一种改性聚四氟乙烯复合材料及其制备方法和一种密封系统与流程

本发明涉及机械设备油封技术领域，尤其涉及一种改性聚四氟乙烯复合材料及其制备方法和一种密封系统。

背景技术：

在工业生产中，油封是一种应用非常广泛的密封方式，大量用于旋转设备及其辅助设备，以阻隔润滑油或其它工作介质的泄漏。目前，密封唇过早老化和密封件油封效率低是比较普遍的失效模式，是需要亟待解决的两个主要问题。

由于聚四氟乙烯材料相较于传统使用的橡胶材料具有更好地耐候性、耐摩擦、耐腐蚀、耐高跳动、抗偏心、高线速度的诸多优秀品质，因此聚四氟乙烯油封应运而生。通过该技术虽然解决了密封唇过早老化的问题，但是由于聚四氟乙烯密封唇径向力过大，使得密封唇与旋转轴之间的摩擦力过大，易造成润滑油过早劣化，且聚四氟乙烯唇片对轴的磨损严重，从而造成密封效率不高。

现有技术中，解决密封效率低的问题主要是从密封件的结构上入手。在其结构方面，存在较多的设计方案：如无回油线的密封唇，但是还存在缺点：易渗漏；密封圈带有压制成回油线的密封唇，也存在缺点：只适用于单向旋转、回油效率有限；其它结构的密封唇虽然也采用不同形状、不同数量的螺旋回油线，但都是在密封唇上压制回油线，并不能大幅改善回油效率问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改性聚四氟乙烯复合材料，以及以该复合材料作为密封唇的密封系统，本发明提供的密封系统解决了现有技术存在的密封唇对轴套磨损严重的问题，提高了密封效率。

本发明提供了一种改性聚四氟乙烯复合材料，包括以下组分：

70wt％～80wt％的聚四氟乙烯；

5wt％～10wt％的二硫化钼；

5wt％～20wt％的玻璃纤维；

5wt％～10wt％的石墨。

优选的聚四氟乙烯的粒度尺寸25～30μm；

优选的二硫化钼的粒度尺寸3～5μm；

优选的玻璃纤维的直径30～50μm，长径比3:1～5:1；

优选的石墨的粒度尺寸5～10μm。

优选的，包括以下组分：

73wt％的聚四氟乙烯；

7wt％的二硫化钼；

12wt％的玻璃纤维；

8wt％的石墨。

本发明提供了上述技术方案所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：

物料冷冻干燥除水后，分别通过筛网过滤，按照权利要求3的材料组成加入高速混料机混合均匀，混合均匀后加入模具压制胚料，高温烧结得到复合材料。

本发明还提供了一种油封用密封系统，包括轴套(2)和轴封，所述轴封包括至少一组密封唇和O型圈，所述密封唇设在所述轴套外，其特征在于，所述密封唇内表面设置有第一回流螺纹，所述轴套外表面设置有与所述第一回流螺纹相配合的第二回流螺纹，所述密封唇的材质为上述技术方案所述改性聚四氟乙烯复合材料或上述技术方案所述制备方法得到的改性聚四氟乙烯复合材料。

优选的，在所述轴封中，一组密封唇之间设置有单向阀通道，所述单向阀通道内设置有单向阀，所述单向阀将泄露的油倒吸到机器内部。

优选的，所述第一回流螺纹和第二回流螺纹的螺距独立地为0.1～0.5mm；每条回流螺纹的垂直深度独立地为0.05mm～0.15mm。

优选的，所述第二回流螺纹的螺纹独立地由多条平行的纹路组成，螺纹的表面质量Ra为0.2μm～0.63μm，Rmax为1μm～4μm，洛氏硬度58度以上。

优选的，每个密封唇上回流螺纹的数量为5条～10条，所述第一回流螺纹与接触面的夹角为30°～45°。

优选的，所述密封唇的厚度为0.5mm～1.0mm。

本发明提供了一种改性聚四氟乙烯复合材料，包括以下组分：70wt％～80wt％的聚四氟乙烯；5wt％～10wt％的二硫化钼；5wt％～10wt％的玻璃纤维；5wt％～10wt％的石墨。本发明提供的复合材料以二硫化钼、玻璃纤维和石墨作为改性剂，对聚四氟乙烯进行改性，提高了聚四氟乙烯的耐酸、耐碱、耐溶剂、耐化学药品等性能，具有优异的耐老化、耐高低温性能，具有较高的热稳定性，可在240～260℃范围内长期使用，并且具有良好的自润滑性能，从而使得以该复合材料制备得到的密封唇具有优异的性能，减小了密封唇与旋转轴之间的摩擦力，大大降低了密封唇对旋转轴的磨损，提高了密封效率。

本发明还提供了一种油封用密封系统，包括轴套(2)和轴封，所述封包括至少一组密封唇和O型圈，所述密封唇套设在所述轴套外，所述密封唇内表面设置有第一回流螺纹，所述轴套外表面设置有与所述第一回流螺纹相配合的第二回流螺纹，所述密封唇的材质为上述技术方案所述改性聚四氟乙烯复合材料。在本发明中，改性聚四氟乙烯复合材料密封唇与轴套配合具有密封机体内部油的效果，而且密封唇上的第一回流螺纹(3)和轴套上的第二回流螺纹(1)能够将泄露的油泵吸到机器内部的作用；同时泵回的油使唇口与轴的接触部位形成润滑油膜，降低了唇口磨损，延长了油封的使用寿命。本发明提供的密封系统具有良好的密封效果，密封效率高。

进一步的，所述轴封内，在一组密封唇之间设置有单向阀通道(5)，所述单向阀通道内设置有单向阀，能够将泄露的油倒吸回到机体内部，进一步提高了密封效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的密封系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中轴封的制备流程示意图；

图3为本发明实施例中轴套的制备流程示意图；

图4为本发明实施例密封系统磨损效果测试数据；

图5为本发明实施例密封系统中回流螺纹的回流输送率测试结果。

具体实施方式

本发明提供了一种改性聚四氟乙烯复合材料，包括以下组分：

70wt％～80wt％的聚四氟乙烯；

5wt％～10wt％的二硫化钼；

5wt％～20wt％的玻璃纤维；

5wt％～10wt％的石墨。

本发明提供的改性聚四氟乙烯复合材料包括70wt％～80wt％的聚四氟乙烯，优选为70wt％～75wt％，更优选为73wt％。在本发明中，所述聚四氟乙烯的粒度优选为25～30μm，更优选为25μm。本发明对所述聚四氟乙烯的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的聚四氟乙烯的市售商品即可。

本发明提供的改性聚四氟乙烯复合材料包括5wt％～10wt％的二硫化钼，优选为5wt％～8wt％，更优选为7wt％。在本发明中，所述二硫化钼的粒度优选为3～5μm，更优选为3μm。本发明对所述二硫化钼的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的上述技术方案所述二硫化钼的市售商品即可。

本发明提供的改性聚四氟乙烯复合材料包括5wt％～20wt％的玻璃纤维，优选为10wt％～20wt％，更优选为12wt％。在本发明中，所述玻璃纤维的直径优选为30～50μm，更优选为30～40μm；所述玻璃纤维的长径比优选为3:1～5:1，更优选为长径比3:1。本发明对所述玻璃纤维的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的上述技术参数的玻璃纤维的市售商品即可。

本发明提供的改性聚四氟乙烯复合材料包括5wt％～10wt％的石墨，优选为5wt％～8wt％，更优选为8wt％。在本发明中，所述石墨的粒度优选为5～10μm，更优选为5μm。本发明对所述石墨的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的上述石墨的市售商品即可。

本发明还提供了上述技术方案所述改性聚四氟乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将上述技术方案所述组分冷冻干燥后混合，得到混合物料；

将所述混合物料在模具中压制，得到坯料；

将所述坯料烧结，得到复合材料。

本发明优选将上述技术方案所述组分的原料冷冻干燥，再过筛，得到上述技术方案所述粒度的组分。本发明对所述冷冻干燥的方法和使用的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷冻干燥的技术方案即可。在本发明中，所述冷冻干燥的温度优选-20℃～-30℃；所述冷冻干燥的时间优选为5～6h。

得到干燥后的原料后，本发明将所述干燥原料混合，得到混合物料。在本发明中，所述混合优选在高速混料机中，有利于原料混合均匀；所述混合时的搅拌速率优选为5000～8000r/min，更有选为6000～7000r/min；所述混合的时间优选为1～2h。

得到混合物料后，本发明根据需要的产品的形状，选择合适的模具，将所述混合物料置于模具中压制，得到坯料。在本发明中，所述模具为制备密封唇的模具。在本发明中，所述压制时的压力优选为35～50MPa。

得到坯料后，本发明将所述坯料烧结，得到复合材料；当所述模具为制备密封唇的模具时，得到的是密封唇成品。在本发明中，所述烧结的温度优选为380℃；所述烧结的时间优选为12～15h，更优选为13～14h。本发明对所述烧结设备没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的高温烧结炉即可。

本发明还提供了一种油封用密封系统，包括轴套和轴封，所述轴封包括至少一组密封唇和O型圈，所述密封唇设在所述轴套外，所述密封唇内表面设置有第一回流螺纹，所述轴套外表面设置有与所述第一回流螺纹相配合的第二回流螺纹，所述密封唇的材质为上述技术方案所述改性聚四氟乙烯复合材料或上述技术方案所述制备方法得到的改性聚四氟乙烯复合材料。

如图1所示，图1为本发明实施提供的密封系统的结构示意图，其中1为第二回流螺纹，2为轴套，3为第一回流螺纹，4为密封唇，5为单向阀，6为O型圈，7为单向回流通道。

本发明提供的密封系统包括轴封，所述轴封包括至少一组密封唇和O型圈，所述O型圈套设在金属外壳凹槽内紧靠密封唇，保证密封唇压合处无泄漏。封唇的材质为上述技术方案所述的改性聚四氟乙烯。

在本发明中，所述密封唇的内表面设置有第一回流螺纹，用以与轴套配合将泄露的油泵吸回到机器内部。在本发明的实施例中，所述第一回流螺纹的螺距为0.1mm～0.5mm；在本发明的一部分实施例中，所述第一回流螺纹的螺距可具体为0.1mm。在本发明的实施例中，每条回流螺纹的垂直深度为0.05mm～0.15mm；在本发明的一部分实施例中，每条回流螺纹的垂直深度可具体为0.1mm。

在本发明的实施例中，所述第一回流螺纹与接触面的夹角为30°～45°；在本发明的部分实施例中，所述夹角可具体为30°。在本发明中，每个密封唇上回流螺纹的数量可以为5条～10条，在具体实施例中，所述回流螺纹的数量可具体为5条。

在本发明中，所述密封唇的厚度优选为0.5mm～1.0mm；在本发明的实施例中，所述密封唇的厚度可具体为0.5mm。

在本发明中，所述密封唇的制备方法优选包括以下步骤：

按照上述技术方案所述复合材料的制备方法得到烧结产物；将所述烧结产物进行机械加工，得到带螺纹的密封唇。在本发明中，通过所述机械加工，在所述密封唇的内表面形成上述技术方案所述回流螺纹。

本发明提供的密封系统包括轴套，所述密封唇套设在所述轴套外表面。在本发明中，所述轴套外表面设置有与所述第一回流螺纹相配合的第二回流螺纹，从而能够将泄露的油泵吸回机器内，提高密封效果。在本发明中，所述第二回流螺纹的螺距为0.1mm～0.5mm；在本发明的一部分实施例中，所述第二回流螺纹的螺距可具体为0.1mm。在本发明的实施例中，每条回流螺纹的垂直深度为0.05mm～0.15mm；在本发明的一部分实施例中，每条回流螺纹的垂直深度可具体为0.05mm。

在本发明中，所述第二回流螺纹由多条平行的纹路组成，第二回流螺纹的表面质量Ra为0.2μm～0.63μm，Rmax为1μm～4μm，洛氏硬度58°以上，优选不高于70°。在本发明的实施例中，所述第二回流螺纹的表面质量Ra可具体为0.4。

在本发明中，所述轴套由不锈钢材料淬火处理后的材料表面磨光后加工螺纹得到。所述磨光材料表面的光滑度Ra为0.4μm。

本发明提供的密封系统包括轴封，在所述轴封内，一组密封唇之间设置有单向阀通道，单向阀位于金属外壳中，通道内径不大于1mm，所述单向阀通道内设置有单向阀，所述单向阀将泄露的油借助机体负压倒吸回到机器内部。

在本发明中，所述轴封的材质优选为硬质钢材，可具体为102Cr6。在本发明中，所述轴套的制备方法优选包括以下步骤：

将硬质钢材原料进行淬火处理；

将所述淬火处理后的材料表面磨光后加工螺纹，得到轴套。

在本发明中，磨光材料表面的光滑度Ra为0.4μm。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将73g(或kg)的聚四氟乙烯、12g(或kg)的玻璃纤维、7g(或kg)的二硫化钼和8g(或kg)的石墨在-25℃条件下低温冷冻干燥1h时间，加入到三维混料机中高速混合均匀，混合的条件6000r/min，得到混合物料；

将得到的混合物料添加到半成品模具中，45MPa的压力下压制成胚料，将胚料在380℃下高温烧结12h时间得到半成品；

在半成品的内表面机械加工出回流螺纹，回流螺纹的垂直深度0.1mm。

不锈钢金属外壳中带有O型圈的安装槽和单向阀的安装糟。将密封唇、O型圈、单向阀和金属外壳组装在一起后压制成轴封。最后将轴封整形成需要的形状。

将102Cr6不锈钢衬套淬火处理，然后用磨床将表面磨到Ra在0.2μm～0.63μm的范围，最后将轴套固定用砂纸或者车床将螺旋纹加到表面。

实施例2

将70g(或kg)的聚四氟乙烯、15g(或kg)的玻璃纤维、5g(或kg)的二硫化钼和10g(或kg)的石墨在-25℃条件下低温冷冻干燥1h时间，加入到三维混料机中高速混合均匀，混合的条件6000r/min，得到混合物料；

将得到的混合物料添加到密封唇模具中，45MPa的压力下压制成胚料，将胚料在380℃下高温烧结12h时间得到半成品；

在半成品的内表面机械加工出回流螺纹，回流螺纹的垂直深度0.05mm。

不锈钢金属外壳中带有O型圈的安装槽和单向阀的安装糟。将密封唇、O型圈、单向阀和金属外壳组装在一起后压制成轴封。最后将轴封整形成需要的形状。

将102Cr6不锈钢衬套淬火处理，然后用磨床将表面磨到Ra在0.2μm～0.63μm的范围，最后将轴套固定用砂纸或者车床将螺旋纹加到表面。

性能测试

1.1密封材料的力学性能测试

本发明根据EN ISO 12086中的方法对密封材料的性能进行测试，结果如表1所示。

表1本发明实施例中密封材料的力学性能测试结果

表1中可以看出材料纵向拉伸强度高于标准要求13.0N/mm²，横向拉伸强度高于标准要求16.0N/mm²。在纵向延伸率方面高于标准200％，横向延伸率高于标准225％。

1.2密封材料的磨损性能

本发明还对密封系统在干运转(无油)条件下长时间的磨损情况进行了测试，测试条件如下：

测试气体：空气

温度：100℃；

速率：4m/s

压力：0.42N/mm²

平均深度：2μm

测试时间：100小时

测试结果如图4所示，不同填充材料的耐磨性能在上述同等条件下进行测试，通过数据可以看出，实施例1配方在材料耐磨性能方面最佳。

2.1本发明测试回流系统中回流螺纹的回流输送率

油封尺寸：65×85×8mm

密封唇混合物：实施例1配方

密封唇厚度：1.0mm

油量：轴底边以上20mm

油号：壳牌MYRINA 15W 20

油温：80℃

运转时间：30分钟

密封唇上的螺旋纹：深度0.05mm

轴套上的螺旋纹：深度Rz＝3μm，螺旋角度10°

结果如图5所示，图中左侧柱形为密封唇上螺旋纹的回流输送率，右侧柱形为轴套旋纹的回流输送率，由图5可以看出，本发明提供的密封系统有利于油的回流，而且随着转速的增加，回流输送率有不同程度的增加。

2.2、工作极限：

本发明对密封系统的工作极限进行了测试，结果如下：

最大圆周速度：20m/s

温度范围：-60℃到+200℃

最大压力：10bar

真空压力：10^-4bar

同心偏移量：≤0.1mm

同心度公差：≤0.05mm。

2.3、使用寿命

一般市场产品的使用寿命在5000～8000h，本发明提供的密封系统使用寿命在15000～20000h，主要是因为材料具有较高的耐磨损性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。