具有干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的聚合物滑動(dòng)材料和具有干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的滑環(huán)密封件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及能夠干運(yùn)轉(zhuǎn)的聚合物滑動(dòng)材料，涉及能夠干運(yùn)轉(zhuǎn)的包括聚合物滑動(dòng)材 料的滑環(huán)的滑環(huán)密封件，以及涉及此類材料用于干運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)用、尤其是用作濕運(yùn)轉(zhuǎn)栗和干運(yùn) 轉(zhuǎn)栗中的位移元件的用途。
【背景技術(shù)】
[0002] 介質(zhì)潤(rùn)滑滑環(huán)密封件用作例如栗驅(qū)動(dòng)器中的驅(qū)動(dòng)軸密封件，其中它們將液體壓力 密封，與周圍環(huán)境和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)阻隔開。由于其簡(jiǎn)單的構(gòu)造和其性能，具有滑環(huán)密封件的栗廣 泛用于輸送并循環(huán)液體。
[0003] 對(duì)于該類型的栗而言，約50 %的損壞由滑環(huán)密封件引起，并且超過一半的這些情 況歸咎于滑環(huán)密封件干運(yùn)轉(zhuǎn)這樣的事實(shí)。干運(yùn)轉(zhuǎn)可由有缺陷的處理引起，尤其是液體供應(yīng) 中斷的情況。
[0004] 滑環(huán)密封件的特殊構(gòu)造也可持久性地干運(yùn)轉(zhuǎn)，在這種情況下在例如壓力容器的襯 套處密封攪拌器軸。迄今為止，攪拌器密封件一直由石墨和碳化硅的滑環(huán)密封配對(duì)件制成。 然而，這些材料的性能是有限的。對(duì)于多種應(yīng)用而言，尤其是所造成的石墨磨蝕不可接受。
[0005] 對(duì)于持久性地干運(yùn)轉(zhuǎn)或由介質(zhì)潤(rùn)滑的滑環(huán)密封件而言，機(jī)械摩擦損失以熱量輸入 進(jìn)入液體潤(rùn)滑性介質(zhì)中和軸承座中的形式耗散。在干運(yùn)轉(zhuǎn)條件下不存在液體潤(rùn)滑的情況 下，摩擦損失以及熱量的輸入明顯增加。另外，熱量不會(huì)被液體耗散。因此，在常規(guī)密封配對(duì) 件諸如SiC/SiC或AI2O3/AI2O3中，幾分鐘內(nèi)就產(chǎn)生大于200°C的溫度，這對(duì)靜止的二級(jí)密封 件直接造成熱損壞。二級(jí)密封件通常由彈性材料構(gòu)造成〇形環(huán)。該類型的密封件損壞是造成 現(xiàn)代循環(huán)栗中約50 %所有栗損壞的原因。
[0006] 位移栗諸如真空葉片栗在用作制動(dòng)助力器時(shí)，在操作狀態(tài)下也不用液體潤(rùn)滑。在 該工序中，累積壓力的位移元件(滑動(dòng)閥）抵靠栗殼體摩擦。這引起摩擦接觸中的高摩擦熱， 并且引起高熱量輸入進(jìn)入殼體和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中。同樣對(duì)于該類型的栗而言，熱損壞是長(zhǎng)久干 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間之后失效的主要原因。
[0007] 在其他位移栗諸如齒輪栗中，位移元件(齒輪)支撐在壓力板之間。壓力板與齒輪 (兩者通常由鋼制成)之間的摩擦接觸，導(dǎo)致高摩擦損失和性能損失。當(dāng)暫時(shí)性地干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， 可能易于發(fā)生熱過載。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)
[0009] 在具有介質(zhì)潤(rùn)滑軸-滑環(huán)密封件的當(dāng)今類型的栗中，通常使用滑環(huán)密封配對(duì)件，其 由石墨的旋轉(zhuǎn)滑環(huán)和燒結(jié)陶瓷的靜止配對(duì)環(huán)組成。采用這些配對(duì)件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10年恒 定操作的較長(zhǎng)使用壽命，在液體潤(rùn)滑時(shí)摩擦系數(shù)為約0.05,而在短暫干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間時(shí)摩擦系 數(shù)為約0.15。
[0010] 聚四氟乙烯(PTFE)也可用作石墨的替代品，作為旋轉(zhuǎn)滑環(huán)的材料。然而，由于其極 低耐壓性和極低耐磨性，PTFE與陶瓷的配對(duì)件僅適用于必須僅承受少量負(fù)載的密封件，故 而未廣泛使用。
[0011] 對(duì)于可承受明顯更高負(fù)載的介質(zhì)潤(rùn)滑軸滑環(huán)密封件而言，使用來自陶瓷對(duì)陶瓷的 組合并且優(yōu)選地來自燒結(jié)碳化硅(SSiC)對(duì)SSiC的滑環(huán)密封配對(duì)件。采用這些配對(duì)件時(shí)，液 體潤(rùn)滑時(shí)可達(dá)到約0.05的摩擦系數(shù);然而，約0.8的干運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦系數(shù)非常高。因此在干運(yùn)轉(zhuǎn) 操作中這些滑環(huán)配對(duì)件可使用僅幾分鐘。通過使用碳化硅材料的變型形式（例如含石墨添 加劑的碳化硅），約10分鐘的略微更長(zhǎng)的干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間是可能的。然而，這些材料也不可用于 持久干運(yùn)轉(zhuǎn)操作。
[0012] 目前，石墨與陶瓷的材料配對(duì)件因此用于供使用的液體潤(rùn)滑滑環(huán)密封件，其中密 封必須適用于暫時(shí)干運(yùn)轉(zhuǎn)操作。
[0013] 迄今為止，尚未有供設(shè)計(jì)者使用的合適材料對(duì)，以用于滑環(huán)密封件的持久干運(yùn)轉(zhuǎn)。 由于僅短暫干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間是可能的，作為滑環(huán)密封件的石墨與陶瓷的配對(duì)件不能用于持久干 運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)用。另外，由于有較強(qiáng)噪聲形成并且由于磨損的石墨從滑環(huán)密封件排出，該配對(duì)件也 是不利的。尤其對(duì)于必須能夠持久性地干運(yùn)轉(zhuǎn)的攪拌器密封件而言，兩種效應(yīng)均是使用期 間不期望的。
[0014] 能夠持久性地干運(yùn)轉(zhuǎn)的滑環(huán)密封件的結(jié)構(gòu)性解決方案，是將滑環(huán)密封件構(gòu)造為所 謂的氣密封件，其中陶瓷與陶瓷配對(duì)，通過在摩擦對(duì)象之間建立氣膜而大幅降低干摩擦。然 而，為了達(dá)到這一目的，需要非常高的RPM，通常大于10,000。此外，該解決方案在結(jié)構(gòu)上非 常昂貴，并且迄今為止，僅用于大型設(shè)施，諸如陸上管道的氣體壓縮機(jī)。
[0015] 迄今為止，聚合物基材料尚未廣泛用于介質(zhì)潤(rùn)滑滑環(huán)密封件或位移栗，但尤其出 于簡(jiǎn)化過程和系統(tǒng)及降低與之相關(guān)的成本的原因，栗部件中的聚合物材料的比例隨栗的每 次更新?lián)Q代而增加。聚合物基材料的材料相關(guān)缺點(diǎn)是不良熱耗散，這是由于小于l.〇W/m*K 的低熱導(dǎo)率，在迄今為止還不足夠的耐壓性和耐磨性下的低尺寸穩(wěn)定性。在滑環(huán)密封件操 作期間產(chǎn)生的摩擦熱的高輸出被聚合物材料非常差地耗散。此外，聚合物材料在相對(duì)較低 溫度下就已失效。循環(huán)栗常常在約140°C下在加壓水系統(tǒng)中操作。在這些條件下，多種常規(guī) 聚合物會(huì)由于水解和/或喪失機(jī)械強(qiáng)度而失效。
[0016] W0 2012/169604 A1描述了一種由包含聚鄰苯二甲酰胺的樹脂組合物制備的滑 環(huán)。另外，樹脂組合物可包含填料，諸如碳纖維、玻璃纖維、碳化硅纖維、石墨、MoS 2、A12〇3、 MgO、氮化硼和PTFE粉末。然而，纖維粒子形式的陶瓷填料引起摩擦對(duì)象處的高磨損，并且樹 脂組合物不能夠干運(yùn)轉(zhuǎn)?；w材料不能進(jìn)行熱塑性加工。
[0017] W0 2010/054241 A2描述了一種用于制備熱塑性滑環(huán)、尤其是極大直徑的密封件 的方法。為此，將擠出的線料成形為環(huán)，并連接到正面。熱塑性聚合物可包含PTFE或炭黑作 為填料。
[0018] 在位移栗諸如葉片栗中，燒結(jié)石墨自身已確立為用于濕運(yùn)轉(zhuǎn)和用于短暫干運(yùn)轉(zhuǎn)的 滑動(dòng)元件的標(biāo)準(zhǔn)材料。一些專利申請(qǐng)也已提出聚合物基材料的使用。然而，由于其迄今為止 不令人滿意的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，聚合物基材料的使用僅限于液體潤(rùn)滑栗。
[0019] DE 10 2008 019 440 A1提出了聚合物材料用于干運(yùn)轉(zhuǎn)真空栗中的滑動(dòng)閥。所使 用的聚合物材料在干運(yùn)轉(zhuǎn)操作中并不優(yōu)于石墨，并且僅具有有限的耐磨性。
[0020] DE 20 2009 000 690 U1描述了一種旋轉(zhuǎn)位移栗，其具有由聚合物材料諸如特氟 隆或PEEK制成的軸承和位移元件。
[0021] DE 20 2007 012 565 U1描述了一種位移栗，其具有PEEK材料的轉(zhuǎn)子。
[0022] EP 1 424 495 A2描述了一種正位移栗，其具有聚合物材料諸如PEEK、PPS和PES的 栗轉(zhuǎn)子和/或轉(zhuǎn)子葉片。所列出的材料僅具有有限的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，即，它們僅可短時(shí)間干運(yùn) 轉(zhuǎn)，并且還僅處于中等負(fù)載下。
[0023] 發(fā)明目的
[0024] 本發(fā)明因此論述了這樣的目的:避免現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)并且使聚合物滑動(dòng)材料及由 其制成的滑環(huán)密封件可用，所述滑環(huán)密封件表現(xiàn)出較低因摩擦而致的損失，并且在濕運(yùn)轉(zhuǎn) 條件下甚至在較長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)具有耐磨性，并且還能夠持久性地干運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，本發(fā)明論述 了這樣的目的：使得用于干運(yùn)轉(zhuǎn)栗中的位移元件的聚合物基滑動(dòng)材料可用，所述材料使得 延長(zhǎng)干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025] 上述目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物滑動(dòng)材料、根據(jù)權(quán)利要求19所述的滑 環(huán)密封件以及根據(jù)權(quán)利要求24所述的聚合物滑動(dòng)材料的用途來實(shí)現(xiàn)。聚合物滑動(dòng)材料和滑 環(huán)密封件的優(yōu)選的或尤其適當(dāng)?shù)膶?shí)施例在從屬權(quán)利要求2-18和20-23中給出。
[0026] 因此，本發(fā)明的主題是一種聚合物滑動(dòng)材料，其包含聚合物基體材料和填料，該填 料包含增強(qiáng)粒子、硬質(zhì)材料粒子和潤(rùn)滑劑。
[0027] 本發(fā)明的另一個(gè)主題是一種滑環(huán)密封件，其包括旋轉(zhuǎn)滑環(huán)和靜止配對(duì)環(huán)，根據(jù)本 發(fā)明旋轉(zhuǎn)滑環(huán)和/或靜止配對(duì)環(huán)圍繞聚合物滑動(dòng)材料。
[0028] 本發(fā)明的另一個(gè)主題是此類材料用于干運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)用，尤其是作為用于濕運(yùn)轉(zhuǎn)和干運(yùn) 轉(zhuǎn)的栗中的位移元件的材料的用途。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的聚合物滑動(dòng)材料具有耐磨性和機(jī)械穩(wěn)定性，并且與石墨不同的是， 能夠持久性地干運(yùn)轉(zhuǎn)。耐磨性比石墨的耐磨性更好。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的聚合物滑動(dòng)材料使得在濕運(yùn)轉(zhuǎn)和干運(yùn)轉(zhuǎn)中極低因摩擦而致的損失 成為可能。對(duì)于持久干運(yùn)轉(zhuǎn)操作而言適合的形式是作為旋轉(zhuǎn)滑環(huán)和/或作為滑環(huán)密封件中 的靜止配對(duì)環(huán)以及作為位移元件及濕運(yùn)轉(zhuǎn)和干運(yùn)轉(zhuǎn)栗，例如作為葉片栗中的滑動(dòng)閥。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的滑環(huán)密封件產(chǎn)生極低摩擦損失并且以能夠持久性地干