专利名称：用于高压泵应用的聚合物材料及其形成的密封件的制作方法
技术领域：
本披露总体上涉及聚合物材料及其形成的密封件。
背景技术：
传统上，密封件被用于防止流体在刚性部件的接点之间流动。在具体的实例中，密封件被使用在泵中以及在多个凸缘之间以限制流体流出包容的区域。例如，沿着泵轴的密封件可以限制润滑流体或加压工作流体沿着一个由该轴和一个壳体限定的环形体逸出。传统上，这些密封件是由可延展的材料形成的，如在凸缘密封件的情况下是石墨或金属带或在轴密封件的情况下是弹性材料。然而，已经证明传统材料不适合新的应用，如高压液相色谱系统。高压杆驱动的泵如高压液相色谱使用一种高压液体载体介质以通过使多个化学种类移动通过一种吸附介质来分离这些化学种类。不同的化学种类以不同的速率吸附到该吸附介质上并且从该吸附介质上脱附，从而导致了随着该载体介质移动通过或移动环绕该吸附介质而分离这些组分。因此，高压色谱系统的效果可能受到载体介质中外来离子或微粒材料的有害影响。这样，在高压液相色谱泵中的泵和其他部件的形成中，使用新的材料。 使用传统密封材料的传统密封部件显示出损害由与液相色谱系统相容的新材料形成的泵部件或显示出释放不希望的离子或微粒材料到液体载体介质中，这降低了高压液相色谱系统的效果。具体地，传统的密封材料可能划损泵轴，损坏昂贵的泵部件并且缩短泵的寿命。 在另一个实例中，传统的密封材料可能释放微粒材料到液体载体介质中，堵塞了液相色谱柱并且降低了高压液相色谱系统的效果。在具体的实例中，该微粒材料可能充当一个另外的吸附表面，从而有害地影响了化学组分的分离。这样，一种改进的密封材料将是令人希望的。
发明内容
在一个具体实例中，一种密封件是由一种材料形成的，该材料包括一种交联的氟聚合物，其中该密封件实质上防止了在一个高压泵中的泄漏。在另一个示例性实施方案中，一个泵包括一个杆和一个密封件。该密封件包括一个与该杆相接触的表面。该密封件是由一种材料形成的，该材料包括一种交联的氟聚合物。
通过参见附图可以更好地理解本披露，并且使其许多特征和优点对于本领域的普通技术人员变得清楚。图1包括一个示例性泵的一部分的图示，其中可以使用由所披露的密封材料形成的一个密封件。图2、3和4包括对于所披露的密封材料的实施方案的物理特性的图形图示。
具体实施例方式在一个具体实施方案中，一种密封件是由一种材料形成的，该材料包括一种交联的氟聚合物。在一个实施方案中，该材料包括一种氟聚合物共混物。在一个具体实施方案中，该材料包括一种交联的氟聚合物与一种非交联的氟聚合物的一种共混物。该密封件对于高压泵应用是特别有用的。如在此所使用的“高压”包括高达大约120MPa的压力。在一个具体实施方案中，该泵是高压液相色谱泵。具体地，该密封件能够以环形构型来形成用于具有一个杆的泵，该杆延伸通过这个密封件的中心。在一个实施方案中，形成该密封件的材料包括一种交联的氟聚合物。在一个示例性实施方案中，该材料包括由一种氟聚合物形成的一种聚合物基体。一种示例性的交联的氟聚合物包括由一种氟取代的烯烃单体形成的一种聚合物或者包括至少一种单体的聚合物，该单体选自下组，该组由以下各项组成偏二氟乙烯、氟乙烯、四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯、三氟乙烯、氯三氟乙烯、全氟乙烯基醚类、或此类氟化的单体的一种混合物。一种示例性的全氟乙烯基醚例如包括全氟(烷基乙烯基醚)[PFAVE]或全氟(烷氧基烷基乙烯基醚)。一种示例性的交联的氟聚合物可以包括一种聚合物、一种聚合物共混物或一种共聚物，它们包括以上这些单体中的一种或多种，例如像氟化的乙烯丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)、聚四氟乙烯-全氟丙基乙烯基醚(PFA)、聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚 (MFA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、聚氯三氟乙烯 (PCTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯(THV)、以及类似物。在一个实施方案中，该聚四氟乙烯(PTFE)可以是一种改性的PTFE。在一个实例中，改性的PTFE是四氟乙烯与一种乙烯基醚的共聚物，如全氟丙基乙烯基醚(PPVE)。在一个实施方案中，改性的PTFE包括至少约0. 01wt%的全氟丙基乙烯基醚(PPVE)。在另一个实例中，改性的PTFE包括不大于约 5. Owt %的PPVE，如不大于约3. Owt %或不大于约1.PPVE。包括一种或多种以上单体的聚合物、聚合物共混物、或一种共聚物可以通过施加电离辐射到氟聚合物上来交联。在一个实施方案中，该氟聚合物在惰性气体气氛下被加热， 该惰性气体气氛具有10托或更小的氧浓度，在大约IKGy到大约IOMGy的辐射剂量的范围内。电离辐射的一个实例包括Y射线、电子射线、X射线、中子放射以及高能离子、等等。在一个实施方案中，热处理可以与离子辐射组合发生。热处理可以用于协助氟聚合物的交联。在一个示例性实施方案中，热处理包括将氟聚合物加热到处于其结晶熔点或更高温度的温度。氟聚合物的加热激活了构成氟聚合物的主链的分子运动，由此分子间的交联反应被有效激活了。然而，过度加热引起了氟聚合物分子主链的分解。因此，加热温度典型地是比氟聚合物的熔点高不大于约30°C、如不大于约10°C，为的是抑制这样一种解聚现象的任何发生。在一个实施方案中，当使用PTFE作为一种氟聚合物材料时，通过将PTFE暴露于处于至少约327°C或更高温度(即处于PTFE的熔点)的温度的加热条件，交联可以发生。在使用一种PFA的情况下，PFA可以在其大约310°C 的熔点或更高温度下被加热。在使用一种FEP的情况下，FEP可以在其大约275°C的熔点或更高温度下被加热。在一个实施方案中，形成该密封件的材料包括一种交联的氟聚合物和一种非交联的氟聚合物。如在此所使用的一种非交联的氟聚合物是指一种氟聚合物，该氟聚合物没有暴露于热、辐射、或其组合以形成氟聚合物分子间的交联反应。一种示例性的非交联的氟聚合物包括由一种氟取代的烯烃单体形成的一种聚合物或者包括至少一种单体的聚合物， 该单体选自下组，该组由以下各项组成偏二氟乙烯、氟乙烯、四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯、 三氟乙烯、氯三氟乙烯、或此类氟化的单体的一种混合物。一种示例性的非交联的氟聚合物可以包括一种聚合物、一种聚合物共混物或一种共聚物，它们包括以上这些单体中的一种或多种，例如像氟化的乙烯丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)、聚四氟乙烯-全氟丙基乙烯基醚(PFA)、聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚(MFA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯(THV)、或其类似物。在一个具体实施方案中，该非交联的氟聚合物是聚四氟乙烯 (PTFE)。在一个实施方案中，该聚四氟乙烯(PTra)可以是一种改性的PTFE。在一个实例中，改性的PTFE是四氟乙烯与一种乙烯基醚的共聚物，如全氟丙基乙烯基醚(PPVE)。在一个实施方案中，改性的PTFE包括至少约0. 0Iwt %的全氟丙基乙烯基醚(PPVE)。在另一个实例中，改性的PTFE包括不大于约5. Owt %的PPVE，如不大于约3. Owt %或不大于约1. 5wt% 的 PPVE。当该材料包括交联的氟聚合物与非交联的氟聚合物的共混物时，该共混合物是处于大约IOwt %比大约90wt %、如大约20wt %比大约80wt %、如大约30wt %比大约70wt %、 或甚至大约50wt%比大约50衬％的比率。另外，该密封材料可以包括一种或多种填充剂、增强剂、添加剂、和/或颜料，以提供某些所希望的密封性能特性，如机械强度、润滑性、热和/或电传导性、耐磨性、或外观， 即颜色。将理解到，在密封材料内的填充剂和/或颜料的比例可以根据对于该密封件所选择的氟聚合物材料而改变。在一个实施方案中，该材料可以包括任何数目的添加剂以赋予美学如颜色等或以增强具体特性如蠕变、耐热性、磨损等。此类添加剂可以包括催化剂、载体、着色剂、以及类似物，或填充剂包括(但不局限于)处于薄片、粉末、纤维或其他形式的玻璃、原生聚合物 (virgin polymer)、辐照过的聚合物、玻璃、碳、石墨、矿物、陶瓷以及金属等等。当存在时，该材料可以包括处于该材料总重量的高达大约50wt%、如大约至大约50wt %、如大约Owt %至大约25wt %量值的填充剂。在一个实施方案中，该材料可以包括处于该材料总重量的至少大约15wt%量值的填充剂。在一个实施方案中，该材料可以包括按重量计该材料总重量的高达大约50wt%的聚合物填充剂。在一个实施方案中，该材料可以包括该材料总重量的大约至大约25wt%的常规填充剂。在一个实施方案中， 该材料实质上不含填充剂。如在此所使用的“实质上不含”是指一种材料，该材料具有该材料总重量小于大约0. Iwt %。在一个实施方案中，该材料是被处理过的。处理包括通过本领域中已知的任何方法来烧结该材料，固化(即以提供一个化学反应)、或其任何组合。设想任何已知的固化材料的方法。在一个实施方案中，该密封件的材料可以是交联的并且作为最终处理的原料片、 杆或类似物可以得。然后可以将这种交联的氟聚合物用机器加工以提供该密封结构。在一个实施方案中，该交联的氟聚合物与该非交联的氟聚合物的共混物是处于一种模制的粉末的形式。该交联的氟聚合物与该非交联的氟聚合物可以根据对于最终模制的产品所希望的特性进行共混。在一个实施方案中，该模制粉末可以有利地被模制以提供该密封结构。模制可以包括例如压缩模制、冲头挤出模制、等压模制、以及类似操作。在一个具体实施方案中，由该材料形成的密封件可以用在一个泵中的环形构型中。图1包括一个示例性泵的一个部分102的图示。该部分102包括围绕一个杆116的刚性体104。在一个具体实例中，杆116是由一个硬的、耐磨损表面形成的。在一个实施方案中，杆116包括多个硬的、耐磨损表面，如蓝宝石、碳化硅、锆、DLC(金刚石样碳)涂覆的基质、以及类似物。刚性体104可以包括区段132和134，这些区段被配置为接合一个密封体 106。可以使用单个或多个弹簧以获得最优的密封性能。由示例性材料形成的密封体106形成了一个环形密封表面110，该环形密封表面被配置为接触杆116。该密封体106还可以形成一个第二环形密封表面118，该环形密封表面被配置为接触刚性体104。一个环形密封表面是一个轴向并且环圆周地围绕一个环形体延伸的密封表面，如密封体106。例如，环形密封表面110形成了密封体106的一个径向最内部的表面并且限定了一个孔，杆116可以通过该孔来插入。在一个具体实施方案中，该密封件106具有一个环形构型，该环形构型具有的最小内径为大约1mm。典型地，该密封件106 的最大直径是由该杆/泵/单元的尺寸来指定。在另一个实例中，环形密封表面118形成了一个径向最外面的密封表面，该表面被配置为接触一个泵壳体。在一个示例性实施方案中，该密封件106包括一个凸缘部分108，该凸缘部分可以起作用以形成另外的密封表面或可以被用于固定密封件106。该密封体还可以包括环形脊，如环形脊120和122，它们对应地从环形密封表面110和118中伸出。如在图1中所展示的，示出了处于一种预先压缩的形式的多个脊和边缘，以展示通过在杆116与壳体104之间压缩而变形之前密封体的形式。此外，该密封件106包括一个空腔114，其中放置了至少一个弹簧112。典型地，该泵可以包括一个弹簧112，虽然设想了具有多于一个弹簧的任何合理的构型。另外，该弹簧 112可以是金属的或聚合物的。在一个实施方案中，该聚合物弹簧可以是弹性体的。在一个实施方案中，密封件106包括至少两个环形弹簧112，这两个环形弹簧轴向邻近彼此并且环状地围绕杆116来放置。在一个具体实施方案中，环形脊120的峰与每个环形弹簧112的中心轴线(1 和126)轴向地间隔开。在一个轴向端，该密封体106限定了对于空腔114 的一个开口 130。该密封体可以进一步包括位于该开口 130—侧的一个环形唇缘128。在一个示例性实施方案中，该材料可以展示出所希望的机械和表面特性。例如，如根据ASTM D3702通过一个止推垫圈测试所测量的，该材料可以展示出所希望的磨损。磨损可以用以下数学方程来表示W = K · P · V · T其中W =磨损(英寸)，K =磨损因子(in3-min/lb-ft-hr)，P =压力(lb/in2)，V =表面速度(ft/min)，并且T=经过时间(小时)。在一个具体实施方案中，该材料可以具有小于大约1000、如小于大约500、如小于大约100、或甚至小于大约50 (以10_8mm7Nm来表示)的磨损。由所披露的材料形成的密封件的具体实施方案有利地展示出所希望的密封特性。 例如，实施方案有利地展示出对于蓝宝石泵杆的低的磨损损伤以及蓝宝石泵杆的刮痕。另外，实施方案有利地展示出至液体载体介质的微粒材料的低释放。此外，当该材料形成一个密封件时，该材料当暴露于液体载体介质(如去离子水、甲醇、或磷酸缓冲液与甲醇的共混物)时可以展示出所希望的对于降解的耐受性。在一个实施方案中，该密封材料实质上防
7止了泄漏。具体地，当暴露于一种液体载体介质时，由该复合材料形成的密封件可以运转至少大约300小时，而没有泄漏故障。液体载体介质包括例如任何对于高压液相色谱适合的介质，如去离子水、甲醇、或磷酸缓冲液与甲醇的共混物。在一个具体实施方案中，该密封件实质上防止了以可变流速在大约70MPa或更高的压力下、如以可变流速(如大约5ml/min 的流速)在大约IOOMI5a的压力下的泄漏。在一个实施方案中，该密封件实质上防止了以可变流速在高达大约120MI^的压力下的泄漏。另外，该材料与非交联的氟聚合物相比具有一个改进的泄漏速率。实例实例1共混物是用改进的PTFE和可交联的PTFE粉末以大约80-20、70_30和50_50的比率来制作的。这些共混物除了其他填充剂外还可以填充有一种或多种氮化硼、碳纤维、青铜、石墨纤维。这些共混物与非交联的改进的PTFE(没有可交联的PTFE粉末)进行比较。磨损试验是根据ASTM D3702来进行的。对于使用此种方法完成的磨损试验， 50-50(改进的PTFE加上可交联的PTFE粉末)共混物显示出比非交联的PTFE或改进的 PTFE实质上更好的效果。一种改进的PTFE加上可交联的PTFE粉末的50-50共混物的磨损速率看起来是比这些原生等级好几个数量级。高速旋转测试同样证实了此发现。根据ASTM4990在更高的温度下测试了抗蠕变性。对于高达72小时完成的测试， 与非交联的改进的PTFE相比，对于改进的PTFE加上可交联的PTFE粉末的50-50共混物的压缩中的蠕变被改进了一个因子2。实例2对于以下材料，测试了磨损和摩擦特性。样品1和2 =交联的PTFE及其共混物样品3 =玻璃填充的PTFE/改进的PTFE样品4 =聚合物填充的PTFE/改进的PTFE样品5 =矿物填充的PTFE/改进的PTFE样品6 =碳填充的PTFE/改进的Ρ Ε样品7 =市场上找到的标准材料使用一种ASTM D3072止推垫圈试验，测试了以上这些材料。对于这些材料的测试条件是IOOfpm禾口 0. 7MPa(如图2中所见)以及IOOfpm禾口 2. 8MPa(如图3中所见)。这些结果证明了，交联的PTFE(样品1)能够达到低的K因子(磨损)，而没有增加摩擦系数 (COF)。典型地，在一种材料如PTFE中的填充剂会提高摩擦系数。对于机械/物理测试的结果可以见于表1中。测试标准是根据ASTMD3702确定的。表 权利要求
1.由一种材料形成的一种密封件，该材料包括一种交联的氟聚合物，其中该密封件实质上防止了在一个高压泵中的泄漏。
2.如权利要求1所述的密封件，其中该交联的氟聚合物包括聚四氟乙烯。
3.如权利要求1至2中任一项所述的密封件，其中该材料进一步包括一种非交联的氟聚合物以形成一种氟聚合物共混物。
4.如权利要求3所述的密封件，其中该交联的氟聚合物与该非交联的氟聚合物的共混物具有大约20wt%比大约80衬％的比率。
5.如权利要求4所述的密封件，其中该交联的氟聚合物与该非交联的氟聚合物的共混物具有大约30wt%比大约70衬％的比率。
6.如权利要求5所述的密封件，其中该交联的氟聚合物与该非交联的氟聚合物的共混物具有大约50wt%比大约50衬％的比率。
7.如权利要求3所述的密封件，其中该非交联的氟聚合物包括聚四氟乙烯、改性的聚四氟乙烯、氟化的乙烯丙烯(FEP)、聚四氟乙烯-全氟丙基乙烯基醚(PFA)、或其组合。
8.如权利要求1至7中任一项所述的密封件，其中该材料包括处于该材料总重量的约 Owt %至约50wt %的填充剂。
9.如权利要求1至8中任一项所述的密封件，其中该材料是实质上不含填充剂的。
10.如权利要求1至9中任一项所述的密封件，其中该密封件具有一种环形构型，该环形构型具有的最小内径为大约1mm。
11.如权利要求1至10中任一项所述的密封件，其中该密封件实质上防止了以可变流速在高达大约120MPa的压力下泄漏。
12.如权利要求1至11中任一项所述的密封件，其中该高压泵是一种高压液相色谱泵。
13.一种泵，包括一个杆；以及一个密封件，该密封件包括一个与该杆相接触的表面，其中该密封件是由一种材料形成的，该材料包括一种交联的氟聚合物。
14.如权利要求13所述的泵，其中该杆包括一个硬的耐磨损表面。
15.如权利要求13至14中任一项所述的泵，其中该表面在该杆周围形成了一个环形表
16.如权利要求15所述的泵，其中该环形构型具有的最小内径为大约1mm。
17.如权利要求13至16中任一项所述的泵，其中该交联的氟聚合物包括聚四氟乙烯。
18.如权利要求13至17中任一项所述的泵，其中该材料进一步包括一种非交联的氟聚合物以形成一种氟聚合物共混物。
19.如权利要求18所述的泵，其中该交联的氟聚合物与该非交联的氟聚合物的共混物具有大约20wt%比大约80衬％的比率。
20.如权利要求19所述的泵，其中该交联的氟聚合物与该非交联的氟聚合物的共混物具有大约30wt%比大约70衬％的比率。
21.如权利要求20所述的泵，其中该交联的氟聚合物与该非交联的氟聚合物的共混物具有大约50wt%比大约50衬％的比率。
22.如权利要求18所述的泵，其中该非交联的氟聚合物包括聚四氟乙烯、改性的聚四氟乙烯、氟化的乙烯丙烯(FEP)、聚四氟乙烯-全氟丙基乙烯基醚(PFA)、或其组合。
23.如权利要求13至22中任一项所述的泵，其中该材料包括处于该材料总重量的约 Owt %至约50wt%的填充剂。
24.如权利要求13至23中任一项所述的泵，其中该材料是实质上不含填充剂的。
25.如权利要求13至M中任一项所述的泵，其中该密封件实质上防止了以可变流速在高达大约120MPa的压力下的泄漏。
26.如权利要求13至25中任一项所述的泵，其中该泵是一种高压液相色谱泵。
全文摘要
在此披露了一种密封件是由一种材料形成的，该材料包括一种交联的氟聚合物。该密封件实质上防止了在一个高压泵中的泄漏。
文档编号F04B53/18GK102245943SQ200980149196
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者C·克麦奥克斯, J·M·勒恩赫特, K·韦德斯沃兰, R·T·拉可克特 申请人:美国圣戈班性能塑料公司