CN104684709A - 垫圈材料,垫圈,以及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种制造垫圈材料的方法，可包括将多聚物片插入到压机中，用模具压制多聚物片，包括用相反突起阵列，以在多聚物的每一主表面上界定包围凹槽阵列的互连密封脊线。垫圈材料可包括多聚物片，包括第一主表面和第二主表面，第二主表面在第一主表面的反面。互连密封脊线可界定多聚物片的第一主表面的凹槽阵列。另外，互连密封脊线可界定多聚物片的第二主表面的凹槽阵列，与第一主表面基本对称。

Description

垫圈材料,垫圈,以及相关方法

背景技术

垫圈，在某些方面，是机械接头的两个可分离部件或者凸缘之间夹住的材料或者材料组合。垫圈的功能是产生凸缘之间的密封并在一段延长的时间内维持密封。凸缘可与螺栓固定在一起形成接头。常见的可能影响接头的力量包括螺栓负载，流体静端力，和喷射压力。垫圈，在许多应用中，一定要能够密封配合表面，并且是不可渗透的和耐密封介质，这可被称作化学惰性。垫圈也一定要能够承受许多应用中的高温和高压应用。

腐蚀性应用中的管道，比如在化工厂中会遇到的，经常使用塑料如聚氯乙烯(PVC)，纤维增强塑料(FRP)，和搪玻璃的管道。可以理解的是，使用这些材料的管道系统有些易碎并且需要在相对低螺栓负载下产生密封的垫圈，因为高螺栓负载可能使凸缘破裂或受到其他损伤。垫圈也必须尺寸稳定，以便在过程中可能的温度变化范围内维持密封(即，一般被称为耐蠕变性)，并且具有广泛的化学相容性(例如，一般被称为化学惰性)。

在此之前的尝试，以解决在易碎凸缘接头使用中的垫圈相关的问题包括，例如，包络垫圈，橡胶垫圈，橡胶/聚四氟乙烯(PTFE)垫圈，填充PTFE片垫圈，减小面积的垫圈(即，切除移走部分垫圈)，多孔PTFE片垫圈(例如扩展PTFE)，微孔PTFE垫圈和复合PTFE片垫圈，仅举出这几个。PTFE被普遍用于衬垫在严重或腐蚀性的化学环境中，因为它作为垫圈材料使用具有许多理想的属性。例如，PTFE本身是坚韧的，具有化学惰性，具有良好的抗张强度，并且在宽温度范围内是稳定的。但是，纯PTFE多聚物不具有高度可压缩性(这意味着PTFE垫圈通常需要更好的螺栓负载)，并且也容易产生蠕变，这两者都可能导致泄露路径的形成。

包络垫圈是复合结构，PTFE包络被可压缩性更高的填充物填充，比如压缩纤维或者毛毡。PTFE包络提供耐化学性，同时填充物材料提供可形变性。但是，PTFE包络相对较薄，在生产或者服务期间会产生针孔，从而将填充物暴露到不相容的腐蚀性材料中，由于填充物通常不能抵抗腐蚀环境，这可能导致泄露路径的形成。包络垫圈也拥有最不可压缩的部件，即，作为最外垫圈表面的PTFE包络。

橡胶垫圈，因为其可压缩性和回弹性以及其在相对低螺栓负载的密封能力，通常用于塑料和FRP凸缘。但是，橡胶垫圈具有有限的耐化学性和耐温性，并且必须为每个应用指定合适的化合物。所以，使用同一管道的多个工艺流可能需要耗时且稍微昂贵的垫圈变化。一些包络垫圈使用橡胶/PTFE组合，即在橡胶垫圈的内部空间使用PTFE包络。包络加强了耐化学性同时橡胶基质提供了可压缩性和可形变性。但是同样，PTFE包络较薄，在生产或者服务期间会产生针孔，从而将橡胶基质暴露到不兼容的腐蚀性材料中。同样地，PTFE包络，不具有高度可压缩性，是橡胶/PTFE包络垫圈的最外层。

填充PTFE片垫圈，具有良好的可压缩性，可以通过在PTFE片材料中加入微气球来实现。尽管PTFE片材料提供了终端用户删减和修改的灵活性，填充PTFE片材料通常需要相对较高的螺栓负载来密封。微孔PTFE片可使用许多技术来生产，其中一个包括在形成片之前向PTFE加入填充物，然后在片形成后去除填充物。所以，空隙保留在PTFE片材料中，给了其理想的多孔性(即，微孔PTFE)。另一种方法包含一个挤出，伸展，然后加热以形成被称为扩展PTFE的产品的特定顺序。但是，微孔和多孔PTFE通常非常柔软，有弹性，并且在有限的凸缘分离的情况下难以安装。进一步，因为微孔和扩展PTFE片是多孔的，无论从那种切下的垫圈都必须被完全压缩以除去空隙，来避免垫圈中的泄露，并且从这些片切下的垫圈通常需要相对较高螺栓负载来密封。为解决微孔PTFE材料相关的刚性问题，已提出将多层微孔PTFE和/或扩展PTFE片层压成全密度的PTFE基材，但试验表明，这些材料同样需要相对较高的螺栓负载来密封。

鉴于上述情况，需要改进的垫圈材料，垫圈和相关方法。

概述

在本公开的一个方面，制造垫圈材料的方法可包括将多聚物片插入到压机中。

在本技术的另一个方面，垫圈材料的片或者预制件可通过烧结过程以及将垫圈材料的片或者预制件冷模制形成最终形式来形成。烧结过程被用于形成用于冷模制的填充的或者未填充的，重组的或者刮削的PTEF。冷模制过程可塑性地使片材料形变为理想形式。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法可进一步包括压制多聚物片之前加热多聚物片。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，压制多聚物片之前加热多聚物片，可包括加热所述多聚物片达到凝胶点。

在其可能与任何其他方面相结合的另一个方面，压制多聚物片之前加热多聚物片，可包括加热所述多聚物片至温度大约371℃。

在其可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法可进一步包括在模具中加热多聚物片。

在其可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法可进一步包括加热多聚物片大约15分钟。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法可进一步包括在模具中冷却多聚物片。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，在模具中冷却多聚物片可包括在模具中冷却多聚物片大约10分钟。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，用模具压制多聚物片可进一步包括用模具形成比多聚物片的互连密封脊线密度高的凹槽区域。

在其可能与任何其他方面相结合的另一个方面，将多聚物片插入到所述压机中可进一步包括将烧结的和/或未烧结的，重组的和/刮削的PTFE片插入到压机中。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，将PTFE片插入到压机中可进一步包括将填充有微气球，钡，硫酸盐，和结晶二氧化硅，以及其它聚合物/有机物(PPS，Ekonol，PPSO2，PEEK等等)和/或无机填充物(碳化硅，玻璃纤维，氧化铝等等)中的至少一种，烧结的和/或未烧结的，重组的和/或刮削的PTFE片插入到压机中。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法可进一步包括在将PTFE片插入到压机前，干燥PTFE片，以实质地去除PTFE片中的任何溶剂。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，干燥PTFE片可包括加热PTFE片至温度大约107℃。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法进一步包括该方法进一步包括通过压机在多聚物片上施加在大约13.8兆帕和大约20.7兆帕之间的平均压力。

在本公开的另一个方面，垫圈材料可包括多聚物片，该多聚物片包括第一主表面和第二主表面，第二主表面在第一主表面的反面。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，互连密封脊线可界定多聚物片的第一主表面的凹槽阵列。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，互连密封脊线可界定多聚物片的第二主表面的凹槽阵列，与第一主表面基本对称。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，，多聚物片可包括烧结的和/或未烧结的，重组的和/或刮削的PTFE片。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，PTFE片可包括填充有微气球，钡，硫酸盐，和结晶二氧化硅，以及其它聚合物/有机物(PPS，Ekonol，PPSO2，PEEK等等)和/或无机填充物(碳化硅，玻璃纤维，氧化铝等等)中的至少一种的PTFE。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，多聚物片的凹槽区域的密度可比多聚物片的互连密封脊线密度高。

在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，在第一主表面的互连密封脊线，可界定多聚物片的第一主表面上的矩形或者正方形或者圆形或者蜂窝状凹槽阵列，并且在第二主表面的互连密封脊线，可界定多聚物片的第二主表面上的矩形或者正方形或者圆形或者蜂窝状凹槽阵列。

附图说明

附图描述了多个示例性实施例，并且是说明书的一部分。连同下面的描述，这些附图展示并解释了本公开的各种原理。

图1是根据当前公开的实施例，垫圈材料片的等距视图，包括形成蜂窝状图案的互连密封脊线。

图2是从如图1所示的垫圈材料片，切除的垫圈的等距视图。

图3是包括如图2所示的垫圈的凸缘接头的侧视图。

图4A是图3所示凸缘接头部分的横截面详视图，其中凸缘接头处于打开位置，垫圈处于未压缩状态。

图4B展示了图4A所示的凸缘接头处于完全关闭位置，垫圈处于压缩状态的横截面详视图。

图5是制备如图1所示的垫圈材料片的模具零件等距视图。

图6是图5所示的模具的等距详图。

图7是与模具(比如图5所示)一起使用的印压机的等距视图。

图8是制造如图1所示的垫圈材料片中使用的滚压机的等距视图。

图9是根据本公开的实施例的，制备包括矩形突起的垫圈材料片的模具板的等距详图。

图10是根据本公开的实施例的，包括界定如由图9所示的模具制备的矩形凹槽的互连脊线的垫圈材料片的等距详图。

图11是根据本公开的实施例的，制备包括圆形突起的垫圈材料片的模具的等距详图。

图12是根据本公开的实施例的，由如图11所示的模具制备的垫圈材料片的等距详图。

图13是矩形图案的模具平视图，正视图和透视图。

图14是矩形模具的等距视图，其中突起被斜切。

图15是六边形图案模具的等距视图，其中突起被斜切。

图16是圆形或者椭圆形的等距视图，其中突起被斜切。

图17是圆形或者椭圆形的等距视图，其中突起未被斜切。

图18是矩形垫圈片的等距视图。

图19是蜂窝状模具的等距视图，其突起被斜切或者带锥度。

图20是蜂窝状垫圈片材料的俯视图。

图21是没有对准片的凸缘连接的蜂窝状垫圈的视图。

图22是凸缘连接的蜂窝状垫圈视图，包括为提高刚性的金属嵌件。

图23是图22的垫圈图，展示金属嵌件芯。

图24是蜂窝环垫圈。

图25和26是凸缘的蜂窝状垫圈。

图27A-B是矩形垫圈片的模具。

图28展示了多个垫圈片，以及从图27A-B的模具制作的垫圈片中切除的垫圈片。

图29展示了矩形垫圈片。

图30A和30B展示了具有安装在凸缘连接的凸缘上的矩形凹槽的垫圈。

图31A-B展示了对图30和31的垫圈进行压力测试的测试台。

图32展示了在图32的测试台上，安装在凸缘之间的垫圈。

图33是冷模制模具的视图。

图34是冷模制模具的等距视图。

图35和36展示了通过冷模制模具形成的具有凹陷图案的垫圈片视图。

图37和38展示了从图35和36的垫圈片中切除的环形垫圈视图。

图39是和当前应用的技术相一致的，合成垫圈的横截面视图。

尽管在此描述的实施例可以有各种修改和替代形式，特定的实施例通过附图里的示例被展示，并将在这里被详细描述。但是，在此描述的示例性的实施例不旨在被限制为公开的特定形式。相反，本公开涵盖在所附权利要求范围内的所有修改，等同方式，和替代方式。在整个附图中，相同的参考数字表示相似的，但不一定相同的元素。

具体实施例

本公开的一些实施例涉及加压流体系统中带垫圈接头中的垫圈，例如，流体管道之间的接头使用的垫圈。许多流体系统，比如工业工厂，使用塑料(例如PVC或者FRP管道)或者搪玻璃管道以处理高度腐蚀性或者以其他方式可能与其他管道，比如金属管道反应的化学物质。在使用PVC或者FRP管道，或类似易碎管道的一个难题是在接头处如凸缘接头处需要低螺栓负载，以防止接头处凸缘的破裂，破碎或者以其他方式被损坏。为解决这些难题，根据现有公开的实施例的垫圈可在相对较低的螺栓负载下，例如在5英尺-磅的螺栓负载或者在某些应用中更低的情况下，为凸缘接头提供有效的密封。

在一些实施例中，如图1所示，垫圈材料10可包括由多聚物组成的片，比如全密度聚四氟乙烯(PTFE)。全密度PTFE有时被称作重组PTFE。全密度PTFE(或者重组PTFE)不同于扩展PTFE(或者e-PTFE)，由于全密度PTFE是无孔的。这样的全密度PTFE目前可从坐落在美国纽约州，帕尔迈拉，分街1666号，邮编14522，的Garlock密封技术以片材料获得。市售的垫圈材料包括型号3500，3510，3504以及其他全密度，填充/未填充垫圈片。

全密度PTFE片还可通过压制颗粒状的填充的，或者未填充的，PTFE粉末，以生产预制的PTFE材料片，通常，实施是在环境温度下压制模具的过程，压力一般施加在大约3000到5000psi(磅每平方英尺)。预制件然后在烤箱中被烧结。烤箱首先将预制件的温度从环境温度提高到大约350℃到390℃，持续一段时间，通常足够使预制件的空隙被填充；其次降低温度到环境温度。然后从载体上刮削出全密度PTFE。

出乎意料的是，已经发现在此公开的技术的某些方面提供了微孔(或者多孔)材料，当这样的微孔材料被结合在层状合成物中时，例如与图39所示的全密度材料的核心片相结合时，可被使用在低螺栓负载应用中。换句话说，一对多孔PTFE层1，2，比如微孔和扩展PTFE，可被提供在无孔，全密度PTFE层3的两侧。多孔PTFE比全密度PTFE的压缩性好，并提供了操作在低螺栓负载下的密封，而全密度PTFE提供了相对不渗透流体的层，所以微孔和全扩展PTFE层中的孔不需要完全被压缩。外多孔层可具有与本申请的技术相一致的脊线。

在本申请的技术范围内使用的微孔材料的类型包括，例如，和微孔型号3540，3545相关的垫圈材料。美国专利4,913,951描述了一种全密度片材料，通过引用将其并入本文，就像全文叙述一样。美国专利#4,913,951描述的垫圈材料和穿孔薄钢板结合在一起来增强强度。具有薄钢板嵌件(如图23所示)的示例性垫圈材料包括上面提到的型号3560和3561。应当注意到美国专利4,913,951描述的全密度片材料是相对不可压缩的，在低螺栓负载凸缘密封应用中不能形成良好密封的全密度PTFE材料的平片。在一些实施例中，垫圈材料10可能是已经经过处理的，并且添加入填充物，以提供可压缩的和/或更不容易蠕变的材料(即在应力下有缓慢移动或者发生永久形变的趋势)的PTFE。

填充物的种类可包括玻微气球，二氧化硅，硫酸钡，石墨，云母，不锈钢，聚合填充物(PPS，Ekonol，PPSO2，PEEK等等)和/或其他无机填充物(碳化硅，玻璃纤维，氧化铝等等)。

本申请的技术可能使用纯全密度PTFE，传统的均聚物或者修改的PTFE实施。一个纯全密度PTFE的示例是上面提到的型号3522。

本申请的技术也可能使用合成物和/或分层结构多聚物片作为垫圈材料来实施，比如，例如，全密度填充和/或未填充的PTFE片的一片，如美国专利#496891和4900629描述的，两者都通过引用并入本文，就像完整列出。被描述的一个这样的垫圈材料是目前市售的型号3465，也被称为

根据本申请的技术，所有上面的和其他垫圈材料可被用于两种烧结的和/或未烧结的形式。

进一步，本公开描述的垫圈材料可从传统的全密度PTFE片中产生。这些片是将模塑的颗粒状PTFE粉末压制成坯料，将坯料切割成具有不同厚度的片。切割的全密度PTFE片可从不同的供应商市购到，以填充的和未填充的版本。切割的PTFE片中的创新垫圈可在本公开描述的过程中被生产出来。

如图1所示，垫圈片材料10可具有第一主表面14和第二主表面16。第二主表面16在第一主表面14的反面。垫圈片材料10相反的第一和第二主表面14和16可提供垫圈片材料10形成的垫圈30(见图2)(例如，从垫圈材料10中切除的垫圈30)的密封表面。

第一主表面14可包括界定凹槽阵列的互连密封脊线。密封脊线18，如图4B所示，与凸缘表面形成配合表面。在一些实施例中，如图1所示，互连密封脊线18一般可界定被布置在图案或者阵列(例如，网格)上的蜂窝状(例如，六边形)凹槽20。在某些方面，互连密封脊线可具有不同的几何形状、高度，及角度。例如，脊线18可以是三角形，锯齿形，梯形，矩形，椭圆形或者类似的。脊线的连接界定凹槽阵列，如下面更详细描述，在某些方面，可形成其他几何形状或者甚至不可识别的图案。

垫圈材料在密闭脊线18区域的密度比凹槽20区域的密度小。相应地，相比于密封脊线18区域，垫圈材料的凹槽20区域可能相对坚硬。因为密封脊线18比凹槽20的密度低，密封脊线18可比凹槽20更容易压缩，并且在相对较低的压制力下可能形变。换句话说，密封脊线18的硬度比凹槽20的硬度低。

尽管显示为固体，均质材料，提供一种复合或者层状垫圈材料是可能的。在某些方面，垫圈材料10可与嵌件一起被塑造或者形成，比如金属嵌件，以增强片材料的强度，见与图23的垫圈相关的金属嵌件的示例。另外，不是蜂窝状材料，提供具有外多孔层和无孔材料的中心芯是可能的，比如，例如，全密度PTFE。在某些方面，这样的分层和合成PTFE结构可包括，例如，在全密度PTFE芯周围的微孔或者扩展PTFE顶和底层(如图39所示)。微孔或者扩展PTFE提供可压缩外层，以利于低螺栓负载，而全密度PTFE芯提供加强的密封特性。合成物可进一步包括类似于图23金属嵌件的金属嵌件。

在一些实施例中，如图2所示，垫圈30可从垫圈材料片10中切除得到。例如，利用钢尺模具，激光笔，刀，或者其他等同的切割装置将垫圈30从垫圈材料10片中切除。

垫圈30可针对特定的凸缘接头定义尺寸和配置。根据垫圈材料片10中的密封脊线18和凹槽20的重复图案，可从垫圈材料片10中切除得到。多个尺寸和形状的垫圈可以看到，与可选择的垫圈相反，在密封表面形成的密封脊线18通常定向在垫圈材料的流体导管32(或者中心孔32)的任意角度。另外，密封脊线18和凹槽20形成区域21，其显著少于被中心孔32界定的区域31。这允许了在流体介质和切除的垫圈30的外表面33之间多个密封脊线18的存在。垫圈30的宽度，通过外半径R₂和内半径R₁的差来界定，通常应该大于凹槽20的最大尺寸。多个密封脊线18提供了改善的抵抗泄露路径性。

在图2所示的实施例中，垫圈30包括中心孔32，紧固件孔34，以及对准片36。中心孔32可被定义尺寸和配置，以与相反管道凸缘的开口相一致。值得注意的是，密封脊线18不被配置成与中心孔32的向外辐射状相对应，而是横穿垫圈，这允许了垫圈材料片10允许有各种管道大小和尺寸。另外，紧固件孔34可被定位或者定义大小，以与凸缘接头中螺栓或者其他紧固件插入的开口相对应。对准片36可被定义大小以在安装后延伸超过凸缘接头的外径。

图3展示了在对准片36不可见的视图下，被安装在接头40的垫圈36。如图所示，第一管道42可包括第一凸缘44。第二管道46可包括在第一管道42的第一凸缘44的反面的第二凸缘48。每个第一和第二凸缘44和48可包括紧固件嵌件的孔。例如，每个第一和第二凸缘44和48可包括四个圆周上隔开的紧固件的孔。

为形成接头40，第一管道42的第一凸缘44的面50可被定位在相邻于第二管道46的第二凸缘48的面52。第一凸缘44的孔可与第二凸缘48的孔实质地对齐。第一和第二凸缘44和48可被分隔开，以利于在面50和52之间插入垫圈30，以及垫圈可被安装在第一凸缘44和第二凸缘48之间，如图4A所示。

当垫圈30被定位在第一和第二凸缘44和48的面50和52之间，对准片可用作旋转垫圈30，以使垫圈30的紧固件孔34与第一和第二凸缘44和48的紧固件孔对齐。螺栓54可被插入到第一和第二凸缘44和48对齐的孔中，以及垫圈30的紧固件孔34中。螺母56和垫片58可被安装到每个螺栓54中。

如图4A所示，在拧紧紧固件(例如，拧紧螺栓54上的螺母56)之前，垫圈30可处于未被压缩的状态。在未被压缩状态下，垫圈30的密封脊线18可呈现大致V形的横截面，密封脊线18的侧表面在相对尖的顶点点交汇。替代的几何形状是可能的，如上所述。

由于紧固件被拧紧，垫圈30的密封脊线的顶点被第一和第二凸缘44和48的面50和52压缩。由于紧固件被进一步拧紧，密封脊线18可能形变，并且紧挨第一和第二凸缘44和48的面50和52，在相对较低螺栓负载下形成密封，以形成密封表面19，如图4B所示。由于相对较低密度和密封脊线18的几何形状，与用具有基本平面密封表面的垫圈密封类似的接头所需的螺栓负载相比，垫圈30在相对较低的螺栓负载下有效地密封了接头40。可以这样理解，通过向凹表面20施加压缩脊线18形变并向外隆起。脊线18的形变形成密封表面19，其是与凸缘面表面接触的表面。

通过第一和第二凸缘44和48的面50和52向垫圈30施加的压力可被如下公式计算：P＝F/A。其中P是施加到垫圈30的每一个主表面14，16(例如，每个密封表面)上的压力，F是通过第一和第二凸缘44和48的面50和52的，利用螺栓(例如，螺栓负载)施加到垫圈30的力，并且A是与相应凸缘面50，52接触的，垫圈30的相应主表面14，16的面积。相应地，由于表面面积A在特定的力F下降低，压力P将相应增加。

与平面几何形状相比，垫圈30的密封脊线18的几何形状可提供与第一和第二凸缘44和48接触的显著减小的表面面积。所以，密封脊线18的几何形状可在相对较低的螺栓负载下在垫圈30上产生显著压力。

图5中所示是用于生产垫圈材料片的，比如图1所示的垫圈材料片10的模具60。如图所示，模具60可包括上板62和下板64。每一个上板62和下板64可包括突起阵列66和围绕的互连沟68。

如可在图6的细节视图中观察到，每一个突起66通常可成形为六边形棱锥的底部，其具有由六个锥形侧面包围的六边形的上表面。其中，每个沟68可通常是V形的，以类似网格的布局延伸。

当上板62被定位在下板64的上面时，可界定在上板62和下板64之间的根据垫圈材料片10的形状的腔室70。相应地，在上板和下板的突起阵列66可对应于在第一和第二主表面14和16的凹槽阵列20，相应地，在垫圈材料片10上。另外，沟68可对应于垫圈材料片10上的第一和第二主表面14和16的密封脊线18。正如上面解释的，模具可考虑到密封脊线的几何图形的变化。

为形成垫圈材料片10(见图1)，可首先形成具有基本呈平面的主表面的多聚物片。在一些实施例中，通过已知的处理技术可形成合适厚度的PTFE片。对于某些PTFE未烧结的全密度片可需要使用溶剂。在这些情况下，PTFE片可能在225°F(大约107℃)被干燥6个小时，以去除可能遗留在形成的片中的任何溶剂。

PTFE片然后可在通风的批量烤箱中被加热到凝胶点(例如，大约700°F，大约300℃)大约15分钟。此后，加热后的PTFE片可被从批量烤箱中转移到模具60(见图5)中，其温度是室温。转移应该快速，以防止放置到模具之前已经有显著降温。模具60可被关闭，然后PTFE可在大约2000磅每平方英寸(psi)(大约13.8兆帕)和大约3000psi(大约20.7兆帕)之间的压力下，在液压压机80中冷却大约一分钟。然后再将模具60打开，从中取出具有理想形状的垫圈材料10。

前述过程，被称为热模制，与模具60的几何形状一起，产生在垫圈材料片10内的不同的压缩性，密度，硬度以及/或硬度分布。尽管热模制垫圈材料10已满足要求，如将参照图34-39加以说明的，垫圈材料10还可通过冷模制形成。其中形成凹槽20的垫圈材料片10的区域被压缩的程度比在模制过程中，其中形成密封脊线18的区域被压缩的程度更大，导致在凹槽20区域内填充的PTFE具有更高的致密化。这些区域可影响垫圈材料片10的部分的强度和刚性，并且因此垫圈30从中形成。在密封脊线18的区域内，致密化结果降低的水平，产生相对较高的压缩性区域。

在一些实施例中，合适的填充物，比如硫酸钡，二氧化硅，石墨，和微气球中的一个或者多个，可以被用来为各种应用提供PTFE的理想机械性能和/或化学耐性。进一步实施例可包括被加入到垫圈材料片10中的，并因此被加入垫圈30中的金属和/或其他材料。

在进一步的实施例中，具有基本平面主表面的加热的多聚物片96可被送入如图8所示的滚压机90并被其压制以形成垫圈材料片10。滚压机90可包括相对的鼓形的滚筒92和94。上滚筒92可被定位在下滚筒94的相邻位置，根据理想的垫圈材料片10的最终尺寸选择滚筒92和94之间的间距。每一个上滚筒和下滚筒可包括被定位与配置成为已加热的多聚物片96的相应的凹槽20和密封脊线18，以形成垫圈材料片10的突起阵列和围绕沟，。为在滚压机中冷却已加热的多聚物片96，滚筒92和94可被冷却到低于环境温度(例如，约低于70°F(约低于21℃))的温度。

如图9所示，在一些实施例中，模具100可用来提供诸如正方形或矩形小室等多边形几何形状而非六边形几何形状(例如，网格几何形状)。模具100可包括被互连沟104包围的正方形或者矩形的突起阵列102。每个突起102可包括由六个带锥度的侧面包围的表面，并且每个互连沟104可大致是V形的，这形成了斜面或者带锥度的片(如下所示)。可替代得，突起可是被不带锥度的垂直侧面包围的表面。

如图10所示，利用参照图9中描述的模具制造的垫圈材料片110，可包括第一主表面114和第二主表面116，每一个第一主表面114和第二主表面116均包括被互连密封脊线118包围的多个正方形的凹槽120。根据本公开的另外的实施例，还可制造和利用包括除正方形和六边形的多边形形状的多边形几何图案的垫圈材料片以提供垫圈。

在另外的实施例中，非多边形的突起也在模具中被利用。例如，如图11所示，在一些实施例中，可利用可以提供大致圆形的凹槽阵列的模具130。模具130可包括被互连沟包围的圆形突起阵列132。每个圆形突起132可包括被带锥度的侧面包围的圆形表面。例如，每个圆形突起132可被塑性为截顶圆锥体(即，截头椎)。互连沟134可包括与圆形突起132的圆形表面实质平行的大致平的表面，和多个斜侧面。可选择地，突起132可是圆柱形的，而非截顶圆锥体。

如图12所示，利用参照图11中描述的模具制造的垫圈材料片140可包括第一主表面和第二主表面，第一主表面和第二主表面的每一个均包括被互连密封脊线148包围的多个截头圆锥体的凹槽150。如图所示，互连密封脊线148可具有基本呈平面的上表面而非延伸的尖顶，或除延伸的尖顶之外(见图1，2，4和10)。根据本公开的另外实施例，可制造和利用包括除了多边形，圆形，和锥形部分的形状的多边形几何图案的垫圈材料片以提供垫圈。

模具1300的一半在图13中示出，模具1300的部分等距视图在图14中示出。模具1300是具有突起1302正方形模具，其具有平的表面1304和边缘1308的末端的具有锥度的侧壁1306。图18展示了通过正方形模具形成的片1800。如图所示，锥形侧壁1306形成角度α，在此示例性实施例中是60°，但是可以是大约45°到90°中的任意位置。在90°的角度，有角度的侧壁会终止在板1308，它将会是表面而非现在展示的边缘。将侧壁1308终止在线或者边缘接触，形成三角形的横截面1310减少了在最终垫圈上形成密封表面所需的螺栓负载。当角度小于90°角度时，突起形成梯形横截面1312。如果角度是90°角度时，突起形成矩形横截面。尽管是对称地示出的，但突起1302和锥形侧壁1306在本技术的某些方面中可以是不对称的。

图15展示了模具1500一半的一部分，该模具用于具有斜切的六边形脊线的垫圈。模具1500被提供了具有平的表面1504和六个带锥度侧壁1506的突起1502。图16展示了模具1600的一半，该模具用于具有斜切的圆形脊线的垫圈。模具1600被提供了突起1602，突起1602具有形成截头圆锥体形状的平面表面1604和带锥度的侧壁1606。如果侧壁1606不带锥度，则它将是圆柱形的。不像其他模具，截头圆锥体形状的模具生产的垫圈具有的脊线厚度随着不同突起之间的间隔1608的变化而变化。图17展示了具有圆柱形侧壁的模具1700的一半。

图19展示了为形成蜂窝状或者六边形的垫圈材料片200，图20所示。六边形片200可以被切成多个垫圈2002，2004，如图21和22所示。多个垫圈2002和2004具有多个紧固件孔2006和通常展示在垫圈2002，2004的几何中心的流体孔2008。形成六边形图案的多个脊线2010当被布置在连接凸缘之间时，形成了多个密封。图23展示了垫圈2004，其中金属嵌件2012被模压到垫圈2004中。嵌件2012为垫圈2004提供了结构完整性，并且促进了抗蠕变性。图24提供了环形垫圈2014，其与垫圈2002和2004相似但没有多个紧固件孔。环形垫圈2014可被提供金属嵌件2012。图25，26，27A，27B和28仍然提供了更多不同大小和材料的垫圈，这将导致垫圈的不用颜色，但是功能上相似。

参照图31A，31B，和32，提供了样品垫圈2702的测试台2700。首先参照图27A，27B，28，29，30A和30B，使用模具2700形成垫圈2702，在此情况下，是具有侧壁2706包围的正方形突起2704的正方形图案的模具。利用该模具，垫圈片材料可通过各种材料，包括重组PTFE垫圈材料2708，2710，或者金属嵌入的重组PTFE垫圈片材料2712，2714，2716形成。垫圈片材料可被切除以形成垫圈2702，与上面描述的垫圈100相似。在示例中，垫圈2702通过没有金属嵌件的重组PTFE形成。图29展示了重组PTFE垫圈片材料2709的更多细节。图30-31展示了对齐垫圈2702以使得流体空2718和测试台2700的管道流体空2720相对齐。如图33所示，垫圈2702被定向在两个连接凸缘2722之间，并且低转矩螺栓负载由连接螺栓/螺母2724提供。在测试台2700的一端，其可能是死头的，被连接到压力源2726。测试台2700可是流体环路或者具有入口和出口，以根据期望模拟流体条件。

可以这样理解，上述垫圈和垫圈片材料通过热方法形成，其中垫圈片材料被加热到凝胶或者激活状态，半流体，并且被模压。但是，最近已有发现，冷形成这里描述的垫圈片材料是可能的。现在，参照图33-38，为形成垫圈片材料的示例方法通过冷模制方法被描述。

尽管先前描述的任何垫圈材料可用于冷模制方法，已经发现的令人满意的垫圈材料包括由颗粒状的PTFE粉末制作的填充的或者未填充的PTFE片。在一般情况下，颗粒状的PTFE片通过准备实施，烧结实施，然后组装部件，在这种情况下成为最终片。粉末状的PTFE被放置在模具中，在3000psi至5000psi的压力下，放置时间随着预制件大小的不同而变化。然后预制件在可编程的上方中被烧结。预制件的温度缓慢得从室温提高到350至390之间，并且温度被保持一段时间，取决于部件的几何形状，尺寸等，使得孔隙被填充。烤箱然后缓慢地将温度降回到环境温度。全密度或者重组PTFE片然后被从载具中刮削出来。平的垫圈片被放置在一对模具片之间，比如在基本环境温度下的模具3002和3004。模具片3002，3004具有突起3006，其平的表面3008，通过斜切边3012过渡到圆筒形侧壁3010。垫圈片然后冲压，压制，通过在大约2500psi至5000psi的足够的力下，以使垫圈片塑性形形变直到形成了凹陷的垫圈3014。凹陷垫圈3014具有第一密度的凹陷区域阵列3016，被具有小于第一密度的第二密度的环3018包围。第一密度更高(因为垫圈被压缩得更多)，给垫圈和/或者凹陷垫圈片3014提供了强度和刚性，而环3018提供了类似于上述垫圈的更高的可压缩性。片可被切成垫圈，比如，环形垫圈3020，3022。

应当认识到，本文描述的各种实施例不仅仅旨在说明，并且不限制本发明的范围。不超过本发明范围，所述实施例的众多修改和改编对于本领域技术人员是显而易见的。

Claims (20)

1.一种制造其中具有多密度的垫圈材料的无孔片，所述方法包括：

将多聚物片插入到压机中；并且

用包括相反的突起阵列的模具压制所述多聚物片以在所述多聚物片的每一个主表面上界定包围凹槽阵列的互连密封脊线，其中所述压制的多聚物片是无孔的。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在压制所述多聚物片之前加热所述多聚物片。

3.根据权利要求2所述的方法，其中在压制所述多聚物片之前加热所述多聚物片包括加热所述多聚物片达到凝胶点以实质地去除任何孔隙。

4.根据权利要求2所述的方法，其中在压制所述多聚物片之前加热所述多聚物片包括加热所述多聚物片至温度大约371℃。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括在所述模具中加热所述多聚物片。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括加热所述多聚物片大约15分钟。

7.根据权利要求2所述的方法，进一步包括在所述模具中冷却所述多聚物片。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述模具中冷却所述多聚物片包括在所述模具中冷却所述多聚物片大约10分钟。

9.根据权利要求1所述的方法，其中用模具压制所述多聚物片进一步包括形成具有第一密度的凹槽区域和具有小于所述第一密度的第二密度的互连密封脊线。

10.根据权利要求2所述的方法，其中将所述多聚物片插入到所述压机中进一步包括将聚四氟乙烯(PTFE)片插入到所述压机中，充分加热所述PTFE片，加热所述PTFE片以使所述PTFE片无孔。

11.根据权利要求10所述的方法，其中将所述多聚物片插入到所述压机中进一步包括将填充有微气球，钡，硫酸盐，和结晶二氧化硅中至少一种的PTFE片插入到所述压机中。

12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括在将所述PTFE片插入到所述压机前，干燥所述PTFE片，以实质地去除所述PTFE片中的任何溶剂。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在将所述PTFE片插入到所述压机前，干燥所述PTFE片，以实质地去除所述PTFE片中的任何溶剂。

14.根据权利要求13所述的方法，其中干燥所述PTFE片包括加热所述PTFE片至温度大约107℃。

15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过所述压机在所述多聚物片上施加在大约13.8兆帕和大约20.7兆帕之间的平均压力。

16.一种垫圈材料，包括：

一种无孔多聚物片，包括第一主表面和第二主表面，所述第二主表面在所述第一主表面的反面；

互连密封脊线，界定所述无孔多聚物片的所述第一主表面的凹槽阵列，所述互连密封脊线具有第一密度并且所述凹槽具有大于所述第一密度的第二密度；

互连密封脊线，界定所述无孔多聚物片的所述第二主表面的凹槽阵列，与所述第一主表面基本对称。

17.根据权利要求16所述的垫圈材料，其中所述多聚物片包括全密度聚四氟乙烯(PTFE)片。

18.根据权利要求17所述的垫圈材料，其中所述PTFE片包括全密度PTFE，其填充有微气球，钡，硫酸盐，和结晶二氧化硅中的至少一种。

19.根据权利要求17所述的垫圈材料，其中所述互连密封脊线，形成多个几何形状。

20.根据权利要求17所述的垫圈材料，其中在所述第一主表面的所述互连密封脊线，界定所述全密度PTFE片的所述第一主表面上的矩形凹槽阵列，并且在所述第二主表面的所述互连密封脊线，界定所述全密度PTFE片的所述第二主表面上的矩形凹槽阵列。