CN110520657A - 密封部件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在密封面中能够发挥优异的密封性的密封部件。密封部件(1)是选自密封垫、机械密封件、扇形密封件、刷形密封件、挤压式密封件、唇形密封件以及密封环中的任意1个密封部件(1),该密封部件(1)在密封面(1a)具有聚合物刷层(12)。
Description
技术领域
本发明涉及一种密封部件。
背景技术
密封部件具有防止液体以及气体从机械等的内部向外部泄漏的功能、以及防止灰尘从外部侵入机械等的内部的功能。大体来说,这种密封部件能够分为油封和机械密封件等运动用密封件、以及密封垫这样的固定用密封件,但在任意的情况下,在密封面均要求较高的密封性。
当前,在密封部件中,作为提高密封面的密封性的技术,例如已知如下所述的方法:即,通过将密封面精加工为平滑的表面,从而改善与密封对象部件的表面的面接触(密合性),并提高密封性。例如,专利文献1中公开了如下技术:即,为了发挥稳定的高密合性,对能够成为金属密封垫的密封面的部分实施精密抛光。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1:日本特开2004-218737号公报
发明内容
(发明要解决的问题)
但是,如专利文献1的技术,需要高精度的面加工,工序复杂且作业负担也较大。此外,在构成密封部件的基材为硬质材料的情况下等,有时高精度的面加工实质上比较困难,且在密封面中不能得到充分的密封性。此外,即使密封面具有较高的表面平滑性,在密封对象部件的表面粗糙的情况下,在密封面与密封对象部件的表面之间也得不到良好的面接触,会产生泄漏。因此,在这种方法中,也需要对密封对象部件的表面实施高精度的面加工,仅改善密封部件侧的密合性是有限的。由此,在上述方法中,作为在用于各种用途的各种密封部件的密封面中提高密封性的技术,是不充分的。
本发明的目的在于提供一种在密封面中能够发挥优异的密封性的密封部件。
(用于解决问题的手段)
本发明人针对密封部件的密封面中的密封性的提高进行了反复锐意研究。其结果,本发明人发现通过在密封部件的密封面形成聚合物刷(polymer brush)层,从而在该密封面中能够得到特别优异的密封性,本发明基于上述发现而完成。
即,本发明的主要结构如下所述。
[1]一种密封部件,其选自密封垫、机械密封件、扇形密封件(segment seal)、刷形密封件、挤压式密封件、唇形密封件以及密封环中的任意1个,其中,
所述密封部件在密封面具有聚合物刷层。
[2]根据上述[1]中所述的密封部件,其中,所述密封部件还具有二氧化硅涂层,
所述聚合物刷层设置在所述二氧化硅涂层上。
[3]根据上述[1]或上述[2]中所述的密封部件,其中,所述聚合物刷层被液体物质溶胀。
(发明效果)
根据本发明,能够提供一种在密封面中能够发挥优异的密封性的密封部件。
附图说明
图1为示意性地示出本发明所涉及的密封部件的一个实施方式的示意性截面图。
图2为转矩试验用的试验装置的示意图。
具体实施方式
下面,参照附图对一个实施方式所涉及的密封部件进行详细说明。另外,本发明不限于以下的实施方式。
本实施方式所涉及的密封部件在密封面具有聚合物刷层。这种密封部件由于在密封部件的密封面能够发挥优异的密封性,因此能够优选用于要求较高密封性的用途。
本实施方式所涉及的密封部件为从密封垫、机械密封件、扇形密封件、刷形密封件、挤压式密封件、唇形密封件以及密封环中选择的任意1个密封部件。在此,作为机械密封件的具体示例,可列举作为结构部件的配合环(mating ring)以及密封环等。此外,作为挤压式密封件的具体示例,可列举O型环、D型环、X型环、T型环、滑动密封件以及压盖密封件(gland packing)等。此外,作为唇形密封件的具体示例,可列举油封、U型圈、V型圈、L型圈、J型圈、防尘密封圈(wiper ring)等。此外,作为密封环的具体示例,可列举能够应用于液压型汽车自动变速器(例如,AT、CVT)等各种液压设备的密封装置。
作为本实施方式所涉及的密封部件的一例,在图1示出对密封部件1的截面的一部分(密封面1a附近)放大后的示意性截面图。如图1所示,本实施方式所涉及的密封部件1在其表面1A具有密封面1a。在此,密封面1a是指密封部件1的表面1A的至少一部分,且与未图示的其它部件的表面(以下,称为被密封面)对置,在与被密封面之间能够形成密封(seal)状态的表面。
此外,如图1所示,密封部件1具有基材11以及形成在该基材11上的聚合物刷层12。
在此,对聚合物刷层12的形成状态没有特别限定,根据基材11的形状、材质、表面性状、密封部件1的使用形态等是适当地选择即可。
例如,聚合物刷层12可以直接形成在基材表面11A上,或者也可以间接形成在基材表面11A上。在此,作为聚合物刷层12间接形成在基材表面11A上的情况,例如为对基材11进行表面处理而在基材表面11A上形成其它层,在该其它层的表面上形成聚合物刷层12的情况。作为此处的其它层,例如可列举后述的二氧化硅涂层。
此外,聚合物刷层12无需完全覆盖对应基材11上的密封面1a的部分的整体。密封部件1在不影响本发明的效果的范围内,可以在对应基材11上的密封面1a的部分具有未形成有聚合物刷层12的部分,或者是在对应基材11上的密封面1a的部分分散有规定面积的聚合物刷层12。进而,在密封部件1中,也可以超出对应基材11上的密封面1a的部分、例如以覆盖基材11上的整体的方式形成有聚合物刷层12。即,密封部件1只要在密封面1a具有聚合物刷层12,即可在密封面1a上发挥优异的密封性。另外,从在密封面1a中得到更高的密封性的观点出发,聚合物刷层12优选形成在对应基材11上的密封面1a的部分的整个表面,在该情况下,密封面1a成为由聚合物刷层12构成的表面12A。
这种聚合物刷层12如图1所示,为多个高分子接枝链121通过共价键固定在基材11上而形成的层。这种聚合物刷层12的表面12A为如下表面:高分子接枝链121的未固定在基材11上的一侧的前端为密集的刷子状,具有如刷子表面的表面性状。
在密封面1a具有这种聚合物刷层12的密封部件1中,由于对应密封面1a的基材表面11A的表面性状(特别是,表面粗糙度)通过聚合物刷层12缓和,因此几乎不会影响密封面1a的平坦性。因此,无需对与密封面1a对应的基材表面11A进行精密的面加工。
此外,高分子接枝链121以密集的刷子状存在的聚合物刷层12的表面12A具有适度的柔软性,并在接触被密封面的情况下,针对被密封面的表面发挥优异的追踪性。因此,被密封面的表面性状(特别是表面粗糙度)的影响也通过密封面1a的聚合物刷层12缓和,并在与被密封面之间能够得到良好的密合性。
由此,根据在密封面1a具有聚合物刷层12的密封部件1,能够在不受到对应密封面1a的基材表面11A以及被密封面的表面性状的影响的情况下,在密封面1a中得到优异的密封性。
对形成在密封面1a上的聚合物刷层12的厚度没有特别限定,但从在密封面1a中得到良好的密封性的观点出发,优选为10nm以上且10000nm以下,进而,从实用性的观点出发,更优选为100nm以上且5000nm以下。另外,能够通过偏振分析法(ellipsometry)对干燥膜厚进行测量,从而进行聚合物刷层12的厚度的测量。对于具体的测量方法,以后述实施例的部分进行说明。
另外,对于更详细的聚合物刷层12的说明,以后述聚合物刷层12的形成方法的部分进行叙述。
此外,能够按照对应密封部件1的关系适当地选择基材11。即,基材11只要是对应密封部件1(从密封垫、机械密封件、扇形密封件、刷形密封件、挤压式密封件、唇形密封件以及密封环中选择的任意1个)的部件即可。例如,在密封部件1是密封垫的情况下,基材11为对应密封垫的部件。
在此,作为对应密封部件1的部件,只要为具有与密封部件1大致相同的形状的部件即可,能够使用下述的部件中的任意部件:即,(i)单独使用该部件(不存在聚合物刷层)不能得到密封性,但通过在其表面(密封面)形成聚合物刷层才能够发挥密封性的部件、以及(ii)虽然与在密封面具有聚合物刷层的实施方式的密封部件1相比密封性较差,但即使单独使用该部件(不存在聚合物刷层)也能够发挥密封性的部件(密封部件)。另外,在对应密封部件1的部件为上述(ii)的部件的情况下,基材11和实施方式的密封部件1成为相同分类的密封部件,但能够区分为基材11作为“作为基材的密封部件”,实施方式的密封部件1作为“在密封面具有聚合物刷层的密封部件(带有聚合物刷层的密封部件)”。
可以根据密封部件1的用途、使用形态、后述聚合物刷层12的形成方法等适当地选择基材11的材质,但例如能够选择氧化铝、碳化硼等硬质陶瓷、橡胶以及塑料等。
对基材11的表面性状没有特别限定,特别是对应密封面1a的基材表面11A只要具有适度的平坦性以及平滑性即可,无需进行精密的面加工。在本发明的密封部件1中,在密封面1a具有聚合物刷层12。因此,对于密封部件1,即使对应密封面1a的基材表面11A为稍微粗糙的表面,由于表面粗糙度通过聚合物刷层12缓和,因此几乎不会影响密封面1a的密封性。
下面,以在图1所示的在基材表面11A上直接形成聚合物刷层12的情况为例,对聚合物刷层12的形成方法进行说明。
例如,能够通过表面引发活性自由基聚合法形成聚合物刷层12。表面引发活性自由基聚合法为如下所述的方法:即,(I)在构成高分子接枝链121的起点的基材表面11A导入聚合引发基团,(II)以该聚合引发基团为始点,进行表面引发活性自由基聚合法,从而形成高分子接枝链121。具体来说,作为这种表面引发活性自由基聚合法,能够应用Arita,T.,Kayama,Y.,Ohno,K.,Tsujii,Y.and Fukuda,T.,“High-pressure atom transfer radicalpolymerization of methyl methacrylate for well-defined ultrahigh molecular-weight polymers”,Polymer 49,2008,2426-2429.(以下,记载为文献P)、日本特开2009-59659号公报(以下,记载为文献Q)、日本特开2010-218984号公报(以下,记载为文献R)、日本特开2014-169787号公报(以下,记载为文献S)等中记载的方法等。
(I)聚合引发基团向与密封面对应的基材表面的固定
作为在基材表面11A导入聚合引发基团的方法,没有特别限定,但可列举通过使聚合引发剂在溶剂中溶解或者分散,从而调制聚合引发剂溶液,并将基材11浸渍在调制后的聚合引发剂溶液中的方法等。
作为聚合引发剂,没有特别限定,但优选具有能够在基材11上键合的基团以及自由基产生基团的化合物,例如,能够广泛地使用文献P、文献R以及文献S等中公开的聚合引发剂。在这些文献中,作为聚合引发剂,优选原子转移自由基聚合(ATRP:Atom TransferRadical Polymerization)系的聚合引发剂,更优选(3-三甲氧基甲硅烷基)丙基-2-溴-2-甲基丙酸酯。
另外,根据需要,优选在导入聚合引发基团之前,对基材表面11A进行清洗。能够根据基材11的材质以及形状等,利用公知的方法来进行基材表面11A的清洗。
(II)根据表面引发活性自由基聚合的高分子接枝链的合成
对于在导入了聚合引发基团的基材表面11A形成高分子接枝链的方法没有特别限定,但能够使用以下方法:首先,通过使规定的单体、各种低分子游离基引发剂(自由基引发剂)等的聚合反应所需的各种成分在溶剂中溶解或者分散,从而调制聚合反应溶液。接下来,在使预先导入了聚合引发基团的基材11浸渍在调制后的聚合反应溶液之后,根据需要进行加压、加热,从而在基材表面11A形成作为聚合单元而含有规定的单体的高分子接枝链121。
对聚合反应溶液的调制方法没有特别限定,但例如能够适当地使用文献P以及文献S等中记载的方法,能够广泛地使用这些文献中记载的单体、低分子游离基引发剂等。其中也优选通过文献P中所记载的方法来调制聚合反应溶液,作为单体,优选甲基丙烯酸甲酯(以下,称为MMA)。此外,作为低分子游离基引发剂,优选使用2-溴-2-甲基丙酸乙酯。
此外,对表面引发活性自由基聚合的反应条件没有特别限定,但例如能够按照文献P或文献S的条件等进行。其中也优选通过文献P中所记载的方法来进行聚合反应,特别优选在加圧(例如,400MPa以上且500MPa以下左右)、加热(例如,50℃以上且60℃以下左右)后的条件下来进行。通过加圧而进行聚合反应,从而能够形成更高浓度(高分子接枝链121的接枝密度较高)、且更高膜厚的(平均分子链长较长)的聚合物刷层12。
形成在基材11上的高分子接枝链121优选相对于基材表面11A的面积的表面占有率σ*(在聚合物截面积中的占有率)为10%以上,更优选为15%以上,进而优选为20%以上。另外,能够通过接枝链的数均分子量(Mn)的绝对值、接枝后的聚合物量(即,接枝膜厚(聚合物刷层的干燥膜厚))以及基材11的表面积来计算接枝密度σ。此外,能够根据聚合物在展开形态下的重复单元长度和聚合物的堆积密度求出聚合物截面积,通过乘以接枝密度来计算表面占有率σ*。
更具体来说,能够通过下述式来求出表面占有率σ*。
σ*=(聚合物截面积)×σ
在此,(聚合物截面积)=(接枝链部分的每1个单体的体积)/(聚合物在展开形态下的重复单元的长度)
(接枝链部分的每1个单体的体积)=(接枝链部分的单体的分子量)/(阿伏伽德罗常数)/(聚合物的堆积密度)
另外,表面占有率σ*为接枝点(第一个单体)占据基材表面11A的面积比例的意思(最密填充为100%,超过100%则无法进行接枝化)。
此外,构成聚合物刷层12的高分子接枝链121的平均分子链长Lp(即,聚合物刷长度)优选为10nm以上且10000nm以下,根据实用观点,更优选为100nm以上且5000nm以下的范围。如果高分子接枝链121的平均分子链长Lp过短,则具有密封性降低的倾向。此外,例如,能够根据聚合条件等调整高分子接枝链121的平均分子链长Lp。
此外,例如,测量高分子接枝链121的数均分子量(Mn)以及分子量分布(Mw/Mn),根据这些测量结果求出高分子接枝链121的平均分子链长Lp。另外,可列举例如通过氢氟酸处理从基材11中切取高分子接枝链121,使用切取出的高分子接枝链121通过凝胶渗透色谱法测量高分子接枝链121的数均分子量(Mn)以及分子量分布(Mw/Mn)的方法。或者,已知聚合时生成的游离聚合物具有与在基材11中导入的高分子接枝链121相等的分子量,因此可采用对该游离聚合物通过凝胶渗透色谱法测量数均分子量(Mn)以及分子量分布(Mw/Mn),并直接使用该结果的方法。形成密封面1a的聚合物刷层12中的高分子接枝链121的分子量分布(Mw/Mn)优选接近1,适宜为1.3以下,更优选为1.25以下,进一步优选为1.20以下,特别优选为1.15以下。
此外,聚合物刷层12优选使形成在基材11上的高分子接枝链121被液体物质溶胀而形成。作为使高分子接枝链121溶胀的液体物质,只要是相对于高分子接枝链121表现出溶胀性的化合物即可,没有特别限定,但根据与高分子接枝链121的亲和性较高的观点,优选离子液体。作为这种离子液体,例如,能够使用文献S中所记载的液体。其中,作为离子液体,也优选N,N-二乙基-N-甲基-(2-甲氧基乙基)铵双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(以下,也称为“DEME-TFSI”)以及甲氧基乙基甲基吡咯烷鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(以下,也称为“MEMP-TFSI”)。
作为在基材11上形成的高分子接枝链121被液体物质溶胀的方法,没有特别限定,但例如可列举如下的方法:即,对形成在基材11上的高分子接枝链121涂覆液体物质之后进行静置的方法或使形成有高分子接枝链121的基材11浸渍在液体物质中的方法等。
此外,在上述实施方式所涉及的密封部件1中,也可以在基材11与聚合物刷层12之间设置二氧化硅涂层。例如,能够通过二氧化硅涂敷处理在基材表面11A上设置二氧化硅涂层,所述二氧化硅涂敷处理根据使用烷氧基硅烷的溶胶-凝胶法进行。作为根据使用烷氧基硅烷的溶胶-凝胶法的二氧化硅涂敷处理的种类和条件,只要能够设置二氧化硅涂层即可,没有特别限制。作为根据使用烷氧基硅烷的溶胶-凝胶法的二氧化硅涂敷处理,例如可列举使四烷氧基硅烷等烷氧基硅烷以及28质量%的氨水等碱性水溶液在溶剂中溶解或者分散,来调制反应溶液,将基材11浸渍在调制后的反应溶液中的方法等。在根据使用烷氧基硅烷的溶胶-凝胶法的二氧化硅涂敷处理中,烷氧基硅烷通过水解等转换为二氧化硅(SiO2)。另外,与设置在基材11上的情况同样地,聚合物刷层12可以设置在二氧化硅涂层上。
另外,根据需要,优选在设置二氧化硅涂层之前,与设置上述的聚合物刷层12时同样地,对基材表面11A进行清洗。能够根据基材11的材质以及形状等,通过公知的方法来进行基材表面11A的清洗。
如上说明,密封部件通过在密封面1a具有聚合物刷层12,从而不会受到对应密封面1a的基材表面11A以及被密封面的表面性状的影响,在密封面1a中能够得到优异的密封性。这种密封部件1优选用作在密封面1a中要求较高密封性的各种密封部件1,特别适用于机械密封件、密封垫。
特别是,密封部件1适合作为构成机械密封件的配合环以及密封环中的至少一个。即,从在机械密封件的密封面中发挥优异的密封性的观点出发,优选配合环以及密封环中的至少一个在其密封面具有聚合物刷层,进而,从得到优异的密封性的观点出发,更优选在配合环以及密封环的两个密封面具有聚合物刷层。
通常,在机械密封件中,从耐磨性以及耐热性等的观点出发,作为配合环以及密封环的基材,广泛地使用如氧化铝或碳化硅等硬质陶瓷的硬质材料。此外,通常,配合环以及密封环相互接触的表面(各部件的密封面、从所接触对象部件观察时为被密封面)从确保充分的密封性(特别是,静态的密封性)的观点出发,一般被加工为高平坦度以及高平滑度。但是,为了将作为这些密封面的基材表面加工为高平坦度以及高平滑度,需要高精度的面加工。但是,存在如下问题:即,由于上述的硬质材料加工性较差,因此难以对作为密封面的基材表面进行高精度的面修整,容易产生泄漏。
然而,如果是本实施方式的机械密封件的配合环以及密封环,即使未对与各密封面对应的基材表面进行精密地面修整,也能够通过其中至少一个在密封面具有聚合物刷层,从而根据该聚合物刷层的存在,缓和各基材表面的表面性状的影响,并在各密封面中确保高密封性,且有效地防止泄漏的产生。
以上,对本发明的实施方式进行了说明,但本发明不限于上述实施方式,而包括本发明的思想以及权利要求书中所包含的所有形态,并能够在本发明的范围内进行各种变更。
(实施例)
接下来,为了进一步明确本发明的效果,对实施例以及比较例进行说明,但本发明不限于这些实施例。
(实施例1)
首先,作为基材,准备了机械密封件的配合环(材质:氧化铝)。进而,对该基材表面按照以下的方法实施聚合物刷层的形成处理,得到在密封面具有聚合物刷层的配合环即密封部件1。
<聚合引发基团向与密封面对应的基材表面的固定>
首先,将基材在丙酮和己烷的混合溶剂(丙酮与己烷按照质量比为1:1)中超声波清洗30分钟,接下来在氯仿中超声波清洗30分钟,然后在2-丙醇中超声波清洗30分钟,并通过紫外线臭氧清洁机(Meiwafosis株式会社制造的“PC440”)进行30分钟处理。
接下来,在带盖的样本容器中调制出(3-三甲氧基甲硅烷基)丙基-2-溴-2-甲基丙酸酯0.5重量份与乙醇22.3重量份的混合溶液A。在其它的样本容器中调制出28质量%的氨水5.7重量份与乙醇25.4重量份的混合溶液B。将混合溶液A和混合溶液B进行混合而调制出混合溶液C。
接下来,使实施了上述清洗处理的基材浸渍在该混合溶液C中,在室温下静置24小时,并提供到硅烷偶联反应。之后,从上述反应溶液中取出基材,通过乙醇进行超声波清洗之后,使其干燥,得到在基材表面使聚合引发基团固定化后的基材。
<根据表面引发原子转移自由基聚合的高分子接枝链的合成>
在置换了惰性气体(氩气)后的手套式操作箱内的特氟隆(注册商标)制造的耐压容器中,混合作为单体的甲基丙烯酸甲酯(以下,MMA,Nacalai Tesque株式会社制造)26.6重量份、作为低分子游离基引发剂的2-溴-2-甲基丙酸乙酯(东京化成工业株式会社制造)0.00026重量份、溴化铜(I)(和光纯药工业株式会社制造)0.12重量份、溴化铜(II)(和光纯药工业株式会社制造)0.021重量份、4,4'-二壬基-2,2'-联吡啶(和光纯药工业株式会社制造)0.78重量份、以及苯甲醚(和光纯药工业株式会社制造)27.5重量份,并调制出聚合反应溶液。
接下来,使将上述聚合引发基团固定化后得到的基材浸渍在该聚合反应溶液中,并盖上耐热容器。并且,在60℃、400MPa的条件下进行4小时的表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)。在反应结束后,从上述反应溶液中取出基材,用四氢呋喃(以下,称为THF,Nacalai Tesque株式会社制造)进行超声波清洗,使其干燥,得到在基材表面通过反应而导入了高分子接枝链的配合环。
<利用离子液体进行的溶胀>
并且,对上述的基材表面导入有高分子接枝链的配合环的密封面涂覆作为离子液体的N,N-二乙基-N-甲基-(2-甲氧基乙基)铵双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(DEME-TFSI、日清纺控股株式会社制造),浸渍15小时,使高分子接枝链在该离子液体中溶胀,得到在密封面形成有聚合物刷层的配合环。
(实施例2)
作为基材,使用了机械密封件的密封环(材质:碳化硅)。与实施例1同样地,对该基材实施聚合物刷层的形成处理,得到在密封面具有聚合物刷层的机械密封件的密封环即密封部件2。
(实施例3)
除了作为离子液体而使用了甲氧基乙基甲基吡咯烷鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(MEMP-TFSI)以外,与实施例1同样地,实施聚合物刷层的形成处理,得到在密封面具有聚合物刷层的、作为机械密封件的配合环,即密封部件3。
(实施例4)
除了作为离子液体而使用了甲氧基乙基甲基吡咯烷鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(MEMP-TFSI)以外,与实施例2同样地,实施聚合物刷层的形成处理,得到在密封面具有聚合物刷层的、作为机械密封件的密封环,即密封部件4。
(实施例5)
将实施例3中使用的配合环(材质:氧化铝)的基材依次在丙酮和己烷的混合溶剂(丙酮和己烷按照质量比为1:1)中超声波清洗30分钟,在氯仿中超声波清洗30分钟,在2-丙醇中超声波清洗30分钟。接下来,用紫外线臭氧清洁机(Meiwafosis株式会社制造的“PC440”)将基材的表面以及背面分别进行30分钟处理。
接下来,在带盖的样本容器中,调制出四乙氧基硅烷(TEOS)0.38重量份与乙醇12.6重量份的混合溶液D。在其它的样本容器中调制出28质量%氨水0.96重量份与乙醇24.6重量份的混合溶液E。混合混合溶液D和E而调制出混合溶液F。
接下来,使实施了上述清洗处理之后的基材浸渍在乙醇12.6重量份中,然后将得到的基材与混合溶液F混合,在室温下静置24小时,并提供到根据溶胶-凝胶法的二氧化硅涂敷处理。之后,从上述反应溶液中取出基材,用乙醇进行超声波清洗之后,使其干燥,得到在基材表面设置有二氧化硅涂层的配合环。之后,与实施例3同样地,在二氧化硅涂层上设置聚合物刷层,从而得到具有聚合物刷层以及二氧化硅涂层的、作为机械密封件的配合环,即密封部件5。
(实施例6)
使用机械密封件的密封环(材质:碳化硅),以代替实施例5中使用的配合环(材质:氧化铝)的基材,并且仅在基材表面实施密封环的清洗处理,除此以外与实施例5同样地,在二氧化硅涂层上设置聚合物刷层,从而得到具有聚合物刷层以及二氧化硅涂层的、作为机械密封件的密封环,即密封部件6。
(比较例1)
在实施例1中用作基材的配合环上未进行聚合物刷层的形成处理而用作密封部件7。
(比较例2)
在实施例2中用作基材的密封环上未实施聚合物刷层的形成处理而用作密封部件8。
[评价]
对于上述实施例以及比较例所涉及的密封部件(配合环以及密封环),进行了特性评价。评价条件为如下所述。在表1以及表2中示出结果。
[聚合溶液的分析]
在SI-ATRP结束之后,从实施例1以及2中使用的各聚合溶液中适量提取出样本,根据各聚合溶液的1H-NMR测量和凝胶浸透色谱(GPC)测量在同一合成体系内相互作用而得到的游离聚合物的聚合率(%)、数均分子量(以下,称为Mn),并计算出重量平均分子量(以下,称为Mw)、分子量分布指数(以下,称为MW/Mn)。在表1中示出结果。
另外,在1H-NMR测量中,使用傅立叶变换核磁共振装置FT-NMR(株式会社JEOLRESONANCE制造的“JNM-ECA600”),此外,作为重溶剂,使用了重氯仿(和光纯药工业株式会社制造)。此外,在凝胶浸透色谱测量中,使用分子量测量装置(昭和电工株式会社制造的“Shodex GPC-101”(串联连接2根色谱柱(昭和电工株式会社制造的“Shodex KF-806L”)),此外,作为洗脱液,使用了四氢呋喃。另外,在40℃下进行测量,流量设为0.8ml/min。并且,根据由上述分子量测量装置附属的RI检测器得到的测量结果,将校准试样设为游离聚甲基丙烯酸甲酯(VARIAN社制造),使用聚甲基丙烯酸甲酯换算的校正曲线,分别求出游离聚合物的数均分子量(Mn)以及分子量分布(Mw/Mn)。
[干燥膜厚的分析]
通过偏振分析法(ellipsometry),分析在实施例1以及2的密封部件的密封面形成的PMMA的聚合物刷层的干燥膜厚。根据得到的数据,计算出接枝密度(以下,称为σ(链/nm2))以及表面占有率(以下σ*)。在表1中示出结果。
在干燥膜厚的测量中,使用光谱椭圆偏光仪(J.A.Woollam Japan株式会社制造的“M2000U”),光源使用了氘灯(Deuterium)以及石英卤钨(Quartz Tungsten Halogen:QTH)灯。另外,不能通过上述光谱椭圆偏光仪直接分析形成在氧化铝基材上的聚合物刷层。因此,关于实施例1,在硅基板(10mm×8mm、厚度0.5mm)上按照与实施例1同一反应系(与氧化铝基材同时且使用相同的溶液,按照相同的条件进行在实施例1中实施的全部操作,即、清洗处理、聚合引发基团的固定、SI-ATRP、以及清洗和干燥进行)来形成聚合物刷层,并准备测量用样本,使用该测量用样本进行上述分析。因此,表1中所记载的实施例1的聚合物刷层的评价结果为在上述测量用样本的表面进行分析得到的值。
此外,由于能够通过上述光谱椭圆偏光仪直接分析形成在碳化硅基材上的聚合物刷层,因此关于实施例2的密封部件,直接分析了该密封面。因此,表1中所记载的实施例2的聚合物刷层的评价结果为在实施例2的密封部件的密封面进行分析而得到的值。另外,与实施例1的情况同样地,按照同一反应系在硅基板上形成聚合物刷层,即使对该聚合物刷层进行测量,也为与表1所示的值同等程度的值。
[表1]
(试验例1)
组装实施例1所涉及的密封部件1和实施例2所涉及的密封部件2而制造了机械密封件。作为在转矩试验中填充在装置中的离子液体,使用了DEME-TFSI。使用该机械密封件实施了漏气试验以及转矩试验。以下,对漏气试验以及转矩试验中使用的试验装置以及试验方法进行简单说明。
[转矩试验]
图2为转矩试验中使用的试验装置20的示意图。如图2所示,试验装置20具有:壳体21,其具有开口部;旋转轴22,其贯穿插入壳体21的开口部中;以及固定环23,其设置在壳体21与旋转轴22之间。旋转轴22在插入到壳体21的开口部中的一端部设置有一对圆环状的支承部22a。在旋转轴22的一对支承部22a上夹持有作为旋转侧环的配合环24(密封部件1)。在配合环24与固定环23之间配置有作为固定侧环的密封环(密封部件2)25。此外,在壳体21的开口边缘部设置有封装作为密封液体的离子液体26的填料箱27。
在该试验装置20中,伴随旋转轴22的旋转配合环24也旋转。此时,配合环24以被密封环25按压的状态滑动,因此配合环24与密封环25之间被密封,从而保持壳体21内的气密性。
如图2所示,以成为25N的接触载荷的方式组装密封环25和配合环24,从而制作机械密封件。之后,在不加压该机械密封件的情况下,对在10rpm以上且2000rpm以下的范围内变更转速时的各转速(30rpm、50rpm、100rpm)中的恒定转矩进行测量。对于转矩的测量,由负荷传感器测量通过滑动转矩使壳体旋转时的力,并根据下述式(1)进行计算。
转矩=到负荷传感器位置的距离×测量出的力 (1)
[漏气试验]
除了未封入离子液体26以外,与图2同样地,以构成25N的接触载荷的方式组装密封环25和配合环24来制作机械密封件。之后,在不使配合环24旋转的状态下,从机械密封件的外周以压缩空气进行加圧,在达到0.2MPa的阶段关闭压缩空气的供应阀,形成密封状态。之后,保持2分钟,根据期间的压力降低,计算出静态空气的泄漏速度(ml/h)。另外,在上述的漏气试验中,未进行配合环的旋转,但配合环24处于被密封环25按压的状态,因此在施加载荷的状态下,也能够保持气密性。
(试验例2)
除了使用比较例2所涉及的密封部件(密封环)8,以代替实施例2所涉及的密封部件(密封环)2以外,与试验例1同样地形成机械密封件。之后,与试验例1同样地,对机械密封件进行了漏气试验以及转矩试验。
(试验例3)
除了使用比较例1所涉及的密封部件(配合环)7,以代替实施例1所涉及的密封部件(配合环)1以外,与试验例2同样地形成机械密封件。之后,与试验例2同样地,对机械密封件进行了漏气试验以及转矩试验。
(试验例4)
使用实施例3所涉及的密封部件(配合环)3以代替实施例1所涉及的密封部件(配合环)1,使用实施例4所涉及的密封部件(密封环)以代替实施例2所涉及的密封部件(密封环)2。此外,在转矩试验中,在图2的装置中填充有MEMP-TFSI作为离子液体。除此以外,与试验例1同样地形成机械密封件,并且进行了漏气试验以及转矩试验。
(试验例5)
使用比较例2所涉及的密封部件(密封环)8以代替实施例4所涉及的密封部件(密封环)4。除此以外,与试验例4同样地形成机械密封件,并且进行了漏气试验以及转矩试验。
(试验例6)
使用实施例5所涉及的密封部件(配合环)5以代替实施例1所涉及的密封部件(配合环)1,使用实施例6所涉及的密封部件(密封环)6以代替实施例2所涉及的密封部件(密封环)2。此外,在转矩试验中,在图2的装置中填充有MEMP-TFSI作为离子液体。除此以外,与试验例1同样地形成机械密封件,并且进行了漏气试验以及转矩试验。
(试验例7)
使用比较例2所涉及的密封部件(密封环)8以代替实施例6所涉及的密封部件(密封环)6。除此以外,与试验例6同样地形成机械密封件,并且进行了漏气试验以及转矩试验。
(试验例8)
使用比较例1所涉及的密封部件(配合环)7以代替实施例5所涉及的密封部件(配合环)5。除此以外,与试验例7同样地形成机械密封件,并且进行了漏气试验以及转矩试验。
[表2]
在试验例1、2、4~7中,构成机械密封件的配合环以及密封环中的至少一个由实施例的密封部件构成。即,配合环以及密封环中的至少一个具有聚合物刷层。另一方面,在试验例3以及8中,构成机械密封件的配合环以及密封环双方由比较例的密封部件构成。即,配合环以及密封环均不具有聚合物刷层。
在上述表2中示出在试验例1~8中进行的漏气试验以及转矩试验的结果。如表2所示,实施例1至4的密封部件为机械密封件的配合环以及密封环中的至少一个,在密封面具有聚合物刷层。因此,确认了不仅在进行漏气试验时,在密封面中发挥优异的密封性,而且在转矩试验中转矩大幅度地减小(试验例1和2、以及试验例4和5)。此外,由试验例6以及试验例7可知,即使在还具有二氧化硅涂层且在二氧化硅涂层上设置有聚合物刷层的情况下,与未设置二氧化硅涂层的情况相比,确认了在漏气试验以及转矩试验的任意试验中能够得到并不逊色的结果。
而试验例3以及试验例8的密封部件均在密封面不具有聚合物刷层,因此确认了与试验例1、2、4~7相比,密封性显著变差,转矩也变大。
标号说明
1 密封部件
1a 密封面
1A 密封部件的表面
11 基材
11A 基材表面
12 聚合物刷层
12A 表面
121 高分子接枝链
20 试验装置
21 壳体
22 旋转轴
22a 支承部
23 固定环
24 配合环(密封部件)
25 密封环(密封部件)
26 离子液体
27 填料箱
Claims (3)
1.一种密封部件,该密封部件为选自密封垫、机械密封件、扇形密封件、刷形密封件、挤压式密封件、唇形密封件以及密封环中的任意1个密封部件,其中,
所述密封部件在密封面具有聚合物刷层。
2.根据权利要求1所述的密封部件,其中,
所述密封部件还具有二氧化硅涂层,
所述聚合物刷层设置在所述二氧化硅涂层上。
3.根据权利要求1或2所述的密封部件,其中,
所述聚合物刷层被液体物质溶胀。
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