CN110041646A - 聚四氟乙烯复合材料、其制作方法以及应用该材料的无泄漏密封圈 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料和密封件领域,具体涉及一种抗辐射、耐磨损、自润滑的聚四氟乙烯复合材料,同时涉及制作该材料的方法以及应用该材料的无泄漏密封圈。本发明披露的聚四氟乙烯复合材料由75~90重量份的悬浮聚四氟乙烯树脂,10~20重量份的热固性聚酰亚胺粉以及3~5重量份的铁电陶瓷粉等组份组成。还披露了上述材料的制作方法,包括干燥、混合、压制、烧结、改性等工序。本发明还公开了由上述材料制作的“Z”字形无泄漏密封圈,从而实现核领域关键主机的高效能密封效果。采用本发明聚四氟乙烯复合材料制得的密封圈,能够满足核工业领域干摩擦工况下的密封要求,抗辐射性能优异,能够长期保障设备的有效运转和工作人员的安全。
Description
技术领域
本发明属于复合材料和密封件领域,具体涉及一种具备抗辐射、耐磨损、自润滑的聚四氟乙烯复合材料,同时涉及制作该材料的方法以及应用该材料的无泄漏密封圈。
背景技术
聚四氟乙烯是一种分子链呈螺旋形结构的高分子材料,具有优异的化学稳定性、不燃性、极低的摩擦系数和良好的润滑性,素有“塑料王”之称,被广泛应用于航空航天、国防工业、通用机械等领域。但其机械性能差、线膨胀系数大、耐蠕变性差(易冷流),特别是耐磨性差等缺陷,在一定程度上限制了它的广泛应用。为提高聚四氟乙烯的耐磨性能,通常情况下是在聚四氟乙烯基体中添加无机和有机填料进行物理改性,无机填料有碳纤维、玻璃纤维、石墨、金属粉末、晶须、二硫化钼等,有机填料如聚苯硫醚、聚苯酯、聚苯、聚酰亚胺、聚醚醚酮等。通过这种物理改性的方法,虽然在一定程度上提高了其耐磨性能,但是由于聚四氟乙烯分子链本身的结构特点,在一定的辐照环境中仍易降解,耐磨性和机械性能会快速下降,因此在核领域的关键设备中使用可靠性降低,无法满足使用要求,无法得到推广应用。
密封圈是用来防止工作介质外漏和内漏的关键部件,主要分为动密封和静密封,本专利讨论的密封圈是动密封。尤其是某些特殊主机的往复部位,不可以用油润滑,密封圈必须在干摩擦工况下长期工作,而且要承受摩擦热以及外在的核辐射。橡胶材料具有优异的密封性能,但不适宜干摩擦,而且容易老化,石墨类硬质摩擦材料可以干摩擦,但密封性能不能满足使用要求。常规的聚四氟乙烯复合材料具有优异的干摩擦性能和密封性,适合作这些部位的密封圈,但抗辐射性能差,不能满足长期使用的要求。另外,为便于安装和维修,该类密封圈一般采用搭接口的形式,常规结构的密封圈在搭接部位有泄漏通道,无法保证完全的密封效果,工作介质始终有少量的内漏或外漏,无法满足某些领域要求零泄漏的要求。
如何保证聚四氟乙烯复合材料的耐磨损性、自润滑性等优异性能不会降低的基础上,进一步提高该材料的抗辐射性能,以获得性能更加全面的复合材料,掌握这项关键制造方法,以及制造出满足耐辐射、耐磨损、长寿命的无泄漏密封圈,为本领域近年来所亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的即为解决以上技术难题,提供一种新型的聚四氟乙烯复合材料,该材料兼备抗辐射、耐磨损和自润滑等优异的综合性能,可以加工成无泄漏密封圈,以解决某些核工业设备的密封和泄露难题;同时,本发明还披露了上述材料的制作方法,能通过简洁、科学的操作完成其材料制作流程;此外,本发明还公开了一种采用以上述材料制作的“Z”字形无泄漏密封圈,从而实现核工业设备指定部位的高效能密封效果。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:
一种聚四氟乙烯复合材料,包括如下组成部分:
悬浮聚四氟乙烯树脂 75-90质量份;
热固性聚酰亚胺粉 10~25重量份;
铁电陶瓷粉末 3~5重量份。
所述悬浮聚四氟乙烯树脂的粒径25~35μm,数均分子量600~1000万。
所述热固性聚酰亚胺树脂的粒径35~55μm,数均分子量范围0.4~2.5万。
所述铁电陶瓷粉末包括钛酸铜钙、钛酸锶钡等,粒径5~20μm,介电常数范围104~105,介电损耗范围0.01~0.05。
一种制作上述聚四氟乙烯复合材料的方法,包括以下步骤:
1)、表面处理
取一定重量份的热固性聚酰亚胺粉末,放入300℃的鼓风干燥箱中,干燥1~2小时,待温度降至23℃以下,储存备用(密闭);
2)、混合
向混合设备的混合腔中投入75~90重量份的悬浮聚四氟乙烯树脂,10~25重量份的已干燥的热固性聚酰亚胺粉以及3~5重量份的铁电陶瓷粉末,混合均匀后得混合料,取出待用;
3)、压制
将步骤2)得到的混合料计量投入自动液压机模具模腔中,开启设备进行压制,单位面积的压力为35~60MPa,压制成型后,脱模取出材料毛坯;
4)、烧结
将步骤3)得到的材料毛坯放入PLC自动控制烘箱中,按以下要求控制腔体内温度变化:室温→300℃,升温速率为65~70℃/小时,300℃保温0.5~1小时;300℃→380℃,升温速率为55~60℃/小时,380℃保温2.5~3小时;380℃→300℃,降温速率为65~70℃/小时,300℃保温0.5~1小时;300℃→100℃,降温速率为70~80℃/小时,100℃后自然冷却至室温,再将材料毛胚从烘箱中取出备用;
5)、改性处理
将步骤4)得到的已经烧结成型的材料毛坯放入电子加速器中,氮气气氛保护下辐射剂量设定为200~500kGy,辐照时间15~30min,待所有工序完成后,取出聚四氟乙烯复合材料毛坯,待加工用。
步骤4)中,所述烘箱箱体内由氮气气氛保护。
步骤5)中,所述电子加速器的工作腔温度为335±5℃。
一种应用上述聚四氟乙烯复合材料制作的密封圈,包括密封圈本体完全采用上述聚四氟乙烯复合材料制造;所述密封圈采用错位搭接的接口形式,接口两端分别加工成“L”形搭接口,安装时将该密封圈装入密封槽中,两个“L”形搭接口拼装成“Z”字形结合态,达到了多重节流的效果,多组密封圈的组合使用,可以实现密封气体的零泄漏。
本发明的主要优点和核心技术在于:
1)、与常规聚四氟乙烯复合材料相比,本发明的复合材料在保持了耐磨损、自润滑等性能的基础上,提高了材料的抗辐射性能,弥补了聚四氟乙烯复合材料在辐射环境中机械性能和耐磨性能显著下降的缺陷,解决了核辐射领域自润滑密封材料的选用难题。
2)、聚四氟乙烯材料在改性处理的过程中,会导致韧性的下降,而且添加改性的助剂会导致改性效果难以控制,本发明一方面采用了热固性聚酰亚胺材料,在提高耐磨性的同时,极大的保证了复合体系的高分子材料的韧性,另一方面采用了少量的铁电陶瓷粉末,该粉末有助于聚酰亚胺分子在电子束辐射环境中的移动,有助于聚四氟乙烯分子体型结构的形成(常规的无机填料会严重阻遏聚四氟乙烯分子链的重新结合)。其制作方法简便可行,制作过程清晰,可有效的提升该材料的实际制造效率。
3)、本发明的配方组成和材料制作方法的配对应用,解决了聚四氟乙烯复合材料耐磨性和抗辐射性无法共存的技术壁垒,突破了常规的配方设计和制作方法的束缚。
4)、无泄漏密封圈的“Z”字形搭接形式,一方面便于安装,提供了弹力补偿的空间,实现持续的密封补偿,另一方面,该搭接形式增加了节流效果,当微量泄漏的气体进入“Z”字形弯道时,气量和流速逐步减少,最终达到零泄漏的目的。
附图说明
图1为本发明无泄漏密封圈的三维结构图。
具体实施方式
为便于理解,此处通过以下通过具体实施方式,以对本发明作进一步说明:
下述实施例中使用的本发明各原材料的参数为:
悬浮聚四氟乙烯树脂的粒径25~35μm,数均分子量600~1000万。
热固性聚酰亚胺粉末的粒径35~55μm,数均分子量范围0.4~2.5万。
铁电陶瓷粉末包括钛酸铜钙、钛酸锶钡等,粒径范围5~20μm,介电常数范围104~105,介电损耗范围0.01~0.05。
实施例1
1)、表面处理
取一定重量份的热固性聚酰亚胺粉末,放入300℃的鼓风干燥箱中,干燥1小时,待温度降至22℃,储存备用(密闭);
2)、混合
向混合设备的混合腔中投入80重量份的悬浮聚四氟乙烯树脂,15重量份的已干燥的热固性聚酰亚胺粉以及5重量份的钛酸铜钙粉末,混合均匀后得混合料,取出待用;
3)、压制
将步骤2)得到的混合料计量投入自动液压机模具模腔中,开启设备进行压制,单位面积的压力为50MPa,压制成型后,脱模取出材料毛坯;
4)、烧结
将步骤3)得到的材料毛坯放入PLC自动控制烘箱中,按以下要求控制腔体内温度变化:室温→300℃,升温速率为70℃/小时,300℃保温0.5小时,300℃→380℃,升温速率为60℃/小时,380℃保温3小时,380℃→300℃,降温速率为70℃/小时,300℃保温0.5小时,300℃→100℃,降温速率为80℃/小时,100℃后自然冷却至室温,再将材料毛胚从烘箱中取出备用;
5)、改性处理
将步骤4)得到的已经烧结成型的材料毛坯放入电子加速器中,氮气气氛保护下辐射剂量设定为500kGy,辐照时间15min,待所有工序完成后,取出聚四氟乙烯复合材料毛坯。室温停放12小时,通过机械加工制得相关试验件进行相关的性能测试。
实施例2
1)、表面处理
取一定重量份的热固性聚酰亚胺粉末,放入300℃的鼓风干燥箱中,干燥1~2小时,待温度降至23℃,储存备用(密闭);
2)、混合
向混合设备的混合腔中投入78重量份的悬浮聚四氟乙烯树脂,18重量份的已干燥的热固性聚酰亚胺粉以及4重量份的钛酸铜钙粉末,混合均匀后得混合料,取出待用;
3)、压制
将步骤2)得到的混合料计量投入自动液压机模具模腔中,开启设备进行压制,单位面积的压力为55MPa,压制成型后,脱模取出材料毛坯;
4)、烧结
将步骤3)得到的材料毛坯放入烘箱中,按以下要求控制腔体内温度变化:室温→300℃,升温速率为70℃/小时,300℃保温0.5小时,300℃→380℃,升温速率为60℃/小时,380℃保温3小时,380℃→300℃,降温速率为70℃/小时,300℃保温0.5小时,300℃→100℃,降温速率为80℃/小时,100℃后自然冷却至室温,再将材料毛胚从烘箱中取出备用;
5)、改性处理
将步骤4)得到的已经烧结成型的材料毛坯放入电子加速器中,氮气气氛保护下辐射剂量设定为500kGy,辐照时间15min,待所有工序完成后,取出聚四氟乙烯复合材料毛坯。室温停放12小时,通过机械加工制得相关试验件进行相关的性能测试。
对比例1:纯聚四氟乙烯材料(经改性处理)
取一定量的悬浮聚四氟乙烯树脂投入自动液压机模具模腔中,开启设备进行压制,单位面积的压力为55MPa,压制成型后,脱模取出材料毛坯。将材料毛坯放入烘箱中,按以下要求控制腔体内温度变化:室温→300℃,升温速率为70℃/小时,300℃保温0.5小时,300℃→380℃,升温速率为60℃/小时,380℃保温3小时,380℃→300℃,降温速率为70℃/小时,300℃保温0.5小时,300℃→100℃,降温速率为80℃/小时,100℃后自然冷却至室温,再将材料毛胚从烘箱中取出备用。再将该毛坯放入电子加速器中,氮气气氛保护下辐射剂量设定为500kGy,辐照时间15min,待所有工序完成后,取出聚四氟乙烯材料毛坯。室温停放12小时,通过机械加工制得相关试验件进行相关的性能测试。
对比例2:常规聚四氟乙烯复合材料(未经改性处理)
向混合设备的混合腔中添加78重量份的悬浮聚四氟乙烯树脂,18重量份的已干燥的热固性聚酰亚胺粉以及4重量份的钛酸铜钙粉末,混合均匀后得混合料,取出待用;将该混合料计量投入自动液压机模具模腔中,开启设备进行压制,单位面积的压力为55MPa,压制成型后,脱模取出材料毛坯;再将该材料毛坯放入烘箱中,按以下要求控制腔体内温度变化:室温→300℃,升温速率为70℃/小时,300℃保温0.5小时,300℃→380℃,升温速率为60℃/小时,380℃保温3小时,380℃→300℃,降温速率为70℃/小时,300℃保温0.5小时,300℃→100℃,降温速率为80℃/小时,100℃后自然冷却至室温,再将材料毛胚从烘箱中取出备用。室温停放12小时,再通过机械加工制得相关试验件,进行相关的性能测试。
将实施例1、2和对比例1、2制得的聚四氟乙烯复合材料加工成试验件,按照国家标准的要求,对各个试样进行性能测试,测试结果见表1。
表1 聚四氟乙烯复合材料的性能测试结果
由表1可以看出,本发明聚四氟乙烯复合材料(实施例2)与纯聚四氟乙烯材料(对比例1)相比,磨痕宽度更窄,硬度更高,同时材料的断裂伸长率依然保持在200%以上,具备较好的韧性;与普通配方聚四氟乙烯复合材料(对比例2)相比,虽然摩擦系数较大,但磨痕宽度窄,硬度更高,具备更好的耐磨性。
将实施例1、2和对比例1、2制得的聚四氟乙烯复合材料加工成试验件,然后放在60Co源的γ-射线辐照实验装置中辐照(剂量300kGy),试验在室温空气气氛下进行,按照国家标准的要求,对各个试样进行性能测试,除对比例2以外,其余三种试样的拉伸和磨损性能与未辐照试样的基本一致。但是,对比例2的拉伸性能有明显下降,拉伸强度为12MPa,磨痕宽为12mm,机械性能和耐磨损性能明显下降。
以上测试结果表明,本发明聚四氟乙烯复合材料在具备耐磨损、自润滑等性能特点的基础上,抗辐射性能明显提高,在一定的辐射环境中,机械性能和耐磨性能基本未发生变化,适合加工成无泄漏密封圈,在核工业领域可获得广泛应用。
Claims (8)
1.一种聚四氟乙烯复合材料,其特征在于包括如下组成部分:
悬浮聚四氟乙烯树脂 75-90质量份;
热固性聚酰亚胺粉 10~25重量份;
铁电陶瓷粉末 3~5重量份。
2.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯复合材料,其特征在于:所述悬浮聚四氟乙烯树脂的粒径25~35μm,数均分子量600~1000万。
3.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯复合材料,其特征在于:所述热固性聚酰亚胺树脂的粒径35~55μm,数均分子量范围0.4~2.5万。
4.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯复合材料,其特征在于:所述铁电陶瓷粉末包括钛酸铜钙、钛酸锶钡等,粒径5~20μm,介电常数范围104~105,介电损耗范围0.01~0.05。
5.一种制作权利要求1或2或3或4所述的聚四氟乙烯复合材料的制造方法,其特征在于包括以下步骤:
1)、表面处理
取一定重量份的热固性聚酰亚胺粉末,放入300℃的鼓风干燥箱中,干燥1~2小时,待温度降至23℃以下,储存备用(密闭);
2)、混合
向混合设备的混合腔中投入75~90重量份的悬浮聚四氟乙烯树脂,10~25重量份的已干燥的热固性聚酰亚胺粉以及3~5重量份的铁电陶瓷粉末,混合均匀后得混合料,取出待用;
3)、压制
将步骤2)得到的混合料计量投入自动液压机模具模腔中,开启设备进行压制,单位面积的压力为35~60MPa,压制成型后,脱模取出材料毛坯;
4)、烧结
将步骤3)得到的材料毛坯放入PLC自动控制烘箱中,按以下要求控制腔体内温度变化:室温→300℃,升温速率为65~70℃/小时,300℃保温0.5~1小时;300℃→380℃,升温速率为55~60℃/小时,380℃保温2.5~3小时;380℃→300℃,降温速率为65~70℃/小时,300℃保温0.5~1小时;300℃→100℃,降温速率为70~80℃/小时,100℃后自然冷却至室温,再将材料毛胚从烘箱中取出备用;
5)、改性处理
将步骤4)得到的已经烧结成型的材料毛坯放入电子加速器中,氮气气氛保护下辐射剂量设定为200~500kGy,辐照时间15~30min,待所有工序完成后,取出聚四氟乙烯复合材料毛坯,待加工用。
6.根据权利要求5所述的聚四氟乙烯复合材料的制备方法,其特征在于:步骤4)中,所述烘箱箱体内由氮气气氛保护。
7.根据权利要求5所述的聚四氟乙烯复合材料的制备方法,其特征在于:步骤5)中,所述电子加速器的工作腔温度温度为335±5℃。
8.一种应用权利要求1或2或3或4或5所述的聚四氟乙烯复合材料制作的密封圈,其特征在于:密封圈本体完全采用权利要求1或2或3或4或5所述的聚四氟乙烯复合材料制造;密封圈采用错位搭接的接口形式,接口两端分别加工成“L”形搭接口,安装时将该密封圈装入密封槽中,两个“L”形搭接口拼装成“Z”字形结合态,达到了多重节流的效果,多组密封圈的组合使用,可以实现工作介质的零泄漏。
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