专利名称：具有高耐磨性和低摩擦系数的结构工程滑动元件的制作方法
技术领域：
根据权利要求l的前序部分，本发明提出一种用于在结构工程中使 用的具有高耐磨性和低摩擦系数的滑动元件。
具体地，本发明涉及一种高耐磨的滑动元件，用于在建筑工业中 用作土建工程中的摩擦滑动元件，诸如桥梁支座、地震能量消散器以 及接头。
背景技术：
为简单起见，特别参照例如承受重负荷条件的桥梁支座，诸如用 于高速铁路线段的桥梁或承受特别强烈的交通状况的桥梁给出本说明 书，但是本发明不限于此。
公知上述类型的土建结构以允许结构部件之间有限的相对运动的 方式设计和建造。这使得该结构能适于不同的地震或其他载荷应力， 并限制结构内的最大应力值。这些运动一般包括在两个或多个结构部 件之间的滑动或转动，在结构中设置滑动或铰链连接以实现这些运动。
这些连接通常包括一对能相对于彼此滑动/转动的平面或曲面以 使得能够发生这种相对位移和/或转动。为将部件之间的静摩擦和动摩 擦减到最小，这对表面的第一表面由钢制成，诸如奥氏体钢，而另一 表面有利地由工程聚合物制成，可在滑动表面之间使用诸如有机硅油 脂的润滑剂。
要满足的需求是接触表面的至少一个由这样的材料制成具有低 静摩擦和动摩擦系数，以有利于部件之间的滑移、滑动和/或旋转，同时满足该特定应用的特殊技术要求。在这方面，在从-2(TC到+4(TC的温 度范围内，工程聚合物还应至少对压縮负载和磨损具有高或长的耐久 性。
根据当前的应用标准，诸如欧洲标准EN 1337/2中的"滑动元件"， 在现有技术中普遍用于滑动元件的材料是PTFE (聚四氟乙烯)。
现在，对于此特定应用，认为强烈需要比PTFE具有更好性能的工 程聚合物。在各种材料中，已经提出了具有3Xl0、/mol到6Xl(^g/mo1 分子量的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。这样的材料提供比PTFE更 好的结果，但仍不能满足特别严格的要求。
发明内容
本发明基于如下问题构思一种在结构工程中使用的高耐磨滑动 元件，该滑动元件具有能够满足上述要求的结构和功能特征，同时与 现有技术的滑动元件相比，显著地提高滑动元件在各种使用条件下， 尤其是在特别重载状态下的性能。
此问题通过根据权利要求l特征的用于在结构工程中使用的高耐 磨滑动元件而得到解决。
在阅读下文作为示例而非限定地给出的本发明几个优选实施例的 描述后，本发明的用于在结构工程中使用的高耐磨滑动元件的其它特 征和优点将是显而易见的。
具体实施例方式
根据本发明，在结构工程中使用的高耐磨滑动元件包括至少一个 由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成的滑动表面。有利地，作为平 均检测值，这种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的分子量是至少6.5X 106 g/i加l。这种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的分子量优选高于8X 106 g/mol，至少9XlC)6g/mo1，更优选从9.1 X 106 g/mol到9.6X 106 g/mol。
为提高这种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的结构或行为性能， 下文将对要加入到这种高分子量聚乙烯中的几种添加剂和对于这种聚 乙烯的特殊处理进行论述。
有利地，上述的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括铝粉或铝化 合物以进一步提高滑动元件的滑动表面的耐磨性。
有利地，这种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括用于提高滑动 元件的滑动表面的抗蠕变性的添加剂。这些添加剂优选包括滑石和/或 硬脂酸钙。
有利地，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括抗氧化剂，用于提 高滑动元件的滑动表面的抗氧化性。
有利地，这种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括热稳定剂，用 于保持滑动元件的滑动表面在高温下的机械性能，诸如韧度和强度。
有利地，上述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括含氟聚合物的 混合物，以进一步减小滑动元件的滑动表面的摩擦系数。这些含氟聚 合物的混合物优选具有60重量％的氟含量。
有利地，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)可在40 kGy以上至1000 kGy以下的高辐射剂量下通过y或0辐射进行交联，随后可进行稳定处 理，用于清除反应自由基，该稳定处理是一种优选在熔点之上的温度 下进行的热处理。有利地，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)可通过添加交联剂和自 由基引发剂诸如过氧化物来进行交联，随后进行稳定处理，用于清除 反应自由基并降低氧化的可能性，该稳定处理通过优选在熔点之上的 温度下进行的热处理来实现。
具体地，通过辐射或自由基引发剂引发的交联通过形成分子间的 键而增加了聚乙烯的分子量，这能够改变聚合物的物理化学和机械性 能。这种交联特别导致材料的耐磨性和机械稳定性提高(蠕变减少)。
对限制可发生在辐射交联后的某些情形中的韧度和断裂伸长率的 损失，化学交联是更有效的。
在辐射交联的情形中，有利地在辐射前的复合期间将稳定剂和/或 抗氧化剂加入聚合物中，以清除由Y辐射处理产生的自由基。
在上述辐射交联处理之后，有利地，滑动元件经历适于减少或消 除交联聚乙烯中的自由基的热处理，以长时间地提供抗氧化性并保持 机械性能。
具体说来，有利地，可将半成品或成品的滑动元件放在烘箱中并 在能导致聚乙烯结构软化的温度，例如从135t:至ijl5(TC的温度下保持 超过一小时。通过此安排，尽管将影响某些机械性能，诸如韧度和断 裂伸长率，但是自由基将几乎被完全清除。
然而，有利地，可将半成品或成品的滑动元件在烘箱中并在该聚 乙烯的软化点之下的温度，例如从ll(TC到135t:的温度下保持超过一 小时。这将减小上述机械性能(韧度和断裂伸长率)的退化，同时显 著地降低了滑动元件中的自由基含量。
作为仅仅的示例，在那些可商业购得的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)中，适于此特定应用的超高分子量聚乙烯是由Rochling (劳士领)销售的商品名为Polystone⑧X-SIide M的聚乙烯，该聚乙烯 具有如下性能
_具有9.2X 106 g/mol分子量的UHMWPE;
-添加有含氟聚合物以改进它的滑动行为并减小摩擦；
-添加有抗氧化剂以提高对氧气的惰性和稳定性。
此外，Polystone X-SlideM聚乙烯的性能通过如上所述的交联过
程和随后的热处理而得以改进。
实验测试表明具有至少6.5X106 g/mol分子量的超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)，在滑动元件的滑动表面上，导致如下性能的显著提高 -滑动耐磨性，这能提供更高的滑动速度，以及 -高温下的机械强度和韧度。
如上所述，如果期望特别高的耐磨性，则可对基材填充铝微球和 粉末或铝化合物。
为进一步提高UHMWPE材料的滑动和耐磨性，可在开始时利用有 机硅润滑剂对滑动元件进行润滑，并且滑动元件的滑动表面可具有多 个表面小室，用于即使在表面的相互滑动的情况下容纳和保持润滑剂。
滑动元件可以诸如滑道、盖、带和导轨的任何形态提供。
在本发明的高耐磨滑动元件中，由超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 制成的滑动表面
-具有高达190MPa的极限抗压强度；
-当上述表面小室中容纳有润滑剂时，允许至少5X10"m的滑动长
度；
-当上述表面小室中容纳有润滑剂时，承受得住15mm/s的滑动速度；
-与PTFE相比，具有更低的摩擦系数；
-在从-5(TC至lJ+6(TC的温度范围内，对压縮负载和磨损具有高或 长的耐久性；
-在温度改变时具有基本恒定的热膨胀系数，包括提高的尺寸稳 定性。
从上文中将理解的是，根据不发明的用于在结构工程中使用的高 耐磨滑动元件满足上述需求，同时与现有技术的滑动元件相比，显著 地提高了滑动元件在各种使用条件中的性能。
本领域的技术人员将明显理解地是在不偏离如在下文的权利要求 中所限定的范围的情况下，可对如前所述的用于在结构工程中使用的 高耐磨滑动元件作出许多改变和变化。
权利要求
1. 一种用于在结构工程中使用的高耐磨滑动元件，包括至少一个由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成的滑动表面，其特征在于所述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的分子量是至少6.5×106g/mol。
2. 根据权利要求l所述的高耐磨滑动元件，其中所述超高分子量 聚乙烯(UHMWPE)的分子量大于8X106g/mol。
3. 根据权利要求2所述的高耐磨滑动元件，其中所述超高分子量 聚乙烯(UHMWPE)的分子量是至少9X106g/mol。
4. 根据权利要求3所述的高耐磨滑动元件，其中所述超高分子量 聚乙烯(UHMWPE)的分子量为从9.1Xl()6g/mol到9.6X106g/mol。
5. 根据权利要求1到4的任一项所述的高耐磨滑动元件，其中所 述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括铝粉或铝化合物。
6. 根据权利要求1到5的任一项所述的高耐磨滑动元件，其中所 述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括用于提高所述滑动表面的抗蠕 变性的添加剂。
7. 根据权利要求6所述的高耐磨滑动元件，其中用于提高抗蠕变 性的所述添加剂包括滑石。
8. 根据权利要求6或7所述的高耐磨滑动元件，其中用于提高抗 蠕变性的所述添加剂包括硬脂酸钙。
9. 根据权利要求1到8的任一项所述的高耐磨滑动元件，其中所 述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括抗氧化剂，用于提高滑动元件的滑动表面的抗氧化性。
10. 根据权利要求1到9的任一项所述的高耐磨滑动元件，其中所述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括热稳定剂，用于保持所述滑 动表面在高温下的机械性能，诸如韧度和强度。
11. 根据权利要求1到4的任一项所述的高耐磨滑动元件，其中 所述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)包括含氟聚合物的混合物，以进 一步减小所述滑动表面中的静摩擦系数和动摩擦系数。
12. 根据权利要求11所述的高耐磨滑动元件，其中所述混合物的 所述含氟聚合物具有60重量％的氟含量。
13. 根据权利要求1到12的任一项所述的高耐磨滑动元件，其中 所述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)被交联。
14. 根据权利要求13所述的高耐磨滑动元件，其中所述超高分子 量聚乙烯(UHMWPE)通过剂量为从40 kGy到1000 kGy的Y或3辐射而交联。
15. 根据权利要求13所述的高耐磨滑动元件，其中所述超高分子 量聚乙烯(UHMWPE)通过过氧化物而交联。
16. 根据权利要求13到15的任一项所述的高耐磨滑动元件，其 中所述聚乙烯在能使聚乙烯结构软化的温度下经历超过一小时的热处 理，用于清除自由基。
17. 根据权利要求16所述的高耐磨滑动元件，其中所述温度在135 t到15(TC的范围内。
18. 根据权利要求13到15的任一项所述的高耐磨滑动元件，其 中所述聚乙烯在该聚乙烯结构的软化点之下的温度下经历热处理，用于减少自由基含量。
19. 根据权利要求18所述的高耐磨滑动元件，其中所述温度在110 。C到135。C的范围内。
20. 根据权利要求1到19的任一项所述的高耐磨滑动元件，其中 所述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有至少190MPa的抗压强度。
21. 根据权利要求1到20的任一项所述的高耐磨滑动元件，其中 所述滑动表面允许至少5Xl(^m的滑动长度。
22. 根据权利要求1到21的任一项所述的高耐磨滑动元件，其中 所述滑动表面承受得住15 mm/s的滑动速度。
23. 根据权利要求1到22的任一项所述的高耐磨滑动元件，其中 所述滑动表面具有多个容纳润滑剂的表面小室。
全文摘要
一种用于在结构工程中使用的高耐磨滑动元件，包括至少一个由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成的滑动表面。有利地，这种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的分子量高于6.5×10<sup>6</sup>g/mol。
文档编号E01D19/04GK101421462SQ200780013138
公开日2009年4月29日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年4月12日
发明者卡洛·波吉, 夏洛特·塔韦基奥, 维尔吉尼奥·夸利尼, 罗伯托·基耶萨, 阿戈蒂诺·马里奥尼 申请人:米兰综合工科大学