CN103788618A - 聚芳醚酮复合材料、其制备方法以及应用该材料的密封圈 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料领域,具体涉及一种具备高韧性、自润滑、耐磨损、低硬度的聚芳醚酮复合材料,同时涉及制作该材料的方法以及应用该材料的密封圈。本聚芳醚酮复合材料由92~95重量份的共聚芳醚酮树脂,5~8重量份的软碳;本复合材料还包括添加量为软碳重量0.8%~1.5%的硅烷偶联剂。本发明还披露了上述材料的简洁制作方法,主要包括表面处理;混合;干燥;热压、冷却、脱模工序。本发明还公开了由上述材料制作的密封圈,从而实现核工业设备指定部件的高效能密封效果。由本发明中的聚芳醚酮复合材料制得的密封圈,能够完全满足核工业领域高温、高压等特殊工况下的密封要求,防治核介质泄露,保障了人员和设备的安全。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域,具体涉及一种具备高韧性、自润滑、耐磨损、低硬度的聚芳醚酮复合材料,同时涉及制作该材料的方法以及应用该材料的密封圈。
背景技术
U形密封圈是一种唇形密封圈,可以安装在运动的活塞上,也可以安装在静止的壳体上,无需采用填料压盖或压环,可单个使用。U形密封圈是平衡型密封,内径和外径方向均能密封,而且随介质的压力变化,有自补偿密封功能。目前U形密封圈的材质多数是橡胶或复合橡胶类的,如聚氨酯橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶、夹布橡胶等,橡胶类材料具有优异的弹性和自补偿密封功能,但摩擦系数较大,耐磨性较差,耐温等级不高。在核工业领域,设备使用的密封件经常遇到高温(最高工作温度240℃)、辐射、高压、混合介质等恶劣工况,大部分橡胶密封件易老化变形,使用寿命短,无法满足密封要求,所以现在急需一种新材料来替代这些橡胶密封材料,以期使其具备耐辐射、耐高温、自润滑、耐磨损等诸多效能,来解决核工业设备的密封和泄露难题。
聚芳醚酮是含有芳香基、醚基、酮基等官能团的特种高分子材料,这样的化学结构决定了其具有耐辐射、耐高温(长期使用温度高于300℃)、高强度、高韧性等性能特点,可以满足核工业领域密封件的一些基本性能要求,但该类材料的硬度较大,自润滑性较差,易损伤对磨件,降低密封件的使用寿命,普通配方的聚芳醚酮复合材料虽然可以提高自润滑性能和耐磨性;但相关助剂的加入,会增加材料的脆性,大幅度降低材料的韧性和断裂伸长率(某牌号聚芳醚酮树脂的拉伸断裂伸长率为30%,与其他材料复合改性后该值下降到4.9%),影响密封补偿性能,不适合加工成U形密封圈。如何在不改变基体树脂高强度、高韧性、耐高温、耐辐射等优异性能的基础上,进一步改善该材料的自润滑性能和耐磨损性能,降低材料的硬度,以获得更高性能的材料和制造出满足高韧性、耐高温、耐辐射、耐磨损要求的U形密封圈,为本领域近十年来所亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的其中一个目的即为克服上述现有技术的不足,提供一种聚芳醚酮复合材料,该材料具备高韧性、自润滑、耐磨损和低硬度性能,以解决核工业设备的密封和泄露难题;同时,本发明还披露了上述材料的制作方法,以能通过简洁的操作完成其材料制作流程;此外,本发明还公开了以上述材料制作的密封圈,从而实现核工业设备指定部件的高效能密封效果。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:
一种聚芳醚酮复合材料,其包括如下组成部分:
共聚芳醚酮树脂 92~95重量份,
软碳 5~8重量份,
硅烷偶联剂,其添加量为软碳重量的0.8~1.5%。
所述共聚芳醚酮树脂的熔融黏度350Pa.s,粒径35~55μm,数均分子量4-6万。
所述软碳的粒径为15~30μm,碳的重量含量≥99%,水的重量含量<0.3%,灰分的重量含量<0.5%。
所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。
一种制备上述聚芳醚酮复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)、表面处理
取一定重量份已干燥的软碳粉,在搅拌机中搅拌,同时喷洒硅烷偶联剂溶液,硅烷偶联剂用量是软碳粉重量的0.8~1.5%,硅烷偶联剂溶液中硅烷偶联剂的重量百分比数为20%,乙醇的重量百分比数为72%,水的重量百分比数为8%;搅拌15~20分钟后取出,在130℃温度下干燥,粉碎后过200~300目标准筛,得到表面处理后的软碳粉,待用;
2)、混合
向搅拌机中添加92~95重量份的共聚芳醚酮树脂和5~8重量份表面处理后的软碳粉,搅拌均匀后得混合料,取出待用;
3)、干燥
将步骤2)得到的混合料放到130℃的烘箱中,干燥1~2小时;
4)、热压、冷却、脱模
将步骤3)中得到的干燥后的混合料加入热压机模具模腔中进行压制预成型,压机的压力为65~70MPa,保压加热,当物料温度达到375~380℃时保温保压35~50分钟;然后加压到80MPa,保温保压5分钟,压力保持在80MPa,停止加热并自然冷却,当物料温度降到100℃以下时,脱模取出得到聚芳醚酮复合材料。
步骤4)中,热压机所在的热压房间温度控制在18~23℃之间。
一种应用上述聚芳醚酮复合材料的密封圈,包括以聚芳醚酮复合材料制作的密封圈本体,密封圈本体横截面呈“U”字状,其开口方向同侧且平行密封圈本体轴线方向布置;所述密封圈还包括用作加强层的支撑弹簧,所述支撑弹簧埋设嵌合于密封圈本体的“U”字状内腔中,且支撑弹簧横截面呈与密封圈本体横截面形状一致的“U”字状,两者开口方向同向布置。
本发明的主要优点在于:
1)、本发明通过以共聚芳醚酮树脂作为基体材料;利用聚芳醚酮树脂本身作为耐高温特种工程塑料的特性,通过其材料自身具备的优异的物理机械性能和耐化学腐蚀性能,同时耐温等级高、可长期使用温度在300℃以上、蠕变性小、高韧性、耐疲劳性可与合金材料媲美等诸多优点,从而保证将其制作为密封圈后的其各项能力均可满足实际所需;此外的,以软碳粉作为自润滑剂,以利于降低复合材料的摩擦系数,改善工作面的摩擦形态,降低材料的表面硬度。由于软碳属于无机类材料,与聚芳醚酮相容性较差,需要通过表面处理提高二者间的界面力和结合效果,以最大程度改善摩擦面的润滑状态,提高复合材料的自润滑性和耐磨性。简言之,以上配方设计,一方面通过选用高韧性、耐辐射、耐高温的聚芳醚酮树脂为主要基体;另一方面通过选用软碳粉,降低复合材料的摩擦系数和硬度,改善工作面的摩擦形态,最终达到提高复合材料自润滑性和耐磨性的目的,以制造出高韧性、自润滑、耐磨损、低硬度的聚芳醚酮复合材料,用以取代目前橡胶材料,在核工业领域高温、高压等特殊工况下,其制成的密封圈能够完全满足密封要求,防治核介质泄露,保障人员和设备的安全。
2)、与普通配方的聚芳醚酮复合材料相比,本发明的复合材料在保持了基体树脂的耐辐射、耐高温、高强度、高韧性的基础上,又增加了材料的自润滑性能和耐磨损性能,降低了材料的硬度,解决了聚芳醚酮复合材料高韧性(较高的拉伸断裂伸长率)和优异耐磨性不能并存的难题,突破了技术壁垒;其制备方法简便可行,制作过程清晰,可有效的提升该材料的实际制造效率。
3)、密封圈的唇形结构,保证了其在密封时,一方面依靠自身材质提供其以高韧性、自润滑、耐磨损、低硬度等诸多性能;另一方面,通过金属弹簧的布置,保证了其密封受力时的高抗力性,确保其不至于因受外力压迫而出现自身大幅度形变,从而影响其自身密封能力的现象发生;其整体结构实用性高,工作可靠稳定,使用寿命亦可得到有效保证。
附图说明
图1为本发明的结构剖视图。
附图中标号与各部件对应关系如下:
10-密封圈本体 20-支撑弹簧
具体实施方式
为便于理解,此处通过以下通过具体实施方式,以对本发明作进一步说明:
下述实施例中使用的本发明各原料参数为:
共聚芳醚酮树脂的熔融黏度350Pa.s,粒径35~55μm,数均分子量4~6万。
软碳的粒径15~30μm,碳的重量含量≥99%,水的重量含量<0.3%,灰分的重量含量<0.5%。
实施例1:
1)、表面处理
取5重量份的软碳粉,在搅拌机中搅拌,同时喷洒γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂溶液,γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂用量是软碳粉重量的1%,γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂溶液中γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂的重量百分比数为20%,乙醇的重量百分比数为72%,水的重量百分比数为8%;搅拌15~20分钟后取出,在130℃温度下干燥2小时,粉碎后过200~300目标准筛,得到表面处理后的软碳粉,待用。
2)、混合
向搅拌机中添加95重量份的共聚芳醚酮树脂和5重量份的表面处理后的软碳粉,搅拌均匀后得混合料,取出待用。
3)、干燥
将步骤2)得到的混合料放到130℃的烘箱中,干燥1~2小时。
4)、热压、冷却、脱模
将步骤3)得到的干燥后的混合料加入热压机模具模腔中进行压制预成型,压机的压力为70MPa,注意排气,保压加热;当物料温度达到380℃时保温保压35分钟,然后加压到80MPa,保温保压5分钟,压力保持在80MPa,停止加热并自然冷却,当物料温度降到100℃以下时,脱模取出,室温静置12小时,得到聚芳醚酮复合材料。通过机械加工制得相关试验件,并进行相关的性能测试。
实施例2:
1)、表面处理
取8重量份的软碳粉,在搅拌机中搅拌,同时喷洒γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂溶液,γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂用量是软碳粉重量的1%,γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂溶液中γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂的重量百分比数为20%,乙醇的重量百分比数为72%,水的重量百分比数为8%;搅拌15~20分钟后取出,在130℃温度下干燥2小时,粉碎后过200~300目标准筛,得到表面处理后的软碳粉,待用。
2)、混合
向搅拌机中添加92重量份的共聚芳醚酮树脂和8重量份的表面处理后的软碳粉,搅拌均匀后得混合料,取出待用。
3)、干燥
将步骤2)得到的混合料放到130℃的烘箱中,干燥1~2小时。
4)、热压、冷却、脱模
将步骤3)得到的干燥后的混合料加入热压机模具模腔中进行压制预成型,压机的压力为70MPa,注意排气,保压加热;当物料温度达到380℃时保温保压40分钟,然后加压到80MPa,保温保压5分钟,压力保持在80MPa,停止加热并自然冷却,当物料温度降到100℃以下时,脱模取出,室温静置12小时,得到聚芳醚酮复合材料。通过机械加工制得相关试验件进行相关的性能测试。
对比例1:纯聚芳醚酮树脂
取一定量干燥后的纯聚芳醚酮树脂粉末,放在热压机模具中,加压到70MPa,注意排气,保压加热;当物料温度达到380℃时,保温保压35分钟,再继续加压到80MPa,保温保压5分钟,停止加热,压力不变,当物料温度降到100℃以下时,脱模取出毛坯。室温停放12小时,再通过机械加工制得相关试验件,进行相关的性能测试。
对比例2:普通配方的聚芳醚酮复合材料
按照目前通用配方,取75重量份的共聚芳醚酮树脂、10重量份悬浮聚四氟乙烯树脂和15重量份的软碳粉在搅拌机中均匀混合,放在热压机模具中,加压到70MPa,注意排气,保压加热;当物料温度达到380℃时,保温保压40分钟,再继续加压到80MPa,保温保压5分钟,停止加热,压力不变,当物料温度降到100℃以下时,脱模取出复合材料毛坯。室温停放12小时,再通过机械加工制得相关试验件,进行相关的性能测试。
将实施例1、2和对比例1、2制得的聚芳醚酮材料加工成试验件,按照国家标准的测试要求,进行各材料的性能测试,测试结果见表1。
表1聚芳醚酮材料的性能测试结果
由表1可以看出,本发明聚芳醚酮复合材料(实施例2)与纯聚芳醚酮材料(对比例1)相比,摩擦系数更小,磨痕宽度更窄,硬度更低,同时材料的断裂伸长率依然保持在20%以上,具备较好的韧性;与普通配方聚芳醚酮复合材料(对比例2)相比,虽然摩擦系数较大,但磨痕宽度窄,具备较好的耐磨性,而且具有更好的弹韧性,材料的断裂伸长率更高。由以上测试结果表明,本发明聚芳醚酮复合材料具备高韧性、自润滑、耐磨损、低硬度等性能特点,适合加工成U形密封圈,在核工业领域可获得广泛应用。
Claims (7)
1.一种聚芳醚酮复合材料,其特征在于包括如下组成部分:
共聚芳醚酮树脂 92~95重量份,
软碳 5~8重量份,
硅烷偶联剂,其添加量为软碳重量的0.8~1.5%。
2.根据权利要求1所述的聚芳醚酮复合材料,其特征在于:所述共聚芳醚酮树脂的熔融黏度350Pa.s,粒径35~55μm,数均分子量4~6万。
3.根据权利要求1所述的聚芳醚酮复合材料,其特征在于:所述软碳的粒径为15~30μm,碳的重量含量≥99%,水的重量含量<0.3%,灰分的重量含量<0.5%。
4.根据权利要求1所述的聚芳醚酮复合材料,其特征在于:所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。
5.一种制备权利要求1或2或3或4所述的聚芳醚酮复合材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)、表面处理
取一定重量份已干燥的软碳粉,在搅拌机中搅拌,同时喷洒硅烷偶联剂溶液,硅烷偶联剂用量是软碳粉重量的0.8~1.5%,硅烷偶联剂溶液中硅烷偶联剂的重量百分比数为20%,乙醇的重量百分比数为72%,水的重量百分比数为8%;搅拌15~20分钟后取出,在130℃温度下干燥,粉碎后过200~300目标准筛,得到表面处理后的软碳粉,待用;
2)、混合
向搅拌机中添加92~95重量份的共聚芳醚酮树脂和5~8重量份表面处理后的软碳粉,搅拌均匀后得混合料,取出待用;
3)、干燥
将步骤2)得到的混合料放到130℃的烘箱中,干燥1~2小时;
4)、热压、冷却、脱模
将步骤3)中得到的干燥后的混合料加入热压机模具模腔中进行压制预成型,热压机的压力为65~70MPa,保压加热,当物料温度达到375~380℃时保温保压35~50分钟;然后加压到80MPa,保温保压5分钟,压力保持在80MPa,停止加热并自然冷却,当物料温度降到100℃以下时,脱模取出得到聚芳醚酮复合材料。
6.根据权利要求5所述的聚芳醚酮复合材料的制备方法,其特征在于:步骤4)中,所述热压机所在的热压房间温度控制在18~23℃之间。
7.一种应用权利要求1或2或3或4所述的聚芳醚酮复合材料的密封圈,其特征在于:包括以聚芳醚酮复合材料制作的密封圈本体(10),密封圈本体(10)横截面呈“U”字状,其开口方向同侧且平行密封圈本体(10)轴线方向布置;所述密封圈还包括用作加强层的支撑弹簧(20),所述支撑弹簧(20)埋设嵌合于密封圈本体(10)的“U”字状内腔中,且支撑弹簧(20)横截面呈与密封圈本体(10)横截面形状一致的“U”字状,两者开口方向同向布置。
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