CN103118862B - 用来制造复合环的方法、复合环、在密封组件中环的用途及密封组件 - Google Patents

Abstract

一种用来制造复合环（1）的方法，包括步骤：（a）提供增强纤维（5、5′）的带条形件（2），这些增强纤维用高温热塑性材料浸渍；和（b）将带条形件（2）绕心轴（9）包裹以形成环（1），从而使得第一组（5）的嵌入增强纤维相对于环（1）的圆周方向（10）沿第一方向（3）大体连续地延伸，其特征在于，包裹带条形件（2），从而使得第二组（5′）的嵌入增强纤维相对于环（1）的圆周方向（10）沿第二方向（4）大体连续地延伸，该第二方向与第一方向（3）不同。

Description

用来制造复合环的方法、复合环、 在密封组件中环的用途及密封组件

技术领域

本发明涉及一种根据第一权利要求的前序部分的、用来制造复合环的方法。本发明还涉及一种复合环、在密封组件中环的用途以及一种密封组件。

背景技术

用来制造复合环的这种方法对于本领域的技术人员已经是知道的。在一种这样的方法中，绕心轴连续地包裹碳纤维的带，直到形成具有预定厚度的复合环，这些碳纤维沿带的纵向方向延伸并且浸渍有PEEK。在这种环中，将带包裹成使得它沿环的圆周方向延伸，从而增强纤维相对于环的圆周方向而绕环的轴线在单个方向上沿环的圆周延伸。带此外具有恒定宽度并且绕心轴缠绕，从而每个层覆盖下置层。

在当前申请的上下文中，使用高温热塑性材料是指具有高于150°C或甚至更高的熔化温度的热塑性材料。这样的高温热塑性材料的例子是例如PEEK、聚酰胺-酰亚胺等。

这样的高温热塑性材料已知更耐高温、高压、化学降解，即化学惰性更强并且/或者更耐降解等。因此，高温热塑性材料常常用在关于温度、压力、化学侵蚀等具有很高要求的用途中。

然而，根据以上描述的本领域的方法制成的环的某些性能，例如在与环的轴向方向相平行的方向上的强度，对于某些用途仍然不足。

发明内容

因此本发明的目的是提供复合环，这些复合环例如更耐高温、高压、化学降解等，并且组合地提供改进的强度，例如但不限于沿与环的轴向方向相平行的方向。

对于本领域的技术人员已知的是，通过提供在与环的圆周方向不同的方向上延伸的增强纤维，可改进诸如在与环的轴向方向相平行的方向上复合环的强度之类的性能。制造这种环的典型和公知的方法是通过湿丝缠绕。

US4892764例如描述了一种通过绕心轴的湿丝缠绕来制造圆柱形物体的方法。呈粗纱形式的丝在它们绕心轴缠绕之前用热固性树脂浸渍。树脂需要固化。

尽管丝缠绕是用来生产圆柱形物体（如环）的适当方法，但湿丝缠绕不适于供高温热塑性材料使用。原因是，热塑性聚合物当与未固化的热固性树脂相比时，具有显著更大的粘度。这示出在图1中，其中，一些示例性的热塑性塑料的粘度（在竖向Y轴上以Pa.s为单位）示出为温度（在水平X轴上以°C为单位）的函数。这些高粘度严重妨碍了用高温热塑性材料浸渍增强纤维（例如粗纱），以产生具有希望特性的环。用热塑性材料适当地浸渍增强纤维的问题例如在US 4380523中示出。

因此，对于本领域的技术人员已知的、用来制造复合环的方法不能用来生产具有增强纤维的复合环，这些增强纤维相对于环的圆周方向在两个不同方向上延伸，并且这些增强纤维用高温热塑性材料浸渍。

本发明人现在已经惊奇地发现，本发明的目的借助于一种用来制造复合环的方法实现，该方法具有第一权利要求的特征部分的技术特征。

此外，在根据本发明的方法中，带条形件以这样一种方式包裹，从而嵌入的增强纤维的第二组相对于环的圆周方向沿与第一方向不同的第二方向大体连续地延伸。

通过以正确的方式包裹带条形件，可得到两组纤维，该带条形件包括用高温热塑性材料浸渍的增强纤维，在这两组纤维中，纤维分别沿不同方向延伸。因此，该方法允许提供复合环，这些复合环由于高温热塑性材料的使用而更耐受例如高温、高压、化学降解等，并且由于用高温热塑性材料浸渍的增强纤维的存在，组合地提供了改进强度。

在本申请的上下文中，用带条形件指例如绳索、带条、带、混合的纤维、布等。

在本发明的优选实施例中，将带条形件沿环的圆周方向缠绕。这种方法允许例如使用带条形件容易地形成第一组和第二组纤维，该带条形件包括第一组和第二组纤维，并且在该带条形件中，第一组和第二组纤维相对于带条形件的纵向方向分别沿第三方向和第四方向大体连续地延伸，第四方向与第三方向不同。在这种方法中，已经发现，例如如在根据本发明的进一步优选实施例中那样可容易地形成第一方向和第二方向，在该进一步优选实施例中，带条形件缠绕成使得第一方向和第二方向分别与第三方向和第四方向平行，并且换句话说，绕心轴缠绕带条形件，从而形成环的带条形件的层覆盖下置的层。

在本发明的优选实施例中，第一组和第二组分别形成织造材料的纬线和交织线。当织造材料形成带条形件的一部分时，纬线例如形成第一组，并且交织线例如形成第二组纤维。在本发明的其它优选实施例中，带条形件包括第一层和叠置在第一层上的第二层，该第一层包括第一组纤维，该第二层包括第二组纤维。使用这样的带条形件，容易地获得相对于环的圆周的不同方向同时在不同方向上将特定强度性能提供给环。已经发现，根据具体要求，可定制具有两个层的带条形件。另外，第一组的纤维对于第二组的纤维具有比较小的影响，因为纤维在它们定位在不同层中时彼此不混合，这当大的力作用在不同纤维上时例如是重要的。

在本发明的优选实施例中，第一层由均匀定向的、优选地大体连续的和更优选地连续的增强纤维的第一另外的带条形件制成，这些增强纤维用高温热塑性材料浸渍，并且第二层通过随后沿第二另外的带条形件的纵向方向而从均匀定向的、优选地大体连续的和更优选地连续的增强纤维的第二另外的带条形件切割片而制成，这些增强纤维用高温热塑性材料浸渍。当从第二另外的带条形件切割片时，在来自第二另外的带条形件的各片之间的切割方向是沿横过第二另外的带条形件的纵向方向的方向，并且例如大体上垂直于或甚至垂直于第二另外的带条形件的纵向方向。这些片随后沿第一另外的带条形件的纵向方向相邻地叠置在第一另外的带条形件上，使得第一另外的带条形件的纤维沿第三方向定向，并且第二另外的带条形件的纤维沿第四方向定向。这种方法允许带条形件的容易形成，并且甚至允许使用单个另外的带条形件形成带条形件，因为第一另外的带条形件也可用来提供第二另外的带。

在优选实施例中，更多的层（具体地说第三层）添加到第一层或第二层的顶部上。在更优选的实施例中，第三层添加到第二层的顶部上并且与第二层相邻，从而第二层夹持在第一层和第三层之间。在这种构造中，优选的是，第一层和第三层的增强纤维的定向是大体上相同的，优选地是相同的，但与第二层不同。进一步优选的是，第一层和第三层的纤维大体上沿第一层和第二层的纵向方向定向，并且第二层的增强纤维沿大体上与第二层的纵向方向相垂直的方向定向。

本发明还涉及一种环，这种环至少包括用高温热塑性材料浸渍的第一组和第二组增强纤维，这些增强纤维相对于环的圆周方向分别在第一方向和第二方向上大体连续地延伸，该第二方向与第一方向不同。优选地这种环按照根据本发明的方法制成。

本发明还涉及根据本发明的环在密封组件中的用途，由于这样的组件常常就在环的不同方向上的强度和就环的摩擦性能等而言需要很高要求。更明确地说，环在密封组件中作为密封件或支承环的用途是希望的。

本发明还涉及一种密封组件，这种密封组件包括根据本发明的环，例如当环是密封件或支承环时。

附图说明

本发明在附图和附图的描述中进一步阐明。

图1示出了以°C为单位的温度对于一些热塑性材料的粘度的影响的图表。

图2示出了根据本发明的方法的实施例的概况。

图3a示出了在使一部分断开情况下的、根据本发明的环的实施例的细节的示意俯视图。

图3b示出了在使一部分断开情况下的、根据本发明的环的不同实施例的细节的示意俯视图。

图3c示出了在使一部分断开情况下的、根据本发明的环的不同实施例的细节的示意俯视图。

图4示出了在带条形件2的一部分切除的情况下带条形件2的侧视图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的用来制造复合环1的方法的实施例的概况，并且更具体地示出了方法的侧视图。该方法包括提供增强纤维5、5′的带条形件2的步骤，这些增强纤维5、5′用高温热塑性材料浸渍。在随后步骤中，将带条形件2绕心轴9包裹，以形成环1。带条形件2绕心轴9包裹以便形成至少第一组5和第二组5′的纤维，该至少第一组5和第二组5′的纤维分别相对于环1的圆周方向10在第一方向3和第二方向4上大体连续地延伸，该第二方向4与第一方向3不同。

一个在另一个之上地施加的带条形件2的层数根据例如环1的未来用途选择以便获得环1的所需厚度。典型地，单个层例如具有在0.1mm与0.5mm之间的厚度，并且将例如在10-1000、更优选地10-200之间的多个层一个在另一个之上地施加。

在图2中示出的心轴9具有圆形横截面，环1因此也具有圆形内部横截面。然而，这对于本发明不是关键的，并且环1的形状可由本领域的技术人员根据环1的未来用途而确定。

在图2中，带条形件2从带条形件2的卷退绕，并且沿带条形件2的纵向方向8转移到心轴9。然而，这对于本发明不是关键的，并且带条形件2也可例如从堆叠的带条形件2的堆中拉出。然而，使用带条形件2的卷不易形成例如带条形件2的纽结或其它障碍，从而允许带条形件2到心轴9的容易转移。

用高温热塑性材料浸渍的增强纤维5、5′，优选地从包括例如金属纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、毛、棉、亚麻、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、芳族聚酰胺、聚对苯撑苯并双口恶唑（PBO）等或者从这些纤维的两种或更多种的混合物的组中选择。更优选地，纤维5、5′从包括玻璃纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维或者这些纤维的两种或更多种的混合物的组中选择。最优选地，纤维5、5′是碳纤维，因为碳纤维就例如强度而言提供改进性能。增强纤维5、5′优选地按几根独立的纵向粗纱分组，这些独立的纵向粗纱大体连续地延伸。

高温热塑性材料优选地包括聚醚醚硐（通常命名为PEEK），因为PEEK具有改进的机械和化学性能。然而，尽管较不优选，但也可使用其它高温热塑性材料，例如聚酰亚胺。

带条形件2优选地呈预浸渍材料或预浸处理材料的形式，其中，带条形件2的增强纤维5、5′已经用诸如PEEK之类的高温热塑性材料浸渍。

带条形件2包括至少一组增强纤维5、5′，该至少一组增强纤维5、5′例如按单组粗纱分组，该单组粗纱沿大体至少一个延伸方向大体连续地延伸。例如，在沿单个方向延伸的情况下，带条形件2的包裹特别适于例如形成在环1中的第一组和第二组的增强纤维5、5′，如随后将解释的那样。带条形件2也可包括第一组5和第二组5′的纤维，使第一组5和第二组5′的纤维分别沿第三方向6和第四方向7大体连续地延伸。在这样的用途中，相对于带条形件2的纵向方向8，第四方向7与第三方向6不同。优选地，第一组和第二组的纤维5、5′分别以相应的粗纱组分组在一起，相应组的粗纱分别沿第三方向6和第四方向7延伸。优选地，第一组5和第二组5′的纤维的粗纱分别沿第三方向6和第四方向7大体连续地延伸。粗纱的数量、粗纱的粗细等可由本领域的技术人员根据带条形件2和环1的具体用途而确定。

第三方向6和第四方向7可彼此垂直，但也可在由本领域的技术人员根据环1的未来用途认为适当的任何其它角度下延伸。

这种带条形件2的第一实施例例如示出在图3a中，图3a示出了使一部分断开情况下的、环1的实施例的细节的示意俯视图，并且更确切地说，示出了作为环1的一部分的一片带条形件2的详细视图。在示出的带条形件2中，第一组5和第二组5′形成织造材料的纬线和交织线。织造材料已经用高温热塑性材料浸渍，例如呈预浸处理材料的形式。

带条形件2的第二实施例例如示出在图3b中，图3b示出了使一部分断开情况下的、环1的实施例的细节的示意俯视图，并且更确切地说，示出了作为环1的一部分的一片带条形件2的详细视图。根据这个实施例的带条形件2的侧视图的细节示出在图4中。在示出的带条形件2中，带条形件2包括第一层13和叠置在第一层13上的第二层14，该第一层13包括第一组纤维5，该第二层14包括第二组纤维5′。因为第一组的增强纤维5由于它们被第二层14覆盖是不可见的，所以它们用虚线指示。

第一层13优选地由均匀定向的增强纤维5的第一另外的带条形件15制成，这些均匀定向的增强纤维5用高温热塑性材料浸渍。优选地如图3b和4所示，第一组增强纤维5按不同的粗纱分组在一起。第二层14优选地通过如下方式制成：沿第二另外的带条形件16的纵向方向从均匀定向的增强纤维5′的第二另外的带条形件16相继地切割片12（这些均匀定向的增强纤维5′用高温热塑性材料浸渍），并且将各片12沿第一另外的带条形件15的纵向方向8相邻地叠置在第一另外的带条形件15上，从而第一另外的带条形件15的纤维5沿第三方向6定向并且第二另外的带条形件16的纤维5′沿第四方向7定向。尽管第一另外的带条形件15和第二另外的带条形件16可以是不同的带条形件，并且可例如包括不同的聚合物材料、增强纤维等，但第一另外的带条形件15和第二另外的带条形件16也可由单个带制成，例如由第一另外的带条形件15制成。

从第二带条形件16切割的、并且叠置在第一另外的带条形件15上的片12的例子例如指示在图3b中。尽管片12可以叠置在第一另外的带条形件15上以便它们延伸，即第二带条形件16的纵向方向沿与第一另外的带条形件15的纵向方向大体相垂直的方向延伸，如图3b所示，但这对于本发明不是关键的，并且第一另外的带条形件15也可例如根据其中使用环1的用途，在任何其它角度下延伸。在其中片12沿与第一另外的带条形件15的纵向方向大体相垂直的方向延伸的情况下，片12可具有任何形式和尺寸，但优选地片12沿第二另外的带条形件16的纵向方向的长度与第一另外的带条形件15的宽度大体上相同，从而通过将第二另外的带条形件16叠置在第一另外的带条形件15的顶部上而得到的带条形件2的厚度，沿带条形件2的宽度方向大体恒定。当片12沿不同方向延伸时，使片12沿第二另外的带条形件16的纵向方向的长度、优选地还有从第二另外的带条形件16切割片12所沿的切割角度被优选地适应性调整成使得它们可叠置第一另外的带条形件15，从而它们完全覆盖第一另外的带条形件15，并且大体上不延伸过第一另外的带条形件15的边缘。通常，第一另外的带条形件15和第二另外的带条形件16的纤维5、5′沿第一另外的带15和第二另外的带16的纵向方向大体连续地延伸。通过相对于第一带条形件15的纵向方向改变片12延伸所沿的方向（例如通过改变从第二另外的带条形件16切割片12所沿的角度）并且适当地将片12叠置在第一另外的带条形件15上，例如根据其中将使用环1的未来用途，可使第二组增强纤维5′的第二方向4适应性调整。

包裹带条形件2以便形成环1优选地通过将带条形件2沿环1的圆周方向10绕心轴9缠绕而进行。优选地，在缠绕期间带条形件2的纵向方向8与环1的圆周方向10大体平行、最优选地平行。在这种情况下，带条形件2的宽度大体上等于沿环1的轴向方向11测量的所形成的环1的宽度。然而，也可能的是，在缠绕期间带条形件2的纵向方向8相对于在缠绕期间的圆周方向10周期地改变，从而带条形件2绕心轴9螺旋地缠绕，以形成环1。由绕心轴9螺旋地缠绕带条形件2所形成的环1的俯视图例如示出在图3c中。

当包裹带条形件2从而在缠绕期间带条形件2的纵向方向8与环1的圆周方向10大体平行、最优选地平行时，第一组的增强纤维5和第二组的增强纤维5′包括在带条形件2中（如以上描述的那样），并且第一方向3和第二方向4分别与第三方向6和第四方向7相平行。这种环1例如示出在图3a和3b中。

当通过绕心轴9螺旋地缠绕带条形件2而包裹带条形件2时，在缠绕期间形成至少两组增强纤维5、5′，例如在图3c中示出的那样，由于通过绕心轴螺旋地缠绕带条形件2，带条形件2的缠绕方向周期地变化。因此，可以使用这样一种带条形件2，在该带条形件2中，例如增强纤维5、5′相对于带条形件2的纵向方向8仅沿单个方向延伸，以得到环1，该环1包括第一组5和第二组5′的增强纤维。然而，也可以使用已经包括第一组5和第二组5′的纤维的带条形件2，这些纤维分别沿第三方向6和第四方向7延伸，如以上描述的那样，例如以形成另外组的纤维，这些纤维沿另外方向延伸。然而，这可由本领域的技术人员根据其中将应用环1的未来用途而确定。

在通过绕心轴9包裹带条形件2而已经形成环1之后或者在带条形件2的包裹期间，如果对于带条形件2使用预浸处理材料，则带条形件2的预浸处理材料、大体形成环1的带条形件被加热和固化，从而形成环1的带条形件2的不同层紧密地连接。优选地，在包裹期间进行加热和固化，因为这不需要单独的加热和固化。

优选地由上述方法形成的根据本发明的环1包括至少第一组5和第二组5′的增强纤维，这些增强纤维用高温热塑性材料浸渍。第一组5和第二组5′的增强纤维相对于环1的圆周方向10分别在第一方向3和第二方向4上大体连续地延伸，该第二方向4与第一方向3不同。

这种环1可用在密封组件中，例如作为密封件或作为支承环，在这种情况下，得到包括根据本发明的环1的密封组件。

使用这种方法得到的环1包括带，更优选地大体由带条形件2构成，更确切地说是上述的带条形件2，该带条形件2绕环1的轴向方向11缠绕。如以上解释的那样，带条形件2可绕环1的轴向方向11螺旋地缠绕，或者可沿环1的圆周方向10缠绕，使带条形件2的纵向方向8与圆周方向10相平行。

Claims (13)

1.一种用来制造复合环(1)的方法，所述方法包括步骤：

(a)提供增强纤维(5、5′)的带条(2)，这些增强纤维用高温热塑性材料浸渍，该高温热塑性材料是具有高于150℃的熔化温度的热塑性材料，和

(b)将带条(2)绕心轴(9)包裹以形成复合环(1)，从而使得第一组的嵌入的增强纤维(5)相对于复合环(1)的圆周方向(10)而沿第一方向(3)连续地延伸，

其中，包裹带条(2)，从而使得第二组的嵌入的增强纤维(5′)相对于复合环(1)的圆周方向(10)而沿第二方向(4)连续地延伸，该第二方向与第一方向(3)不同，

其中，带条(2)包括第一组的纤维(5)和第二组的纤维(5′)，并且第一组的纤维(5)和第二组的纤维(5′)相对于带条(2)的纵向方向(8)分别沿第三方向(6)和第四方向(7)连续地延伸，第四方向(7)与第三方向(6)不同。

2.根据权利要求1所述的用来制造复合环(1)的方法，其中，将带条(2)沿复合环(1)的圆周方向(10)缠绕。

3.根据权利要求1所述的用来制造复合环(1)的方法，其中，将带条缠绕成使得第一方向(3)和第二方向(4)分别与第三方向(6)和第四方向(7)平行。

4.根据权利要求1所述的用来制造复合环(1)的方法，其中，第一组的纤维(5)和第二组的纤维(5′)分别形成织造材料的纬线和交织线。

5.根据权利要求1所述的用来制造复合环(1)的方法，其中，带条(2)包括第一层(13)和叠置在第一层(13)上的第二层(14)，该第一层包括第一组的纤维(5)，该第二层包括第二组的纤维(5′)。

6.根据权利要求5所述的用来制造复合环(1)的方法，其中，由均匀定向的增强纤维(5)的第一另外的带条(15)制成第一层(13)，这些均匀定向的增强纤维用高温热塑性材料浸渍，该高温热塑性材料是具有高于150℃的熔化温度的热塑性材料，并且通过如下方式制成第二层(14)：从用高温热塑性材料浸渍的、均匀定向的增强纤维(5′)的第二另外的带条(16)相继地沿所述第二另外的带条(16)的纵向方向切割出片(12)，该高温热塑性材料是具有高于150℃的熔化温度的热塑性材料，并且将各片(12)沿所述第一另外的带条(15)的纵向方向(8)相邻地叠置在所述第一另外的带条(15)上，使得所述第一另外的带条(15)的纤维(5)沿第三方向(6)定向，并且所述第二另外的带条(16)的纤维(5′)沿第四方向(7)定向。

7.复合环(1)在密封组件中的用途，其中，所述复合环(1)至少包括用高温热塑性材料浸渍的第一组的增强纤维(5)和第二组的增强纤维(5′)，该高温热塑性材料是具有高于150℃的熔化温度的热塑性材料，所述第一组的增强纤维(5)和第二组的增强纤维(5′)相对于复合环(1)的圆周方向(10)分别沿第一方向(3)和与第一方向(3)不同的第二方向(4)连续地延伸，其中，所述复合环包括带条(2)，所述带条(2)沿着复合环(1)的圆周方向缠绕，所述带条(2)包括第一组的纤维(5)和第二组的纤维(5′)，带条的第一组的纤维(5)和第二组的纤维(5′)相对于带条(2)的纵向方向(8)分别沿第三方向(6)和第四方向(7)连续地延伸，第四方向(7)与第三方向(6)不同。

8.根据权利要求7所述的用途，其中，所述复合环(1)用作密封组件中的密封件。

9.根据权利要求7所述的用途，其中，所述复合环(1)用作密封组件中的支承环。

10.根据权利要求7所述的用途，其中，所述第一组的增强纤维(5)和第二组的增强纤维(5′)从包括玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺或者由这些纤维中的两种或更多种形成的混合物的组中选择。

11.根据权利要求7所述的用途，其中，高温热塑性材料包括聚醚醚硐。

12.根据权利要求7-11中任一项所述的用途，其中，所述复合环(1)依据根据权利要求1-6中任一项所述的方法制成。

13.密封组件，所述密封组件包括复合环(1)，所述复合环(1)至少包括用高温热塑性材料浸渍的第一组的增强纤维(5)和第二组的增强纤维(5′)，该高温热塑性材料是具有高于150℃的熔化温度的热塑性材料，所述第一组的增强纤维(5)和第二组的增强纤维(5′)相对于复合环(1)的圆周方向(10)分别沿第一方向(3)和与第一方向(3)不同的第二方向(4)连续地延伸，其中，所述复合环包括带条(2)，所述带条(2)沿着复合环(1)的圆周方向缠绕，所述带条(2)包括第一组的纤维(5)和第二组的纤维(5′)，带条的第一组的纤维(5)和第二组的纤维(5′)相对于带条(2)的纵向方向(8)分别沿第三方向(6)和第四方向(7)连续地延伸，第四方向(7)与第三方向(6)不同。