CN114729257B - 密封件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种密封件，所述密封件可包括主体，所述主体包括热塑性材料和填充剂材料，所述填充剂材料包括含氟聚合物。所述含氟聚合物可包括改性含氟聚合物。所述主体可具有至少3％的断裂伸长率。在一个实施例中，所述密封件可包括密封环，其中所述密封环的主体可以包括焊缝。

Description

密封件及其形成方法
技术领域
本公开一般涉及包含热塑性材料和填充剂材料的密封件及其形成方法。
热塑性密封件已经用于各种行业中。PTFE填充的热塑性聚合物因其耐磨特性和低摩擦力而备受青睐。然而，PTFE填充的热塑性聚合物，诸如PTFE填充的PEEK，可能难以用于典型的热焊接工艺。具体地，与由未经填充的PEEK形成的密封件焊接部分相比，以PTFE填充的PEEK形成的焊接部分往往表现出下降的断裂伸长率。由于大直径密封件(例如，直径至少为600mm)不容易使用模制技术制造，因此热焊接工艺用于形成大直径密封件，这使得PTFE填充的热塑性聚合物不太适合通过热焊接工艺形成大直径密封件。本行业持续需要具有改善的特性和性能的密封件。
附图说明
实施例以举例的方式示出，并且不受附图的限制。
图1包括根据一个实施例的密封环的平面图的图示。
图2包括根据一个实施例的密封件主体的横截面的SEM图像。
图3包括根据另一实施例的密封环的平面图的图示。
图4包括示出根据一个实施例的工艺的流程图。
图5包括示出根据另一实施例的工艺的流程图。
图6包括根据另一实施例的密封件的横截面的图示。
图7A至7D包括样品的SEM图像。
图8A至8B包括附加样品的SEM图像。
图9包括填充剂样品的FTIR读数的图。
本领域的技术人员应当认识到，为简单和清楚起见，图中示出的各元件并不一定按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可相对于其他元件进行放大，以帮助增进对本发明实施例的理解。
具体实施方式
提供结合附图的以下描述以帮助理解本文所公开的教导内容。以下论述将集中于本教导内容的具体实施方式和实施例。提供该重点是为了帮助描述教导内容，并且不应该被解释为是对本教导内容的范围或适用性的限制。然而，其他实施例可基于本专利申请中所公开的教导内容而使用。
术语″由…构成″、″包括″、″包含″、″具有″、″有″或它们的任何其他变型旨在涵盖非排他性的包含之意。例如，包含特征列表的方法、制品或装置不一定仅限于那些特征，而是可以包括未明确列出的或这种方法、制品或装置固有的其他特征。另外，除非另有明确说明，否则″或″是指包括性的″或″而非排他性的″或″。例如，以下任何一项均可满足条件A或B：A为真(或存在的)而B为假(或不存在的)、A为假(或不存在的)而B为真(或存在的)，以及A和B两者都为真(或存在的)。
而且，使用″一个″或″一种″来描述本文所述的元件和部件。这样做仅是为了方便并且给出本发明范围的一般性意义。除非很明显地另指他意，否则这种描述应被理解为包括一个、至少一个，或单数也包括复数，或反之亦然。例如，当在本文描述单个实施例时，可使用多于一个实施例来代替单个实施例。类似地，在本文描述了多于一个实施例的情况下，单个实施例可以取代多于一个实施例。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术术语和科技术语都与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。材料、方法和实例仅是说明性的而非限制性的。关于未描述的有关特定材料和加工方法的某些详细信息的方面，此类详细信息可包括常规方法，其可在制造领域的参考书及其他来源中找到。
实施例涉及密封件。密封件可以包括主体，该主体包含热塑性材料和包括含氟聚合物的填充剂材料。密封件可以包括密封环、支撑环或另一密封装置。在一个实施例中，密封件的整个主体可以基本上由热塑性材料和填充剂材料的共混物组成。在另一实施例中，主体可包括焊缝。密封件可具有改善的性能和性质，诸如至少3％的断裂伸长率(诸如至少5％)，小于0.41的摩擦系数(诸如小于0.40或至多0.37)，或它们的组合。
进一步的实施例涉及形成密封件的工艺。该工艺可包括形成热塑性材料和包括含氟聚合物的填充剂材料的共混物，以及形成包含该共混物的密封件主体。共混物可包括均匀分散在热塑性材料基体中的含氟聚合物颗粒。在一个实施例中，颗粒可具有平均大小为至多10微米，诸如至多5微米的主要尺寸。在另一实施例中，颗粒可以具有至多70％的颗粒平均主要尺寸的粒径标准偏差绝对值。该工艺可促进形成具有改善的性质的密封件，并且可能特别适用于使用热焊接工艺形成大直径密封环。
参照图1，示出了代表性的密封件。密封环100包括主体102，该主体包括形成闭合环圈的焊缝104。在一个实施例中，整个主体102可以由包含热塑性材料和填充剂的材料制成。特别地，填充剂可包括含氟聚合物。在特定实施例中，主体102可以基本上由填充剂填充的热塑性材料组成。
在一个实施例中，热塑性材料可以包括工程或高性能热塑性聚合物。例如，热塑性材料可包括聚合物，该聚合物包括诸如聚酮、聚芳酰胺、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚砜、聚苯砜、聚酰胺酰亚胺、超高分子量聚乙烯、热塑性含氟聚合物、聚酰胺、聚苯并咪唑、液晶聚合物或它们的任意组合。在一个实例中，热塑性材料包括聚酮、聚芳酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯硫醚、聚苯砜、含氟聚合物、聚苯并咪唑、其衍生物，或它们的组合。在一个特定实例中，热塑性材料包括聚合物，诸如聚酮、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚砜、聚酰胺酰亚胺、其衍生物，或它们的组合。在进一步的实例中，热塑性材料包括聚酮，诸如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酮醚酮、其衍生物，或它们的组合。热塑性含氟聚合物的示例包括氟化乙烯丙烯(FEP)；聚四氟乙烯(PTFE)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；全氟烷氧基(PFA)、四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯(THY)的三元共聚物；聚三氟氯乙烯(PCTFE)；乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)；乙烯三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)；或它们的任意组合。示例性液晶聚合物包括芳香族聚酯聚合物，诸如以商品名(Solvay)、/>(Hoechst Celanese)、SUMIKOSUPERTM或EKONOLTM(Sumitomo Chemical)、DuPont HXTM或DuPont ZENITETM(E.I.DuPont de Nemours)、RODRUNfM(Unitika)、GRANLARTM(Grandmont)获得的那些，或它们的任意组合。在另外的实例中，热塑性聚合物可以是超高分子量聚乙烯。在一个特定实施方式中，热塑性聚合物可包括聚酮(PK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)或它们的任意组合。在一个更特定实施方式中，热塑性材料可以基本上由聚醚醚酮(PEEK)组成。
在进一步的实施例中，主体102可包含特定含量的热塑性材料，该热塑性材料可促进改善密封件的形成以及改善密封件的性能和性质。一方面，主体102可包含占主体的总重量的至少35wt％的热塑性材料，诸如占主体102的总重量的至少40wt％、至少45wt％、至少50wt％、至少52wt％、至少55wt％、至少58wt％、至少60wt％、至少65wt％、至少70wt％、至少73wt％、至少75wt％、至少80wt％或至少85wt％。另一方面，主体102可包含占主体102的总重量的至多95重量％，占主体102的总重量的至多90wt％、至多85wt％、至多80wt％、至多75wt％、至多70wt％、至多65wt％、至多60wt％或至多55wt％的热塑性材料。此外，主体102可包含在包括本文中提到的任何最小百分比和最大百分比的范围内的一定含量的热塑性材料。
在一个实施例中，填充剂可包括含氟聚合物，该含氟聚合物包括改性含氟聚合物。在特定实施例中，含氟聚合物可以基本上由改性含氟聚合物组成。在一方面，改性含氟聚合物可包括改性四氟乙烯-六氟丙烯(FEP)、改性全氟烷氧基乙烯(PFA)、改性聚乙烯四氟乙烯(ETFE)，或它们的任意组合。在一个示例中，含氟聚合物可包括选自由四氟乙烯-六氟丙烯(FEP)、改性全氟烷氧基乙烯(PFA)、改性聚乙烯四氟乙烯(ETFE)所组成的组的改性含氟聚合物。在特定示例中，填充剂可包括基本上由改性PTFE、改性PFA或它们的组合组成的含氟聚合物。在另一方面，改性含氟聚合物可包括功能化含氟聚合物。在一个实例中，改性含氟聚合物可包含含氧官能团，诸如羰基。在另一实例中，改性含氟聚合物可以包含官能团，该官能团包括-COOH。在特定实例中，改性含氟聚合物可以基本上由功能化含氟聚合物组成。在更特定实例中，含氟聚合物可以基本上由功能化含氟聚合物组成。在另一实例中，改性含氟聚合物可包括低分子量PTFE。在又一实例中，改性含氟聚合物可不包括低分子量PTFE。
在进一步的方面，改性含氟聚合物可包括在特定波长处的傅立叶变换红外光谱(本文称为″FTIR″)吸收峰，这可以促进改善密封件的形成以及改善密封件的性能和性质。例如，改性含氟聚合物可以在1785cm-1至1795cm-1的波长处具有FTIR峰。在另一种情况下，改性含氟聚合物可以在1770cm-1至1780cm-1的波长处、1800cm-1至1820cm-1的波长处或两者处具有FTIR峰。在进一步的情况下，改性含氟聚合物可以在1879cm-1至1890cm-1的波长处、1540cm-1至1550cm-1的波长处或两者处具有FTIR峰。熟练的技术人员将理解改性含氟聚合物可以在本文提到的任何波长处或它们的任意组合处具有FTIR峰。在特定情况下，改性PTFE可以在1770cm-1至1780cm-1的波长处或1800cm-1至1820cm-1的波长处没有FTIR峰。在更特定情况下，改性PTFE可以在1770cm-1至1780cm-1的波长处具有FTIR峰且可以在1800cm-1至1820cm-1的波长处没有FTIR峰。如本文所用，FTIR峰的波长可以是改性含氟聚合物或密封件主体的至少两次FTIR分析的平均波长。
在另一实施例中，主体102可包含特定量的改性含氟聚合物，该改性含氟聚合物可促进改善主体的形成以及改善主体的性能和性质。例如，主体可包含占主体的总重量的至少4wt％的改性含氟聚合物，占主体的总重量的至少5wt％、至少6wt％、至少7wt％、至少8wt％、至少10wt％、至少12wt％、至少15wt％、至少20wt％、至少25wt％、至少30wt％、至少35wt％、至少40wt％或至少45wt％的改性含氟聚合物。在另一种情况中，主体可包含占主体的总重量的至多40wt％的改性含氟聚合物，诸如占主体102的总重量的至多35wt％、至多30wt％、至多25wt％、至多20wt％、至多18wt％、至多16wt％、至多15wt％、至多14wt％或至多12wt％的改性含氟聚合物。此外，改性含氟聚合物的含量可在包括本文提到的任何最小百分比和最大百分比的范围内。例如，主体102可包含在4wt％至40wt％的范围内或在4wt％至25wt％的范围内的一定含量的改性含氟聚合物。
在另一实施例中，主体102可以包括热塑性材料(WTP)的含量与改性含氟聚合物(WF)的含量的特定比(WTP/WF)，这可以促进改善密封环的形成以及改善密封环的性能和性质。例如，热塑性材料与改性含氟聚合物的比(WTP/WF)可以是至少1、至少2、至少3、至少4、至少5或至少6。在另一实例中，该比(WTP/WF)可以是至多10、至多9、至多8、至多7或至多6。此外，该比(WTP/WF)可以在包括本文提到的任何最小值和最大值的范围内。
在另一实施例中，填充剂可以进一步包括不同于含氟聚合物的材料，诸如有机材料、无机材料或它们的组合。在一个方面，填料可包括固体润滑剂。另一方面，填充剂可包括氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、碳酸钙(CaCO3)、氧化钛(TiO2)、二硫化钨(WS2)、二硫化钼(MoS2)、石墨、膨胀石墨、石墨烯、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、滑石、氟化钙(CaF2)、氟化铈(CeF3)、硬脂酸盐(包括硬脂酸钙(C36H70CaO4)、硬脂酸钾(C18H35KO2)或硬脂酸锌(C36H70O4Zn))或它们的任意组合。在进一步的方面，填充剂可以包含纤维，该纤维包括诸如芳族聚酰胺碳纤维、玻璃纤维、玄武岩或它们的任意组合。在一个实施例中，主体可包含含量为至少1wt％，诸如至少2wt％、至少5wt％、至少10wt％的这种填充剂材料。替代地或附加地，这种填充剂材料可以是至多30wt％、至多20wt％或至多10wt％。应当理解，这种填充剂材料可以在包括本文提到的任何最小百分比和最大百分比的范围内。
在一个实施例中，主体102可以包含占主体102的总重量的一定总含量的所有填充剂材料，这可以促进改善密封环的形成以及改善密封环的性能和性质。一方面，所有填充剂材料的总含量可以占主体102的总重量的至少5wt％、至少7wt％、至少9wt％、至少11wt％、至少15wt％、至少18wt％、至少20wt％、至少25wt％、至少30wt％、至少35wt％、至少40wt％、至少45wt％、至少50wt％或至少55wt％。另一方面，所有填充剂材料的总含量可以占主体的总重量的至多70wt％、至多65wt％、至多62wt％、至多60wt％、至多58wt％、至多55wt％、至多50wt％、至多46wt％、至多43wt％、至多40wt％、至多36wt％、至多33wt％、至多30wt％、至多25wt％或至多20wt％。此外，所有填充剂材料的总含量可在包括本文提到的任何最小百分比和最大百分比的范围内。
如图1所示，主体102可以具有外径Dout。在一些实例中，外径Dout可以是至少0.2米、至少0.6米、至少1.0米或至少1.3米。在另一种情况下，外径Dout可以是至多50米、至多40米、至多30米或至多20米。在另一种情况下，外径Dout可以是至多10米、至多8米、至多6米、至多5米、至多3米、至多2.5米或至多2.2米。在另一实例中，外径Dout可以在包括本文提到的任何最小值和最大值的范围内。在阅读了本申请之后，本领域技术人员将理解，可以形成包括适合所需应用的直径的主体。本领域技术人员将进一步理解，主体可以形成为具有比本文实施例中提到的值更大或更小的外径以适应密封环的应用。
值得注意的是，主体102可以具有改善的断裂伸长率。在一个实施例中，主体102可以具有至少3％的断裂伸长率(诸如至少5％、至少6％、至少7％、至少10％、至少12％、至少15％、至少18％，或至少20％)。替代地或附加地，断裂伸长率可以是至多40％、至多35％、至多30％、至多25％、至多20％或至多18％。此外，断裂伸长率可以在包括本文提到的任何最小百分比和最大百分比的范围内。如本文所用，根据ASTM D638-08″Standard Test Methodfor Tensile Properties of Plastics″(塑料拉伸性能的标准试验方法)测定断裂伸长率。
在另一实施例中，主体102可以具有小于0.40的摩擦系数(诸如至多0.39、至多0.38、至多0.37、至多0.36、至多0.34、至多0.32、至多0.31、至多0.3、至多0.28、至多0.26、至多0.24、至多0.22或至多0.2)。替代地或附加地，摩擦系数可以是至少0.05、至少0.1、至少0.15、至少0.2、至少0.22、至少0.25、至少0.28、或至少0.3。此外，摩擦系数可以在包括本文提到的任何最小值和最大值的范围内。如本文所用，根据ASTM G137-97″Standard TestMethod for Ranking Resistance of Plastic Materials to Sliding Wear Using aBlock-on-Ring Configuration″(用环形结构块料给塑料材料的抗滑动磨损特性分等的标准试验方法)，使用下文所述的条件确定摩擦系数。
形成具有ASTM G137-97中提到的尺寸的密封件的块样。该块样在恒定载荷下被压向摆动的钢环上。钢环具有35mm的直径以及0.3μm至0.4μm的Ra。利用环块型摩擦计在下表1中公开的条件下进行干试验。
表1
摆动角 360°
恒定载荷 200N(集中载荷下的最大压力51MPa)
速度 12rpm(线速度42.5mm/s)
温度 室温(20℃至25℃)
持续时间 848分钟
图2包括主体102的横截面的SEM图像。主体102可以包括基体202，该基体包含均匀分散在基体202中的热塑性材料和填充剂颗粒204和206。填充剂颗粒可以包含含氟聚合物材料，且特别是改性含氟聚合物材料。例如，如图所示，填充剂颗粒可包括含氟聚合物颗粒206。填充剂颗粒可以进一步包括不是含氟聚合物的材料的颗粒204，如本文实施例中所述。在一个实施例中，填充剂颗粒可以基本上由改性含氟聚合物的颗粒组成。在又一实施例中，填充剂颗粒可以基本上由改性含氟聚合物颗粒和不同填充剂材料的颗粒组成。
在一个实施例中，主体102可包含改性含氟聚合物的颗粒，该颗粒具有特定的平均主要尺寸，可促进改善密封件的形成以及性质和性能。主要尺寸旨在指代颗粒的主轴。进一步如本文所用，通过Image J分析颗粒以确定颗粒的主要尺寸。平均主要尺寸旨在指代主体横截面的灰度SEM图像中至少50个颗粒的主要尺寸的平均值。灰度SEM图像具有将颗粒与背景区分开来的对比度。阈值由Image J自动设置。大小字段中指定范围之外的颗粒不予考虑。由Image J确定的至少50个颗粒的主要尺寸的总和除以颗粒的数量以获得平均主要尺寸。
一方面，主体102可包含平均主要尺寸为至多10μm、至多9μm、至多8μm、至多7μm、至多6μm、至多5μm、至多4μm、至多3μm、至多2μm、至多1μm、至多0.9μm或至多0.8μm的改性含氟聚合物颗粒。另一方面，包含含氟聚合物材料的填充剂颗粒可具有至少0.1μm、至少0.2μm、至少0.3μm、至少0.4μm、至少0.5μm、至少0.6μm、至少0.7μm、至少0.8μm、至少1μm或至少2μm的平均主要尺寸。此外，包含含氟聚合物材料的颗粒的平均主要尺寸可以在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。
在一个实施例中，主体102可包含改性含氟聚合物的颗粒，该颗粒具有特定的主要尺寸的标准偏差，可促进改善密封件的形成以及性质和性能。例如，标准偏差的绝对值至多可以是平均主要尺寸的90％(诸如至多80％、至多70％、至多65％、至多60％、至多55％、至多50％或至多45％、至多40％或至多35％)。在另一实例中，颗粒主要尺寸的标准偏差的绝对值可以是主要尺寸的至少1％、至少5％、至少7％、至少10％、至少12％、至少15％或至少18％。在进一步的实例中，主体可以包含改性含氟聚合物颗粒，该颗粒具有在包括本文提到的最小百分比和最大百分比的范围内的主要尺寸的标准偏差的绝对值。
在一个实施例中，主体102可包括杆106，诸如挤出杆。在示例性实施方式中，杆106可以在端部被加热、弯曲并焊接，以形成密封环100，如本公开后面更详细描述的。
图3包括另一示例性密封件的图示。密封环300包括主体305，该主体包括在焊缝306和308处连接的多个杆302和304。在另一实施例中，密封件主体可以包括至少3个、至少5个或更多个杆。在另一实施例中，密封件主体可以包括多个焊缝，诸如至少2个、至少3个、至少4个或至少5个焊缝，用于连接主体的多个部件，诸如杆。在一个实施例中，密封环可以不包括焊缝。
图4包括示出用于形成密封件的示例性工艺400的流程图。该工艺可以在框401开始，形成包含热塑性材料和填充剂的共混物。可以使用混合装置来促进热塑性材料与填充剂的混合。在示例性实施方式中，可以将热塑性材料和填充剂进料到双螺杆挤出机中以形成共混物。填充剂和热塑性材料可以依次或同时添加。在一种情况下，可以在添加热塑性材料之前混合不同的填充剂材料。
另一方面，形成共混物可以包括加热该热塑性材料和填充剂。例如，材料可以在至少250℃至高于热塑性材料或含氟聚合物的熔点的范围内的温度加热。在进一步的情况下，加热可以在低于400℃的温度(诸如至多390℃、至多380℃、至多370℃、至多360℃或至多350℃)进行。在特定情况下，可以在从250℃到374℃的温度范围内的不同加热区中进行加热。根据挤出机的速度，在不同的加热区加热可能需要3分钟到45分钟，诸如5分钟到15分钟。取决于挤出物的直径或宽度的大小，示例性的挤出速度可以在0.5英寸/分钟至12英寸/分钟的范围内。
另一方面，形成共混物可以包括将热塑性材料与填充剂复配。在一种情况下，复配可以在至少是热塑性材料的熔点的温度进行。在另一种情况下，复配可以在低于372℃的温度(诸如至多370℃、至多365℃、至多362℃、至多360℃、至多358℃或至多357℃)进行。在又一种情况下，复配可以在至少343℃的温度(诸如至少345℃、至少348℃、至少350℃、至少352℃、至少354℃或至少356℃)进行。此外，复配可以在包括本文提到的任何最小值和最大值的范围内的温度进行。
在进一步的情况下，复配可以在至少45psi的压力(诸如至少70psi、至少100psi、至少120psi、至少150psi、至少170psi、至少200psi、至少210psi，或至少230psi)下进行。在另一种情况下，复配可以在至多350psi、至多330psi、至多310psi、至多280psi、至多260psi或至多240psi的压力下进行。此外，复配可以在包括本文提到的任何最小值和任何最大值的范围内的压力下进行。
在另一种情况下，复配可以在大于60rpm的螺杆速度(诸如至少80rpm、至少100rpm、至少130rpm、至少150rpm、至少180rpm、至少210rpm、至少230rpm或至少250rpm)下进行。在进一步的情况下，螺杆速度可以是至多350rpm，诸如至多330rpm、至多310rpm、至多290rpm、至多270rpm或至多250rpm。此外，复配可以在包括本文提到的任何最小值和任何最大值的范围内的螺杆速度下进行。
在另一方面，形成共混物可以包括挤出热塑性材料与填充剂的复配混合物。在一个实例中，可以将挤出物诸如在空气或水浴中冷却，并造粒。
工艺400可继续至框402，形成密封件的主体。在一方面，可以将粒料压缩、成形和/或加热以形成密封件的主体。例如，可以使用诸如挤出成型、注塑成型、热压成型等来形成密封件主体。在示例性实施方式中，可以将粒料熔化并挤出以形成可以进一步处理以形成密封环的杆。在另一实施例中，可以将杆进一步加工成所需的形式。
图5包括使用杆形成密封环的工艺的图示。在一方面，杆可以是直杆。进一步地，杆可具有诸如圆形横截面或多边形横截面，诸如具有至少四条边的横截面。特别地，多边形可以是矩形或正方形。
形成方法500包括在框502的步骤中加热棒材。在特定方面，可在高于用于热塑性材料的玻璃化转变温度并且低于熔融温度的温度执行加热。
在框504，可借助合适的工具将加热的杆弯曲成所需的形状。在一个实例中，可将棒材施加于三辊系统之间以辅助弯曲。在另一实例中，可将棒材弯曲并且放置到模具中以将该棒材完全弯曲成所需的形状。在进一步实例中，可将棒材夹紧到圆形弯曲器中，并且通过弯曲器的旋转而使棒材弯曲。
作为加热和弯曲的替代方法，可将杆挤出为弧形，然后将弧的端部连接以形成密封环的主体。在另一替代方案中，可从材料片诸如挤出片或压模片上切割出弧，然后连接弧的端部。
工艺500可以在框506继续，将杆的端部连接。在一方面，可通过热熔焊制、注射成型、粘合、超声波焊接或它们的任意组合将杆的端部连接。在特定方面，通过热熔焊制来连接棒材的端部。在一个实例中，热熔焊接可以包括向杆的端部施加热量并且一旦熔化就将端部压在一起。在多种情况下，可以将不同杆的熔化端部连接以形成包括多个杆和焊缝的主体，诸如图3中所示的主体305。
在一个实施例中，在将端部连接之后，可以形成密封件的半成品主体。可以进一步处理半成品主体以形成密封件的主体。在一方面，可以对半成品主体进行退火。在一个实例中，退火可以在高于热塑性材料的玻璃化转变温度的温度进行。在进一步的情况下，退火可以进行至少2小时的时间。在进一步的方面，半成品主体可以经过进一步机加工或处理以形成密封环的主体。Vaideeswaran等人的美国专利申请2010/0116422″Method of FormingLarge Diameter Thermoplastic Seal″(形成大直径热塑性密封件的方法)公开了一种形成密封件的方法，该专利以引用方式并入本文。
在一个实施例中，密封件的主体可以是闭合环圈，诸如主体102或305。图6包括根据另一实施例的密封件600的横截面的图示。密封件600可以是弹簧增能密封件601和支承环607。支承环607可以包括具有关于主体102和305所提到的任何特征的主体608。密封件601可以包括具有凹槽604的主体602和放置在凹槽604内的弹簧606。主体602可以具有关于主体102和305所提到的任何特征。
在一种示例性应用中，本文实施例的密封件可用于石油或钻机，诸如转塔旋转钻机。在另一种示例性应用中，密封件可以放置成与包括聚合物、金属或它们的任意组合的材料接触。例如，支承环607可以放置成与转塔旋转钻机中的钢接触。
许多不同的方面和实施例都是可能的。本文描述了这些方面和实施例中的一些。在阅读本说明书之后，本领域的技术人员会理解，那些方面和实施例仅是说明性的，并不限制本发明的范围。实施例可以根据下面列出的任何一个或多个实施例。
实施例
实施例1.一种密封环，其包含包括焊缝的主体，其中整个主体由包含热塑性材料和填充剂材料的材料形成，该填充剂材料包括含氟聚合物，其中主体具有至少3％的断裂伸长率。
实施例2.一种密封环，其包含包括焊缝的主体，其中整个主体由包含热塑性材料和填充剂材料的材料形成，其中填充剂材料包含包括含氟聚合物的颗粒，其中颗粒具有包括长度或宽度的主要尺寸，其中主要尺寸的平均大小为至多10μm。
实施例3.根据实施例1或2所述的密封环，其中主体具有至少5％、至少6％、至少7％、至少10％或至少15％的断裂伸长率。
实施例4.根据实施例1至3中任一项所述的密封环，其中主体具有至多40％、至多35％、至多30％或至多25％的断裂伸长率。
实施例5.根据实施例1至4中任一项所述的密封环，其中主体包含主要尺寸的平均大小为至多10μm、至多9μm、至多8μm、至多7μm、至多6μm、至多5μm、至多4μm、至多3μm、至多2μm或至多1μm的填充剂颗粒。
实施例6.根据实施例1至5中任一项所述的密封环，其中本体包含主要尺寸的平均大小为至少0.1μm、至少0.3μm或至少0.5μm的填充剂颗粒。
实施例7.根据实施例1至6中任一项所述的密封环，其中含氟聚合物包括改性含氟聚合物。
实施例8.根据实施例7所述的密封环，其中含氟聚合物基本上由改性含氟聚合物组成。
实施例9.根据实施例7或8所述的密封环，其中改性含氟聚合物包含官能团，其中改性含氟聚合物与热塑性材料共价键合。
实施例10.根据实施例7至9中任一项所述的密封环，其中改性含氟聚合物包括改性聚四氟乙烯(PTFE)、改性四氟乙烯-六氟丙烯(FEP)、改性全氟烷氧基乙烯(PFA)、改性聚乙烯四氟乙烯(ETFE)或它们的任意组合。
实施例11.根据实施例1至10中任一项所述的密封环，其中含氟聚合物基本上由改性PTFE、改性PFA或它们的任意组合组成。
实施例12.根据实施例1至11中任一项所述的密封环，其中密封件具有至少0.2米、至少0.6米、至少1.0米或至少1.3米的直径。
实施例13.根据实施例1至12中任一项所述的密封环，其中密封件具有至多50米、至多40米、至多30米、至多20米、至多10米、至多9米、至多8米、至多6米、至多5米、至多4米、至多3米、至多2.5米或至多2.2米的直径。
实施例14.根据实施例1至13中任一项所述的密封环，其中热塑性材料包括聚芳基酮、聚酰亚胺、脂肪族和芳香族聚酰胺(PA或PPA)、聚酯、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)液晶聚合物(LCP)、聚苯并咪唑(PBI)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚砜类(PPS、PES、PPSU、PESU)、聚四氟乙烯全氟醚(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚乙烯-四氟乙烯(ETFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(VF2-HFP)、聚酮(PK)、聚醚酮(PEK)或它们的任意组合。
实施例15.根据实施例1至14中任一项所述的密封环，其中热塑性材料包括聚酮(PK)、聚醚酮(PEK)或它们的组合。
实施例16.根据实施例1至15中任一项所述的密封环，其中热塑性材料包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)或它们的任意组合。
实施例17.根据实施例1至16中任一项所述的密封环，其中热塑性材料基本上由聚醚醚酮(PEEK)组成。
实施例18.根据实施例1至17中任一项所述的密封环，其中含氟聚合物为第一填充剂，其中主体进一步包含第二填充剂，所述第二填充剂包括有机材料、无机材料或它们的组合。
实施例19.根据实施例18所述的密封环，其中第二填充剂包括固体润滑剂。
实施例20.根据实施例18至19所述的密封环，其中第二填充剂包括氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、碳酸钙(CaCO3)、氧化钛(TiO2)、二硫化钨(WS2)、二硫化钼(MoS2)、石墨、膨胀石墨、石墨烯、氮化硼(BN)、滑石、氟化钙(CaF2)、氟化铈(CeF3)、硬脂酸盐(包括硬脂酸钙(C36H70CaO4)、硬脂酸钾(C18H35KO2)或硬脂酸锌(C36H70O4Zn))或它们的任意组合。
实施例21.根据实施例19或20所述的密封环，其中第二填充剂包含纤维，所述纤维包括芳族聚酰胺碳纤维、玻璃纤维、玄武岩或它们的任意组合。
实施例22.根据实施例1至21中任一项所述的密封环，其中密封件主体包含占主体总重量的至少4wt％的含氟聚合物，占主体总重量的至少5wt％、至少6wt％、至少7wt％、至少8wt％、至少10wt％、至少12wt％、至少15wt％、至少20wt％、至少25wt％、至少30wt％、至少35wt％、至少40wt％或至少45wt％的含氟聚合物。
实施例23.根据实施例1至22中任一项所述的密封环，其中密封件主体包含占主体总重量的至多50wt％的含氟聚合物，占主体总重量的至多45wt％、至多42wt％、至多40wt％、至多38wt％、至多35wt％、至多30wt％、至多25wt％或至多20wt％的含氟聚合物。
实施例24.根据实施例1至23中任一项所述的密封环，其中密封件主体包含占主体总重量的至少35wt％，占主体总重量的至少40wt％、至少45wt％、至少50wt％、至少52wt％、至少55wt％、至少58wt％、至少60wt％、至少65wt％、至少70wt％、至少73wt％、至少75wt％、至少80wt％或至少85wt％的热塑性材料。
实施例25.根据实施例1至24中任一项所述的密封环，其中密封件主体包含占主体总重量的至多95wt％，占主体总重量的至多90wt％、至多85wt％、至多80wt％、至多75wt％、至多70wt％、至多65wt％、至多60wt％或至多55wt％的热塑性材料。
实施例26.根据实施例1至25中任一项所述的密封环，其中密封件主体包括热塑性材料与含氟聚合物的重量比，其中该比为至少1、至少2、至少3、至少4、至少5或至少6。
实施例27.根据实施例1至26中任一项所述的密封环，其中密封件主体包括热塑性材料与含氟聚合物的重量比，其中该比为至多10、至多9、至多8、至多7或至多6。
实施例28.根据实施例1至27中任一项所述的密封环，其中主体包括杆。
实施例29.根据实施例28所述的密封环，其中杆包括挤出杆。
实施例30.根据实施例1至29中任一项所述的密封环，其中密封件主体包含占主体的总重量的一定总含量的填充剂，其中该一定总含量为主体的总重量的至少5wt％、至少7wt％、至少9wt％、至少11wt％、至少15wt％、至少18wt％、至少20wt％、至少25wt％、至少30wt％、至少35wt％、至少40wt％、至少45wt％、至少50wt％、至少55wt％。
实施例31.根据实施例1至30中任一项所述的密封环，其中密封件主体包含占主体的总重量的一定总含量的填充剂，其中该一定总含量为主体的总重量的至多70wt％、至多65wt％、至多62wt％、至多60wt％、至多58wt％、至多55wt％、至多50wt％、至多46wt％、至多43wt％、至多40wt％、至多36wt％、至多33wt％、至多30wt％、至多25wt％或至多20wt％。
实施例32.根据实施例1至31中任一项所述的密封环，其中密封件主体形成闭合环圈。
实施例33.根据实施例1至32中任一项所述的密封环，其中主体具有小于0.41的摩擦系数(至多0.39、至多0.36、至多0.34、至多0.32、或至多0.31、至多0.30、至多0.28、至多0.26、至多0.25、至多0.23、至多0.21或至多0.2)。
实施例34.一种装置，其包含根据实施例1至33中任一项所述的密封环，其中密封件设置在密封界面处，其中密封件与金属表面、聚合物表面或两者接触。
实施例35.根据实施例1至34中任一项所述的密封环或装置，其中主体包含包括含氟聚合物的颗粒，其中颗粒具有颗粒主要尺寸的标准偏差，其中标准偏差为主要尺寸的至多90％，主要尺寸的至多80％、至多70％、至多60％、至多50％或至多40％。
实施例36.一种密封环，其包含包括焊缝的主体，其中整个主体由包含热塑性材料和填充剂材料的材料形成，该填充剂材料包括含氟聚合物，其中含氟聚合物包含功能化的含氟聚合物。
实施例37.根据实施例36所述的密封环，其中主体包含官能化含氟聚合物的颗粒，其中颗粒的主要尺寸的平均大小为至多10μm、至多9μm、至多8μm、至多7μm、至多6μm、至多5μm、至多4μm、至多3μm、至多2μm或至多1μm。
实施例38.根据实施例36至37中任一项所述的密封环，其中主体包含官能化含氟聚合物的颗粒，其中颗粒的主要尺寸的平均大小为至少0.1μm、至少0.3μm或至少0.5μm。
实施例39.根据实施例36至38中任一项所述的密封环，其中主体包含功能化含氟聚合物的颗粒，其中颗粒具有颗粒主要尺寸的标准偏差，其中标准偏差为主要尺寸的至多90％，主要尺寸的至多80％、至多70％、至多60％、至多50％或至多40％。
实例
实例1
使用PEEK(从Solvay获得)与改性PTFE填充剂的共混物形成焊接的狗骨样品。用于形成共混物S1至S4的填充剂描述于下表2中。以本文实施方案中描述的方式制备共混物。焊接的狗骨样品通过注塑成型形成。每种共混物的PEEK和改性PTFE填充剂的含量相同。
表2
共混物 填料 填充剂材料的D50 材料
S1 1 4至6微米 辐照的低分子量PTFE
S2 2 4微米 合成的低分子量PTFE
S3 3 6微米 合成的低分子量PTFE
S4 4 45微米 包含羰基的功能化PTFE
图7A至7D包括共混物的SEM图像。如图所示，改性PTFE颗粒分散在PEEK的基体中，并且在图7A至7C中可以观察到填充剂颗粒的聚结。
共混物S1至S4中的每一种用于形成至少3个焊接的狗骨。如本文实施例中所提到的，根据ASTM D638-08测试所有焊接的狗骨的断裂伸长率和拉伸强度，并且平均断裂伸长率和拉伸强度包括在表3中。
每种共混物中填充剂颗粒的平均主要尺寸通过将填充剂颗粒的主要尺寸的总和697至1033除以通过Image J分析的填充剂颗粒的数量来确定，如本公开中所述。
表3
实例2
根据本文的实施方案，将实例1的PEEK和填充剂4以不同的重量百分比共混，形成样品S6至S8。使用每种共混物形成至少3个焊接的狗骨。仅用PEEK形成3个焊接的狗骨(在本实例中称为样品CS5)。根据本文的实施例，测试所有焊接的狗骨样品的断裂伸长率和拉伸强度。测试样品的组成和性质和/或性能包括在表4中。
表4
实例3
使用下文提到的条件将实例1的PEEK与填充剂4共混以形成样品S9和S10。分别使用12.8lbs/hr和1.12lbs/hr的进料速率将PEEK和填充剂4进料到双螺杆挤出机中，以形成两个样品。
为了形成样品S9，将材料在具有表5中提到的温度的不同桶中加热，并使用表6中提到条件进行加工/挤出。
表5用于形成样品S9的加热条件
区 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6
设定点(℃) 273 343 370 370 350 350
表6用于形成样品S9的工艺条件
电机RPM 熔体温度(℃) 熔体压力(PSI) 电机扭矩(％)
250 356.354 233.228 44.42
为了形成样品S10，使用表7和8中的加热和加工/挤出条件。
表7用于形成样品S10的加热条件
区 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7
设定点(℃) 375 380 385 385 380 380 380
表8用于形成样品S10的工艺条件
电机RPM 熔体温度(℃) 熔体压力(PSI) 电机扭矩(％)
60 372 43.51 11
图8A和8B分别包括样品S9和S10的SEM图像，比例尺为10微米。如图所示，填充剂4颗粒分散在PEEK的基体中。与样品S10相比，样品S9通常显示出更小的填充剂颗粒。样品S9的平均主要尺寸为0.79μm，且标准偏差为±0.24μm。样品S10的平均主要尺寸为1.115μm，且标准偏差为±1.627μm。
分别使用样品S9和S10形成焊接的狗骨，并测试断裂伸长率。样品S9的平均断裂伸长率为15％，而样品S10的平均断裂伸长率为9.4％。
实例4
形成焊接的狗骨样品。制备包括92wt％的PEEK、2wt％的WS2和6wt％的实例1的填充剂4的共混物并用于形成焊接的狗骨样品，称为样品S11。样品S12使用类似的共混物形成，不同之处在于将填充剂4替换为另一种改性PTFE材料填充剂5。填充剂5是包含-COOH官能团的功能化PTFE。填充剂5的粉末具有5微米的D50。
使用表3和表4中提到的条件形成共混物。样品CS13仅使用PEEK形成。PEEK以820NTTM的商品名称从Solvay购买。
图9包括PTFE、填充剂4和填充剂5的FTIR读数，展示了PTFE、填充剂4和填充剂5之间的不同FTIR吸收峰。如图9中所示，包括来自单独分析的每种填充剂材料的两个读数。填充剂4在1791.05cm-1波长处有明显的吸收峰。填充剂5在1776.69cm-1和1813.03cm-1波长处显示出明显的吸收峰。
测试所有样品的断裂伸长率和摩擦系数，且平均值包括在下表9中。
表9
样品 平均断裂伸长率 平均拉伸强度(MPa) 摩擦系数
S11 21％ 85 0.31
S12 33％ 89 0.40
CS13 104％ 88 0.41
上面已经参考具体实施例描述了益处、其他优点及问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案及可使任何益处、优点或解决方案被想到或变得更加显著的任何特征都不被认为是任何或所有权利要求的关键、所需或必要的特征。本文提及的包括一种或多种组分的材料可解释为包括至少一个实施例，在该实施例中所述材料基本上由所指定的一种或多种组分组成。术语″基本上由…组成″应解释为包括成分，该成分包括所指定的那些材料，并排除除不显著改变材料特性的少数含量(例如，杂质含量)材料之外的所有其他材料。除此之外或替代性地，在某些非限制性实施例中，本文所指定的组成中的任一者可基本上不含未明确公开的材料。本文的实施例包括材料内某些组分的含量范围，并且应当理解，给定材料内组分的含量总计为100％。
本文所述的实施例的说明书和图示旨在提供对各种实施例的结构的一般理解。说明书和图示并不旨在用作对使用了本文所述的结构或方法的装置和系统的所有元件和特征的详尽和全面的描述。单独的实施例也可在单个实施例中以组合的方式来提供，并且相反地，为简明起见而在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地提供或以任何子组合的方式来提供。进一步地，对以范围表示的值的引用包括该范围内的每个值和所有各值。只有在阅读本说明书之后，许多其他实施例对于技术人员才是显而易见的。通过本公开内容可以利用和得到其他实施例，使得可在不脱离本公开的范围的情况下进行结构替换、逻辑替换或其他改变。因此，本公开应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (15)

1.一种密封环，所述密封环包含包括焊缝的主体，其中整个主体由包含下述物质的材料形成：
热塑性材料，其中所述热塑性材料包含下述中的一者或多者：聚芳基酮、聚酰亚胺、脂肪族聚酰胺、芳香族聚酰胺、聚酯、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、液晶聚合物(LCP)、聚苯并咪唑(PBI)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚砜类、聚四氟乙烯全氟醚(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(VF2-HFP)、聚酮(PK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)和聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)；和
填充剂材料，其中所述填充剂材料包括含氟聚合物，所述含氟聚合物包含：包括改性含氟聚合物的颗粒，所述改性含氟聚合物是功能化含氟聚合物，其中所述颗粒包含:包括长度或宽度的主要尺寸，其中所述主要尺寸的平均大小为至多3μm；其中所述改性含氟聚合物包含改性聚四氟乙烯、改性四氟乙烯-六氟丙烯、改性全氟烷氧基乙烯、改性聚乙烯四氟乙烯或它们的任意组合。
2.一种密封环，所述密封环包含包括焊缝的主体，其中整个主体由包含下述物质的材料形成：
热塑性材料，其中所述热塑性材料包含下述中的一者或多者：聚芳基酮、聚酰亚胺、脂肪族聚酰胺、芳香族聚酰胺、聚酯、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、液晶聚合物(LCP)、聚苯并咪唑(PBI)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚砜类、聚四氟乙烯全氟醚(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(VF2-HFP)、聚酮(PK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)和聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)；和
填充剂材料，所述填充剂材料包括含氟聚合物，其中所述含氟聚合物包含改性含氟聚合物，所述改性含氟聚合物包含含氧官能团，其中所述主体具有至少3％的断裂伸长率。
3.根据权利要求1或2所述的密封环，其中所述主体的断裂伸长率为至少5％。
4.根据权利要求1所述的密封环，其中所述主要尺寸的平均大小为至多1μm。
5.根据权利要求2所述的密封环，其中所述填充剂材料包含：包括所述含氟聚合物的颗粒，其中所述颗粒包含：包括长度或宽度的主要尺寸，其中所述主要尺寸的平均大小为至多5μm。
6.根据权利要求5所述的密封环，其中所述主要尺寸的平均大小为至多3μm。
7.根据权利要求1所述的密封环，其中所述功能化含氟聚合物包含含氧官能团。
8.根据权利要求2或7所述的密封环，其中所述改性含氟聚合物共价键合至所述热塑性材料。
9.根据权利要求2所述的密封环，其中所述改性含氟聚合物包含改性聚四氟乙烯、改性四氟乙烯-六氟丙烯、改性全氟烷氧基乙烯、改性聚乙烯四氟乙烯或它们的任意组合。
10.根据权利要求1或2所述的密封环，其中密封件包含至少0.2米的直径。
11.根据权利要求1或2所述的密封环，其中所述含氟聚合物为第一填充剂，其中所述主体进一步包含第二填充剂，所述第二填充剂包括有机材料、无机材料或它们的组合。
12.根据权利要求1或2所述的密封环，其中密封件主体包含占所述主体的总重量的至少4wt％且至多50wt％的所述含氟聚合物。
13.根据权利要求1或2所述的密封环，其中所述密封件主体包含占所述主体的总重量的至少35wt％且至多95wt％的所述热塑性材料。
14.根据权利要求1或2所述的密封环，其中所述密封件主体包括所述热塑性材料与所述含氟聚合物的重量比，其中所述比为至少1且至多10。
15.一种装置，所述装置包含根据权利要求1或2所述的密封环，其中
密封件设置在密封界面处，其中所述密封件与金属表面、聚合物表面或两者接触。
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