具有干運轉能力的聚合物滑動材料和具有干運轉能力的滑環密封件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及能夠干運轉的聚合物滑動材料，涉及能夠干運轉的包括聚合物滑動材 料的滑環的滑環密封件，以及涉及此類材料用于干運轉應用、尤其是用作濕運轉栗和干運 轉栗中的位移元件的用途。
【背景技術】
[0002] 介質潤滑滑環密封件用作例如栗驅動器中的驅動軸密封件，其中它們將液體壓力 密封，與周圍環境和驅動機構阻隔開。由于其簡單的構造和其性能，具有滑環密封件的栗廣 泛用于輸送并循環液體。
[0003] 對于該類型的栗而言，約50 %的損壞由滑環密封件引起，并且超過一半的這些情 況歸咎于滑環密封件干運轉這樣的事實。干運轉可由有缺陷的處理引起，尤其是液體供應 中斷的情況。
[0004] 滑環密封件的特殊構造也可持久性地干運轉，在這種情況下在例如壓力容器的襯 套處密封攪拌器軸。迄今為止，攪拌器密封件一直由石墨和碳化硅的滑環密封配對件制成。 然而，這些材料的性能是有限的。對于多種應用而言，尤其是所造成的石墨磨蝕不可接受。
[0005] 對于持久性地干運轉或由介質潤滑的滑環密封件而言，機械摩擦損失以熱量輸入 進入液體潤滑性介質中和軸承座中的形式耗散。在干運轉條件下不存在液體潤滑的情況 下，摩擦損失以及熱量的輸入明顯增加。另外，熱量不會被液體耗散。因此，在常規密封配對 件諸如SiC/SiC或AI2O3/AI2O3中，幾分鐘內就產生大于200°C的溫度，這對靜止的二級密封 件直接造成熱損壞。二級密封件通常由彈性材料構造成〇形環。該類型的密封件損壞是造成 現代循環栗中約50 %所有栗損壞的原因。
[0006] 位移栗諸如真空葉片栗在用作制動助力器時，在操作狀態下也不用液體潤滑。在 該工序中，累積壓力的位移元件(滑動閥）抵靠栗殼體摩擦。這引起摩擦接觸中的高摩擦熱， 并且引起高熱量輸入進入殼體和驅動機構中。同樣對于該類型的栗而言，熱損壞是長久干 運轉時間之后失效的主要原因。
[0007] 在其他位移栗諸如齒輪栗中，位移元件(齒輪)支撐在壓力板之間。壓力板與齒輪 (兩者通常由鋼制成)之間的摩擦接觸，導致高摩擦損失和性能損失。當暫時性地干運轉時， 可能易于發生熱過載。
[0008] 現有技術
[0009] 在具有介質潤滑軸-滑環密封件的當今類型的栗中，通常使用滑環密封配對件，其 由石墨的旋轉滑環和燒結陶瓷的靜止配對環組成。采用這些配對件時，可實現長達10年恒 定操作的較長使用壽命，在液體潤滑時摩擦系數為約0.05,而在短暫干運轉時間時摩擦系 數為約0.15。
[0010] 聚四氟乙烯(PTFE)也可用作石墨的替代品，作為旋轉滑環的材料。然而，由于其極 低耐壓性和極低耐磨性，PTFE與陶瓷的配對件僅適用于必須僅承受少量負載的密封件，故 而未廣泛使用。
[0011] 對于可承受明顯更高負載的介質潤滑軸滑環密封件而言，使用來自陶瓷對陶瓷的 組合并且優選地來自燒結碳化硅(SSiC)對SSiC的滑環密封配對件。采用這些配對件時，液 體潤滑時可達到約0.05的摩擦系數;然而，約0.8的干運轉摩擦系數非常高。因此在干運轉 操作中這些滑環配對件可使用僅幾分鐘。通過使用碳化硅材料的變型形式（例如含石墨添 加劑的碳化硅），約10分鐘的略微更長的干運轉時間是可能的。然而，這些材料也不可用于 持久干運轉操作。
[0012] 目前，石墨與陶瓷的材料配對件因此用于供使用的液體潤滑滑環密封件，其中密 封必須適用于暫時干運轉操作。
[0013] 迄今為止，尚未有供設計者使用的合適材料對，以用于滑環密封件的持久干運轉。 由于僅短暫干運轉時間是可能的，作為滑環密封件的石墨與陶瓷的配對件不能用于持久干 運轉應用。另外，由于有較強噪聲形成并且由于磨損的石墨從滑環密封件排出，該配對件也 是不利的。尤其對于必須能夠持久性地干運轉的攪拌器密封件而言，兩種效應均是使用期 間不期望的。
[0014] 能夠持久性地干運轉的滑環密封件的結構性解決方案，是將滑環密封件構造為所 謂的氣密封件，其中陶瓷與陶瓷配對，通過在摩擦對象之間建立氣膜而大幅降低干摩擦。然 而，為了達到這一目的，需要非常高的RPM，通常大于10,000。此外，該解決方案在結構上非 常昂貴，并且迄今為止，僅用于大型設施，諸如陸上管道的氣體壓縮機。
[0015] 迄今為止，聚合物基材料尚未廣泛用于介質潤滑滑環密封件或位移栗，但尤其出 于簡化過程和系統及降低與之相關的成本的原因，栗部件中的聚合物材料的比例隨栗的每 次更新換代而增加。聚合物基材料的材料相關缺點是不良熱耗散，這是由于小于l.〇W/m*K 的低熱導率，在迄今為止還不足夠的耐壓性和耐磨性下的低尺寸穩定性。在滑環密封件操 作期間產生的摩擦熱的高輸出被聚合物材料非常差地耗散。此外，聚合物材料在相對較低 溫度下就已失效。循環栗常常在約140°C下在加壓水系統中操作。在這些條件下，多種常規 聚合物會由于水解和/或喪失機械強度而失效。
[0016] W0 2012/169604 A1描述了一種由包含聚鄰苯二甲酰胺的樹脂組合物制備的滑 環。另外，樹脂組合物可包含填料，諸如碳纖維、玻璃纖維、碳化硅纖維、石墨、MoS 2、A12〇3、 MgO、氮化硼和PTFE粉末。然而，纖維粒子形式的陶瓷填料引起摩擦對象處的高磨損，并且樹 脂組合物不能夠干運轉。基體材料不能進行熱塑性加工。
[0017] W0 2010/054241 A2描述了一種用于制備熱塑性滑環、尤其是極大直徑的密封件 的方法。為此，將擠出的線料成形為環，并連接到正面。熱塑性聚合物可包含PTFE或炭黑作 為填料。
[0018] 在位移栗諸如葉片栗中，燒結石墨自身已確立為用于濕運轉和用于短暫干運轉的 滑動元件的標準材料。一些專利申請也已提出聚合物基材料的使用。然而，由于其迄今為止 不令人滿意的干運轉能力，聚合物基材料的使用僅限于液體潤滑栗。
[0019] DE 10 2008 019 440 A1提出了聚合物材料用于干運轉真空栗中的滑動閥。所使 用的聚合物材料在干運轉操作中并不優于石墨，并且僅具有有限的耐磨性。
[0020] DE 20 2009 000 690 U1描述了一種旋轉位移栗，其具有由聚合物材料諸如特氟 隆或PEEK制成的軸承和位移元件。
[0021] DE 20 2007 012 565 U1描述了一種位移栗，其具有PEEK材料的轉子。
[0022] EP 1 424 495 A2描述了一種正位移栗，其具有聚合物材料諸如PEEK、PPS和PES的 栗轉子和/或轉子葉片。所列出的材料僅具有有限的干運轉能力，即，它們僅可短時間干運 轉，并且還僅處于中等負載下。
[0023] 發明目的
[0024] 本發明因此論述了這樣的目的:避免現有技術的缺點并且使聚合物滑動材料及由 其制成的滑環密封件可用，所述滑環密封件表現出較低因摩擦而致的損失，并且在濕運轉 條件下甚至在較長運轉時間內具有耐磨性，并且還能夠持久性地干運轉。此外，本發明論述 了這樣的目的：使得用于干運轉栗中的位移元件的聚合物基滑動材料可用，所述材料使得 延長干運轉時間成為可能。

【發明內容】

[0025] 上述目的通過根據權利要求1所述的聚合物滑動材料、根據權利要求19所述的滑 環密封件以及根據權利要求24所述的聚合物滑動材料的用途來實現。聚合物滑動材料和滑 環密封件的優選的或尤其適當的實施例在從屬權利要求2-18和20-23中給出。
[0026] 因此，本發明的主題是一種聚合物滑動材料，其包含聚合物基體材料和填料，該填 料包含增強粒子、硬質材料粒子和潤滑劑。
[0027] 本發明的另一個主題是一種滑環密封件，其包括旋轉滑環和靜止配對環，根據本 發明旋轉滑環和/或靜止配對環圍繞聚合物滑動材料。
[0028] 本發明的另一個主題是此類材料用于干運轉應用，尤其是作為用于濕運轉和干運 轉的栗中的位移元件的材料的用途。
[0029] 根據本發明的聚合物滑動材料具有耐磨性和機械穩定性，并且與石墨不同的是， 能夠持久性地干運轉。耐磨性比石墨的耐磨性更好。
[0030] 根據本發明的聚合物滑動材料使得在濕運轉和干運轉中極低因摩擦而致的損失 成為可能。對于持久干運轉操作而言適合的形式是作為旋轉滑環和/或作為滑環密封件中 的靜止配對環以及作為位移元件及濕運轉和干運轉栗，例如作為葉片栗中的滑動閥。
[0031] 根據本發明的滑環密封件產生極低摩擦損失并且以能夠持久性地干