CN114370502B - 一种多层复合砼活塞密封体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多层复合砼活塞密封体，包括环形体和设置在环形体的第一端面的外边缘处的唇部；所述多层复合砼活塞密封体包括多个第一材料层，所述多个第一材料层沿所述环形体的轴线方向彼此平行地分布；所述多层复合砼活塞密封体包括多个第二材料层，所述多个第二材料层沿所述环形体的轴线方向彼此平行地分布；至少一个所述第一材料层位于两个第二材料层之间；至少一个所述第二材料层位于两个第一材料层之间；所述第一材料层含有聚氨酯；所述第二材料层含有聚四氟乙烯。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械材料领域，具体涉及一种多层复合砼活塞密封体及其制备方法。
背景技术
砼活塞是混凝土泵送设备(如泵车、拖泵、车载泵)用的一种重要的易损零部件，在混凝土的输送过程中起着密封腔体、推送混凝土的作用。由于输送混凝土介质坚硬、组分复杂，且泵送压力大、密封性能要求高，需要砼活塞具有良好的机械强度和耐磨性。
砼活塞密封体是砼活塞的易损部件。相关技术中，砼活塞密封体主要有橡胶材质和聚氨酯材质两种。砼活塞密封体主要是通过外部设置的唇部向外与缸筒挤压实现密封作用，在长期往复运动后，由于温度升高、压力过大、疲劳效应等多重因素影响，造成唇部开裂及掉渣的情况。为提高砼活塞密封体唇部的耐磨性，相关技术(如CN213870245U)有通过夹纤维织物提高唇部的强度。
发明内容
本公开提供一种创新的多层复合砼活塞密封体，其同时具有改善的耐摩擦性能和改善的强度。
在一些方面，本公开提供一种多层复合砼活塞密封体，包括环形体和设置在环形体的第一端面的外边缘处的唇部；
所述多层复合砼活塞密封体包括多个第一材料层，所述多个第一材料层沿所述环形体的轴线方向彼此平行地分布；
所述多层复合砼活塞密封体包括多个第二材料层，所述多个第二材料层沿所述环形体的轴线方向彼此平行地分布；
至少一个所述第一材料层位于两个第二材料层之间；
至少一个所述第二材料层位于两个第一材料层之间；
所述第一材料层含有聚氨酯；
所述第二材料层含有聚四氟乙烯。
砼活塞密封体在缸筒内往复运动过程中，其唇口部受到缸筒的径向压力。本申请的砼活塞密封体具有第一材料层和第二材料层沿环形体的轴线方向彼此平行地分布的结构，该层状结构能够负载较高的径向压力。基于此，砼活塞密封体能够与缸筒充分地压紧，保持砼活塞密封体良好的密封性。另外，砼活塞密封体在工作过程中还受到缸筒壁和输送介质的摩擦力。本申请的砼活塞密封体中，含有聚四氟乙烯的第二材料层能够有效地改善砼密封体的摩擦损耗性能，具有延长的使用寿命。而且，本申请可以无需再在含有聚氨酯的第一材料层中掺杂过多的会导致第一材料层强度变劣润滑填料。第一材料层和第二材料层可以都具有连续的微观结构。基于此，砼活塞密封体具有良好的韧性，不易被输送介质破坏失效，具有延长的使用寿命。
在一些实施方案中，第一材料层不含有会导致材料强度变劣的润滑剂填料。在一些实施方案中，第二材料层不含有会导致材料强度变劣的润滑剂填料。强度是指抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度中的一项或多项。
在一些实施方案中，聚氨酯为是TDI-聚酯体系的聚氨酯。聚氨酯可以由基于聚酯-TDI封端的预聚体制备获得。
在一些实施方案中，所述第一材料层也可以含有润滑剂。
在一些实施方案中，第一材料层的厚度为1mm以上，例如1-3mm、3-5mm、5-7mm、7-9mm、9-11mm、11-13mm、13-15mm、15-17mm或17-19mm。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，第二材料层的厚度为0.3mm以上，例如0.3～0.5mm、0.5～0.8mm、1-3mm、3-5mm、5-7mm、7-9mm、9-11mm、11-13mm、13-15mm、15-17mm或17-19mm。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，相邻的第一材料层与第二材料层的厚度比为1～10:1，例如1-3:1、3-5:1、5-7:1或7-9:1。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，多个所述第一材料层与多个所述第二材料层交替层叠。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述多层复合砼活塞密封体中含有5～50层第一材料层。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述多层复合砼活塞密封体中含有5～50层第二材料层。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述第一材料层与第二材料层的层数比为5～50:5～50。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述第二材料层在所述唇部区域的分布密度大于所述第二材料层在所述环形体区域的分布密度。由于唇部区域为主要的磨损区域。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述第二材料层仅在所述唇部区域分布。由于唇部区域为主要的磨损区域。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，第一材料层和第二材料层的法线方向与环形体的轴线方向平行。
在一些实施方案中，多层砼活塞密封体还可以包括一层或多层沿所述环形体的轴线方向平行地分布的第三材料层。第三材料层可以分布在第一材料层、第二材料层、或其组合之间，以改善多层砼活塞密封体的一项或多项性能。
在一些方面，本公开提供一种制备上述任一项多层砼活塞密封体的方法，包括以下步骤：
(a)提供模具；
(b)提供用于形成第一材料层的第一前体组合物；
(c)提供用于形成第二材料层的第二板体；
(d)按照第一材料层与第二材料层的预设位置关系，将第一前体组合物和第二板体以预设的次序置于所述模具中。
在一些实施方案中，所述第一前体组合物含有100份聚氨酯预聚体、12～22份扩链剂、0.5～1份抗氧化剂、2～5份润滑剂。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述聚氨酯预聚体的游离TDI含量低于0.1wt％。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述聚氨酯预聚体的-NCO含量为3.6％～6.0％。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述聚氨酯预聚体的粘度为120～500cps。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在上述方案中，一方面，预聚体中未反应游离的二异氰酸酯单体含量少，操作加工环境对人体危害性小，更加安全；另一方面，低游离的预聚体显著改善材料的成型工艺性能和物理机械性能，更适合高负荷、往复运动工作场所的使用，对材料动态性能要求高的场所有很好的应用。
在一些实施方案中，所述扩链剂包括3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述抗氧化剂包括抗氧化剂1010。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述润滑填料包括聚二甲基硅氧烷、石墨、石蜡、或其组合。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述第二板体为聚四氟乙烯板。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，所述第二板体为经表面改性处理的聚四氟乙烯板；其中，所述表面改性处理选自钠萘溶液处理或等离子表面改性处理。基于此，砼活塞密封体具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
在一些实施方案中，制备方法还包括使位于所述模具中的第一前体组合物固化的步骤。
在一些实施方案中，制备方法还包括脱模和对脱模产品机加工以获得所述多层复合砼活塞密封体的步骤。
术语解释
本公开如果使用了以下的术语，它们可以具有如下的含义
术语“聚氨酯”是指聚氨酯脲聚合物和/或聚氨酯聚脲聚合物和/或聚脲聚合物和/或聚硫氨酯聚合物。
术语“聚四氟乙烯”的英文名称和缩写如下：Poly tetra fluoroethylene，PTFE。
术语“3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷”的英文名称和缩写如下：3,3,-dichloro-4,4,-diamino-diphenylmethane，MOCA。
术语“预聚体”是指单体经初步聚合而成的物质。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。
术语“扩链剂”是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。其可用于提高聚氨酯、聚酯等产品的力学性能和工艺性能。
术语“沿环形体的轴线方向彼此平行地分布”是指各个层的法线方向与环形体的轴线方向平行，各个层之间彼此平行。
有益效果
本公开一项或多项方案具有以下一项或多项有益效果：
本发明的聚氨酯砼活塞密封件的摩擦系数小
本发明的聚氨酯砼活塞密封件的耐磨性好
本发明的聚氨酯砼活塞密封件具有良好的耐磨性能，能实现自润滑本发明的聚氨酯砼活塞密封件的使用寿命长，更换频率低。
附图说明
图1是一些实施例的砼活塞密封体的结构示意图。
图中各标号表示：1-第一材料层，2-第二材料层，31-环形体，32-唇部。
具体实施方式
下面将结合实施例对本公开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公开，而不应视为限定本公开的范围。除非特别说明，份数、比例、百分含量均基于重量计。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。
以下实施例和对比例使用的原料如下表所示：
| 厂家/牌号/型号 | |
| 预聚体 | 中科优锐LF T5037 |
| 扩链剂 | 济南光迅贸易有限公司MOCA GX-2014 |
| 抗氧化剂 | 巴斯夫Irganox 1076 |
实施例1
(1)取4张1mm厚聚四氟乙烯板(共200g)放入萘钠溶液中，使其完全浸没后，浸泡10min。取出后，反复使用四氢呋喃清洗，直至无萘钠处理液气味，放入烘箱中100℃干燥10h后备用；
(2)在浇注机A罐内加入3000g预聚体，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，待其完全融化后加入16g抗氧化剂、10g石墨和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，每浇注5mm厚聚氨酯溶液铺一层聚四氟乙烯板；
(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多层复合砼活塞密封体。
图1示出实施例1的多层复合砼活塞密封体，包括环形体31和设置在环形体的第一端面的外边缘处的唇部32；多层复合砼活塞密封体包括多个第一材料层1，多个第一材料层1沿环形体31的轴线方向彼此平行地分布；多层复合砼活塞密封体包括多个第二材料层2，多个第二材料层2沿环形体31的轴线方向彼此平行地分布；至少一个第一材料层1位于两个第二材料层2之间；至少一个第二材料层2位于两个第一材料层1之间；第一材料层含有聚氨酯；第二材料层含有聚四氟乙烯。
实施例2
(1)取10张0.8mm厚聚四氟乙烯板(共400g)放入萘钠溶液中，使其完全浸没后，浸泡12min。取出后，反复使用四氢呋喃清洗，直至无萘钠处理液气味，放入烘箱中100℃干燥12h后备用；
(2)在浇注机A罐内加入3000g预聚体，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，待其完全融化后加入5g石蜡、20g抗氧化剂和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，每浇注2mm厚聚氨酯溶液铺一层聚四氟乙烯板；
(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多层复合砼活塞密封体。
对比例1
(1)在浇注机A罐内加入3000g预聚体，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，待其完全融化后以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纯聚氨酯砼活塞密封体。
本发明对实施例1、例2和对比例制备的砼活塞密封体力学性能、耐磨性、使用时间进行了测试，结果见表1：
表1
由表1的实验数据可知，与对比例1的纯聚氨酯砼活塞密封体相比，实施例1-2的多层复合砼活塞密封体具有以下有益效果：
(1)让人满意的邵氏硬度、拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度；
(2)显著改善的阿克隆磨耗；
(3)显著改善的使用寿命
尽管本发明的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 (14)
1.一种多层复合砼活塞密封体，包括环形体和设置在环形体的第一端面的外边缘处的唇部；
所述多层复合砼活塞密封体包括多个第一材料层，所述多个第一材料层沿所述环形体的轴线方向彼此平行地分布；
所述多层复合砼活塞密封体包括多个第二材料层，所述多个第二材料层沿所述环形体的轴线方向彼此平行地分布；
至少一个所述第一材料层位于两个第二材料层之间；
至少一个所述第二材料层位于两个第一材料层之间；
所述第一材料层含有聚氨酯；
所述第二材料层含有聚四氟乙烯，
所述第二材料层在所述唇部区域的分布密度大于所述第二材料层在所述环形体区域的分布密度。
2.根据权利要求1所述的多层复合砼活塞密封体，所述第一材料层不含有会导致第一材料层强度变劣的润滑剂填料。
3.根据权利要求1所述的多层复合砼活塞密封体，其特征在于以下任一项：
-所述第一材料层的厚度为1mm以上；
-所述第二材料层的厚度为0.3mm以上；
-相邻的第一材料层与第二材料层的厚度之比为1～10:1。
4.根据权利要求1所述的多层复合砼活塞密封体，其中，多个所述第一材料层与多个所述第二材料层交替层叠。
5.根据权利要求1所述的多层复合砼活塞密封体，其特征在于以下一项或多项：
所述多层复合砼活塞密封体中含有5～50层第一材料层；
所述多层复合砼活塞密封体中含有5～50层第二材料层；
所述第一材料层与第二材料层的层数比为5～50:5～50。
6.根据权利要求1所述的多层复合砼活塞密封体，其中，所述第二材料层仅在所述唇部区域分布。
7.制备权利要求1～6任一项所述的多层复合砼活塞密封体的方法，包括以下步骤：
(a)提供模具；
(b)提供用于形成第一材料层的第一前体组合物；
(c)提供用于形成第二材料层的第二板体；
(d)按照第一材料层与第二材料层的预设位置关系，将第一前体组合物和第二板体以预设的次序置于所述模具中。
8.根据权利要求7所述的方法，所述第一前体组合物含有100份聚氨酯预聚体、12～22份扩链剂、0.5～1份抗氧化剂、2～5份润滑剂。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于以下一项或多项：
-所述聚氨酯预聚体的游离TDI含量低于0.1wt％；
-所述聚氨酯预聚体的-NCO含量为3.6％～6.0％；
-所述聚氨酯预聚体的粘度为120～500cps。
10.根据权利要求8所述的方法，其具有以下一项或多项特征：
-所述扩链剂包括3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷；
-所述抗氧化剂包括抗氧化剂1010；
-所述润滑剂包括聚二甲基硅氧烷、石墨、石蜡、或其组合。
11.根据权利要求7所述的方法，所述第二板体为聚四氟乙烯板。
12.根据权利要求7所述的方法，所述第二板体为经表面改性处理的聚四氟乙烯板；
其中，所述表面改性处理选自钠萘溶液处理或等离子表面改性处理。
13.根据权利要求7所述的方法，还包括使位于所述模具中的第一前体组合物固化的步骤。
14.根据权利要求7所述的方法，还包括脱模和对脱模产品机加工以获得所述多层复合砼活塞密封体的步骤。
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