CN109435270B - 一种船舶轴系端面密封用静环材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶轴系端面密封用静环材料及其制备方法。本发明所述静环材料包括复合纤维、浸泡溶液和粘稠胶液，其制备原料包括复合纤维、浸泡溶液和粘稠胶液；其中，所述复合纤维由芯材纤维和包覆层纤维按照质量比为1：(9～49)制成，浸泡溶液由热固性树脂、润滑剂和有机溶剂混合而成，粘稠胶液由热固性树脂、填料和有机溶剂组成。本发明所述静环材料力学性能好，耐摩擦磨损，摩擦系数低，吸水率高，吸水膨胀率低，工作温度高，且制备工艺简单，成本低。本发明所述静环不仅可用于军用船只轴密封系统，还可用于民用船只、海洋平台、深海航行器等的轴密封系统。

Description

一种船舶轴系端面密封用静环材料及其制备方法
技术领域
本发明属于密封材料技术领域，具体涉及一种船舶轴系端面密封用静环材料及其制备方法。
背景技术
船舶艉轴装置，是船舶轴系的主要部件之一，其性能的好坏直接影响到船舶的正常运行和经济性。同时，对防止船舶污染水域、保护环境起着十分重要的作用。船舶艉轴密封装置(如图1所示)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。由图1所示，船舶艉轴密封装置中的静环可以起到隔离作用，使得内侧海水被静环隔离无法进入舱室，即静环起到了密封的作用。摩擦副运行时，由于受到弹簧力、密封海水压力、液膜开启力、摩擦力以及运行时惯性力等作用，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。静环作为易损件必须具有机械强度高、自润滑性能好、耐磨性好、导热性好、耐热和热冲击性能好、耐腐蚀性能强、线膨胀系数小、加工工艺好、吸振性能强等优点。
静环材料早期一般都采用铁梨木、合成橡胶和高分子复合材料等。铁梨木原产于南美，它密度很大、耐磨、遇水略有膨胀。将铁梨木制成与动环直径相当的圆环，传动轴从环中穿过，这样可以基本保证密封性。但由于铁梨木材质较硬，与铜质动环配对时，动环磨损较大，使用过程中密封性能逐渐变差，会有部分海水渗入艉轴密封舱，要定期将水排出船外。同时铁梨木主要依赖进口、生长周期较长、价格昂贵，现在已经基本不再使用。静环制备时使用较多的是合成橡胶、工程塑料、高分子树脂等多功能复合材料，树脂基复合摩擦材料就是以聚合物树脂作为粘结剂，无机或有机纤维作为增强材料，并以各种填料作为摩擦性能调节剂和工艺配合剂，经特定工艺制成的高分子多元复合材料。树脂基摩擦材料以其结构的可设计性、优良的摩擦磨损性能、良好的工艺成为静环摩擦材料的主流产品，在万吨级以下的民用船舶中得到了广泛的应用。但其制造工艺较复杂、摩擦系数较大，且强度和刚度等力学性能稍差，长期在海水中使用，容易发生变形和开裂，加上浮游生物、泥沙等的嵌入，不仅损耗功率，还使动环磨损加剧，缩短了使用寿命，经常需要维修和更换密封用的动环和静环。随着舰船的大型化，特别是万吨级以上的大型舰船，艉轴静环复合材料的承受水压越来越大，转速也越来越高，要求所用静环材料除具有良好的耐摩擦磨损、密封性能外，还要具有较高的强度和韧性，仅靠普通的树脂基复合材料不能保证密封效果。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种船舶轴系端面密封用静环材料。本发明所述静环材料力学性能好，耐摩擦磨损，摩擦系数低，吸水率高，吸水膨胀率低，工作温度高，且制备工艺简单，成本低。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种船舶轴系端面密封用静环材料，其制备原料包括复合纤维、浸泡溶液和粘稠胶液；其中，所述复合纤维由芯材纤维和包覆层纤维按照质量比为1:(9～49)制成，浸泡溶液由热固性树脂、润滑剂和有机溶剂混合而成，粘稠胶液由热固性树脂、填料和有机溶剂组成。
进一步的，所述芯材纤维包括长纤维纱线、织造材料或非织造材料中的一种；所述包覆层纤维包括天然纤维素纤维、纤维素胶黏纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、芳纶纤维和碳纤维中的一种以上。
进一步的，芯材纤维被包覆层纤维所包覆形成连续的长包芯结构纤维，三股长包芯结构纤维为一组进行打捻成为一股，即为所述复合纤维。
复合纤维中长纤维纱线、织造材料或非织造材料中的一种作为芯材纤维，起到增强作用，以免复合纤维在操作过程中发生断丝，此外还起到增强静环材料机械强度、提高力学性能的作用；天然纤维素纤维、纤维素胶黏纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、芳纶纤维和碳纤维中的一种以上组成包覆层，其主要作用为增强静环材料的力学性能、调节亲水性、增强耐摩擦磨损性能，是静环材料的主体材料之一。芯材纤维和包覆层纤维的质量比为1:49～1:9，如果芯材纤维低于该最低比例，将使复合纤维在后续处理时容易发生断丝，静环力学性能过低；如果芯材纤维高于最高比例，将使复合纤维中短纤含量过低，使静环亲水性能和耐摩擦磨损性能过低。
进一步的，所述复合纤维的细度为900～4000tex，优选1500tex，该复合纤维制备涉及的具体操作可以采用相关领域技术人员熟知的方式和设备获得。
进一步的，所述浸泡溶液中，热固性树脂与润滑剂的质量比为1:3～1:0。其中，热固性树脂与润滑剂的质量比为1：0是指浸泡溶液中不加润滑剂的情况。
进一步的，所述浸泡溶液中，热固性树脂与润滑剂的总质量占浸泡溶液质量的5％～40％；润滑剂质量占浸泡溶液质量的0％～35％。
所述浸泡溶液中热固性树脂起到粘接剂的作用，用来粘接芯材纤维和包覆层纤维，即复合纤维本身的粘接。
更进一步的，所述润滑剂包括脂肪酸类润滑剂等能够起到润滑作用的试剂。
进一步的，所述粘稠胶液中，热固性树脂与填料质量比为15:85～75:25，有机溶剂质量占粘稠胶液质量的20％-80％。所述粘稠胶液中的热固性树脂的作用是将处理后复合纤维和填料粘结在一起。
进一步的，本发明所述热固性树脂包括热固性酚醛树脂、热固性聚酯基树脂或热固性环氧树脂中的一种以上。
进一步的，所述填料为陶土粉、白云石粉、蛭石粉、滑石粉、石墨粉、二硫化钼粉和PTFE粉中的一种以上。
进一步的，所述粘稠胶液通过以下步骤制备得到：取热固性树脂5～60重量份、陶土粉0～30重量份、白云石粉0～35重量份、蛭石粉0～40重量份、滑石粉0～35重量份、石墨粉0～50重量份、二硫化钼粉0～50重量份、PTFE粉0～50重量份混匀后，加入有机溶剂，再经混炼均匀后得到粘稠胶液。
本发明中通过调节有机溶剂占粘稠胶液的质量百分比来调整粘稠胶液的粘稠度；本发明所述的有机溶剂可以是乙醇等。
所述船舶轴系端面密封用静环材料通过如下步骤制备：先将芯材纤维和包覆层纤维制成复合纤维，复合纤维经浸泡溶液浸渍饱和得到处理后复合纤维，然后将处理后复合纤维用粘稠胶液包裹，经粘稠胶液包裹后的复合纤维半烘干后经缠绕编织填满模具，经进一步烘干后扣合模具，加热加压成型，退火，得到所述船舶艉轴密封用静环材料。
更具体的，所述船舶轴系端面密封用静环材料通过如下步骤制备：将经粘稠胶液包裹后的复合纤维半烘干后经缠绕编织逐层填满圆环形静环模具，圆环形静环模具如图2所示，经50～80℃烘干24～36小时后扣合模具，然后加热加压成型，压强为1～5MPa，温度为160～180℃，固化成型后，置于150～160℃烘箱中退火1～2小时，再将烘箱温度降至90～100℃退火24～48小时后，室温放置冷却，得到静环材料。
进一步的，所述处理后复合纤维包裹的粘稠胶液烘干后的厚度为0.1mm-3mm；该船舶轴系端面密封用静环材料中热固性树脂质量(包括浸泡溶液和粘稠胶液中热固性树脂的总和)占比为6％～40％，填料质量占比为10％～70％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明所述静环材料不仅具有优异的密封性能，硬度适中、承载大，具有机械强度高、自润滑性能好、耐磨性好(耐干摩擦磨损、耐湿摩擦磨损和耐混合摩擦磨损)、导热性好、耐热和热冲击性能好、耐腐蚀性能强、线膨胀系数小、加工工艺好等优点，还具有良好的亲水性，具有较高的吸水率和较低的吸水膨胀率。
2、本发明所述静环材料其性能可达到如下指标：极限压缩强度≥128MPa；压缩模量，轴向≥2.4GPa，周向≥4.9GPa；冲击强度(IZOD)≥35kJ/cm2；洛氏硬度≥53M；吸水率不低于5.5％；吸水膨胀率≤1.1％；密度1.55-1.65g/cm3；摩擦系数≤0.11；磨损量≤6.8mm(运行100小时)。
3、本发明所述静环材料制备工艺简单易行、成本低，适用于大规模生产。
4、本发明所述静环材料使用范围广泛，不仅可用于军用船只轴密封系统，还可用于民用船只、海洋平台、深海航行器等的轴密封系统。
本发明所提供的静环材料可用作现有橡胶、酚醛层压板、铁梨木等静环材料的直接替代品，能够与铜合金动环组成端面机械密封副，如图1所示，，从而静环内侧海水被隔离无法进入舱室。
附图说明
图1为船舶艉轴密封副结构图，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为圆环形静环模具图，其中，2-1为底板、2-2为缠绕轴、2-3为热压活塞、2-4和2-5分别为2个外壁半环。
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
一种船舶轴系端面密封用静环材料，由细度为2000(tex)的复合纤维、浸泡溶液和粘稠胶液制成。其中，复合纤维由550d长芳纶纤维纱线作为芯材纤维、纤维素胶黏纤维与聚酰胺纤维组成的混合短纤维作为包覆层纤维，经互绕打捻制成，其中芯材纤维和包覆层纤维的质量比为1:10；
浸泡溶液由热固性酚醛树脂和硬脂酸正丁酯按照质量比为90:10混合，再加入乙醇，经混炼后得到，热固性酚醛树脂和硬脂酸正丁酯总质量占浸泡溶液质量的30％；
粘稠胶液由热固性酚醛树脂与填料按照重量比为30:70混合后，加入乙醇，混炼均匀后得到；填料由陶土粉、白云石粉按重量比35:65组成，乙醇质量占粘稠胶液质量的55％。
所述船舶轴系端面密封用静环材料具体制备过程如下：
将复合纤维浸渍在浸泡溶液中，浸泡至复合纤维达到饱和后晾干，得到处理后复合纤维；然后将处理后复合纤维用粘稠胶液包裹，经50℃半烘干30h后，缠绕编织填满模具(图2所示)，然后经过进一步烘干，扣合模具，再经加热加压成型，其中压强为8MPa，温度为160℃，最后在150℃烘箱中先退火1小时，再在100℃退火24h后，室温下冷却得到静环材料。
在本实施例所制得的静环材料中，热固性酚醛树脂质量占比为6％、填料质量占比为70％，静环材料中复合纤维之间的热固性酚醛树脂和填料混合层(即烘干后的粘稠胶液层)厚度为0.1mm。
实施例2
一种船舶轴系端面密封用静环材料，由细度为2500(tex)的复合纤维、浸泡溶液和粘稠胶液制成。其中，复合纤维由400d的长PET纤维纱线作为芯材纤维、天然纤维素纤维与芳纶纤维组成的混合短纤维作为包覆层纤维，经互绕打捻制成，其中芯材纤维和包覆层纤维的质量比为1:12；
浸泡溶液由热固性酚醛树脂和硬脂酸正丁酯按照质量比为85:15混合，再加入乙醇，经混炼后得到；热固性酚醛树脂和硬脂酸正丁酯总质量占浸泡溶液质量的40％；
粘稠胶液由热固性酚醛树脂与填料按照重量比为40:60混合后，加入乙醇，混炼均匀后得到；填料由陶土粉、PTFE粉按重量比70:30组成，乙醇质量占粘稠胶液质量的45％。
所述船舶轴系端面密封用静环材料具体制备过程如下：
将复合纤维浸渍在浸泡溶液中，浸泡至复合纤维达到饱和后晾干，得到处理后复合纤维；然后将处理后复合纤维用粘稠胶液包裹，经70℃半烘干24h后，缠绕编织填满模具，然后经过进一步烘干，扣合模具，再经加热加压成型，其中压强为10MPa，温度为170℃，最后在150℃烘箱中先退火1小时，再在90℃退火48h后，室温下冷却得到静环材料。
本实施例所制得的静环材料中，热固性酚醛树脂质量占比为20％、填料质量占比为50％，静环中复合纤维之间的热固性酚醛树脂和填料混合层(即烘干后的粘稠胶液层)厚度为0.6mm。
实施例3
一种船舶轴系端面密封用静环材料，由细度为1500(tex)的复合纤维、浸泡溶液和粘稠胶液制成。其中，复合纤维由420d长PET纤维纱线作为芯材纤维，PET纤维和芳纶纤维组成的混合短纤维作为包覆层纤维，经互绕打捻制成，其中芯材纤维和包覆层纤维的质量比为1:24；
浸泡溶液由热固性酚醛树脂和硬脂酸正丁酯润滑剂按照质量比为90:10混合，再加入乙醇，经混炼后得到；热固性酚醛树脂和硬脂酸正丁酯总质量占浸泡溶液质量的30％；
粘稠胶液由热固性酚醛树脂与填料按照重量比为1:4混合后，加入乙醇，混炼均匀后得到浸泡溶液；填料由白云石粉、蛭石粉和PTFE粉按重量比50:25:25组成，乙醇质量占粘稠胶液质量的80％。
所述船舶轴系端面密封用静环材料具体制备过程如下：
将复合纤维浸渍在浸泡溶液中，浸泡至复合纤维达到饱和后晾干，得到处理后复合纤维；然后将处理后复合纤维用粘稠胶液包裹，经75℃半烘干30h后，缠绕编织填满模具，然后经过进一步烘干，扣合模具，再经加热加压成型，其中压强为10MPa，温度为170℃，最后在150℃烘箱中先退火2小时，再在90℃退火48h后，室温下冷却得到静环材料。
本实施例所制得的静环材料中，热固性酚醛树脂质量占比为15％、填料质量占比为40％，静环中复合纤维之间的热固性酚醛树脂和填料混合层(即烘干后的粘稠胶液层)厚度为1.0mm。
实施例4
一种船舶轴系端面密封用静环材料，由细度为2600(tex)的复合纤维、浸泡溶液和粘稠胶液制成。其中，复合纤维由360d长尼龙纤维纱线作为芯材纤维，PET纤维和天然纤维素纤维组成的混合短纤维作为包覆层纤维，经互绕打捻制成，其中芯材纤维和包覆层纤维的质量比为1:9，复合纤维；
浸泡溶液由热固性酚醛树脂和硬脂酸正丁酯按照质量比为85:15混合，再加入乙醇，经混炼后得到；热固性酚醛树脂和硬脂酸正丁酯总质量占浸泡溶液质量的35％
粘稠胶液由热固性酚醛树脂与填料按照重量比为1:4混合后，加入乙醇，混炼均匀后得到；填料由蛭石粉与PTFE粉按重量比50:50组成，乙醇质量占粘稠胶液质量的70％。
所述船舶轴系端面密封用静环材料具体制备过程如下：
将复合纤维浸渍在浸泡溶液中，浸泡至复合纤维达到饱和后晾干，得到处理后复合纤维；然后将处理后复合纤维用粘稠胶液包裹，经80℃半烘干30h后，缠绕编织填满模具，然后经过进一步烘干，扣合模具，再经加热加压成型，其中压强为15MPa，温度为170℃，最后在150℃烘箱中先退火2小时，再在90℃退火48h后，室温下冷却得到静环材料。
本实施例所制得的静环材料中，热固性酚醛树脂质量占比为10％、填料质量占比为45％，静环中复合纤维之间的热固性酚醛树脂和填料混合层(即烘干后的粘稠胶液层)厚度为0.6mm。
实施例5
一种船舶轴系端面密封用静环材料，由细度为2600(tex)的复合纤维、浸泡溶液和粘稠胶液组成。其中，复合纤维由500d长PET纤维纱线作为芯材纤维，天然纤维素纤维、碳纤维和芳纶纤维组成的混合短纤维作为包覆层纤维，经互绕打捻制成，其中芯材纤维和包覆层纤维的质量比为1:49；
浸泡溶液由热固性酚醛树脂和硬脂酸正丁酯按照质量比为90:10混合，再加入乙醇，经混炼后得到；热固性酚醛树脂和硬脂酸正丁酯总质量占浸泡溶液质量的35％；
粘稠胶液由热固性酚醛树脂与填料按照重量比为1:4混合后，加入乙醇，混炼均匀后得到；填料由白云石粉、蛭石粉、PTFE粉按重量比50:25:25组成，乙醇质量占粘稠胶液质量的20％。
所述船舶轴系端面密封用静环材料具体制备过程如下：
将复合纤维浸渍在浸泡溶液中，浸泡至复合纤维达到饱和后晾干，得到处理后复合纤维；然后将处理后复合纤维用粘稠胶液包裹，经80℃半烘干36h后，缠绕编织填满模具，然后经过进一步烘干，扣合模具，再经加热加压成型，其中压强为1MPa，温度为180℃，最后在160℃烘箱中先退火2小时，再在10℃退火48h后，室温下冷却得到静环材料。
本实施例所制得的静环材料中，热固性酚醛树脂质量占比为40％、填料质量占比为50％，静环中复合纤维之间的热固性酚醛树脂和填料混合层(即烘干后的粘稠胶液层)厚度为3mm。
表1
Figure BDA0001784971000000101
注：
压缩模量测试方法：GB/T1041-2008《塑料压缩性能的测定》
极限压缩强度测试方法：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》
表1为实施例1-5所得静环材料的性能测试实验结果，由表可知：复合纤维中，包覆层纤维比例越高，产品吸水率越高；芯层比例越高，产品抗冲击强度越高，吸水膨胀率越低；摩擦系数与磨耗量成正比关系，并且摩擦系数与纤维种类、填料种类、填料混合比例、润滑剂比例等参数相关。
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 (5)

1.一种船舶轴系端面密封用静环材料，其特征在于，其制备原料包括复合纤维、浸泡溶液和粘稠胶液；其中，所述复合纤维由芯材纤维和包覆层纤维按照质量比为1：(9～49)制成，浸泡溶液由热固性树脂、润滑剂和有机溶剂混合而成，粘稠胶液由热固性树脂、填料和有机溶剂组成；所述浸泡溶液中，热固性树脂与润滑剂的质量比为1:3～1:0，热固性树脂与润滑剂的总质量占浸泡溶液质量的5％～40％；润滑剂质量占浸泡溶液质量的0％～35％；所述粘稠胶液中，热固性树脂与填料质量比为15:85～75:25，有机溶剂质量占粘稠胶液质量的20％～80％；
所述热固性树脂包括热固性酚醛树脂、热固性聚酯基树脂或热固性环氧树脂中的一种以上；
所述船舶轴系端面密封用静环材料通过如下步骤制备：先将芯材纤维和包覆层纤维制成复合纤维，复合纤维经浸泡溶液浸渍饱和得到处理后复合纤维，然后将处理后复合纤维用粘稠胶液包裹，半烘干后经缠绕编织填满模具，经进一步烘干后扣合模具，加热加压成型，退火并冷却后得到船舶轴系端面密封用静环材料；所述处理后复合纤维包裹的粘稠胶液烘干后的厚度为0.1mm-3mm；该船舶轴系端面密封用静环材料中热固性树脂质量占比为6％～40％，填料质量占比为10％～70％。
2.根据权利要求1所述的一种船舶轴系端面密封用静环材料，其特征在于，所述芯材纤维包括长纤维纱线、织造材料或非织造材料中的一种；所述包覆层纤维包括天然纤维素纤维、纤维素胶黏纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、芳纶纤维和碳纤维中的一种以上。
3.根据权利要求1所述的一种船舶轴系端面密封用静环材料，其特征在于，芯材纤维被包覆层纤维所包覆形成连续的长包芯结构纤维，三股长包芯结构纤维为一组进行打捻成为一股，即为所述复合纤维。
4.根据权利要求1所述的一种船舶轴系端面密封用静环材料，其特征在于，所述复合纤维的细度为900～4000tex。
5.根据权利要求1所述的一种船舶轴系端面密封用静环材料，其特征在于，所述润滑剂包括脂肪酸类润滑剂；所述填料为陶土粉、白云石粉、蛭石粉、滑石粉、石墨粉、二硫化钼粉和PTFE粉中的一种以上。
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