用于耐磨表面的表面處理劑及其生產方法以及使用該表面處理劑的壓縮的制造方法
【專利摘要】本發明涉及耐磨表面處理劑、其生產方法以及使用該表面處理劑的壓縮機。根據本發明的一個方面，表面處理劑包括有機溶劑；分散在有機溶劑中的納米金剛石粉末和碳納米管粉末；以及與有機溶劑混合的PTFE溶液，其中有機溶劑是基于酰胺的有機溶劑。
【專利說明】用于耐磨表面的表面處理劑及其生產方法以及使用該表面處理劑的壓縮機
【背景技術】
[0001]1.發明領域
[0002]本申請說明書涉及具有耐磨性的表面處理劑、其生產方法以及使用該表面處理劑的壓縮機，更具體而言，涉及用于在預定金屬表面上形成耐磨層的表面處理劑、其生產方法以及具有使用該處理劑的耐磨層的壓縮機。
[0003]2.發明背景
[0004]為了減小在相互進行相對運動的兩個表面之間生成的摩擦力已研究了多種方法。作為一種廣泛使用的用于減少這種摩擦力的方法，可以提供潤滑油或者在兩個表面之間安置軸承。此外，也可以使用在這兩個表面中的一個或兩個上形成具有優良潤滑能力的表面來代替使用軸承的方法。
[0005]為了形成所述表面，使用表面處理劑，將其涂布在提供潤滑能力的表面上。一種典型的表面處理劑是聚四氟乙烯(PTFE)，即特氟龍(Teflon)。
[0006]PTFE材料憑借特有的低摩擦力特性應用于整個工業領域，諸如機械、各種類型的工具、廚房設備等。然而，由于非常低的機械強度，其不能單獨使用。實際上，PTFE通過與不同類型的材料(諸如塑料、炭黑、有機-無機顏料等)混合使用，這種不同類型的材料充當粘合劑。然而，當與這些添加劑混合時，PTFE不能達到期望的材料性質。當僅為了增強機械強度而將PTFE與大量的玻璃纖維或碳纖維混合時，由于摩擦系數顯著增大，PTFE的使用受到限制。
[0007]作為彌補PTFE材料缺點的一種方法，如在韓國專利申請號10-2009-0021770 (發明名稱=PTFE涂層劑、其生產方法及其使用方法)中介紹的，提出了一種通過在PTFE材料中添加納米金剛石粉末使用PTFE材料的方法。納米金剛石一般通過高溫高壓工藝(使用沖擊波(shock wave)、化學氣相沉積(CVD)、爆轟(detonation)等合成)來制造,并且納米金剛石的結構由內部晶體金剛石相和外部非晶碳相組成。該專利申請期望增加潤滑層的強度，其是通過將納米金剛石粉末加入到PTFE材料中產生的。
[0008]發明概述
[0009]本申請的一方面是提供一種表面處理劑，其能夠形成比現有技術具有更高耐磨性的表面，并以使添加劑均勻分散在聚四氟乙烯(PTFE)內的方式獲得具有一致材料性質的表面。
[0010]本申請的另一方面是提供該表面處理劑的生產方法。
[0011]本申請的再一方面是提供具有通過使用該表面處理劑形成的潤滑表面的壓縮機。
[0012]為了實現本文所具體體現和廣泛描述的這些優點和其它優點以及秉承本專利說明書的目的，提供了一種表面處理劑，其包括有機溶劑；分散在有機溶劑中的納米金剛石粉末和碳納米管粉末；以及與有機溶劑混合的PTFE溶液。該有機溶劑可以是基于酰胺的有機溶劑。
[0013]在此，可以混合納米金剛石粉末和碳納米管粉末，以使固體的總重量相當于PTFE溶液重量的0.1至5%。
[0014]納米金剛石粉末和碳納米管粉末可以以4:6至6:4的重量比例混合。
[0015]基于酰胺的有機溶劑可以包括N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)。
[0016]為了實現本文所具體體現和廣泛描述的這些優點和其它優點以及秉承本專利說明書的目的，提供了一種用于生產表面處理劑的方法，該方法包括:第一步驟:將納米金剛石粉末分散到溶劑中；第二步驟:將碳納米管粉末加入到納米金剛石溶液中；任選的第三步驟:將分散劑注入到含有加入的納米金剛石粉末和碳納米管粉末的溶液中；第四步驟:將納米金剛石粉末和碳納米管粉末分散在引入分散劑的溶液中；以及第五步驟:使其中分散有納米金剛石粉末和碳納米管粉末的溶液與聚四氟乙烯(PTFE)溶液混合。
[0017]在此，第一步驟可以包括將納米金剛石粉末引入到極性溶劑中以及使用碾磨(attrition milling)將納米金剛石粉末分散到極性溶劑中。
[0018]而且，相對于100%重量比的極性溶劑，可以引入0.1-5.0%重量比的納米金剛石粉末。
[0019]在碾磨時，可以將納米金剛石粉末研磨成粒徑在0.1-1mm范圍內。
[0020]在第三步驟中，相對于碳納米管粉末固體，可以引入1-5%重量比的分散劑。
[0021]分散劑可以是表面活 性劑、聚合物涂料(polymer coating material)或硅烷偶聯劑中的一種。
[0022]在第四步驟中，可以使用超聲分散系統來分散納米金剛石粉末和碳納米管粉末。
[0023]可以使用超聲分散系統實施第四步驟I至60分鐘。
[0024]為了實現本文所具體化和寬泛描述的這些及其它的優點，以及秉承本專利說明書的目的，提供了一種渦旋壓縮機，其包括:機殼；主框架，固定于機殼并具有軸插入口；固定渦盤，固定于機殼并位于主框架上；繞動渦盤，與固定渦盤一起形成壓縮室，并且在該繞動渦盤的下表面上具有軸套(boss，凸臺)；旋轉軸，其一端部穿過軸插入口插入以被固定地插入到軸套中；以及潤滑層，形成在軸插入開口或軸套中，其中該潤滑層可以通過涂布前面所述的表面處理劑并燒結所涂布的表面處理劑而形成。
[0025]在此，可以通過絲網印刷、噴涂、流涂等方法涂布表面處理劑。
[0026]可以在100至300°C范圍內的溫度下實施燒結。
[0027]根據本發明的另一方面，提供了一種渦旋壓縮機，其包括:機殼；固定渦盤，固定于套并具有軸插入孔；繞動渦盤，設置在固定渦盤上方以與固定渦盤一起形成壓縮室，并具有軸套；旋轉軸，其上端部穿過軸插入孔以被固定插入到軸套中；以及潤滑層，形成在軸插入口或軸套中，其中該潤滑層可以通過涂布前面所述的表面處理劑并燒結所涂布的表面處理劑而形成。
[0028]根據具有這些配置的本發明的上述方面，通過進一步將碳納米管粉末作為填充劑加入到PTFE材料中來獲得如同納米金剛石特性的高硬度和高強度并且提高涂層的剪切應力的方式，可以增強表面處理過的潤滑層的耐磨性和使用壽命。
[0029]此外，由于納米金剛石和碳納米管的強凝聚性，難以獲得均勻分散的效果。然而，可以在被引入到溶劑中之后將納米金剛石和碳納米管與分散劑一起進行分散，這可以促進納米金剛石和納米管粉末與分散劑反應，并因此使這種粉末被均勻地分散在溶劑中。
[0030]通過使用表面處理劑形成潤滑層，而無需使用在現有渦旋壓縮機中已使用的軸承，軸承所占據的空間可以得到利用。該空間可以用于改進壓縮比并減小壓縮機的尺寸。此外，該空間可以有助于改進壓縮機的設計靈活性。
[0031]根據下文所給出的詳細說明，本發明的其它適用范圍將變得更明顯。然而，應當理解在示出本發明的優選實施例時詳細說明和具體實施例僅以舉例的方式給出，因為根據詳細說明在本發明的精神和范圍內的各種變化和修改對本領域技術人員而言是顯然的。
[0032]附圖簡述
[0033]為進一步理解本申請包括的以及在本申請說明書中引入的并構成本申請說明書一部分的附圖舉例說明示范性實施例并與說明書一起用于解釋本發明的原理。
[0034]在附圖中:
[0035]圖1是示意性地示出用于制造根據本發明的一個示范性實施例的表面處理劑的方法的生產工藝的流程圖；
[0036]圖2是示出根據納米金剛石粉末(ND)和碳納米管粉末(CNT)的含量比的摩擦系數變化圖；
[0037]圖3是示出根據本發明的一個示范性實施例的表面處理劑和根據現有技術的表面處理劑的耐磨性能的測量結果的圖；
[0038]圖4是示意性地 示出渦旋壓縮機的內部結構的剖視圖，該渦旋壓縮機應用了根據本發明的表面處理劑的一個示范性實施例；以及
[0039]圖5是示意性地示出渦旋壓縮機的內部結構的剖視圖，該渦旋壓縮機應用了根據本發明的表面處理劑的另一個示范性實施例。
【具體實施方式】
[0040]現將參照附圖，詳細地給出示范性實施例的說明。當參照附圖時，出于簡述的目的，用相同的附圖標記表示相同或等同的部件，并且將不再重復對該部件的描述。
[0041]如上面所述，為了補償現有PTFE材料的低機械性質，已嘗試了通過加入諸如納米金剛石等填充劑來使用PTFE材料。然而,納米金剛石具有4-10nm的粒徑,但由于納米顆粒的比表面積大，其以形成尺寸在幾百納米至幾微米的強凝聚(聚集)形式存在。因此，納米金剛石難以均勻地分散在溶劑中。而且，雖然通過加入納米金剛石獲得了高強度和高硬度，但仍需要用于形成具有顯著更高性能的潤滑層的表面處理劑。
[0042]具體地說，對于支撐旋轉軸的軸承，應當考慮在垂直方向上施加于表面的垂直應力和平行施加于該表面的剪切應力。然而，使用納米金剛石粉末尚難以滿足對剪切應力的要求。
[0043]為了符合這個要求，本發明的發明人通過研究認識到碳納米管粉末的加入可以提高剪切應力。通常使用化學氣相沉積(CVD)來生產碳納米管。碳納米管具有其中二維排列的碳原子卷成圓柱形的結構。根據所卷的圓柱的數量，碳納米管可以被分成單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管。由碳原子組成的碳納米管憑借碳原子之間的強共價鍵比目前已知的許多其它材料具有更高的硬度和強度。
[0044]然而，問題是碳納米管由于比納米金剛石具有高得多的凝聚性而難以得到一致的材料性質。意料不到地，本發明發明人的研究表明在將納米金剛石粉末和碳納米管粉末互相混合之后進行分散時，納米金剛石粉末破壞并改變了碳納米管表面的鍵，而這有助于分散。
[0045]圖1是示意性地示出用于生產根據本發明的一個示范性實施例的表面處理劑的方法的生產工藝的流程圖。第一步驟可以是將納米金剛石粉末分散到有機溶劑中的步驟。如圖1A所示，當將納米金剛石粉末引入到基于酰胺的有機溶劑中時，顆粒可能互相聚集，因此不能均勻地分散。也就是說，聚集而未被分散的顆粒10和分散的顆粒11可以一起存在于溶劑中。在這種狀態下，可以使用碾磨將納米金剛石粉末均勻地分散在溶劑內。在此，基于酰胺的有機溶劑的實例可以包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)或類似物。
[0046]在此，當碾磨時,可以(如使用研磨珠)將納米金剛石研磨成粒徑為0.1-1_。相對于100%重量比的溶劑，可以分散0.1-5.0%重量比的納米金剛石粉末。當納米金剛石粉末的含量低于0.1%重量比時，由于納米金剛石粉末的含量不足，可能觀察不到預期的效果。當納米金剛石粉末的含量超過5%重量比時，納米金剛石粉末可能很難與研磨珠分開。當完成碾磨時，如圖1B中所示，分散的顆粒11可以均勻地分布在溶劑內。
[0047]在第二步驟中，可以將碳納米管粉末加入到已分散有納米金剛石粉末的有機溶劑中(參見圖1C)。加入的碳納米管粉末可能作為聚集顆粒12存在。在此，可以以4:6至6:4的比例加入納米金剛石粉末和碳納米管粉末。圖2是示出根據納米金剛石粉末和碳納米管粉末的含量比體現的潤滑層摩擦系數的變化的圖。如圖2所示，當二者以1:1的比例混合時，潤滑層可以具有最低的摩擦系數并因而表現出最佳的潤滑性能。而且，甚至在以4:6或6:4的含量比時，潤滑層可以具有相似的摩擦系數。當含量比小于4:6或大于6:4時，摩擦系數可以大幅增加。因此，應當在該含量比范圍內加入顆粒。
[0048]在第三步驟中，可以將分散劑引入到含有納米金剛石粉末和碳納米管粉末的有機溶劑中。作為分散劑，可以使用表面活性劑、聚合物涂料或硅烷偶聯劑。相對于碳納米管粉末固體，可以按1-5%重量比加入分散劑。當含有少于1%重量比的分散劑時，可能觀察不到充分的分散效果，而當分散劑的含量超過5%重量比時可能降低最終生產的產品的材料性質。
[0049]在第四步驟中，可以使`用超聲分散系統來分散與分散劑混合的混合物。可以通過超聲波來振動納米金剛石顆粒和碳納米管顆粒。由于振動，納米金剛石顆粒和碳納米管顆粒可以相互撞擊。這可以導致碳納米管表面的鍵被破壞和改變，促進碳納米管與分散劑反應。
[0050]使用超聲波的分散時間適當地可以是1-60分鐘。當分散時間低于I分鐘時，分散狀態可能不太好，而當分散時間超過60分鐘時，由于碳納米管的破壞可能降低材料性質。當完成超聲分散時，分散在溶劑中的納米金剛石顆粒11和碳納米管顆粒13可以均勻地分布。
[0051]在第五步驟中，可以將其中均勻地分散有納米金剛石顆粒11和碳納米管顆粒13的有機溶劑與PTFE涂層溶液混合。在此，碳納米管粉末和納米金剛石粉末的固體總重量相對于PTFE溶液的重量可以是0.1-5%重量比。當固體總重量小于0.1%重量比時,可不表現出增強效應。當總重量超過5%重量比時，可產生脆性。
[0052]已通過前述生產工藝在以下條件下生產了本發明的一個實施例。此外，分別通過僅加入PTFE、僅加入碳納米管粉末和僅加入納米金剛石粉末來生產表面處理劑，作為對比實施例。
[0053]-實施例
[0054]制備納米金剛石粉末、碳納米管粉末和油基PTFE溶液。通過分別將0.25g、0.5g、0.75g和Ig納米金剛石放入到200ml NMP中進行碾磨工藝。在此，分別將0.25g、0.5g、0.75g和Ig碳納米管粉末放入到所述NMP溶液中并使用超聲分散系統分散。將分散的納米金剛石粉末和碳納米管粉末與PTFE涂層溶液混合，相對于100g PTFE涂層溶液，使納米金剛石粉末和碳納米管粉末的總重量比為0.5%、1%、1.5%和2%，接著進行機械攪拌。使用噴涂法將每種表面處理劑涂布在灰鑄鐵基板上，然后在250°下燒結30分鐘。
[0055]-第一對比實施例
[0056]使用噴涂法將PTFE涂層溶液涂布在灰鑄鐵基板上，然后在250°下燒結30分鐘。
[0057]-第二對比實施例
[0058]分別將0.5g、lg、l.5g和2g碳納米管粉末放入到200ml NMP中，并使用超聲分散系統進行分散。之后，分別混合分散的碳納米管粉末，使相對于100g PTFE涂層溶液其總重量比為0.5%、1%、1.5%和2%，接著進行機械攪拌。使用噴涂法將每種表面處理劑涂布在灰鑄鐵基板上，然后在250°下燒結30分鐘。
[0059]-第三對比實施例
[0060]分別將0.25g、0.5g、0.75g和Ig納米金剛石放入到200ml NMP中，然后通過碾磨分散。之后，分別混合分散的納米金剛石粉末，使相對于100g PTFE涂層溶液其總重量比為
0.5%、1%、1.5%和2%，接著進行機械攪拌。使用噴涂法將每種表面處理劑涂布在灰鑄鐵基板上，然后在250°下燒結30分鐘。
[0061]對于在以下條件下生產的各個實施例實施磨損實驗，試驗結果在圖3中示出。
【權利要求】
1.一種表面處理劑,其包含: 有機溶劑； 分散在有機溶劑中的納米金剛石粉末和碳納米管粉末；以及 與有機溶劑混合的聚四氟乙烯(PTFE)溶液， 其中有機溶劑是基于酰胺的有機溶劑。
2.根據權利要求1所述的表面處理劑，其中納米金剛石粉末和碳納米管粉末混合使得它們的固體總重量相當于0.1-5%重量比的PTFE溶液。
3.根據權利要求1所述的表面處理劑，其中納米金剛石粉末和碳納米管粉末以4:6至6:4的重量比例混合。
4.根據權利要求1所述的表面處理劑，其中基于酰胺的有機溶劑包括N，N-二甲基甲酰胺(DMF)。
5.一種用于生產表面處理劑的方法，所述方法包括: 第一步驟:將納米金剛石粉末分散到溶劑中； 第二步驟:將碳納米管粉末加入到納米金剛石溶液中； 第四步驟:將納米金剛石粉末和碳納米管粉末分散到引入分散劑的溶液中；以及 第五步驟:使其中分散有納米金剛石和碳納米管粉末的分散溶液與PTFE溶液混合。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述方法在第二步驟之后還包括第三步驟:將分散劑引入到含有加入的納米金剛石粉末和碳納米管粉末的溶液中。`
7.根據權利要求5或6所述的方法，其中所述第一步驟包括: 將納米金剛石粉末引入到極性溶劑中；以及 使用碾磨將納米金剛石粉末分散到極性溶劑中。
8.根據權利要求7所述的方法，其中相對于100%重量比的極性溶劑，引入0.1-5.0%重量比的納米金剛石粉末。
9.根據權利要求7所述的方法，其中當碾磨時將納米金剛石粉末研磨至粒徑在0.1-1mm的范圍內。
10.根據權利要求5或6所述的方法，其中在第三步驟中，相對于碳納米管固體，引入1-5%重量比的分散劑。
11.根據權利要求10所述的方法，其中分散劑是表面活性劑、聚合物涂料或硅烷偶聯劑中的一種。
12.根據權利要求5或6所述的方法，其中在第四步驟中，使用超聲分散系統分散納米金剛石粉末和碳納米管粉末。
13.根據權利要求12所述的方法，其中使用超聲分散系統實施第四步驟I至60分鐘。
14.一種渦旋壓縮機，包括: 機殼; 主框架，固定于該機殼并具有軸插入口 ； 固定渦盤，固定于該機殼并位于該主框架上； 繞動渦盤，與該固定渦盤一起形成壓縮室，并且在該繞動渦盤的下表面上具有軸套； 旋轉軸，其一端部在插入該軸插入口之后被固定地插入該軸套中；以及 潤滑層，形成在該軸插入口或該軸套中，其中所述潤滑層是通過涂布根據權利要求1至13中任一項所述的表面處理劑并燒結所涂布的表面處理劑而形成的。
15.根據權利要求14所述的渦旋壓縮機，其中所述表面處理劑是通過絲網印刷、噴涂、流涂等方法涂布的。
16.根據權利要求14所述的渦旋壓縮機，其中在100至300°C范圍內的溫度下實施所述燒結。
17.一種渦旋壓縮機，包括: 機殼; 主框架，固定于該機殼并具有軸插入口 ； 固定渦盤，固定于該機殼并位于主框架上； 繞動渦盤，設置在該固定渦盤上方以與該固定渦盤一起形成壓縮室，并具有軸套； 旋轉軸，其上端部穿過該軸插入孔以被固定地插入到該軸套中；以及 潤滑層，形成在該軸插入口或該軸套中， 其中所述潤滑層是通過涂布根據權利要求1至13中任一項所述的表面處理劑并燒結所涂布的表面處理劑而形成的。
18.根據權利要求17所述的渦旋壓縮機，其中所述表面處理劑是通過絲網印刷、噴涂或流涂等方法涂布的。
19.根據權利要求17 所述的渦旋壓縮機，其中在100至300°C范圍內的溫度下實施燒結。
【文檔編號】F04C29/02GK103666665SQ201310439069
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2012年9月24日
【發明者】樸真成, 裴哲稷, 梁恩壽, 李丙哲, 任營均, 任大淳, 李承求 申請人:Lg電子株式會社, 高麗大學校產學協力團