RTMF吸容性納米密封填料在聚四氟乙烯基材料用于填料密封、機(jī)械密封上的應(yīng)用研究方面取得了突破，制備得到納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)的吸容性密封材料。

密封產(chǎn)品對(duì)壓縮、輸送和反應(yīng)等關(guān)鍵裝備的動(dòng)密封件要求十分苛刻。動(dòng)密封件尺寸雖小，卻包含著設(shè)備核心技術(shù)，直接影響著生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于成套設(shè)備的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，甚至關(guān)系到國(guó)家的裝備水平。

盤(pán)根的密封原理主要取決于迷宮效應(yīng)和軸承效應(yīng)；所謂迷宮效應(yīng)為：軸在微觀下表面非常的不平整，與盤(pán)根只能部分貼合，而部分未接觸，所以在盤(pán)根和軸之間有著微小的間隙，像迷宮一樣，帶壓介質(zhì)在間隙中多次被節(jié)流，從而達(dá)到密封的作用；所謂軸承效應(yīng)為：在盤(pán)根填料和軸之間會(huì)存在著一層薄薄液膜，使盤(pán)根填料和軸類(lèi)似于滑動(dòng)軸承，起到了一定的潤(rùn)滑作用，從而避免了盤(pán)根和軸的過(guò)度磨損。但由于受密封介質(zhì)的溫度、壓力、設(shè)備的線(xiàn)速度、表面粗糙度、同軸度和徑跳等因素的影響，對(duì)盤(pán)根材料的特性有以下要求：彈塑性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、不滲透性強(qiáng)、自潤(rùn)滑性好等，同時(shí)還需拆裝方便、制造簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉；而上述特性直接影響著盤(pán)根填料的密封性能和使用壽命，能完全符合上述所有性能的材料很少，所以為獲得優(yōu)質(zhì)的密封材料和提高密封性能，其常用的方法主要有：改進(jìn)盤(pán)根填料的形式和改進(jìn)盤(pán)根填料的材料成份兩種。而傳統(tǒng)的盤(pán)根是纖維編織結(jié)構(gòu)，為減少滲漏量，需使盤(pán)根與軸產(chǎn)生摩擦；所以，傳統(tǒng)盤(pán)根存在泄漏嚴(yán)重，對(duì)軸磨損大、能耗大、維護(hù)頻繁等明顯缺陷。另外傳統(tǒng)密封填料是靠盤(pán)根和軸的壓緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)密封的，為避免對(duì)軸的磨損，必須留有滲漏通道，故密封效果差。

同時(shí)傳統(tǒng)密封填料還存在如下缺陷：

1、傳統(tǒng)密封填料會(huì)把軸套磨出一道道溝痕，需要定期更換軸套；

2、傳統(tǒng)密封填料不能容納雜質(zhì)，雜質(zhì)進(jìn)入密封部件后，會(huì)對(duì)軸造成磨損。

密封件長(zhǎng)壽命需求是一個(gè)國(guó)際性難題，而聚四氟乙烯聚合物基復(fù)合材料以質(zhì)輕、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)良性能正在逐漸取代金屬材料，成為當(dāng)今化工、機(jī)械領(lǐng)域比較理想的無(wú)油潤(rùn)滑密封材料。

聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）是當(dāng)今世界上耐腐蝕性能最佳材料之一，它能在任何種類(lèi)化學(xué)介質(zhì)長(zhǎng)期使用，在航空、航天、電子以及其他高科技領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。它的產(chǎn)生解決了我國(guó)化工、石油、制藥等領(lǐng)域的許多問(wèn)題。PTFE其分子結(jié)構(gòu)式為如下：

它是完全對(duì)稱(chēng)而且無(wú)支鏈的線(xiàn)型高分子，分子不具有極性。

PTFE的優(yōu)異的性能是其分子結(jié)構(gòu)所決定的，與聚乙烯分子結(jié)構(gòu)相比較，就可以看出PTFE分子所具有的特點(diǎn)。

PTFE的分子是碳氟兩種元素以共價(jià)鍵相結(jié)合，而聚乙烯則是由碳?xì)鋬煞N元素相結(jié)合。PTFE中，氟原子取代了聚乙烯中的氫原子，由于氟原子半徑(O.064nm)明顯大于氫原子半徑(0.028nm)，使得PTFE中未成鍵原子間的范德華力大于聚乙烯，有較大的排斥力，這就引起碳-碳鏈由聚乙烯的平面的、充分伸展的曲折構(gòu)象漸漸扭轉(zhuǎn)到PTFE的螺旋構(gòu)象(如圖1．1)。該螺旋構(gòu)象正好包圍在PTFE易受化學(xué)侵襲的碳鏈骨架外形成了一個(gè)緊密的完全“氟代”的保護(hù)層，這使聚合物的主鏈不受外界任何試劑的侵襲，使PTFE具有其它材料無(wú)法比擬的耐溶劑性、化學(xué)穩(wěn)定性以及低的內(nèi)聚能密度；同時(shí)，碳-氟鍵極牢固，其鍵能達(dá)460.2kJ/mol，遠(yuǎn)比碳-氫鍵(410kJ/mol)和碳-碳鍵(372kJ/mol)高的多，由于分子的化學(xué)鍵能越高，其分子越穩(wěn)定，這使PTFE具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性；另外氟原子的電負(fù)性極大，加之四氟乙烯單體具有完美的對(duì)稱(chēng)性而使PTFE分子間的吸引力和表面能較低，從而使PTFE具有極低的表面摩擦系數(shù)和低溫時(shí)較好的延展性，但這也導(dǎo)致PTFE的耐蠕變能力較差，容易出現(xiàn)冷流現(xiàn)象：PTFE的無(wú)分支對(duì)稱(chēng)主鏈結(jié)構(gòu)也使得它具有高度的結(jié)晶性，使PTFE的加工比較困難。

為克服傳統(tǒng)密封材料和PTFE的缺陷，本產(chǎn)品采用通過(guò)對(duì)PTFE材料制備工藝和材料成型工藝的系統(tǒng)研究，在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從不同種類(lèi)、粒度的甲基硅、納米級(jí)混合組料與PTFE的篩選，確定了甲基硅、納米級(jí)混合組料與PTFE的配比。采用高速混合技術(shù)進(jìn)行混料，解決了常規(guī)混料時(shí)樹(shù)脂易結(jié)塊的實(shí)際問(wèn)題，混出的粉料不僅均勻性好，同時(shí)使材料粉體進(jìn)一步細(xì)化，所制備復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與常規(guī)干法混合制備的復(fù)合材料相比提高近30％，可達(dá)26.5MPa。所研制的新型的吸容性密封材料，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)依附在軸上，與旋轉(zhuǎn)軸間形成動(dòng)態(tài)液膜，并完全充滿(mǎn)整個(gè)填料腔，融合為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定密封。該密封材料具有密封效果好、維護(hù)少、使用壽命長(zhǎng)，對(duì)軸套磨損小，軸套使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)是工程材料的一個(gè)重要品種。自1938年美國(guó)科學(xué)家R．S．Plunkett在研究氟里昂致冷劑時(shí)，合成了具有“塑料王”之稱(chēng)的PTFE以來(lái)，含氟聚合物的研制、生產(chǎn)、加工和應(yīng)用得到了很大發(fā)展，其應(yīng)用面非常廣泛。它具有優(yōu)異的高低溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性，極好的電絕緣性、非粘附性、耐候性、不燃性和良好的潤(rùn)滑性。由于其獨(dú)特的性能，目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、煤化工、石油化工、機(jī)械、電子、建筑、輕紡等工業(yè)部門(mén)，并日益深入到人們的日常生活中，成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、軍工和民用中解決許多關(guān)鍵技術(shù)和提高生產(chǎn)技術(shù)水平不可或缺的材料。

盡管PTFE復(fù)合材料具有許多優(yōu)異的物理化學(xué)性能，但也存在一些缺陷，如機(jī)械性能較差、線(xiàn)膨脹系數(shù)較大、耐蠕變性差、易冷流、特別是抗磨損性差和表面能低、粘接性差等，這些缺陷在一定程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。通過(guò)采用添加各種不同的填充劑包括無(wú)機(jī)物和有機(jī)聚合物等對(duì)PTFE進(jìn)行填充改性已被證明是最有效的途徑之一。用甲基硅作為填充劑對(duì)PTFE進(jìn)行填充改性能顯著地提高PTFE的耐磨耗性和密封性能，并且可以滿(mǎn)足機(jī)泵、閥門(mén)類(lèi)動(dòng)力設(shè)備對(duì)改性PTFE材料耐磨耗、密封性的特殊要求。

PTFE改性材料的研究與生產(chǎn)，美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯和法國(guó)等國(guó)家已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某晒�，而在我�?guó)，填充物改性PTFE材料的研制與生產(chǎn)還處于起步階段，雖然已經(jīng)有了一些產(chǎn)品，但在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，而且設(shè)備和生產(chǎn)效率低下、成本太高，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)。新材料發(fā)展的落后一直是制約我國(guó)先進(jìn)加工技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

RTMF納米密封填料本項(xiàng)目主要針對(duì)機(jī)泵、閥門(mén)類(lèi)動(dòng)力設(shè)備對(duì)密封材料的特殊性能要求，通過(guò)添加甲基硅、納米級(jí)混合組料對(duì)PTFE進(jìn)行填充改性，研制出新型高分子納米復(fù)合密封材料。

掌握的關(guān)鍵技術(shù)

（1）通過(guò)在材料表面引入界面層來(lái)抑制超細(xì)材料團(tuán)聚及與聚合物表面能不匹配所引起的高磨損，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的綜合優(yōu)化，進(jìn)一步改善PTFE的力學(xué)性能，大幅提高PTFE耐磨性，改善復(fù)合材料磨損面形貌，增強(qiáng)轉(zhuǎn)移膜與對(duì)偶面的粘結(jié)力，使對(duì)偶面上形成平整致密的轉(zhuǎn)移膜。

（2）利用自組裝單分子膜對(duì)納米級(jí)混合組料表面進(jìn)行自組裝改性，解決超細(xì)材料在聚合物復(fù)合材料中的分散性、相容性問(wèn)題。

（3）利用氟碳表面活性劑、偶聯(lián)劑等改性劑對(duì)納米氧化鑭表面能進(jìn)行調(diào)控，優(yōu)化密封新材料及其制備方法。

取得的技術(shù)成果：

A、將納米PTFE與密封液膜潤(rùn)滑技術(shù)成功結(jié)合起來(lái)，利用黃金分割序列（01618n）和組分體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系優(yōu)化最佳的纖維組與材料組的匹配比例，得到優(yōu)化的密封材料配方。利用這種材料配方生產(chǎn)的產(chǎn)品具有微觀連續(xù)的光滑表面，這種表面具有極低的表面摩擦系數(shù)，在水的作用下，動(dòng)態(tài)形成了與旋轉(zhuǎn)軸相配合的表面，在配合表面之間，存在著連續(xù)的液膜，這種液膜可起到優(yōu)良的潤(rùn)滑和密封作用。

B、采用熱壓燒結(jié)工藝，制備了兼具優(yōu)異力學(xué)和摩擦學(xué)性能的納米級(jí)PTFE復(fù)合密封材料。材料具有晶內(nèi)、晶界和納米-納米型的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其斷裂韌性高達(dá)26.5MPa·m1/2，高溫摩擦?xí)r生成的潤(rùn)滑性液膜使材料具有較低的摩擦系數(shù)。

C、采用高速混合技術(shù)進(jìn)行混料，省去了常規(guī)干法的冷凍處理工藝過(guò)程，解決了常規(guī)混料時(shí)樹(shù)脂易結(jié)塊的實(shí)際問(wèn)題，混出的粉料不僅均勻性好，同時(shí)使材料粉體進(jìn)一步細(xì)化，所制備復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與常規(guī)干法混合制備的復(fù)合材料相比提高近30％。

 

 

 

一、   納米填料產(chǎn)品性能介紹

1、         納米填料的密封原理

RTMF吸容性納米密封填料不同于其它編織結(jié)構(gòu)的密封材料，是一種可塑吸容性材料，其表面光滑，在水壓的作用下，和水泵軸套間形成動(dòng)態(tài)密封液膜，其液膜不但具有良好的密封作用，而且使密封填料和軸套間不直接接觸，極大地減少了填料和軸套間的摩擦阻力。根據(jù)國(guó)家密封產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)納米填料的測(cè)試：其摩擦系數(shù)為0.197，而傳統(tǒng)編織盤(pán)根的摩擦系數(shù)為0.466。納米填料把機(jī)械密封的液膜密封原理應(yīng)用到填料密封上來(lái)，被行業(yè)專(zhuān)家譽(yù)為“密封技術(shù)的革命”。

2、         納米填料的特殊結(jié)構(gòu)

要保證密封的可靠性和降低水泵使用中的功率損耗，不但要使密封填料表面光滑，而且需具有良好的彈塑性。納米填料在生產(chǎn)過(guò)程中引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備及生產(chǎn)工藝，使納米顆粒形成納米膜（共計(jì)2000余層）。再通過(guò)后續(xù)的特殊加工工藝，使各層納米膜間形成交織狀的波浪形。使產(chǎn)品在外力作用下，不但強(qiáng)度好，而且彈塑性好。產(chǎn)品獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)：ZL 2010 1 0214114.8,專(zhuān)利名稱(chēng)：一種吸容性密封填料及其制備方法）。

3、         它具有以下特點(diǎn)：

普通盤(pán)根是靠和軸套間的壓緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)密封的；而RTMF填料和水泵軸套間有液膜，能大大地降低和水泵軸套間的摩擦力，可有效節(jié)能約6~8%左右。

普通盤(pán)根必須留有滲漏通道；而RTMF填料表面光滑，密封效果好，水泵輸送介質(zhì)滲漏損失少，可起到減排的作用。

RTMF填料和軸套間有液膜，它們之間不直接接觸，對(duì)軸套的磨損量極少，提高了水泵軸套的使用壽命，一般2年內(nèi)無(wú)須更換軸套，減少了拆泵更換軸套的頻率，降低了工人的維護(hù)強(qiáng)度。另外，RTMF填料的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通盤(pán)根，減少了盤(pán)根更換頻率，提高了工作效率。

RTMF填料表面光滑，在使用過(guò)程中，和水泵軸套間形成密封液膜，在起到良好的密封作用的情況下，使填料和軸套間通過(guò)水進(jìn)行潤(rùn)滑。

RTMF填料是一種由近2000層左右納米膜復(fù)合加工而成的一種膠泥狀可塑填料，水泵在運(yùn)行狀態(tài)下，介質(zhì)中的顆粒雜質(zhì)被密封填料吸納，既不破壞密封效果，也不劃傷水泵軸套。

4、         納米填料的節(jié)能機(jī)理：

傳統(tǒng)編織盤(pán)根表面有較多的編織紋路，這種紋路能儲(chǔ)存水，起到了冷卻和潤(rùn)滑作用，但它降低密封效果，造成介質(zhì)滲漏。為了降低介質(zhì)滲漏，必須使盤(pán)根緊壓在水泵軸上，增加了水泵的運(yùn)行阻力。

傳統(tǒng)編織盤(pán)根緊壓在水泵軸上后，使水泵軸和盤(pán)根不斷產(chǎn)生磨損損耗，密封效果逐漸下降，降低了水泵的排水效率。

納米填料表面光滑，是靠填料和水泵軸間產(chǎn)生液膜實(shí)現(xiàn)密封，和軸套間幾乎無(wú)摩擦，不增加水泵的運(yùn)行阻力。

納米填料密封效果穩(wěn)定，水泵能穩(wěn)定地在高效率狀態(tài)下運(yùn)行。提高了水泵的排水效率。

因此，RTMF填料不增加水泵的運(yùn)行阻力，并使水泵穩(wěn)定地在高效率狀態(tài)下運(yùn)行，因而起到了節(jié)能的效果。

5、         納米填料的長(zhǎng)壽命機(jī)理：

傳統(tǒng)編織盤(pán)根必須壓緊在軸套上實(shí)現(xiàn)密封，軸套和盤(pán)根均發(fā)生磨損，降低了盤(pán)根的使用壽命。

傳統(tǒng)編織盤(pán)根和軸套發(fā)生摩擦后產(chǎn)生熱量使盤(pán)根燒損和分解，使用一段時(shí)間后盤(pán)根發(fā)生粉化等現(xiàn)象，降低了盤(pán)根的使用壽命。

由于傳統(tǒng)編織盤(pán)根具有編織紋路，介質(zhì)中的雜質(zhì)顆粒通過(guò)編織紋路進(jìn)入盤(pán)根和水泵軸套間，使盤(pán)根和軸套產(chǎn)生磨損，降低了盤(pán)根的使用壽命。

納米填料是和水泵軸套間產(chǎn)生液膜來(lái)進(jìn)行密封，納米填料不會(huì)被磨損，保證了填料的使用壽命。

納米填料的原料以進(jìn)口為主，其生產(chǎn)工藝獨(dú)特，結(jié)構(gòu)緊密，不會(huì)產(chǎn)生粉化等影響填料壽命的因素。

納米填料密封表面光滑，和軸套間產(chǎn)生液膜的間隙只有0.0006~0.006µm，一般介質(zhì)顆粒不會(huì)進(jìn)入密封面損壞密封，如果偶有細(xì)小的介質(zhì)顆粒進(jìn)入密封面，由于納米填料是一種膠泥狀的材質(zhì)，顆粒在軸套和液膜的作用下被壓入填料中，重新形成可靠的密封面，不會(huì)破壞水泵密封，只有到顆粒把填料填滿(mǎn)后填料才失效。

因此，RTMF填料具有較長(zhǎng)的使用壽命。

二、   納米密封填料的適用場(chǎng)合

1、          納米密封填料對(duì)介質(zhì)的要求

使用溫度：-40℃～120℃；

介質(zhì)范圍：非油、非強(qiáng)酸和強(qiáng)堿、非化學(xué)介質(zhì)；

對(duì)介質(zhì)中雜質(zhì)顆粒無(wú)要求。

2、          納米密封填料對(duì)水泵的要求

1）、水泵軸套表面光滑，無(wú)溝痕、劃傷、毛刺等缺陷。

2）、水泵軸不得偏心，不得有較大的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)。

3）、水泵轉(zhuǎn)速基本平穩(wěn)，不能有很頻繁的變頻。

4）、測(cè)量水泵密封腔的徑向間隙，根據(jù)密封腔的間隙需選擇合適規(guī)格的密封填料。

3、          常用型號(hào)及尺寸規(guī)格：

填料規(guī)格參數(shù)

                               尺寸系列及其偏差                      單位為毫米

4、          技術(shù)指標(biāo)：

      物理、力學(xué)性能