CN104685271A - 水泵用唇形密封 - Google Patents

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Abstract

提供水泵用唇形密封，该水泵用唇形密封为固定在作为固定侧的壳体、与和该壳体相对旋转的轴形成滑动状态的橡胶状弹性体制唇形密封，其中，该唇形密封是将相对于每100重量份橡胶状弹性体，配合有增强性填充剂1～150重量份、平均粒径1μm以上的非增强性填充剂5～90重量份、偶联剂0.1～5重量份、共交联剂1～15重量份和有机过氧化物0.5～10重量份的橡胶组合物硫化成型而成，具有表面粗糙度Ra (根据与ISO 4287对应的JIS B0601)为1~30μm的滑动面。该唇形密封取得下述效果：可以防止成为转矩或耐LLC性的问题的橡胶状弹性体的软化或体积溶胀、进而防止对旋转轴的堆积物的产生。

Description

水泵用唇形密封
技术领域
本发明涉及水泵用唇形密封。更具体而言，涉及固定在作为固定侧的壳体、与和该壳体相对旋转的轴形成滑动状态的橡胶状弹性体制水泵用唇形密封。
背景技术
长效冷却液(LLC、long-life coolant)等水系流体的密封中使用的唇形密封的情况下，由于滑动面的润滑性差，因此由于滑动所导致的磨耗大，放热也大。对于添加了有机酸、特别是2-乙基己酸的LLC而言，唇形密封的软化或溶胀大，密封性降低。另外，对于添加了磷酸盐或硅酸盐的LLC而言，磷酸化合物或硅酸盐化合物在轴上堆积，在与唇形密封之间产生间隙，结果密封性降低。
为了提高这种情况的润滑性，专利文献1中记载了在水泵用密封装置中使用唇部润滑用的润滑脂的技术方案。
更具体而言，在使LLC等密封流体不会从机器内侧泄漏到机器外侧的、安装在壳体和轴间的水泵用密封装置中，作为可以提高密封唇滑动部的润滑性、由此可以防止密封唇提前滑动磨耗的密封装置，其构成为：具有多个密封唇、和含浸有唇部润滑用润滑脂的润滑脂含浸部件，在多个密封唇之间的空间部配置润滑脂含浸部件的构成；或者具有固定在轴上的套筒（スリーブ）、在套筒上滑动的第一及第二密封唇、支承环、和润滑脂含浸部件，在作为两密封唇之间的空间部的、套筒和支承环在径向上对置的径向间隙部配置润滑脂含浸部件的构成。
另一方面，提出了相对于每100重量份氢化丁腈橡胶，配合总量约为120重量份以上的炭黑和其它的填充剂，例如石墨、碳纤维、二氧化硅、滑石、粘土、PTFE粉末、活性炭钙、硅酸钙等，提供20℃下的导热系数为0.4W/m·k以上、50%模量为14MPa以上的交联物的氢化丁腈橡胶组合物(参照专利文献2)，指出由于该交联物可以大幅降低滑动时的放热量，因而优选用作滑动用或高压用密封材料，但是将该交联物在LLC等水系流体的密封中用作唇形密封时，也不能避免如前面所述的各种性状的降低。
此外，也提出了相对于100重量份的NBR，含有白炭黑(二氧化硅)1～150重量份和平均粒径2μm以下且莫氏硬度6以上的无机化合物0.5～50重量份的NBR组合物，所述无机化合物例如为氧化铝、碳化硅、碳化钨、氧化锆、氧化铁、氧化钛、石英粉、氮化钛、碳化钛、碳化锆等(参照专利文献3)，记载了该NBR组合物的硫化成型物可以实现密封材料用于滑动部位时的长寿命化及节能化而不会损害耐磨耗性，但是将其在LLC等水系流体的密封中用作唇形密封时，仍不能避免如前面所述的各种性状的降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-180342号公报
专利文献2：日本特开2002-080639号公报
专利文献3：日本特开2006-037044号公报。
发明内容
本发明的目的在于，提供水泵用唇形密封，该水泵用唇形密封为固定在作为固定侧的壳体、与和该壳体相对旋转的轴形成滑动状态的橡胶状弹性体制唇形密封，其并非利用结构上的解决方案，而是作为材质上的解决方法，可以防止成为转矩或耐LLC性的问题的橡胶状弹性体的软化或体积溶胀、进而防止对旋转轴的堆积物的产生。
上述本发明的目的通过下述水泵用唇形密封达成，该水泵用唇形密封为固定在作为固定侧的壳体、与和该壳体相对旋转的轴形成滑动状态的橡胶状弹性体制唇形密封，其中，该唇形密封是将相对于每100重量份橡胶状弹性体，配合有增强性填充剂1～150重量份、平均粒径1μm以上的非增强性填充剂5～90重量份、偶联剂0.1～5重量份、共交联剂1～15重量份和有机过氧化物0.5～10重量份的橡胶组合物硫化成型而成，具有表面粗糙度Ra (根据与ISO 4287对应的JIS B0601)为1~30μm的滑动面。
本发明的水泵用唇形密封，通过将在橡胶状弹性体中配合有增强性填充剂、平均粒径1μm以上的非增强性填充剂、偶联剂、共交联剂和有机过氧化物的橡胶组合物硫化成型，形成具有特定的表面粗糙度(根据与ISO 4287对应的JIS B0601)的滑动面，从而LLC等水系流体所导致的橡胶材料的软化或溶胀、对旋转轴的堆积物的产生都可以有效地得到抑制。
特别是，通过填充剂存在于轴滑动面的接触面来调整表面粗糙度，因此与通过模具或送风处理等对硫化橡胶表面的表面粗糙度进行加工来调整不同，即使是易在轴上堆积的添加了磷酸的LLC，填充剂也会将堆积物切削的效果持续，不仅初期，而且在密封磨耗后也观察不到堆积，取得这样的优异的效果。进而，对唇形密封的滑动面赋予表面粗糙度Ra为1～30μm左右的粗糙度，在此形成液膜而使润滑状态良好，从而转矩降低。另外，由于转矩降低，滑动放热降低，也可以抑制磨耗。此外，通过添加平均粒径1μm以上的填充剂来使用，可以抑制橡胶状弹性体的硬度升高，同时抑制浸透LLC等水系流体时的软化或体积溶胀。
具体实施方式
作为用于形成水泵用唇形密封的橡胶状弹性体，可以使用氢化丁腈橡胶、EPDM、氟橡胶等中的至少一种橡胶状弹性体，优选使用氢化丁腈橡胶。其中，作为氢化丁腈橡胶，优选使用不具有末端官能基团的氢化丁腈橡胶。
作为增强性填充剂，可列举出例如炭黑、二氧化硅等。此外，使用其平均粒径为5nm~150μm、优选为5nm~50μm的增强性填充剂。这些增强性填充剂相对于每100重量份橡胶状弹性体，以1～150重量份、优选30～70重量份的比例使用。若增强性填充剂的配合比例少于此，则得不到所需要的橡胶物性值，另一方面若以多于此的比例使用，则橡胶的密封性降低。
作为非增强性填充剂的除增强性填充剂以外的填充剂，可以使用各种非增强性填充剂，但优选使用利用激光分析法测定的平均粒径(对于碳纤维而言为纤维直径)为1μm以上、优选为1～40μm的硅酸铝(Al2O3·SiO2)、硅酸镁(4SiO2·3MgO·H2O)、硅酸钙(CaSiO3)等硅酸盐、碳纤维、氧化铁、氧化钛、硅藻土等。通过使用这种平均粒径的非增强性填充剂，可以抑制硬度升高，同时抑制LLC浸透时的软化或体积溶胀。另外，通过这种填充剂存在于滑动面，可以将使用添加了磷酸盐等的LLC时产生的对轴的堆积物切削，而持续抑制堆积。
进而，对滑动面赋予约1～30μm左右的粗糙度，通过该粗糙度的作用，形成液膜，而使润滑状态良好，从而可以降低转矩、降低滑动放热、抑制磨耗等。赋予滑动面约1~30μm的表面粗糙度可通过调整填充剂种类、其配合量来进行。Ra小于此时，滑动面的润滑状态变差，且堆积物的切削效果变小，因此在滑动面上易产生堆积物，密封性变差。另一方面，Ra大于此时，滑动面的间隙变大，密封性还是变差。
另一方面，若使用平均粒径小于1μm的非增强性填充剂，则堆积物的切削效果减小，不能确保使用添加了磷酸盐等的LLC时的密封性，进而液膜形成能力降低，因此导致润滑状态变差。
这些非增强性填充剂，相对于每100重量份橡胶状弹性体，以5～90重量份、优选为5～70重量份的比例使用。若填充剂的配合比例少于此，则得不到作为本发明目的的所希望的效果，另一方面，若以多于此的配合比例使用，则物性评价(切断时的伸长率)降低。
作为偶联剂，使用硅烷系、钛系、锆系、铝系等偶联剂，优选使用硅烷系偶联剂。偶联剂的存在加强橡胶/填充剂之间的密合性，抑制在LLC浸透时发生的在橡胶/填充剂界面所产生的LLC积存现象，结果软化或溶胀得到抑制。另外，通过填充剂的体积效应，溶胀的橡胶聚合物的体积相对减少，因此从这种观点考虑，溶胀也得到抑制。
作为硅烷系偶联剂，例如使用乙烯基三氯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基乙氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、3-环氧丙氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、对苯乙烯基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、N-2-(氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-苯基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷等乙烯基系、环氧丙氧基系、甲基丙烯酰氧基系或氨基系的硅烷系偶联剂。
作为钛系偶联剂，例如使用二异丙氧基双(三乙醇胺)钛、乳酸钛铵盐、乳酸钛、二辛氧基双(亚辛基乙醇酸)钛等，作为锆系偶联剂，例如使用四正丁醇锆、四乙酰丙酮锆、三丁氧基单乙酰丙酮锆、单丁氧基乙酰丙酮双(乙基乙酰乙酸)锆、丁氧基双(乙基乙酰乙酸)锆、四乙酰丙酮锆、三丁氧基单硬脂酸锆等，另外，作为铝系偶联剂，例如使用乙酰烷氧基二异丙醇铝等。
这些偶联剂，相对于每100重量份橡胶状弹性体以0.1～5重量份、优选为0.5～3重量份的比例使用。若偶联剂的配合比例少于此，则浸渍试验的结果变差，另一方面，若以高于此的配合比例使用，则导致断裂时伸长率等物性的降低。
作为有机过氧化物，例如相对于每100重量份橡胶状弹性体，以0.5～10重量份、优选为1～8重量份的比例使用叔丁基过氧化物、过氧化二异丙苯、过氧化叔丁基异丙苯、1,1-二(过氧化叔丁基)-3,3,5-三甲基环己烷、2,5-二甲基-2,5-二(过氧化叔丁基)己烷、2,5-二甲基-2,5-二(过氧化叔丁基)己炔-3、1,3-二(叔丁基过氧化异丙基)苯、2,5-二甲基-2,5-二(过氧化苯甲酰基)己烷、过氧化苯甲酸叔丁酯、叔丁基过氧化异丙基二碳酸酯、正丁基-4,4-二(过氧化叔丁基)戊酸酯等。
进行有机过氧化物交联时，相对于每100重量份橡胶状弹性体，以1～15重量份、优选2～10重量份的比例使用作为共交联剂的多官能性不饱和化合物，例如三烯丙基异氰脲酸酯、三烯丙基氰脲酸酯、三烯丙基偏苯三酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、N,N’-间亚苯基双马来酰亚胺等。通过使用共交联剂，交联变得紧密，LLC浸透时的软化或溶胀得到抑制。因此，为少于此的配合比例时，浸渍试验的结果差，即，不能充分抑制软化或溶胀，另一方面，若以多于此的比例使用，则在切断时伸长率等物性评价中得到差的结果。
在包含以上各成分的组合物中，可以根据需要适当添加硬脂酸、棕榈酸、石蜡等加工助剂，氧化锌、氧化镁、水滑石等受酸剂，抗老化剂，增塑剂等橡胶工业中通常使用的配合剂来使用。
橡胶组合物的制备通过使用肖氏密炼机、捏合机、班伯里密炼机等混炼机或开炼机等进行混炼来进行，其交联通过使用注射成型机、压缩成型机、加压硫化机等，通常在约150～200℃下加热约3～60分钟左右来进行，根据需要进行在约100～200℃下加热约1～24小时左右的二次交联。
在经过硫化成型的唇形密封上，通过平均粒径1μm以上的填充剂的存在，形成其滑动面的表面粗糙度Ra(JIS B 0601定义的算术平均高度)为1～30μm的凹凸，因此用作固定在作为固定侧的壳体、与和该壳体相对旋转的轴形成滑动状态的橡胶状弹性体制唇形密封时，发挥如前面所述的各种效果。
[实施例]
接着通过实施例对本发明进行说明。
实施例1
用10英寸辊将以上各成分混炼，对混炼物进行180℃下、5分钟的一次硫化和150℃下、1小时的烘炉硫化(二次硫化)，分别硫化成型为片状橡胶片材(厚度2mm)和唇形密封。
对所得到的交联物，进行以下各项目的测定。需要说明的是，作为试验片，物性评价、浸渍试验使用片状橡胶，另外，转矩试验、堆积试验使用唇形密封。
物性评价：根据与ISO 37对应的JIS K6251，测定切断时伸长率，150%以上的情况评价为○、小于150%的情况评价为×。
转矩试验：以水作为密封流体，使直径15mm的轴以转速0～5000rpm旋转并测定转矩，与比较例1相比转矩低的情况评价为○、转矩为同等或更大的情况评价为×。
浸渍试验：根据与ISO 1817对应的JIS K6258，在120℃、大气压(自然升温)、200小时的条件下浸渍在添加了有机酸的LLC水溶液(浓度30容积%)中，浸渍后的体积变化率小于＋10%的情况评价为○、为＋10%以上的情况评价为×。
堆积试验：将添加了磷酸的LLC水溶液(浓度30容积%)作为密封流体，在6000rpm、120℃、0.15MPa、50小时的条件下实施旋转试验，试验后在轴的滑动部没有堆积的情况评价为○、有堆积的情况评价为×。
表面粗糙度：根据与ISO 4287对应的JIS B0601，测定唇形密封滑动面的算术平均高度Ra (3次)。
密封性：测定堆积试验时LLC水溶液的泄漏速度(ml/小时)，泄漏速度小于0.2ml/小时的情况评价为○，为0.2ml/小时以上的情况评价为×。
实施例2
在实施例1中，将硅酸铝量变更为5重量份来使用。
实施例3
在实施例1中，将硅酸铝量变更为70重量份来使用。
实施例4
在实施例1中，将硅酸铝量变更为30重量份，进而使用碳纤维(大阪燃气化学制品ドナカーボS-241；纤维直径13μm、纤维长度130μm)15重量份。
实施例5
在实施例1中，使用等量(100重量份)的EPDM(三井化学制品EPT3045)来替代氢化丁腈橡胶。
实施例6
使用以上各成分，与实施例1同样地进行混炼，进行硫化成型及测定。
实施例7
在实施例1中，使用等量(15重量份)的硅酸钙(NYCO制品NYAD 1250；平均粒径4.5μm)来替代硅酸铝。
实施例8
在实施例4中，使用等量(30重量份)的硅酸钙(NYAD 1250)来替代硅酸铝。
实施例9
在实施例1中，使用40重量份碳纤维(大阪燃气化学制品ドナカーボS-341：纤维直径18μm，纤维长度180μm)来替代硅酸铝。
各实施例中得到的评价结果和所使用的各成分量(单位：重量份)共同示于下面的表1中：
表1
。
比较例1
在实施例1中，使用等量(15重量份)的粘土(竹原化学工业制品ハイドライト；平均粒径0.68μm)来替代硅酸铝。
比较例2
在实施例1中，将硅酸铝量变更为100重量份来使用。
比较例3
在实施例1中，将共交联剂A量变更为20重量份来使用。
比较例4
在实施例1中，不使用硅烷系偶联剂。
比较例5
在实施例1中，不使用共交联剂A。
比较例6
在实施例1中，硅酸铝、硅烷系偶联剂和共交联剂A都不使用。
实施例7
在比较例1中，使用30重量份云母粉(林化成制品MC-120W、粒径53.3μm)来替代粘土。
各比较例中得到的评价结果和所使用的各成分量(单位：重量份)共同示于下面的表2中：
表2
。

Claims (8)

1.水泵用唇形密封，其为固定在作为固定侧的壳体、与和该壳体相对旋转的轴形成滑动状态的橡胶状弹性体制唇形密封，该唇形密封是将橡胶组合物硫化成型而成，具有表面粗糙度Ra (根据与ISO 4287对应的JIS B0601)为1~30μm的滑动面，其中，所述橡胶组合物，相对于每100重量份橡胶状弹性体，配合有1～150重量份增强性填充剂、5～90重量份平均粒径1μm以上的非增强性填充剂、0.1～5重量份偶联剂、1～15重量份共交联剂和0.5～10重量份有机过氧化物。
2.如权利要求1所述的水泵用唇形密封，其中，橡胶状弹性体为氢化丁腈橡胶、EPDM或氟橡胶。
3.如权利要求1所述的水泵用唇形密封，其中，氢化丁腈橡胶为不具有末端官能基团的氢化丁腈橡胶。
4.如权利要求1所述的水泵用唇形密封，其中，非增强性填充剂为选自硅酸铝、硅酸镁、硅酸钙、碳纤维、氧化铁、氧化钛和硅藻土中的至少一种。
5.如权利要求1或4所述的水泵用唇形密封，其中，使用平均粒径1～40μm的非增强性填充剂。
6.如权利要求1或4所述的水泵用唇形密封，其中，使用5～70重量份的非增强性填充剂。
7.如权利要求1所述的水泵用唇形密封，其中，增强性填充剂为炭黑或二氧化硅。
8.如权利要求1或7所述的水泵用唇形密封，其中，使用30~70重量份的增强性填充剂。
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