用于传递力和运动的低磨损机械部件的复合材料制造技术

本发明专利技术涉及一种复合材料，其由至少三种组分组成，基材材料、第一纤维性增强材料和第二增强材料，其中所述第一纤维性增强材料具有比所述第二增强材料更低的热膨胀系数，并且其中所述第二增强材料具有比第一增强材料更低的电导率，其中该复合材料用于传递力和运动的部件中，特别是与超纯水接触的传递力和运动的部件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于传递力和运动的低磨损机械部件的复合材料
本专利技术涉及用于传递力和运动的机械部件的复合材料。本专利技术还涉及包含本专利技术的复合材料的传递力和运动的机械部件。本专利技术进一步涉及具有至少一个由本专利技术的复合材料构成的齿轮的齿轮泵。本专利技术同样涉及本专利技术的复合材料在医疗泵送应用中悬浮在液体中的机械部件中的用途。
技术介绍
本专利技术涉及复合材料领域。复合材料用于传递力和运动的机械部件。由塑料和增强材料制成的复合材料尤其用于为所得的机械部件提供更高的强度、更高的耐磨性、更轻的重量以及进一步改善的性能。传递力和运动的机械部件例如用于齿轮泵中，尤其是齿轮形式。齿轮泵用于医疗技术中，特别是在透析机中，用于泵送治疗液。因此，这涉及在透析治疗中所用的用于泵送流体的泵，或者涉及用于对透析中所用的流体进行脱气的脱气泵。透析机包含液压回路，其基本上确保了透析液的产生、输送和供应。在某些应用中，由此在透析机中由提供的透析浓缩液和超纯水产生透析液。因此，超纯水与透析浓缩液在混合室中混合，并转化为即用型透析液。其中生产透析液所必需的是超纯水的脱气和泵送。这些过程通常通过用于该目的的齿轮泵来实现。此外，该透析机还包含泵送设备，利用该泵送设备将透析液泵送到透析过滤器中并且可用于体外血液净化。因此，在体外血液净化中，从患者抽取的血液通过导管经由血液泵装置被泵送到透析过滤器，并且在那里与经由半透膜同样被泵送到透析过滤器的透析液一起进行质量传递，从而实现血液净化。在完成此类透析治疗后，有必要在卫生上对透析机的液压回路进行消毒。因此，液压回路在约85℃的升高温度下用超纯水和消毒剂进行冲洗程序。氧化剂尤其用作消毒剂，以便对液压回路进行净化。因此，提供了用于透析机的液压回路中的齿轮泵，以分别泵送透析液、超纯水、氧化性消毒剂以及液-气混合物，或者仅泵送空气用于脱气目的。这些齿轮泵的最大泵送作用尤其适用于泵送透析液。另外，提供了在升高的温度下也执行泵送程序的这种齿轮泵，例如在透析机的热消毒期间，例如在85℃或更高，例如最高90℃或95℃。构造已知并用于生产透析液的齿轮泵，使得齿轮在泵运行期间浮浸在待泵送的流体中。齿轮因此例如被安装在不锈钢壳体中并且可以通过旋转的磁耦合器来驱动。齿轮由复合材料制成，所述复合材料由聚合物基材以及增强材料组成，齿轮通常用于透析机中的齿轮泵。用于齿轮泵的由聚醚醚酮(PEEK)和碳纤维的复合材料组成的齿轮是已知的。与仅使用PEEK相比，使用碳纤维增强PEEK由此可以实现复合材料更高的强度和更低的热膨胀。在具有浮动齿轮的泵的情况下，特别需要用增强材料来增强基材，因为在这种情况下，齿轮本身承受了全部轴承载荷，因此承受非常高的机械应力。因此，复合材料需要高的机械强度，以便能够在持续的基础上在要泵送的流体中建立所需的压力。出于卫生原因，在透析液的生产中使用了具有尽可能高纯度的超纯水。具有10-4S/m及更低的电导率的超纯水优选用于生产透析液。因此，低电导率被视为超纯水的高纯度的度量。但是，超纯水的高纯度对包含已知复合材料的齿轮泵会产生不利影响。已经表明，由于超纯水的低电导率，含有高电导率的增强材料(例如碳纤维)的复合材料在与超纯水接触时表现出高磨损。因此，由所述复合材料制成的这些齿轮在运行中的稳定性显著降低。特别地，由此也需要应对来自磨蚀颗粒的流体污染，这可能在透析治疗或热清洁过程中导致严重问题。基于无机材料的低电导率的增强材料是已知的。然而，这些无机材料表现出较高的热膨胀。高的热膨胀同样导致传递力和运动的机械部件的磨损增加。因此，具有聚合物基材和无机增强材料的相应复合材料同样不适合在升高的温度下应用。特别地，由这种复合材料制成的透析机的齿轮泵中的齿轮在没有高材料磨损的情况下就不能承受热清洁操作。WO2015/019047A1公开了由第一部分和第二部分制成的构建部件，其中第一部分包含具有亚苯基、羰基和醚基团的第一半结晶聚合物。第二部分包含同样具有亚苯基、羰基和醚基团的第二半结晶聚合物。因此，第二聚合物的熔融温度低于第一聚合物的熔融温度。在一个实现中，第一和第二聚合物可以是包含填料(例如玻璃纤维或碳纤维)的第一和第二复合材料的一部分。在进一步的实现中，WO2015/019047A1描述了一种由两部分组成的齿轮，其中第二部分限定了支撑，而第一部分包含齿轮的齿。因此，第二部分由纤维性材料(例如以织物的形式)增强。US4,837,251描述了一种用于复合结构的压力成型芯的组合物。该组合物含有选自由聚醚醚酮、聚醚酮、聚芳硫醚、聚芳基酮、聚芳砜或聚芳醚砜组成的组的热塑性树脂。在一个实现中，该组合物包含碳纤维、玻璃纤维和玻璃微球。WO02/10320公开了用于生产塑料轴承的塑料组合物。在一个实现中，塑料组合物由选自包含聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、液晶聚合物或它们的混合物的组的聚合物基质材料组成。根据该实现的塑料组合物还含有碳纤维和选自包含氮化硼、碳、石墨、二硫化钼、滑石、四氟乙烯及它们的组合的组的添加剂。现有技术中公开的复合材料不能提供令人满意的解决方案来解决所提出的问题。特别地，现有技术没有公开低热膨胀的复合材料，因此没有有利的磨损特性使得它们适合于传递力和运动的机械部件。专利技术目的因此，在本专利技术的第一方面，目的是提供一种用于传递力和运动的机械部件的复合材料，其克服了与超纯水接触时的高磨损和由热膨胀引起的高磨损的前述缺点。因此，在本专利技术的另一方面，目的是提供一种用于传递力和运动的机械部件，特别是齿轮，其具有在与超纯水接触并在升高的温度下使用时改善的磨损特性。因此，在本专利技术的另一方面，目的是提供一种用于采用超纯水和更高温度的泵应用的齿轮泵，其表现出改善的磨损特性，并因此具有更长的寿命并且更不易发生故障。
技术实现思路
在本专利技术的第一方面中，该目的通过根据权利要求1的用于传递力和运动的机械部件的复合材料来解决。权利要求2至18构成了优选实施方式。在本专利技术的第二方面中，该目的通过根据权利要求19或20的用于传递力和运动的机械部件来解决。在本专利技术的第三方面中，该目的通过根据权利要求21的齿轮泵解决。在本专利技术的第四方面中，该目的通过根据权利要求22或23的复合材料用于在医疗泵送应用中悬浮在液体中的机械部件的用途来解决。具体实施方式在第一方面中，本专利技术涉及一种用于传递机械力和运动的构建部件的复合材料，其由至少三个成分组成：(i)相对于所述复合材料的总重量，至少45重量％的基材材料，(ii)相对于所述复合材料的总重量，3-20重量％的第一纤维性增强材料，以及(iii)相对于所述复合材料的总重量，10-45重量％的第二增强材料，由此，所述第一纤维性增强材料具有比第二增强材料更低的热膨胀系数，并且其中所述第二增强材料具有比第一增强材料更低的电导率，并且其中所述复合材料中含有的成分的重量份数合计为100％。从上面可以明显看出，本专利技术的复合材料除了提及的三种成分外，还可以含有可以根据相应的实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于传递力和运动的机械部件的复合材料，其由至少三种成分组成/n(i)相对于所述复合材料的总重量，至少45重量％的基材材料，/n(ii)相对于所述复合材料的总重量，3-20重量％的第一纤维性增强材料，和/n(iii)相对于所述复合材料的总重量，10-45重量％的第二增强材料，/n其中，所述第一纤维性增强材料具有比所述第二增强材料更低的热膨胀系数，并且其中所述第二增强材料具有比所述第一增强材料更低的电导率，并且其中所述复合材料中含有的成分的重量份合计为100％。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180524 DE 102018208149.21.用于传递力和运动的机械部件的复合材料，其由至少三种成分组成
(i)相对于所述复合材料的总重量，至少45重量％的基材材料，
(ii)相对于所述复合材料的总重量，3-20重量％的第一纤维性增强材料，和
(iii)相对于所述复合材料的总重量，10-45重量％的第二增强材料，
其中，所述第一纤维性增强材料具有比所述第二增强材料更低的热膨胀系数，并且其中所述第二增强材料具有比所述第一增强材料更低的电导率，并且其中所述复合材料中含有的成分的重量份合计为100％。


2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述第一纤维性增强材料呈现出平行于纤维的方向的从-0.15×10-6/K到2×10-6/K的热膨胀并且所述第二增强材料的电导率为10-4S/m或更低。


3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于所述第一增强材料和所述第二增强材料各向同性地分散在所述基材材料中。


4.根据前述权利要求中至少一项所述的复合材料，其特征在于所述第二增强材料是纤维性的。


5.根据前述权利要求中至少一项所述的复合材料，其特征在于所述基材材料选自以下组的聚合物：聚芳基醚酮、聚芳基砜和聚碳酸酯，优选选自：聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮醚酮酮、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSU)、聚砜(PSU)、聚醚砜(PESU)，进一步优选聚醚醚酮(PEEK)。


6.根据前述权利要求中至少一项所述的复合材料，其特征在于所述第一纤维性增强材料含有碳纤维或是碳纤维。


7.根据前述权利要求中至少一项所述的复合材料，其特征在于所述第二增强材料含有玻璃纤维或是玻璃纤维。


8.根据前述权利要求中至少一项所述的复合材料，其特征在于所述第一纤维性增强材料在所述复合材料中的百分比为3-18重量％，优选为5-15重量％，进一步优选为7-15重量％，相对于所述复合材料的总重量。


9.根据前述权利要求中至少一项所述的复合材料，其特征在于所述第二增强材料在所述复合材料中的百分比为10-40重量％，进一步优选为15-35重量％，进一步优选为15-30重量％，相对于所述复合材料的总重量。


10.根据前述...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·菲舍尔，A·彼得斯，W·孔茨，S·科恩，
申请(专利权)人：费森尤斯医疗护理德国有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE