CN113527864B - 一种自润滑高耐磨活塞密封体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及聚合物材料领域，涉及一种自润滑高耐磨活塞密封体及其制备方法。具体地，本发明涉及一种可用于制备活塞密封体的组合物，由所述组合物制备的活塞密封体，以及制备所述活塞密封体的方法。本发明的活塞密封体可作为砼活塞密封体用于混凝土泵送设备。

Description

一种自润滑高耐磨活塞密封体及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物材料领域，具体涉及一种可用于制备活塞密封体的组合物，由所述组合物制备的活塞密封体，以及制备活塞密封体的方法。所述活塞密封体可作为砼活塞密封体用于混凝土泵送设备。
背景技术
砼活塞密封体是混凝土泵车用的一种易损零部件，在混凝土的输送过程中起着密封腔体、提供压力等作用。由于输送混凝土介质坚硬且复杂、腔体压力大、密封性能要求高，需要砼活塞具有低摩擦系数、高耐磨的优异性能。
现用的组装式砼活塞密封体主要有橡胶材质和聚氨酯材质两种。橡胶砼活塞密封体采用耐油性能较好的丁腈橡胶为主体，添加补强剂、防老剂、增塑剂、硫化机等混炼热压而成。橡胶砼活塞密封体的耐磨性一般，强度较低，耐撕裂性能较差，因而使用较少。聚氨酯砼活塞密封体采用预聚体与扩链剂反应浇注固化成型。由于聚氨酯有较好的弹性和较高的硬度，价格适中，应用较为广泛，但由于其存在着摩擦系数大、耐磨性能较差等问题，导致使用寿命较短，需要频繁更换。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种自润滑高耐磨砼活塞密封体及其制备方法，解决现用的聚氨酯砼活塞摩擦系数大、耐磨性差等问题，使其具有良好的耐磨性能。本发明在密封体中加入经特殊处理的自润滑填料，实现砼活塞密封体自润滑，从而提高使用寿命，降低更换频率。
在一个方面，本申请提供了一种用于制备活塞密封体的组合物，以重量份数计，包括以下组分：100份聚氨酯预聚体、14～22份扩链剂、3～10份钠化的聚四氟乙烯粉、0.5～1份抗氧化剂、2～5份润滑填料。
本发明中，预聚体是指单体经初步聚合而成的物质，可以用在单体难于一次完全聚合成聚合物，或避免聚合物在加工成型中容易发生空洞和裂缝的场合。本发明使用聚氨酯预聚体作为制备活塞密封体的主要材料。
聚氨酯全名为聚氨基甲酸酯，是分子中含有一定量的氨基甲酸基的聚合物的总称。聚氨酯可由一元或多元有机异氰酸(例如甲苯二异氰酸酯(TDI)或二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI))与多元醇化合物(例如聚醚多元醇或聚酯多元醇)相互作用而制得，形成的聚合物主链上含有许多重复的氨基甲酸基团。聚氨酯预聚体是多元有机异氰酸与多元醇控制一定比例反应而得的可反应性半成品。
在某些实施方案中，所述聚氨酯预聚体为聚酯型。
在某些实施方案中，所述聚氨酯预聚体选自LF T2060、LF T2090、LF T5037、LFT5042型号中的一种或几种。
在某些实施方案中，所述聚氨酯预聚体具有以下特征中的一个或多个：
游离TDI含量低于0.1wt％，例如为0.01wt％～0.05wt％；
异氰酸酯基(—NCO)含量为3.6％～6.0％，例如为3.8％～4.0％或4.0％～5.0％；
粘度为120～500cps，例如为120～150cps、200～300cps或400～500cps。
本发明中，扩链剂是指能与线型聚合物链上的官能团反应而使分子链扩展、分子量增大的物质，常用于提高聚氨酯、聚酯等产品的力学性能和工艺性能。在某些实施方案中，所使用的扩链剂为胺类扩链剂，例如3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷(3,3,-dichloro-4,4,-diamino-diphenylmethane,MOCA)。
本发明中，钠化的聚四氟乙烯粉作为填料添加在聚氨酯中。钠化处理能够使聚四氟乙烯与密封体紧密结合，且分散均匀。
在某些实施方案中，所述钠化的聚四氟乙烯粉是经萘钠处理的聚四氟乙烯粉。
在某些实施方案中，所述萘钠处理包括以下步骤：将聚四氟乙烯粉加入萘钠处理液中完全浸没，搅拌10～15min，过滤，并用四氢呋喃和去离子水多次清洗，直到无萘钠处理液气味为止。在某些实施方案中，所述萘钠处理还包括：将钠化的聚四氟乙烯粉放入烘箱中干燥(例如在100～110℃下干燥100～120h)后研磨分散。
本发明中，萘钠处理液是由等物质的量的钠和萘在四氢呋哺等活性醚中溶解或络合而成的溶液。
在某些实施方案中，所述萘钠处理液通过以下方法制得：在氮气气氛保护下，称取萘放入活性醚(例如四氢呋喃)中，待萘全部溶解后，加入钠，充分搅拌使钠溶解，得到萘钠处理液。在某些实施方案中，萘的重量为120～150g(例如128g)。在某些实施方案中，钠的重量为20～25g(例如23g)。在某些实施方案中，活性醚(例如四氢呋喃)的体积为1L。
在某些实施方案中，所述钠化的聚四氟乙烯粉具有3～20μm的粒径。
在某些实施方案中，本发明使用的抗氧化剂为受阻酚类抗氧剂，例如抗1010。
在某些实施方案中，本发明使用的润滑填料为有机硅填料，例如聚二甲基硅氧烷。
在某些实施方案中，所述组合物以重量份数计，包括14～15、15～16、16～17、17～18、18～19、19～20、20～21或21～22份扩链剂。
在某些实施方案中，所述组合物以重量份数计，包括3～4、4～5、5～6、6～7、7～8、8～9或9～10份钠化的聚四氟乙烯粉。
在某些实施方案中，所述组合物以重量份数计，包括0.5～0.6、0.6～0.7、0.7～0.8、0.8～0.9或0.9～1份抗氧化剂。
在某些实施方案中，所述组合物以重量份数计，包括2～3、3～4或4～5份润滑填料。
在一个方面，本申请提供了上述任一项的组合物用于制备活塞密封体的用途。在某些实施方案中，所述活塞密封体为砼活塞密封体。
在一个方面，本申请提供了一种活塞密封体，其由上述任一项的组合物进行浇注制得。在某些实施方案中，所述活塞密封体为砼活塞密封体。
本申请还提供了制备本发明的活塞密封体的方法，所述方法包括使用上述任一项的组合物进行浇注。
在某些实施方案中，所述方法包括以下步骤：
a)按重量份分别称取聚氨酯预聚体、扩链剂、聚四氟乙烯粉、抗氧化剂和润滑填料；
b)对聚四氟乙烯粉进行萘钠处理；
c)在浇注机A罐内加入聚氨酯预聚体，温度控制在75～85℃(例如80℃)，650rpm～900rpm(例如700rpm或800rpm)中速搅拌；
d)在浇注机B罐内加入扩链剂，待其完全融化后加入钠化的聚四氟乙烯粉、抗氧化剂和润滑填料，以2000rpm～3000rpm(例如2500rpm或2700rpm)转速高速搅拌；
e)将模具表面清理干净，在模具内喷涂脱模剂，在110～125℃烘箱中预热备用；
f)将A罐与B罐的液体混合并抽真空，保持温度为110℃～125℃并以2500～3000rpm转速高速搅拌3～8min(例如4min或5min)后浇注到模具中；
g)将模具放置在110℃～120℃烘箱中12～16h(例如15h)，取出后自然冷却；
h)将脱模后的产品经机加工得到本发明的活塞密封体。
在某些实施方案中，所述萘钠处理包括：将聚四氟乙烯粉加入萘钠处理液中完全浸没，搅拌10～15min，过滤，并用四氢呋喃和去离子水多次清洗，直到无萘钠处理液气味为止。
在某些实施方案中，所述萘钠处理还包括：将钠化的聚四氟乙烯粉放入烘箱中干燥(例如在100～110℃下干燥100～120h)后研磨分散。
本发明的活塞密封体可以作为自润滑高耐磨砼活塞密封体，具有较高的机械性能，同时具有极低的摩擦系数和高耐磨性能，能够大幅提升活塞密封体的使用寿命。在某些实施方案中，所述活塞密封体具有以下特征中的一个或多个：
拉伸强度≥50MPa；
拉断伸长率≥350％；
撕裂强度≥100kN/m；
邵氏硬度≥92A；
阿克隆磨耗≤0.03cm3；
使用寿命为450h以上。
可以使用本领域常用的方法对活塞密封体的性能进行检测。示例性的检测标准或检测方法如下：
邵氏硬度：GB/T 531.1-2008硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法(邵尔硬度)；
拉伸强度、拉断伸长率：GB/T 528-2009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定；
撕裂强度：GB/T 529-2008硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定(裤形、直角形和新月形试样)；
阿克隆磨耗：GB/T 1689-2014硫化橡胶耐磨性能的测定(用阿克隆磨耗试验机)；
使用寿命：装机验证。
进一步地，本申请还提供了一种活塞，其包括本发明的活塞密封体。在某些实施方案中，所述活塞为砼活塞。
进一步地，本申请还提供了一种输送缸，其包括本发明的活塞密封体或活塞。
进一步地，本申请还提供了一种混凝土泵送设备(例如混凝土泵车)，其包括本发明的活塞密封体、活塞或输送缸。
图1示例性地展示了本发明的砼活塞密封体的结构。图2是图1局部放大剖面图。图中各标号表示：
1-砼活塞密封体唇口密封面，2-砼活塞密封体底部摩擦面，3-砼活塞密封体与混凝土接触面，4-砼活塞密封体中的自润滑颗粒。
发明的有益效果
本发明的活塞密封体具有以下有益效果中的一个或多个：
1、本发明的活塞密封体生产工艺简单，易加工，成本低，质量稳定；
2、本发明的活塞密封体采用了特殊的填料处理工艺，能够使聚四氟乙烯与密封体紧密结合，且分散均匀；
3、本发明的活塞密封体能够在密封唇口、与缸筒接触面、与混凝土接触面等部位实现自润滑，降低摩擦系数及磨损量；
4、本发明的活塞密封体内部自润滑颗粒分布均匀，可在新的摩擦面继续实现自润滑效果；
5、本发明的活塞密封体具有优异的机械性能，满足高压力条件混凝土泵送工况。
附图说明
图1是本发明中的砼活塞密封体结构简图，图中各标号表示：1-砼活塞密封体唇口密封面，2-砼活塞密封体底部摩擦面，3-砼活塞密封体与混凝土接触面。
图2是图1局部放大剖面图，图中标号表示：4-砼活塞密封体中的自润滑颗粒。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
(1)取150g聚四氟乙烯粉放入萘钠处理液中，使其完全浸没后，搅拌10min。反复使用四氢呋喃清洗，过滤，直至无萘钠处理液气味；放入烘箱中100℃干燥120h后研磨分散备用。
(2)在浇注机A罐内加入3000g预聚体LF T5037，温度控制在80℃，以800rpm中低速搅拌；
(3)在浇注机B罐内加入450g扩链剂MOCA，待其完全融化后加入150g钠化的聚四氟乙烯粉料、16g抗氧化剂1010和60g聚二甲基硅氧烷，以2500rpm转速高速搅拌；
(4)将模具表面清理干净，在模具内喷涂脱模剂，在110℃烘箱中预热备用；
(5)将A罐与B罐的液体混合并抽真空，保持温度为110℃并以2500rpm转速高速搅拌4min后浇注到模具中；
(6)将模具在110℃烘箱中放置16h，取出后自然冷却；
(7)将脱模后的产品经机加工得到自润滑高耐磨砼活塞密封体。
萘钠处理液制备方法：在氮气气氛保护下，称取1mol(即128g)萘放入盛有1L四氢呋喃溶液的烧瓶中，待萘全部溶解后，加入1mol(即23g)钠，充分搅拌使钠溶解，得到萘钠溶液。
实施例2
(1)取180g聚四氟乙烯粉放入萘钠处理液中，使其完全浸没后，搅拌10min。反复使用四氢呋喃清洗，过滤，直至无萘钠处理液气味；放入烘箱中100℃干燥120h后研磨分散备用。
(2)在浇注机A罐内加入3000g预聚体LF T5042，温度控制在85℃，以650rpm中低速搅拌；
(3)在浇注机B罐内加入510g扩链剂MOCA，待其完全融化后加入180g钠化的聚四氟乙烯粉料、20g抗氧化剂1010和80g聚二甲基硅氧烷，以2700rpm转速高速搅拌；
(4)将模具表面清理干净，在模具内喷涂脱模剂，在110℃烘箱中预热备用；
(5)将A罐与B罐的液体混合并抽真空，保持温度为110℃并以2500rpm转速高速搅拌5min后浇注到模具中；
(6)将模具在110℃烘箱中放置15h，取出后自然冷却；
(7)将脱模后的产品经机加工得到自润滑高耐磨砼活塞密封体。
萘钠处理液的制备方法如实施例1中所述。
对比例1
(1)在浇注机A罐内加入3000g预聚体LF T2090，温度控制在85℃，以650rpm中低速搅拌；
(2)在浇注机B罐内加入510g扩链剂MOCA，待其完全融化后以2500rpm转速高速搅拌；
(3)将模具表面清理干净，在模具内喷涂脱模剂，在110℃烘箱中预热备用；
(4)将A罐与B罐的液体混合并抽真空，保持温度为110℃并以2500rpm转速高速搅拌5min后浇注到模具中；
(5)将模具在110℃烘箱中放置15h，取出后自然冷却；
(6)将脱模后的产品经机加工得到纯聚氨酯砼活塞密封体。
对实施例1、实施例2和对比例制备的砼活塞密封体的力学性能、耐磨性、使用时间进行了测试，检测标准或检测方法如下：
邵氏硬度：GB/T 531.1-2008硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法(邵尔硬度)；
拉伸强度、拉断伸长率：GB/T 528-2009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定；
撕裂强度：GB/T 529-2008硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定(裤形、直角形和新月形试样)；
阿克隆磨耗：GB/T 1689-2014硫化橡胶耐磨性能的测定(用阿克隆磨耗试验机)；
使用寿命：装机验证。
检测结果见表1。
表1本发明实施例和对比例制备的砼活塞密封体的性能检测结果
Figure BDA0003162187530000081
Figure BDA0003162187530000091
如表1所示，实施例制得的砼活塞密封体具有较高的机械性能，同时具有极低的摩擦系数和高耐磨性能，能够大幅提升砼活塞密封体的使用寿命。试验结果表明：实施例制得的砼活塞密封体的拉伸强度≥50MPa，拉断伸长率≥350％，撕裂强度≥100kN/m，邵氏硬度≥92A，阿克隆磨耗≤0.03cm3，使用寿命达450h以上，比纯聚氨酯砼活塞密封体寿命提升35％以上。
尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，但本领域技术人员将理解：根据已经公开的所有教导，可以对细节进行各种修改和变动，并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (31)

1.一种用于制备活塞密封体的组合物，以重量份数计，包括以下组分：100份聚氨酯预聚体、14～22份扩链剂、3～10份钠化的聚四氟乙烯粉、0.5～1份抗氧化剂、2～5份润滑填料；
所述聚氨酯预聚体选自LF T5037、LF T5042型号中的一种或两种；所述扩链剂为胺类扩链剂；所述钠化的聚四氟乙烯粉是经萘钠处理的聚四氟乙烯粉，具有3～20μm的粒径；所述抗氧化剂为受阻酚类抗氧剂；所述润滑填料为有机硅填料。
2.权利要求1的组合物，所述聚氨酯预聚体具有以下特征中的一个或多个：
(1)游离TDI含量低于0.1wt％；
(2)—NCO含量为3.6％～6.0％；
(3)粘度为120～500cps。
3.权利要求1的组合物，所述萘钠处理包括以下步骤：将聚四氟乙烯粉加入萘钠处理液中完全浸没，搅拌10～15min，过滤，并用四氢呋喃和去离子水多次清洗，直到无萘钠处理液气味为止。
4.权利要求3的组合物，所述萘钠处理还包括：将钠化的聚四氟乙烯粉放入烘箱中干燥后研磨分散。
5.权利要求3的组合物，所述萘钠处理液是由等物质的量的钠和萘在活性醚中溶解或络合而成的溶液。
6.权利要求3的组合物，所述萘钠处理液通过以下方法制得：在氮气气氛保护下，称取萘放入活性醚中，待萘全部溶解后，加入钠，充分搅拌使钠溶解，得到萘钠处理液。
7.权利要求3的组合物，所述萘钠处理液中，萘的重量为120～150g。
8.权利要求3的组合物，所述萘钠处理液中，钠的重量为20～25g。
9.权利要求3的组合物，所述萘钠处理液中，活性醚的体积为1L。
10.权利要求5、6或9的组合物，所述活性醚为四氢呋喃。
11.权利要求1～10任一项的组合物，其具有以下特征中的一个或多个：
(1)所述扩链剂为3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷；
(2)所述抗氧化剂为抗1010；
(3)所述润滑填料为聚二甲基硅氧烷。
12.权利要求1～11任一项的组合物用于制备活塞密封体的用途。
13.权利要求12的用途，所述活塞密封体为砼活塞密封体。
14.一种活塞密封体，其由权利要求1～11任一项的组合物进行浇注制得。
15.权利要求14的活塞密封体，所述活塞密封体为砼活塞密封体。
16.权利要求14的活塞密封体，所述活塞密封体具有以下特征中的一个或多个：
(1)拉伸强度≥50MPa；
(2)拉断伸长率≥350％；
(3)撕裂强度≥100kN/m；
(4)邵氏硬度≥92A；
(5)阿克隆磨耗≤0.03cm3；
(6)使用寿命为450h以上。
17.一种制备活塞密封体的方法，所述方法包括使用权利要求1～11任一项的组合物进行浇注。
18.权利要求17的方法，所述方法包括以下步骤：
a)按重量份分别称取聚氨酯预聚体、扩链剂、聚四氟乙烯粉、抗氧化剂和润滑填料；
b)对聚四氟乙烯粉进行萘钠处理；
c)在浇注机A罐内加入聚氨酯预聚体，温度控制在75～85℃，以650rpm～900rpm的转速搅拌；
d)在浇注机B罐内加入扩链剂，待其完全融化后加入钠化的聚四氟乙烯粉、抗氧化剂和润滑填料，以2000rpm～3000rpm转速搅拌；
e)将模具表面清理干净，在模具内喷涂脱模剂，在110～125℃烘箱中预热备用；
f)将A罐与B罐的液体混合并抽真空，保持温度为110℃～125℃并以2500～3000rpm转速搅拌3～8min后浇注到模具中；
g)将模具放置在110℃～120℃烘箱中12～16h，取出后自然冷却；
h)将脱模后的产品经机加工得到活塞密封体。
19.权利要求18的方法，所述萘钠处理包括以下步骤：将聚四氟乙烯粉加入萘钠处理液中完全浸没，搅拌10～15min，过滤，并用四氢呋喃和去离子水多次清洗，直到无萘钠处理液气味为止。
20.权利要求18的方法，所述萘钠处理还包括：将钠化的聚四氟乙烯粉放入烘箱中干燥后研磨分散。
21.权利要求19的方法，所述萘钠处理液是由等物质的量的钠和萘在活性醚中溶解或络合而成的溶液。
22.权利要求19的方法，所述萘钠处理液通过以下方法制得：在氮气气氛保护下，称取萘放入活性醚中，待萘全部溶解后，加入钠，充分搅拌使钠溶解，得到萘钠处理液。
23.权利要求19的方法，所述萘钠处理液中，萘的重量为120～150g。
24.权利要求19的方法，所述萘钠处理液中，钠的重量为20～25g。
25.权利要求19的方法，所述萘钠处理液中，活性醚的体积为1L。
26.权利要求21、22或25的方法，所述活性醚为四氢呋喃。
27.一种活塞，其包括权利要求14～16任一项的活塞密封体。
28.权利要求27的活塞，所述活塞为砼活塞。
29.一种输送缸，其包括权利要求14～16任一项的活塞密封体或权利要求27或28的活塞。
30.一种混凝土泵送设备，其包括权利要求14～16任一项的活塞密封体、权利要求27或28的活塞或权利要求29的输送缸。
31.权利要求30的混凝土泵送设备，其为混凝土泵车。
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