聚醚酰亚胺泵 |
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| 申请号 | CN201380023168.8 | 申请日 | 2013-05-08 | 公开(公告)号 | CN104271952A | 公开(公告)日 | 2015-01-07 |
| 申请人 | 沙特基础创新塑料IP私人有限责任公司; | 发明人 | 彼得·豪格; | ||||
| 摘要 | 正 排量 泵 和制造具有组件的正排量泵的方法，组件具有范围从大于0至3g/cm3的 密度 、大于或等于150℃的 玻璃化 转变 温度 (Tg)、和在150℃在 发动机 油中浸泡7天后大于90％的 屈服强度 保留。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种包括聚合物组件的正排量泵， |
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| 说明书全文 | 聚醚酰亚胺泵技术领域发明内容[0002] 一个实施方式涉及包括聚合物组件的正排量泵，聚合物组件具有大于0-3g/cm3范围的密度、大于或等于150℃的玻璃化转变温度(Tg)、和在150℃浸泡在发动机油中7天后 大于90％的屈服强度保留。 [0003] 另一个实施方式涉及制造用于泵压液体的正排量泵的方法。泵包括限定入口和出口的壳体、可操作地定位在入口和出口之间的旋转器(回转轴，rotor)，该旋转器具有用于使液体在入口和出口之间移动的装置，其中，该方法包括由聚合物组分如聚醚酰亚胺形成 泵的至少一个组件。 [0004] 另一个实施方式涉及包括聚合物组件的正排量泵，其中，该组件具有大于0-3g/3 cm 范围的密度，其中，该组件具有大于或等于150℃的玻璃化转变温度(Tg)，并且其中，该组件具有在150℃在发动机油中浸泡7天后大于90％的屈服强度保留，其中，聚合物组件包 含选自聚醚酰亚胺均聚物、聚醚酰亚胺共聚物、和它们的组合的组中的成分；其中，该组件是可操作地定位在入口和出口之间的旋转器，其中，通过壳体限定入口和出口，并且其中，旋转器包括用于使液体在入口和出口之间移动的移位组件(displacement component)，其 中，移位组件选自由叶片、齿轮和次摆线(trachoid)所组成的组中的一种。 附图说明 [0006] 图1A示出了用于应用在发动机(例如，客车发动机)中的由聚醚酰亚胺(在品牌ULTEM 2300树脂下商业可获得)制成的滚柱式油泵1的示意图； [0007] 图1B示出了图1A的滚柱式油泵沿着线A-A的示意性截面图。 [0008] 图2A-J示出了计算机生成的示意图，示出了简化的Pro/E的机械强度计算在重新设计塑料滚柱式泵中的用途。 [0009] 图3示出了根据一个实施方式的功能样机。 [0010] 图4示出了二阶段体系的性能曲线并且证实了油泵调节的良好功能性。 [0011] 图5示出了对用于根据实施例1A的泵和根据比较例1B的优化泵的效率对油压绘制的图； [0012] 图6示出了对用于根据实施例1A的泵和根据比较例1B的优化泵的油流速对油压绘制的图； [0013] 图7是效率对油压和泵速度的图； [0015] 图9A示出了在油泵壳体中，在测试后发生的裂缝； [0016] 图9B示出了在图9A所示的断裂面的放大图； [0017] 图10示出了表明Ultem是无定形材料、半结晶材料的曲线图。 [0018] 应当理解的是各种实施方式不限于在图中所示的布置和机构。 具体实施方式[0019] 本发明基于通过使用特定类型的聚合物的发现，现在能够制造具有相比金属组件具有改善的性能(例如，改善的密度)的聚合物组件的正排量泵。聚合物组件具有非常有 用的玻璃化转变温度(Tg)，例如，大于或等于150℃，和在高温下在发动机油中浸泡七天后有用的屈服强度保留性能。 [0020] 通过参考本发明优选的实施方式和包含其中的实施例的以下详细描述可以更容易地理解本发明。无论是否明确示出，所有数值在此假定通过术语“约”来修改。术语“约”通常指本领域技术人员将认为等同于引用值的数字范围(即，具有相同功能和结果)。在许 多实施例中，术语“约”可以包括四舍五入至最接近的有效数位的数字。 [0021] 第一个实施方式涉及包括聚合物组件的正排量泵。该泵是滚叶片泵、叶片泵、齿轮泵、或次摆线泵。 [0022] 聚合物组件可以具有范围为具有下限和/或上限的范围内的密度。所述范围可以包括或不包括下限和/或上限。下限和/或上限可选自大于0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、 0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、 2.7、2.8、2.9、3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、 4.7、4.8、4.9、5、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、 6.7、6.8、6.9、7、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、 3 8.7、8.8、8.9、9、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9、或大于10g/cm。例如，根据某些 3 优选的实施方式，组件可以具有在大于0-3g/cm 范围的密度。 [0023] 组件可以具有在具有下限和/或上限的范围内的玻璃化转变温度(Tg)。范围可以包括或不包括下限和/或上限。下限和/或上限可以选自130、135、140、145、150、155、160、 165、170、175、180、185、190、195、和200℃。例如，根据某些优选的实施方式，组件可以具有大于或等于150℃的玻璃化转变温度(Tg)。 [0024] 在发动机油中浸泡7天后，组件可以具有在具有下限和/或上限范围内的大于90％的屈服强度保留。范围可以包括或不包括下限和/或上限。下限和/或上限可选自 130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195、和200℃。例如，根据某些优选的实施方式，在150℃下在发动机油中浸泡7天后，组件可以具有大于90％的屈服强度 保留。 [0025] 组件可以具有根据ISO 180/1U测量的在具有下限和/或上限范围内的悬臂梁无缺口(在+23℃和-30℃下80*10*4)冲击强度。范围可以包括或不包括下限和/或上限。 2 下限和/或上限可以选自30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、和100kj/m。例 2 如，根据某些优选的实施方式，组分可具有根据ISO 180/1U测量的至少40kJ/m 的悬臂梁 无缺口(在+23℃和-30℃下80*10*4)冲击强度。 [0026] 在速率B/120下，组件可以具有根据ISO 306测量的在具有下限和/或上限范围内的维卡软化温度。范围可以包括或不包括下限和/或上限。下限和/或上限可选自180、 185、190、195、200、205、210、215、220、225、230、235、240、245、250、255、260、265、270、275、 280、285、290、295、和300℃。例如，根据某些优选的实施方式，在速率B/120下，组件可以具有根据ISO 306测量的220℃的维卡软化温度。 [0027] 根据ISO 75/Ae测量的，组件可以具有在具有下限和/或上限范围内的HDT/Ae，1.8MPa Edgew 120*10*4sp＝100mm。所述范围可以包括或不包括下限和/或上限。下限和 /或上限可以选自170、175、180、185、190、195、200、205、210、215、220、225、230、235、240、 245、250、255、260、265、270、275、280、285、290、295、和300℃。例如，根据某些优选的实施方式，根据ISO 75/Ae测量的，组件可以具有210℃的HDT/Ae，1.8MPa Edgew 120*10*4sp＝ 100mm。 [0028] 聚合物组件可以包含聚醚酰亚胺(PEI)。泵可包括多个另外的组件，并且多个另外的组件中的每个也可以包含聚醚酰亚胺。组件可包含选自由聚醚酰亚胺共聚物、聚醚酰亚胺三聚物、填充聚醚酰亚胺、未填充聚醚酰亚胺、聚醚酰亚胺共混物、和它们的组合组成的组中的一种。组件可以包含填充聚醚酰亚胺，其中，用选自由碳颗粒、用金属、陶瓷、玻璃、和它们的组合填充的聚醚酰亚胺组成的组中的一种填充聚醚酰亚胺。组件可以进一步包含由 聚苯砜(PPSU)、聚醚醚酮(PEEK)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚苯硫醚(PPS)、和它们的组合组成的组中的一种。 [0029] 优选的聚酰亚胺包括聚醚酰亚胺和聚醚酰亚胺共聚物。聚醚酰亚胺可以选自(i)聚醚酰亚胺均聚物，例如聚醚酰亚胺，(ii)聚醚酰亚胺共聚物，例如聚醚酰亚胺砜， 和(iii)它们的组合。聚醚酰亚胺是已知的聚合物并且在 和 Siltem*品牌(SABIC Innovative Plastics IP B.V.的商标)下由SABIC Innovative Plastics出售。 [0030] 在-个实施方式中，聚醚酰亚胺具有式(1)： [0031] [0032] 其中，a大于1，例如10-1,000或更大，或更尤其是10-500。 [0033] 式(1)中的基团V是包含醚基的四价连接基(如在本文中使用的“聚醚酰亚胺”)或醚基和亚芳基砜基的组合(“聚醚酰亚胺砜”)。这种连接基包括但不限于：(a)取代或 未取代的、饱和或不饱和或芳香族单环和多环的具有5-50个碳原子、可选地被醚基、亚芳 基砜基、或醚基和亚芳基砜基的组合取代的基团；(b)取代或未取代的、直链或支链、饱和或不饱和的具有1-30个碳原子并且可选地被醚基或醚基、亚芳基砜基的组合、和亚芳基砜 基取代的烷基；或包含前述至少一种的组合物。适合的另外的取代基包括，但不限于醚、酰胺、酯、和包括上述中的至少一种的组合。 [0034] 式(1)中的R基包括但不限于取代或未取代的二价有机基团，如：(a)具有6-20个碳原子的芳香族烃基和它们的卤化衍生物；(b)具有2-20个碳原子的直链或支链亚烷基； (c)具有3-20个碳原子的亚环烷基，或(d)式(2)的二价基团： [0035] [0036] 其中，Q1包括但不限于二价基团如-O-、-S-、-C(O)-、-SO2-、-SO-、-CyH2y-(y是1-5的整数)和它们的卤代衍生物，包括全氟亚烷基基团。 [0037] 在一个实施方式中，连接基V包括但不限于式(3)的四价芳香族基团： [0038] [0039] 其 中，W 是 包 括 -O-、-SO2- 的 二 价 基 团，或 式-O-Z-O- 的 基 团，其中，-O-或-O-Z-O-基团的二价键在3，3′、3，4′、4，3′、或4，4′位，并且其中，Z包括但不限于式(4)的二价基团： [0040] [0041] 其中，Q包括但不限于包括-O-、-S-、-C(O)、-SO2-、-SO-、-CyH2y-(y是1-5的整数)的二价基团和它们的卤化衍生物，包括全氟亚烷基基团。 [0042] 在一个具体实施方式中，聚醚酰亚胺包括大于1，尤其是10-1,000，或更尤其是10-500个式(5)的结构单元： [0043] [0044] 其中，T是-O-或式-O-Z-O-的基团，其中，-O-或-O-Z-O-基团的二价键在3，3′、3，4’、4，3’、或4，4’位，Z是以上定义的式(3)的二价基团，并且R是以上定义的式(2)的二价基团。 [0045] 在另一个具体实施方式中，聚醚酰亚胺砜是包含醚基和砜基的聚醚酰亚胺，其中，式(1)中的至少50mol％的连接基V和基团R包括二价亚芳基砜基。例如，所有的连接基V，但是没有基团R，可以包括亚芳基砜基；或所有的基团R，但是没有连接基V可以包括亚芳基砜基；或亚芳基砜基可以以一些分数的连接基V和R基团存在，条件是包括芳基砜基的V 和R基团的总摩尔分数大于或等于50mol％。 [0046] 甚至更尤其是，聚醚酰亚胺砜可以包括大于1，尤其是10-1,000，或更尤其是10-500个式(6)的结构单元： [0047] [0048] 其中，Y是-O-、-SO2-、或式-O-Z-O-的基团，其中，-O-、-SO2-、或-O-Z-O-基团的二价键在3，3′、3，4′、4，3′、或4，4′位，其中，Z是如以上定义的式(3)的二价基团，并且R是如以上定义的式(2)的二价基团，条件是大于式(2)中的摩尔Y+摩尔R的总数的50mol％包括-SO2-基团。 [0049] 应当理解的是，聚醚酰亚胺和聚醚酰亚胺砜可以可选地包括不包含醚基或醚基和砜基的连接基V，例如式(7)的连接基： [0050] [0051] 包含这种连接基的酰亚胺单元通常以总单元数的0-10mol％，尤其是0-5mol％范围的量存在。在一个实施方式中，没有另外的连接基V存在于聚醚酰亚胺和聚醚酰亚胺砜 中。 [0052] 在另一个具体的实施方式中，聚醚酰亚胺包括10-500个式(5)的结构单元，并且聚醚酰亚胺砜包括10-500个式(6)的结构单元。 [0053] 可以通过不同的方法制备聚醚酰亚胺和聚醚酰亚胺砜，包括但不限于式(8)的双(邻苯二甲酰亚胺)的反应： [0054] [0055] 其中，R如以上所描述的，并且X是硝基或卤素。例如，通过式(9)的相应酸酐与式(10)的有机二胺的缩合可以形成双邻苯二甲酰亚胺(8)： [0056] [0057] 其中，X是硝基或卤素， [0058] H2N-R-NH2(10) [0059] 其中，R如上所述。 [0060] 式(10)的胺化合物的示例性实例包括：乙二胺、丙二胺、三亚甲基二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、六亚甲基二胺、七亚甲基二胺、辛二胺、壬二胺、癸二胺、1，12-十二烷二胺、1，18-十八烷二胺、3-甲基七亚甲基二胺、4，4-二甲基七亚甲基二胺、4-甲基壬二胺、5-甲基壬二胺、2，5-二甲基六亚甲基二胺、2，5-二甲基七亚甲基二胺、2，2-二甲基丙二胺、N-甲基-双(3-氨基丙基)胺、3-甲氧基六亚甲基二胺、1，2-双(3-氨基丙氧基)乙烷、 双(3-氨基丙基)硫醚、1，4-环己烷二胺、双-(4-氨基环己基)甲烷、间苯二胺、对苯二 胺、2，4-二氨基甲苯、2，6-二氨基甲苯、间苯二甲胺、对苯二甲胺、2-甲基-4，6-二乙基-1， 3-亚苯基二胺、5-甲基-4，6-二乙基-1，3-亚苯基二胺、联苯胺、3，3′-二甲基联苯胺、 3，3′-二甲氧基联苯胺、1，5-二氨基萘、双(4-氨基苯基)甲烷、双(2-氯-4-氨基-3， 5-二乙基苯基)甲烷、双(4-氨基苯基)丙烷、2，4-双(二氨基叔丁基)甲苯，双(对b-氨 基-叔丁基苯基)醚、双(对b-甲基-邻氨基苯基)苯、双(对b-甲基-邻氨基戊基)苯、 1，3-二氨基-4-异丙基苯、双(4-氨基苯基)醚和1，3-双(3-氨基丙基)四甲基二硅氧 烷。可以使用这些胺的混合物。包含砜基的式(10)的胺化合物的示例性实例包括但不限 于二氨基二苯砜(DDS)和双(氨基苯氧基苯基)砜(BAPS)。可以使用包括任何上述胺的组 合。 [0061] 在存在或不存在相转移催化剂下，可以通过双(邻苯二甲酰亚胺)(8)与式HO-V-OH(其中，V如以上所描述的)的二羟基取代的芳香族烃的碱金属盐反应合成聚醚酰 亚胺。在美国专利号5,229,482中公开了适合的相转移催化剂。具体地，可以使用二羟基 取代的芳香族烃双酚如双酚A、或双酚的碱金属盐和另一个二羟基取代的芳香族烃的碱金 属盐的组合。 [0062] 在一个实施方式中，聚醚酰亚胺包括式(5)的结构单元，其中，每个R独立地是对亚苯基或间亚苯基或包括至少上述一种的混合物；并且T是式-O-Z-O-的基团，其 中，-O-Z-O-基团的二价键在3，3′位，并且Z是2，2-二亚苯基丙烷基团(双酚A基团)。 此外，聚醚酰亚胺砜包括式(6)的结构单元，其中，至少50mo1％的R基团具有式(4)，其中，Q是-SO2-并且剩余的R基团独立地是对亚苯基或间亚苯基或包括至少上述一种的组合；并 且T是式-O-Z-O-的基团，其中，-O-Z-O-基团的二价键在3，3′位，并且Z是2，2-二亚苯 基丙烷基团。 [0063] 在制造本发明的聚合物组件中可以单独或以彼此的组合使用聚醚酰亚胺和聚醚酰亚胺砜和/或其他公开的聚合物质。在一个实施方式中，仅使用了聚醚酰亚胺。在另一 个实施方式中，聚醚酰亚胺∶聚醚酰亚胺砜的重量比可以从99∶1至50∶50。 [0064] 聚醚酰亚胺可以具有通过凝胶渗透色谱(GPC)测量的5,000克/摩尔(g/mol)-100,000g/mol的重均分子量(Mw)。在一些实施方式中，Mw可以是10,000至80,000。 如在本文中使用的分子量是指绝对重均分子量(Mw)。 [0066] 聚醚酰亚胺可以具有根据ASTM测试D3418，使用差示扫描热量法(DSC)测量的大于180℃，尤其是200℃-500℃的玻璃化转变温度。在一些实施方式中，聚醚酰亚胺和，具体地，一种聚醚酰亚胺具有240℃-350℃的玻璃化转变温度。 [0067] 聚醚酰亚胺可以具有如通过美国材料与试验协会(ASTM)DI 238在340℃-370℃下使用6.7千克(kg)的重量测量的0.1克/分钟(g/min)-10g/min的熔融指数。 [0068] 一种用于制备具有结构(1)的聚醚酰亚胺的方法称为硝基取代方法(X是式(8)中的硝基)。在硝基取代方法的一个实例中，N-甲基邻苯二甲酰亚胺用99％的硝酸硝化以 产生N-甲基-4-硝基邻苯二甲酰亚胺(4-NPI)和N-甲基-3-硝基邻苯二甲酰亚胺(3-NPI) 的混合物。在纯化之后，在相转移催化剂的存在下，包含约95份的4-NPI和5份的3-NPI 的混合物在甲苯中与双酚A(BPA)的二钠盐反应。该反应在已知的硝基取代步骤中产生 BPA-双酰亚胺和NaNO2。在纯化之后，BPA-双酰亚胺与邻苯二甲酸酐在酰亚胺交换反应中 反应以获得BPA-二酐(BPADA)，在酰亚胺化-聚合步骤中其进而与间苯二胺(MPD)在邻二 氯苯中反应以获得产物聚醚酰亚胺。 [0069] 具有结构(1)的聚醚酰亚胺的可替代化学路线是称作氯取代方法的一种方法(在式(8)中，X是Cl)。氯取代方法在以下示出：4-氯邻苯二甲酸酐与间苯二胺在催化 量的苯基次膦酸钠催化剂的存在下反应以生产间苯二胺的双氯邻苯二甲酰亚胺(CAS号： 148935-94-8)。然后，在催化剂的存在下，在邻二氯苯或茴香醚溶剂中通过用BPA的二钠盐的氯取代反应，将双氯邻苯二甲酰亚胺进行聚合。可替代地，可以使用3-氯邻苯二甲酸酐 和4-氯邻苯二甲酸酐的混合物以提供通过如以上所述的用BPA二钠盐的氯取代可以聚合 的异构双氯邻苯二甲酰亚胺的混合物。 [0070] 基于嵌段共聚物的总重量，硅氧烷聚醚酰亚胺可以包括具有大于0且小于40重量百分数(wt％)的硅氧烷含量的聚硅氧烷/聚醚酰亚胺嵌段共聚物。嵌段共聚物包括式(I) 的硅氧烷嵌段： [0071]1-6 [0072] 其中，R 每次出现时独立地选自由以下组成的组中：具有5-30个碳原子的取代或未取代的、饱和、不饱和、或芳香族单环基团，具有5-30个碳原子的取代或未取代、饱和、不饱和、或芳香族多环基团，具有1-30个碳原子的取代或未取代的烷基基团和具有2-30 个碳原子的取代或未取代的烯基基团，V是选自由以下组成的组的四价连接基：具有5-50 个碳原子的取代或未取代、饱和、不饱和、或芳香族单环和多环基团，具有1-30个碳原子 的取代或未取代的烷基基团，具有2-30个碳原子的取代或未取代的烯基基团和包括至少 一种上述连接基的组合，g等于1-30，并且d是2-20。硅氧烷聚醚酰亚胺可以在品牌名 SILTEM*(*SABIC Innovative Plastics IP B.V.的商标)下由SABIC创新塑料商业可获 得。 [0073] 聚醚酰亚胺树脂可以具有在具有下限和/或上限范围内的重均分子量(Mw)。所述范围可以包括或不包括下限和/或上限。下限和/或上限可选自5000、6000、7000、 8000、9000、10000、11000、12000、13000、14000、15000、16000、17000、18000、19000、20000、 21000、22000、23000、24000、25000、26000、27000、28000、29000、30000、31000、32000、 33000、34000、35000、36000、37000、38000、39000、40000、41000、42000、43000、44000、 45000、46000、47000、48000、49000、50000、51000、52000、53000、54000、55000、56000、 57000、58000、59000、60000、61000、62000、63000、64000、65000、66000、67000、68000、 69000、70000、71000、72000、73000、74000、75000、76000、77000、78000、79000、80000、 81000、82000、83000、84000、85000、86000、87000、88000、89000、90000、91000、92000、 93000、94000、95000、96000、97000、98000、99000、100000、101000、102000、103000、104000、 105000、106000、107000、108000、109000、和110000道尔顿。例如，聚醚酰亚胺树脂可以具有5,000道尔顿-100,000道尔顿、5,000道尔顿-80,000道尔顿、或5,000道尔顿-70,000 道尔顿的重均分子量(Mw)。与初始的未改性的聚醚酰亚胺相比，伯烷基胺改性的聚醚酰亚 胺将具有较低的分子量和较高的熔体流动。 [0074] 聚醚酰亚胺树脂可以选自由以下组成的组中：聚醚酰亚胺，例如，如在美国专利3,875,116、6,919,422和6,355,723中描述的，硅酮聚醚酰亚胺，例如，如在美国专利 4,690,997、4,808,686中描述的，聚醚酰亚胺砜树脂，如在美国专利7,041,773中描述的，和它们的组合，这些专利中的每一个将其全部结合于此。 [0075] 聚醚酰亚胺树脂可以具有在具有下限和/或上限范围内的玻璃化转变温度。所述范围可以包括或不包括下限和/或上限。下限和/或上限可以选自100、110、120、130、140、 150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、和310摄氏度。 例如，聚醚酰亚胺树脂可以具有大于约200摄氏度的玻璃化转变温度(Tg)。 [0076] 聚醚酰亚胺树脂可以基本上不含(小于100ppm)的苄型质子。聚醚酰亚胺树脂可以不含苄型质子。聚醚酰亚胺树脂可以具有低于100ppm的量的苄型质子。在一个实施方 式中，苄型质子的量在大于0-小于100ppm的范围内。在另一个实施方式中，苄型质子的量 是不可测的。 [0077] 聚醚酰亚胺树脂可以基本上不含(小于100ppm)的卤素原子。聚醚酰亚胺树脂可以不含卤素原子。聚醚酰亚胺树脂可以具有低于100ppm的量的卤素原子。在一个实施方 式中，卤素原子的量在大于0-小于100ppm的范围内。在另一个实施方式中，卤素原子的量 是不可测的。 [0078] 与除了相应的组件不包含聚醚酰亚胺而是金属而与该泵相同的第二泵相比，该泵可以具有更低的噪声振动粗糙度(noise vibration harshness)。更低的噪声振动粗糙度 可以包括在具有下限和/或上限的范围内的分贝水平降低。所述范围可以包括或不包括下 限和/或上限。下限和/或上限可以选自0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、 7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5、17、 17.5、18、18.5、19、19.5、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100％。 例如，根据某些优选的实施方式，更低的噪声振动粗糙度可以包括至少10％的分贝水平降 低以及可以在至少10％-50％或更高范围内。 [0079] 组件可以是限定正排量泵的入口和出口的壳体。壳体可以由聚醚酰亚胺制成。组件可以是可操作地定位在入口和出口之间的旋转器。通过壳体可以限定入口和出口，以及 旋转器可以包括用于使液体在入口和出口之间移动的移位组件，其中，移位组件选自由叶 片、齿轮和次摆线组成的组中的一种。优选的移位组件是滚叶片。旋转器可以包含聚醚酰 亚胺。移位组件可以包含聚醚酰亚胺。 [0080] 可以优化根据第一个实施方式的泵以在壳体中最小化内应力水平。 [0081] 在壳体中的内应力水平可以在具有下限和/或上限的范围内分布。所述范围可以包括或不包括下限和/或上限。下限和/或上限可以选自1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、 13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、 38、39、40、45、50、55、60、65、70和75MPa。例如，根据某些优选的实施方式，在壳体中的内应力水平可以在0-35MPa范围内或在壳体中的内应力水平可以是约10MPa。 [0083] 第二个实施方式涉及制造用于泵压液体的正排量泵的方法。泵可以包括限定入口和出口的壳体，可操作地定位在入口和出口之间的旋转器，旋转器具有用于使液体在入口 和出口之间移动的装置。该方法可以包括由聚醚酰亚胺形成泵的至少一个组件。可以由聚 醚酰亚胺的固体块机械制造该至少一个组件。可以由聚醚酰亚胺注塑模制，或通过铸造、锻造或传递/压缩模制基于聚醚酰亚胺聚合物形成该至少一个组件。 [0084] 综上所述，正排量泵(例如，滚叶片泵、叶片泵、齿轮泵、或次摆线泵)包括聚合物组件(例如，限定入口和出口的壳体，可操作地定位在由壳体限定的入口和出口之间的旋转器，例如，旋转器包括用于使液体在入口和出口之间移动的移位组件，其中，移位组件是 3 叶片如滚叶片、齿轮、或次摆线)，其中，组件具有大于0-3g/cm 范围的密度，其中，组件具有大于或等于150℃的玻璃化转变温度(Tg)，以及其中，在150℃在发动机油中浸泡7天后，组件具有大于90％的屈服强度保留；以及可选地，其中，如根据ISO 180/1U测量的，组件具有 2 至少40kj/m 的悬臂梁无缺口(在+23℃和-30℃下，80*10*4)冲击强度；如根据ISO 306 测量的，在速率B/120下，组件具有220℃的维卡软化温度；和如根据ISO 75/Ae测量的， 210℃的HDT/Ae，1.8MPa Edgew 120*10*4sp＝100mm。 [0085] 当组件包括、基本由以下组成、或由以下组成时，可以得到具有这些性能的组件：聚醚酰亚胺(PEI)，例如聚醚酰亚胺共聚物、聚醚酰亚胺三聚物、填充聚醚酰亚胺、未填充聚醚酰亚胺、聚醚酰亚胺共混物、或它们的组合物，如用包括碳、金属、陶瓷、玻璃、或它们的组合的颗粒填充的填充PEI；以及可选地进一步包括聚苯砜(PPSU)、聚醚醚酮(PEEK)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚苯硫醚(PPS)、或它们的组合。在一个具体的实施方式中，泵包括、基本上由多个另外的组件组成、或由其组成，并且其中，多个另外的组件中的每个包含聚醚酰亚胺，例如聚醚酰亚胺共聚物、聚醚酰亚胺三聚物、填充聚醚酰亚胺、未填充聚醚酰亚胺、聚醚酰亚胺共混物、或它们的组合，如用包括碳、金属、陶瓷、玻璃、或它们的组合的颗粒填充的填充PEI；以及可选地进一步包含聚苯砜(PPSU)、聚醚醚酮(PEEK)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚苯硫醚(PPS)、或它们的组合。 [0086] 任意的上述泵可以具有与第二泵相比更低的噪声振动粗糙度，其中，第二泵包括对应于包含聚醚酰亚胺的组件的第二组件，其中，除了第二组件不包含聚醚酰亚胺而包含 金属，第二泵与根据权利要求2的泵相同，例如其中，更低的噪声振动粗糙度包括分贝水 平降低。可替代地，或此外，优化任意的上述泵以最小化在壳体中的内应力水平，其中，所述内应力水平的范围为0-35Mpa，或其中，例如通过导线电阻应变仪测量内应力水平，或通过CAE电脑模拟软件预测内应力水平，或它们的组合确定的在壳体中的内应力水平是约 10MPa。 [0087] 在以下示例性实施例中进一步描述了本发明，其中，除非另外示出，所有的份数和百分数是按重量计。 [0088] 实施例 [0089] 实施例1-6 [0090] 目的： [0091] 这些实施例的目的是比较具有由不同聚醚酰亚胺制成的组件的滚叶片泵与在汽车发动机中通常使用的具有由另一种工程塑料制成的组件的滚叶片泵。这些实施例证实聚 醚酰亚胺提供了更好的耐化学性；更好的应力和应变值；更好的稳定性；被玻璃纤维填充 物填充的相同能力(即，可以以包括，但不限于0.5wt.％、30wt.％、或45wt.％和其中范围(即，在0.5％-45％之间)的量的玻璃纤维填充聚醚酰亚胺)。聚醚酰亚胺也可以允许通 过无后加工的注塑模制简单生产泵部件。 [0092] 材料 [0093] 采用的聚醚酰亚胺在ULTEM品牌下商业可获得，但是优选的聚醚酰亚胺是ULTEM2300树脂和ULTEM 3452树脂。采用的聚酰胺是PA66GF30，其从不同的供应商可获得。对 PA66 GF30作出比较，因为它是用在与汽车发动机相关的组件中的工程塑料。 [0094] ULTEM 2300树脂和ULTEM 3452树脂具有以下预计的一般性能。约90N/mm2的拉2 伸应力160℃；约35N/mm 的拉伸应力160℃(长期耐久性，第一个值)；约v 0.38的泊松 3 比；和约p＝1.66g/cm 的密度。 [0095] ULTEM 2300的具体性能总结在表1中。ULTEM 2300可以是被按重量计30％的玻璃纤维填充的，可以具有与其他聚醚酰亚胺相似的流动性能；可以具有约217℃的玻璃化 转变温度(Tg)。ULTEM 2300树脂可以符合根据欧盟规定的有害物质限制(RoHS)。ULTEM 2300可以具有列出的UL94V0和5VA。 [0096] [0097] [0098] ULTEM 3452的更多具体性能总结在表2中。ULTEM 3452可以是45wt.％玻璃纤维和矿物质填充的，可以提供相对于其他聚醚酰亚胺增强的流动性，可以具有约217℃的玻璃化转变温度(Tg)，并且可以具有增强的尺寸稳定性。ULTEM 3452树脂可以符合根据欧盟规 定的有害物质限制(RoHS)。ULTEM 3452可以具有以可识别颜色列出的UL94V0和5VA。 [0099] [0100] [0101] 表3提供了PA66GF30块的性能。 [0102] 表3 [0103] [0104] [0105] (1)半成品的测试 [0106] 实施例1A [0107] 技术和步骤 [0108] 参考图1A，应用于客车发动机中的可变滚柱式油泵1由ULTEM 2300树脂制成。泵1包括导向环2、多个滚(roll)3，旋转器(rotor)4、第一座圈7(滚道，race)、调节弹簧5、调整环8、第二滚道9、调节活塞6、压力控制弹簧10、球体11、和壳体12。 [0109] 图1B提供了沿着线A-A的图1A的滚柱式油泵的截面图，示出了调节/控制活塞13，调节轴14、调整环15、吸入体积16(suction volume)、吸管17、压力室18、冷启动阀19、调节/控制弹簧20、调节/控制体积21、和旋转器22。 [0110] 表4提供了根据实施例1A的每个泵组件的细节。表4示出了可以采用的具有相似密度的 2300和其他的聚合物。 [0111] [0112] [0113] 选择滚柱式油泵用于设计聚合物组件油泵，因为滚柱式油泵具有许多益处。例如，这些可控的泵考虑发动机需要的油量，并且可以降低耗电和CO2排放。泵适用于6000转/分的速度并且可以被用于所有的汽车汽油和柴油发动机。另外，相比其他的泵设计(如齿 轮泵)，回转类部件的内摩擦有限并且潜在地使所有的聚合油泵部件能够由基于PEI树脂 的材料制成。 [0114] 本领域具有普通技术的人员将要理解的是不同的控制策略是可能的。例如，可以采用2阶段压力控制或线圈载体控制(map-based contorl)。另外，可以采用不同类型的 泵。 [0115] 油泵原型是基于依据在高体积的4缸汽油发动机中使用的包装和设计空间限制的现有油泵。油泵原型的壳体、盖、和调整环由挤出的ULTEM2300块研磨，其与工具构造和注塑模制相比是经济有效的方法，其最终将是选择的生产技术。其他形成的类型可以包括 铸造、锻造、或压缩模制。然而，挤出的ULTEM 2300块可以示出未熔融树脂颗粒的不均匀区域，其可能导致结构缺陷，其在注塑模制件的情况中是不期望的。在图3中作为“大理石样”效果可以看出这些未熔融区域。注塑模制部件将示出均匀的琥珀色。在图3中示出的功能 样机是基于在图2A-J中示出的优化的示意图。 [0116] 考虑以上提到的原型设计方法，需要解释测试结果。在测试台上运行大约40小时后，油泵没有显示出“性能缺失”。进行具有塑料壳体、盖、调整环和金属的剩余部件的油泵原型的五个初始特征曲线测试(温度和转速)性能。泵还实现了低摩擦需求，显示出n＝ 50±5min-1、Md最大＝0.2Nm。 [0117] 实施例1B [0119] 流体通道形状(无论方形或圆形)、流体通道体积、流体通道表面特征(平滑或粗糙)、和避免在不同流体通道之间的突然转换可以影响泵效率。 [0120] 在图2A-J中示出了计算机生成的示意图，示出了简化的Pro/E的机械强度计算在重新设计塑料滚柱式泵中的用途。图2A-D示出了作为拓扑优化结果实现的新肋。可以装 备新肋204以解决应力201；可以装备新肋250以解决应力202；可以装备新肋206以解决 203；可以装备新肋208以解决应力207。图2E-J示出了如在106℃下在7巴的工作压力下 测量的泵壳体中的应力。在图2G中，指出了应力峰209。 [0121] 在最大压力7巴和链受力负载1.2kN下(最大应力水平90MPa)计算塑料油泵的变形和强度。 [0122] 用各向同性的线性材料行为进行假定无规分布的玻璃纤维的ULTEM2300树脂的非线性有限单元计算。计算确认了油泵构思和包装的技术可行性。 [0123] 拟生产单元是通过注塑模制作为独立单元的每个盖301和壳体302与可选的金属支撑表面303，如图3中所示的定位。其他形式的模制包括传递模塑、锻造、和毛坯形状挤出(stockshape extrusion)。可以如希望的采用使用熔模铸造法和易卸模式来促进成形壳体 的内部部分。 [0124] 根据不同的实施方式，通过降低压力水平至35MPa；硬化调整室底部；减少变形和应变；提供较硬和夹住的吸入室盖；在调节室的背侧/底侧边缘增加半径可以实现另外的优化。 [0125] 比较例1 [0127] 结果 [0128] 相比实施例1A的泵，实施例1B的优化原型示出了改善的效率。参见图4。 [0129] 图4示出了二阶段体系的性能曲线并且证实了油泵调节的良好功能性。图4比较了实施例1A至实施例1B。 [0130] 图5是对根据实施例1A的泵和根据比较例1B的优化泵的效率与油压作图的曲线图。根据实施例1A的泵的结果以实心形状示出。根据实施例1B的泵的结果以蓝色示出。 从图中可以看出，根据在比较点的油压，根据实施例1B的泵效率改善了约4-10％。 [0131] 图6是对根据实施例1A的泵和根据比较例1B的优化泵的油流动速率对油压作图的曲线图。根据实施例1A的泵的结果以实心形状示出。根据实施例1B的泵的结果以蓝色 示出。图6证实通过实施例1A和1B的泵实现了具有的热空转点需求。热空转点需求是在 0.8巴和102℃下至少5.8升/分钟的油流动速率，而发动机空转约850U/min。另外，图6 示出了根据实施例1B的泵示出了改善。 [0132] 图7是效率对油压和泵速度的曲线图。 [0133] 与传统的金属泵相比，根据比较例2，实施例1B的优化原型重量降低25％。更具体地，实施例1的优化原型重约1,250克，而传统的金属泵重约1,650克。 [0134] 与传统的金属泵相比，实施例1的优化原型的材料成本导致较低的制造成本。此外，与传统的金属泵不同，优化原型可以实现壳体和本土生产的进一步的成本降低。参见表 1。 [0135] 与传统的金属泵相比，实施例1的优化原型显示出较好的噪声、振动、和粗糙度(NVH)阻尼性能。 [0136] 比较例5 [0137] 如果壳体被故意断裂，那么预期断裂的均匀的玻璃纤维增强塑料的表面将示出如图8所示的玻璃纤维突起。 [0138] 测试泵。在测试之后，油泵壳体的裂缝如图9A所示的发展。分析断裂表面。如图9B(其是断裂面的放大图)所示的，通过GApT/WTC进行的材料分析示出断裂表面没有示出 纤维从断裂表面伸出的任何证据。 [0139] 从断裂面缺乏露出的玻璃纤维表明，与实施例4相比，通过压缩粒料制成的毛坯形状方式给出较为不良的结果。还发现一旦断裂开始，断裂在通过富含树脂-其中粒料熔 合在一起的未增强表面区域的疲劳载荷下延伸。毛坯形状方法导致包含不均匀融体的粒料 导致富含玻璃区域的局部累积。 [0140] 实施例6 [0141] 计算具有由塑料制成的不同部件的滚柱式泵的重量，并且与具有由金属制成的不同部件的相似的滚柱式泵相比。在情况1中，泵壳体、盖、和调整环可以由塑料制成。根据情况1，滚柱式泵的总重量是约1.246kg。在情况2中，泵壳体和盖可以由塑料制成。根据 情况2，滚柱式泵的总重量是约1.496kg。在情况3中，泵壳体和盖可以由金属制成。根据 情况3，滚柱式泵的总重量是约1.915kg。因此，可以容易地看出由聚合物而不是金属制造 部件可以导致较低重量的泵。下表总结了这些计算并且还提供了根据相关情况生产的泵的 示例性价格。 [0142] [0143] [0144] 目的 [0145] 以下实施例的目的是比较通过在汽车发动机中使用包含聚醚酰亚胺的泵部件可以得到的结果与通过使用其他材料可以得到的结果。 [0146] 发明实施例7 [0148] PEI的Tg在一定的操作温度范围内是有益的。图10示出了ULTEM是无定形材料、半结晶材料。与聚醚酰亚胺相比，聚酰胺在较高的温度下将开始软化，并且随后失去弹性模量，使材料不适合。 [0149] 比较例-温度分布 [0150] 具有低于150℃的玻璃化转变温度的任何树脂在这种粗糙的发动机环境中将可能失败。例如，这包括大多数的PP、PE、ABS、PA、PBT、PC和PPA树脂级别。因此，由这些树脂中的一种制成的泵组件对于在内燃机中使用将是不适合的。 [0151] 比较例-结构性能 [0152] 半结晶树脂随温度升高而失去它们的模量。预期包含PP、PE、PPS、PA、PBT、PPA树脂的泵组件显示出在硬度和强度上的丢失，导致失败，使这种泵组件不适合。 [0153] 比较例9 [0154] 聚醚醚酮(PEEK)可以具有约143℃的玻璃化转变温度(Tg)和340℃的熔融温度(Tm)。因此，由PEEK制成的泵组件不适合在内燃机组件中使用。 [0155] 在内燃机中的操作温度范围，PEEK具有低于PEI的模量。预期包含PEI的泵组件、由PEEK制成的的泵组件会显示出在硬度和强度上的丢失，导致失败，使这种泵组件不 适合。 [0156] 在内燃机中的操作温度范围，PEEK还具有高于PEI的热膨胀系数(CTE)。预期由PEEK制成的泵组件会显示出相对包含PEI的泵组件较高的尺寸变化，除非还采用填料，否 则其将导致失败。预期为了降低CTE变化对填料的需求将增加泵组件的重量，从而使泵组 件不太适合。 [0157] 比较例10 [0158] 聚酰胺(PA66)可以具有约50℃的玻璃化转变温度(Tg)和260℃的熔融温度(Tm)。因此，由PA66制成的泵组件不适合在内燃机组件中使用。 [0159] 在内燃机中的操作温度范围，PA66具有低于PEI的模量。预期包含PEI的泵组件、由PA66制成的的泵组件显示出在硬度和强度上的丢失，导致失败，使这种泵组件不适合。 [0160] 在内燃机中的操作温度范围，PA66还具有高于PEI的热膨胀系数(CTE)。预期由PA66制成的泵组件显示出相对包含PEI的泵组件较高的尺寸变化，除非还采用填料，否则 其将导致失败。预期为了降低CTE变化对填料的需求将增加泵组件的重量，从而使泵组件 不太适合。 [0161] 比较例11 [0162] 聚酰胺(PA6)可以具有约50℃的玻璃化转变温度(Tg)和223℃的熔融温度(Tm)。因此，由PA6制成的泵组件不适合在内燃机组件中使用。 [0163] 在内燃机中的操作温度范围，PA6具有低于PEI的模量。预期包含PEI的泵组件、由PA6制成的的泵组件显示出在硬度和强度上的丢失，导致失败，使这种泵组件不适合。 [0164] 在内燃机中的操作温度范围，PA6还具有高于PEI的热膨胀系数(CTE)。预期由PA6制成的泵组件显示出相对包含PEI的泵组件较高的尺寸变化，除非还采用填料，否则其 将导致失败。预期为了降低CTE变化对填料的需求将增加泵组件的重量，从而使泵组件不 太适合。 [0165] 比较例12 [0166] 半结晶聚邻苯二甲酰胺(PPA)可以具有约130℃的玻璃化转变温度(Tg)和310℃的熔融温度(Tm)。因此，由PPA制成的泵组件不适合在内燃机组件中使用。 [0167] 在内燃机中的操作温度范围，PPA具有低于PEI的模量。预期包含PEI的泵组件、由PPA制成的的泵组件显示出在硬度和强度上的丢失，导致失败，使这种泵组件不适合。 [0168] 在内燃机中的操作温度范围，PPA还具有高于PEI的热膨胀系数(CTE)。预期由PPA制成的泵组件显示出相对包含PEI的泵组件较高的尺寸变化，除非还采用填料，否则其 将导致失败。预期为了降低CTE变化对填料的需求将增加泵组件的重量，从而使泵组件不 太适合。 [0169] 比较例13 [0170] 聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)可以具有约50℃的玻璃化转变温度(Tg)和220℃的熔融温度(Tm)。因此，由PBT制成的泵组件不适合在内燃机组件中使用。 [0171] 在内燃机中的操作温度范围，PBT具有低于PEI的模量。预期包含PEI的泵组件、由PBT制成的的泵组件显示出在硬度和强度上的丢失，导致失败，使这种泵组件不适合。 [0172] 在内燃机中的操作温度范围，PBT还具有高于PEI的热膨胀系数(CTE)。预期由PBT制成的泵组件显示出相对包含PEI的泵组件较高的尺寸变化，除非还采用填料，否则其 将导致失败。预期为了降低CTE变化对填料的需求将增加泵组件的重量，从而使泵组件不 太适合。 [0173] 比较例14 [0174] 聚丙烯(PP)可以具有约-15℃的玻璃化转变温度(Tg)和176℃的熔融温度(Tm)。因此，由PP制成的泵组件不适合在内燃机组件中使用。 [0175] 在内燃机中的操作温度范围，PP具有低于PEI的模量。预期包含PEI的泵组件、由PP制成的的泵组件显示出在硬度和强度上的丢失，导致失败，使这种泵组件不适合。 [0176] 在内燃机中的操作温度范围，PP还具有高于PEI的热膨胀系数(CTE)。预期由PP制成的泵组件显示出相对包含PEI的泵组件较高的尺寸变化，除非还采用填料，否则其将 导致失败。预期为了降低CTE变化对填料的需求将增加泵组件的重量，从而使泵组件不太 适合。 [0177] 比较例15 [0178] 聚乙烯(PE)可以具有约-120℃的玻璃化转变温度(Tg)和137℃的熔融温度(Tm)。因此，由PE制成的泵组件不适合在内燃机组件中使用。 [0179] 在内燃机中的操作温度范围，PE具有低于PEI的模量。预期包含PEI的泵组件、由PE制成的的泵组件显示出在硬度和强度上的丢失，导致失败，使这种泵组件不适合。 [0180] 在内燃机中的操作温度范围，PE还具有高于PEI的热膨胀系数(CTE)。预期由PE制成的泵组件显示出相对包含PEI的泵组件较高的尺寸变化，除非还采用填料，否则其将 导致失败。预期为了降低CTE变化对填料的需求将增加泵组件的重量，从而使泵组件不太 适合。 [0181] 比较例16 [0182] 聚碳酸酯(PC)可以具有约145℃的玻璃化转变温度(Tg)。因此，预期由PC制成的泵组件不适合在内燃机组件中使用。 [0183] 比较例17 [0184] 聚砜(PSU)可以具有约189℃的玻璃化转变温度(Tg)。因此，预期由PSU制成的泵组件不适合在内燃机组件中使用。 [0185] 比较例18 [0186] 聚醚砜(PES)可以具有约225℃的玻璃化转变温度(Tg)。因此，由PES制成的泵组件可能不适合在内燃机组件中使用。 [0187] 比较例19 [0188] 聚苯砜(PPSU)可以具有约220℃的玻璃化转变温度(Tg)。因此，由PPSU制成的泵组件可能不适合在内燃机组件中使用。 [0189] 比较例20 [0190] PPE/PS可以具有约100-200℃的玻璃化转变温度(Tg)。因此，由PPE/PS制成的泵组件可能不适合在内燃机组件中使用。 [0191] 尽管参考它们的某些优选的变体，已经相当详细地描述了本发明，但是其他变体是可能的。因此，所附权利要求的精神和范围不应受限于所描述的本文包含的优选变体。 [0193] 除非另外清楚地说明，否则在这个说明书(包括任何所附的权利要求、摘要、和图)中公开的使用特征可被可代替的特征取代以用于相同、等效或相似的目的。因此，除非另外清楚地说明，公开的每个特征仅是一般系列的等效或相似特征的一个实例。 |
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