СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ПОРИСТОГО ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА И УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ

Заявляемое изобретение относится к полимерным уплотнительным материалам, а именно к уплотнительным материалам на основе пористого ориентированного политетрафторэтилена (ПТФЭ).

ПТФЭ, в силу его химической инертности и высокой термостойкости, может применяться в агрессивных химических средах, в которых другие полимерные материалы разрушаются, в широком интервале температур от - 269°С до 260°С. Однако этому полимеру свойственна ползучесть (creep) или, как ее еще называют ″хладотекучесть″, выражающаяся в том, что ПТФЭ расплющивается под действием сжимающей нагрузки и уплотнение со временем становится неэффективным. Пористый ориентированный ПТФЭ имеет более высокую устойчивость к ″хладотекучести″, чем сплошной ПТФЭ, сохраняя при этом химическую инертность и высокую термостойкость, свойственные ПТФЭ. Для изготовления уплотнений используется пористый ориентированный ПТФЭ. Однако достижение полной непроницаемости соединений, особенно для газов и органических жидкостей с низким поверхностным натяжением, представляет серьезную техническую задачу.

Известен способ изготовления уплотнительного материала из пористой двуосноориентированной ПТФЭ-пленки [патент США №5964465, МКИ F 16 J 15/10, опубл. 12.10.1999]. Согласно этому способу пористую двуосноориентированную пленку в виде лент сматывают с нескольких катушек, пропуская между валками, нагретыми до 300-450°С для того, чтобы слои слиплись между собой. По другому воплощению указанного способа пленку шириной, например, 1500 мм и толщиной 0,038 мм наматывают на барабан, имеющий по обоим краям ряды булавок, на которые накалываются края пленки. После того, как намотано нужное количество слоев (в примерах 85 слоев) пленку отрезают, намотанные слои ПТФЭ уплотняют поколачиванием проволочной щеткой и барабан с намотанной пленкой нагревают необходимое время при температуре выше 327°С и предпочтительно выше 342°С. В примерах нагрев проводят или в расплавленной соли при температуре примерно 370°С около 10 минут, или в воздушной печи при температуре около 365°С в течение часа. Охлажденный слоистый материал разрезают на барабане по спирали, получая многослойный (85 слоев) уплотнительный материал, четырехугольный в сечении, который может принимать любую четырехугольную в срезе форму по месту уплотнения. Указывается, что полученный материал устойчив к ползучести при сжатии как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Способ по патенту США №5964465 имеет тот недостаток, что с его помощью может быть получен только четырехугольный в сечении уплотнительный материал, тогда как в технике требуются уплотнения различной формы в сечении.

Также известен способ изготовления уплотнительного материала из пористого ориентированного ПТФЭ, выполненного в виде свернутого рулоном листа [патент США №6089576 МКИ F 16 J 15/10, опубл. 18.07.2000]. Согласно этому способу пленка из пористого ориентированного ПТФЭ подается на поверхность заправочного барабана, нагретую до 300-450°С так, чтобы пленка плотно прижималась к нагретой поверхности; кромку пленки поднимают с наружной поверхности под углом к продольной оси пленки и заворачивают в спираль; поднятая кромка соприкасается с нагретой поверхностью пленки на барабане; в процессе сматывания пленки спиралью кольца ее еще на поверхности барабана слипаются между собой.

Таким образом формируется спирально закрученный уплотнительный материал, легко принимающий любую форму при использовании и имеющий устойчивость к ползучести (хладотекучести). Однако способ по патенту США №6089576 технологически сложен; как показано в примерах, сматывание пленки под углом к продольной оси производилось вручную с барабана, нагретого до 365°С. При этой температуре, как показывает опыт, уже выделяются весьма токсичные продукты разложения ПТФЭ. Кроме того, получены уплотнения диаметром 1,3-2,1 мм; для получения более толстых уплотнений необходимо использовать более широкие пленки или пленки из ПТФЭ с наполнителями, или несколько слоев пленки. Все это требует дополнительных операций и оборудования и еще более усложняет технологический процесс.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому способу является способ изготовления уплотнительного материала из пористого ориентированного ПТФЭ [патент США №5494301, МКИ F 16 J 15/10, опубл. 27.02.1996], согласно которому сердечник из пористого ПТФЭ обматывают пористой ориентированной пленкой из ПТФЭ. Сердечник из пористого ПТФЭ по патенту США №5494301 формируют в виде удлиненной детали из листа, пленки, волокна, нити в виде жгута или косы; предпочтительно, сердечник получают экструзией пасты ПТФЭ в жгут с растягиванием его в продольном направлении в отношении (2-25):1, предпочтительно (3-12):1. Полученный жгут имеет гибкую пористую структуру, состоящую из узлов, соединенных фибриллами. На полученный жгут наматывают пористую ориентированную в продольном и/или поперечном направлении (предпочтительно в продольном) пленку из ПТФЭ. Для того чтобы обмотка лучше сцеплялась с сердечником, использовали композитную пленку, состоящую из пористой ориентированной ПТФЭ-пленки, сцепленной с тонким слоем плавкого термопластичного фторполимера. Для получения композитной пленки на пористую растянутую (ориентированную) в 1,5-5 раз ПТФЭ-пленку накладывают пленку плавкого термопластфторполимера при температуре между точкой его плавления и 365°С; при этом плавкий термопластфторполимер плавится и растекается по поверхности пористой пленки, соединяясь с ней. Заготовку затем растягивают в один или несколько приемов. Готовую композитную пленку наматывают на сердечник, обжимая его на 10-40% от первоначального диаметра. В случае намотки композитной пленки ее наматывают плавким слоем в сторону сердечника. Намотку производят в один или несколько слоев. Уплотнительному материалу затем можно придавать различное поперечное сечение: круглое, прямоугольное, с выступами или впадинами. Указанный материал проявляет большую устойчивость к ползучести в рабочих условиях.

Однако технология изготовления уплотнительного материала по патенту США №5494301 многостадийна и сложна; особенно усложняет и удорожает процесс стадия изготовления композитной пленки для обматывания сердечника.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении и удешевлении технологии.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления уплотнительного материала из пористого политетрафторэтилена, включающем формование сердечника из пористого ориентированного ПТФЭ и последующую обмотку сердечника пористой одноосноориентированной политетрафторэтиленовой пленкой, формование сердечника осуществляют хаотичным сминанием по крайней мере одной ленты одноосноориентированной пористой ПТФЭ-пленки, предварительно упрочненной термической обработкой при температуре 250-327°С, и по крайней мере одной ленты мягкой одноосноориентированной ПТФЭ-пленки в калибре с одновременным подкручиванием сердечника по спирали с частотой один оборот на 7-15 см длины сердечника.

При сминании лент, из которых формируется сердечник уплотнительного материала, сердечнику придается форма, близкая к округлому в сечении шнуру; при этом слои смятых пленок располагаются хаотично, без определенного порядка.

Для формирования сердечника используется от 2 до 30 лент; при этом в каждой закладке есть, по крайней мере, одна термически упрочненная ПТФЭ-лента и, по крайней мере, одна мягкая, не подвергавшаяся термическому упрочнению ПТФЭ-лента.

Количество лент определяется тем, какой диаметр уплотнительного материала желают получить. Однако в заявляемом способе диаметр сердечника можно регулировать не только количеством сминаемых лент, но и их шириной.

Для изготовления сердечника используют ленты шириной 10-150 мм. Их складывают вперемешку и сминают для формования округлого в сечении сердечника. Формование производится в калибре толстостенной трубки из нержавеющей стали. Формование производится при комнатной температуре. На выходе из калибра на сердечник наматывают оболочку из пористой одноосноориентированной ПТФЭ-пленки. Для обмотки используют ленту шириной 8-12 мм; ее наматывают под углом 80-60° к продольной оси сердечника с шагом намотки 4-6 мм. Если требуется, намотку можно осуществлять в 2-4 слоя, для чего используются 2-4 катушки с обмоточной лентой, размещенные последовательно. Обмотанный уплотнительный материал наматывается на катушку. Принудительное вращение указанной катушки и натяжение обматывающей (их) ленты (лент) заставляет сердечник подкручиваться по спирали с частотой 1 оборот на 7-15 см длины сердечника в зависимости от его толщины.

Сформированный уплотнительный материал можно дополнительно пропустить в обратном направлении через калибр, нагретый до 200-400°С, предпочтительно до 250-327°С. При этом слои пленки в сердечнике слипаются между собой, происходит дополнительная небольшая ориентация уплотнительного материала и сглаживается спиральный след, образованный на поверхности обматывающей лентой.

Таким образом, формируется круглый в сечении уплотнительный материал. Для получения материала с прямоугольным или овальным сечением или имеющего выступы или впадины вдоль оси материал пропускают через ролики (вальцы), на которых происходит его переформовка.

Известен уплотнительный материал из пористого ориентированного ПТФЭ, представляющий собой четырехугольный в сечении шнур, состоящий из множества параллельных слоев двуосноориентированной ПТФЭ-пленки [патент США №5964456, МКИ F 16 J 15/10, опубл. 12.10.1999]. Уплотнительный материал может содержать, по крайней мере, один наполнитель, выбранный из группы, включающей металлы, полупроводники, оксиды металлов, стекло, керамику, активированный уголь, сажу и полимерные смолы. При применении в качестве уплотнений указанный материал принимает любую четырехугольную в срезе форму по месту уплотнения и устойчив к ползучести при сжатии в продольном и поперечном направлении.

Однако в технике требуются уплотнения не только четырехугольной в срезе формы.

Также известен уплотнительный материал из пористого ориентированного ПТФЭ, выполненный в виде свернутого рулоном слипающегося листа [патент США №6089576, МКИ F 16 J 15/10, опубл. 18.07.2000]. Указанный уплотнительный материал может содержать нитевидные компоненты, первоначально разложенные на сворачиваемой ПТФЭ-пленке, такие как графит, стекло или керамика, полимеры, например арамид; он может включать также сердечник, выполненный из полиуретана, натурального или синтетического каучука или фторэластомера. Свернутому рулоном уплотнительному материалу можно придать любую геометрическую форму. Уплотнительный материал по патенту США №6089576 показывает высокое сопротивление ползучести. Однако способ изготовления указанного уплотнительного материала сложен и экологически не безопасен.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому уплотнительному материалу является уплотнительный материал из пористого ориентированного ПТФЭ, включающий сердечник из пористого ориентированного ПТФЭ и обмотку из пористой одноосноориентированной ПТФЭ-пленки [патент США №5494301, МКИ F 16 J 15/10, опубл. 27.02.1996]. Указанный уплотнительный материал включает сердечник, выполненный в форме удлиненной детали в виде жгута или косы из пленки, нити, волокна, листа из пористого ориентированного ПТФЭ и преимущественно в виде жгута, выполненного ориентацией экструдированного ПТФЭ.

Жгут может содержать наполнитель. Обмотка уплотнительного материала по патенту США №5494301 выполнена в виде пленки из пористого ориентированного ПТФЭ и, преимущественно, из композитного материала, состоящего из пленки из пористого одноосноориентированного ПТФЭ и плавкого термопластфторполимера. Слой из плавкого термопластфторполимера сцепляет пористую одноосноориентированную ПТФЭ-пленку обмотки с сердечником из удлиненного пористого ориентированного ПТФЭ. Уплотнительному материалу по патенту США №5494301 может быть придана любая желаемая форма; он может быть круглым, овальным, прямоугольным в сечении, иметь выступы или впадины. Указанный уплотнительный материал имеет низкую ползучесть.

Недостатком указанного материала является сложность и многостадийность способа его изготовления, что приводит к значительному увеличению расходов на его изготовление.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении и удешевлении технологии изготовления уплотнительного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что уплотнительный материал из пористого ориентированного ПТФЭ, включающий сердечник из пористого ориентированного ПТФЭ и обмотку из пористой одноосноориентированной ПТФЭ-пленки, в качестве сердечника содержит многослойный жгут, сформированный сминанием, по крайней мере, одной ленты, упрочненной пористой одноосноориентированной ПТФЭ-пленки, термически обработанной при температуре 250-327°С, и по крайней мере, одной ленты мягкой пористой одноосноориентированной ПТФЭ-пленки, причем слои в многослойном жгуте расположены хаотично.

Сердечник уплотнительного материала может быть сформирован из 2-30 лент пористой одноосноориентированной ПТФЭ-пленки, при этом он обязательно включает по крайней мере одну упрочненную термической обработкой ленту и по крайней мере одну мягкую, не подвергавшуюся термическому уплотнению ленту.

В качестве упрочненной пленки сердечник заявляемого уплотнительного материала содержит пористую ПТФЭ-пленку толщиной 30-200 мкм со степенью продольной вытяжки 100-1500%. После ориентации (вытяжки) пленка термически обработана нагревом до 250-327°С, например, пропусканием пленки через печь после ориентации. После термической обработки пленка имеет следующие физико-механические показатели: предел прочности при разрыве 29-45 МПа, относительное удлинение при разрыве 30-100% и пористость 30-75%. Структура упрочненной пленки представлена на микрофотографии (фиг.1).

В качестве мягкой пленки сердечник заявляемого уплотнительного материала содержит пористую ПТФЭ-пленку толщиной 30-200 мкм со степенью продольной вытяжки 100-1500%. Пленка имеет следующие физико-механические показатели: предел прочности при разрыве 15-25 МПа, относительное удлинение при разрыве 30-200% и пористость 30-84%. Структура мягкой пленки представлена на микрофотографии (фиг.2).

Как мягкая, так и упрочненная пленки имеют выраженную пористую структуру, состоящую из узлов, соединенных фибриллами. Сравнение структур (фиг.1 и 2) показывает, что при термической обработке узлы становятся крупнее, а фибриллы длиннее.

В качестве обмотки уплотнительный материал содержит пористую ПТФЭ-пленку толщиной 50-90 мкм со степенью продольной ориентации 50-1000%, предпочтительно 400-500%. Указанная пленка имеет предел прочности при разрыве не менее 19,6 МПа, относительное удлинение при разрыве 30-150%, пористость не менее 30%, предпочтительно 50-70%.

Уплотнительный материал может содержать, по крайней мере, одну ленту из фторэластомера, например марки Ф-4МБ. Этот непористый материал, фторэластомерная пленка толщиной 10-50 мкм, имеет предел прочности при разрыве не менее 20 МПа и относительное удлинение при разрыве 200-300%. Фторэластомерную пленку включают в сердечник уплотнительного материала. При использовании фторэластомерной пленки уплотнительный материал должен быть термически обработан пропусканием через калибр, нагретый до 200-400°С, для того, чтобы фторэластомерные слои слиплись со слоями пористой ПТФЭ-пленки.

Уплотнительный материал может также включать пористые одноосноориентированные пленки, изготовленные из наполненного ПТФЭ. В качестве наполнителей могут быть использованы графит, сажа, углеродные волокна, стекловолокно или стеклянные микросферы диаметром от 1 мкм, оксиды металлов, дисульфид молибдена и подобные ему по структуре соединения, а также полимерные наполнители, имеющие высокую термостойкость, такие как полифенилсульфид, поли-n-гидроксибензол, полиимид и др., предпочтительно графит, сажа, стекловолокно и стеклянные микросферы. Пленки из наполненного ПТФЭ включены в сердечник уплотнительного материала.

Заявляемый уплотнительный материал представляет собой эластичный шнур круглого сечения диаметром 1-16 мм. На фотографии (фиг.3) представлен торцевой срез заявляемого уплотнительного материала. На фотографии отчетливо видно хаотичное (случайное) расположение слоев пленки. Видные на фиг.3 небольшие пустоты между слоями пленки придают уплотнительному материалу дополнительную эластичность. В тех случаях, когда нужны другие конфигурации поперечного сечения уплотнительного материала, ему может быть придана любая форма дополнительной прокаткой на вальцах или роликах. Возможные формы поперечного сечения уплотнительного материала представлены на фиг.4 (а-е).

Уплотнительный материал может быть использован в качестве торцевого или фланцевого уплотнения. Концы уплотнения могут быть соединены внахлест (фиг.5,а). На концах могут быть выполнены встречные срезы под углом 30° с разбегом 5-25 мм, в зависимости от диаметра уплотнительного материала, как это показано на фиг.5,б. Срезы накладывают друг на друга и при наложении усилия они слипаются.

Заявляемый уплотнительный материал может также использоваться для изготовления сальниковых уплотнений, для чего шнур определенного диаметра укладывается в виде спирали и обжимается по высоте нажимной втулкой, как это показано на фиг.6. После обжима образуется упругая, как бы точеная, фторопластовая втулка, такая как на фиг.7. Такие втулки особенно эффективны в арматуре с вращательным движением штока.

В дальнейшем заявляемое изобретение иллюстрируется примерами, но не ограничено ими.

Пример 1.

Три ленты шириной 40 мм из упрочненной пористой одноосноориентированной ПТФЭ-пленки толщиной 90 мкм и три ленты шириной 40 мм из мягкой пористой одноосноориентированной ПТФЭ-пленки толщиной 85 мкм вперемешку хаотично смяты пропусканием через калибр диаметром 5 мм. Упрочненная пленка имеет предел прочности при разрыве 40 МПа, относительное удлинение при разрыве 70% и пористость 65%. Мягкая пленка имеет предел прочности при разрыве 22 МПа, относительное удлинение при разрыве 150% и пористость 70%. Сердечник направляют на тянущие валки. Между калибром и тянущими валками сердечник обматывают в один слой лентой пористой одноосноориентированной пленки. Ширина обматывающей ленты 10 мм, угол намотки составляет 80° к продольной оси сердечника; лента наматывается внахлест с шагом 5 мм. Обмотанный лентой уплотнительный материал после прохождения валков наматывается на катушку. Под действием натяжения тянущих валков и обмотки сердечник закручивается по спирали с частотой 1 оборот на 10 см длины сердечника.

Определяют плотность полученного уплотнительного материала, его пористость, предел прочности при разрыве (ГОСТ 11.262-80), а также ползучесть. Для определения ползучести отрезок уплотнительного материала длиной 10 мм помещали между двумя металлическими пластинами; на верхнюю пластину на 10 мин помещали груз 800 кг. Измеряли диаметр образца до испытания, и ширину b_к, и толщину h_к образца после испытания и ползучесть рассчитывали по формуле

где L_к=2(b_к+h_к), L_н=π·d, d - диаметр уплотнительного материала до испытания.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Пример 2.

Уплотнительный материал изготовляли, как в примере 1, но брали 5 лент упрочненной пленки и 1 ленту мягкой пленки.

Физико-механические свойства уплотнительного материала приведены в таблице.

Пример 3 (контрольный).

Уплотнительный материал изготовляли, как в примере 1, но брали 6 лент упрочненной пленки толщиной 110 мкм, имеющей предел прочности при разрыве 42,5 МПа, относительное удлинение при разрыве 54% и пористость 71%.

Физико-механические свойства уплотнительного материала приведены в таблице.

Пример 4.

Уплотнительный материал получали, как в примере 1, но брали 1 ленту шириной 100 мм упрочненной пленки толщиной 70 мкм, с пределом прочности при разрыве 39,2 МПа, относительным удлинением 70% и пористостью 68% и 5 лент мягкой пленки толщиной 45 мкм с пределом прочности при разрыве 23,7 МПа, относительным удлинением 75% и пористостью 59%.

Физико-механические свойства уплотнительного материала приведены в таблице.

Пример 5 (контрольный).

Уплотнительный материал получали, как в примере 1, но брали 6 лент шириной 45 мм мягкой пленки толщиной 115 мкм, с пределом прочности при разрыве 25,4 МПа, относительным удлинением 177% и пористостью 43%.

Физико-механические свойства уплотнительного материала приведены в таблице.

Пример 6.

Уплотнительный материал диаметром 1 мм получали сминанием 1 ленты шириной 10 мм упрочненной пленки, такой же, как в примере 1, и 1 ленты шириной 10 мм мягкой пленки, такой же, как в примере 1, в калибре диаметром 1 мм. Далее уплотнительный материал делали, как в примере 1. Сердечник подкручивался по спирали с частотой 1 оборот на 7 см длины сердечника.

Физико-механические свойства уплотнительного материала приведены в таблице.

Пример 7.

Уплотнительный материал диаметром 16 мм получали сминанием 9 лент шириной 45 мм упрочненной пленки и 9 лент шириной 45 мм мягкой пленки, в калибре диаметром 16 мм. Упрочненная пленка имела толщину 100 мкм, предел прочности при разрыве 40,0 МПа, относительное удлинение 70%, пористость 65%, мягкая пленка толщиной 115 мкм была такой же, как в примере 5. Далее уплотнительный материал делали, как в примере 1. Сердечник подкручивался по спирали с частотой 1 оборот на 15 см длины.

Физико-механические свойства уплотнительного материала приведены в таблице.

Пример 8.

Уплотнительный материал получали, как в примере 7, но брали 4 ленты шириной 150 мм упрочненной пленки и 2 ленты шириной 150 мм мягкой пленки. Упрочненная пленка толщиной 150 мкм имела предел прочности при разрыве 44,1 МПа, относительное удлинение 97%, пористость 68%. Мягкая пленка толщиной 175 мкм имела предел прочности при разрыве 21,3 МПа, относительное удлинение при разрыве 135%, пористость 49%.

Физико-механические свойства уплотнительного материала приведены в таблице.

Пример 9.

Уплотнительный материал получали, как в примере 7, но брали 10 лент шириной 30 мм упрочненной пленки, такой же как в примере 8, и 20 лент шириной 30 мм мягкой пленки толщиной 125 мкм, с пределом прочности при разрыве 20,7 МПа, относительным удлинением 149% и пористостью 62%.

Физико-механические свойства уплотнительного материала приведены в таблице.

Пример 10.

Уплотнительный материал диаметром 3 мм получали сминанием 4 лент шириной 15 мм упрочненной пленки, такой как в примере 4, и 6 лент шириной 15 мм мягкой пленки из наполненного 1,5% масс. сажи ПТФЭ в калибре диаметром 3 мм. Саженаполненная мягкая пористая одноосноориентированная ПТФЭ-пленка толщиной 45 мкм имела предел прочности при разрыве 10,5 МПа, относительное удлинение 62%, пористость 55%. Далее уплотнительный материал делали, как в примере 1. Сердечник подкручивали по спирали с частотой 1 оборот на 8 см длины.

Физико-механические свойства уплотнительного материала приведены в таблице.

Пример 11.

Уплотнительный материал диаметром 4 мм получали сминанием 2 лент шириной 30 мм упрочненной пленки, такой как в примере 4, 2 лент шириной 30 мм мягкой пленки и 2 лент шириной 15 мм фторэластомера марки Ф-4МБ (ТУ 6-05-041-359-83) в калибре диаметром 4 мм.

Мягкая пленка толщиной 45 мкм имела предел прочности при разрыве 23,7 МПа, относительное удлинение 75% и пористость 59%.

Фторэластомерная непористая пленка толщиной 20 мкм имела предел прочности при разрыве 22,4 МПа и относительное удлинение 132%.

Далее уплотнительный материал делали, как в примере 1. Сердечник подкручивался по спирали с частотой 1 оборот на 8 см длины. Готовый уплотнительный материал пропускали в обратном направлении через калибр, нагретый до температуры 300±1°С.

Физико-механические свойства уплотнительного материала представлены в таблице.

Из таблицы видно, что заявляемый способ позволяет получать уплотнительный материал в широком диапазоне размеров физико-механических показателей в зависимости от того, для каких уплотнений он предназначен. Это может быть более прочный материал с низкой ползучестью (для фланцевых, торцевых уплотнений), требующий большого усилия для достижения герметичности (примеры 2, 8, 11), или более мягкий, податливый уплотнительный материал, обладающий, тем не менее, достаточно низкой ползучестью, для применения в условиях, когда большие усилия недопустимы, например для фланцевых соединений из стекла, стекловолокна или пластмассы (примеры 6, 7, 9).

Уплотнительный материал, включающий наполненный ПТФЭ, успешно применим для набивок сальниковых камер насосов.

Дополнительным преимуществом заявляемого способа является то, что он позволяет изготавливать уплотнительный материал из отходов производства, например пленок для кабельной промышленности, утилизация которых невозможна, а захоронение разрешено в особых условиях.