專利名稱：熱塑性聚合物襯套的制作方法
熱塑性聚合物襯套本專利申請要求2007年7月6日提交的美國臨時申請60/962， 039的優(yōu)先權(quán)。 發(fā)明領(lǐng)域 具有圓周取向連續(xù)的高抗拉模量纖維的熱塑性聚合物部件可用作泵部件，諸如襯 套，尤其是離心泵和其它相似類型的設(shè)備。
背景技術(shù)：
泵，尤其是離心泵，具有許多彼此相對旋轉(zhuǎn)的表面。在許多情況下，一個表面旋轉(zhuǎn) 而另一個表面靜止。通常靜止部件是由金屬制成的襯套，而由于間隙通常必須密封或微小， 因此表面會彼此摩擦以避免氣體和/或液體從泵中滲漏出來。有時可使用橡膠或其它類型 的密封件，但是此類密封件不令人滿意，尤其是在較高或較低溫度環(huán)境或腐蝕環(huán)境下。在許 多情況下，所述密封件還必須承重(剛性)，因此使用金屬_對_金屬密封件。然而如上所 述，存在磨損和/或摩擦的趨勢，尤其是在泵干式運(yùn)行一段時間時，或使其干式運(yùn)行時。對 此襯套具有類似需要的其它類型設(shè)備包括壓縮機(jī)和液壓式傳動裝置。 —類經(jīng)改進(jìn)的密封件是熱塑性密封件或襯套，其包含在平面中無規(guī)取向的短切 高模量纖維，所述平面垂直于被密封軸的旋轉(zhuǎn)軸，參見例如"DuPontTMVespe^CR-6100 Application and Installation Guide forCentrifugal Pump Stationary Wear Parts，， (E. I. DuPont de Nemours& Co. ， Inc. (Wilmington, Delaware, USA) ， 2007年3月)。 然而此類部件的制造既復(fù)雜又昂貴，期望有較經(jīng)濟(jì)的方式來制造提供此類用途的部件，參 見例如US 5470409和5427731。包含熱塑性聚合物的襯套優(yōu)選具有良好的耐磨特性和低摩 擦系數(shù)以及相對于襯套而移動的表面。 包含熱塑性材料諸如含氟聚合物和圓周取向的連續(xù)高抗拉模量纖維的復(fù)合管材 以及制造它們的方法描述于US 4975321中，所述文獻(xiàn)以引用方式并入本文。沒有提及的是 使用這些管材用于襯套應(yīng)用，尤其是其中期望較低徑向熱膨脹系數(shù)的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了一種襯套，所述襯套包含熱塑性聚合物和圓周取向的連續(xù)高抗拉模量 纖維。 本發(fā)明還公開了一種設(shè)備，所述設(shè)備包括相對于第二部件旋轉(zhuǎn)的第一部件，以及 襯套，所述襯套介于第一部件和第二部件之間并且與第一部件和第二部件接觸，并且包含 熱塑性聚合物和圓周取向的連續(xù)高抗拉模量纖維。
附圖簡述

圖1顯示了襯套的各種不同形狀。
圖2顯示了典型離心泵中的本發(fā)明的含氟聚合物襯套。
發(fā)明詳述 本文使用某些術(shù)語，并且其中一些定義如下。
所謂"襯套"或"用作襯套"是指設(shè)計用于限制或約束旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)動的圓筒形內(nèi)襯， 該內(nèi)襯還可降低摩擦和/或磨損和/或提供對液體和/或氣體的密封。至少一個表面(外 表面或內(nèi)表面)為圓筒形，并且優(yōu)選地內(nèi)表面和外表面均為圓筒形。所述襯套的內(nèi)表面和 外表面分別接觸第一部件和第二部件，并且所述第一和第二部件可彼此相對旋轉(zhuǎn)。可用的 部件/形狀諸如襯套示于圖1A至ID中。當(dāng)襯套部件無法滑到內(nèi)軸下方時，還可用的是拼 合襯套，其中所述襯套部件被分成兩片或更多片(通常沿直徑切成2片)。
"高抗拉模量纖維"(HTMF)是指當(dāng)根據(jù)ASTM方法D885-85測定時抗拉模量為約 10GPa或更大，優(yōu)選約50GPa或更大，更優(yōu)選約70GPa或更大的纖維。如果纖維為織物或絲 束形式，則可在所述織物或絲束的單根纖維上進(jìn)行抗拉模量測定。如果存在一種以上類型 的纖維，則應(yīng)測定每種類型以確定其是否為HTMF。不滿足HTMF要求的纖維不應(yīng)計入到HTMF 總含量內(nèi)，因此可存在HTMF和非HTMF。"連續(xù)"纖維是指長度為約3cm或更長，優(yōu)選至少約10cm或更長的纖維。如果纖維 不是真正連續(xù)的而是按長度切割的，則優(yōu)選復(fù)合材料中的纖維長度彼此重疊。復(fù)合材料中 不是所有纖維都需要為圓周取向的。"圓周取向的"是指纖維的取向大致平行于襯套的圓形內(nèi)表面或外表面的圓周。它
不需要垂直于圓形內(nèi)表面或外表面的中心軸線，但可以成一角度，例如相對于所述軸線成
螺旋形。如果纖維取向相對于圓筒軸線成O。，則所述纖維被認(rèn)為是圓周取向的。"接觸"是指兩個表面必須接觸至少一段時間。因此在襯套部件的圓形內(nèi)表面和所
述表面內(nèi)的圓形軸之間存在一些小間隙以便軸可在所述襯套內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這被認(rèn)為是"接觸"，
即使在這兩個表面之間存在液體或氣體薄膜。該薄膜可用作潤滑劑。 所謂"含氟聚合物"是指優(yōu)選包含至少約5重量％氟的含氟合成有機(jī)聚合物并且 其為熱塑性材料。 所謂"熱塑性材料"是指通過將熱塑性材料熔融然后使其在低于其熔點(diǎn)和/或玻 璃化轉(zhuǎn)變溫度下冷卻而再成型的聚合物。此類聚合物不是交聯(lián)的。當(dāng)用差示掃描量熱法測 定時，它們具有高于30°C ，優(yōu)選高于IO(TC的熔點(diǎn)和/或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。高于30°C的熔點(diǎn) 優(yōu)選具有約3J/g或更高，更優(yōu)選約5J/g或更高的熔合熱。 本文公開了一種襯套，其中所述襯套包含熱塑性聚合物和圓周取向的連續(xù)高抗拉 模量纖維。本發(fā)明的襯套可用作泵和壓縮機(jī)以及其它相似類型的設(shè)備中的部件。這些部件 可在高溫和/或極具腐蝕性的環(huán)境中使用，通?？裳娱L需要檢查維護(hù)的時間間隔，并且在 非標(biāo)準(zhǔn)操作條件下通常比金屬襯套運(yùn)行更久并且更好。 優(yōu)選地，襯套的內(nèi)部件表面和外部件表面均為圓形(圓筒形)，并且更優(yōu)選使這兩 個圓形的中心軸線同心。 優(yōu)選地，與所述襯套部件接觸的第一和第二表面中的一個或兩個為金屬。
還優(yōu)選的是，在襯套標(biāo)準(zhǔn)使用溫度下，高抗拉模量纖維具有小于約1X10—5cm/ cm/°C ，更優(yōu)選小于約1 X 10—6cm/cm/°C的熱膨脹系數(shù)。本文所公開的襯套的工作溫度將較 大程度上取決于制成所述襯套的熱塑性材料的熱特性。如果所述襯套旨在于較寬的溫度范
圍內(nèi)使用并且所述范圍包括23t:，則應(yīng)在約23t:下測定膨脹系數(shù)。如果所述范圍不包括 23°C ，則應(yīng)在范圍的中點(diǎn)處測定所述范圍。 可用的纖維包括碳纖維、芳族聚酰胺纖維、金屬纖維(金屬絲)、玻璃纖維和陶瓷纖維?？上薅ㄋ隼w維的尺寸以改善它們對熱塑性聚合物的粘附力。至少在襯套預(yù)成型件 制造時，基本上非常長(超過l米)的纖維是優(yōu)選的，然而最終襯套中的纖維可以部分截 短，因?yàn)樗鼈冊谝r套最終形成期間被例如機(jī)加工切割。 優(yōu)選的是，圓周取向的連續(xù)高抗拉模量連續(xù)纖維占總熱塑性聚合物組合物的約10 體積％至約70體積％ ，更優(yōu)選約20體積％至約60體積％ 。 如US 4975321 (以引用方式并入本文)中所述來制造襯套，所述文獻(xiàn)描述了使用 浸漬絲束或單向預(yù)浸帶形式的纖維(包括HTMF)，由HTMF和含氟聚合物形成例如管材的類 似長絲巻繞的方法。在巻繞法中，所述纖維、絲束或單向預(yù)浸帶可以與圓筒體軸線成不同于 90°或0°的某一角度巻繞，從而形成螺旋。纖維與圓筒體軸線的優(yōu)選角度為約35。至約 55° ，更優(yōu)選地為約45。。然后經(jīng)由壓塑或在高壓釜中袋塑成型(將袋包圍型材放置，將所 述袋排空，放置于高壓釜中并且加熱，任選地在所述袋外部施壓)將其強(qiáng)化。作為另外一種 選擇，在長絲巻繞方法中將浸漬纖維巻繞時，可將其加熱以致使熱塑性材料隨著浸漬纖維 的巻繞而流動并且強(qiáng)化。在冷卻時可獲得實(shí)心部件。 可通過例如使未浸漬的絲束通過熱塑性聚合物或含氟聚合物膠乳乳液或懸浮液， 在用乳液或懸浮液潤濕的絲束離開浴液后將聚合物凝結(jié)(例如通過冷凍)，然后干燥絲束， 可獲得浸漬纖維，例如浸漬絲束。 這可獲得最終的襯套，但是由于這些襯套通常具有過小的尺寸公差和/或?yàn)椴灰?guī) 則形狀，因此可通過壓塑形成管狀預(yù)成型件，然后將所述預(yù)成型件機(jī)加工成一個或多個襯 套。這些機(jī)加工方法熟知用于由含氟聚合物和HTMF制得的復(fù)合材料，參見例如Vespe^ CR-6100 & 6200 "General MachiningGuide，， (E. I. DuPont de Nemours & Co. ， Inc. (Wilmington, Delaware, USA) ， 2003年)。例如可通過鋸切、鉆孔、車工、研磨和碾磨來使這 些材料成型。 可用的熱塑性材料包括含氟聚合物、聚(醚-醚-酮)、聚(醚-酮)、聚酯、聚酰 胺、聚烯烴、多硫化物、聚砜、聚甲醛和共聚物、熱致液晶聚合物、聚酰亞胺、聚(醚-酰亞胺) 和聚氨酯。所述熱塑性材料優(yōu)選具有約15(TC或更高，更優(yōu)選約20(TC或更高，并且尤其優(yōu) 選約25(TC或更高的熔點(diǎn)和/或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。如果工作中使襯套接觸化學(xué)物質(zhì)，則熱 塑性材料在工作溫度下應(yīng)相對不受那些化學(xué)物質(zhì)的影響。優(yōu)選的熱塑性材料包括含氟聚合 物、聚(醚-醚-酮)、聚(醚-酮)、多硫化物、聚砜、熱致液晶聚合物和聚酰亞胺，并且尤 其優(yōu)選含氟聚合物。還可使用熱塑性材料的共混物。 優(yōu)選的含氟聚合物是全氟聚合物，尤其是四氟乙烯(TFE)的均聚物和共聚物(本 文中四氟乙烯均聚物被認(rèn)為是熱塑性材料，即使它在其熔點(diǎn)以上不能很好的流動)?？捎?的TFE共聚物包括含六氟丙烯或全氟(烷基乙烯醚)的那些。熱塑性聚合物優(yōu)選具有約 20(TC或更高，更優(yōu)選約25(TC或更高的熔點(diǎn)和/或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。采用l(TC /min的加 熱速率，由ASTM方法D3418測得熔點(diǎn)、熔合熱和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。取熔融吸熱的最大值為 熔點(diǎn)，而取轉(zhuǎn)變的中點(diǎn)為玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)，并且在第二次加熱時測定這二者。如果存在一個以 上的熔點(diǎn)，則取最高的熔點(diǎn)為聚合物的熔點(diǎn)。 其它可用的含氟聚合物包括聚偏氟乙烯、乙烯和氟乙烯的共聚物、乙烯和四氟乙
烯的共聚物、以及聚(氯三氟乙烯)。含氟聚合物優(yōu)選包含至少約45重量％的氟。 所述襯套可用于許多類型的設(shè)備中，尤其是在存在轉(zhuǎn)軸的情況下，以及在那些軸
5之間存在界面并且設(shè)備的另一部件必須密封以防止液體和/或氣體泄露的情況下。
因此，包含所述襯套的一類優(yōu)選設(shè)備是泵，尤其離心泵。這些襯套在離心泵中可用
作固定式磨損環(huán)，并且在懸垂式和豎式管道泵以及軸承泵間的單級中用作狹口襯套，在多
級水平泵中用作固定式磨損環(huán)、狹口襯套、級間襯套和降壓襯套，并且在豎式泵中用作固定
式磨損環(huán)、級間襯套、中間軸軸承和喉部襯套。 圖2為水平一級離心泵的部分剖面圖，其示出了本發(fā)明襯套的構(gòu)型和位置。圖2 顯示了典型離心泵中的本發(fā)明的含氟聚合物襯套。 本發(fā)明的一個實(shí)施方案為如下設(shè)備，所述設(shè)備包括相對于第二部件旋轉(zhuǎn)的第一部 件，以及襯套，所述襯套介于第一部件和第二部件之間并且與第一部件和第二部件接觸，并 且包含熱塑性聚合物和圓周取向的連續(xù)高抗拉模量纖維。 包含襯套的另一類設(shè)備是壓縮機(jī)，其中所述襯套可用作活塞和導(dǎo)向環(huán)。其它可用 的設(shè)備是液壓式傳動裝置。 當(dāng)被安裝到設(shè)備中時，優(yōu)選的是襯套受壓安裝。因此，所述部件強(qiáng)制壓縮匹配襯套 外表面周圍的設(shè)備部件。
權(quán)利要求
襯套，所述襯套包含熱塑性聚合物和圓周取向的連續(xù)高抗拉模量纖維。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的襯套，其中所述連續(xù)高抗拉模量纖維具有約10cm或更大的長度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的襯套，其中所述熱塑性聚合物為含氟聚合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的襯套，其中所述高抗拉模量纖維為碳纖維、芳族 聚酰胺纖維、金屬纖維、玻璃纖維或陶瓷纖維。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的襯套，其中所述連續(xù)高抗拉模量纖維占所述襯 套的約10體積％至約70體積％。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的襯套，其中所述熱塑性聚合物為全氟聚合物。
7. 設(shè)備，所述設(shè)備包括相對于第二部件旋轉(zhuǎn)的第一部件，以及權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng) 所述的襯套，所述襯套介于所述第一部件和所述第二部件之間并且與第一部件和第二部件 接觸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，所述設(shè)備為泵、壓縮機(jī)或液壓式傳動裝置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備為離心泵。
全文摘要
本發(fā)明公開了包含熱塑性聚合物和圓周取向的連續(xù)高抗拉模量纖維的襯套，所述襯套可用作泵和壓縮機(jī)以及其它相似類型設(shè)備的部件。這些部件可在高溫和/或非常腐蝕性的環(huán)境中使用，通?？裳娱L需要檢查維護(hù)的時間間隔，并且在非標(biāo)準(zhǔn)操作條件下通常比金屬襯套運(yùn)行的更好。
文檔編號F16C33/04GK101755128SQ200880025395
公開日2010年6月23日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月26日
發(fā)明者J·D·奇特倫, T·P·加內(nèi)特 申請人:納幕爾杜邦公司