concentric slave cylinder)인 파워트레인 부품.