具有干运转能力的聚合物滑动材料和具有干运转能力的滑环密封件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能够干运转的聚合物滑动材料，涉及能够干运转的包括聚合物滑动材 料的滑环的滑环密封件，以及涉及此类材料用于干运转应用、尤其是用作湿运转栗和干运 转栗中的位移元件的用途。
【背景技术】
[0002] 介质润滑滑环密封件用作例如栗驱动器中的驱动轴密封件，其中它们将液体压力 密封，与周围环境和驱动机构阻隔开。由于其简单的构造和其性能，具有滑环密封件的栗广 泛用于输送并循环液体。
[0003] 对于该类型的栗而言，约50 %的损坏由滑环密封件引起，并且超过一半的这些情 况归咎于滑环密封件干运转这样的事实。干运转可由有缺陷的处理引起，尤其是液体供应 中断的情况。
[0004] 滑环密封件的特殊构造也可持久性地干运转，在这种情况下在例如压力容器的衬 套处密封搅拌器轴。迄今为止，搅拌器密封件一直由石墨和碳化硅的滑环密封配对件制成。 然而，这些材料的性能是有限的。对于多种应用而言，尤其是所造成的石墨磨蚀不可接受。
[0005] 对于持久性地干运转或由介质润滑的滑环密封件而言，机械摩擦损失以热量输入 进入液体润滑性介质中和轴承座中的形式耗散。在干运转条件下不存在液体润滑的情况 下，摩擦损失以及热量的输入明显增加。另外，热量不会被液体耗散。因此，在常规密封配对 件诸如SiC/SiC或AI2O3/AI2O3中，几分钟内就产生大于200°C的温度，这对静止的二级密封 件直接造成热损坏。二级密封件通常由弹性材料构造成〇形环。该类型的密封件损坏是造成 现代循环栗中约50 %所有栗损坏的原因。
[0006] 位移栗诸如真空叶片栗在用作制动助力器时，在操作状态下也不用液体润滑。在 该工序中，累积压力的位移元件(滑动阀）抵靠栗壳体摩擦。这引起摩擦接触中的高摩擦热， 并且引起高热量输入进入壳体和驱动机构中。同样对于该类型的栗而言，热损坏是长久干 运转时间之后失效的主要原因。
[0007] 在其他位移栗诸如齿轮栗中，位移元件(齿轮)支撑在压力板之间。压力板与齿轮 (两者通常由钢制成)之间的摩擦接触，导致高摩擦损失和性能损失。当暂时性地干运转时， 可能易于发生热过载。
[0008] 现有技术
[0009] 在具有介质润滑轴-滑环密封件的当今类型的栗中，通常使用滑环密封配对件，其 由石墨的旋转滑环和烧结陶瓷的静止配对环组成。采用这些配对件时，可实现长达10年恒 定操作的较长使用寿命，在液体润滑时摩擦系数为约0.05,而在短暂干运转时间时摩擦系 数为约0.15。
[0010] 聚四氟乙烯(PTFE)也可用作石墨的替代品，作为旋转滑环的材料。然而，由于其极 低耐压性和极低耐磨性，PTFE与陶瓷的配对件仅适用于必须仅承受少量负载的密封件，故 而未广泛使用。
[0011] 对于可承受明显更高负载的介质润滑轴滑环密封件而言，使用来自陶瓷对陶瓷的 组合并且优选地来自烧结碳化硅(SSiC)对SSiC的滑环密封配对件。采用这些配对件时，液 体润滑时可达到约0.05的摩擦系数;然而，约0.8的干运转摩擦系数非常高。因此在干运转 操作中这些滑环配对件可使用仅几分钟。通过使用碳化硅材料的变型形式（例如含石墨添 加剂的碳化硅），约10分钟的略微更长的干运转时间是可能的。然而，这些材料也不可用于 持久干运转操作。
[0012] 目前，石墨与陶瓷的材料配对件因此用于供使用的液体润滑滑环密封件，其中密 封必须适用于暂时干运转操作。
[0013] 迄今为止，尚未有供设计者使用的合适材料对，以用于滑环密封件的持久干运转。 由于仅短暂干运转时间是可能的，作为滑环密封件的石墨与陶瓷的配对件不能用于持久干 运转应用。另外，由于有较强噪声形成并且由于磨损的石墨从滑环密封件排出，该配对件也 是不利的。尤其对于必须能够持久性地干运转的搅拌器密封件而言，两种效应均是使用期 间不期望的。
[0014] 能够持久性地干运转的滑环密封件的结构性解决方案，是将滑环密封件构造为所 谓的气密封件，其中陶瓷与陶瓷配对，通过在摩擦对象之间建立气膜而大幅降低干摩擦。然 而，为了达到这一目的，需要非常高的RPM，通常大于10,000。此外，该解决方案在结构上非 常昂贵，并且迄今为止，仅用于大型设施，诸如陆上管道的气体压缩机。
[0015] 迄今为止，聚合物基材料尚未广泛用于介质润滑滑环密封件或位移栗，但尤其出 于简化过程和系统及降低与之相关的成本的原因，栗部件中的聚合物材料的比例随栗的每 次更新换代而增加。聚合物基材料的材料相关缺点是不良热耗散，这是由于小于l.〇W/m*K 的低热导率，在迄今为止还不足够的耐压性和耐磨性下的低尺寸稳定性。在滑环密封件操 作期间产生的摩擦热的高输出被聚合物材料非常差地耗散。此外，聚合物材料在相对较低 温度下就已失效。循环栗常常在约140°C下在加压水系统中操作。在这些条件下，多种常规 聚合物会由于水解和/或丧失机械强度而失效。
[0016] W0 2012/169604 A1描述了一种由包含聚邻苯二甲酰胺的树脂组合物制备的滑 环。另外，树脂组合物可包含填料，诸如碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、石墨、MoS 2、A12〇3、 MgO、氮化硼和PTFE粉末。然而，纤维粒子形式的陶瓷填料引起摩擦对象处的高磨损，并且树 脂组合物不能够干运转。基体材料不能进行热塑性加工。
[0017] W0 2010/054241 A2描述了一种用于制备热塑性滑环、尤其是极大直径的密封件 的方法。为此，将挤出的线料成形为环，并连接到正面。热塑性聚合物可包含PTFE或炭黑作 为填料。
[0018] 在位移栗诸如叶片栗中，烧结石墨自身已确立为用于湿运转和用于短暂干运转的 滑动元件的标准材料。一些专利申请也已提出聚合物基材料的使用。然而，由于其迄今为止 不令人满意的干运转能力，聚合物基材料的使用仅限于液体润滑栗。
[0019] DE 10 2008 019 440 A1提出了聚合物材料用于干运转真空栗中的滑动阀。所使 用的聚合物材料在干运转操作中并不优于石墨，并且仅具有有限的耐磨性。
[0020] DE 20 2009 000 690 U1描述了一种旋转位移栗，其具有由聚合物材料诸如特氟 隆或PEEK制成的轴承和位移元件。
[0021] DE 20 2007 012 565 U1描述了一种位移栗，其具有PEEK材料的转子。
[0022] EP 1 424 495 A2描述了一种正位移栗，其具有聚合物材料诸如PEEK、PPS和PES的 栗转子和/或转子叶片。所列出的材料仅具有有限的干运转能力，即，它们仅可短时间干运 转，并且还仅处于中等负载下。
[0023] 发明目的
[0024] 本发明因此论述了这样的目的:避免现有技术的缺点并且使聚合物滑动材料及由 其制成的滑环密封件可用，所述滑环密封件表现出较低因摩擦而致的损失，并且在湿运转 条件下甚至在较长运转时间内具有耐磨性，并且还能够持久性地干运转。此外，本发明论述 了这样的目的：使得用于干运转栗中的位移元件的聚合物基滑动材料可用，所述材料使得 延长干运转时间成为可能。
【发明内容】
[0025] 上述目的通过根据权利要求1所述的聚合物滑动材料、根据权利要求19所述的滑 环密封件以及根据权利要求24所述的聚合物滑动材料的用途来实现。聚合物滑动材料和滑 环密封件的优选的或尤其适当的实施例在从属权利要求2-18和20-23中给出。
[0026] 因此，本发明的主题是一种聚合物滑动材料，其包含聚合物基体材料和填料，该填 料包含增强粒子、硬质材料粒子和润滑剂。
[0027] 本发明的另一个主题是一种滑环密封件，其包括旋转滑环和静止配对环，根据本 发明旋转滑环和/或静止配对环围绕聚合物滑动材料。
[0028] 本发明的另一个主题是此类材料用于干运转应用，尤其是作为用于湿运转和干运 转的栗中的位移元件的材料的用途。
[0029] 根据本发明的聚合物滑动材料具有耐磨性和机械稳定性，并且与石墨不同的是， 能够持久性地干运转。耐磨性比石墨的耐磨性更好。
[0030] 根据本发明的聚合物滑动材料使得在湿运转和干运转中极低因摩擦而致的损失 成为可能。对于持久干运转操作而言适合的形式是作为旋转滑环和/或作为滑环密封件中 的静止配对环以及作为位移元件及湿运转和干运转栗，例如作为叶片栗中的滑动阀。
[0031] 根据本发明的滑环密封件产生极低摩擦损失并且以能够持久性地干