УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
SEALING ELEMENT FOR DYNAMIC APPLICATIONS

Область техники
Изобретение относится к уплотнительному элементу для динамических приложений. Кроме того, изобретение относится к способу получения уплотнительного элемента, а также к его применению для динамических приложений.
Уровень техники
Уплотнительные элементы для динамических приложений герметизируют системы, у которых уплотнение и/или сопряженная поверхность перемещаются. Это перемещение может быть как низкочастотным, так и высокочастотным, и приводит к изнашиванию уплотнительного элемента, что проявляется как истирание. В известных случаях это приводит к выделению тепла в результате трения. Вследствие износа уплотнительный элемент может стать негерметичным, то есть выйти из строя. Снижение износа уплотнительных элементов для динамических приложений является неизменным требованием для увеличения срока службы этих деталей.
Известно, что введение различных наполнителей, в частности, твердых наполнителей в уплотнительный элемент может уменьшить износ. Обычно используются минеральные наполнители. Благодаря этому можно заметно повысить срок службы деталей.
Недостатком уплотнительных элементов, известных из уровня техники, является то, что для достижения достаточного снижения износа требуется большое количество твердых наполнителей. Это ведет к нежелательному повышению твердости уплотнительного элемента. Кроме того, твердые наполнители приводят к сильному истиранию сопряженной поверхности скольжения (притирка), что также может привести к неплотности и, тем самым, к преждевременному отказу уплотнения. Далее, сильно ограничивает срок службы то, что уплотнительный элемент для динамических приложений очень часто при его применении испытывает воздействие высоких температур и высоких давлений, из-за чего износ уплотнительного элемента еще больше усиливается. До сих пор этому противодействовали за счет использования больших количеств наполнителя, чтобы увеличить срок службы.
Описание изобретения
В основе изобретения стоит задача разработать и усовершенствовать уплотнительный элемент указанного во введении типа таким образом, чтобы он имел длительный срок службы в сочетании с твердостью, подходящей для применения в уплотнениях. Далее, уплотнительный элемент должен иметь хорошие механические свойства, например, низкий износ (истирание) и мог без проблем эксплуатироваться при низком уровне шума. Кроме того, уплотнительный элемент должен подходить для применения в области высоких температур и/или высоких давлений.
Согласно изобретению, поставленная задача решается благодаря разработке уплотнительного элемента для динамических приложений с твердостью по Шору A 60-100, содержащему эластомерный материал, включающий каучук, а также углеродные нанотрубки, распределенные в эластомерном материале, в количестве от 0,1 до 20 частей (phr) в расчете на 100 весовых частей каучука. Под уплотнительным элементом в области динамических применений понимается уплотнительный элемент, который либо сам испытывает динамическое перемещение, либо такое перемещение испытывает сопряженная с ним поверхность в уплотняемой системе.
Углеродные нанотрубки представляют собой микроскопические трубчатые образования (молекулярные нанотрубки) из углерода. Их стенки состоят из углерода, причем атомы углерода упорядочены в виде сотовой структуры из шестиугольников с тремя партнерами по связи.
Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что введение углеродных нанотрубок даже в малых количествах может привести к значительному уменьшению износа уплотнительных элементов при динамическом применении. Это относится также к уменьшению износа при применении при высоких температурах. Кроме того, неожиданно оказалось, что для достижения этого эффекта требуются лишь очень малые количества углеродных нанотрубок, менее 20 phr. Далее, было найдено, что уплотнительный элемент, содержащий углеродные нанотрубки, обнаруживает лишь умеренное повышение твердости по Шору А по сравнению с уплотнительными элементами с минеральным или и/или сажевым наполнителем со сходной твердостью по Шору А. Таким образом, изобретение позволяет получить уплотнительный элемент с диапазоном твердости (60-100 единиц твердости по Шору A), особенно хорошо подходящим для динамических приложений. Кроме того, было найдено, что введение углеродных нанотрубок обеспечивает лучший профиль других свойств, важных для технологии уплотнения, таких как коэффициент трения, прочность при растяжении и предельное удлинение, по сравнению с используемыми прежде обычными минеральными наполнителями и/или сажей. Далее, неожиданно было установлено, что углеродные нанотрубки, несмотря на низкое содержание наполнителя и высокую твердость смеси, вызывают лишь незначительное истирание сопряженной поверхности скольжения (притирку). Исследования показали, что уплотнительные элементы согласно изобретению имеют, в зависимости от количества введенных углеродных нанотрубок, коэффициент трения μ, измеренный согласно DIN ISO 15113, меньше 1.
Следующим преимуществом применения углеродных нанотрубок в уплотнительных элементах является то, что они могут придавать электропроводящие свойства. Комбинация электрической проводимости со сниженным износом представляет особый интерес для различных динамических приложений, таких как кольца для радиального уплотнения вала, гидроуплотнения, уплотнения штока, уплотнения поршня, мембраны, сильфоны.
6
2
5
2
4
2
Например, вследствие вращательного движения радиальных уплотнительных колец вала на уплотнительном элементе может возникнуть электростатический заряд. В случае традиционно используемых минеральных наполнителей устранить электризацию невозможно, так они имеют изоляционные свойства. Правда, уплотнительный элемент можно сделать электропроводящим с помощью других обычных наполнительных систем, таких как проводящая сажа, так что в результате можно снять электростатический заряд. Однако такие наполнительные системы приводят к существенному усилению износа. Напротив, предлагаемое изобретением использование углеродных нанотрубок позволяет эффективно устранить электростатический заряд, одновременно повышая защиту от износа. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, уплотнительный элемент имеет удельное объемное (проходное) сопротивление и/или удельное поверхностное сопротивление, измеренное согласно DIN IEC 60093, ниже 10 (Ом·см)/см, предпочтительно ниже 10 (Ом·см)/см, особенно предпочтительно ниже 10 (Ом·см)/см.
Кроме того, уплотнительный элемент можно без проблем эксплуатировать при низком уровне шума.
Практические эксперименты показали, что углеродные нанотрубки уже в количестве менее 20 phr позволяют заметно снизить износ уплотнительных элементов в динамических применениях. Предпочтительно, доля углеродных нанотрубок в уплотнительном элементе составляет от 0,1 phr до 15 phr, более предпочтительно от 0,4 phr до 10 phr, более предпочтительно от0,5 phr до 7 phr, в частности, от 1phr до 5 phr.
Единица "части на сто частей каучука" (phr) является обычной единицей измерения в промышленности каучука и резины. Ею обозначаются массовые доли отдельных компонентов смеси в рецептуре эластомерной смеси. При этом данные рассчитаны на 100 массовых частей каучука или каучуков (в случае смеси каучуков).
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, углеродные нанотрубки в уплотнительном элементе распределены равномерно и/или отдельными вкраплениями. Имеющиеся в продаже CNT находятся, как правило, в виде агломератов. Однако искомые свойства углеродных нанотрубок проявляются лучше, когда они равномерно распределены в полимерной матрице и/или находятся в виде отдельных вкраплений. Наличие отдельных вкраплений и равномерного распределения можно легко подтвердить с помощью электронно-микроскопических снимков, например, снимков в сканирующий электронный микроскоп.
Согласно изобретению, предпочтительного отдельного вкрапления и равномерного распределения можно достичь, например, благодаря предварительному диспергированию, а также с помощью аппаратов, создающих высокие сдвиговые усилия, например, с помощью смесительного экструдера с поперечным потоком (QSM). Наличие отдельных вкраплений и равномерного распределения углеродных нанотрубок в уплотнительном элементе можно подтвердить также на опыте. Так, согласно изобретению, отдельные вкрапления и равномерное распределение углеродных нанотрубок в уплотнительном элементе имеются по меньшей мере тогда, когда для плоского образца из материала уплотнительного элемента размерами 200×200×2 мм в по меньшей мере 20 испытаниях на растяжение в продольном и поперечном направлениях, проводимых в соответствии со стандартом DIN 53504, измеренное статистическое отклонение прочности при растяжении и предельного удлинения составляет менее 30%, предпочтительно менее 20%, более предпочтительно менее 15%, более предпочтительно менее 12%, особенно предпочтительно менее 10%. Измерения прочности при растяжении и предельного удлинения проводили в испытании на растяжение согласно DIN 53504, в соответствии с которым из вулканизованного плоского образца штамповали определенные образцы для испытаний (стержень S2), по одному на опыт, и растягивали в машине для испытания на растяжение до разрыва. Это означает, что в данном эксперименте определяется анизотропное распределение оцениваемых значений.
Практические опыты показали, что хороших результатов можно достичь с самыми разными видами углеродных нанотрубок. Таким образом, диаметр углеродных нанотрубок может варьироваться в широких пределах. Подходящими показали себя, в частности, углеродные нанотрубки со средним диаметром в диапазоне от 1 до 100 нм, более предпочтительно от 2 до 50, более предпочтительно от 3 до 30, более предпочтительно от 4 до 20, в частности, от 5 до 15 нм.
Кроме того, углеродные нанотрубки могут представлять собой одно- и/или многослойные, открытые и/или закрытые трубки. Преимуществом многослойных углеродных нанотрубок является то, что они в настоящее время более дешевы.
Эластомерный материал может содержать самые разные каучуки, подходящие для уплотнительных материалов. Это могут быть крупноячеистые полимеры, сшитые химически или физически, которые при температурах ниже их точки стеклования имеют упругость подобную упругости стали, а при температурах выше точки стеклования обладают эластичностью каучука. Температуры стеклования предпочтительно используемых каучуков составляют 20°C и ниже. Предпочтительно, чтобы используемые каучуки обладали эластичностью каучука вплоть до температуры их плавления или разложения.
Эластомерный материал может содержать этилвинилацетат (EVA). Этот синтетический материал является недорогим и стабильным до 140°C. Эластичный пластмассовый компонент может содержать NBR (бутадиен-нитрильный каучук). Этот синтетический материал недорог в обработке. Эластомерный материал может содержать HNBR (гидрированный бутадиен-нитрильный каучук). Этот синтетический материал стабилен даже до 150°C и не содержит галогенов. Эластомерный материал может содержать FKM (фторкаучук). Этот синтетический материал особенно стоек химически при контакте с топливом. Эластомерный материал может содержать силиконовые эластомеры. Эти синтетические материалы являются мягкими и эластичными и при температурах ниже 0°C. В частности, можно использовать фторированные силиконовые эластомеры. Они являются стойкими к воздействию топлива.
Эластомерный материал может содержать NR (натуральный каучук). Преимущество применения натурального каучука (NR) состоит в том, что он является особенно эластичным. Эластомерный материал может содержать SBR (бутадиен-стирольный каучук). Преимущество SBR (бутадиен-стирольного каучука) заключается в том, что этот синтетический материал является почти таким же эластичным, как NR (натуральный каучук), но при этом имеет более низкую газопроницаемость. Эластомерный материал может содержать NBR (бутадиен-нитрильный каучук). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он стоек к маслам и гибок на холоде. Эластомерный материал может содержать HNBR (гидрированный бутадиен-нитрильный каучук). Преимущество применения HNBR заключается в том, что этот синтетический материал имеет высокую термостойкость и высокую стойкость к агрессивным средам. Эластомерный материал может содержать EPDM (этилен-пропилен-диеновый каучук). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он имеет высокую стойкость в полярных средах и, таким образом, представляет собой стандартный материал для систем, которые, в частности, соприкасаются с водой. Кроме того, EPDM стоек к растворам мочевины и водным средам. Эластомерный материал может содержать EPM (этилен-пропиленовый каучук). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он имеет высокую стойкость к водным средам и хорошую гибкость при низких температурах. Эластомерный материал может содержать ACM (акрилатный каучук). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он имеет высокую стойкость к неполярным средам. Поэтому ACM (акрилатный каучук) является стандартным материалом для систем, которые соприкасаются главным образом с неполярными маслами. Эластомерный материал может содержать FFKM (перфторкаучук). Преимущество применения FFKM (перфторкаучука) заключается в том, что он имеет исключительно высокую стойкость к агрессивным средам и высокую термостойкость. Пластмассовый компонент может содержать VMQ и PVMQ (винил-метил-полисилоксан и фенил-винил-метил-полисилоксан). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он является очень гибким при низких температурах. Эластомерный материал может содержать FVMQ (фторметил-винил-полисилоксан). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он также имеет высокую стойкость к агрессивным средам и температуре и при этом демонстрирует исключительную гибкость на холоде. Эластомерный материал может содержать IR (полиизопрен). Применение этого синтетического материала выгодно тем, что он доступен в высоком качестве. Эластомерный материал может содержать IIR, CIIR и BIIR (бутилкаучук, хлорбутилкаучук и бромбутилкаучук). Преимущество применения этих синтетических материалов состоит в том, что они имеют очень высокую непроницаемость. Эластомерный материал может содержать AEM (каучук на основе сополимера этилена и акриловой кислоты). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он является высокоамортизирующим и стойким к моторному и трансмиссионному маслу. Эластомерный материал может содержать BR (бутадиеновый каучук). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он стоек к истиранию и гибок на холоде. Эластомерный материал может содержать CR (хлоропреновый каучук). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он является стойким к атмосферным воздействиям. Эластомерный материал может содержать ECO (эпихлоргидриновый каучук). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он является непроницаемым и стойким к моторному и трансмиссионному маслу. Эластомерный материал может содержать CSM (хлорсульфированный полиэтиленовый каучук). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он является высокоамортизирующим и стойким к моторному и трансмиссионному маслу. Эластомерный материал может содержать полиуретан (PU). Преимущество применения этого синтетического материала состоит в том, что он стоек к истиранию. Эластомерный материал может содержать TPE (термопластичные эластомеры, ABS и SBS). Применение синтетических материалов этого класса выгодно, тем, что они недороги в обработки.
Допустимо также применение смесей и/или купажей вышеуказанных материалов.
Согласно изобретению, эластомерный материал предпочтительно содержит FFKM, FKM, NR, IR, IIR, CR, ECO, EPDM, EPM NBR, HNBR, PU, ACM, AEM, VMQ, FVMQ, а также их смеси и/или смеси с термопластичными материалами. В ходе практических испытаний особенно хорошие результаты были достигнуты при применении фторкаучука (FKM).
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, эластомерный материал содержит PVMQ, VMQ, FVMQ, а также их смеси и имеет твердость по Шору A >70. В соответствии с изобретением было установлено, что на основе этих материалов можно получить уплотнительный элемент, который сочетает высокую твердость и хороший износ. Это было неожиданным, так как получить твердость по Шору A более 80 у серийно производимых силиконовых материалов прежнего уровня было невозможно.
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения, эластомерный материал содержит EPDM PVMQ, VMQ, FVMQ, CR, ECO, а также их купажи и/или смеси с термопластичными материалами и имеет износ, измеренный согласно DIN ISO 4649, менее 120 мм
.
3
Эластомерные компоненты находятся в эластомерном материале по изобретению предпочтительно по меньшей мере частично сшитыми. При этом для сшивки предпочтительно использовать следующие сшивающие агенты: пероксиды, сера, серное мыло, диамины, полиамины, диаминкарбаматы, диолы, полиолы, в частности, бисфенолы, диизоцианаты, полиизоцианаты, диэпоксиды, полиэпоксиды, диглицидиловые эфиры, триазины, метилендианилин, дикарбоновые кислоты, поликарбоновые кислоты, оксиды металлов, ETU, платиновый катализатор и/или их смеси, или соединения, которые выделяют вышеуказанные вещества. Альтернативно или дополнительно для сшивки можно использовать также излучение высокой энергии и/или УФ-излучение.
Особенно предпочтительными сшивающими агентами являются пероксиды, сера, гексаметилендиаминкарбамат, гексаметилендиамин, октаметилендиамин и/или 2,2-бис[4-(4-аминофенокси)фенил]пропан и бисфенолы.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, уплотнительный элемент в качестве эластомерного материала содержит FKM, NBR, EPDM, AEM, VMQ, FVMQ, PVMQ и/или HNBR, который предпочтительно сшит пероксидом. В соответствии с изобретением неожиданно было обнаружено, что такой уплотнительный элемент является гибким на холоде и при динамической нагрузке, вплоть до температур ниже -50°C, и одновременно стойким к истиранию и износу при высоких температурах (до 170°C). Так, например, уплотнительный элемент по изобретению, выполненный как уплотнение однотрубного амортизатора (monotube), демонстрирует в испытании на стенде при низкой температуре при воздействии динамического перемещения штока поршня, а также при одновременной однократной боковой нагрузке (sideload) штока непроницаемость до температуры -50°C. Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления, уплотнительный элемент содержит в качестве эластомерного материала FKM, который предпочтительно сшит бисфенолом. При этом в соответствии с изобретением было установлено, что такой уплотнительный элемент является гибким на холоде, вплоть до температур ниже -30°C, и одновременно стойким к истиранию и износу при высоких температурах (до 170°C). Это справедливо также и при применении при высоком давлении (до 250 бар).
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения, уплотнительный элемент в качестве эластомерного материала содержит EPDM, NBR и HNBR, которые предпочтительно сшиты серой. При этом в соответствии с изобретением было установлено, что такой уплотнительный элемент является гибким на холоде, вплоть до температур ниже -60°C, и одновременно стойким к истиранию и износу при высоких температурах (до 170°C). Это справедливо также и при применении при высоком давлении (до 250 бар).
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения, уплотнительный элемент в качестве эластомерного материала содержит ACM и AEM, который предпочтительно сшит диаминами. При этом согласно изобретению было обнаружено, что такой уплотнительный элемент является гибким на холоде, вплоть до температур ниже -30°C, и одновременно стойким к истиранию и износу при высоких температурах (до 170°C). Это справедливо также и при применении при высоком давлении.
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения, уплотнительный элемент в качестве эластомерного материала содержит VMQ, FVMQ и/или PVMQ, который предпочтительно сшит по реакции полиприсоединения. В соответствии с изобретением неожиданно было установлено, что такой уплотнительный элемент является гибким на холоде, вплоть до температур ниже -50°C, и одновременно стойким к истиранию и износу при высоких температурах (до 220°C).
Сшивающий агент локально связывает или сшивает мономеры эластомерного материала друг с другом посредством химических мостиков.
Термин "сшитый по реакции полиприсоединения" следует понимать в обычном смысле. В частности, под этим понимают химическую реакцию, в которой активные центры сшивающего агента, например, силаны, реагируют с двойной связью полимера, например, винильной группой силоксана, под действием катализатора, например, Pt.
В одном предпочтительном варианте осуществления в дополнение к сшивающему агенту используется активатор, выбранный из стеарата калия, стеарата натрия, олеата натрия, других солей щелочных или щелочноземельных металлов и жирных кислот, дитиофосфата цинка, дибутилдитиокарбамата цинка, диметилдитиокарбамата цинка, диметилдитиокарбамата железа, ди-орто-толуилгуанидина (DOTG), дифенилгуанидина (DPG), дипентаметилентиурамдисульфида, синтетического гидроталькита, диурона, бромида октадецилтриэтиламмония, бромида октадецилтриэтилфосфония, диазабициклоундецена (DBU), диэтилтиомочевины, бензоата аммония, тримеркапто-S-триазина, натрий-2-этилгексаноата и/или из их смесей.
Альтернативно или в дополнение к активатору в пероксидный сшивающий агент можно добавить соагент, который выбирают из 2,4,6-трис(аллилокси)-1,3,5-триазина (TAC), триаллилизоцианурата (TAIC), 1,2-полибутадиена, производных 1,2-полибутадиена, N,N'-фениленбисмалеимида, диакрилатов, триакрилатов, в частности, триметилпропантриакрилата, диметакрилатов и/или триметакрилатов, в частности, триметилолпропантриметакрилата (TRIM).
В зависимости от назначения эластомерный материал может содержать по меньшей мере одну добавку, выбранную из наполнителей, пластификаторов, технологических добавок, ингибиторов старения, антиоксидантов, огнезащитных средств, красителей, пигментов и/или их смесей.
Добавка может улучшать физические свойства, например, прочность при растяжении или предельное удлинение эластомерного материала. Кроме того, добавка может улучшать осязательные характеристики и/или внешний вид термопластичных эластомерных композиций.
Если желательно еще больше повысить твердость и жесткость эластомерного материала, можно ввести в него дополнительные наполнители, предпочтительно в количестве от 1 phr до 600 phr, более предпочтительно от 2 phr до 200 phr, более предпочтительно от 3 до 100 phr, более предпочтительно от 4 до 80 phr, в частности, от 5 до 70 phr.
Для улучшения прочности при растяжении в качестве дополнительного наполнителя предпочтительно использовать сажу. Кроме того, дополнительные наполнители можно ввести, чтобы увеличить объем и/или вес и/или чтобы улучшить физические свойства смеси. Для улучшения прочности при растяжении и истирания в качестве дополнительных наполнителей предпочтительно использовать минеральные наполнители, такие как силикаты, глина, слюда, кремнезем, мел, каолин, силикаты магния, силикаты алюминия. Кроме того, дополнительные наполнители можно вводить, чтобы увеличить объем и/или вес и/или чтобы улучшить физические свойства смеси. Предпочтительно выбирать дополнительные наполнители из карбонатов, оксидов, сажи, графита, активированного угля, сульфата кальция, сульфата бария, гидроксида алюминия и/или их смесей.
Применение сажи выгодно тем, что она еще больше усиливает присущую CNT электрическую проводимость, а также приводит к повышению механической прочности. Применение минеральных наполнителей выгодно тем, что заметно снижается истирание, и смесь можно окрасить.
Эластомерный материал может содержать пластификатор, выбранный из фталатных эфиров, сложных полиэфиров, сополимеров простого и сложного эфиров, из себакатов, политиоэфиров, фосфатов, сложных эфиров-тримеллитатов, сульфамидов и/или их смесей, предпочтительно в количестве от 0,1 phr до 50 phr.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, эластомерный материал может включать в себя антиоксидант, выбранный из поликарбодиимидов, замещенных фенолов, замещенных бисфенолов, дигидрохинолина, дифениламина, фенилнафтиламина, парафенилдиамина, парафенилендиамина, бензимидазола и/или их смесей, предпочтительно в количестве от 0,1 phr до 15 phr.
Следующим объектом настоящего изобретения является способ получения уплотнительного элемента по изобретению, включающий следующие этапы: введение CNT в эластомерный материал, который при необходимости содержит добавки, в смесительном устройстве с образованием эластомерной смеси; придание формы и, при необходимости, сшивка с образованием уплотнительного элемента.
Введение CNT можно осуществлять в непрерывном или периодическом режиме. Для получения эластомерной смеси перемешивание используемых эластомеров, углеродных нанотрубок и факультативных добавок можно проводит в различном порядке. При этом эластомеры, углеродные нанотрубки и/или добавки можно подавать в виде таблеток, гранул, порошка или расплава.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, сначала добавки смешивают с каучуком и нагревают. Целесообразно провести измельчение каучука и особенно гомогенное перемешивание эластомера, углеродных нанотрубок и факультативных добавок, например, в закрытом смесителе при числе оборотов в диапазоне 50-250 об/мин. В результате можно достичь предпочтительного, согласно изобретению, однородного распределения углеродных нанотрубок в уплотнительном элементе. Этого однородного распределения можно также достичь, например, путем предварительного диспергирования, а также с помощью аппаратов, создающих высокие сдвиговые усилия, например, с помощью смесительного экструдера с крестовиной. Для периодического режима получения смеси можно применять закрытые смесители с находящимися во взаимном зацеплении или касающимися роторами, например, смеситель Бенбери или смеситель фирмы Farrell. Периодический режим получения является особенно гибким, в частности, для случая, когда должны производиться разные каучуковые смеси. Для получения смеси в непрерывном режиме можно применять экструдеры, например, двухшнековый экструдер. Другими предпочтительными смесительными устройствами являются вальцовые мельницы.
Формование можно осуществить способами, известными из уровня техники, как, например, прессование в форме (Compression Moulding, CM) или литье под двалением (Injection Moulding, IM).
В зависимости от используемого каучукового материала, в процессе придания формы целесообразно, чтобы имела место сшивка с образованием химических и/или физических связей. Сшивку, как известно специалисту, можно вызвать обычным способом, например, нагревом и/или УФ-облучением.
in-situ
Также допустима сшивка каучука сшивающим агентом в процессе смешения, то есть , в частности, по принципу динамической сшивки.
Уплотнительный элемент можно также подвергнуть дополнительной термообработке.
Уплотнительный элемент может быть выполнен как эластичное пластмассовое изделие твердостью по Шору А, устанавливаемой в соответствии с назначением, предпочтительно от 60 до 100 единиц, например, от 70 до 90 и/или от 75 до 95. Такой уплотнительный элемент способен по меньшей мере частично деформироваться. Кроме того, он имеет удовлетворительную способность к восстановлению, которая гарантирует непроницаемость системы. Кроме того, эластомерный материал является технологичным также при высоких значениях твердости по Шору, то есть он поддается обработке в вышеуказанном процессе придания формы, в отличие от традиционных наполнительных систем, которые не содержат CNT.
Согласно изобретению, уплотнительный элемент выполнен предпочтительно как массивное пластмассовое изделие. При этом выгодно, чтобы элемент подвергался однородной нагрузке, чтобы можно было избежать усталости материала. Кроме того, при этом получаются низкие производственные затраты.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения, уплотнительный элемент представляет собой динамическое уплотнение, например, в форме уплотнения амортизатора, радиальный уплотнительных колец вала (например, Radiamatic), патронного уплотнения, щелевого уплотнения, уплотнительной манжеты, уплотнения стержня клапана, уплотнения штока цилиндра, уплотнения поршня, мембраны, сильфона, гидравлического уплотнения и/или привода для клапанов. Согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения, уплотнительный элемент представляет собой статическое уплотнения для динамических приложений, например, в виде O-образного, X-образного, D-образного кольца, рамного уплотнения.
Далее изобретение подробнее поясняется на двух примерах.
Пример 1: Улучшение износа уплотнительного кольца радиального вала
Готовят типичную для радиального уплотнения вала смесь, в которой равномерно распределены углеродные нанотрубки, и определяют характерные параметры.
В качестве исходных материалов применяются:
- тройной сополимер винилиденфторида, гексафторпропилена и тетрафторэтилена (Dyneon 2350 от 3M)
- волластонитный наполнитель Nyad 400 от Nyco
- магнийоксидный наполнитель (Maglite Y от Nordmann Rassmann)
- активатор сшивки (Rhenofit CF от RheinChemie Rheinau)
- смазка (карнаубский воск Carnubawax 2442 от Kahl GmbH
- углеродные нанотрубки (Nanocyl NC 7000 от Nanocyl)
Смеси перемешивают в закрытом смесителе Thyssen Krupp GK 1,5E [1.7l], а также гомогенизируют на вальцовой мельнице Agila [1.8l].
Сырье
Эталон 1
Компаунд 1
Dyneon 2350
100 phr
100 phr
Nyad 400
40 phr
40 phr
Maglite Y
6 phr
6 phr
Rhenofit CF
3 phr
3 phr
карнаубский воск
1 phr
1 phr
Nanocyl NC 7000
5 phr
Из эталонной смеси и компаунда 1 изготавливают компоненты с размерами BAUM 35-52-7 (тип конструкции) и испытывают на испытательном стенде для радиальных уплотнительных колец вала. Измерение проводят в соответствии со стандартом DIN 3761. В качестве меры износа радиального уплотнительного кольца вала служит увеличение ширины следа дорожки во время эксплуатации, чем больше увеличение ширины следа, тем сильнее износ и тем меньше срок службы. В результате для эталона измеренная ширина оказалась равной 0,8 мм, а для компаунда 1 равной 0,2 мм, что означает заметное уменьшение. Кроме того, исследуемые компоненты с компаундом 1 имеют заметно лучший внешний вид следа, что выражается в очень гладкой поверхности.
Пример 2: Получение уплотнения амортизатора
Изобретение проверяется на смеси, типичной для амортизаторов. В качестве исходных материалов применялись:
- фторированный эластомер Technoflon P 757 от Solvay
- волластонитный наполнитель Nyad 400 от Nyco
- активатор сшивки TAIC от Kettlitz
- сшивающий агент (Luperox 101 G45 от Arkema)
- углеродные нанотрубки (Nanocyl NC 7000 от Nanocyl)
Смеси перемешивают в закрытом смесителе Thyssen Krupp GK 1,5E [1.7l], а также гомогенизируют на вальцовой мельнице Agila [1.8l].
Сырье
Эталон 2
Компаунд 2
Technoflon P 757
100 phr
100 phr
Nyad 400
60 phr
60 phr
TAIC
2 phr
2 phr
Luperox 101 G45
2 phr
2 phr
Nanocyl NC 7000
5 phr
Из эталонной смеси 2 и компаунда 2 выполняют компоненты с размерами DHSWV 11-31,2-1,5 и уплотнение однотрубного амортизатора (monotube) испытывают на стенде для испытаний при низких температурах. Для этого амортизатор, содержащий испытуемое уплотнение, помещают в устройство, которое позволяет перемещать поршневой шток амортизатора по оси. Испытуемый амортизатор имеет монтажное пространство, которое содержит масло, причем вытекание этого масла является оценочным критерием непроницаемости. Амортизатор охлаждают в морозильной камере до начальной температуры испытания (в данном случае -50°C) и закрепляют в устройстве. Подготовку к испытанию проводят путем многократного медленного вдвигания штока в амортизатор, при этом вытекшее масло удаляют. Температуру измеряют на корпусе амортизатора вблизи уплотнения. Измерение проводят во время циклического перемещения штока, при этом температура из-за динамического движения штока повышается вследствие саморазогрева. Количество вытекшего масла измеряют с шагом в 2 градуса Кельвина, появление капель масла означает негерметичность. В зависимости от интервала между измерениями к амортизатору однократно прикладывают боковую нагрузку 250 Н. Уплотнение амортизатора, которое было выполнено из эталонного материала 2, имеет непроницаемость до -30°C, а с компаундом 2 можно достичь непроницаемости до -40°C.