СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ САЛЬНИКОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ Российский патент 2006 года по МПК C08L27/12 C08K3/04 C08K3/34 C08K5/01 C09K3/10 

Изобретение относится к области создания композиционных функциональных материалов для обеспечения герметичности подвижных и неподвижных соединений транспортных трубопроводов для перекачки жидких и газообразных сред и запорной арматуры различной конструкции.

Известно, что широкое применение в сальниковых уплотнениях различных герметизирующих устройств получили композиционные материалы на основе углерода различных модификаций: графита, графитизированного и углеродного волокна и т.п. [1-4]. Разнообразие углеродных материалов предполагает широкую номенклатуру герметизирующих изделий в виде прокладок, колец, профилей. Широкое распространение получили сальниковые уплотнения, представляющие собой шнуры различного сечения, которыми заполняют герметизируемое пространство и после механического воздействия (деформирования) с помощью специального элемента запорной арматуры - грундбуксы - герметизируют соединение «шток-корпус», обеспечивая надежную эксплуатацию оборудования в течение заданного ресурса, оговоренного технической документацией. Сальниковые уплотнители изготавливают из композиционных материалов различного состава, к числу которых относятся композиции на основе политетрафторэтилена, углеграфитового волокна, органических полимерных синтетических и природных волокон (полиамидных, полисульфоновых, арамидных, льняных, хлопковых и др.), модифицированных различными компонентами. Уплотнительные шнуры для сальниковых уплотнений имеют круглое или квадратное сечение и получаются методом плетения на специальном технологическом оборудовании. Такие материалы весьма эффективны в применении, однако имеют высокую стоимость, достигающую до 150 долл.США за 1 кг, и ограниченно применимы в конструкциях общетехнического назначения [4].

Известен композиционный материал для сальниковых уплотнений, полученный из модифицированного графита, известный под торговой маркой «Графлекс» [5]. Материал обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики уплотнительных изделий, однако разработан на основе термически расщепленного графита (ТРГ), полученного термической обработкой частиц интеркалированного графита с последующим формованием изделий горячим или холодным прессованием. Недостатками уплотнительных материалов «Графлекс» являются сложность и повышенная экологическая опасность технологического процесса, а также изменение герметизирующих характеристик материала с течением времени эксплуатации изделия. В результате протекания вторичных процессов структурирования композиционный материал уплотняется и теряет способность к передеформированию без разрушения. Это приводит к увеличению протечек рабочей среды через запорную арматуру.

Наиболее близким к заявленному составу для получения композиционного материала для сальниковых уплотнений является материал на основе гидрофобизированного графита, содержащий графит и органический олигомерный компонент (воск, парафин, низкомолекулярный полиэтилен) в количестве до 5 мас.% [6]. Такой материал легко перерабатывается в изделия методом прессования. Уплотнительные изделия в виде колец или полуфабрикатов заданной формы и сечения укладывают в герметизируемую емкость запорной арматуры, подвергают воздействию грундбуксы и заполняют все пространство камеры, обеспечивая надежную герметизацию как подвижных, так и неподвижных соединений.

Задачей изобретения является повышение физико-механических характеристик композиционного материала для сальниковых уплотнений, что обеспечит большую устойчивость изделий к воздействию эксплуатационных факторов и транспортировке.

Поставленная задача решается тем, что состав для получения композиционного материала для сальниковых уплотнений на основе графита, содержащего гидрофобизирующую добавку, в качестве гидрофобизирующей добавки содержит смесь парафина и фторсодержащего олигомера и дополнительно содержит армирующий компонент, в качестве которого используют низкоразмерные частицы природных слоистых силикатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Парафин1,0-3,0Фторсодержащий олигомер0,1-0,5Низкоразмерные частицы природных слоистых силикатов0,1-10Графитостальное до 100

Состав для получения композиционного материала для сальниковых уплотнений согласно изобретению содержит новые функциональные компоненты - армирующую добавку в виде низкоразмерных частиц природных слоистых минералов и гидрофобизирующую добавку, в качестве которой предложена смесь парафинов и фторсодержащего олигомера с молекулярной массой до 5000 ед.

Сущность заявленного изобретения состоит в следующем. Низкоразмерные частицы слоистых природных минералов типа монтмориллонита, талька, слюды, трепела и т.п., полученные по технологии термомеханического диспергирования, обладают повышенной активностью и выступают в роли твердофазных модификаторов, препятствующих деформированию композиционного материала, т.е. являются армирующими нанофазами. Это позволяет существенно повысить прочностные показатели композита, что способствует увеличению технологичности монтажа уплотнительных комплектов в рабочей камере запорной арматуры. Введение в состав смеси парафинов и фторсодержащих олигомеров позволяет обеспечить решение комплекса задач.

Во-первых, эта смесь обеспечивает хорошее взаимодействие между частицами композиционного материала и увеличивает его плотность и прочностные показатели. Во-вторых, фторсодержащий олигомер образует на поверхности изделия пленку, повышающую стойкость материала к окислению и гидрофобность. В-третьих, фторсодержащий олигомер хемосорбируется на поверхности металлического контртела, способствуя закреплению частиц графита на поверхности трения и их знакопеременному переносу. Благодаря этому герметичность сопряжения «шток-сальниковое уплотнение» существенно повышается и сохраняется в течение длительного срока эксплуатации без дополнительного обслуживания. Таким образом, введение в состав композиционного материала для сальниковых уплотнений заявленных функциональных компонентов - низкоразмерных частиц слоистых минералов и фторсодержащих олигомеров позволяет достичь нового технически значимого эффекта.

Составы для получения композиционных материалов для сальниковых уплотнений конкретного выполнения приведены в табл.1.

Таблица 1
Составы для получения композиционных материалов для сальниковых уплотнений Содержание, мас.%КомпонентПрототип*Заявляемые составы IIIIIIIVVVIVIIVIIIIX1. Парафин:          - синтетический2,5---2,5------ природный-1,02,53,0--2,52,50,55,0- хлорпарафин-----2,5----2. Низкоразмерные частицы природных слоистых силикатов:          - бентонит-0,12,510----0,0515- монтмориллонит----2,5------ слюда-----2,5----- трепел------2,5---- тальк-------2,5--3. Фторсодержащий олигомер:          - марки Ф-1-0,10,30,5-0,30,30,30,051,0- марки Ф-14----0,3-----4. Графит97,598,894,786,594,794,794,794,799,479,0* В качестве парафина использовали низкомолекулярный продукт, получаемый при производстве полиэтилена на ПО «Полимир» (г.Новополоцк, Беларусь) (низкомолекулярный полиэтилен - парафин).

Для получения композиционных материалов для сальниковых уплотнений использовали природные или синтетические парафины, являющиеся продуктом перегонки нефти или синтеза полиолефинов. Продукты производятся на НПО «Нафтан» и ПО «Полимир» (г.Новополоцк). Низкоразмерные частицы природных силикатов получают на дробилке ударного действия с последующей термообработкой частиц. Дисперсность частиц полуфабриката не превышала 5 мкм, после термообработки - не более 100 нм. В качестве фторсодержащего олигомера использовали продукт общей формулы R_f-R₁, где R_f - фторсодержащий радикал, R₁ - функциональная группа. Фторсодержащие олигомеры синтезированы в Научно-исследовательском институте синтетического каучука им.Лебедева (РФ) и Государственном научно-исследовательском институте прикладной химии (РФ) и промышленно выпускаются в РФ под торговыми марками «Эпилам» и «Фолеокс» по техническим условиям (ТУ 38.03.1.013).

Структурная формула фторсодержащих олигомеров имеет вид:

где n=2÷40; R₁ - функциональная группа -СООН, -CONH₂, COR₂, где R₂ - C₁-С₂-алкил.

Молекулярная масса олигомера составляет от 2000 до 5000 ед.

Для приготовления составов для получения композиционных материалов использовали фторсодержащие олигомеры «Фолеокс» марок Ф-1 и Ф-14, соответственно включающих полярную группу -СООН и неполярную группу -CF₃. Олигомеры применяли в виде 0,5-1,0 мас.% раствора во фреоне или хладоне. Растворитель после обработки компонентов в течение сравнительно небольшого времени (5-10 мин) удаляется из состава в результате испарения и в окончательный состав композиционного материала не входит. Аналогом олигомера «Фолеокс» марки Ф-1 является олигомер «Эпилам» марок 6СФК-180-05 и 6СФК-180-20, выпускаемый по ТУ 6-02.1229-82.

Для приготовления составов для получения композиционных материалов использовали графит марок ГТ-1, С-1 или их аналоги. Графит производится промышленно Завальевским графитовым комбинатом (Украина). Дисперсность частиц графита составляла 1,0-150 мкм.

Технология изготовления композиционных материалов включает операции дозирования компонентов, смешивания графита и низкоразмерных частиц природных силикатов в шаровом смесителе, введение парафина и фторсодержащего олигомера, гомогенизацию в течение 0,5-1,0 час. при 150-200°С с целью удаления летучих компонентов и влаги, охлаждения и прессования в формах. Прессованием в формах заданных размеров при температуре 20±5°С и давлении 5-10 МПа получают кольца из композиционного материала с наружным диаметром от 14,5 до 400 мм и толщиной от 9 до 10 мм. Такие типоразмеры колец обеспечивают надежное уплотнение всей номенклатуры запорной арматуры, применяемой в системах энерго-, тепло-, водоснабжения. Уплотнение арматуры осуществляют путем применения комплекта из 3-х или 5-ти колец, изготовленных из композиционного материала [5].

Характеристики разработанных согласно изобретению композиционных материалов для сальниковых уплотнений в сравнении с прототипом представлены в табл.2.

Таблица 2
Характеристики композиционных материалов для сальниковых уплотненийКомпонентПоказатель для материалаПрототипЗаявляемые составы IIIIIIIVVVIVIIVIIIIX1. Предел прочности при сжатии, МПа3,75,0-6,76,0-
7,37,8-9,07,57,37,08,04,29,02. Модуль упругости, ГПа0,460,90-1,461,15-1,981,20-2,011,981,151,200,950,601,953. Коэффициент Пуассона0,410,35-0,380,35-0,390,42-0,450,350,370,350,350,300,394. Термостойкость, °С500550550550550550550550510550

Как следует из данных табл.2, заявляемые составы для получения композиционных материалов для сальниковых уплотнений (составы I-VII) существенно превосходят прототип по основным служебным характеристикам. Уменьшение содержания армирующей добавки (низкоразмерных частиц природных силикатов) менее заявленных пределов (состав VIII) снижает показатели служебных характеристик, а превышение содержания (состав IX) не обеспечивает дополнительного повышения показателей. Все заявленные составы существенно превосходят прототип по термостойкости. Марка фторсодержащего олигомера не оказывает принципиального значения, т.к. олигомер выполняет функцию связующего и гидрофобизирующего слоя. Эти свойства реализуются при использовании любой марки олигомера, т.к. строение основного радикала не изменяется. Сравнение показателей служебных характеристик заявленных составов композиционного материала прототипа и аналога «Графлекс» свидетельствует о высокой эффективности заявленного технического решения.

Дополнительными преимуществами разработанного композиционного материала является способность к восстановлению изношенных поверхностей сопряженного с уплотнением металлического изделия - штока задвижки. Это обусловлено переносом активных низкоразмерных частиц природных силикатов и образованием металлосиликатного слоя на поверхности трения, предотвращающего износ.

Заявленные составы композиционного материала для сальниковых уплотнений прошли промышленную апробацию на предприятиях по производству тепловой и электрической энергии, а также предприятиях концерна «Белнефтехим». Разработана нормативная документация на материал и уплотнительные комплекты из него.

Источники информации

1. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник. / Л.А.Кондаков, А.И.Голубев, В.В.Гордеев и др. Под общ. Ред. А.И.Голубева, Л.А.Кондакова - Изд. 2-е, перераб. и дополн. М.: Машиностроение, 1994. - 448 с.

2. Уплотнения. Сб. статей под ред. В.К.Житомирского. М.: Машиностроение, 1964. - 296 с.

3. Графит как высокотемпературный материал. Сб. статей, пер. с англ. Под ред. К.П.Власова, М.: Мир, 1964. - 423 с.

4. Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики. Киев: Техника, 1985. - 196 с.

5. Высоконадежные сальниковые кольца серии «Графлекс». Проспект фирмы «Унихимтек». М., 2003.

6. Авторское свидетельство СССР №1810384, МКИ 6 С 10 М 163/00 (С 10 М 163/00) С 10 М 125/02, опубл. 1991.

Изобретение относится к составу для получения композиционного материала для сальниковых уплотнений на основе графита, содержащего гидрофобизирующую добавку. В качестве гидрофобизирующей добавки состав содержит смесь парафина и фторсодержащего олигомера и дополнительно содержит армирующий компонент, в качестве которого используют низкоразмерные частицы природных слоистых силикатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%: парафин - 1,0-3,0; фторсодержащий олигомер - 0,1-0,5; низкоразмерные частицы природных слоистых силикатов - 0,1-10; графит - остальное до 100. Изобретение позволяет повысить физико-механические характеристики композиционного материала для сальниковых уплотнений, что обеспечит большую устойчивость изделий к воздействию эксплуатационных факторов и транспортировке. 2 табл.

Состав для получения композиционного материала для сальниковых уплотнений на основе графита, содержащего гидрофобизирующую добавку, отличающийся тем, что в качестве гидрофобизирующей добавки содержит смесь парафина и фторсодержащего олигомера и дополнительно содержит армирующий компонент, в качестве которого используют низкоразмерные частицы природных слоистых силикатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Парафин1,0-3,0Фторсодержащий олигомер0,1-0,5Низкоразмерные частицы природных слоистых силикатов0,1-10ГрафитОстальное до 100