CN111038050A - 一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块及其制作方法 - Google Patents

一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块及其制作方法，属于密封材料领域。其成分按重量份包括：非金属无机纤维纱40～50份，自润滑树脂40～55份、无机陶瓷粉末3～5份。密封滑块的制作方法包括编织、混合、浸渍、预烧结、交替铺盖、热压、脱模等工序。本发明还公开了一种用于气泵的“T”字形结构的密封滑块，在机组运转后可实现高效抽真空。本发明制备的密封滑块具有优异的自润滑性和耐磨性，刚度高，不易弯曲，能够满足高速、干摩擦工况下的密封要求，机组运转后能快速排出与气泵腔体相连管路中的气体，实现管路真空，达到快速抽取其他介质的目的，整个运转过程高效节能，对其他介质和环境无污染。

Description

一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块及其制作方法
技术领域
本发明属于密封领域，具体涉及一种具备自润滑、高耐磨、抗弯曲等性能特点的非金属密封滑块，披露了密封滑块的材料组成、制作方法和“T”形结构。
背景技术
密封滑块是滑片式气泵的关键部件，位于偏心转子的若干轴向凹槽中，在径向能自由滑动。由于转子在气缸内偏心配置，气缸内壁与转子外表面间构成一个月牙形空间。转子旋转时，滑块受离心力的作用从槽中甩出，其端部紧贴在气缸内圆壁面上，月牙形的空间被滑块分隔成若干扇形的小室——基元容积，滑块搭在气缸与转子之间起到密封作用，防止气体在转子和气缸的空隙中串流，实现基元容积内的气体各自封闭。在转子旋转一周之内，每一基元容积将由最小值逐渐变大，直到最大值，再由最大值逐渐变小，变到最小值。随着转子的连续旋转，基元容积遵循上述规律周而复始变化。通过以上容积的变化，可以实现抽真空或气体压缩。
一般情况下，偏心转子与动力轴直连，转速为3000rpm，以100mm直径的气缸为例，密封滑块的运动线速度将近16m/s。在某些特殊装置中，偏心转子与动力轴采用皮带连接，偏心转子的转速可达5000rpm。在如此高的线速度下，滑块与气缸内壁之间的摩擦非常剧烈，若没有冷却，气缸内壁会快速升温，2min内可达200℃以上，滑块或气缸内壁会快速磨损，导致容积效率降低，进而滑块失去密封作用，导致压缩或抽真空失败。因此，气缸内都会加入润滑油，一方面冷却气缸，另一方面在气缸内壁形成油膜，降低滑块与气缸之间的摩擦力，延长滑块的使用寿命，滑块一般为铸铁、铜合金等金属材质。由于润滑油的存在，该气泵压缩的气体或抽真空引出的介质都会被污染，虽然现在有很多除油措施，但依然无法从根本上解决介质含油的问题。
为了实现气泵的无油运转，现在采用各类自润滑材料制作滑块，如碳石墨等无机材料、填充聚四氟乙烯和热固性树脂等高分子复合材料等，均取得了一定的效果。但是石墨材质韧性低，易脆断，不抗弯曲；填充四氟类材料硬度低，耐热性不足，易受热变形。热固性树脂类材料自润滑性不足，磨耗量过大。所以，以上三种材料均无法在干运转气泵上获得深入应用。
如何保证在氟树脂优异自润滑性能的基础上，进一步提高该材料的耐磨损、抗弯曲和抗热变形性能，以获得性能更加全面的非金属复合材料，以及利用此材料制造出满足干运转要求的密封滑块，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，提供一种具备自润滑、高耐磨、抗弯曲等性能的非金属密封滑块的材质及其制备方法，以解决滑块式气泵的自润滑难题，实现工作介质的洁净化，以及设备的长周期运转。
为实现上述目的，本发明提供了第一种技术方案：
一种自润滑、高耐磨、抗弯曲的非金属密封滑块，其包括以下重量份的原料：
非金属无机纤维纱 40～50份；
自润滑树脂 40～55份；
无机陶瓷粉末 3～5份。
在第一种技术方案中，进一步优选的，所述非金属无机纤维纱的纤维单丝直径为5～20μm，非金属无机纤维纱为无碱玻璃纤维纱、碳纤维纱、玄武岩纤维纱中的一种或两种及以上的混合物。
在第一种技术方案中，进一步优选的，所述自润滑树脂数均分子量范围300～800万，为聚四氟乙烯树脂、聚全氟乙丙烯树脂、聚全氟烷氧基树脂中的两种或两种以上的混合物。
在第一种技术方案中，进一步优选的，所述无机陶瓷粉末的微观形态近似圆形，粒径为20～100nm，纯度大于97％，为氧化硅、氮化硅、氮氧化钛中的一种或两种及以上的混合物。
本发明提供了第二种技术方案，如第一种技术方案所述的一种自润滑、高耐磨、抗弯曲的非金属密封滑块的制备方法，包括以下步骤：
S1、编织
称取40～50重量份的非金属无机纤维纱，根据工件尺寸的大小选取长度，在编织设备上进行编织，经纬搭接，织纹为平纹、斜纹、缎纹、罗纹或者席纹中的一种，织成非金属无机纤维织片，该非金属无机纤维织片的厚度0.05～0.15mm，孔隙大小为0.1～1mm；
S2、混合
称取3～5重量份的无机陶瓷粉末和一定重量份的自润滑树脂乳液，其中自润滑树脂乳液中含30～38重量份的第一自润滑树脂；将称取的陶瓷粉末和自润滑树脂乳液计量投入到超声波搅拌均质器的混合腔中，开启设备，混合5～15min，得到无结团的混合乳液；
S3、浸渍、预烧结
将步骤S2得到的混合乳液计量投入浸胶热处理一体机的料池中，将步骤S1得到的非金属无机纤维织片投入到料池的指定位置，开始浸渍，浸渍1～5min后从料池取出，进入80～120℃的干燥区，干燥5～10min，再进入300～340℃的烘干区，烘烤3～8min，最后进入360～390℃的预烧结区，预烧结5～15min，然后再进入料池，循环以上浸渍、干燥、烘烤和预烧结步骤5～7次，最后冷却至室温，得到预成型纤维织片，厚度为0.1～0.3mm，静置待用；
S4、热压、脱模
将步骤S3得到的预成型纤维织片放入热压机的压制模具中，在该预成型纤维织片上铺一层相应尺寸的薄膜状的第二自润滑树脂，再铺一层预成型纤维织片，如此反复交替，直至能满足滑块的厚度尺寸要求，开启设备，按如下工序加压：1分钟内加压到5～10MPa，保持压力，开始加热，从室温加热至300℃，升温速率为70～80℃/小时，达到300℃后，保温0.5～1小时；保温结束后，在1分钟内加压到40～45MPa，保持压力，继续由300℃加热到330℃，升温速率为55～60℃/小时，330℃保温0.5～1小时；压力不变，继续由330℃加热到380℃，升温速率为55～60℃/小时，380℃保温1～1.5小时；压力不变，开始降温，由380℃降到300℃，降温速率为70～80℃/小时，在300℃保温0.5～1小时，继续降温，由300℃降到100℃，降温速率为70～80℃/小时，当温度降到100℃时停止加热，自然冷却至室温，卸去压力，脱模取出滑块毛胚，静置24小时后，机械加工成符合图纸要求的密封滑块；
其中，第一自润滑树脂和第二自润滑树脂为聚四氟乙烯树脂、聚全氟乙丙烯树脂、聚全氟烷氧基树脂中的一种或两种的混合物，两者重量份之和为40～55份；步骤S1、S2不分先后顺序。
在第二种技术方案中，进一步优选的，步骤S2中超声波搅拌均质器的超声波频率为28～40KHz，转速为300～500rpm。
在第二种技术方案中，进一步优选的，制作步骤S4中所述热压机的温度控制精度为±5℃，热压腔有氮气保护。
在第二种技术方案中，进一步优选的，所述步骤S4中薄膜状的第二自润滑树脂薄膜的厚度为0.02～0.05mm。
本发明提供了第三种技术方案，一种由第一种技术方案及其优选技术方案所述材质组成的自润滑、高耐磨、抗弯曲的非金属密封滑块。
本发明提供了第四种技术方案，一种由第二种技术方案及其优选技术方案的制备方法所制备的自润滑、高耐磨、抗弯曲的非金属密封滑块。
上述第一种、第四种技术方案中进一步优选的，非金属密封滑块外形呈“T”形结构，沿滑块所在转轴径向的两端，长直状的一端所在侧面为密封面，中间高而两边低的凸起状一端所在侧面为承力面。
本发明以非金属无机纤维为滑块的承力筋，实现滑块整体的刚度和硬度要求；以改性的自润滑树脂乳液为承力筋的连接材料，利用氟树脂烧结后优异的坚韧性，实现多层承力筋的牢固结合；树脂层在与气缸内壁的摩擦过程中，部分转移到内壁表面，形成一层自润滑薄膜，保证持续的润滑和减磨效果。
本发明的主要优点和核心技术在于：
1)、与常规自润滑密封滑块相比，本发明的非金属密封滑块在保持了氟树脂自润滑性能的基础上，增加了材料的硬度、抗弯曲和耐热性能，弥补了聚四氟乙烯材料在高温环境中软化变形和耐磨性能显著下降的缺陷，解决了石墨类材料易脆断等难题，可以实现高效密封性能，达到管路快速抽真空效果。
2)、本发明的非金属滑块采用了多层材料组合而成，可以根据滑块的厚度要求，任意选取材料的层数，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)、本发明的材料组成和制作方法的配对应用，解决了填充氟树脂材料韧性和刚度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)、一种外形呈“T”形结构的密封滑块，沿滑块所在转轴径向的两端，一端所在侧面呈长直状，为密封面，另一端所在侧面呈中间高而两边低的凸起状，为承力面。当机器静止时，密封面与缸体不接触，承力面与转轴接触。当机器运行时，滑块在离心力作用下被甩出，承力面与转轴不接触，密封面与缸体接触，实现密封，快速排出与主机腔体相连管路中的空气，实现管路真空，达到快速抽取介质的目的，整个运转过程高效节能，不会对介质和周边环境造成任何污染。
附图说明
图1为本发明“T”字形密封滑块的结构图。
图2为本发明“T”字形密封滑块安装状态的结构图；
图3为本发明“T”字形密封滑块工作状态的结构图；
1、密封面；2、承力面；3、偏心转子；4、密封滑块；5、隔环；
具体实施方式
为便于理解，此处通过以下具体实施方式，对本发明作进一步说明：
实施例1：
S1、编织
取45重量份的无碱玻璃纤维纱，在编织设备上进行编织，成平纹状的纤维片，纤维片的厚度0.1mm，孔隙大小为0.5mm；
S2、混合
将3重量份的氮化硅粉末(粒径20nm)和75重量份的聚四氟乙烯树脂乳液(固含量为55％)计量投入到超声波搅拌均质器的混合腔中，开启设备，混合10min，肉眼观察是否有结团现象，如无即得到混合乳液；
S3、浸渍、预烧结
将S2制得的混合乳液计量倒入浸胶热处理一体机的料池中，将玻璃纤维织片投入到料池的指定位置，开始浸渍，浸渍3min后从料池取出，进入100℃的干燥区，干燥8min，再进入320℃的烘干区，烘烤5min，最后进入360℃的预烧结区，预烧结15min，然后再进入料池，循环以上步骤5次，最后冷却至室温，得到预成型玻璃纤维织片，厚度为0.2mm，静置待用；
S4、热压、脱模
将步骤S3得到的预成型玻璃纤维织片放入热压机的压制模具中，在该纤维片上铺一层厚度为0.05mm的聚全氟乙丙烯树脂薄膜，再铺一层预成型玻璃纤维织片，如此反复交替50次，开启设备，按如下工序加压：1分钟内加压到10MPa，保持压力，开始加热，从室温升温至300℃，升温速率为75℃/小时，达到300℃后，保温1小时；保温结束后，在1分钟内加压到42MPa，保持压力，继续由300℃加热到330℃，升温速率为55℃/小时，330℃保温1小时；压力不变，继续由330℃加热到380℃，升温速率为55℃/小时，380℃保温1.5小时；压力不变，开始降温，由380℃降到300℃，降温速率为75℃/小时，在300℃保温1小时，继续降温，由300℃降到100℃，降温速率为75℃/小时，当温度降到100℃时停止加热，自然冷却至室温，卸去压力，脱模取出滑块毛胚，静置24小时后，机械加工成符合图纸要求的密封滑块。
实施例2：
S1、编织
取43重量份的碳纤维纱，在编织设备上进行编织，成斜纹状的碳纤维片，纤维片的厚度0.1mm，孔隙大小为0.5mm；
S2、混合
将5重量份的氧化硅粉末(粒径20nm)和65重量份的聚四氟乙烯树脂乳液(固含量为65％)计量投入到超声波搅拌均质器的混合腔中，开启设备，混合10min，肉眼观察是否有结团现象，如无即得到混合乳液；
S3、浸渍、预烧结
将混合乳液倒入浸胶热处理一体机的料池中，将碳纤维织片投入到料池的指定位置，开始浸渍，浸渍时间为3min，从料池出来后进入100℃的干燥区，干燥8min，再进入320℃的烘干区，烘烤5min，最后进入375℃的预烧结区，预烧结12min，然后再进入料池，循环以上步骤5次，最后冷却至室温，得到预成型碳纤维织片，厚度为0.2mm，静置待用；
S4、热压、脱模
将预成型纤维织片放入热压机的压制模具中，在该纤维片上铺一层厚度为0.02mm的聚全氟烷氧基树脂薄膜，再铺一层预成型碳纤维织片，如此反复交替40次，开启设备，按如下工序加压：1分钟内加压到10MPa，保持压力，开始加热，从室温加热至300℃，升温速率为75℃/小时，达到300℃后，保温0.8小时；保温结束后，在1分钟内加压到42MPa，保持压力，继续由300℃加热到330℃，升温速率为55℃/小时，330℃保温1小时；压力不变，继续由330℃加热到380℃，升温速率为55℃/小时，380℃保温1小时；压力不变，开始降温，由380℃降到300℃，降温速率为75℃/小时，在300℃保温1小时，继续降温，由300℃降到100℃，降温速率为75℃/小时，当温度降到100℃时停止加热，自然冷却至室温，卸去压力，脱模取出滑块毛胚，静置24小时后，机械加工成符合图纸要求的密封滑块。
对比例1：
S1、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，20重量份的玻璃纤维粉，混合均匀后得混合料，取出待用；
S2、压制
将S1制备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；
S3、烧结
将S2制备的材料毛坯放入PLC自动控制烘箱中，按以下要求控制腔体内温度变化：室温加热至300℃，升温速率为70℃/小时，300℃保温0.5小时，300℃加热至380℃，升温速率为60℃/小时，380℃保温3小时，380℃降温至300℃，降温速率为70℃/小时，300℃保温0.5小时，300℃降温至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，静置24小时后，机械加工成符合图纸要求的密封滑块。
对比例2：
S1、混合
向混合设备的混合腔中投入75重量份的悬浮聚四氟乙烯树脂，20重量份的碳纤维粉及5重量份的二氧化硅粉末，混合均匀后得混合料，取出待用；
S2、压制
将S1制备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；
S3、烧结
将S2制备的材料毛坯放入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℃加热至380℃，升温速率为60℃/小时，380℃保温3小时，380℃降温至300℃，降温速率为70℃/小时，300℃保温0.5小时，300℃降温至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，静置24小时后，机械加工成符合图纸要求的密封滑块。
性能测试对比：
将实施例1、2和对比例1、2制得的材料毛胚加工成试验件，按照国家标准的测试要求，对其进行材料的各性能测试，测试结果见下表。
Figure BDA0002299877950000081
由表中数据可以看出，本发明实施例1和2制备的非金属滑块材料与对比例1和2填充聚四氟乙烯材料制备的滑块相比，密度、摩擦系数基本相同，表面硬度高17％，磨痕宽度略窄，弯曲强度高2倍左右，轴向线膨胀系数低23％，可以看出本发明非金属滑块材料具有自润滑、高耐磨、抗弯曲等优异的综合特性，非常适合用于干运转场合，可在气泵领域获得广泛应用。
实施例3：
如图1，将本发明实施方案制作的“T”形密封滑块,安装在偏心转子3的轴向槽中，承力面2朝向偏心转子3的圆心，密封面1朝向气缸，承力面2紧贴在隔环5，具体方位见图2。如图3所示，当偏心转子3开始转动时，密封滑块4在离心力的作用下朝气缸侧运动，密封面1与气缸接触，每个槽中的密封滑块4的运动距离不同，在隔环5的作用下，始终保持一个圆形轨迹，偏心转子3、密封滑块4和气缸三者之间形成一定的空间，该空间容积大小呈周期性变化，从而实现抽真空和气体压缩的效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块，其特征在于，包括以下重量份的原料：
非金属无机纤维纱40～50份；
自润滑树脂40～55份；
无机陶瓷粉末3～5份。
2.根据权利要求1所述的一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块，其特征在于，所述非金属无机纤维纱的纤维单丝直径为5～20μm，非金属无机纤维纱为无碱玻璃纤维纱、碳纤维纱、玄武岩纤维纱中的一种或两种及以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块，其特征在于，所述自润滑树脂数均分子量范围为300～800万，为聚四氟乙烯树脂、聚全氟乙丙烯树脂、聚全氟烷氧基树脂中的两种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块，其特征在于，所述无机陶瓷粉末的微观形态近似圆形，粒径为20～100nm，纯度大于97％，为氧化硅、氮化硅、氮氧化钛中的一种或两种及以上的混合物。
5.一种权利要求1～4任意一项所述的一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、编织
称取40～50重量份的非金属无机纤维纱，根据工件尺寸的大小选取长度，在编织设备上进行编织，经纬搭接，织纹为平纹、斜纹、缎纹、罗纹或者席纹中的一种，织成非金属无机纤维织片，该非金属无机纤维织片的厚度0.05～0.15mm，孔隙大小为0.1～1mm；
S2、混合
称取3～5重量份的无机陶瓷粉末和一定重量份的自润滑树脂乳液，该自润滑树脂乳液中含30～38重量份的第一自润滑树脂；将称取的陶瓷粉末和自润滑树脂乳液计量投入到超声波搅拌均质器的混合腔中，开启设备，混合5～15min，得到无结团的混合乳液；
S3、浸渍、预烧结
将步骤S2得到的混合乳液计量投入浸胶热处理一体机的料池中，将步骤S1得到的非金属无机纤维织片投入到料池的指定位置，开始浸渍，浸渍1～5min后从料池取出，进入80～120℃的干燥区，干燥5～10min，再进入300～340℃的烘干区，烘烤3～8min，最后进入360～390℃的预烧结区，预烧结5～15min，然后再进入料池，循环以上浸渍、干燥、烘烤和预烧结步骤5～7次，最后冷却至室温，得到预成型纤维织片，厚度为0.1～0.3mm，静置待用；
S4、热压、脱模
将步骤S3得到的预成型纤维织片放入热压机的压制模具中，在该预成型纤维织片上铺一层相应尺寸的薄膜状的第二自润滑树脂，再铺一层预成型纤维织片，如此反复交替，直至能满足滑块的厚度尺寸要求，开启设备，按如下工序加压：1分钟内加压到5～10MPa，保持压力，开始加热，从室温加热至300℃，升温速率为70～80℃/小时，达到300℃后，保温0.5～1小时；保温结束后，在1分钟内加压到40～45MPa，保持压力，继续由300℃加热到330℃，升温速率为55～60℃/小时，330℃保温0.5～1小时；压力不变，继续由330℃加热到380℃，升温速率为55～60℃/小时，380℃保温1～1.5小时；压力不变，开始降温，由380℃降到300℃，降温速率为70～80℃/小时，在300℃保温0.5～1小时，继续降温，由300℃降到100℃，降温速率为70～80℃/小时，当温度降到100℃时停止加热，自然冷却至室温，卸去压力，脱模取出滑块毛胚，静置24小时后，机械加工成符合图纸要求的密封滑块；
其中，第一自润滑树脂和第二自润滑树脂分别为聚四氟乙烯树脂、聚全氟乙丙烯树脂、聚全氟烷氧基树脂中的一种或两种的混合物，两者重量份之和为40～55份；步骤S1、S2不分先后顺序。
6.根据权利要求5所述的一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块的制备方法，其特征在于，步骤S2中超声波搅拌均质器的超声波频率为28～40KHz，转速为300～500rpm。
7.根据权利要求5所述的一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块的制备方法，其特征在于，步骤S4中热压机的温度控制精度为±5℃，热压腔有氮气保护。
8.根据权利要求5所述的一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中薄膜状的第二自润滑树脂薄膜的厚度为0.02～0.05mm。
9.一种由权利要求5～8任意一项制备的自润滑、高耐磨的非金属密封滑块。
10.根据权利要求1或2或3或4或9所述的一种自润滑、高耐磨的非金属密封滑块，其特征在于，所述非金属密封滑块外形呈“T”形结构，沿滑块所在转轴径向的两端，一端所在侧面呈长直状，为密封面，另一端所在侧面呈中间高而两边低的凸起状，为承力面。
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