垫圈材料,垫圈,以及相关方法
【专利说明】垫圈材料，垫圈，以及相关方法
【背景技术】
[0001] 垫圈，在某些方面，是机械接头的两个可分离部件或者凸缘之间夹住的材料或者 材料组合。垫圈的功能是产生凸缘之间的密封并在一段延长的时间内维持密封。凸缘可与 螺栓固定在一起形成接头。常见的可能影响接头的力量包括螺栓负载，流体静端力，和喷射 压力。垫圈，在许多应用中，一定要能够密封配合表面，并且是不可渗透的和耐密封介质，这 可被称作化学惰性。垫圈也一定要能够承受许多应用中的高温和高压应用。
[0002] 腐蚀性应用中的管道，比如在化工厂中会遇到的，经常使用塑料如聚氯乙烯 (PVC)，纤维增强塑料（FRP)，和搪玻璃的管道。可以理解的是，使用这些材料的管道系统有 些易碎并且需要在相对低螺栓负载下产生密封的垫圈，因为高螺栓负载可能使凸缘破裂或 受到其他损伤。垫圈也必须尺寸稳定，以便在过程中可能的温度变化范围内维持密封（即， 一般被称为耐蠕变性），并且具有广泛的化学相容性（例如，一般被称为化学惰性）。
[0003] 在此之前的尝试，以解决在易碎凸缘接头使用中的垫圈相关的问题包括，例如，包 络垫圈，橡胶垫圈，橡胶/聚四氟乙烯（PTFE)垫圈，填充PTFE片垫圈，减小面积的垫圈（即， 切除移走部分垫圈），多孔PTFE片垫圈（例如扩展PTFE)，微孔PTFE垫圈和复合PTFE片垫 圈，仅举出这几个。PTFE被普遍用于衬垫在严重或腐蚀性的化学环境中，因为它作为垫圈 材料使用具有许多理想的属性。例如，PTFE本身是坚韧的，具有化学惰性，具有良好的抗张 强度，并且在宽温度范围内是稳定的。但是，纯PTFE多聚物不具有高度可压缩性（这意味 着PTFE垫圈通常需要更好的螺栓负载），并且也容易产生蠕变，这两者都可能导致泄露路 径的形成。
[0004] 包络垫圈是复合结构，PTFE包络被可压缩性更高的填充物填充，比如压缩纤维或 者毛毡。PTFE包络提供耐化学性，同时填充物材料提供可形变性。但是，PTFE包络相对较 薄，在生产或者服务期间会产生针孔，从而将填充物暴露到不相容的腐蚀性材料中，由于填 充物通常不能抵抗腐蚀环境，这可能导致泄露路径的形成。包络垫圈也拥有最不可压缩的 部件，即，作为最外垫圈表面的PTFE包络。
[0005] 橡胶垫圈，因为其可压缩性和回弹性以及其在相对低螺栓负载的密封能力，通常 用于塑料和FRP凸缘。但是，橡胶垫圈具有有限的耐化学性和耐温性，并且必须为每个应用 指定合适的化合物。所以，使用同一管道的多个工艺流可能需要耗时且稍微昂贵的垫圈变 化。一些包络垫圈使用橡胶/PTFE组合，即在橡胶垫圈的内部空间使用PTFE包络。包络加 强了耐化学性同时橡胶基质提供了可压缩性和可形变性。但是同样，PTFE包络较薄，在生 产或者服务期间会产生针孔，从而将橡胶基质暴露到不兼容的腐蚀性材料中。同样地，PTFE 包络，不具有高度可压缩性，是橡胶/PTFE包络垫圈的最外层。
[0006] 填充PTFE片垫圈，具有良好的可压缩性，可以通过在PTFE片材料中加入微气球来 实现。尽管PTFE片材料提供了终端用户删减和修改的灵活性，填充PTFE片材料通常需要 相对较高的螺栓负载来密封。微孔PTFE片可使用许多技术来生产，其中一个包括在形成片 之前向PTFE加入填充物，然后在片形成后去除填充物。所以，空隙保留在PTFE片材料中， 给了其理想的多孔性（即，微孔PTFE)。另一种方法包含一个挤出，伸展，然后加热以形成被 称为扩展PTFE的产品的特定顺序。但是，微孔和多孔PTFE通常非常柔软，有弹性，并且在 有限的凸缘分离的情况下难以安装。进一步，因为微孔和扩展PTFE片是多孔的，无论从那 种切下的垫圈都必须被完全压缩以除去空隙，来避免垫圈中的泄露，并且从这些片切下的 垫圈通常需要相对较高螺栓负载来密封。为解决微孔PTFE材料相关的刚性问题，已提出将 多层微孔PTFE和/或扩展PTFE片层压成全密度的PTFE基材，但试验表明，这些材料同样 需要相对较高的螺栓负载来密封。
[0007] 鉴于上述情况，需要改进的垫圈材料，垫圈和相关方法。
[0008] 概述
[0009] 在本公开的一个方面，制造垫圈材料的方法可包括将多聚物片插入到压机中。
[0010] 在本技术的另一个方面，垫圈材料的片或者预制件可通过烧结过程以及将垫圈材 料的片或者预制件冷模制形成最终形式来形成。烧结过程被用于形成用于冷模制的填充的 或者未填充的，重组的或者刮削的PTEF。冷模制过程可塑性地使片材料形变为理想形式。
[0011] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法可进一步包括压制多聚物片 之前加热多聚物片。
[0012] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，压制多聚物片之前加热多聚物片， 可包括加热所述多聚物片达到凝胶点。
[0013] 在其可能与任何其他方面相结合的另一个方面，压制多聚物片之前加热多聚物 片，可包括加热所述多聚物片至温度大约371 °C。
[0014] 在其可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法可进一步包括在模具中加 热多聚物片。
[0015] 在其可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法可进一步包括加热多聚物 片大约15分钟。
[0016] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法可进一步包括在模具中冷却 多聚物片。
[0017] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，在模具中冷却多聚物片可包括在模 具中冷却多聚物片大约10分钟。
[0018] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，用模具压制多聚物片可进一步包括 用模具形成比多聚物片的互连密封脊线密度高的凹槽区域。
[0019] 在其可能与任何其他方面相结合的另一个方面，将多聚物片插入到所述压机中可 进一步包括将烧结的和/或未烧结的，重组的和/刮削的PTFE片插入到压机中。
[0020] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，将PTFE片插入到压机中可进一 步包括将填充有微气球，钡，硫酸盐，和结晶二氧化硅，以及其它聚合物/有机物（PPS， Ekonol，PPS02, PEEK等等）和/或无机填充物（碳化硅，玻璃纤维，氧化铝等等）中的至少 一种，烧结的和/或未烧结的，重组的和/或刮削的PTFE片插入到压机中。
[0021] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法可进一步包括在将PTFE片 插入到压机前，干燥PTFE片，以实质地去除PTFE片中的任何溶剂。
[0022] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，干燥PTFE片可包括加热PTFE片至 温度大约107 °C。
[0023] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，该方法进一步包括该方法进一步包 括通过压机在多聚物片上施加在大约13. 8兆帕和大约20. 7兆帕之间的平均压力。
[0024] 在本公开的另一个方面，垫圈材料可包括多聚物片，该多聚物片包括第一主表面 和第二主表面，第二主表面在第一主表面的反面。
[0025] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，互连密封脊线可界定多聚物片的第 一主表面的凹槽阵列。
[0026] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，互连密封脊线可界定多聚物片的第 二主表面的凹槽阵列，与第一主表面基本对称。
[0027] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，，多聚物片可包括烧结的和/或未 烧结的，重组的和/或刮削的PTFE片。
[0028] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，PTFE片可包括填充有微气球，钡，硫 酸盐，和结晶二氧化硅，以及其它聚合物/有机物（PPS，Ekonol，PPS02, PEEK等等）和/或 无机填充物（碳化硅，玻璃纤维，氧化铝等等）中的至少一种的PTFE。
[0029] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，多聚物片的凹槽区域的密度可比多 聚物片的互连密封脊线密度高。
[0030] 在可能与任何其他方面相结合的另一个方面，在第一主表面的互连密封脊线，可 界定多聚物片的第一主表面上的矩形或者正方形或者圆形或者蜂窝状凹槽阵列，并且在第 二主表面的互连密封脊线，可界定多聚物片的第二主表面上的矩形或者正方形或者圆形或 者蜂窝状凹槽阵列。
【附图说明】
[0031] 附图描述了多个示例性实施例，并且是说明书的一部分。连同下面的描述，这些附 图展示并解释了本公开的各种原理。
[0032] 图1是根据当前公开的实施例，垫圈材料片的等距视图，包括形成蜂窝状图案的 互连密封脊线。
[0033] 图2是从如图1所示的垫圈材料片，切除的垫圈的等距视图。
[0034] 图3是包括如图2所示的垫圈的凸缘接头的侧视图。
[0035] 图4A是图3所示凸缘接头部分的横截面详视图，其中凸缘接头处于打开位置，垫 圈处于未压缩状态。
[0036] 图4B展示了图4A所示的凸缘接头处于完全关闭位置，垫圈处于压缩状态的横截 面详视图。
[0037] 图5是制备如图1所示的垫圈材料片的模具零件等距视图。
[0038] 图6是图5所示的模具的等距详图。
[0039] 图7是与模具（比如图5所示）一起使用的印压机的等距视图。
[0040] 图8是制造如图1所示的垫圈材料片中使用的滚压机的等距视图。
[0041] 图9是根据本公开的实施例的，制备包括矩形突起的垫圈材料片的模具板的等距 详图。
[0042] 图10是根据本公开的实施例的，包括界定如由图9所示的模具制备的矩形凹槽的 互连脊线的垫圈材料片的等距详图。