CN109535616A - 高导热ptfe复合活塞环及其制备方法 - Google Patents

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靳予
孙克原
王孝刚
夏炎
陈朝曦
林丰
焦小东
陈佩民
徐小曼
刘雪梅
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    • C08K3/08—Metals
    • C08K2003/085—Copper

Abstract

本发明公开了一种高导热PTFE复合活塞环，其特征在于：该活塞环由PTFE复合材料构成，PTFE复合材料按质量百分比由以下组分构成：PTFE：70‑80%，碳纤维：9‑14%，铜粉：6‑21%。并公开了其制备方法。本发明中，加入碳纤维可以增加材料的拉伸、压缩以及弯曲模量，降低热膨胀系数，减小温度升高后膨胀导致的泄漏隐患；同时还可以减小蠕变，增加硬度，同时导热率增加，使得摩擦热快速导出。铜粉加入有利于减少材料的磨损，提高导热系数，减小蠕变，增加导电性，以防止摩擦产生的静电荷的积聚，减小载荷下的变形，增加摩擦高温下PTFE复合材料的热稳定性和导电性能。

Description

高导热PTFE复合活塞环及其制备方法
技术领域
本发明涉及高导热PTFE复合活塞环及其制备方法，属于高分子材料技术领域。
背景技术
聚四氟乙烯（ PTFE）是一种综合性能优秀的聚合物材料，有极好的耐高低温性和耐化学腐蚀性，且介电性能优良，摩擦系数极小热稳定性好，可在-260℃~260℃长期使用，但是纯PTFE具有冷流性，尺寸稳定性差，介电强度低，磨损大等缺点。
活塞环是嵌入活塞沟槽内部的环状部件，在空气压缩机中起封气保压的作用，因此需要具有很好的耐磨性及弹性。而在高温、高压及存在载荷的环境下，对活塞环的耐热性能要求更高。
发明内容
本发明的目的是提供一种高导热PTFE复合活塞环，具有良好的机械性能、高导热性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高导热PTFE复合活塞环，该活塞环由PTFE复合材料构成，PTFE复合材料按质量百分比由以下组分构成：
PTFE：70-80%
碳纤维：9-14%
铜粉：6-21%。
优选的，所述PTFE为平均粒径20μm～80μm的悬浮细粉。
优选的，所述铜粉平均粒径为1μm～200μm。
优选的，所述碳纤维的长径比为16：1～5：1、直径为5～20μm。
本发明还公开了上述的活塞环的制备方法，其步骤为：
（1）将PTFE悬浮细粉，碳纤维以及铜粉按拟定的比例分别称取各组分，混合并搅拌均匀；
（2）将混合材料放入模具中在80~100MPa的压力下进行冷压成型，保压一段时间；
（3）放入烧结炉中或氮气炉中在380±5下进行烧结3~6h；
（4）将烧结后的毛坯自然冷却至60~120℃，然后置于金属管内，加热至180~260℃，升温速率8~30℃/h；恒温保温；然后降至150℃~室温后取出，降温速率5~12℃/h；
（5）将退火后的毛坯进行机加工得到成型活塞环制品。
优选的，所述金属管直径略大于活塞环直径，使得活塞环可以较容易的放入或取出，且活塞环四周与金属管接触，长度大于等于活塞环长度。金属管可以选用无缝钢管，也可以采用其他无缝金属管，例如铜管或铝管。
优选的，步骤（2）中保压时间为1~5min。
优选的，步骤（4）中保温时间按活塞环壁厚每毫米0.5~2h计算，壁厚=（活塞环外径-内径）/2。
本发明中，加入碳纤维可以增加材料的拉伸、压缩以及弯曲模量，降低热膨胀系数，减小温度升高后膨胀导致的泄漏隐患；同时还可以减小蠕变，增加硬度，降低磨耗，同时导热率增加，使得摩擦热快速导出。铜粉加入有利于减少材料的磨损，提高导热系数，减小蠕变，增加导电性，以防止摩擦产生的静电荷的积聚，铜粉可以减小载荷下的变形，增加摩擦高温下PTFE复合材料的热稳定性和导电性能，铜粉这两项性能有利于活塞环在极高温度在一定载荷下的使用。将烧结后的活塞环做退火处理，可以有效提高活塞环的内应力，防止活塞环开裂。将活塞环置于金属管内退火，活塞环外侧与金属管接触，使得活塞环处于一个均匀的退火氛围中，退火效果更佳。金属管升温及降温速度快，易于控制，且只需要保证金属管的小范围内温度统一，可以有效节约能源。
具体实施方式
实施例1-3
本高导热PTFE复合活塞环的制备方法为：
（1）将PTFE悬浮细粉，碳纤维以及铜粉按表1的比例分别称取各组分，混合并搅拌均匀；
（2）将混合材料放入模具中在80~100MPa的压力下进行冷压成型，保压1~5min；
（3）放入烧结炉中或氮气炉中在380±5下进行烧结3~6h；
（4）将烧结后的毛坯自然冷却至60~120℃，然后置于无缝钢管内，加热至180~260℃，升温速率8~30℃/h；恒温保温；然后降至150℃~室温后取出，降温速率5~12℃/h；
（5）将退火后的毛坯进行机加工得到成型活塞环制品。
对制得的活塞环进行性能测试，测试结果见表2。
表1 实施例1-3的组分表
组分（质量百分比） 实施例1 实施例2 实施例3
PTFE 70 80 76
碳纤维 9 14 12
铜粉 21 6 12
表2 实施例1-3活塞环性能测试
项 目 实施例1 实施例2 实施例3
密度，g/cm<sup>3</sup> 2.30 2.24 2.28
拉伸强度，MPa 30 29 31
断裂伸长率，% 280 285 281
邵氏D硬度，HD 67 67 67
摩擦系数 0.17 0.16 0.16
磨痕宽度，mm 3.3 3.4 3.3
表2中的活塞环均为在冷压压力90MPa，保压时间为2min，烧结4h，自然冷却至80℃，升温速率为10℃/h，升温至220℃，保温12h，降温速率为10℃/h，降至室温取出的条件下制得。

Claims (8)

1.一种高导热PTFE复合活塞环，其特征在于：该活塞环由PTFE复合材料构成，PTFE复合材料按质量百分比由以下组分构成：
PTFE：70-80%
碳纤维：9-14%
铜粉：6-21%。
2.根据权利要求1所述的高导热PTFE复合活塞环，其特征在于：所述PTFE为粒径20μm～80μm的悬浮细粉。
3.根据权利要求2所述的高导热PTFE复合活塞环，其特征在于：所述铜粉粒径为1μm～200μm。
4.根据权利要求3所述的高导热PTFE复合活塞环，其特征在于：所述碳纤维的长径比为16：1～5：1、直径为5～20μm。
5.权利要求1-4中任一项所述的活塞环的制备方法，其步骤为：
（1）将PTFE悬浮细粉，碳纤维以及铜粉按拟定的比例分别称取各组分，混合并搅拌均匀；
（2）将混合材料放入模具中在80~100MPa的压力下进行冷压成型，保压一段时间；
（3）放入烧结炉中或氮气炉中在380±5下进行烧结3~6h；
（4）将烧结后的毛坯自然冷却至60~120℃，然后置于金属管内，加热至180~260℃，升温速率8~30℃/h；恒温保温；然后降至150℃~室温后取出，降温速率5~12℃/h；
（5）将退火后的毛坯进行机加工得到成型活塞环制品。
6.根据权利要求5所述的活塞环的制备方法，其特征在于：所述金属管直径略大于活塞环直径，长度大于等于活塞环长度。
7.根据权利要求6所述的活塞环的制备方法，其特征在于：步骤（2）中保压时间为1~5min。
8.根据权利要求7所述的活塞环的制备方法，其特征在于：步骤（4）中保温时间按活塞环壁厚每毫米0.5~2h计算。
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