CN104387708A - 一种聚四氟乙烯活塞环及其制备方法 - Google Patents

一种聚四氟乙烯活塞环及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种聚四氟乙烯活塞环及其制备方法，按照重量份数配比称取聚四氟乙烯、玻璃纤维、二硫化钼、对苯二甲醇、氧化锌、苯酚磺酸、抗氧剂、硬脂酸钙、碳化硅、硫酸钡、偶联剂、二氧化硅、聚乙烯蜡、GF和三氧化二铝，将玻璃纤维表面处理后，再混合均匀然后挤出拉片造粒，注射成型，冷却后即可；产品拉伸强度25-45MPa，弯曲强度75-95MPa，弯曲模量1.5-6.5GPa；室温下冲击强度5.5-7.5kJ/m2，热导率3-4W/(m·K)；伸长率350-550%，热变形温度130-150℃；摩擦系数4×10-8，磨耗量0.0002-0.0003g。

Description

一种聚四氟乙烯活塞环及其制备方法
技术领域
本申请属于聚四氟乙烯活塞环制备工艺领域，尤其涉及一种耐磨、导热性优异的聚四氟乙烯活塞环及其制备方法。 
背景技术
发动机好比是汽车的“心脏”，而活塞则可以理解为是发动机的“中枢”，除了身处恶劣的工作环境外，它还是发动机中最忙碌的一个，不断的进行着从下止点到上止点、从上止点到下止点的往复运动，吸气、压缩、做工、排气。活塞的内部为掏空设计，更像是一个帽子，两端的圆孔连接活塞销，活塞销连接连杆小头，连杆大头则与曲轴相连，将活塞的往复运动转化为曲轴的圆周运动。此外，活塞环由于位置不同，它们采用的表面处理也有差别，其中第一道活塞环外圆面通常进行镀铬或喷钼处理，主要是为了改善润滑和提高活塞环的耐磨度。其他活塞环大都会采用镀锡或磷化处理，主要是为了改善耐磨性。由于每缸内活塞的工作环境略有不同，使得活塞的积碳程度有差异。由于每缸内活塞的工作环境略有不同，使得活塞的积碳程度有差异。活塞环包括气环和油环两种。气环的作用是保证活塞与气缸间的密封.防止气缸中的高温、高压燃气大量漏人曲轴箱，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁，再由冷却水或空气带走。油环用来刮除气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上涂一层均匀的机油膜，这样既可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的磨损、减轻摩擦阻力。 
活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，活塞环分为两种：压缩环和机油环。压缩环可用来密封燃烧室内的可燃混合气体；机油环则用来刮除汽缸上多余的机油。活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封。活塞环广泛地用在各种动力机械上，如蒸汽机、柴油机、汽油机、压缩机、液压机等，广泛用于汽车，活塞环火车，轮船，游艇等。一般活塞环安装在活塞的环槽里，它和活塞、缸套、缸盖等元件组成腔室做功。活塞环是燃油发动机内部的核心部件，它和汽缸，活塞，汽缸壁等一起完成燃油气体的密封。常用汽车发动机有柴油和汽油发动机两种，由于其燃油性能不同，其使用的活塞环也不尽相同，早期的活塞环靠铸造形成，但随着技术的进步，钢制的高功率活塞环诞生，且随着对发动机功能，环境要求的不断提高，各种先进的表面处理应用其中，如溶射，电镀，镀铬，气体氮化，物理沉积，表面涂层，锌锰系磷化处理等，使活塞环的功能大大提高。活塞环作用包括密封、调节机油（控油）、导热（传热）、导向（支承）四个作用。 密封：指密封燃气，不让燃烧室的气体漏到曲轴箱，把气体的泄漏量控制在最低限度，提高热效率。漏气不仅会使发动机的动力下降，而且会使机油变质，这是气环的主要任务； 调节机油（控油）：把气缸壁上多余的润滑油刮下，同时又使缸壁上布有薄薄的油膜，保证气缸和活塞及环的正常润滑，这是油环的主要任务。在现代高速发动机上，特别重视活塞环控制油膜的作用；导热：通过活塞环将活塞的热量传导给缸套，即起冷却作用。据可靠资料认为，活塞顶所受的的热量中有70～80%是通过活塞环传给缸壁而散掉的；支承：活塞环将活塞保持在气缸中，防止活塞与气缸壁直接接触，保证活塞平顺运动，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸。一般汽油发动机的活塞采用两道气环，一道油环，而柴油发动机通常采用两道油环，一道气环。作用在活塞环的力有气体压力、环自身弹力、环往复运动的惯性力、环与气缸及环槽的摩擦力等。由于这些力的作用，环将产生轴向运动、径向运动、回转运动等基本运动。此外，活塞环由于它的运动特点，伴随着不规则运动，不可避免地出现轴向不规则运动引起的浮悬和轴向振动、径向不规则运动和振动、扭曲运动等。这些不规则运动常常妨碍活塞环发挥作用。设计活塞环时，要充分发挥有利运动，控制不利的一面。将燃烧产生的高热，通过活塞环传递给气缸壁，所以能起到冷却活塞的作用。通过活塞环向气缸壁散出的热量，一般可达到活塞顶部承受热量的30～40%。活塞环的第一个作用是保持活塞与气缸壁之间的密封，控制漏气到最低限度。这种作用主要由气环来承担，即发动机在任何运转条件下，其压缩空气和燃气的泄漏均要控制到最少，以提高热效率；防止因漏气而引起气缸与活塞或气缸与环之间咬死；防止润滑油的劣化而引起的故障等。活塞环的第二个作用是适当地刮落附着于气缸壁上的滑油，并保持正常的油耗量。当供给的滑油过多时将被吸至燃烧室，使油耗量增大，而且由于燃烧产生的积炭，对发动机性能影响极坏。因活塞略小于气缸内径，如无活塞环，则活塞在气缸内不稳定，就不可能运动自如。同时，环还要防止活塞直接与气缸接触，起到支撑作用。因此，活塞环在气缸内上下运动，其滑动面全靠环来承担。 
聚四氟乙烯，一般称作“不粘涂层”或“易洁镬物料”；是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成为了易洁镬和水管内层的理想涂料。聚四氟乙烯被称“塑料王”，氟树脂之父罗伊·普朗克特1936 年在美国杜邦公司开始研究氟利昂的代用品，他们收集了部分四氟乙烯储存于钢瓶中，准备第二天进行下一步的实验，可是当第二天打开钢瓶减压阀后，却没有气体溢出，他们以为是漏气，可是将钢瓶称量时，发现钢瓶并没有减重。他们锯开了钢瓶，发现了大量的白色粉末，这是聚四氟乙烯。它的产生解决了化工、石油、制药等领域的许多问题。聚四氟乙烯密封件、垫圈、垫片、聚四氟乙烯密封件、垫片、密封垫圈是选用悬浮聚合聚四氟乙烯树脂模塑加工制成。聚四氟乙烯与其他塑料相比具有耐化学腐蚀的特点，它已被广泛地应用作为密封材料和填充材料。聚四氟乙烯(PTFE)使用条件行业 化工、石化、炼油、氯碱、制酸、磷肥、制药、农药、化纤、染化、焦化、煤气、有机合成、有色冶炼、钢铁、原子能及高分子过滤材料、高纯产品生产（如离子膜电解），粘稠物料输送与操作，卫生要求高度严格的食品、饮料等加工生产部门。PTFE的摩擦因数随滑动速率的增大而增大，当线速度达到0. 5一1. 0m/s以上时趋于稳定;而且静摩擦因数小于动摩擦因数，将这种特性用于轴承制造，可减小其起动阻力，使之从起动到运转都十分平稳。PTFE的摩擦因数随随载荷增加而减小，当载荷达到0. 8 MPa以上时趋于恒定。在高速、高载荷下，PTFE的摩擦因数低于0. 01。从超低温到PTFE熔点。聚四氟乙烯管材选用悬浮聚合聚四氟乙烯树脂经柱塞挤压加工制成。在已知塑料中聚四氟乙烯具有最好的耐化学腐蚀性能及介电性能。聚四氟乙烯编织盘根是一种良好的动密封材料，是由膨体聚四氯乙烯带条编织而成，具有低摩擦系数、耐磨、耐化学腐蚀、密封性良好、不水解、不变硬等优良性能。用于各种介质中工作的衬垫密封件和润滑材料，以及在各种频率下使用的电绝缘件、电容器介质、导线绝缘、电器仪表绝缘等。聚四氟乙烯 薄膜适用于作电容器介质、 特种电缆的绝缘层、导线绝缘、电器仪表绝缘及密封衬垫，还可做不粘带、密封带、脱模、密封圈等。 此外，生活中用的不粘锅的内衬也使用聚四氟乙烯制作的，就是利用了聚四氟乙烯耐高温，不粘的特点。 
中国专利CN 101921948A公开了一种新型活塞环及其制备方法，由废钢、硅铁、锰铁、磷铁、硅锶孕育剂、增碳剂、小苏打。该活塞环材料的配方为:增碳剂3.0～6.0%、硅铁2.0～3.0%、锰铁0.8～1.5%、磷铁1.0～2.0%、小苏打2%、硅锶孕育剂0.25～0.35%,其余为废钢,还包括Cr、Cu、B三个合金元素。本产品材料中碳素废钢及Cr、Cu、B三种元素对产品、对环境不造成污染;只要称好重量可与原配方中材料同时进行熔炼,操作简单、成本低廉;由该材料生产的活塞环耐磨性好、韧性高、抗弯强度大、热稳定性好、不易折断,生产的毛坯废品低,有利于大规模工业化生产，但是拉伸强度低和弯曲强度差；中国专利CN103572140A公开了一种活塞环的成分及制备工艺，采用Si35％～40％，Mg7％～10％，Re2％～3％，Ba1％～2％，Bi1％～2％，Ca1％～2％，Sb1％～2％，但是冲击强度和伸长率低。而随着人性化理念的普及，及新型和谐社会的构成，设计一种高强度、耐磨性好、硬度高且热变形温度高的聚四氟乙烯活塞环及其制备方法是非常必要的。 
发明内容
解决的技术问题：
本申请针对上述技术问题，提供一种聚四氟乙烯活塞环及其制备方法，解决现有汽车活塞环强度低、耐磨性差、硬度低和热变形温度低等技术问题。
技术方案：
一种聚四氟乙烯活塞环，所述聚四氟乙烯活塞环的原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；玻璃纤维10-30份；二硫化钼5-15份；对苯二甲醇15-35份；氧化锌20-40份；苯酚磺酸10-30份；抗氧剂0.5-2.5份；硬脂酸钙1-5份；碳化硅10-30份；硫酸钡为5-25份；偶联剂0.3-0.7份；二氧化硅为2-8份；聚乙烯蜡1-20份；GF25-45份；三氧化二铝为5-25份。
作为本发明的一种优选技术方案：所述聚四氟乙烯活塞环的原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；玻璃纤维15-25份；二硫化钼8-12份；对苯二甲醇20-30份；氧化锌25-35份；苯酚磺酸15-25份；抗氧剂1-2份；硬脂酸钙2-4份；碳化硅15-25份；硫酸钡为10-20份；偶联剂0.4-0.6份；二氧化硅为3-7份；聚乙烯蜡5-15份；GF30-40份；三氧化二铝为10-20份。 
作为本发明的一种优选技术方案：所述聚四氟乙烯活塞环的原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；玻璃纤维20份；二硫化钼10份；对苯二甲醇25份；氧化锌30份；苯酚磺酸20份；抗氧剂1.5份；硬脂酸钙3份；碳化硅20份；硫酸钡为15份；偶联剂0.5份；二氧化硅为5份；聚乙烯蜡10份；GF35份；三氧化二铝为15份。 
作为本发明的一种优选技术方案：所述抗氧剂采用抗氧剂1010或抗氧剂B251。 
作为本发明的一种优选技术方案：所述偶联剂采用硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。 
作为本发明的一种优选技术方案：所述聚四氟乙烯活塞环的制备方法，包括如下步骤： 
第一步：按照重量份数配比称取聚四氟乙烯、玻璃纤维、二硫化钼、对苯二甲醇、氧化锌、苯酚磺酸、抗氧剂、硬脂酸钙、碳化硅、硫酸钡、偶联剂、二氧化硅、聚乙烯蜡、GF和三氧化二铝；
第二步：将玻璃纤维在120℃烘干2h后，用偶联剂表面处理，然后再在120℃下烘干2h，然后将玻璃纤维、聚四氟乙烯、二硫化钼、对苯二甲醇和氧化锌投入反应釜中加热至80-100℃，搅拌8-12min，然后加入剩余原料，升温至110-130℃，搅拌15-35min，冷却至40-50℃；
第三步：将混合后的物料投入挤出机中挤出，料筒温度220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃和250℃；
第四步：注射温度为170-210℃，注射压力5-10MPa，冷却至20-30℃后即可。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步中的搅拌速度均为200-400转/分钟。 
作为本发明的一种优选技术方案：所述第三步中挤出机为双螺杆挤出机。 
 有益效果：
本发明所述一种聚四氟乙烯活塞环及其制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、产品拉伸强度25-45MPa，弯曲强度75-95MPa，弯曲模量1.5-6.5GPa；2、室温下冲击强度5.5-7.5kJ/m2，热导率3-4W/(m·K)；3、伸长率350-550%，热变形温度130-150℃；4、摩擦系数4×10-8，磨耗量0.0002-0.0003g，可以广泛生产并不断代替现有材料。
具体实施方式
实施例1:
按照重量份数配比称取聚四氟乙烯100份；玻璃纤维10份；二硫化钼5份；对苯二甲醇15份；氧化锌20份；苯酚磺酸10份；抗氧剂1010为0.5份；硬脂酸钙1份；碳化硅10份；硫酸钡为5份；钛酸酯偶联剂0.3份；二氧化硅为2份；聚乙烯蜡1份；GF25份；三氧化二铝为5份。
将玻璃纤维在120℃烘干2h后，用偶联剂表面处理，然后再在120℃下烘干2h，然后将玻璃纤维、聚四氟乙烯、二硫化钼、对苯二甲醇和氧化锌投入反应釜中加热至80℃，搅拌8min，然后加入剩余原料，升温至110℃，搅拌15min，搅拌速度均为200转/分钟，冷却至40℃。 
将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃和250℃，注射温度为170℃，注射压力5MPa，冷却至20℃后即可。 
产品拉伸强度25MPa，弯曲强度75MPa，弯曲模量1.5GPa；室温下冲击强度5.5kJ/m2，热导率3W/(m·K)；伸长率350%，热变形温度130℃；摩擦系数4×10-8，磨耗量0.0003g。 
 实施例2:
按照重量份数配比称取聚四氟乙烯100份；玻璃纤维30份；二硫化钼15份；对苯二甲醇35份；氧化锌40份；苯酚磺酸30份；抗氧剂B251为2.5份；硬脂酸钙5份；碳化硅30份；硫酸钡为25份；钛酸酯偶联剂0.7份；二氧化硅为8份；聚乙烯蜡20份；GF45份；三氧化二铝为25份。
将玻璃纤维在120℃烘干2h后，用偶联剂表面处理，然后再在120℃下烘干2h，然后将玻璃纤维、聚四氟乙烯、二硫化钼、对苯二甲醇和氧化锌投入反应釜中加热至100℃，搅拌12min，然后加入剩余原料，升温至130℃，搅拌35min，搅拌速度均为250转/分钟，冷却至50℃。 
将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃和250℃，注射温度为210℃，注射压力10MPa，冷却至30℃后即可。 
产品拉伸强度30MPa，弯曲强度80MPa，弯曲模量2.5GPa；室温下冲击强度6kJ/m2，热导率3.2W/(m·K)；伸长率400%，热变形温度135℃；摩擦系数4×10-8，磨耗量0.00028g。 
 实施例3:
按照重量份数配比称取聚四氟乙烯100份；玻璃纤维15份；二硫化钼8份；对苯二甲醇20份；氧化锌25份；苯酚磺酸15份；抗氧剂B251为1份；硬脂酸钙2份；碳化硅15份；硫酸钡为10份；硅烷偶联剂0.4份；二氧化硅为3份；聚乙烯蜡5份；GF30份；三氧化二铝为10份。
将玻璃纤维在120℃烘干2h后，用偶联剂表面处理，然后再在120℃下烘干2h，然后将玻璃纤维、聚四氟乙烯、二硫化钼、对苯二甲醇和氧化锌投入反应釜中加热至85℃，搅拌9min，然后加入剩余原料，升温至115℃，搅拌20min，搅拌速度均为300转/分钟，冷却至42℃。 
将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃和250℃，注射温度为180℃，注射压力6MPa，冷却至22℃后即可。 
产品拉伸强度35MPa，弯曲强度85MPa，弯曲模量4.5GPa；室温下冲击强度6.5kJ/m2，热导率3.5W/(m·K)；伸长率450%，热变形温度140℃；摩擦系数4×10-8，磨耗量0.00025g。 
 实施例4:
按照重量份数配比称取聚四氟乙烯100份；玻璃纤维25份；二硫化钼12份；对苯二甲醇30份；氧化锌35份；苯酚磺酸25份；抗氧剂B251为2份；硬脂酸钙4份；碳化硅25份；硫酸钡为20份；硅烷偶联剂0.6份；二氧化硅为7份；聚乙烯蜡15份；GF40份；三氧化二铝为20份。
将玻璃纤维在120℃烘干2h后，用偶联剂表面处理，然后再在120℃下烘干2h，然后将玻璃纤维、聚四氟乙烯、二硫化钼、对苯二甲醇和氧化锌投入反应釜中加热至95℃，搅拌11min，然后加入剩余原料，升温至125℃，搅拌30min，搅拌速度均为350转/分钟，冷却至48℃。 
将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃和250℃，注射温度为200℃，注射压力9MPa，冷却至28℃后即可。 
产品拉伸强度40MPa，弯曲强度90MPa，弯曲模量5.5GPa；室温下冲击强度7kJ/m2，热导率3.8W/(m·K)；伸长率500%，热变形温度145℃；摩擦系数4×10-8，磨耗量0.00022g。 
 实施例5:
按照重量份数配比称取聚四氟乙烯100份；玻璃纤维20份；二硫化钼10份；对苯二甲醇25份；氧化锌30份；苯酚磺酸20份；抗氧剂B251为1.5份；硬脂酸钙3份；碳化硅20份；硫酸钡为15份；硅烷偶联剂0.5份；二氧化硅为5份；聚乙烯蜡10份；GF35份；三氧化二铝为15份。
将玻璃纤维在120℃烘干2h后，用偶联剂表面处理，然后再在120℃下烘干2h，然后将玻璃纤维、聚四氟乙烯、二硫化钼、对苯二甲醇和氧化锌投入反应釜中加热至90℃，搅拌10min，然后加入剩余原料，升温至120℃，搅拌25min，搅拌速度均为400转/分钟，冷却至45℃。 
将混合后的物料投入双螺杆挤出机中挤出，料筒温度220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃和250℃，注射温度为190℃，注射压力8MPa，冷却至25℃后即可。 
产品拉伸强度45MPa，弯曲强度95MPa，弯曲模量6.5GPa；室温下冲击强度7.5kJ/m2，热导率4W/(m·K)；伸长率550%，热变形温度150℃；摩擦系数4×10-8，磨耗量0.0002g。 
 以上实施例中的组合物所有组分均可以商业购买。 
上述实施例只是用于对本发明的内容进行阐述，而不是限制，因此在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应该认为是包括在权利要求书的范围内。 

Claims (8)

1.一种聚四氟乙烯活塞环，其特征在于所述聚四氟乙烯活塞环的原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；玻璃纤维10-30份；二硫化钼5-15份；对苯二甲醇15-35份；氧化锌20-40份；苯酚磺酸10-30份；抗氧剂0.5-2.5份；硬脂酸钙1-5份；碳化硅10-30份；硫酸钡为5-25份；偶联剂0.3-0.7份；二氧化硅为2-8份；聚乙烯蜡1-20份；GF25-45份；三氧化二铝为5-25份。
2.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯活塞环，其特征在于所述聚四氟乙烯活塞环原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；玻璃纤维15-25份；二硫化钼8-12份；对苯二甲醇20-30份；氧化锌25-35份；苯酚磺酸15-25份；抗氧剂1-2份；硬脂酸钙2-4份；碳化硅15-25份；硫酸钡为10-20份；偶联剂0.4-0.6份；二氧化硅为3-7份；聚乙烯蜡5-15份；GF30-40份；三氧化二铝为10-20份。
3.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯活塞环，其特征在于所述聚四氟乙烯活塞环的原料按重量份数配比如下：聚四氟乙烯100份；玻璃纤维20份；二硫化钼10份；对苯二甲醇25份；氧化锌30份；苯酚磺酸20份；抗氧剂1.5份；硬脂酸钙3份；碳化硅20份；硫酸钡为15份；偶联剂0.5份；二氧化硅为5份；聚乙烯蜡10份；GF35份；三氧化二铝为15份。
4.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯活塞环，其特征在于：所述抗氧剂采用抗氧剂1010或抗氧剂B251。
5.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯活塞环，其特征在于：所述偶联剂采用硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。
6.一种权利要求1所述聚四氟乙烯活塞环的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：按照重量份数配比称取聚四氟乙烯、玻璃纤维、二硫化钼、对苯二甲醇、氧化锌、苯酚磺酸、抗氧剂、硬脂酸钙、碳化硅、硫酸钡、偶联剂、二氧化硅、聚乙烯蜡、GF和三氧化二铝；
第二步：将玻璃纤维在120℃烘干2h后，用偶联剂表面处理，然后再在120℃下烘干2h，然后将玻璃纤维、聚四氟乙烯、二硫化钼、对苯二甲醇和氧化锌投入反应釜中加热至80-100℃，搅拌8-12min，然后加入剩余原料，升温至110-130℃，搅拌15-35min，冷却至40-50℃；
第三步：将混合后的物料投入挤出机中挤出，料筒温度220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃和250℃；
第四步：注射温度为170-210℃，注射压力5-10MPa，冷却至20-30℃后即可。
7.根据权利要求6所述的聚四氟乙烯活塞环的制备方法，其特征在于：所述第二步中的搅拌速度均为200-400转/分钟。
8.根据权利要求6所述的聚四氟乙烯活塞环的制备方法，其特征在于：所述第三步中挤出机为双螺杆挤出机。
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