纤维改性聚四氟乙烯密封材料的制备及性能研究.doc

纤维改性聚四氟乙烯密封材料的制备及性能研究2009年6月第34卷第6期润滑与密封LUBRICAT10NENGINEERINGJune2009Vo1.34No.6DOI:10.3969/j.issn.02540150.2009.06.019纤维改性聚四氟乙烯密封材料的制备及性能研究周波陈晔(南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京210009)摘要:以碳纤粉,短玻纤为主要增强纤维,采用冷压成型和自由烧结工艺制备改性聚四氟乙烯(PrrFE)密封复合材料.分析了增强纤维含量以及不同纤维表面处理工艺对材料抗拉强度和压缩回弹率,应力松弛率等密封性能的影响.结果表明:增强纤维含量对材料密封性能具有显着影响,而表面处理工艺的影响则不甚明显;碳纤粉对PTFE的改性效果明显好于短玻纤;具有适当填充量的PTFE密封复合材料可满足200oC下长期使用的要求.关键词:聚四氟乙烯;增强纤维;密封材料中图分类号:TB42文献标识码:A文章编号:02540150(2009)60704ResearchonPreparationandPerformancesofFiberModifiedPTFESealingMaterialsZhouBoChenYe(CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,NanjingJiangsu210009,China)Abstract:Applyingcarbonfiberpowderandshortcarbonfiberasreinforcingfiber.FEsealingcompositematerialswerepreparedbymouldpressingandsinteringprocess.TheeffectsofreinforcingfibercontentanddifferentfibersurfacetreatmentmethodsonthesealingperformancesofPTFEpressionrate,resiliencerateandcreeprelaxationrateasevaluatingindicators.Theexperimentalresultsindicatethattheeffectoffiberssurfacetreatmentontheperformancesofcompositesisnotobvious,butincreasingreinforcingfibercontentcanimprovethesealingperformancesofcompositesremarkably.CarbonfiberpowderhasbettermodificationeffectonFEmaterialsthanshortglassfiber.FEcompositesmodifiedbypropercontentofreinforcingfibercanbeusedassealingmaterialsat200cI=forlongtime.Keywords:PTFE:reinforcingfiber;sealingmaterial聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的耐蚀性,耐候性,低渗透性,耐高压和抗高低温性能,并且不沾,无毒,无污染.但作为密封材料使用还存在抗蠕变性差,易冷流,回弹性差,承载能力低,线膨胀系数大,在高温(260)下易软化等明显缺点.为了克服这些缺点,开发具有广泛适用性的新型PTFE密封材料,国内外研究者一般采用填料填充的方法对PTFE进行改性.国外PTFE密封材料的研究开展较早,美国Gar-lock公司,Gore公司和Fluoroplastics公司,以及英国Flexitallic公司和日本大金公司的PTFE密封材料制品在技术和产品性能上都处于世界领先地位.我国于20世纪60年代开始聚四氟乙烯密封材料的研究与应用,成效显着,但长期以来着重于PTFE动密封元件方面的研究,对填充姗静密封材料的研究却鲜见报道.本文作者以碳纤粉,短玻纤为主要增强纤维,采用冷压成型和自由烧结工艺制备改性聚四氟乙烯(FE)密封复合材料,分析了增强纤维含量以及不同纤维表面处理工艺对材料抗拉强度和压缩回弹,应力松弛等密封性能的影响.1试样制备和试验方法1.1试验材料表1试验材料Table1Experimentalmaterials名称型号及厂家聚四氟乙烯短玻纤碳纤粉收稿日期:20090105作者简介:周波(1983一),男,硕士研究生,主要从事流体密钛酸酯偶联剂封与测控技术,密封复合材料的研究.Email:ZBgol126.C0m.硅烷偶联剂悬浮特细粉LUFS-4S-02一B,山东华氟化学公司直径11m,长度37,长径比35,南京短玻纤设计院产品代码P一100,堆积密度700850L,中值长度75150I.Lm,鞍山塞诺达碳纤粉有限公司产品代号NDZ101和NDZ401,南京曙光化工集团有限公司产品代号KH550和KH560,上海耀华化工厂2009年第6期周波等:纤维改性聚四氟乙烯密封材料的制备及性能研究7l1.2制备工艺圈匦暨酬图1纤维改性PTFE密封材料的生产工艺流程图Fig1TechnicsflowoffibermodifiedPTFEsealingmaterials碳纤,玻纤填充改性PTFE的制备工艺流程如图1所示.主要工艺过程为:(1)混合拌料:将改性后的碳纤粉,短玻纤加入高速搅拌机,再加入FE,搅拌l015min,搅拌后的混合物料过6O目筛.(2)模压成型:将适量混合料置于密封垫片模具中,在液压机上以20MPa的压力保压10min成型,升压过程中放气2次,得到厚度为23mm的改性PTFE密封垫片坯料.(3)高温烧结:将坯料置于PTFE材料专用烧结炉中,以100/h的速度升温至330oC,保温1.5h;再以37C/h的速率缓慢加热到385oC保温3h;然后以35/h的速率从385降温至315oC,保温1.5h;最后以55/h的速率从315oC降温到260oC后随炉冷却.(4)表面处理工艺:相对于碳纤粉,短玻纤的表面处理工艺较为成熟和简单,故作者主要研究碳纤粉的不同处理工艺对材料性能的影响.表2所示为碳纤粉的各种表面处理方法.表2碳纤粉的表面处理方法Table2Thesurfacetreatmentmethodsofcarbonfiberpowder处理方法处理工艺等离子处理空气氧化法偶联剂处理法表面涂层法在电晕处理机上以1500W功率对厚度约0.3mm碳纤粉层进行电晕处理,处理时间可选为2O,10,5或3S在360,400或450下对碳纤粉进行空气氧化处理1.5h用质量分数1%的NDZ101或NDZ401钛酸酯甲苯溶液对碳纤粉浸渍处理2h,取出后在干燥箱中100下干燥30min用质量分数1%的环氧树脂甲苯溶液对碳纤粉进行浸渍涂层处理2h,取出后在干燥箱中100下干燥30min根据上述几种工艺,可得到表3所示3种碳纤粉的表面处理组合工艺.表3碳纤粉的表面处理组合工艺Table3Thecombinedprocessofsurfacetreatmentofcarbonfiberpowder编号13表面处理组合工艺400空气氧化法+表面涂层方法400空气氧化法+NDZ401偶联剂处理400oC空气氧化法+表面涂层方法+等离子表面处理3S对玻璃短纤维可选择在高速搅拌器中采用质量分数1%的KH550或1%的KH560硅烷偶联剂乙醇溶液进行表面浸渍处理.1.3材料测试设备和方法密封材料的主要性能指标为抗拉强度,压缩回弹率和蠕变松弛率,其中后两者反应了材料的密封性能.拉伸强度按照ASTMD638-03标准在明珠公司的MZ-2000型电子万能试验机上进行测试;压缩回弹性能按照ASTMF3609标准在英国英斯特朗公司制造的电子万能试验机Instron3367上进行测试;蠕变松弛率按照GB/T12621.1990标准阳B种试验方法在专用的垫片材料蠕变松弛试验台上进行测试.2试验结果与讨论2.1纤维表面处理工艺对材料性能的影响抗拉强度是密封材料的重要指标之一,反应密封材料耐介质压力能力和抗拉时效损伤的能力,也可在一定程度上表征填料和机体结合程度的好坏.压缩回弹性能反映了密封材料发生弹性或塑性变形,填补密封表面缺陷,并进行弹性补偿维持密封的能力;密封材料的压缩率必须维持在一合适的范围内,而回弹率越高,补偿能力越强.蠕变松弛率反应了材料在温度,压力共同作用下一定时间内的塑性,黏弹塑性变形量,密封垫片材料的蠕变是导致螺栓法兰系统产生泄漏的主要原因.表4为纯PrrFE密封材料的性能测试结果.表4纯PTFE密封材料性能测试结果Table4PerformancetestingresultsofpurePTFEsealingmaterials表5和表6为不同表面处理工艺下碳纤粉改性PTFE密封材料的性能测试结果.表中试样均为碳纤粉粉质量分数为I5%的改性PTFE垫片材料.72润滑与密封第34卷表5不同表面处理工艺下碳纤粉改性PTFE密封材料的性能Table5ThesealingperformancesofPTFEcompositesmodifiedbycarbonfiberpowderwithdifferentsurfacetreatmentprocesses表6表面处理组合工艺下碳纤粉改性PIH:密封材料的性能Table6ThesealingperformancesofFEcompositesmodifiedbycarbonfiberpowderwithcollaborativesurfacetreatmentprocesses比较表5,表6和表4结果可知,虽然碳纤粉填充后对材料强度方面没有起到有利的作用,填充后PTFE材料的抗拉强度要低于纯FTFE材料,但碳纤粉的填充改性对于提高材料的密封性能还是具有显着效果的,尤其是在耐高温性能方面,对导致螺栓法兰系统产生泄漏主要原因的蠕变松弛性能提高更显着,碳纤粉填充PTFE材料200时的蠕变松弛率要远小于纯PTFE材料.碳纤粉的填充并未起到很好的纤维增强效果而更接近于颗粒填料填充所起到的作用,其原因在于本研究中受限于所制备垫片材料的厚度以及混料工艺,无法使用长径比超过100以上的短碳纤粉,而碳纤粉颗粒的长径比较小(1020),低于临界长径比值,故对PrrFE基体材料强度的改善效果有限.不同的碳纤粉表面处理工艺对PTFE材料性能的改善效果较为接近,单一表面处理方法用等离子处理3S和400oC空气氧化1.5h处理效果较好,但是提高的幅度不大;表面处理组合工艺中,采用400cI=空气氧化法加表面涂层方法较好,优于单一表面处理方法.采用等离子对碳纤粉进行表面处理时,填充后PTFE材料的抗拉强度随处理时间的增长呈明显的递减趋势.当处理时间为20S时,材料的抗拉强度甚至低于未经处理情况,这与等离子处理时间过长所导致的碳纤维表面严重刻蚀破坏有关.2种偶联剂处理后的碳纤粉填充FE材料的抗拉强度均低于未经处理的情况,其原因应在于偶联剂的使用温度一般低于300,当材料经过370的高温烧结后,偶联剂发生分解从而失去作用.在表面处理组合工艺时,不是各种表面处理方法越多越好,如表3中第三种工艺下材料的抗拉强度反而低于第一种工艺.采用同样的工艺制备偶联剂表面处理后短玻纤增强PTFE密封材料,并测试其抗拉强度,结果表明,KH550偶联剂处理后的玻纤增强PTFE材料的抗拉强度是13.15MPa,明显高于采用KH560偶联剂处理后的抗拉强度13.08MPa,KH550偶联剂的处理效果优于KH560.2.2增强纤维含量对材料密封性能的影响在上述研究的基础上,对碳纤粉采用表3所示第一种组合工艺进行表面处理,对短玻纤采用KH550进行表面偶联剂处理,制备不同增强纤维含量的PT.FE密封复合材料,并以其在高温下的应力松弛率为主要指标,分析纤维含量对材料性能的影响.在PTFE机体中填充耐热性,尺寸稳定性较好的碳纤粉,短玻纤可促进其内部纤维状网格结构的形成,减少载荷作用下晶格的滑移,降低材料的蠕变松弛率,提高材料的长期工作温度和工作载荷.图2,3为初载荷40MPa,200cC试验温度下,不同纤维填充量改性PTFE密封材料的应力松弛曲线.可见2种纤维填充PrrFE材料的蠕变松弛主要发生在前200min内,而在1000min后变化缓慢,基本趋于稳定.2种纤维填充FE材料的应力松弛率随纤维填充量的增加均呈明显的递减趋势,当碳纤粉(CF)质量分数为25%,30%和短玻纤(GF)质量分数为30%时,材料的应力松弛率小于35%,与纯PTFE材料69.7%的应力松弛率相比,其抗蠕变松弛性能得到较大改善,能够满足密封材料的应力松弛率指标要求.2009年第6期周波等:纤维改性聚四氟乙烯密封材料的制备及性能研究73一口一PTFEoPTFE十l5%CF小PTFE+20%CF一PTFE+25%CF夺一PTFE+30%CF0200400600800l000Time/min图2碳纤增强Pr下1E材料在200下的应力松弛曲线Fig2ThecreeprelaxationcurvesofcarbonfiberpowdermodifiedPrrFEcompositesat2004238三34嚣3O丧26一22罨18岂14一DPTFE-o-PTFE+l5%GF咀一PTFE+20%GF一一PTFE十25%GF-<>-PTFE+3O%GFlU+rT1T.02004006008001000Time/min图3短玻纤增强PTFE材料在200下的应力松弛曲线Fig3ThecreeprelaxationCurvesofshortglassfibermodifiedmcompositesat200当然,增强纤维对PTFE材料蠕变性能的改善作用还能够通过材料压缩回弹性能试验过程中所测得的冷流率得到体现.如图4所示为碳纤粉质量分数为20%的PTFE材料常温下的压缩回弹曲线,图中加入了纯PTFE的压缩回弹曲线进行比较.其中,AB段为压缩阶段;BC段为60S保压阶段,该阶段内材料在恒定载荷下产生一定的蠕变量(冷流量);CD段为回弹阶段.0.00.40.5Compressiondisplacement/ram图4F1TE密封材料的压缩回弹曲线Fig4Thectnvsofcompressionandresilienceoftestingmaterials可见,碳纤增强PTFE密封材料的压缩率明显小于纯PTFE,但回弹率显着提高;从保压60s的BC段和C段长度的比较看,纤维增强PTFE材料的蠕变量极小,反应出纤维的填充对提高PTFE材料的耐蠕变性能,减小冷流率具有明显的作用.不同含量碳纤粉,短玻纤填充改性PTFE材料的性能测试结果如表7所示.表7不同含量碳纤粉,短玻纤改性PTFE密封材料的密封性能Table7ThesealingperformancesofPTFEcompositesmodifiedbyfiberwithdifferentcontents可见,与纯PTFE材料相比,纤维的填充对材料密封性能有明显的改善作用.随填充量的提高,碳纤粉,短玻纤增强PTFE材料的抗拉强度,回弹率呈先上升后下降的趋势,在质量分数为20%时达到最大;压缩率,冷流率呈先下降后上升的趋势,并在质量分数为20%时取得最小值.同时,表7表明,同等含量情况下碳纤粉对PT.FE的填充改性效果好于短玻纤.尤其在提高材料高温应力松弛率方面,碳纤的改性效果较为明显,同时碳纤粉还具有低密度,高导热性等优点,因此与短玻纤相比,更适合于耐高温PTFE密封复合材料的制备.3结论(1)纤维的填充能够有效改善PTFE材料的耐温性能,并使其蠕变松弛性能得到了较大的提高.(2)虽然增强纤维的表面处理工艺对PTFE复合材料各项性能的影响不甚明显,但研究表明,对碳纤粉采用400空气氧化后表面涂层的表面处理工艺,对短玻纤采用KH550偶联剂浸渍处理工艺,能够获得相对较好的处理效果.(3)增强纤维含量对PTFE密封材料的密封性能具有较为明显的影响,随含量的提高,材料的压缩,回弹性能,蠕变松弛性能以及耐温能力均有显着的提高,碳纤粉质量分数为25%和30%或(下转第84页)62840日塞,s器暑曲口0砷|d目0U弘霜譬,s岫;摹p1曲u润滑与密封第34卷4.2.2间隙尺度对密封压力的影响算结果.图l0给出了有效流量在1.5,1.44和1.32m/h情况下,间隙量由0.02mm变化到0.09mm时密封压力的变化.0.030.050.070.09CIearance/mm图1O间隙尺度对密封压力的影响Fig10Relationshipbetweenclearanceandsealpressure从图中可以看出,随着间隙尺度的增加,狭缝内的密封压力呈下降趋势,特别是端面间隙在0.03inIn以下时,密封压力随着间隙的增加而迅速下降.在不同流量条件下,端面间隙超过0.04mill时,端面压力下降至不足3MPa,对于反渗透海水淡化系统,这样的压力已经不能保证反渗透膜组正常工作.为了弥补由于端面泄漏造成的压力和流量损失,必须减小且保证足够小的端面间隙,否则就需要依靠更大的系统流量来提高密封压力.4.2.3密封压力对泄漏量的影响图11是不同密封压力和端面间隙下泄漏量的计0.0l0.020.030.040.05Clearance/mm图11压力一端面间隙一泄漏量关系曲线Fig11Leakagecurvewithdifferentclearanceandpressure从图中可以看出,随着端面间隙的增加,为了获得SWRO系统工作必须的压力,必须付出泄漏量增加的代价,由此可能造成旋转式压力交换器内部流量不匹配的结果,进而影响SWRO系统质量平衡.5结论(1)端面间隙尺度对RPE端面液膜密封压力和泄漏量有重要影响.(2)转子转速对端面泄漏量没有影响.(3)端面间隙在0.03mm以内时,密封压力随间隙的增加而迅速降低,为保证SWRO正常工作,端面间隙应控制在0.O1mm以内.参考文献【1】RichardL.Stoverdevelop