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阀用多元高分子复合材料性能研究

来源: 上海阀门 时间: 2012-06-16 点击: 3,068

1.概述

阀门是通用机械量大面广的产品,它不仅使用工况条件多种多样,而且产品结构形式千变万化,品种规格相当繁多,在促进国民经济快速发展和国际贸易,民生健康,环境保护等各个方面都起着十分重要的作用。

但随着科学技术的进步,人民生活水平的提高和我国加入WTO后国际贸易竞争的需要,产品的升级换代已迫在眉睫。国际社会不仅需要产品质量的提高,而且要求在生产高质量产品的同时,要保护劳动者的身体健康和绿色生态环境,在提高产品质量和生产效率的同时还要注意节约能源,做到社会的物质文明和精神文明良好发展。按照这个要求,不仅要使产品生产工艺先进,做到与时俱进,而且要求生产设备自动化、连续化、智能化。在高速高效节能环保要求的前提下,与此配套应用的阀门产品在使用中也暴露出很多薄弱环节。除了产品结构设计的不良因素影响外,在材料使用上也不同程度地出现了耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用寿命等方面与设备使用要求不适应的现象。为了满足现代化生产工艺与设备及技术对阀门及其配件使用要求,除了用现代科学理念和CAD、CAE、CAM对阀门产品高技术参数进行设计、加工外,对上述出现问题所使用的金属和非金属材料也必须进行高性能的研制。现将我院多年来研制的阀门及通用机械产品用多元高分子复合材料的性能介绍如下。

2.阀门用多元高分子复合材料制造技术特点及性能研究

2.1 多元高分子复合材料制造技术特点

多元高分子复合材料是指用两种或更多种特种工程塑料或特种橡胶为基础原料,经过不同填料的添加和特殊的生产工艺制成的新型材料,它可根据用户对产品的性能要求和结构特点、生产数量、产品价格及使用寿命等诸多因素的限制,而更为科学合理的设计高分子复合材料配方及生产工艺,生产出物美价廉的产品,使其更符合生产实际需要,和充分利用材料消耗而达到能源的合理利用,产品生产成本减少、适用性能可靠的目的。我院根据通用机械产品的发展和应用,重点开展了耐高低温、耐磨损、耐腐蚀、长寿命密封制品用多元高分子复合材料的应用性能及制品加工技术的研究工作,经过多年研究和应用,现已形成了用PEEKK、PEEK、PI、PTFE、PPS、UHMWPE等多种多元高分子交替匹配构成的复合材料组合体系,它们的性能特点分别有耐高、低温型、高强度型、低摩擦磨损型、高抗冲击型、耐疲劳型、耐腐蚀型、耐超低温型、长寿命型、耐老化型、特殊润滑型,作为水泵、阀门、压缩机、风机、压力容器等通用机械产品中的动、静密封及其配件使用,使用效果良好,收到了用户的好评。

多元高分子复合材料拟订配方的原则主要是根据实际应用工况条件和产品结构、生产数量、成本等等因素考虑的,采用两种或多种高分子材料为基础原料,主要是通过发挥高分子材料本身的固有特性和相容性及填料的选择、表面处理及最佳用量匹配和辅助原料的确定、加工工艺等的研究,确定实用配方达到制造的复合材料具有综合物理机械性能优良或突出目的的制品,确保满足用户需要。下面分几个组合系列介绍。

2.2 多元高分子复合材料的性能

2.2.1 CH—1复合材料的性能

CH—1高分子复合材料是以用全芳香族聚酰亚胺树脂[1]为主,并与其他少量相容性树脂共混的特殊填充材料,运用高新加工成型技术和设备制造出来的,它有不同的等级和优良的复合材料物理机械性能及系列产品标准,具有耐超高、低温、耐磨损、耐电器绝缘、耐等离子体、耐放射线、耐化学介质、耐润滑脂、油、溶剂和耐高真空,低压缩变形及优良的机械加工性能。其性能指标。可在表1的技术范围内进行调整(根据用户使用工况要求和价格)。

2.2.2 CH—2复合材料的性能

CH—2高分子复合材料[2]是以用全芳香族聚芳醚酮类树脂为主,并与其他少量相容性树脂共混的特殊填充材料,运用高新加工成型技术和设备制造出来的。该材料机械性能优良,是韧性和刚性兼备并取得平衡的特种材料,耐疲劳性可与合金材料媲美。此外,还具有优异的滑动特性,适用于做低摩擦系数和高耐磨损的动、静密封制品及配件。可耐除浓硫酸及一些强氧化性的介质以外的任何化学试剂的腐蚀。吸水率很低,具有优异的电绝缘性、耐辐射性和耐天候老化性能,适于做耐温范围-40~358℃范围内的相关制品。该材料还具有优秀的加工性能,可根据阀门客户不同的需求,采用各种方法加工成型产品。

2.2.3 CH一3复合材料的性能

CH一3高分子复合材料是以聚四氟乙烯为主,并与其他少量相容性树脂共混的特殊填充材料,运用高新加工成型技术和设备制造出来的。该复合材料具有优异的耐高低温性能,最高使用工作温度可达250℃,低温下具有良好的机械韧性,即使温度下降到-196℃,也可保持5%的伸长率。具有优异的耐腐蚀性能,对大多数化学药品和溶剂,表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂。另外它是固体材料中摩擦系数最低者,不粘附任何物质,具有最小的表面张力。除做阀门密封及配件制品外,还利用它无毒无味作为人工血管和脏器等医用制品。

2.2.4 CH—4复合材料的性能

CH—4高分子复合材料是以超高分子量聚乙烯[5](分子量≥400万)为基体,并与其他少量相容性树脂共混的特殊填充材料,运用高新加工成型技术和设备制造出来的。它具有优异的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀(在一定温度、浓度范围内能耐各类腐蚀性介质(酸、碱、盐)及有机溶剂的作用)、电绝缘等性能。而且该材料无毒无味,价格低廉、重量轻,可在100℃~—269℃工况条件下使用。可广泛应用于机械、运输、纺织、造纸、矿山、农业、炼油化工、医疗体育器械等领域。

2.2.5 CH—5复合材料的性能

CH—5是几种特种橡胶制造的高分子复合材料。不仅可以采取结构组合,也可采用生胶共混,按照特殊要求设计配亢制造复合材料。现简述几种特种橡胶[6]复合材料的特性。

(1)全氟醚橡胶

全氟醚橡胶是一种合成弹性体,以四氟乙烯、全氟化甲基乙烯基醚(Perfluorinated Methyl Vinyl Ether)和通式为CF2=CF-ORfX(X为-COOR,-CN,-OC6H5)的三元共聚物,是一种完全不含C-H键的橡胶。该橡胶具有和聚四氟乙烯类似的热稳定性和耐化学性。最佳第三单体被认为是全氟-4-羧基甲基丁醚、全氟-4-氰基乙烯基醚、全氟-2-苯氧基丙基乙烯基醚和全氟-3-苯氧基乙烯基醚。再全氟醚橡胶组分中添加第三种硫化单体,以便形成三维网状结构,使橡胶具有弹性。网状结构的好坏很大程度上决定于其功能和交联体系。由于侧链具有-OCF3基团,因此在结构上破坏了聚四氟乙烯的结晶性,具有较好的弹性。该类材料对油类、化学品和热有很好的耐受性,最高可以在327℃下有效工作。在ASTM D1418规范中,全氟醚橡胶可以简写为FFKM。全氟醚橡胶它几乎能承受一切化学介质的腐蚀,其中包括醚类、酮类、苯环类溶剂、强氧化剂、强酸强碱等,但对某些高氟溶剂有膨胀现象,若接触气态或熔融状态的碱金属,会有引起剧烈化学反应的危险,表5是全氟醚橡胶的耐溶剂性能。

全氟醚橡胶对其他橡胶所不能使用的化学药品如:丙烯腈、丁基丙烯腈、醚类、二氯甲烷、苯乙烯、氧化乙烯、乙氧基乙醇、氧化合物、氮化合物、苯胺基、氯乙烯、丁二烯类、酯类、氧化丙烯等也显现出优良的使用特性。

全氟醚橡胶的玻璃化温度虽然较高,但由于有塑性塑料的柔软性能,因此在低于脆化点的温度下使用,仍有一定强度。全氟醚橡胶的硫化胶还具有对气体和液体的低渗透性和良好的耐燃烧性能及优良的电绝缘性能。

作为阀门中特殊的密封件,在耐高温以及对许多有毒有害物质和强腐蚀化学品,如过热水、醚、酮、醛、酯、苯环结构的有机物、胺类物质、强酸强碱、氧化剂等的抗耐性方面有着绝对优势,并有着相当长的使用经验。

(2)四丙氟橡胶

四丙氟橡胶[6]可分为四氟乙烯和丙烯共聚的二元弹性体,四氟乙烯、丙烯和偏氟乙烯共聚的三元弹性体。它的结构特性决定了它具有优异的化学稳定性,对于无机酸、碱、各类漂白剂、过热水和蒸汽,尤其是混有酸、碱等化学物质的蒸汽以及磷酸酯类液压油等具有高度耐腐蚀性,还有高电气绝缘性能。四丙氟橡胶能够在230℃以下长期使用,短期可达到250℃,但低温性能较差,作为静态密封件‘可在—42℃~230℃范围内使用;作为动态密封件可在—2℃~230℃范围内使用。

当前国内外生胶品种有TFE—P二元聚合物,三元系的TFE—P—VDF,以及三元系的TFE—P—CSM和国产TP等牌号,其重要牌号的硫化胶性能见表6、7,其制品应用情况见表8。

(3)氢化丁腈橡胶

氢化丁腈橡胶[8]是由腈基、亚甲基链和少量C=C双键构成的。饱和的亚甲基链赋予氢化聚合物优异的橡胶弹性、耐热性、耐老化性和低温屈挠性。腈基则给予了材料良好的耐油性。而少量的C—C双键则使材料能与硫磺或过氧化物发生硫化。因此氢化丁睛橡胶虽然仍含有少量双键,但其氧化稳定性比丁腈橡胶高1000倍,热降解温度(在氮气和空气中)随氢化度的提高而提高,大约比未氢化丁腈橡胶高30~40℃。当氢化度大于80%,耐热老化性能显著改善,压缩永久变形明显变小。

应用研究结果表明,其使用温度可高达170℃(可在150℃的温度下长期使用),耐磨性是普通丁腈橡胶的1.8倍,是氟橡胶、丙烯酸酯橡胶的2.5倍,耐油性与氟橡胶相当,耐酸性、耐汽油性能是普通丁腈橡胶的5倍;耐润滑油及非氟利昂制冷剂性能好;对各种润滑油添加剂及对硫化氢性能稳定;且耐寒性优于氟橡胶。适于做阀门中弹性密封件和耐磨制品。表9是氢化丁腈橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶胶料硫化胶的力学性能对比。

上述几种特种橡胶制造的CH—5高分子复合材料,可以根据用户的要求,对产品的物理机械性能如硬度、拉伸强度、扯断伸长率、压缩变形、耐热老化性能、耐介质性能、耐高低温性能、价格等进行合理调整,以适合各种使用工况的需要。

3.制品的机械加工技术研究

3.1 机械加工

多元高分子复合材料制品由于具有优良的综合物理机械性能和耐磨性,因而利用常规的机械加工刀具只能加工部分产品,对于高强度、耐磨损、耐高温、高精度要求的制品加工是比较困难的,必须使用碳化物或金刚石车刀和钻,才能获得高效率、长寿命的效果。因此在进行车削加工时,切削速度、进刀速度、要比加工普通制品的速度低。铣削、钻孔等也应如此。最好的方法是在加工前对制品毛坯退火,由于在机械加工或精加工过程中,切削点形成的局部升热,可能导致材料出现局部应力集中。为了消除内应力对制品工作性能的影响,要对大批量零件进行机械加工和精加工,则需要二次退火处理,退火温度和时间根据产品的结构和尺寸而确定。

3.2 水射流切割加工技术

水作为廉价的资源已成为人类生活中不可缺少的组成部分,水资源的巧妙利用是现代科学技术研究的重要内容之一,我院经过多年的努力,已在水设备应用领域研究中取得了清洗、除锈、切割、特殊喷射等多项技术成果。利用这个独特的优势,我们进行了水射流切割多元高分子复合材料制品加工技术的研究。

试验用WJ250型切割机组,该机组由主机、超高压泵计算机控制及系列切割平台三大部分组成。该机组除切割外还可用于钻孔、磨削、抛光、镂刻等加工工艺。

试验时先将要切割的工件图纸输入到计算机内,经识别认可及虚拟模拟实验运行无误时,再将要切割的工件固定在切割台上,然后打开主机,把水加压至100~128MPa的超高压力,经水喷出,再加入特定磨料送至0.8mm直径的磨料喷嘴,水与磨料的混合液以超音速作用于工件上,完成对工件的切割。

试验证明,水射切割机组具有以下特点:(1)对材料无选择性,无有热力效应产生;(2)切割质量好;(3)可从任意点开始切割任意复杂的图形;(4)无环境污染;(5)操作简单,控制全面准确、系统运行稳定,是加工多元高分子复合材料制品较好的选型设备。

3.3 精加工技术

为了满足某些特殊制品的精度要求,还要专门制造设备和器具对多元复合材料制品进行精加工。这样虽然加工和制品费用增加,但能保证制品的使用要求。

4.应用示例

4.1 用CH—2和CH—5 复合材料制造的阀门密封圈

用CH—2和CH—5复合材料制造的阀门密封圈,产品示意图见图1(a),(b)。

4.2 用CH—2 复合材料制造的阀座、密封圈

用CH—2复合材料制造的阀座、密封圈、棒材等产品(见图2),在热电工业使用中,表现出耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用寿命长等优点。

4.3 用全氟醚橡胶制造弹性密封圈

用全氟醚橡胶制造的高分子复合材料,作为特殊工况(耐高温、耐特种介质腐蚀等)要求下的阀门密封圈,经过多年的使用,用户反应效果良好。

4.4 用多种多元高分子复合材料制造的阀门产品及配件

用多种多元高分子复合材料制造的阀门产品及配件结构示意图如下,其中:硬密封面用堆筛合金,软密封面用多元高分子复合材料。

5.结语

当前,国内外阀门市场竞争十分激烈,再加上受国际经济风暴的影响,购买力相对减弱,使得阀门企业生存危机感加重,以致一些有实力的阀门企业去努力开拓高技术含量、高参数、耐腐蚀、长寿命的阀门产品。

我们愿与相关单位积极配合,做好技术服务工作,做到齐努力、共发展、渡难关,开发国内外市场急需的高端产品,为国家建设和行业发展作出更大贡献。

上海闸阀-天沃,与您资料共享!

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