CN111073186B - 一种盘根用聚四氟乙烯复合材料及其制备盘根的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盘根用聚四氟乙烯复合材料及其制备盘根的方法，盘根用聚四氟乙烯复合材料，由下述组分按重量份组成：聚四氟乙烯分散树脂100份，二硫化钼5‑20份，四针状氧化锌1‑10份，氧化铝1‑10份,碳纳米管1‑5份，粘土1‑5份；制备盘根的方法由下述步骤组成：(1)将聚四氟乙烯分散树脂与各填料混合均匀；(2)加助推油充分混合并加热熟化；(3)压制成坯料；(4)推压挤出及压延；(5)高温脱油及拉伸和定型；(6)裂分成纤维并编织盘根。本发明的聚四氟乙烯盘根，具有优良的导热性和耐热性、耐高温应力松弛、耐酸碱及化学试剂和自润滑性能，密封性能好、使用寿命长且对设备的磨损少，可用于高压、高温、高速及动态密封等特点的泵或阀门。

Description

一种盘根用聚四氟乙烯复合材料及其制备盘根的方法

技术领域

本发明属于密封材料领域，具体涉及一种盘根用聚四氟乙烯复合材料及其制备盘根的方法。

背景技术

盘根(编制盘根)也叫密封填料，通常由较柔软的线状物编织而成，通常截面积是正方形或长方形、圆形的条状物填充在密封腔体内，从而实现密封。填料密封最早是以棉麻等纤维塞在泄漏通道内来阻止液流泄漏，主要用作提水机械的轴封。由于填料来源广泛，加工容易，价格低廉，密封可靠，操作简单，所以沿用至今。现在盘根被广泛用于离心泵、压缩机、真空泵、搅拌机和船舶螺旋桨的转轴密封、活塞泵、往复式压缩机、制冷机的往复运动轴封，以及各种阀门阀杆的旋动密封等。

盘根对轴的压紧力通过拧紧压盖螺栓产生。由于盘根是弹塑性体，当受到轴向压紧后，产生摩擦力致使压紧力沿轴向逐渐减少，同时所产生的径向压紧力使其紧贴于轴表面而阻止介质外漏。径向压紧力的分布由外端(压盖)向内端，先是急剧递减后趋平缓，介质压力的分布由内端逐渐向外端递减，当外端介质压力为零时，则泄漏很少，大于零时泄漏。用作盘根的材料应具备如下特性：1)有一定的弹塑性，当受轴向压紧时能产生较大的径向压紧力，以获得密封；当机器和轴有振动或轴有跳动及偏心时，能有一定的补偿能力(追随性)。2)化学稳定性，既不被介质所腐蚀、溶胀，也不污染介质；3)不渗透性，介质对大部分纤维均有一些渗透，故要求其组织致密。4)自润滑性好，摩擦系数小并耐磨；5)耐温性，耐受一定的环境温度或当摩擦发热后能承受一定的温度。

聚四氟乙烯类盘根具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性和良好的抗老化性能，能在-180℃至+250℃的温度下长期工作，除熔融金属钠和液氟外，能耐其它一切化学药品。主要用于不允许污染的工况环境下卫生级、腐蚀性强等要求较高、线速度高、设备易磨损等工况下，如石油领域中就广泛采用。聚四氟乙烯的摩擦系数较低但自身却易磨损，长时间高温下使用会分解出氢氟酸腐蚀设备，而且会因高温应力松弛和热膨胀问题引起泄露。目前的聚四氟乙烯盘根通过特定填料的添加可以改善某一缺陷，但综合性能还有待提高，高温性能、磨耗问题以及对设备的磨损和腐蚀问题一直都没有得到大的改善，从而影响了盘根的密封性能和耐久性以及设备的使用寿命。CN 106594281 A公开了一种聚四氟乙烯盘根，采用聚四氟乙烯材料制成盘根的外层，用硅橡胶制成盘根的内芯，用聚四氟乙烯膜将外层和内芯隔离，使得其具有良好的弹性，能够保持良好的密封性，同时又能够保持良好的抗腐蚀性，但由于外层采用纯聚四氟乙烯，容易磨损且上限使用温度偏低。CN103574035 A公开了一种聚四氟乙烯纤维盘根，由如下组分按重量份组成：聚四氟乙烯100份、石墨80-100份、三辛酰基钛酸异丙酯1-3份、茵苛镍2-4份；CN 1724607 A公开了一种石墨填充聚四氟乙烯纤维盘根，分散聚四氟乙烯树脂占50％-82％，其余为天然石墨；二者都是通过添加大量石墨提高导热性、耐高速性和低蠕变性能，使用性能比纯聚四氟乙烯纤维盘根更优，但由于石墨本身的特性限制，在高强度等要求较高的环境下使用时，依旧存在抗磨耗和抗极压等性能的不足。CN 108360260 A公开了一种盘根、盘根的制备方法及用于制备盘根的第一浸渍液，通过浸渍法将添加了功能填料助剂的聚四氟乙烯等含氟聚合物乳液浸渍到苎麻纤维、亚麻纤维、芳纶纤维、涤纶纤维、腈纶纤维、碳纤维或棉纱纤维的表面烘干后制成盘根，但由于含氟材料的不粘性，在高强度环境下使用时，含氟涂层容易从纤维上脱落造成盘根失效。CN 1464023 A公开了一种油密封零件用的填充聚四氟乙烯材料及其制备方法，其中组成包括(以下用量为重量份)：悬浮聚四乙烯树脂100份、二硫化钼5.8-6.8份、无碱玻璃纤维8.7-20.5份、石墨粉2.7-5.8份，高速混合后通过模压烧结制成，制得的油密封主唇和副唇产品具有密封性好、耐腐蚀性、耐温性和机械性能优良等特点，但这种采用聚四乙烯悬浮树脂制备的密封件，只能通过模压烧结后机加工制备，制成的形状和体积大大受限，因此受设备使用处的形状和空间的限制较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盘根用聚四氟乙烯复合材料及其制备盘根的方法，制备的聚四氟乙烯盘根，具有优良的导热性和耐热性、耐高温应力松弛、耐酸碱及化学试剂和自润滑性能，密封性能好、使用寿命长且对设备的磨损少。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种盘根用聚四氟乙烯复合材料，其特征在于：由下述组分按重量份组成：聚四氟乙烯分散树脂100份，二硫化钼5-20份，氧化铝1-10份，四针状氧化锌1-10份，碳纳米管1-5份，粘土1-5份。

一种使用如权利要求1的一种盘根用聚四氟乙烯复合材料制备盘根的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将聚四氟乙烯分散树脂、二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管和黏土混合均匀；(2)加助推油充分混合并加热熟化；(3)压制成坯料；(4)推压挤出及压延；(5)高温脱油及拉伸和定型；(6)裂分成纤维并编织盘根。

优选的，二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管和粘土中的一种或几种的表面经过氟气氟化处理。

优选的，二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管和粘土中的一种或几种的表面经过多巴胺溶液处理。

优选的，二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管和粘土中的一种或几种的表面经过氟气氟化处理后再经过多巴胺溶液表面处理。

优选的，步骤(1)中，混合方法为聚四氟乙烯分散树脂乳液与二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管和黏土湿法混合后共凝聚干燥得到粉料。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明中盘根用聚四氟乙烯复合材料采用的二硫化钼，其摩擦系数低(0.05-0.1)，在空气中350℃下有极好的润滑性能，与石墨相比，具有更好的抗磨损和抗极压性能，在复合材料中起到润滑减摩作用。采用的氧化铝可以吸收聚四氟乙烯长期高温下分解出的氟化氢，避免对设备的腐蚀，提高复合材料的使用温度。采用的四针状氧化锌具有独特的四针状结构，在聚四氟乙烯分散树脂加工成纤过程中，其针可以勾连聚四氟乙烯纤维。采用的碳纳米管强度高且具有卓越的导热和导电性能，可以提高复合材料的导热、防静电、耐磨损等性能。粘土为层状无机物，在水溶液中通过特定方法将其层间距增大，聚四氟乙烯乳液中部分聚四氟乙烯纳米粒子进入到粘土层间，使层状粘土以纳米级尺寸均匀分散于复合材料体系中，提高复合材料的抗张强度、弹性模量、热变形温度和高温膨胀系数等性能。通过四针状氧化锌与碳纳米管与聚四氟乙烯纤维的勾连缠绕作用、粘土的插层效果，可以显著提升聚四氟乙烯复合材料的耐蠕变、耐高温应力松弛、耐热膨胀、耐磨损等性能，提高聚四氟乙烯盘根的使用温度。综上所述通过聚四氟乙烯分散树脂与二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管和粘土的协同作用，可以显著提高聚四氟乙烯盘根的耐磨耗、耐高温、导热和防静电性能，降低对设备的磨损和腐蚀，大大提高了聚四氟乙烯盘根苛刻环境下的密封性能和耐久性以及设备的使用寿命。本发明的聚四氟乙烯盘根，具有优良的导热性和耐热性、耐高温应力松弛、耐酸碱及化学试剂和自润滑性能，密封性能好、使用寿命长且对设备的磨损少，可用于高压、高温、高速及动态密封等特点的泵或阀门。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

配置多巴胺水溶液，调整pH值，分别将二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管、粘土置于多巴胺水溶液中浸渍、搅拌、过滤后烘干。将聚四氟乙烯分散树脂粉料100份(重量份，下同)及上述处理过的二硫化钼20份、氧化铝1份、四针状氧化锌1份、碳纳米管3份、粘土3份混合均匀，再加入24份航空煤油(3号喷气燃料)均匀混合，混合时搅拌器转速为30rmp，时间30min；再将混合后的原料在30℃下放置24h进行熟化；然后将熟化好的原料加入到模具中进行预压，预压压力为2MPa，形成外观良好的柱形模坯；接着将模坯进入推压机进行推压，温度为60℃，推压后经过压延机压延成膜；再在120℃下脱油，在拉伸机上进行拉伸定型，温度280℃；然后进行剖带裂分成纤维并收卷；再采用编织机将纤维编制成聚四氟乙烯盘根产品。

实施例2

配置多巴胺水溶液，调整pH值，分别将经过氟气氟化处理过的二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管、粘土置于多巴胺水溶液中浸渍、搅拌、过滤后烘干。将聚四氟乙烯分散树脂粉料100份及上述处理过的二硫化钼5份、氧化铝5份、四针状氧化锌10份、碳纳米管5份、粘土5份混合均匀，再加入24份航空煤油(3号喷气燃料)均匀混合，混合时搅拌器转速为30rmp，时间30min；再将混合后的原料在30℃下放置24h进行熟化；然后将熟化好的原料加入到模具中进行预压，预压压力为2MPa，形成外观良好的柱形模坯；接着将模坯进入推压机进行推压，温度为60℃，推压后经过压延机压延成膜；再在120℃下脱油，在拉伸机上进行拉伸定型，温度280℃；然后进行剖带裂分成纤维并收卷；再采用编织机将纤维编制成聚四氟乙烯盘根产品。

实施例3

配置多巴胺水溶液，调整pH值，分别将二硫化钼10份、氧化铝10份、四针状氧化锌5份、碳纳米管1份、粘土1份置于多巴胺水溶液中浸渍、搅拌。将上述悬浮液与含聚四氟乙烯分散树脂100份的聚四氟乙烯乳液的混合均匀，加入凝聚剂进行共凝聚，脱水并干燥；将上述物料加入24份航空煤油(3号喷气燃料)均匀混合，混合时搅拌器转速为30rmp，时间30min；再将混合后的原料在30℃下放置24h进行熟化；然后将熟化好的原料加入到模具中进行预压，预压压力为2MPa，形成外观良好的柱形模坯；接着将模坯进入推压机进行推压，温度为60℃，推压后经过压延机压延成膜；再在120℃下脱油，在拉伸机上进行拉伸定型，温度280℃；然后进行剖带裂分成纤维并收卷；再采用编织机将纤维编制成聚四氟乙烯盘根产品。

实施例4

配置多巴胺水溶液，调整pH值，分别将经过氟气氟化处理过的二硫化钼10份、氧化铝5份、四针状氧化锌5份、碳纳米管3份、粘土3份置于多巴胺水溶液中浸渍、搅拌。将上述悬浮液与含聚四氟乙烯分散树脂100份的聚四氟乙烯乳液的混合均匀，加入凝聚剂进行共凝聚，脱水并干燥；将上述物料加入24份航空煤油(3号喷气燃料)均匀混合，混合时搅拌器转速为30rmp，时间30min；再将混合后的原料在30℃下放置24h进行熟化；然后将熟化好的原料加入到模具中进行预压，预压压力为2MPa，形成外观良好的柱形模坯；接着将模坯进入推压机进行推压，温度为60℃，推压后经过压延机压延成膜；再在120℃下脱油，在拉伸机上进行拉伸定型，温度280℃；然后进行剖带裂分成纤维并收卷；再采用编织机将纤维编制成聚四氟乙烯盘根产品。

对比例

将聚四氟乙烯分散树脂粉料100份加入20份航空煤油(3号喷气燃料)均匀混合，混合时搅拌器转速为30rmp，时间30min；再将混合后的原料在30℃下放置24h进行熟化；然后将熟化好的原料加入到模具中进行预压，预压压力为2MPa，形成外观良好的柱形模坯；接着将模坯进入推压机进行推压，温度为60℃，推压后经过压延机压延成膜；再在120℃下脱油，在拉伸机上进行拉伸定型，温度280℃；然后进行剖带裂分成纤维并收卷；再采用编织机将纤维编制成聚四氟乙烯盘根产品。

将实施例1～4和对比例制备的聚四氟乙烯盘根根据标准JB/T 6371-2008进行测试，测试结果如表1。本发明的聚四氟乙烯盘根最高使用温度可达300℃，根据TA-Luft认证测试(压力：40MPa，阀杆行程：40mm，循环次数：10000；介质：He气)，260℃时泄漏量为1.3×10^-3mbar·l/(s·m)，300℃时泄漏量为1.0×10^-2mbar·l/(s·m)，满足TA-Luft的VDI2440中最高等级密封系统的气密性标准的要求。

表1实施例1-4及对比例的聚四氟乙烯盘根的性能

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种盘根用聚四氟乙烯复合材料制备盘根的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将聚四氟乙烯分散树脂100份，二硫化钼5-20份，氧化铝1-10份，四针状氧化锌1-10份，碳纳米管1-5份，粘土1-5份混合均匀；（2）加助推油充分混合并加热熟化；（3）压制成坯料；（4）推压挤出及压延；（5）高温脱油及拉伸和定型；（6）裂分成纤维并编织盘根。

2.根据权利要求1所述的一种盘根用聚四氟乙烯复合材料制备盘根的方法，其特征在于：所述二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管和粘土中的一种或几种的表面经过氟气氟化处理。

3.根据权利要求1所述的一种盘根用聚四氟乙烯复合材料制备盘根的方法，其特征在于：所述二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管和粘土中的一种或几种的表面经过多巴胺溶液处理。

4.根据权利要求1所述的一种盘根用聚四氟乙烯复合材料制备盘根的方法，其特征在于：所述二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管和粘土中的一种或几种的表面经过氟气氟化处理后再经过多巴胺溶液表面处理。

5.根据权利要求1所述的一种盘根用聚四氟乙烯复合材料制备盘根的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，混合方法为聚四氟乙烯分散树脂乳液与二硫化钼、氧化铝、四针状氧化锌、碳纳米管和黏土湿法混合后共凝聚干燥得到粉料。