具有干运转能力的聚合物滑动材料和具有干运转能力的滑环密封件的制作方法
具有干运转能力的聚合物滑动材料和具有干运转能力的滑环密封件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能够干运转的聚合物滑动材料，涉及能够干运转的包括聚合物滑动材 料的滑环的滑环密封件，以及涉及此类材料用于干运转应用、尤其是用作湿运转栗和干运 转栗中的位移元件的用途。
【背景技术】
[0002] 介质润滑滑环密封件用作例如栗驱动器中的驱动轴密封件，其中它们将液体压力 密封，与周围环境和驱动机构阻隔开。由于其简单的构造和其性能，具有滑环密封件的栗广 泛用于输送并循环液体。
[0003] 对于该类型的栗而言，约50 %的损坏由滑环密封件引起，并且超过一半的这些情 况归咎于滑环密封件干运转这样的事实。干运转可由有缺陷的处理引起，尤其是液体供应 中断的情况。
[0004] 滑环密封件的特殊构造也可持久性地干运转，在这种情况下在例如压力容器的衬 套处密封搅拌器轴。迄今为止，搅拌器密封件一直由石墨和碳化硅的滑环密封配对件制成。 然而，这些材料的性能是有限的。对于多种应用而言，尤其是所造成的石墨磨蚀不可接受。
[0005] 对于持久性地干运转或由介质润滑的滑环密封件而言，机械摩擦损失以热量输入 进入液体润滑性介质中和轴承座中的形式耗散。在干运转条件下不存在液体润滑的情况 下，摩擦损失以及热量的输入明显增加。另外，热量不会被液体耗散。因此，在常规密封配对 件诸如SiC/SiC或AI2O3/AI2O3中，几分钟内就产生大于200°C的温度，这对静止的二级密封 件直接造成热损坏。二级密封件通常由弹性材料构造成〇形环。该类型的密封件损坏是造成 现代循环栗中约50 %所有栗损坏的原因。
[0006] 位移栗诸如真空叶片栗在用作制动助力器时，在操作状态下也不用液体润滑。在 该工序中，累积压力的位移元件(滑动阀）抵靠栗壳体摩擦。这引起摩擦接触中的高摩擦热， 并且引起高热量输入进入壳体和驱动机构中。同样对于该类型的栗而言，热损坏是长久干 运转时间之后失效的主要原因。
[0007] 在其他位移栗诸如齿轮栗中，位移元件(齿轮)支撑在压力板之间。压力板与齿轮 (两者通常由钢制成)之间的摩擦接触，导致高摩擦损失和性能损失。当暂时性地干运转时， 可能易于发生热过载。
[0008] 现有技术
[0009] 在具有介质润滑轴-滑环密封件的当今类型的栗中，通常使用滑环密封配对件，其 由石墨的旋转滑环和烧结陶瓷的静止配对环组成。采用这些配对件时，可实现长达10年恒 定操作的较长使用寿命，在液体润滑时摩擦系数为约0.05,而在短暂干运转时间时摩擦系 数为约0.15。
[0010] 聚四氟乙烯(PTFE)也可用作石墨的替代品，作为旋转滑环的材料。然而，由于其极 低耐压性和极低耐磨性，PTFE与陶瓷的配对件仅适用于必须仅承受少量负载的密封件，故 而未广泛使用。
[0011] 对于可承受明显更高负载的介质润滑轴滑环密封件而言，使用来自陶瓷对陶瓷的 组合并且优选地来自烧结碳化硅(SSiC)对SSiC的滑环密封配对件。采用这些配对件时，液 体润滑时可达到约0.05的摩擦系数;然而，约0.8的干运转摩擦系数非常高。因此在干运转 操作中这些滑环配对件可使用仅几分钟。通过使用碳化硅材料的变型形式（例如含石墨添 加剂的碳化硅），约10分钟的略微更长的干运转时间是可能的。然而，这些材料也不可用于 持久干运转操作。
[0012] 目前，石墨与陶瓷的材料配对件因此用于供使用的液体润滑滑环密封件，其中密 封必须适用于暂时干运转操作。
[0013] 迄今为止，尚未有供设计者使用的合适材料对，以用于滑环密封件的持久干运转。 由于仅短暂干运转时间是可能的，作为滑环密封件的石墨与陶瓷的配对件不能用于持久干 运转应用。另外，由于有较强噪声形成并且由于磨损的石墨从滑环密封件排出，该配对件也 是不利的。尤其对于必须能够持久性地干运转的搅拌器密封件而言，两种效应均是使用期 间不期望的。
[0014] 能够持久性地干运转的滑环密封件的结构性解决方案，是将滑环密封件构造为所 谓的气密封件，其中陶瓷与陶瓷配对，通过在摩擦对象之间建立气膜而大幅降低干摩擦。然 而，为了达到这一目的，需要非常高的RPM，通常大于10,000。此外，该解决方案在结构上非 常昂贵，并且迄今为止，仅用于大型设施，诸如陆上管道的气体压缩机。
[0015] 迄今为止，聚合物基材料尚未广泛用于介质润滑滑环密封件或位移栗，但尤其出 于简化过程和系统及降低与之相关的成本的原因，栗部件中的聚合物材料的比例随栗的每 次更新换代而增加。聚合物基材料的材料相关缺点是不良热耗散，这是由于小于l.〇W/m*K 的低热导率，在迄今为止还不足够的耐压性和耐磨性下的低尺寸稳定性。在滑环密封件操 作期间产生的摩擦热的高输出被聚合物材料非常差地耗散。此外，聚合物材料在相对较低 温度下就已失效。循环栗常常在约140°C下在加压水系统中操作。在这些条件下，多种常规 聚合物会由于水解和/或丧失机械强度而失效。
[0016] W0 2012/169604 A1描述了一种由包含聚邻苯二甲酰胺的树脂组合物制备的滑 环。另外，树脂组合物可包含填料，诸如碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、石墨、MoS 2、A12〇3、 MgO、氮化硼和PTFE粉末。然而，纤维粒子形式的陶瓷填料引起摩擦对象处的高磨损，并且树 脂组合物不能够干运转。基体材料不能进行热塑性加工。
[0017] W0 2010/054241 A2描述了一种用于制备热塑性滑环、尤其是极大直径的密封件 的方法。为此，将挤出的线料成形为环，并连接到正面。热塑性聚合物可包含PTFE或炭黑作 为填料。
[0018] 在位移栗诸如叶片栗中，烧结石墨自身已确立为用于湿运转和用于短暂干运转的 滑动元件的标准材料。一些专利申请也已提出聚合物基材料的使用。然而，由于其迄今为止 不令人满意的干运转能力，聚合物基材料的使用仅限于液体润滑栗。
[0019] DE 10 2008 019 440 A1提出了聚合物材料用于干运转真空栗中的滑动阀。所使 用的聚合物材料在干运转操作中并不优于石墨，并且仅具有有限的耐磨性。
[0020] DE 20 2009 000 690 U1描述了一种旋转位移栗，其具有由聚合物材料诸如特氟 隆或PEEK制成的轴承和位移元件。
[0021] DE 20 2007 012 565 U1描述了一种位移栗，其具有PEEK材料的转子。
[0022] EP 1 424 495 A2描述了一种正位移栗，其具有聚合物材料诸如PEEK、PPS和PES的 栗转子和/或转子叶片。所列出的材料仅具有有限的干运转能力，即，它们仅可短时间干运 转，并且还仅处于中等负载下。
[0023] 发明目的
[0024] 本发明因此论述了这样的目的:避免现有技术的缺点并且使聚合物滑动材料及由 其制成的滑环密封件可用，所述滑环密封件表现出较低因摩擦而致的损失，并且在湿运转 条件下甚至在较长运转时间内具有耐磨性，并且还能够持久性地干运转。此外，本发明论述 了这样的目的：使得用于干运转栗中的位移元件的聚合物基滑动材料可用，所述材料使得 延长干运转时间成为可能。
【发明内容】
[0025] 上述目的通过根据权利要求1所述的聚合物滑动材料、根据权利要求19所述的滑 环密封件以及根据权利要求24所述的聚合物滑动材料的用途来实现。聚合物滑动材料和滑 环密封件的优选的或尤其适当的实施例在从属权利要求2-18和20-23中给出。
[0026] 因此，本发明的主题是一种聚合物滑动材料，其包含聚合物基体材料和填料，该填 料包含增强粒子、硬质材料粒子和润滑剂。
[0027] 本发明的另一个主题是一种滑环密封件，其包括旋转滑环和静止配对环，根据本 发明旋转滑环和/或静止配对环围绕聚合物滑动材料。
[0028] 本发明的另一个主题是此类材料用于干运转应用，尤其是作为用于湿运转和干运 转的栗中的位移元件的材料的用途。
[0029] 根据本发明的聚合物滑动材料具有耐磨性和机械稳定性，并且与石墨不同的是， 能够持久性地干运转。耐磨性比石墨的耐磨性更好。
[0030] 根据本发明的聚合物滑动材料使得在湿运转和干运转中极低因摩擦而致的损失 成为可能。对于持久干运转操作而言适合的形式是作为旋转滑环和/或作为滑环密封件中 的静止配对环以及作为位移元件及湿运转和干运转栗，例如作为叶片栗中的滑动阀。
[0031] 根据本发明的滑环密封件产生极低摩擦损失并且以能够持久性地干 运转为特征。
[0032] 根据本发明的滑环密封件可经济有效地制备，并且以干运转时低噪声操作为特 征。
[0033] 使用根据本发明的聚合物滑动材料作为位移元件，使得干运转栗低噪声操作成为 可能。
[0034]优选地，根据本发明的聚合物滑动材料具有1.4-1.6g/cm3的低比密度。这是优于 石墨(密度2.2g/cm3)的另一个优点，并且在旋转位移栗中，另外还降低了性能损失，这是由 于降低了作用于摩擦对象的法向力。
[0035] 根据本发明的聚合物滑动材料可通过注模制备，这使具有许多设计可能性的部件 的制备变得简单且具有成本效益。
[0036] 之前用作栗应用中的标准材料的烧结石墨材料因此可被替换为根据本发明的聚 合物滑动材料。因此，聚合物材料可首次用于栗中的滑环密封件，所述滑环密封件在最多约 16巴的轻微到中等负载下操作。
[0037]根据本发明的滑环密封件的干运转摩擦系数比含聚合物材料的能与之相比滑环 密封件的干运转摩擦系数更低，所述能与之相比滑环密封件在添加增强纤维和干润滑剂但 未使用硬质材料粒子、尤其是亚微米陶瓷粒子的情况下制备。
[0038]这种特性改善出人意料，因为陶瓷材料一般具有非常高的干摩擦系数并且不能够 干运转。陶瓷/钢和陶瓷/陶瓷配对件的干摩擦系数>0.5。另一方面，烧结石墨在与钢和陶瓷 配对时具有0.15-0.2的干摩擦系数。可用根据本发明的滑环密封件实现的干摩擦系数低于 0.1，并且因此低于可用石墨与陶瓷或者石墨与钢的标准配对件实现的值。对于本领域技术 人员而言，这种特性改善也是令人惊讶的。
[0039] 根据本发明的滑环密封件的另一个优点是温度在干运转操作中仅略微升高，这对 于保护二级聚合物密封件诸如〇形环是尤其必要的。
[0040] 当干运转时，即使在非常高的负载下，诸如3000RPM的旋转速度和0.6MPa的表面压 力，所研究的根据本发明的聚合物滑动材料的旋转滑环也呈现非常平坦的表面，所述表面 几乎没有磨损迹象。即使在一小时的较长时间使用之后，滑动表面也是平坦的，并且仅显示 出对可靠机械接合的最轻微影响。因此，即使在无液体润滑的连续操作条件下，也能保持极 低摩擦系数。
[0041] 在湿运转条件下，包含作为旋转滑环的根据本发明的聚合物材料以及作为配对环 的Al2〇3陶瓷的根据本发明的滑环密封件的0.015摩擦系数处于所测量的值的中间，并且因 此比由石墨和陶瓷制成的常规滑环密封件的摩擦系数小三分之一。
【具体实施方式】
[0042] 家用和机动车循环栗中所用的在介质中具有高耐化学性的材料，诸如水、油、制动 流体和乙二醇，适合作为用于根据本发明的聚合物滑动材料的聚合物基体材料。此外，聚合 物基体材料应适用于在最大使用温度下连续操作。最大使用温度对于水为140°C，对于油为 220°C。聚合物基体材料的玻璃化转变温度应高于这些温度。出于制造原因，聚合物基体材 料优选地应为可热塑性加工的。此外，聚合物基体材料应具有良好耐压性和高弹性模量，以 便在几乎不变形的情况下吸收机械力。
[0043] 这些要求特别通过高温塑料来满足，所述高温塑料可进行热塑性加工，优选地用 作聚合物基体材料并且包括下列类别的材料:聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚酮(PAEK)、聚苯硫醚 (PPS)、聚醚砜(PES，PESU)、聚芳砜(PSU，PPSU)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺(PA)和液晶聚合 物(LCP)。然而，也可使用不能进行热塑性加工的其他聚合物基体材料，诸如下列材料:聚酰 亚胺(PI)、聚苯并咪挫(PBI)和聚四氟乙烯(PTFE)。这些类别的材料的组合也是可能的。
[0044] 根据本发明的聚合物滑动材料包含填料，所述填料也可称为摩擦助剂。增强粒子、 润滑剂和硬质材料粒子用作填料。
[0045] 增强粒子的功能是在机械上增强聚合物材料。特别地，纤维状粒子诸如碳纤维和/ 或芳纶纤维适合作为增强粒子。增强粒子的添加增加了聚合物材料的弹性模量。随着弹性 模量增加，给定压力下的弹性形变减少，故而由此制备的栗部件诸如旋转滑环的压力吸收 能力以及滑环密封件的承载能力增强。因为它们支持滑动特性并且降低滑环密封件的配对 环处的磨损性，特别优选的是，碳纤维用作用于根据本发明的聚合物滑动材料的机械增强 粒子。
[0046]增强粒子的含量和粒度或纤维长度以一定方式选择，使得得到的刚度和强度值对 于各自设计而言是最佳的。优选地，基于聚合物滑动材料计，增强粒子的含量为1-20重 量％，特别是5-20重量％。
[0047] 优选地，优选地用作增强粒子的纤维诸如碳纤维的长度小于200μπι，因为在配混和 注模期间更长的纤维不稳定。
[0048] 作为用于根据本发明的聚合物滑动材料的硬质材料粒子，可使用碳化硅粒子、碳 化硼粒子、氧化铝粒子、二氧化硅粒子、二氧化锆粒子、氮化硅粒子和金刚石粒子。这些硬质 材料粒子的组合也是可能的。优选地，使用碳化硅、碳化硼、氧化铝和二氧化硅粒子或这些 粒子的组合。
[0049] 优选地，碳化硅粒子用作硬质材料粒子。碳化硅填料具有>9.5Mohs的硬度，因此比 所有天然存在的研磨材料(金刚石除外)更硬。另外，几乎在所有液栗介质中，碳化硅具有非 常好的耐腐蚀性，其远远超过已知聚合物基体材料的耐腐蚀性。
[0050] 含碳化硅填料的形式的另一个优点是碳化硅大于120W/m*K的非常高的热导率，故 而即使在复合材料中，所产生的摩擦热也可有效耗散。
[0051] 因为在加工并与配对环摩擦接触时粗粒陶瓷填料具有高度研磨性，平均粒度(d50) 不大于lym的极细颗粒优选地用作硬质材料粒子。特别优选的情形是硬质材料粒子的平均 粒度(d 5Q)小于Ιμπι(亚微米粒子），并且甚至更优选的情形是其不超过0.8μπι。
[0052] 硬质材料粒子优选地具有2或更低的低纵横比（长度与直径之比）；这对降低磨损 具有有利作用。
[0053]硬质材料的含量可在直到粒子理论堆积密度极限的宽范围内选择。优选地，硬质 材料粒子的含量为1-30重量％;可用这些含量获得聚合物材料的良好机械特性。特别优选 的情形是加入5-20重量％硬质材料粒子，每种情况下均基于聚合物滑动材料计。
[0054]基于聚合物滑动材料计，增强粒子和硬质材料粒子的总含量优选地为2-50重 量％，特别是10-30重量％。
[0055]根据各自应用所需的硬度、刚度和强度来选择增强粒子与硬质材料粒子的混合比 率。
[0056]作为润滑剂，合适的是例如石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、氮化硼和二硫化钼(M〇S2)。 也可考虑有机硅油。润滑剂优选地以润滑性粒子的形式使用。
[0057] 润滑性粒子的平均粒度(d5Q)优选地为1-50μηι。
[0058]特别优选的是，石墨粒子与PTFE粒子的组合用作润滑性粒子。
[0059]基于聚合物滑动材料计，润滑剂的总含量优选地为1-40重量％，特别是10-30重 量％。
[0060] 出于加工原因，增强粒子、硬质材料粒子和润滑剂的总含量应不超过70重量％。基 于聚合物滑动材料计，增强粒子、硬质材料粒子和润滑剂的总含量优选地在3与70重量％之 间，特别是在30与50重量％之间。基于聚合物滑动材料计，聚合物基体材料的总含量优选地 为30-97重量％，特别是50-70重量％。
[0061] 相对于硬质材料粒子与增强粒子的总量而言，硬质材料粒子优选的含量为20-90 重量％，特别是40-80重量％。
[0062] 相对于硬质材料粒子与润滑剂的总量而言，硬质材料粒子优选的含量为10-70重 量％，特别是25-60重量％。
[0063]相对于增强粒子与润滑剂的总量而言，增强粒子优选的含量为10-70重量％，特别 是25-45重量％。
[0064] 在一个优选的实施例中，碳纤维、SiC亚微米粒子和润滑剂粒子的组合用作用于根 据本发明的聚合物滑动材料的填料。此处同样地，有利的是将石墨粒子与PTFE粒子的优选 组合用作润滑剂粒子。
[0065] 根据本发明的聚合物滑动材料的弹性模量即刚度为至少7GPa。
[0066] 根据本发明的滑环密封件的旋转滑环和/或旋转配对环包括根据本发明的聚合物 滑动材料。在一个优选的实施例中，根据本发明的滑环密封件的旋转滑环和/或静止配对环 由根据本发明的聚合物滑动材料构造。
[0067] 包括根据本发明的聚合物滑动材料的、根据本发明的滑环密封件的旋转滑环或配 对环的滑 动对象，即静止配对环或同样旋转滑环，可由常规滑环密封件材料诸如陶瓷、石 墨、硬金属、金属或青铜构造。
[0068] 在另一个可能的实施例中，旋转滑环和静止配对环两者均由聚合物材料制成;优 选地，两种环均由根据本发明的聚合物滑动材料制成。通过这些手段，可更进一步降低滑环 密封件的总成本。
[0069] 优选地，根据本发明的滑环密封件的旋转滑环由根据本发明的聚合物滑动材料构 造。
[0070] 在根据本发明的滑环密封件的一个优选实施例中，旋转滑环由根据本发明的聚合 物滑动材料制成，并且配对环由钢制成。该实施例特别适用于油和液压应用。
[0071] 在根据本发明的滑环密封件的另一个优选实施例中，滑环由根据本发明的聚合物 滑动材料制成，并且配对环由紧密且细粒的烧结陶瓷诸如氧化铝制成。来自烧结碳化硅 (SSiC)的构造特别有利。合适的碳化硅材料可以商品名EKasic? F得自优司科高科技制陶 有限公司（ESK Ceramics GmbH&Co.KG)，并且具有>120W/m*K的热导率。
[0072] 旋转滑环和/或静止配对环的滑动表面优选地应具有非常高的表面质量，即低粗 糙度值。可以表明摩擦系数和磨损可通过减少滑环和/或配对环的粗糙度值而显著降低。特 别优选的情形是滑环和配对环两者具有抛光的滑动表面。
[0073] 配对环的滑动表面应优选地以很小平整度偏差来构造。
[0074] 根据本发明的聚合物滑动材料可在干运转条件下连续使用。
[0075] 除了其用于滑环密封件之外，根据本发明的聚合物滑动材料还可用作湿运转和干 运转栗中的位移元件。位移元件的例子为位移栗诸如真空叶片栗中的滑动阀以及齿轮栗中 的压力板。此外，根据本发明的聚合物滑动材料还可用作径向轴承和轴向轴承中的部件。
[0076] 根据本发明的聚合物滑动材料的位移元件和根据本发明的滑环密封件可在热水 循环栗、饮用水栗、用于内燃机和电驱动器的冷水循环栗、用于冷凝冷却循环的压缩栗、用 于制动助力器的真空栗、用于制动流体(ESP和ABS系统）的位移栗、用于冷却控制柜的冷却 水循环栗、液压单元和激光装置中使用。
[0077] 除了干运转应用之外，根据本发明的聚合物滑动材料的位移元件还可用于腐蚀性 介质诸如碱性溶液和酸、溶剂、油、低粘度脂肪和制动流体中的应用。
[0078] 此外，根据本发明的滑环密封件还适用于电动机(尤其是小电机）中的密封件，只 要确保用油、脂肪或其他润滑剂实现持久润滑即可。
[0079] 根据本发明的聚合物滑动材料优选地通过热塑性注模工艺转化为诸如根据本发 明的滑环密封件的滑环和配对环之类的部件，以及转化为位移元件。具有苛刻的复杂性和 功能集成要求的部件也可在工业规模上通过热塑性注模工艺制备。本领域的惯用方法诸如 双螺杆挤出用于混合和配混聚合物滑动材料。
[0080] 为了改善分散特性，在混合和配混硬质材料粒子之前，可例如通过喷雾干燥，使硬 质材料粒子团聚。此处团聚体的平均尺寸优选地为70_150μπι。在用标准设置下的双螺杆挤 出进行配混期间团聚体容易解体，并且甚至在最多至30重量％的硬质材料粒子的高含量 下，也能实现有效挤出工艺。对于亚微米范围内的粒度而言对非团聚的硬质材料粒子的加 工不是优选的。
[0081] 制备聚合物基体材料的其他已知方法也可用于制备根据本发明的聚合物滑动材 料。
[0082] 实例和比较例
[0083] 实例 1
[0084] 通过热塑性双螺杆挤出来制备填充聚合物材料。用于通过双螺杆挤出来配混的组 合物包含60重量％ PEEK (V ictrexK PEEK 150)、10重量％石墨、10重量％ PTFE、10重量％碳纤 维和10重量％碳化硅粉末。
[0085] 碳化硅粉末具有>96%的纯度和150nm的平均粒度(d5Q)。为了改善分散特性，通过 从水性悬浮液喷雾干燥，使碳化硅粉末团聚。喷雾干燥的团聚体的平均尺寸为1 ΟΟμπι。
[0086] 在用标准设置下的双螺杆挤出进行配混期间团聚体容易解体，并且使得有效挤出 工艺成为可能。
[0087] 实例2
[0088] 通过热塑性双螺杆挤出来制备填充聚合物材料。用于在双螺杆挤出机中配混的组 合物包含55重量％??3(得自泰科纳公司（1^(：〇1^)的？(^让〇11 0203)、10重量％石墨、10重 量％ PTFE、10重量％碳纤维和15重量％碳化硅粉末。实例1中使用的团聚粉末用作碳化硅粉 末。
[0089] 实例3
[0090] 通过热塑性双螺杆挤出来制备填充聚合物材料。用于在双螺杆挤出机中配混的组 合物包含60重量％PESU(聚醚砜;Ultrason Ε 1010,巴斯夫公司（BASF))、10重量％石墨、10 重量％ PTFE、10重量％碳纤维和10重量％碳化硅粉末。实例1中使用的粉末用作碳化硅粉 末。
[0091] 实例4
[0092] 在环上环(ring-on-ring)类型的测试台中进行干运转测试。为此，通过对挤出的 杆进行机械加工，来制备用于定子的实例1的材料的环。所述环具有30mm的外径D a和20mm的 内径Di以及16mm的高度h。所述环的滑动表面经精细抛光，并且随后将所述环插入干运转测 试台的定子样品架中。将具有精细抛光表面的1.4713不锈钢的环插入用于转子的样品架 中。将定子的滑动表面以〇.2MPa的接触压力气动地按压在转子的滑动表面上。在启动电机 之后，转子以1000RPM旋转，这对应于1.3m/s的平均滑动速度。安装定子，使得其可旋转并且 由线材保持，该线材引向测压元件，从而可测量所传递的摩擦力。测量温度的热电偶也紧固 到定子。摩擦系数由测压元件的测量信号来计算，并且与温度一起被记录为时间的函数。
[0093] 摩擦系数μ由如下计算：
[0094] μ= (FLMD*rLMD)/(P:F.l.achfi*AReib*rReib)
[0095] 其中
[0096] Flmd[N]为由测压元件测量的摩擦力 [0097] rLMD[mm]为摩擦力测量处的半径
[0098] pFlMie[N/mm2]为环的表面压力
[0099] AReib[mm2]为接合表面积
[0100] rReib[mm]为摩擦表面的平均半径。
[0101]由所获得的测量值测定的整个运转时间内的平均摩擦系数，以及实验一小时后在 定子处测量的温度，用作干运转能力的评价参数。
[0102] 表1示出所获得的测量值。
[0103] 摩擦系数越高，热量形式的摩擦能就越大，并且温度升高越快。温度不仅取决于已 引入的摩擦热，而且取决于摩擦对象的热特性(热容、热导率、样品中及样品架上方、整个测 量设备中的热流）。如果摩擦系数较低，则温度仅缓慢上升，然后稳定在平台值，所述平台值 在表1的"注释"列中由表述"平台值"指示。对于根据本发明的所有实例均观察到该行为。在 高摩擦系数下，温度连续上升，直到在>150°c的温度处，测试台关闭。
[0104] 表1的实例对于干运转的适合性在表2中单独地针对应急操作模式和连续使用给 出。
[0105] 能在不过热的情况下应对润滑性介质的短暂失效的材料，被评定为能够在不过热 的情况下干运转。就这一点而言，最多30分钟的时间被视为短暂的。导致过热或几分钟后失 效的材料不能够以应急操作模式干运转。
[0106] 可在无润滑性介质且不过热的情况下运转更长时间的材料，被归类为对于连续使 用而言能够干运转。一小时或一小时以上的时间被视为更长时间。持久性地干运转的能力 的另一个基本标准是恒定温度水平(平台）调节到低于对于系统部件关键的温度(例如，对 于此处进行的实验，测试台可允许的最大温度为150°C)。当在干运转期间引入系统中的摩 擦热如此轻微以致该摩擦热可被系统吸收或再一次耗散而不会使温度进一步升高时，就是 这种情况。通过此类手段，确保了温度持久性地保持较低。
[0107] 实例5
[0108]重复实例4;然而，定子由实例2的材料制备。
[0109]所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0110] 实例6-8
[0111] 重复实例4;然而，接触压力和滑动速度有所变动，如表1中所示。
[0112]所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0113] 即使在非常高 的负载诸如1000RPM的旋转速度和处于0.6MPa的表面压力之后，根 据本发明的材料的摩擦试样，在实例4-8的干运转测试进行后检查，显示出几乎没有磨损迹 象的非常平坦的表面。
[0114] 参考例1
[0115] 重复实例5的干运转测试;然而，用于干运转测试的定子环由与实例1相对应但未 添加碳化硅的亚微米硬质材料粒子的材料制备。作为用于PEEK材料的填料，使用10重量％ 石墨、10重量％ PTFE和10重量％碳纤维（70重量％ PEEK)。
[0116] 所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0117] 4.5分钟后实验终止，因为定子处的温度已为70°C，并且如此急剧的进一步升温会 导致定子的熔化。
[0118] 参考例2
[0119] 重复实例5的干运转测试;然而，用于干运转测试的定子环由与实例2相对应但未 添加碳化硅的亚微米硬质材料粒子的材料制备。作为用于PPS材料的填料，使用10重量％石 墨、10重量％ PTFE和10重量％碳纤维（70重量％ PPS)。
[0120] 所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0121] 2.5分钟后实验终止，因为定子处的温度已为70°C，并且如此急剧的进一步升温会 导致定子的熔化。
[0122] 比较例1:
[0123] 重复实例5的干运转测试;然而，不同的是用于干运转测试的定子环由已浸渍有锑 的碳石墨(EK3205,西格里碳素公司（SGL Carbon))制备。接触压力为0.2MPa并且滑动速度 为1.3m/s(与实例5中一样，参见表1)。
[0124] 所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0125] 在60分钟的实验时间后，定子处的温度为120°C并且还在上升。因此，滑环密封配 对件不能够在连续使用条件下干运转。
[0126] 所测试的滑环密封配对件可用于应急操作模式;然而，该配对件磨损所产生的移 除量显著高于根据本发明的实例4和5(参见表1，最后一列）。
[0127] 比较例2:
[0128] 重复实例8的干运转测试;然而，不同的是用于干运转测试的定子环由已浸渍有锑 的碳石墨(EK3205,西格里碳素公司（SGL Carbon))制备。接触压力为0.6MPa并且滑动速度 为3.9m/s(与实例9中一样，参见表1)。
[0129] 所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0130] 24分钟后实验终止，因为定子温度已为150°C并且干运转测试台并非针对更高温 度设计的。
[0131]藍
[0132] 环上环类型的干运转测试
[0133] Da = 30mm,Di = 20mm
[0134] 抵靠钢转子的干运转
[0135] 定子处的温度测量值
[0136] v = 1·3m/s(1000RPM)或3·9m/s(3000RPM)
[0137] p = 〇.2MPaS〇.4MPaS〇.6Mpa
[0138]
[0139] n.d.=未测定
[0140] 表2
[0141]
【主权项】
1. 一种聚合物滑动材料，包含聚合物基体材料和填料，其中所述填料包含增强粒子、硬 质材料粒子和润滑剂。2. 根据权利要求1所述的聚合物滑动材料，其中所述聚合物基体材料选自聚醚醚酮 (PEEK)、聚芳醚酮（PAEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES，PESU)、聚芳砜(PSU，PPSU)、聚醚酰 亚胺(PEI)、聚酰胺(PA)、液晶聚合物(LCP)以及它们的组合。3. 根据权利要求1或2所述的聚合物滑动材料，其中所述增强粒子包括纤维状粒子。4. 根据权利要求3所述的聚合物滑动材料，其中所述纤维状粒子包括碳纤维和/或芳纶 纤维。5. 根据权利要求1至4中的一项所述的聚合物滑动材料，其中基于所述聚合物滑动材料 计，所述增强粒子的含量为1重量％_20重量％并且优选地为5重量％_20重量％。6. 根据权利要求1至5中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述硬质材料粒子选自碳 化硅粒子、碳化硼粒子、氧化铝粒子、二氧化硅粒子、氧化锆粒子、氮化硅粒子和金刚石粒子 以及它们的组合，优选地选自碳化硅、碳化硼、氧化铝和二氧化硅粒子以及它们的组合。7. 根据权利要求6所述的聚合物滑动材料，其中所述硬质材料粒子包括碳化硅粒子。8. 根据权利要求1至7中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述硬质材料粒子包括亚 微米粒子。9. 根据权利要求1至8中的一项所述的聚合物滑动材料，其中基于所述聚合物滑动材料 计，所述硬质材料粒子的含量为1重量％_30重量％并且优选地为5重量％_20重量％。10. 根据权利要求1至9中的一项所述的聚合物滑动材料，其中基于所述聚合物滑动材 料计，所述增强粒子和所述硬质材料粒子的总含量为2重量％-50重量％并且优选地为10重 量％ -30重量％。11. 根据权利要求1至10中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述润滑剂选自石墨粒 子、聚四氟乙烯(PTFE)粒子、氮化硼粒子和二硫化钼(Mo&)粒子以及它们的组合。12. 根据权利要求1至11中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述润滑剂为石墨粒子 与PTFE粒子的组合。13. 根据权利要求1至12中的一项所述的聚合物滑动材料，其中基于所述聚合物滑动材 料计，所述润滑剂的总含量为1重量％ -40重量％并且优选地为10重量％ -30重量％。14. 根据权利要求1至13中的一项所述的聚合物滑动材料，其中基于所述聚合物滑动材 料计，所述增强粒子、硬质材料粒子和润滑剂的总含量为3重量％_70重量％并且优选地为 30重量％-50重量％。15. 根据权利要求1至14中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述硬质材料粒子在所 述增强粒子与所述硬质材料粒子的总量中的比例为20重量％-90重量％并且优选地为40重 量％-80重量％。16. 根据权利要求1至15中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述硬质材料粒子在所 述硬质材料粒子与所述润滑剂的总量中的比例为10重量％_70重量％并且优选地为25重 量％_60重量％。17. 根据权利要求1至16中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述增强粒子在所述增 强粒子与润滑剂的总量中的比例为10重量％ -70重量％并且优选地为25重量％-45重量％。18. 根据权利要求1至17中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述聚合物滑动材料的 弹性模量为至少7GPa。19. 一种滑环密封件，包括旋转滑环和静止配对环，其中所述滑环和/或所述配对环包 括根据权利要求1至18中至少一项所述的聚合物滑动材料。20. 根据权利要求19所述的滑环密封件，其中所述滑环由根据权利要求1至18中的一项 所述的聚合物滑动材料构造，并且所述配对环由钢构造。21. 根据权利要求19所述的滑环密封件，其中所述滑环由根据权利要求1至18中的一项 所述的聚合物滑动材料构造，并且所述配对环由烧结陶瓷构造，优选地由烧结碳化硅 (SSiC)构造。22. 根据权利要求19至21中的一项所述的滑环密封件，其中所述旋转滑环和/或所述静 止配对环的滑动表面是抛光的。23. 根据权利要求19至22中的一项所述的滑环密封件，其中所述旋转滑环和所述静止 配对环的滑动表面是抛光的。24. -种根据权利要求1至18中的一项所述的聚合物滑动材料的用途，所述聚合物滑动 材料作为用于湿运转栗和干运转栗中的位移元件的材料。
【专利摘要】本发明涉及一种具有干运转能力的摩擦减小的聚合物材料，其包含聚合物基体材料和填料，其中所述填料包含增强粒子、高硬度材料的粒子以及润滑剂粒子。本发明还涉及一种机械端面密封件，其包括旋转减摩擦环和静止配对环，其中所述减摩擦环和/或所述配对环包含具有干运转能力的摩擦减小的聚合物材料。本发明还涉及这些具有干运转能力的聚合物材料用于干运转应用的用途，更具体地讲，用作用于湿和干运转泵中的位移元件的材料。
【IPC分类】C08K3/00
【公开号】CN105492516
【申请号】CN201480017461
【发明人】阿尔明·卡瑟尔, 乌尔苏拉·卡瑟尔, 弗洛里安·格里姆
【申请人】3M创新有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年3月21日
【公告号】EP2976382A2, US20160122682, WO2014147221A2, WO2014147221A3
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能够干运转的聚合物滑动材料，涉及能够干运转的包括聚合物滑动材 料的滑环的滑环密封件，以及涉及此类材料用于干运转应用、尤其是用作湿运转栗和干运 转栗中的位移元件的用途。
【背景技术】
[0002] 介质润滑滑环密封件用作例如栗驱动器中的驱动轴密封件，其中它们将液体压力 密封，与周围环境和驱动机构阻隔开。由于其简单的构造和其性能，具有滑环密封件的栗广 泛用于输送并循环液体。
[0003] 对于该类型的栗而言，约50 %的损坏由滑环密封件引起，并且超过一半的这些情 况归咎于滑环密封件干运转这样的事实。干运转可由有缺陷的处理引起，尤其是液体供应 中断的情况。
[0004] 滑环密封件的特殊构造也可持久性地干运转，在这种情况下在例如压力容器的衬 套处密封搅拌器轴。迄今为止，搅拌器密封件一直由石墨和碳化硅的滑环密封配对件制成。 然而，这些材料的性能是有限的。对于多种应用而言，尤其是所造成的石墨磨蚀不可接受。
[0005] 对于持久性地干运转或由介质润滑的滑环密封件而言，机械摩擦损失以热量输入 进入液体润滑性介质中和轴承座中的形式耗散。在干运转条件下不存在液体润滑的情况 下，摩擦损失以及热量的输入明显增加。另外，热量不会被液体耗散。因此，在常规密封配对 件诸如SiC/SiC或AI2O3/AI2O3中，几分钟内就产生大于200°C的温度，这对静止的二级密封 件直接造成热损坏。二级密封件通常由弹性材料构造成〇形环。该类型的密封件损坏是造成 现代循环栗中约50 %所有栗损坏的原因。
[0006] 位移栗诸如真空叶片栗在用作制动助力器时，在操作状态下也不用液体润滑。在 该工序中，累积压力的位移元件(滑动阀）抵靠栗壳体摩擦。这引起摩擦接触中的高摩擦热， 并且引起高热量输入进入壳体和驱动机构中。同样对于该类型的栗而言，热损坏是长久干 运转时间之后失效的主要原因。
[0007] 在其他位移栗诸如齿轮栗中，位移元件(齿轮)支撑在压力板之间。压力板与齿轮 (两者通常由钢制成)之间的摩擦接触，导致高摩擦损失和性能损失。当暂时性地干运转时， 可能易于发生热过载。
[0008] 现有技术
[0009] 在具有介质润滑轴-滑环密封件的当今类型的栗中，通常使用滑环密封配对件，其 由石墨的旋转滑环和烧结陶瓷的静止配对环组成。采用这些配对件时，可实现长达10年恒 定操作的较长使用寿命，在液体润滑时摩擦系数为约0.05,而在短暂干运转时间时摩擦系 数为约0.15。
[0010] 聚四氟乙烯(PTFE)也可用作石墨的替代品，作为旋转滑环的材料。然而，由于其极 低耐压性和极低耐磨性，PTFE与陶瓷的配对件仅适用于必须仅承受少量负载的密封件，故 而未广泛使用。
[0011] 对于可承受明显更高负载的介质润滑轴滑环密封件而言，使用来自陶瓷对陶瓷的 组合并且优选地来自烧结碳化硅(SSiC)对SSiC的滑环密封配对件。采用这些配对件时，液 体润滑时可达到约0.05的摩擦系数;然而，约0.8的干运转摩擦系数非常高。因此在干运转 操作中这些滑环配对件可使用仅几分钟。通过使用碳化硅材料的变型形式（例如含石墨添 加剂的碳化硅），约10分钟的略微更长的干运转时间是可能的。然而，这些材料也不可用于 持久干运转操作。
[0012] 目前，石墨与陶瓷的材料配对件因此用于供使用的液体润滑滑环密封件，其中密 封必须适用于暂时干运转操作。
[0013] 迄今为止，尚未有供设计者使用的合适材料对，以用于滑环密封件的持久干运转。 由于仅短暂干运转时间是可能的，作为滑环密封件的石墨与陶瓷的配对件不能用于持久干 运转应用。另外，由于有较强噪声形成并且由于磨损的石墨从滑环密封件排出，该配对件也 是不利的。尤其对于必须能够持久性地干运转的搅拌器密封件而言，两种效应均是使用期 间不期望的。
[0014] 能够持久性地干运转的滑环密封件的结构性解决方案，是将滑环密封件构造为所 谓的气密封件，其中陶瓷与陶瓷配对，通过在摩擦对象之间建立气膜而大幅降低干摩擦。然 而，为了达到这一目的，需要非常高的RPM，通常大于10,000。此外，该解决方案在结构上非 常昂贵，并且迄今为止，仅用于大型设施，诸如陆上管道的气体压缩机。
[0015] 迄今为止，聚合物基材料尚未广泛用于介质润滑滑环密封件或位移栗，但尤其出 于简化过程和系统及降低与之相关的成本的原因，栗部件中的聚合物材料的比例随栗的每 次更新换代而增加。聚合物基材料的材料相关缺点是不良热耗散，这是由于小于l.〇W/m*K 的低热导率，在迄今为止还不足够的耐压性和耐磨性下的低尺寸稳定性。在滑环密封件操 作期间产生的摩擦热的高输出被聚合物材料非常差地耗散。此外，聚合物材料在相对较低 温度下就已失效。循环栗常常在约140°C下在加压水系统中操作。在这些条件下，多种常规 聚合物会由于水解和/或丧失机械强度而失效。
[0016] W0 2012/169604 A1描述了一种由包含聚邻苯二甲酰胺的树脂组合物制备的滑 环。另外，树脂组合物可包含填料，诸如碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、石墨、MoS 2、A12〇3、 MgO、氮化硼和PTFE粉末。然而，纤维粒子形式的陶瓷填料引起摩擦对象处的高磨损，并且树 脂组合物不能够干运转。基体材料不能进行热塑性加工。
[0017] W0 2010/054241 A2描述了一种用于制备热塑性滑环、尤其是极大直径的密封件 的方法。为此，将挤出的线料成形为环，并连接到正面。热塑性聚合物可包含PTFE或炭黑作 为填料。
[0018] 在位移栗诸如叶片栗中，烧结石墨自身已确立为用于湿运转和用于短暂干运转的 滑动元件的标准材料。一些专利申请也已提出聚合物基材料的使用。然而，由于其迄今为止 不令人满意的干运转能力，聚合物基材料的使用仅限于液体润滑栗。
[0019] DE 10 2008 019 440 A1提出了聚合物材料用于干运转真空栗中的滑动阀。所使 用的聚合物材料在干运转操作中并不优于石墨，并且仅具有有限的耐磨性。
[0020] DE 20 2009 000 690 U1描述了一种旋转位移栗，其具有由聚合物材料诸如特氟 隆或PEEK制成的轴承和位移元件。
[0021] DE 20 2007 012 565 U1描述了一种位移栗，其具有PEEK材料的转子。
[0022] EP 1 424 495 A2描述了一种正位移栗，其具有聚合物材料诸如PEEK、PPS和PES的 栗转子和/或转子叶片。所列出的材料仅具有有限的干运转能力，即，它们仅可短时间干运 转，并且还仅处于中等负载下。
[0023] 发明目的
[0024] 本发明因此论述了这样的目的:避免现有技术的缺点并且使聚合物滑动材料及由 其制成的滑环密封件可用，所述滑环密封件表现出较低因摩擦而致的损失，并且在湿运转 条件下甚至在较长运转时间内具有耐磨性，并且还能够持久性地干运转。此外，本发明论述 了这样的目的：使得用于干运转栗中的位移元件的聚合物基滑动材料可用，所述材料使得 延长干运转时间成为可能。
【发明内容】
[0025] 上述目的通过根据权利要求1所述的聚合物滑动材料、根据权利要求19所述的滑 环密封件以及根据权利要求24所述的聚合物滑动材料的用途来实现。聚合物滑动材料和滑 环密封件的优选的或尤其适当的实施例在从属权利要求2-18和20-23中给出。
[0026] 因此，本发明的主题是一种聚合物滑动材料，其包含聚合物基体材料和填料，该填 料包含增强粒子、硬质材料粒子和润滑剂。
[0027] 本发明的另一个主题是一种滑环密封件，其包括旋转滑环和静止配对环，根据本 发明旋转滑环和/或静止配对环围绕聚合物滑动材料。
[0028] 本发明的另一个主题是此类材料用于干运转应用，尤其是作为用于湿运转和干运 转的栗中的位移元件的材料的用途。
[0029] 根据本发明的聚合物滑动材料具有耐磨性和机械稳定性，并且与石墨不同的是， 能够持久性地干运转。耐磨性比石墨的耐磨性更好。
[0030] 根据本发明的聚合物滑动材料使得在湿运转和干运转中极低因摩擦而致的损失 成为可能。对于持久干运转操作而言适合的形式是作为旋转滑环和/或作为滑环密封件中 的静止配对环以及作为位移元件及湿运转和干运转栗，例如作为叶片栗中的滑动阀。
[0031] 根据本发明的滑环密封件产生极低摩擦损失并且以能够持久性地干 运转为特征。
[0032] 根据本发明的滑环密封件可经济有效地制备，并且以干运转时低噪声操作为特 征。
[0033] 使用根据本发明的聚合物滑动材料作为位移元件，使得干运转栗低噪声操作成为 可能。
[0034]优选地，根据本发明的聚合物滑动材料具有1.4-1.6g/cm3的低比密度。这是优于 石墨(密度2.2g/cm3)的另一个优点，并且在旋转位移栗中，另外还降低了性能损失，这是由 于降低了作用于摩擦对象的法向力。
[0035] 根据本发明的聚合物滑动材料可通过注模制备，这使具有许多设计可能性的部件 的制备变得简单且具有成本效益。
[0036] 之前用作栗应用中的标准材料的烧结石墨材料因此可被替换为根据本发明的聚 合物滑动材料。因此，聚合物材料可首次用于栗中的滑环密封件，所述滑环密封件在最多约 16巴的轻微到中等负载下操作。
[0037]根据本发明的滑环密封件的干运转摩擦系数比含聚合物材料的能与之相比滑环 密封件的干运转摩擦系数更低，所述能与之相比滑环密封件在添加增强纤维和干润滑剂但 未使用硬质材料粒子、尤其是亚微米陶瓷粒子的情况下制备。
[0038]这种特性改善出人意料，因为陶瓷材料一般具有非常高的干摩擦系数并且不能够 干运转。陶瓷/钢和陶瓷/陶瓷配对件的干摩擦系数>0.5。另一方面，烧结石墨在与钢和陶瓷 配对时具有0.15-0.2的干摩擦系数。可用根据本发明的滑环密封件实现的干摩擦系数低于 0.1，并且因此低于可用石墨与陶瓷或者石墨与钢的标准配对件实现的值。对于本领域技术 人员而言，这种特性改善也是令人惊讶的。
[0039] 根据本发明的滑环密封件的另一个优点是温度在干运转操作中仅略微升高，这对 于保护二级聚合物密封件诸如〇形环是尤其必要的。
[0040] 当干运转时，即使在非常高的负载下，诸如3000RPM的旋转速度和0.6MPa的表面压 力，所研究的根据本发明的聚合物滑动材料的旋转滑环也呈现非常平坦的表面，所述表面 几乎没有磨损迹象。即使在一小时的较长时间使用之后，滑动表面也是平坦的，并且仅显示 出对可靠机械接合的最轻微影响。因此，即使在无液体润滑的连续操作条件下，也能保持极 低摩擦系数。
[0041] 在湿运转条件下，包含作为旋转滑环的根据本发明的聚合物材料以及作为配对环 的Al2〇3陶瓷的根据本发明的滑环密封件的0.015摩擦系数处于所测量的值的中间，并且因 此比由石墨和陶瓷制成的常规滑环密封件的摩擦系数小三分之一。
【具体实施方式】
[0042] 家用和机动车循环栗中所用的在介质中具有高耐化学性的材料，诸如水、油、制动 流体和乙二醇，适合作为用于根据本发明的聚合物滑动材料的聚合物基体材料。此外，聚合 物基体材料应适用于在最大使用温度下连续操作。最大使用温度对于水为140°C，对于油为 220°C。聚合物基体材料的玻璃化转变温度应高于这些温度。出于制造原因，聚合物基体材 料优选地应为可热塑性加工的。此外，聚合物基体材料应具有良好耐压性和高弹性模量，以 便在几乎不变形的情况下吸收机械力。
[0043] 这些要求特别通过高温塑料来满足，所述高温塑料可进行热塑性加工，优选地用 作聚合物基体材料并且包括下列类别的材料:聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚酮(PAEK)、聚苯硫醚 (PPS)、聚醚砜(PES，PESU)、聚芳砜(PSU，PPSU)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺(PA)和液晶聚合 物(LCP)。然而，也可使用不能进行热塑性加工的其他聚合物基体材料，诸如下列材料:聚酰 亚胺(PI)、聚苯并咪挫(PBI)和聚四氟乙烯(PTFE)。这些类别的材料的组合也是可能的。
[0044] 根据本发明的聚合物滑动材料包含填料，所述填料也可称为摩擦助剂。增强粒子、 润滑剂和硬质材料粒子用作填料。
[0045] 增强粒子的功能是在机械上增强聚合物材料。特别地，纤维状粒子诸如碳纤维和/ 或芳纶纤维适合作为增强粒子。增强粒子的添加增加了聚合物材料的弹性模量。随着弹性 模量增加，给定压力下的弹性形变减少，故而由此制备的栗部件诸如旋转滑环的压力吸收 能力以及滑环密封件的承载能力增强。因为它们支持滑动特性并且降低滑环密封件的配对 环处的磨损性，特别优选的是，碳纤维用作用于根据本发明的聚合物滑动材料的机械增强 粒子。
[0046]增强粒子的含量和粒度或纤维长度以一定方式选择，使得得到的刚度和强度值对 于各自设计而言是最佳的。优选地，基于聚合物滑动材料计，增强粒子的含量为1-20重 量％，特别是5-20重量％。
[0047] 优选地，优选地用作增强粒子的纤维诸如碳纤维的长度小于200μπι，因为在配混和 注模期间更长的纤维不稳定。
[0048] 作为用于根据本发明的聚合物滑动材料的硬质材料粒子，可使用碳化硅粒子、碳 化硼粒子、氧化铝粒子、二氧化硅粒子、二氧化锆粒子、氮化硅粒子和金刚石粒子。这些硬质 材料粒子的组合也是可能的。优选地，使用碳化硅、碳化硼、氧化铝和二氧化硅粒子或这些 粒子的组合。
[0049] 优选地，碳化硅粒子用作硬质材料粒子。碳化硅填料具有>9.5Mohs的硬度，因此比 所有天然存在的研磨材料(金刚石除外)更硬。另外，几乎在所有液栗介质中，碳化硅具有非 常好的耐腐蚀性，其远远超过已知聚合物基体材料的耐腐蚀性。
[0050] 含碳化硅填料的形式的另一个优点是碳化硅大于120W/m*K的非常高的热导率，故 而即使在复合材料中，所产生的摩擦热也可有效耗散。
[0051] 因为在加工并与配对环摩擦接触时粗粒陶瓷填料具有高度研磨性，平均粒度(d50) 不大于lym的极细颗粒优选地用作硬质材料粒子。特别优选的情形是硬质材料粒子的平均 粒度(d 5Q)小于Ιμπι(亚微米粒子），并且甚至更优选的情形是其不超过0.8μπι。
[0052] 硬质材料粒子优选地具有2或更低的低纵横比（长度与直径之比）；这对降低磨损 具有有利作用。
[0053]硬质材料的含量可在直到粒子理论堆积密度极限的宽范围内选择。优选地，硬质 材料粒子的含量为1-30重量％;可用这些含量获得聚合物材料的良好机械特性。特别优选 的情形是加入5-20重量％硬质材料粒子，每种情况下均基于聚合物滑动材料计。
[0054]基于聚合物滑动材料计，增强粒子和硬质材料粒子的总含量优选地为2-50重 量％，特别是10-30重量％。
[0055]根据各自应用所需的硬度、刚度和强度来选择增强粒子与硬质材料粒子的混合比 率。
[0056]作为润滑剂，合适的是例如石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、氮化硼和二硫化钼(M〇S2)。 也可考虑有机硅油。润滑剂优选地以润滑性粒子的形式使用。
[0057] 润滑性粒子的平均粒度(d5Q)优选地为1-50μηι。
[0058]特别优选的是，石墨粒子与PTFE粒子的组合用作润滑性粒子。
[0059]基于聚合物滑动材料计，润滑剂的总含量优选地为1-40重量％，特别是10-30重 量％。
[0060] 出于加工原因，增强粒子、硬质材料粒子和润滑剂的总含量应不超过70重量％。基 于聚合物滑动材料计，增强粒子、硬质材料粒子和润滑剂的总含量优选地在3与70重量％之 间，特别是在30与50重量％之间。基于聚合物滑动材料计，聚合物基体材料的总含量优选地 为30-97重量％，特别是50-70重量％。
[0061] 相对于硬质材料粒子与增强粒子的总量而言，硬质材料粒子优选的含量为20-90 重量％，特别是40-80重量％。
[0062] 相对于硬质材料粒子与润滑剂的总量而言，硬质材料粒子优选的含量为10-70重 量％，特别是25-60重量％。
[0063]相对于增强粒子与润滑剂的总量而言，增强粒子优选的含量为10-70重量％，特别 是25-45重量％。
[0064] 在一个优选的实施例中，碳纤维、SiC亚微米粒子和润滑剂粒子的组合用作用于根 据本发明的聚合物滑动材料的填料。此处同样地，有利的是将石墨粒子与PTFE粒子的优选 组合用作润滑剂粒子。
[0065] 根据本发明的聚合物滑动材料的弹性模量即刚度为至少7GPa。
[0066] 根据本发明的滑环密封件的旋转滑环和/或旋转配对环包括根据本发明的聚合物 滑动材料。在一个优选的实施例中，根据本发明的滑环密封件的旋转滑环和/或静止配对环 由根据本发明的聚合物滑动材料构造。
[0067] 包括根据本发明的聚合物滑动材料的、根据本发明的滑环密封件的旋转滑环或配 对环的滑 动对象，即静止配对环或同样旋转滑环，可由常规滑环密封件材料诸如陶瓷、石 墨、硬金属、金属或青铜构造。
[0068] 在另一个可能的实施例中，旋转滑环和静止配对环两者均由聚合物材料制成;优 选地，两种环均由根据本发明的聚合物滑动材料制成。通过这些手段，可更进一步降低滑环 密封件的总成本。
[0069] 优选地，根据本发明的滑环密封件的旋转滑环由根据本发明的聚合物滑动材料构 造。
[0070] 在根据本发明的滑环密封件的一个优选实施例中，旋转滑环由根据本发明的聚合 物滑动材料制成，并且配对环由钢制成。该实施例特别适用于油和液压应用。
[0071] 在根据本发明的滑环密封件的另一个优选实施例中，滑环由根据本发明的聚合物 滑动材料制成，并且配对环由紧密且细粒的烧结陶瓷诸如氧化铝制成。来自烧结碳化硅 (SSiC)的构造特别有利。合适的碳化硅材料可以商品名EKasic? F得自优司科高科技制陶 有限公司（ESK Ceramics GmbH&Co.KG)，并且具有>120W/m*K的热导率。
[0072] 旋转滑环和/或静止配对环的滑动表面优选地应具有非常高的表面质量，即低粗 糙度值。可以表明摩擦系数和磨损可通过减少滑环和/或配对环的粗糙度值而显著降低。特 别优选的情形是滑环和配对环两者具有抛光的滑动表面。
[0073] 配对环的滑动表面应优选地以很小平整度偏差来构造。
[0074] 根据本发明的聚合物滑动材料可在干运转条件下连续使用。
[0075] 除了其用于滑环密封件之外，根据本发明的聚合物滑动材料还可用作湿运转和干 运转栗中的位移元件。位移元件的例子为位移栗诸如真空叶片栗中的滑动阀以及齿轮栗中 的压力板。此外，根据本发明的聚合物滑动材料还可用作径向轴承和轴向轴承中的部件。
[0076] 根据本发明的聚合物滑动材料的位移元件和根据本发明的滑环密封件可在热水 循环栗、饮用水栗、用于内燃机和电驱动器的冷水循环栗、用于冷凝冷却循环的压缩栗、用 于制动助力器的真空栗、用于制动流体(ESP和ABS系统）的位移栗、用于冷却控制柜的冷却 水循环栗、液压单元和激光装置中使用。
[0077] 除了干运转应用之外，根据本发明的聚合物滑动材料的位移元件还可用于腐蚀性 介质诸如碱性溶液和酸、溶剂、油、低粘度脂肪和制动流体中的应用。
[0078] 此外，根据本发明的滑环密封件还适用于电动机(尤其是小电机）中的密封件，只 要确保用油、脂肪或其他润滑剂实现持久润滑即可。
[0079] 根据本发明的聚合物滑动材料优选地通过热塑性注模工艺转化为诸如根据本发 明的滑环密封件的滑环和配对环之类的部件，以及转化为位移元件。具有苛刻的复杂性和 功能集成要求的部件也可在工业规模上通过热塑性注模工艺制备。本领域的惯用方法诸如 双螺杆挤出用于混合和配混聚合物滑动材料。
[0080] 为了改善分散特性，在混合和配混硬质材料粒子之前，可例如通过喷雾干燥，使硬 质材料粒子团聚。此处团聚体的平均尺寸优选地为70_150μπι。在用标准设置下的双螺杆挤 出进行配混期间团聚体容易解体，并且甚至在最多至30重量％的硬质材料粒子的高含量 下，也能实现有效挤出工艺。对于亚微米范围内的粒度而言对非团聚的硬质材料粒子的加 工不是优选的。
[0081] 制备聚合物基体材料的其他已知方法也可用于制备根据本发明的聚合物滑动材 料。
[0082] 实例和比较例
[0083] 实例 1
[0084] 通过热塑性双螺杆挤出来制备填充聚合物材料。用于通过双螺杆挤出来配混的组 合物包含60重量％ PEEK (V ictrexK PEEK 150)、10重量％石墨、10重量％ PTFE、10重量％碳纤 维和10重量％碳化硅粉末。
[0085] 碳化硅粉末具有>96%的纯度和150nm的平均粒度(d5Q)。为了改善分散特性，通过 从水性悬浮液喷雾干燥，使碳化硅粉末团聚。喷雾干燥的团聚体的平均尺寸为1 ΟΟμπι。
[0086] 在用标准设置下的双螺杆挤出进行配混期间团聚体容易解体，并且使得有效挤出 工艺成为可能。
[0087] 实例2
[0088] 通过热塑性双螺杆挤出来制备填充聚合物材料。用于在双螺杆挤出机中配混的组 合物包含55重量％??3(得自泰科纳公司（1^(：〇1^)的？(^让〇11 0203)、10重量％石墨、10重 量％ PTFE、10重量％碳纤维和15重量％碳化硅粉末。实例1中使用的团聚粉末用作碳化硅粉 末。
[0089] 实例3
[0090] 通过热塑性双螺杆挤出来制备填充聚合物材料。用于在双螺杆挤出机中配混的组 合物包含60重量％PESU(聚醚砜;Ultrason Ε 1010,巴斯夫公司（BASF))、10重量％石墨、10 重量％ PTFE、10重量％碳纤维和10重量％碳化硅粉末。实例1中使用的粉末用作碳化硅粉 末。
[0091] 实例4
[0092] 在环上环(ring-on-ring)类型的测试台中进行干运转测试。为此，通过对挤出的 杆进行机械加工，来制备用于定子的实例1的材料的环。所述环具有30mm的外径D a和20mm的 内径Di以及16mm的高度h。所述环的滑动表面经精细抛光，并且随后将所述环插入干运转测 试台的定子样品架中。将具有精细抛光表面的1.4713不锈钢的环插入用于转子的样品架 中。将定子的滑动表面以〇.2MPa的接触压力气动地按压在转子的滑动表面上。在启动电机 之后，转子以1000RPM旋转，这对应于1.3m/s的平均滑动速度。安装定子，使得其可旋转并且 由线材保持，该线材引向测压元件，从而可测量所传递的摩擦力。测量温度的热电偶也紧固 到定子。摩擦系数由测压元件的测量信号来计算，并且与温度一起被记录为时间的函数。
[0093] 摩擦系数μ由如下计算：
[0094] μ= (FLMD*rLMD)/(P:F.l.achfi*AReib*rReib)
[0095] 其中
[0096] Flmd[N]为由测压元件测量的摩擦力 [0097] rLMD[mm]为摩擦力测量处的半径
[0098] pFlMie[N/mm2]为环的表面压力
[0099] AReib[mm2]为接合表面积
[0100] rReib[mm]为摩擦表面的平均半径。
[0101]由所获得的测量值测定的整个运转时间内的平均摩擦系数，以及实验一小时后在 定子处测量的温度，用作干运转能力的评价参数。
[0102] 表1示出所获得的测量值。
[0103] 摩擦系数越高，热量形式的摩擦能就越大，并且温度升高越快。温度不仅取决于已 引入的摩擦热，而且取决于摩擦对象的热特性(热容、热导率、样品中及样品架上方、整个测 量设备中的热流）。如果摩擦系数较低，则温度仅缓慢上升，然后稳定在平台值，所述平台值 在表1的"注释"列中由表述"平台值"指示。对于根据本发明的所有实例均观察到该行为。在 高摩擦系数下，温度连续上升，直到在>150°c的温度处，测试台关闭。
[0104] 表1的实例对于干运转的适合性在表2中单独地针对应急操作模式和连续使用给 出。
[0105] 能在不过热的情况下应对润滑性介质的短暂失效的材料，被评定为能够在不过热 的情况下干运转。就这一点而言，最多30分钟的时间被视为短暂的。导致过热或几分钟后失 效的材料不能够以应急操作模式干运转。
[0106] 可在无润滑性介质且不过热的情况下运转更长时间的材料，被归类为对于连续使 用而言能够干运转。一小时或一小时以上的时间被视为更长时间。持久性地干运转的能力 的另一个基本标准是恒定温度水平(平台）调节到低于对于系统部件关键的温度(例如，对 于此处进行的实验，测试台可允许的最大温度为150°C)。当在干运转期间引入系统中的摩 擦热如此轻微以致该摩擦热可被系统吸收或再一次耗散而不会使温度进一步升高时，就是 这种情况。通过此类手段，确保了温度持久性地保持较低。
[0107] 实例5
[0108]重复实例4;然而，定子由实例2的材料制备。
[0109]所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0110] 实例6-8
[0111] 重复实例4;然而，接触压力和滑动速度有所变动，如表1中所示。
[0112]所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0113] 即使在非常高 的负载诸如1000RPM的旋转速度和处于0.6MPa的表面压力之后，根 据本发明的材料的摩擦试样，在实例4-8的干运转测试进行后检查，显示出几乎没有磨损迹 象的非常平坦的表面。
[0114] 参考例1
[0115] 重复实例5的干运转测试;然而，用于干运转测试的定子环由与实例1相对应但未 添加碳化硅的亚微米硬质材料粒子的材料制备。作为用于PEEK材料的填料，使用10重量％ 石墨、10重量％ PTFE和10重量％碳纤维（70重量％ PEEK)。
[0116] 所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0117] 4.5分钟后实验终止，因为定子处的温度已为70°C，并且如此急剧的进一步升温会 导致定子的熔化。
[0118] 参考例2
[0119] 重复实例5的干运转测试;然而，用于干运转测试的定子环由与实例2相对应但未 添加碳化硅的亚微米硬质材料粒子的材料制备。作为用于PPS材料的填料，使用10重量％石 墨、10重量％ PTFE和10重量％碳纤维（70重量％ PPS)。
[0120] 所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0121] 2.5分钟后实验终止，因为定子处的温度已为70°C，并且如此急剧的进一步升温会 导致定子的熔化。
[0122] 比较例1:
[0123] 重复实例5的干运转测试;然而，不同的是用于干运转测试的定子环由已浸渍有锑 的碳石墨(EK3205,西格里碳素公司（SGL Carbon))制备。接触压力为0.2MPa并且滑动速度 为1.3m/s(与实例5中一样，参见表1)。
[0124] 所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0125] 在60分钟的实验时间后，定子处的温度为120°C并且还在上升。因此，滑环密封配 对件不能够在连续使用条件下干运转。
[0126] 所测试的滑环密封配对件可用于应急操作模式;然而，该配对件磨损所产生的移 除量显著高于根据本发明的实例4和5(参见表1，最后一列）。
[0127] 比较例2:
[0128] 重复实例8的干运转测试;然而，不同的是用于干运转测试的定子环由已浸渍有锑 的碳石墨(EK3205,西格里碳素公司（SGL Carbon))制备。接触压力为0.6MPa并且滑动速度 为3.9m/s(与实例9中一样，参见表1)。
[0129] 所获得的测量值在表1中给出，并且干运转能力的评价在表2中给出。
[0130] 24分钟后实验终止，因为定子温度已为150°C并且干运转测试台并非针对更高温 度设计的。
[0131]藍
[0132] 环上环类型的干运转测试
[0133] Da = 30mm,Di = 20mm
[0134] 抵靠钢转子的干运转
[0135] 定子处的温度测量值
[0136] v = 1·3m/s(1000RPM)或3·9m/s(3000RPM)
[0137] p = 〇.2MPaS〇.4MPaS〇.6Mpa
[0138]
[0139] n.d.=未测定
[0140] 表2
[0141]
【主权项】
1. 一种聚合物滑动材料，包含聚合物基体材料和填料，其中所述填料包含增强粒子、硬 质材料粒子和润滑剂。2. 根据权利要求1所述的聚合物滑动材料，其中所述聚合物基体材料选自聚醚醚酮 (PEEK)、聚芳醚酮（PAEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES，PESU)、聚芳砜(PSU，PPSU)、聚醚酰 亚胺(PEI)、聚酰胺(PA)、液晶聚合物(LCP)以及它们的组合。3. 根据权利要求1或2所述的聚合物滑动材料，其中所述增强粒子包括纤维状粒子。4. 根据权利要求3所述的聚合物滑动材料，其中所述纤维状粒子包括碳纤维和/或芳纶 纤维。5. 根据权利要求1至4中的一项所述的聚合物滑动材料，其中基于所述聚合物滑动材料 计，所述增强粒子的含量为1重量％_20重量％并且优选地为5重量％_20重量％。6. 根据权利要求1至5中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述硬质材料粒子选自碳 化硅粒子、碳化硼粒子、氧化铝粒子、二氧化硅粒子、氧化锆粒子、氮化硅粒子和金刚石粒子 以及它们的组合，优选地选自碳化硅、碳化硼、氧化铝和二氧化硅粒子以及它们的组合。7. 根据权利要求6所述的聚合物滑动材料，其中所述硬质材料粒子包括碳化硅粒子。8. 根据权利要求1至7中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述硬质材料粒子包括亚 微米粒子。9. 根据权利要求1至8中的一项所述的聚合物滑动材料，其中基于所述聚合物滑动材料 计，所述硬质材料粒子的含量为1重量％_30重量％并且优选地为5重量％_20重量％。10. 根据权利要求1至9中的一项所述的聚合物滑动材料，其中基于所述聚合物滑动材 料计，所述增强粒子和所述硬质材料粒子的总含量为2重量％-50重量％并且优选地为10重 量％ -30重量％。11. 根据权利要求1至10中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述润滑剂选自石墨粒 子、聚四氟乙烯(PTFE)粒子、氮化硼粒子和二硫化钼(Mo&)粒子以及它们的组合。12. 根据权利要求1至11中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述润滑剂为石墨粒子 与PTFE粒子的组合。13. 根据权利要求1至12中的一项所述的聚合物滑动材料，其中基于所述聚合物滑动材 料计，所述润滑剂的总含量为1重量％ -40重量％并且优选地为10重量％ -30重量％。14. 根据权利要求1至13中的一项所述的聚合物滑动材料，其中基于所述聚合物滑动材 料计，所述增强粒子、硬质材料粒子和润滑剂的总含量为3重量％_70重量％并且优选地为 30重量％-50重量％。15. 根据权利要求1至14中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述硬质材料粒子在所 述增强粒子与所述硬质材料粒子的总量中的比例为20重量％-90重量％并且优选地为40重 量％-80重量％。16. 根据权利要求1至15中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述硬质材料粒子在所 述硬质材料粒子与所述润滑剂的总量中的比例为10重量％_70重量％并且优选地为25重 量％_60重量％。17. 根据权利要求1至16中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述增强粒子在所述增 强粒子与润滑剂的总量中的比例为10重量％ -70重量％并且优选地为25重量％-45重量％。18. 根据权利要求1至17中的一项所述的聚合物滑动材料，其中所述聚合物滑动材料的 弹性模量为至少7GPa。19. 一种滑环密封件，包括旋转滑环和静止配对环，其中所述滑环和/或所述配对环包 括根据权利要求1至18中至少一项所述的聚合物滑动材料。20. 根据权利要求19所述的滑环密封件，其中所述滑环由根据权利要求1至18中的一项 所述的聚合物滑动材料构造，并且所述配对环由钢构造。21. 根据权利要求19所述的滑环密封件，其中所述滑环由根据权利要求1至18中的一项 所述的聚合物滑动材料构造，并且所述配对环由烧结陶瓷构造，优选地由烧结碳化硅 (SSiC)构造。22. 根据权利要求19至21中的一项所述的滑环密封件，其中所述旋转滑环和/或所述静 止配对环的滑动表面是抛光的。23. 根据权利要求19至22中的一项所述的滑环密封件，其中所述旋转滑环和所述静止 配对环的滑动表面是抛光的。24. -种根据权利要求1至18中的一项所述的聚合物滑动材料的用途，所述聚合物滑动 材料作为用于湿运转栗和干运转栗中的位移元件的材料。
【专利摘要】本发明涉及一种具有干运转能力的摩擦减小的聚合物材料，其包含聚合物基体材料和填料，其中所述填料包含增强粒子、高硬度材料的粒子以及润滑剂粒子。本发明还涉及一种机械端面密封件，其包括旋转减摩擦环和静止配对环，其中所述减摩擦环和/或所述配对环包含具有干运转能力的摩擦减小的聚合物材料。本发明还涉及这些具有干运转能力的聚合物材料用于干运转应用的用途，更具体地讲，用作用于湿和干运转泵中的位移元件的材料。
【IPC分类】C08K3/00
【公开号】CN105492516
【申请号】CN201480017461
【发明人】阿尔明·卡瑟尔, 乌尔苏拉·卡瑟尔, 弗洛里安·格里姆
【申请人】3M创新有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年3月21日
【公告号】EP2976382A2, US20160122682, WO2014147221A2, WO2014147221A3
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