CN109334041A - 一种船舶轴密封静环材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶轴密封静环材料及其制备方法。所述制备方法是指：将处理过的长复合纤维，浸渍由填料、热固性树脂及有机溶剂构成胶液，经半烘干后缠绕编织成型，再经烘干、热压、退火、机加工等一系列步骤，得到最终船舶轴密封静环材料。本发明工艺与传统的静环相比更具优势，其结构的可设计性、优秀的润滑耐磨损性能和力学性能、良好的工艺性等非常突出。本发明方法改善最终静环材料的强度、吸水膨胀率、耐摩擦等性能，能够高效率、大规模稳定生产。

Description

一种船舶轴密封静环材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及船舶轴密封材料领域，具体涉及一种船舶轴密封静环材料及其制备方法。

背景技术

轴密封装置主要由摩擦副组成，摩擦副是动环和静环的总称,是构成机械密封最主要的元件，也是船舶运行中工作环境最复杂、工况最恶劣的部分。摩擦副运行时，由于受到弹簧力、密封压力、液膜开启力、摩擦力以及运行时惯性等作用，静环部分磨损较快，需定期更换，所以静环在很大程度上决定了艉轴密封装置的使用性能和寿命。静环是艇体上密封尺寸最大，工作环境最为恶劣的动密封设备，其性能的优劣直接影响到船舶运行的稳定性和安全性。静环作为易损件必须具有机械强度高、自润滑及水润滑性能好、耐摩擦磨损、工耐热和热冲击性能好、耐腐蚀性能强、线膨胀系数小和吸振性能强等优点，并且需要具有适当的硬度，进而达到船舶轴密封要求。

市场上关于静环的产品主要集中在机械液压密封静环上，对于船舶使用的静环产品种类单一且性能较差。目前使用的静环产品大多为橡胶、氟塑料及碳氟化合物材质，并且大多采用简单的热压成型工艺，所得到的产品抗压能力差，不适用于吃水过深、压力过大的工作环境；线速度低，不适用于大型轴密封部件；耐热性能较差，易变形，在高速摩擦下材料易烧焦发烟，最终导致密封失效，造成重大事故，因此现有技术和材料不适于大型船舶使用。酚醛树脂基体复合材料具有耐热，机械性能好，不易变形等优点，其经纤维增强后编织缠绕成型所得到的静环产品，能够满足大型船舶船轴密封的使用要求。纤维增强的树脂基复合材料具有很多传统材料所不具备的优异性能，例如具有良好机械强度、加工工艺性好、成型工艺成熟、适合大批量生产等。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种船舶轴密封静环材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供由所述制备方法得到的船舶轴密封静环材料。

本发明目的通过以下技术方案实现。

一种船舶轴密封静环材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将复合纤维以三股互绕的方式进行打捻处理，得到捻状结构纤维(纤维线)；再将热固性树脂、润滑剂和硅烷偶联剂溶于乙醇中配制成胶液；最后将捻状结构纤维浸润胶液后进行烘干，得到初步处理的长复合纤维；所得初步处理的长复合纤维中原有的复合纤维为主体成分；

(2)先将无机填料浸泡在钛酸酯偶联剂乙醇溶液中，烘干并重新分散，得到改性无机填料；再将有机填料浸泡在硅烷偶联剂乙醇溶液中，烘干并重新分散，得到改性有机填料；将热固性树脂、改性有机填料、改性无机填料和有机溶剂混合均匀得到胶黏液；

(3)将步骤(1)得到的初步处理的长复合纤维浸胶复合纤维浸入在步骤(2)得到的胶黏液中，抽出后烘干，得到包覆线；该包覆线中间成分为浸胶复合纤维，包覆层为树脂和填料组成的胶黏液，包覆线形成过程如附图3中所示；

(4)将步骤(3)得到的包覆线以缠绕编织方式填满模具，然后进行烘干处理，完全干燥后扣合模具，于硫化机上预热、预压、放气、加热加压固化成型为预制件；再在保压情况下对预制件进行热处理，而后进行退火处理，最终冷却至室温、开模并进行机加工，得到所述船舶轴密封静环材料。

本发明步骤(1)中首先将复合纤维以三股互绕的方式捻合在一起形成纤维线，可以增强纤维的强度等物理性能，然后将捻状结构纤维(纤维线)分别浸泡在混合胶液中，实现纤维分步集中，可通过胶液的浓度、物料种类等使得捻状结构纤维很好的交织在一起，捻状纤维本身形成结构紧凑、性能优良的浸胶复合纤维，进一步提高了捻状纤维本身的物理性能；然后通过胶黏液将物理性能提升的捻状纤维交织在一起，进一步提升纤维材质的物理性能，从而改善最终静环的强度、吸水膨胀率、耐摩擦等性能。通过本发明所述的浸胶复合纤维物理性能更稳定，在实际生产中，有效避免后续过程中因高压挤出使得模头腔内、外移动速度不同带来复合纤维断丝的情况，从而更加有利于连续生产。

进一步的，步骤(1)所述复合纤维是由连续长纤维与短纤维通过摩擦纺工艺制备的包芯纱结构的纤维。

所述连续长纤维包括尼龙6、芳纶纤维、涤纶等中的一种以上；所述短纤维包括棉纤维、麻纤维、纤维素纤维等中的一种以上。

进一步的，步骤(1)所述捻状结构纤维的捻度为0.5-3捻/厘米。

进一步的，步骤(1)所述热固性树脂、润滑剂的质量比为(50-95)：(5-50)，硅烷偶联剂用量为热固性树脂用量的0.5-4％，胶液的固含量为10-30％。

进一步的，步骤(1)所述烘干温度为60-95℃。

进一步的，步骤(2)所述钛酸酯偶联剂乙醇溶液的质量浓度为0.3％-1％；硅烷偶联剂乙醇溶液的质量浓度为0.3％-1％。

进一步的，步骤(2)所述胶黏液中改性无机填料、改性有机填料、热固性树脂的质量份数比为20-50：10-30：10-35；所述胶黏液固含量为60％-90％。

进一步的，步骤(3)所述烘干温度为50-80℃，时间为10-40分钟，直至包覆在纤维上的物料表面无粘黏状态，并且纤维保持一定柔韧性。

进一步的，步骤(4)中，使用缠绕编织机将包覆线填满模具，编织方式为单向缠绕，每匝并列靠紧排列，进线速度为1-10米/分钟。

进一步的，步骤(4)所述烘干温度为50-85℃，时间为10-48小时；硫化机预热为80-115℃，预压2-10分钟，放气2-4次，热压成型压力为5-25Mpa，温度为145-165℃，固化时间t＝d×v，其中d为受压后产品厚度，固化速度v为0.5-2毫米/分钟。

进一步的，步骤(4)所述热处理温度为170℃，热处理时间30-60分钟；退火至100-110℃，保温30-60分钟后，自然冷却至室温。

本发明还提供了一种由所述制备方法得到的船舶轴密封静环材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明采用分步浸泡法形成浸胶复合纤维，增强了复合纤维的物理性能，从而改善最终静环材料的强度、吸水膨胀率、耐摩擦等性能。

2、本发明所述的制备方法简便、可控，适合自动化连续生产，且无需加热挤出，能耗更低。

3、本发明所生产的静环材料，由于其内部填充大量有序排列的连续长纤维，使其具有高机械强度，大量填充的短纤维提供了优良的耐摩擦磨损的性能，因此该发明所生产的产品更具有优势。

4、本发明中润滑剂的加入，可有效降低静环与动环间的摩擦系数，减少静环的磨耗，降低摩擦阻力，减小能耗。

5、本发明中增加了详细的退火工艺，用以消除产品内部树脂不均匀结晶、取向、收缩导致的内应力，防止产品贮存、使用时发生开裂变形，进一步提升了产品性能。

附图说明

图1为船舶轴密封装置示意图，其中，1-1为密封环托架、1-2为静环、1-3为动环、1-4为传动卡环、1-5为船舶艉轴。

图2为复合纤维线的捻结构示意图。

图3为包覆线形成过程示意图，图中1为纤维线，2为导线滚，3为热固性树脂、填料和有机溶剂的胶黏液，4为导线滚，5为转动轮，6为加热烘干部件，7为收线辊。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种船舶轴密封静环材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将120d尼龙6连续长纤维与50mm长棉纤，以质量比1:3，通过摩擦纺得到细度为650d包芯纱结构的复合纤维；将复合纤维以三股互绕的方式进行打捻处理，捻度为0.5捻/厘米；将5000g酚醛树脂、500g硬脂酸正丁酯、30g KH550硅烷偶联剂用乙醇溶剂配制成胶液，胶液中酚醛树脂质量浓度为15％；将打捻后的复合纤维浸润该胶液后进行烘干，烘干温度为60℃，得到初步处理的长复合纤维；

(2)将1500目白云石粉填料用质量浓度为0.5％的钛酸酯偶联剂乙醇溶液进行浸泡处理1小时；将500目聚四氟乙烯粉填料用质量浓度为0.5％的硅烷偶联剂乙醇溶液进行浸泡处理1小时；以上两种填料处理后烘干，重新分散，分别得到改性白云石粉填料和改性聚四氟乙烯粉填料；

将酚醛树脂、改性白云石粉填料与改性聚四氟乙烯粉填料按照质量比15：25：10进行混合，以乙醇为溶液进行浸润并进行混炼，直至成为性状均一的胶黏液，得到的胶黏液的固含量为70％；

(3)将步骤(1)得到的初步处理的长复合纤维浸入在步骤(2)得到的胶黏液中，抽出后烘干至包覆层无粘连且包覆线仍保持柔软的状态，烘干温度为60℃，烘干时间为15分钟；包覆线形成过程如附图3中所示；

(4)将步骤(3)所得的包覆线以缠绕编织的方式将其填满模具，编织方式为单向缠绕，每匝并列靠近排列，进线速度为2米/分钟；

将用包覆线填满的模具从编织机上取下，置于烘箱中去除残留溶剂，温度为70℃，烘干24小时；平板硫化机预热为90℃，将模具放置平板硫化机上，预压5分钟，排气2次，然后放在温度为155℃平板硫化机上热压固化，成型压力为15Mpa，期间排气2次，固化时间t＝d×v，其中d为受压后产品厚度，固化速度v为0.8毫米/分钟，得到静环预制件；

将所得静环预制件随模具一同进行热处理，热处理温度为170℃，处理时间40分钟；将所得热处理后的产品随模具一同退火至100℃，保温60分钟后，自然冷却，脱模；将脱模后所得产品，按照产品需求进行机加工处理，得到船舶轴密封静环材料。

实施例2

一种船舶轴密封静环材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将120d尼龙6连续长纤维与50mm长棉纤，以质量比1:3，通过摩擦纺得到细度为650d包芯纱结构的复合纤维；该维复合纤维以三股互绕的方式进行打捻处理，捻度为1捻/厘米；将5000g酚醛树脂、4800g硬脂酸正丁酯、200gKH550硅烷偶联剂用乙醇溶剂配制成胶液，胶液中酚醛树脂质量浓度为25％；将打捻后的复合纤维浸润该胶液后进行烘干，烘干温度为70℃，得到初步处理的长复合纤维；

(2)将1000目陶土粉填料用质量浓度为1％的钛酸酯偶联剂乙醇溶液进行浸泡处理1小时；将500目聚四氟乙烯粉填料用质量浓度为1％的硅烷偶联剂乙醇溶液进行浸泡处理1小时；以上两种填料处理后烘干，重新分散，分别得到改性陶土粉填料和改性聚四氟乙烯粉填料；

将酚醛树脂、改性陶土粉填料与改性聚四氟乙烯粉填料按照质量比12：50：12进行混合，以乙醇为溶液进行浸润并进行混炼，直至成为性状均一的胶黏液，得到的胶黏液的固含量为90％；

(3)将步骤(1)得到的初步处理的长复合纤维浸入在步骤(2)制备的胶黏液中，抽出后烘干至包覆层无粘连且包覆线仍保持柔软的状态，烘干温度为75℃，烘干时间为10分钟；

(4)将步骤(3)所得的包覆线以缠绕编织的方式将其填满模具，编织方式为单向缠绕，每匝并列靠近排列，进线速度为3.5米/分钟；

将用包覆线填满的模具从编织机上取下，置于烘箱中去除残留溶剂，温度为65℃，烘干36小时；平板硫化机预热为85℃，将模具放置平板硫化机上，预压10分钟，排气2次，然后放在温度为160℃平板硫化机上热压固化，成型压力为10MPa，固化时间t＝d×v，其中d为受压后产品厚度，固化速度v为1毫米/分钟，得到静环预制件；

将静环预制件随模具一同进行热处理，热处理温度为170℃，处理时间50分钟；将所得热处理后的产品随模具一同退火至110℃，保温30分钟后，自然冷却，脱模；将脱模后所得产品，按照产品需求进行机加工处理，得到船舶轴密封静环材料。

实施例3

一种船舶轴密封静环材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将120d尼龙6连续长纤维与50mm长棉纤，以质量比1:3，通过摩擦纺得到细度为650d包芯纱结构的复合纤维；将复合纤维以三股互绕的方式进行打捻处理，捻度为2.5捻/厘米；将9000g酚醛树脂、1000g硬脂酸正丁酯、150gKH550硅烷偶联剂用乙醇溶剂配制成胶液，胶液中酚醛树脂质量浓度为20％；将打捻后的复合纤维浸润该胶液后进行烘干，烘干温度为85℃，得到初步处理的长复合纤维；

(2)将1500目陶土粉填料用质量浓度为0.5％的钛酸酯偶联剂乙醇溶液进行浸泡处理1小时；将500目聚四氟乙烯粉填料用质量浓度为0.5％的硅烷偶联剂乙醇溶液进行浸泡处理1小时；以上两种填料处理后烘干，重新分散，分别得到改性陶土粉填料和改性聚四氟乙烯粉填料；

将酚醛树脂、改性陶土粉填料与改性聚四氟乙烯粉填料按照质量比12：50：12进行混合，以乙醇为溶液进行浸润并进行混炼，直至成为性状均一的胶黏液，得到的胶黏液的固含量为90％；

(3)将步骤(1)得到的初步处理的长复合纤维浸入在步骤(2)制备的胶黏液中，抽出后烘干至包覆层无粘连且包覆线仍保持柔软的状态，烘干温度为60℃，烘干时间为15分钟；

(4)将步骤(3)所得的包覆线以缠绕编织的方式将其填满模具，编织方式为单向缠绕，每匝并列靠近排列，进线速度为2米/分钟；

将用包覆线填满的模具从编织机上取下，置于烘箱中去除残留溶剂，温度为65℃，烘干30小时；平板硫化机预热为95℃，将模具放置平板硫化机上，预压4分钟，排气3次，然后放在温度为165℃平板硫化机上热压固化，成型压力为8Mpa，期间排气3次，固化时间t＝d×v，其中d为受压后产品厚度，固化速度v为1.2毫米/分钟，得到静环预制件；

将所得静环预制件随模具一同进行热处理，热处理温度为170℃，处理时间40分钟；将所得热处理后的产品随模具一同退火至100℃，保温60分钟后，自然冷却，脱模；将脱模后所得产品，按照产品需求进行机加工处理，得到船舶轴密封静环材料。

实施例1～3所得到的船舶轴密封静环材料性能如表1所示：

表1

注：

压缩强度测试方法：GB/T1041-2008《塑料压缩性能的测定》

抗冲击强度(IZOD)测试方法：GB/T1843-2008《塑料悬臂梁冲击性能的测定》

洛氏硬度测试方法：GB/T3398.2-2008《塑料硬度测定第2部分：洛氏硬度》

线膨胀系数测试方法：GB/T1036-2008《塑料-30℃～30℃线膨胀系数的测定石英膨胀计法》

吸水率测试方法：GB/T1034-2008《塑料吸水率的测定》

吸水膨胀率(从完全干燥到完全饱和)测试方法：制备25mm×25mm×25mm样块三块，完全干燥后，在20℃下测量三个方向原始厚度尺寸，然后浸没在去离子水中，48小时候测量其厚度尺寸，与原始厚度比较得到吸水膨胀率。

密度测试方法：GB/T1033.1-2008《塑料非泡沫塑料密度的测定第一部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》

摩擦系数测试方法：GB/T3960-1983《塑料滑动摩擦磨损试验方法》

磨损量(运行100小时)测试方法：GB/T3960-1983《塑料滑动摩擦磨损试验方法》

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船舶轴密封静环材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)先将复合纤维以三股互绕的方式进行打捻处理，得到捻状结构纤维；再将热固性树脂、润滑剂和硅烷偶联剂溶于乙醇中配制成胶液；最后将捻状结构纤维浸润胶液后进行烘干，得到初步处理的长复合纤维；

(2)先将无机填料浸泡在钛酸酯偶联剂乙醇溶液中，烘干并重新分散，得到改性无机填料；再将有机填料浸泡在硅烷偶联剂乙醇溶液中，烘干并重新分散，得到改性有机填料；将热固性树脂、改性有机填料、改性无机填料和有机溶剂混合均匀，得到胶黏液；

(3)将步骤(1)得到的初步处理的长复合纤维浸胶复合纤维浸入在步骤(2)得到的胶黏液中，抽出后烘干，得到包覆线；

(4)将步骤(3)得到的包覆线以缠绕编织方式填满模具，然后进行烘干处理，完全干燥后扣合模具，于硫化机上预热、预压、放气、加热加压固化成型为预制件；再在保压条件下对预制件进行热处理，而后进行退火处理，最终冷却至室温、开模并进行机加工，得到所述船舶轴密封静环材料。

2.根据权利要求1所述的一种船舶轴密封静环材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述复合纤维是由连续长纤维与短纤维通过摩擦纺工艺制备的包芯纱结构的纤维。

3.根据权利要求1所述的一种船舶轴密封静环材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述捻状结构纤维的捻度为0.5-3捻/厘米。

4.根据权利要求1所述的一种船舶轴密封静环材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述热固性树脂、润滑剂的质量比为(50-95)：(5-50)，硅烷偶联剂用量为热固性树脂用量的0.5-4％，胶液的固含量为10-30％。

5.根据权利要求1所述的一种船舶轴密封静环材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述钛酸酯偶联剂乙醇溶液的质量浓度为0.3％-1％；硅烷偶联剂乙醇溶液的质量浓度为0.3％-1％。

6.根据权利要求1所述的一种船舶轴密封静环材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述胶黏液中改性无机填料、改性有机填料、热固性树脂的质量份数比为20-50：10-30：10-35；所述胶黏液固含量为60％-90％。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种船舶轴密封静环材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，使用缠绕编织机将包覆线填满模具，编织方式为单向缠绕，每匝并列靠紧排列，进线速度为1-10米/分钟。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种船舶轴密封静环材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述烘干温度为50-85℃，时间为10-48小时；硫化机预热为80-115℃，预压2-10分钟，放气2-4次，热压成型压力为5-25Mpa，温度为145-165℃，固化时间t＝d×v，其中d为受压后产品厚度，固化速度v为0.5-2毫米/分钟。

9.根据权利要求1-6任一项所述的一种船舶轴密封静环材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述热处理温度为170℃，热处理时间30-60分钟；退火至100-110℃，保温30-60分钟后，自然冷却至室温。

10.一种船舶轴密封静环材料，其特征在于，其由权利要求1至9任一项所述的一种船舶轴密封静环材料的制备方法制得。