Уплотнительный листовой материал для использования в жидкостных и топливно-масляных средах
SEALING SHEET MATERIAL FOR USE IN LIQUID AND FUEL-OIL ENVIRONMENTS

Изобретение относится к области машиностроения для уплотнения плоских соединений, работающих в жидкостных и топливно-масляных средах, предпочтительно для двигателей внутреннего сгорания, в частности для уплотнения стыка головка - блок цилиндров в двигателях внутреннего сгорания.
Известен уплотнительный материал, содержащий, мас.ч.: латекс синтетического сополимерного диенового каучука /на сухое вещество/ 100; серу 10-26,6; 2-меркаптобензтиазол 1,25-4,00; оксид цинка 3,75-13,3; волокнистый наполнитель 125-665; целлюлозу 125-665; 50%-ную водную эмульсию смеси олигогидридэтилсилоксана и полиметилфенилсилоксана /на сухое вещество/ 12,5-66,5; барит 131,25-478,8 (RU 2005744).
Известный материал непосредственно после его изготовления характеризуется хорошими физико-механическими свойствами, однако не выдерживает хранения в рулонах, рвется при раскатывании рулона, обладает повышенной хрупкостью, а также невысокой устойчивостью к термодеструкции в процессе его эксплуатации.
Известен также уплотнительный материал, который содержит в мас. %: бутадиен-нитрильный каучук - 13-18, волокна арамидные или полиоксадиазольные - 13-15, сера - 0,5-0,8, 2-меркаптобензтиазол -0,2-0,3, тиурам - 0,1-0,2, оксид цинка - 1,0-2,0, амин-моноамин или диамин - 0,3-0,5, коллоидная кремнекислота - 3,0-5,0, поливиниловый спирт - 0,1-0,15, базальтовая вата - 5,0-10,0, мел 10-15, каолин - 20-22, глинозем - остальное. По другому варианту состав для уплотнительного материала содержит в мас.%: бутадиен-нитрильный каучук - 13-18, волокна арамидные или полиоксадиазольные - 13-15, сера - 0,5-0,8, 2-меркаптиобензтиазол - 0,2-0,3, тиурам - 0,1-0,2, оксид цинка - 1,0-2,0, амин-моноамин или диамин - 0,3-0,5, коллоидная кремнекислота - 3,0-5,0, поливиниловый спирт - 0,1-0,15, гидрослюда-вермикулит - 4,0-5,0, базальтовая вата - 5,0-10,0, мел - 10,0-15,0, глинозем - остальное (RU 2103308).
К недостаткам известного материала можно отнести потерю физико-механических свойств, обеспечивающих применение по назначению из-за утраты гибких свойств, т.к. соединения серы при хранении материалы обуславливают появление повышенной хрупкости.
Наиболее близким к предлагаемому листовому уплотнительному материалу является Прессовые гибкие уплотнительные прокладки, получаемые каландрированием с использованием эластомерной арамидной волокнистой массы-маточная смесь в качестве источника для компонентов из органического волокна (DE000004123737), где армирующие полиароматические амидные волокна вводят в гибкий слой в виде маточной смеси, содержащей 1-65 мас. % полиароматического амида в качестве которого используют поли (п-фенилентерефталамида); 5-85% усиливающего наполнителя, содержащего сажу, диоксид кремния, каолин или тальк, и 5-90% эластомера в качестве которого используют фторэластомер, полихлоропрен, хлорсульфированный полиэтилен, этилен-пропиленовый каучук, натуральный каучук, полиизопрен, стирол-бутадиеновый каучук, бутадиен-бутадиеновый каучук, этилен-акриловый каучук или акрилонитрил-бутилкаучук.
Известный материал имеет повышенную прочность на разрыв, которая в значительной доле сохраняется при нагревании и хранении. Вместе с тем, сохранение полезных свойств при нагревании и хранении в значительной степени зависит от вида эластомера, соотношения волокнистой части к минеральной части. Общими недостатком всех вышеупомянутых материалов, содержащих целлюлозное волокно и связующее, является не высокая прочность при растяжении и не высокая уплотняющая способность, что может привести к разгерметизации соединений и выходу из строя механизмов. Кроме того, известный материал имеет невысокую стойкость к термическим воздействиям, а производство материала связано с ограниченной сырьевой базой природного органического волокна.
Технической задачей является расширение сырьевой базы с одновременным улучшением физико-механических показателей, повышением термостойкости гибких листовых прокладок для использования в жидкостных и топливно-масляных средах.
Технический результат- расширение сырьевой базы при одновременном повышении уплотняющей способности и термостойкости при высокой прочности уплотнительного материала.
Дополнительным техническим результатом является снижение материалозатрат, отсутствие в составе материала серы и сопутствующих вулканизирующих компонентов, что положительно сказывается на сохранении эластичности в процессе хранения в рулонах.
Поставленная задача решается тем, что заявляется уплотнительный листовой материал для использования в жидкостных и топливно-масляных средах, содержащий волокна растительного происхождения, минеральный наполнитель, пигмент и связующее вещество, при этом в качестве связующего вещества содержит латекс синтетический бутадиен-нитрильный, в качестве минерального наполнителя содержит тальк, а в качестве волокон растительного происхождения содержит макулатуру, являющуюся отходом производства и потребления гофрированного картона, бумаги и картона, при следующем соотношении компонентов, мас. % (в пересчете на абс. сухое вещество):
Макулатура
6,0-8,0
Латекс синтетический бутадиен-нитрильный
9,0-12,0
Пигмент
5,0-10,0
Тальк
Остальное
при одновременном выполнении следующего условия:
где М - макулатура, П - пигмент, Л - латекс, Т - тальк в качестве минерального наполнителя.
В качестве макулатуры, являющейся отходом производства и потребления гофрированного картона, бумаги и картона предпочтительно используют макулатуру марки МС-5Б (М) (ГОСТ 10700-97).
В качестве связующего вещества используют латекс синтетический бутадиен-нитрильный марки БН-40, массовая доля сухого вещества не менее 30,0% (ТУ 2294-410-05842324-2006). В качестве минерального наполнителя заявляемый материал предпочтительно содержит тальк молотый для производства резиновых изделий и пластических масс (ГОСТ 19729-74). Также в состав минерального наполнителя может дополнительно входить в остаточных количествах алюминия сульфат технический очищенный (ГОСТ 12966-85), который используют в качестве коагулянта для связующего в процессе производства уплотнительного материала.
В качестве пигмента используют суспензию на основе технического углерода Марка ТП, массовая доля сухого вещества 35…40% (ТУ 2463-143-05800142-2003).
Заявляемый уплотнительный листовой материал представляет собой композиционный материал толщиной 600…800 мкм, который обеспечивает получение прокладок для уплотнения плоских соединений, обладает устойчивостью к воздействию агрессивных сред (бензин, керосин, моторные масла, охлаждающие жидкости), обладает повышенной прочностью с высокой уплотняющей способностью и термостойкостью.
Введение в заявляемых количествах макулатуры, являющейся отходом производства и потребления гофрированного картона, бумаги и картона, обеспечивает структурообразующую функцию за счет наличия целлюлозных волокон растительного происхождения, что обеспечивает повышение прочности при растяжении, т.к. растительные волокна, в отличие от синтетических и минеральных, за счет наличия гидроксильных групп, способны образовывать межволоконные химические связи друг с другом (водородные связи), которые и определяют основную прочность материала при условии использования бутадиен-нитрильного латекса в качестве связующего, вводимого в композицию в заявляемом количестве. Введение талька в заявляемом количестве в качестве минерального наполнителя в сочетании с вышеуказанной макулатурой и бутадиен-нитрильным латексом, обеспечивает максимально возможное повышение уплотняющей способности и прочности листового материала. При этом, как показали наши исследования, использование талька в качестве минерального наполнителя обеспечивает максимально возможную степень проклейки макулатуры и талька бутадиен-нитрильным латексом, при этом иные известные минеральные наполнители, например, каолин, не обеспечивают аналогичного технического результата. Пигмент, на основе технического углерода, вводимый в композицию, выполняя функцию наполнителя, обеспечивает заявляемому материалу традиционный для потребителя цвет, а также повышает термостойкость материала, при этом вводимое в состав количество пигмента не ухудшает физико-механические свойства конечного уплотнительного материала. Нами было установлено, что заявляемый технический результат обеспечивается заявляемым соотношением компонентов, устанавливающим взаимную зависимость содержания компонентов, друг относительно друга в заявляемом материале, описываемую заявляемой математической зависимостью, которая должна выполняться одновременно с заявляемым количеством компонентов. Сравнение заявляемого изобретения с прототипом позволяет сделать вывод о наличии новой совокупности признаков, выражающейся в качественном составе и их количественных характеристиках, которые не были известны ранее. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».
Заявляемый состав обеспечивает новый технический результат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый состав может быть изготовлен из известных веществ с использованием известных способов их смешения друг с другом, и формированием листовых материалов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».
3
3
Заявляемое изобретение осуществляют следующим образом. Заявляемый уплотнительный материал получают способом «бумажного» производства на бумагоделательной машине. Макулатуру марки МС-5Б (М), представляющую собой волокнистый материал, в количестве 70 кг загружают для роспуска в гидроразбиватель, заливают 1,75…2,0 м воды, получая волокнистую суспензию концентрацией при роспуске 3,5…4,0 мас. %. После роспуска, волокнистая масса поступает на размол на дисковую мельницу. Нагрузка при размоле 80…85 А. Степень помола 32…35 ШР. Подготовленную, размолотую волокнистую массу перекачивают в композиционный бассейн, снабженный перемешивающим устройством. В этот же бассейн добавляют остальные компоненты состава уплотнительного материала - тальк молотый для производства резиновых изделий и пластических масс (ГОСТ 19729-74) в качестве минерального наполнителя в количестве 750 кг, краситель (пигмент на основе технического углерода Марка ТП, массовая доля сухого вещества 35…40 мас. % (ТУ 2463-143-05800142-2003) в количестве 80 кг. В композиционном бассейне осуществляют смешивание компонентов (составление композиции) при концентрации суспензии 4,5…5,5 мас. %, которая устанавливается добавлением воды в количестве 17,0…20,0 м в композиционный бассейн. В водную суспензию, находящуюся в композиционном бассейне, добавляют связующее (латекс синтетический бутадиен-нитрильный марки БН-40, массовая доля сухого вещества не менее 30,0 мас. %) в количестве 100 кг в пересчете на абс. сухой вес. Осаждение латекса (коагуляцию, проклейку) осуществляют добавлением 8,0…10,0%-ного водного раствора сульфата алюминия (ГОСТ 12966-85) до значения рН массы 4,5…4,7. Готовую, проклеенную композицию разбавляют водой до концентрации 1,3…1,5% и подают в напорный ящик бумагоделательной машины (БДМ). Из напорного ящика суспензия выливается на бесконечную, движущуюся сетку сеточного стола БДМ. На сеточном столе происходит обезвоживание и формование полотна уплотнительного материала. Сухость полотна (относительная влажность) в конце сеточного стола 25…27%. С сеточного стола сформованное полотно переходит в прессовую часть. В прессовой части происходит уплотнение и дальнейшее обезвоживание полотна до сухости (относительной влажности) 45…50%. Из прессовой части полотно уплотнительного материала переходит в сушильную часть. Сушильная часть представляет собой два ряда нагретых до температуры 120…130°С цилиндров, расположенных друг над другом в шахматном порядке. Полотно уплотнительного материала соприкасаясь с нагретыми поверхностями цилиндров, высыхает. Сухость (относительная влажность) готового уплотнительного материала составляет 97…99%.
Готовый уплотнительный материал наматывают в рулон. Смотанные рулоны передают в цех на переработку (изготовление прокладок), либо отправляют заказчикам.
Заявляемый уплотнительный материал иллюстрируется примерами конкретного выполнения - примеры №1, №2 и №3 - по изобретению, полученные вышеописанным способом. Примеры №4 и №5 - контрольные, где уплотнительный материал получают аналогичным способом, но с количественным содержанием компонентов, выходящими за пределы заявляемых значений.
Составы по примерам по изобретению и контрольным примерам представлены в Таблице 1. Для примеров №1, №2 и №3 соотношение компонентов, рассчитанное по математической формуле:
(1)
составляет:
- для примера по изобретению №1 соотношение 1) 6/0,6+5/1,5+9/0,9=23,333, что меньше чем 103,334-80=23,334, т.е. соотношение 1) выполняется.
- для примера по изобретению №2 соотношение 1) 8/0,6+10/1,5+12/0,9=33,334, что равно 103,334-70=33,334, т.е. соотношение 1) выполняется.
- для примера по изобретению №3 соотношение 1) 7/0,6+8/1,5+10/0,9=28,111, что меньше чем 103,334-70=28,334, т.е. соотношение 1) выполняется.
Для примеров №4 и №5 (контрольные) соотношение компонентов, рассчитанное по соотношению 1):
- для контрольного примера №4 соотношение 1) 4/0,6+4/1,5+7/0,9=17,112, что меньше, чем 103,334-70=18,334, т.е. соотношение 1) выполняется, но количества компонентов выходят за границы заявляемых значений, т.е. количественное содержание компонентов и соотношение 1) одновременно не выполняются.
- для контрольного примера №5 10/0,6+11/1,5+14/0,9=39,556, что больше, чем 103,334-65=38,334, т.е. соотношение 1) не выполняется, а количественные значения выходят за границы заявляемых значений.
За границы заявляемого изобретения выходит, например, состав, содержащий, мас. % М=8; П=7,0, Л=10, Т=75, количественные значения которых входит в заявляемые интервалы, но соотношение 1) не выполняется: 8/0,6+7/1,5+10/0,9=29,111, что больше, чем 103,334 -75=28,334. Состав не обеспечивает уплотняющую способность, препятствующую утечкам, а основные показатели находятся на уровне контрольных примеров. Свойства полученных уплотнительных материалов представлены в Таблице 2 в сравнении с требованиями, предъявляемыми к аналогичному известному листовому уплотнительному материалу марки NI-2900 производства Interface Performance Materials, Inc. (США).
2
2
Свойства материалов по примерам №1-5 определены по ГОСТ Р ИСО 534-2012 «Бумага и картон. Определение толщины, плотности и удельного объема.»; ГОСТ 33784-2016 «Материалы уплотнительные и прокладки из них. Метод определения сжимаемости и восстанавливаемости»; ГОСТ 30684-2000 «Материалы прокладочные асбестовые и безасбестовые. Метод определения предела прочности при растяжении»; ГОСТ 24037-90 (СТ СЭВ 1220-78) «Материалы асбестополимерные листовые уплотнительные. Метод определения стойкости к воздействию жидкостей». В качестве жидкостей использованы: топливная смесь (70% изооктан и 30% толуол); охлаждающая жидкость (Тосол А - 50% и Вода - 50%); моторное масло вязкостью 9,5…11,0 мм/с при температуре 100°С, например, М-8 В. Термостойкость определена следующим образом. Девять кольцевых образцов уплотнительного материала наружным диаметром 120±1 мм и внутренним диаметром 80±1 мм, покрытых маслографитовой пастой, зажимают между стальными фланцами коллектора. Наличие смазки на торцовой части образцов не допускается. Испытания проводят при давлении на образцы 22,5±0,5 МПа (225±5 кгс/см). Температура нагрева коллектора 260±5°С. Время испытания 30±2 мин. Образцы обеспечивают термостойкость, если в процессе испытания отсутствует разрушение материала.
2
2
2
Методика определения уплотняющей способности в жидких средах осуществлена следующим образом. В качестве контрольной жидкости применяют керосин. Девять кольцевых образцов уплотнительного материала наружным диаметром 120±1 мм и внутренним диаметром 80±1 мм зажимают между стальными фланцами коллектора. Испытания проводят при давлении жидкой среды в коллекторе 1,0±0,05 МПа (10±0,5 кгс/см), при этом давление поднимают постепенно через каждые 15 мин на 0,15±0,05 МПа (1,5±0,5 кгс/см), давлении на образцы 34,5±0,5 МПа (345±5 кгс/см), температуре жидкой среды 20±5°С и времени испытания при указанных параметрах 30±2 мин. Образцы обеспечивают герметичность уплотняемых соединений, если в процессе испытания отсутствует утечка керосина.°Как видно из данных, представленных в Таблице 2, заявляемый листовой уплотнительный материал характеризуются хорошей термостойкостью, предел прочности при растяжении в машинном направлении не менее 4,00 МПа (требования к известному аналогу не менее 3,79 МПа), сжимаемость (при давлении 34,5 МПа) не менее 27,0% (требования к известному аналогу 27…37%), восстанавливаемость не менее 30,0% (требования к известному аналогу не менее 18,0%). Изменение массы в топливе составляет не более 30,0% (требования к известному аналогу не более 40,0%), изменение толщины в топливе составляет не более 10,0% (требования к известному аналогу не более 10,0%). Изменение массы в моторном масле составляет не более 30,0% (требования к известному аналогу не более 40,0%), изменение толщины в моторном масле составляет не более 8,0% (требования к известному аналогу не более 15,0%). Изменение массы в охлаждающей жидкости составляет не более 50,0% (требования к известному аналогу не более 60,0%), изменение толщины в охлаждающей жидкости составляет не более 25,0% (требования к известному аналогу не более 25,0%). Как показали испытания, заявляемый листовой уплотнительный материал обеспечивает уплотняющую способность (отсутствие утечки жидкой среды) соединений при воздействии керосина с давлением 1,0 МПа в течение более 30 минут (у известного аналога уплотняющая способность не регламентируется). Листовой уплотнительный материал по примерам №4 и №5 (контрольные) не обеспечивает требуемую уплотняющую способность. Кроме того, листовой уплотнительный материал по примеру №4 (контрольный) характеризуется низкой сжимаемостью и прочностью при растяжении.
Как показали испытания, заявляемый листовой уплотнительный материал обладает термостойкостью не менее 260°С (у известного аналога термостойкость не регламентируется). Листовой уплотнительный материал по примеру №5 (контрольный) не обеспечивает высокую термостойкость, а также не обеспечивает требуемой восстанавливаемости, характеризуется высокими показателями изменения толщины и массы при контакте с топливом или моторным маслом или охлаждающей жидкостью.
Заявляемый листовой уплотнительный материал характеризуется высокими показателями прочности, термостойкости, уплотняющей способности и пластичности (сжимаемость- восстанавливаемость) при низких показателях изменения толщины и массы при контакте с жидкостными и топливно-масляными средами, что позволяет расширить сферу его использования, например не только для уплотнения стыков в двигателях внутреннего сгорания, но и стыков системы выхлопных газов, охлаждающих систем, а также иных узлов, эксплуатирующихся в условиях повышенных температур и в контакте с реакционными средами.
Таблица 1
Компонент
Содержание компонентов в основном составе, мас. % (в пересчете на а.с.)
Содержание компонентов в контрольном составе, мас. % (в пересчете на а.с.)
1
2
3
4
5
Макулатура МС-5Б (Волокнистый материал)
6
8
7
4
10
Тальк (Минеральный наполнитель)
80
70
75
85
65
Латекс (Связующее)
9
12
10
7
14
Пигмент (Технический углерод)
5
10
8
4
11
ВСЕГО
100
100
100
100
100
Таблица 2
Наименование показателя
Ед. изм.
Требова-ния каналогу NI-2900(Interface)
Номера примеров
1
2
3
4
5
Плотность
г/см<sup>3</sup>
не менее 1,04
1,25
1,19
1,22
1,27
1,15
Сжимаемость (при 34,5 МПа)
%
27…37
27,3
28,1
27,8
20,9
32,1
Восстанавливаемость
%
не менее 18
34,2
32,4
31,5
37,3
28,1
Предел прочности при растяжении
МПа
не менее 3,79
4,51
4,76
4,65
2,87
5,31
Изменение толщины- моторное масло- топливная смесь- охлаждающая жидкость
%
не более 15не более 10не более 25
5,93,919,9
7,68,323,1
6,46,821,2
3,93,018,6
11,412,927,6
Изменение массы- моторное масло- топливная смесь- охлаждающая жидкость
%
не более 40не более 40не более 60
21,618,039,3
27,529,348,2
22,717,740,4
20,116,137,0
35,040,363,3
Термостойкость
°С
-
Выдержал
Выдержал
Выдержал
Выдержал
Разру-шен
Уплотняющая способность
-
Выдержал
Выдержал
Выдержал
Утечка
Утечка