CN101914254A

CN101914254A - 曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101914254A
Application number: CN2010101242245A
Authority: CN
Inventors: 宋伟; 李书福; 杨健
Original assignee: Zhejiang Geely Holding Group Co Ltd; Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Geely Holding Group Co Ltd; Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co Ltd
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2030-03-15
Also published as: CN101914254B

Abstract

本发明涉及一种曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料及其制备方法，该复合材料采用聚四氟乙烯60%～80%质量份，有机填料芳纶纤维8%～18%质量份，以及无机填料组成；其制备方法为经配料、混料、加压至50～150Mpa并保压10～50min压制成型、经350℃～400℃下保持4～8h烧结固化，然后控制降温速度为40℃/h，降至140℃以下再随炉自然冷却至室温，并经后处理而成。用本发明制得的油封，不仅冲击强度、拉伸强度、压缩强度、断裂伸长率和硬度等力学性能较好，而且该聚四氟乙烯复合材料摩擦因数降低，润滑效果增强，耐磨寿命延长，尤其适合于汽车发动机曲轴油封使用。

Description

曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于密封材料领域，涉及一种密封材料及其制备方法，具体地说涉及一种用于油封的聚四氟乙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

在机械设备的旋转运动式密封装置中，极其广泛地应用着油封，用以防止工作介质的泄漏和防止灰尘、水分及空气等侵入工作机体内部。按结构特点，油封乃是唇形密封圈的一种，因种类繁多，且其唇部具有更大的回弹力，而从唇形密封圈中另列一类；油封的密封原理，是基于在油封与轴之间，存在着油封刃口控制的流体动力学油膜，具有流体润滑特性的润滑油膜的存在，油膜的刚度恰好使油膜与空气的接触端，在液体表面张力的作用下，形成一个新月面，防止了工作介质的泄漏，实现了旋转面的密封。该新月面的形成与保持，是油封密封的充分而必要的条件。但这种密封只是相对而言，由于油封本身在旋转中也需要润滑，作为一种动密封，由于受油液中的“极性分子”对金属表面的附着力以及运动部位的拖带作用，工作介质的零泄漏不仅是不可能的，也是不允许的；理想的油膜厚度，称为“临界油膜”，可测出其厚度在2.5微米左右，油膜厚度过大，油封会泄漏；油膜厚度过小，可能发生干摩擦；“ 临界润滑”理论认为，油封刃口与轴之间，流体动力学油膜的形成与保持，是影响油封密封性能的决定性因素。而临界油膜的形成与保持，与油封对轴的径向压力大小、轴的转速、轴的表面光洁度与硬度、对油封的密封性有着严重影响的油的清洁度、被称为动态偏心度的轴的运动跳动量以及被称为静态偏心度的油封座与轴的装配同轴度，而轴的许可同轴度则与刃口材质有着密切关系。

油封的常用材料由一百年前使用的皮革、石棉纤维，到后来应用的合成橡胶，如丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯、氯醇橡胶，以及聚四氟乙烯（PTFE）等。选择油封的材料时，必须考虑材料对工作介质的相容性、对工作温度范围的适应性和唇口对旋转轴高速旋转时的追随能力。其中聚四氟乙烯为四氟乙烯单体的高结晶聚合物，是一种白色有蜡状感的热塑性塑料，其组成与结构决定了它具有耐高温、化学性质好、摩擦系数低、介电性好等优点，这些优点使其广泛用于减磨衬套、各种密封垫圈、阀座等。但与其它塑料相比，其机械性能不够好，线膨胀系数较大，成型收缩率大，二次加工困难，而且硬度低，耐磨损性差，耐蠕变性差，易冷流。为了克服和改变聚四氟乙烯的缺点、提高其综合性能，人们一直致力于对聚四氟乙烯的改性研究；聚四氟乙烯的改性方法主要有：表面改性、填充改性、共混改性等，其中，填充改性是一种简单有效的方法，既可保持其优点，又可利用复合效应，改善和克服纯聚四氟乙烯的缺陷。

中国专利号ZL200610042091.0，名称为一种聚四氟乙烯油封生产方法的专利，它公开了一种聚四氟乙烯油封，该油封包含(重量百分比)聚四氟乙烯60～80％，玻璃纤维10～30％，二硫化钼5～l0％，经过配料、混料、压制、烧结、片加工、表面处理、片粘接、硫化、整理而成。它以聚四氟乙烯为原料，采用无机填料玻璃纤维改性生产油封，虽然生产的油封在强度、耐磨性都有一定的提高，但由于无机填料与聚四氟乙烯基体之间的相容性较差、亲合力较小，在基体中出现明显的界面，且不容易分散均匀，所以这类复合材料因摩擦系数较大，对被密封件损伤大，制品机械强度不够高。

又如中国专利号ZL02112027.7，名称为一种油密封零件用的填充聚四氟乙烯（PTFE）材料及其制备方法的专利，它公开了一种填充聚四氟乙烯材料，该材料组成为（按重量份）：悬浮聚四氟乙烯树脂100份，二硫化钼5.8～6.8份，无碱玻璃纤维8.7～20.5，石墨粉2.7～5.8份。这种填充聚四氟乙烯材料同样是以玻纤为主的无机填料填充聚四氟乙烯而得，虽然增添了少量石墨粉，但与前述专利的材料基本组分及含量相近，存在的缺陷也大致相同。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，克服单纯采用无机填料改性生产的聚四氟乙烯油封摩擦系数较大，对被密封件损伤大以及制品机械强度不够高的缺陷，提供一种摩擦系数较低、耐摩擦损耗性能和力学性能较好的用于汽车发动机曲轴油封的聚四氟乙烯复合材料及其制备方法。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案来实现的：一种曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料，由以下原料按所列质量百分比数量称取组成：

聚四氟乙烯：60%～80%；

芳纶纤维：8%～18%；

无机填料：余量；

所述的无机填料可以为石墨、玻纤或碳酸钙，也可以用石墨、玻纤及碳酸钙的适当比例组成。

本发明的填料选用有机填料配以多种无机填料组成，可以减低材料的摩擦系数并增加机械强度。

本发明采用的有机填料为芳纶纤维，芳纶纤维可以和聚四氟乙烯基体较好的相容，两者亲和力较大，且容易分散均匀，芳纶纤维的填入改善了聚四氟乙烯复合材料的耐热性、抗蠕变性、弯曲和耐磨性。

所述芳纶纤维（PPTA）是芳香族聚酰胺纤维的简称，是溶致型液晶的一种，液晶聚合物在高温下熔融后具有极好的流动性，形成热迁移，这种热迁移的结果使液晶聚合物在聚四氟乙烯基体内沿聚四氟乙烯的空隙向四周迁移流动形成微纤。在与无机填料和聚四氟乙烯配伍合理及烧结温度适宜的情况下，这些微纤最终相互连接，在聚四氟乙烯基体内形成致密而均匀的立体网络，这些网络把聚四氟乙烯基体紧紧地包络起来，起到加固作用，极大地限制和阻止了聚四氟乙烯复合材料的带状磨损，使聚四氟乙烯复合材料的磨损变成了细小的粒子犁耕磨损，从而改善了聚四氟乙烯复合材料的磨损形式和历程，提高了聚四氟乙烯复合材料的耐磨损性能。

此外芳纶纤维结构中大分子链含刚性的苯环，因而形成的纤维含有高比例的伸直的刚性链，沿纤维轴向高度取向，分子堆砌密度大，因此具有高的拉伸模量和强度。

芳纶纤维非常柔软，可以升直、卷曲于聚四氟乙烯基体中，阻碍了裂纹扩展；并且当纤维从基体中断开拔出后，由于摩擦而使能量耗散，提高冲击韧性。

因此，芳纶纤维和无机填料合理配伍填充改性聚四氟乙烯复合材料的综合性能相对于现有技术中单纯用玻璃纤维填料有很大的提高。

作为优选, 上述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料由以下原料按所列质量百分比数量称取组成：聚四氟乙烯：65%～75%；芳纶纤维：8%～18%；其余为无机填料；所述的无机填料为玻纤（GF）：5%～9%、石墨（Gr）：6%～10%；及碳酸钙按适当比例组成。

作为优选，所述有机填料加上无机填料的总量按质量百分比限定在29～31%。

作为优选，所述的复合材料由以下质量百分比的成分组成：聚四氟乙烯：70%；芳纶纤维：10%；石墨：6%；玻纤：6%；其余为碳酸钙。

在聚四氟乙烯基体中添加合理配伍的芳纶纤维和石墨既可以保持较好的润滑效果又提高了聚四氟乙烯复合材料耐磨性。聚四氟乙烯基体、芳纶纤维和石墨与曲轴的金属接触面可形成部分润滑膜，改善了磨损条件，减少了磨损量，从而有利于提高耐磨性。该复合材料既保持了聚四氟乙烯基体与芳纶纤维各自的自润滑、耐磨等特点，在一定质量百分配比的无机填料作用下，聚四氟乙烯基体和芳纶纤维在性能上相互补充，使承载能力提高，力学性能较好，摩擦因数降低，润滑效果增强，耐磨寿命延长。

作为进一步的优选，所述的复合材料中的无机填料的粒径小于2微米或大于3微米；之所以将无机填料的粒径限定在2微米以下或3微米以上，是因为无机填料的硬度较高，尤其是玻纤，一旦复合材料中的无机填料颗粒因磨损剥落而混在油液中，如果颗粒的粒径恰在2微米至3微米之间，将对厚度在2.5微米左右的“临界油膜”产生极为严重的破坏作用。

本发明的另一个目的在于提供上述聚四氟乙烯复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

A、配料、混料：按照质量百分比称取聚四氟乙烯：60%～80%；芳纶纤维：12%～25%；无机填料：5%～15%加入到高速混合机中搅拌1～5分钟充分混料均匀，高速混合机的转速为2500～3000转/min；

B、压制成型：将上述混料均匀的原料粉加入塑料液压成型机模具型腔内，在室温条件下，以3MPa/min的速率单向加压至50～150MPa时，保压10～50min后，脱模得到预成型样品；

C、烧结固化：将预成型样品放入电炉中以60℃/h升温速率，从室温升至350℃～400℃下烧结4～8h使其固化；然后降温，控制降温速度为40℃/h，降至140℃以下再随炉自然冷却至室温，取出聚四氟乙烯复合材料坯件；控制降温速度不至于过快可避免制品产生内应力；

D、后处理：将烧结固化后的聚四氟乙烯复合材料经过修磨加工、表面处理后即得到聚四氟乙烯复合材料制品。

在上述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料的制造方法中，作为优选，步骤A中高速混合机的转速为2700转/min。

在上述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料的制造方法中，作为优选，步骤B中加压至100MPa，保压时间为30min。

在上述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料的制备方法中，作为优选，步骤C中从室温升至365℃～375℃下烧结6h使预成型样品固化。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、本发明采用有机填料芳纶纤维为主和无机填料为辅改性聚四氟乙烯得到的聚四氟乙烯复合材料不仅冲击强度、拉伸强度、压缩强度、断裂伸长率和硬度等力学性能较好，而且该聚四氟乙烯复合材料摩擦因数降低，润滑效果增强，耐磨寿命延长；

2、本发明用于曲轴油封的聚四氟乙烯复合材料的制造方法及工艺流程简单，只需要简单的压制成型工艺和烧结固化工艺即可制得聚四氟乙烯复合材料。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

表1：实施例1～4中聚四氟乙烯复合材料中各组分的质量百分比

实施例1

按照表1中实施例1的质量百分配比称取聚四氟乙烯，芳纶纤维和无机填料加入到高速混合机中以2700转/min转速搅拌3分钟，充分均匀混料；将上述混料均匀的原料粉加入塑料液压成型机模具型腔内，在室温条件下，以3MPa/min的速率单向加压至50MPa时，保压50min后，脱模得到预成型样品；将预成型样品放入电炉中以60℃/h升温速率，从室温升至350℃下烧结并保温8h使其固化，然后控制降温速度为40℃/h，降至140℃以下再随炉自然冷却至室温，取出聚四氟乙烯复合材料坯件；将烧结固化后的聚四氟乙烯复合材料坯件经过普通的修磨加工、表面处理后即得到聚四氟乙烯复合材料制品。

实施例2

按照表1中实施例2的质量百分配比称取聚四氟乙烯，芳纶纤维和无机填料加入到高速混合机中搅拌2～3分钟充分混料均匀；将上述混料均匀的原料粉加入塑料液压成型机模具型腔内，在室温条件下，以3MPa/min的速率单向加压至80MPa时，保压40min后，脱模得到预成型样品；将预成型样品放入电炉中以60℃/h升温速率，从室温升至365℃下烧结6h使其固化，然后控制降温速度为40℃/h，降至140℃以下再随炉自然冷却至室温，取出聚四氟乙烯复合材料坯件；将烧结固化后的聚四氟乙烯复合材料坯件经过普通的修磨加工，表面处理后即得到聚四氟乙烯复合材料制品。

实施例3

按照表1中实施例3的质量百分配比称取聚四氟乙烯、芳纶纤维和无机填料加入到高速混合机中搅拌2～3分钟充分混料均匀；将上述混料均匀的原料粉加入塑料液压成型机模具型腔内，在室温条件下，以3MPa/min的速率单向加压至100MPa时，保压30min后，脱模得到预成型样品；将预成型样品放入电炉中以60℃/h升温速率，从室温升至375℃下烧结6h使其固化，然后控制降温速度为40℃/h，降至140℃以下再随炉自然冷却至室温，取出聚四氟乙烯复合材料坯件；将烧结固化后的聚四氟乙烯复合材料坯件经过普通的磨饰加工，表面处理后即得到聚四氟乙烯复合材料制品。

实施例4

按照表1中实施例4的质量百分配比称取聚四氟乙烯，芳纶纤维和无机填料加入到高速混合机中搅拌2～3分钟充分混料均匀；将上述混料均匀的原料粉加入塑料液压成型机模具型腔内，在室温条件下，以3MPa/min的速率单向加压至120MPa时，保压20min后，脱模得到预成型样品；将预成型样品放入电炉中以60℃/h升温速率，从室温升至385℃下烧结4h使其固化，然后控制降温速度为40℃/h，降至140℃以下再随炉自然冷却至室温，取出聚四氟乙烯复合材料坯件；将烧结固化后的聚四氟乙烯复合材料坯件经过普通的磨饰加工，表面处理后即得到聚四氟乙烯复合材料制品。

比较例1

比较例1为纯聚四氟乙烯材料。

比较例2

按照质量百分配比称取聚四氟乙烯70%，玻璃纤维18%和石墨12%加入到高速混合机中搅拌2～3分钟充分混料均匀；将上述混料均匀的原料粉加入塑料液压成型机模具型腔内，在室温条件下，以3MPa/min的速率单向加压至100MPa时，保压30min后，脱模得到预成型样品；将预成型样品放入电炉中以60℃/h升温速率，从室温升至375℃下烧结6h使其固化，然后控制降温速度为40℃/h，降至140℃以下再随炉自然冷却至室温，取出聚四氟乙烯复合材料坯件；将烧结固化后的聚四氟乙烯复合材料坯件经过修磨加工和表面处理后即得到聚四氟乙烯复合材料制品。

随机抽取用本发明制造的聚四氟乙烯复合材料、比较例1的纯聚四氟乙烯材料和比较例2制造的聚四氟乙烯复合材料制品测试样件，测试其冲击性能、拉伸性能、压缩性能和硬度等力学性能及摩擦磨损性能。结果如表2所示。

表2：三种不同的复合材料制品性能数据比较

从表2可以看出：用本发明制备的聚四氟乙烯复合材料不仅冲击强度、拉伸强度、压缩强度、断裂伸长率和硬度等力学性能较好，而且摩擦系数较低，润滑效果增强，耐磨寿命延长，非常适合应用于汽车发动机曲轴油封。

Claims

1.一种曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料，其特征是，该复合材料由以下原料按所列质量百分比数量称取组成：

聚四氟乙烯：60%～80%

芳纶纤维：8%～18%

无机填料：余量；

所述无机填料为石墨、玻纤及碳酸钙中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料，其特征是，所述复合材料由以下原料按所列质量百分比数量称取组成：

聚四氟乙烯：65%～75%

芳纶纤维：8%～18%

玻纤：5%～9%

石墨：6%～10%

其余为碳酸钙。

3.根据权利要求2所述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料，其特征是，所述的复合材料由以下原料按所列质量百分比数量称取组成：

聚四氟乙烯：70%

芳纶纤维：10%

石墨：6%

玻纤：6%

其余为碳酸钙。

4.根据权利要求1或2或3所述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料，其特征是，所述有机填料加上无机填料的总量按质量百分比限定在29～31%。

5.根据权利要求1或2或3所述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征是，所述复合材料中的无机填料的粒径小于2微米或大于3微米。

6.一种如权利要求1所述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征是，该制备方法包括以下步骤：

A、配料、混料：按照质量百分比称取聚四氟乙烯、芳纶纤维及无机填料加入到高速混合机中搅拌1～5分钟充分混料均匀，高速混合机的转速为2500～3000转/min；

C、烧结固化：将预成型样品放入电炉中以60℃/h升温速率，从室温升至350℃～400℃下烧结4～8h使其固化；然后降温，控制降温速度为40℃/h，降至140℃以下再随炉自然冷却至室温，取出聚四氟乙烯复合材料坯件；

7.根据权利要求6所述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征是，步骤A中高速混合机的转速为2700转/min。

8.根据权利要求6所述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征是，步骤B中加压至100MPa，保压时间为30min。

9.根据权利要求6所述的曲轴油封用聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征是，步骤C中从室温升至365℃～375℃下烧结6h使预成型样品固化。