新型微孔聚四氟乙烯密封板材的研制與應用

2010-03-04 謝蘇江 華東理工大學化機所流體密封研究室

  聚四氟乙烯( PTFE)密封材料雖然具有許多優良性能,如良好的耐蝕性、耐候性、不沾、無毒、無污染性和抗高低溫性能,但其易冷流,導熱性能、抗蠕變松弛性能和壓縮回彈性較差,這些不足嚴重制約了其在密封領域的廣泛應用。因此,采用填充改性、復合改性、膨化改性等工藝研制抗蠕變松弛性能、壓縮回彈性能等綜合性能優良的新型PTFE密封材料是目前PTFE密封材料的主要研究和發展方向。

  筆者根據國內外PTFE密封材料的發展趨勢,通過模壓成型和自由燒結工藝,成功研制了一種綜合性能較好的新型微孔PTFE密封板材。

1、原材料選擇

1.1、PTFE樹脂的選用

  制備微孔密封材料時, PTFE樹脂的正確選用十分重要。PTFE樹脂按其聚合方法可分為懸浮樹脂和分散樹脂。懸浮樹脂由懸浮液聚合而成,粒徑一般為2~500μm,多用于模壓及擠壓成型來制造板材、片材;分散樹脂由乳液聚合而成,平均粒徑為300~800μm,流動性好,主要用于糊膏擠壓成型管材、棒材等。本研究的主要目的是采用模壓燒結工藝制備密封墊片材料,因此,選用懸浮PTFE樹脂為基體材料。

1.2、成孔劑的選用

  成孔劑的選用是微孔PTFE密封材料研制的關鍵。試驗發現,微孔PTFE密封材料的性能與成孔劑的化學組成、性能及含量有密切關系。成孔劑種類及成孔率的大小對PTFE樹脂的改性效果有很大影響,并且成孔劑的加入還會影響到PTFE樹脂的成型加工工藝。

  成孔劑選擇時應遵循以下基本原則 :

 、俜稚⑿院,能均勻分散于PTFE樹脂內;

 、诜纸鉁囟确秶,接近于PTFE的熔點或硬化溫度;

 、鄯纸馑俾矢,分解出的氣體無毒、無不良氣味,不易燃,無腐蝕性,無污染,分解后剩余的殘渣與樹脂有相容性,不發生噴霜現象:

 、懿挥绊懢酆衔锛疤砑咏M分的物理力學性能;

 、輥碓闯渥,室溫貯存穩定,價格低廉。

  成孔劑的選擇還要綜合考慮密封材料的性能、工藝和成本要求,以達到滿意的改性效果?捎糜谥苽湮⒖譖TFE密封材料的成孔劑種類很多,主要包括物理成孔劑、化學成孔劑、水溶性無機鹽和易揮發性物質等。通過大量試驗并綜合考慮所制材料的表面質量、微孔分布,最終選用一種稠環芳烴(C10H8 )材料作為成孔劑,由此成孔劑可以制得具有均勻微孔結構、柔韌性良好的白色微孔PTFE密封板材。

2、工藝路線的選擇

  模壓燒結成型是目前國內外生產PTFE板材普遍采用的一種工藝方法,也適合我國生產技術水平和應用實際的需要。因此,筆者制定了如圖1所示的微孔PTFE密封板材制備工藝流程。

微孔PTFE密封板材制備工藝流程

圖1 微孔PTFE密封板材制備工藝流程

3、工藝和配方設計

  微孔PTFE的制備方法主要包括壓制成型工藝和燒結工藝。壓制成型工藝主要包括模壓成型壓力、壓制速度、保壓時間等工藝參數;燒結工藝主要包括加熱速率、燒結溫度、燒結時間及冷卻速率等因素。通過大量試驗獲得了一個較好的微孔PTFE密封板材制備工藝,具體工藝參數如表1所示。

表1 微孔PTFE密封板材制備工藝參數

微孔PTFE密封板材制備工藝參數

  由于微孔PTFE密封板材主要由PTFE樹脂和成孔劑組成,成孔劑的用量不但決定成孔率的高低,而且還對密封材料的拉伸強度、壓縮率、回彈率、抗蠕變松弛能力等產生直接影響,成孔劑含量過高或過低均不利于密封材料的綜合性能。通過大量試驗研究發現,成孔劑質量分數在30%左右時,材料的綜合性能較好。

4、微孔PTFE密封板材的性能

  根據獲得的優化工藝參數制備了微孔PTFE密封板材,對其主要性能進行了測試,并與美國Gar2lock公司的GYLON S3540純微孔PTFE、日本華爾卡公司的7010普通PTFE、美國Gore公司的膨體板狀PTFE墊、美國Garlock公司的GYLON 3504填充改性PTFE等幾種典型PTFE密封材料進行了比較,結果如表2 所示,其中拉伸性能按ASTM F152 測試;壓縮率和回彈率按ASTM F36測試;蠕變松弛率按ASTM F38 測試;泄漏率按D IN 3535 測試,墊片應力32MPa,N2壓力4MPa;氣密性按ASTM F37測試,墊片應力20.7MPa,N2壓力0.2MPa。

表2 幾種PTFE密封材料的性能對比

幾種PTFE密封材料的性能對比

  由表2可見,研制的微孔PTFE密封板材一方面具有較高的壓縮率,同時又具有較好的回彈性、較低的蠕變松弛率,其綜合性能明顯優于普通壓制PTFE,基本達到了國際同類產品的先進水平。圖2是研制的微孔PTFE與其它PTFE微觀結構的SEM照片。由圖2可見,研制的微孔PTFE內部由獨立的微孔組成,與其它結構PTFE存在明顯差異。這些獨立微孔一方面提供了材料一定的柔軟性,另一方面保證了材料具有較好的回彈能力及抗滲透性能。

5、微孔PTFE密封板材的應用

  傳統PTFE硬度大、壓縮率小,作為密封墊片一般需要較大密封比壓(35MPa以上)才能確保密封,這就要求提供較高的螺栓預緊力,而在類似由玻璃鋼、合成樹脂、陶瓷等制成的設備和管道裝置中,其抗壓強度較低,很難承受較高的螺栓載荷,傳統PTFE難以起到理想的密封效果。而微孔PTFE以其較好的柔軟性、較低的密封比壓和優異的密封性能,在非金屬設備和管道的密封中起到了其它材料無法取代的密封效果,十分適合應用于要求較低螺栓載荷和較高變形補償的密封場合,如法蘭密封面有翹曲、刮痕、凹坑、刻槽、歪斜以及不允許較大螺栓載荷的非金屬法蘭。

6、結語

  (1)通過均勻混合高分子成孔劑和懸浮PTFE樹脂,采用模壓燒結加工工藝成功研制出一種具有良好壓縮回彈性能和蠕變松弛性能的新型微孔PTFE墊片密封材料。

  (2)通過大量試驗研究獲得了最佳的壓制、燒結工藝條件,根據優化后的工藝參數制備的微孔PTFE密封材料,其綜合性能明顯優于普通壓制PTFE,并達到了國際同類產品的先進水平,非常適合螺栓載荷較低、變形補償要求較高的密封場合。