состав для получения композиционного материала для сальниковых уплотнений

Формула изобретения

Состав для получения композиционного материала для сальниковых уплотнений на основе графита, содержащего гидрофобизирующую добавку, отличающийся тем, что в качестве гидрофобизирующей добавки содержит смесь парафина и фторсодержащего олигомера и дополнительно содержит армирующий компонент, в качестве которого используют низкоразмерные частицы природных слоистых силикатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Парафин	1,0-3,0
Фторсодержащий олигомер	0,1-0,5
Низкоразмерные частицы
природных слоистых силикатов	0,1-10
Графит	Остальное до 100

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания композиционных функциональных материалов для обеспечения герметичности подвижных и неподвижных соединений транспортных трубопроводов для перекачки жидких и газообразных сред и запорной арматуры различной конструкции.

Известно, что широкое применение в сальниковых уплотнениях различных герметизирующих устройств получили композиционные материалы на основе углерода различных модификаций: графита, графитизированного и углеродного волокна и т.п. [1-4]. Разнообразие углеродных материалов предполагает широкую номенклатуру герметизирующих изделий в виде прокладок, колец, профилей. Широкое распространение получили сальниковые уплотнения, представляющие собой шнуры различного сечения, которыми заполняют герметизируемое пространство и после механического воздействия (деформирования) с помощью специального элемента запорной арматуры - грундбуксы - герметизируют соединение «шток-корпус», обеспечивая надежную эксплуатацию оборудования в течение заданного ресурса, оговоренного технической документацией. Сальниковые уплотнители изготавливают из композиционных материалов различного состава, к числу которых относятся композиции на основе политетрафторэтилена, углеграфитового волокна, органических полимерных синтетических и природных волокон (полиамидных, полисульфоновых, арамидных, льняных, хлопковых и др.), модифицированных различными компонентами. Уплотнительные шнуры для сальниковых уплотнений имеют круглое или квадратное сечение и получаются методом плетения на специальном технологическом оборудовании. Такие материалы весьма эффективны в применении, однако имеют высокую стоимость, достигающую до 150 долл.США за 1 кг, и ограниченно применимы в конструкциях общетехнического назначения [4].

Известен композиционный материал для сальниковых уплотнений, полученный из модифицированного графита, известный под торговой маркой «Графлекс» [5]. Материал обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики уплотнительных изделий, однако разработан на основе термически расщепленного графита (ТРГ), полученного термической обработкой частиц интеркалированного графита с последующим формованием изделий горячим или холодным прессованием. Недостатками уплотнительных материалов «Графлекс» являются сложность и повышенная экологическая опасность технологического процесса, а также изменение герметизирующих характеристик материала с течением времени эксплуатации изделия. В результате протекания вторичных процессов структурирования композиционный материал уплотняется и теряет способность к передеформированию без разрушения. Это приводит к увеличению протечек рабочей среды через запорную арматуру.

Наиболее близким к заявленному составу для получения композиционного материала для сальниковых уплотнений является материал на основе гидрофобизированного графита, содержащий графит и органический олигомерный компонент (воск, парафин, низкомолекулярный полиэтилен) в количестве до 5 мас.% [6]. Такой материал легко перерабатывается в изделия методом прессования. Уплотнительные изделия в виде колец или полуфабрикатов заданной формы и сечения укладывают в герметизируемую емкость запорной арматуры, подвергают воздействию грундбуксы и заполняют все пространство камеры, обеспечивая надежную герметизацию как подвижных, так и неподвижных соединений.

Задачей изобретения является повышение физико-механических характеристик композиционного материала для сальниковых уплотнений, что обеспечит большую устойчивость изделий к воздействию эксплуатационных факторов и транспортировке.

Поставленная задача решается тем, что состав для получения композиционного материала для сальниковых уплотнений на основе графита, содержащего гидрофобизирующую добавку, в качестве гидрофобизирующей добавки содержит смесь парафина и фторсодержащего олигомера и дополнительно содержит армирующий компонент, в качестве которого используют низкоразмерные частицы природных слоистых силикатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Парафин	1,0-3,0
Фторсодержащий олигомер	0,1-0,5
Низкоразмерные частицы
природных слоистых силикатов	0,1-10
Графит	остальное до 100

Состав для получения композиционного материала для сальниковых уплотнений согласно изобретению содержит новые функциональные компоненты - армирующую добавку в виде низкоразмерных частиц природных слоистых минералов и гидрофобизирующую добавку, в качестве которой предложена смесь парафинов и фторсодержащего олигомера с молекулярной массой до 5000 ед.

Сущность заявленного изобретения состоит в следующем. Низкоразмерные частицы слоистых природных минералов типа монтмориллонита, талька, слюды, трепела и т.п., полученные по технологии термомеханического диспергирования, обладают повышенной активностью и выступают в роли твердофазных модификаторов, препятствующих деформированию композиционного материала, т.е. являются армирующими нанофазами. Это позволяет существенно повысить прочностные показатели композита, что способствует увеличению технологичности монтажа уплотнительных комплектов в рабочей камере запорной арматуры. Введение в состав смеси парафинов и фторсодержащих олигомеров позволяет обеспечить решение комплекса задач.

Во-первых, эта смесь обеспечивает хорошее взаимодействие между частицами композиционного материала и увеличивает его плотность и прочностные показатели. Во-вторых, фторсодержащий олигомер образует на поверхности изделия пленку, повышающую стойкость материала к окислению и гидрофобность. В-третьих, фторсодержащий олигомер хемосорбируется на поверхности металлического контртела, способствуя закреплению частиц графита на поверхности трения и их знакопеременному переносу. Благодаря этому герметичность сопряжения «шток-сальниковое уплотнение» существенно повышается и сохраняется в течение длительного срока эксплуатации без дополнительного обслуживания. Таким образом, введение в состав композиционного материала для сальниковых уплотнений заявленных функциональных компонентов - низкоразмерных частиц слоистых минералов и фторсодержащих олигомеров позволяет достичь нового технически значимого эффекта.

Составы для получения композиционных материалов для сальниковых уплотнений конкретного выполнения приведены в табл.1.

Таблица 1 Составы для получения композиционных материалов для сальниковых уплотнений
	Содержание, мас.%
Компонент	Прототип*	Заявляемые составы
		I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX
1. Парафин:
- синтетический	2,5	-	-	-	2,5	-	-	-	-	-
- природный	-	1,0	2,5	3,0	-	-	2,5	2,5	0,5	5,0
- хлорпарафин	-	-	-	-	-	2,5	-	-	-	-
2. Низкоразмерные частицы природных слоистых силикатов:
- бентонит	-	0,1	2,5	10	-	-	-	-	0,05	15
- монтмориллонит	-	-	-	-	2,5	-	-	-	-	-
- слюда	-	-	-	-	-	2,5	-	-	-	-
- трепел	-	-	-	-	-	-	2,5	-	-	-
- тальк	-	-	-	-	-	-	-	2,5	-	-
3. Фторсодержащий олигомер:
- марки Ф-1	-	0,1	0,3	0,5	-	0,3	0,3	0,3	0,05	1,0
- марки Ф-14	-	-	-	-	0,3	-	-	-	-	-
4. Графит	97,5	98,8	94,7	86,5	94,7	94,7	94,7	94,7	99,4	79,0
* В качестве парафина использовали низкомолекулярный продукт, получаемый при производстве полиэтилена на ПО «Полимир» (г.Новополоцк, Беларусь) (низкомолекулярный полиэтилен - парафин).

Для получения композиционных материалов для сальниковых уплотнений использовали природные или синтетические парафины, являющиеся продуктом перегонки нефти или синтеза полиолефинов. Продукты производятся на НПО «Нафтан» и ПО «Полимир» (г.Новополоцк). Низкоразмерные частицы природных силикатов получают на дробилке ударного действия с последующей термообработкой частиц. Дисперсность частиц полуфабриката не превышала 5 мкм, после термообработки - не более 100 нм. В качестве фторсодержащего олигомера использовали продукт общей формулы R_f-R₁, где R_f - фторсодержащий радикал, R₁ - функциональная группа. Фторсодержащие олигомеры синтезированы в Научно-исследовательском институте синтетического каучука им.Лебедева (РФ) и Государственном научно-исследовательском институте прикладной химии (РФ) и промышленно выпускаются в РФ под торговыми марками «Эпилам» и «Фолеокс» по техническим условиям (ТУ 38.03.1.013).

Структурная формула фторсодержащих олигомеров имеет вид:

где n=2÷40; R₁ - функциональная группа -СООН, -CONH₂, COR₂, где R₂ - C₁-С₂-алкил.

Молекулярная масса олигомера составляет от 2000 до 5000 ед.

Для приготовления составов для получения композиционных материалов использовали фторсодержащие олигомеры «Фолеокс» марок Ф-1 и Ф-14, соответственно включающих полярную группу -СООН и неполярную группу -CF ₃. Олигомеры применяли в виде 0,5-1,0 мас.% раствора во фреоне или хладоне. Растворитель после обработки компонентов в течение сравнительно небольшого времени (5-10 мин) удаляется из состава в результате испарения и в окончательный состав композиционного материала не входит. Аналогом олигомера «Фолеокс» марки Ф-1 является олигомер «Эпилам» марок 6СФК-180-05 и 6СФК-180-20, выпускаемый по ТУ 6-02.1229-82.

Для приготовления составов для получения композиционных материалов использовали графит марок ГТ-1, С-1 или их аналоги. Графит производится промышленно Завальевским графитовым комбинатом (Украина). Дисперсность частиц графита составляла 1,0-150 мкм.

Технология изготовления композиционных материалов включает операции дозирования компонентов, смешивания графита и низкоразмерных частиц природных силикатов в шаровом смесителе, введение парафина и фторсодержащего олигомера, гомогенизацию в течение 0,5-1,0 час. при 150-200°С с целью удаления летучих компонентов и влаги, охлаждения и прессования в формах. Прессованием в формах заданных размеров при температуре 20±5°С и давлении 5-10 МПа получают кольца из композиционного материала с наружным диаметром от 14,5 до 400 мм и толщиной от 9 до 10 мм. Такие типоразмеры колец обеспечивают надежное уплотнение всей номенклатуры запорной арматуры, применяемой в системах энерго-, тепло-, водоснабжения. Уплотнение арматуры осуществляют путем применения комплекта из 3-х или 5-ти колец, изготовленных из композиционного материала [5].

Характеристики разработанных согласно изобретению композиционных материалов для сальниковых уплотнений в сравнении с прототипом представлены в табл.2.

Таблица 2 Характеристики композиционных материалов для сальниковых уплотнений
Компонент	Показатель для материала
	Прототип	Заявляемые составы
		I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX
1. Предел прочности при сжатии, МПа	3,7	5,0-6,7	6,0- 7,3	7,8-9,0	7,5	7,3	7,0	8,0	4,2	9,0
2. Модуль упругости, ГПа	0,46	0,90-1,46	1,15-1,98	1,20-2,01	1,98	1,15	1,20	0,95	0,60	1,95
3. Коэффициент Пуассона	0,41	0,35-0,38	0,35-0,39	0,42-0,45	0,35	0,37	0,35	0,35	0,30	0,39
4. Термостойкость, °С	500	550	550	550	550	550	550	550	510	550

Как следует из данных табл.2, заявляемые составы для получения композиционных материалов для сальниковых уплотнений (составы I-VII) существенно превосходят прототип по основным служебным характеристикам. Уменьшение содержания армирующей добавки (низкоразмерных частиц природных силикатов) менее заявленных пределов (состав VIII) снижает показатели служебных характеристик, а превышение содержания (состав IX) не обеспечивает дополнительного повышения показателей. Все заявленные составы существенно превосходят прототип по термостойкости. Марка фторсодержащего олигомера не оказывает принципиального значения, т.к. олигомер выполняет функцию связующего и гидрофобизирующего слоя. Эти свойства реализуются при использовании любой марки олигомера, т.к. строение основного радикала не изменяется. Сравнение показателей служебных характеристик заявленных составов композиционного материала прототипа и аналога «Графлекс» свидетельствует о высокой эффективности заявленного технического решения.

Дополнительными преимуществами разработанного композиционного материала является способность к восстановлению изношенных поверхностей сопряженного с уплотнением металлического изделия - штока задвижки. Это обусловлено переносом активных низкоразмерных частиц природных силикатов и образованием металлосиликатного слоя на поверхности трения, предотвращающего износ.

Заявленные составы композиционного материала для сальниковых уплотнений прошли промышленную апробацию на предприятиях по производству тепловой и электрической энергии, а также предприятиях концерна «Белнефтехим». Разработана нормативная документация на материал и уплотнительные комплекты из него.

Источники информации

1. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник. / Л.А.Кондаков, А.И.Голубев, В.В.Гордеев и др. Под общ. Ред. А.И.Голубева, Л.А.Кондакова - Изд. 2-е, перераб. и дополн. М.: Машиностроение, 1994. - 448 с.

2. Уплотнения. Сб. статей под ред. В.К.Житомирского. М.: Машиностроение, 1964. - 296 с.

3. Графит как высокотемпературный материал. Сб. статей, пер. с англ. Под ред. К.П.Власова, М.: Мир, 1964. - 423 с.

4. Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики. Киев: Техника, 1985. - 196 с.

5. Высоконадежные сальниковые кольца серии «Графлекс». Проспект фирмы «Унихимтек». М., 2003.

6. Авторское свидетельство СССР №1810384, МКИ 6 С 10 М 163/00 (С 10 М 163/00) С 10 М 125/02, опубл. 1991.