一种耐高温耐油密封材料

荣 斌， 孔祥铮， 田 梅

（1.吉林省松原市产品质量计量检验检测所，吉林松原 138000；2.吉林省石油化工研究院，吉林长春 130021）

0 引 言

使用导热油加热具有设备简单、占地面积小、投资低、污染小、操作、管理便利等特点，在精细化工产品生产过程中普遍使用［1］。在导热油流经的设备非焊接部分，通常需要密封垫片，防止导热油漏出，如果密封不好，导热油渗漏，会造成严重事故［2］。这些垫片是以金属或非金属板状材质，经切割、冲压等工艺制成。金属材质的铜垫片、不锈钢垫片、铁垫片、铝垫片几乎是一次性用品，有时又受温度、压力、成本等影响。非金属材质垫片包括石棉垫片、纸垫片、橡胶垫片等，当导热油温度在200℃以下时，使用聚四氟垫较合适。对350℃以上的特种导热油只能选不锈钢缠绕垫、特种石棉垫。不锈钢缠绕垫受填料、加工影响，也时常渗油。由优质石棉纤维、耐油纤维、填充料、着色剂等制成的耐油石棉橡胶垫片，可用于石油、化工行业的管道和设备中，但当温度过高，导热油渗透过强时，此种垫片也渗油。聚醚酮是一种具有极佳机械强度、热稳定的工程塑料［3］。针对聚醚酮生产过程中易混入杂质，文献［4-5］开发了一种新聚醚酮过滤工艺及装置。文献［6］将聚四氟乙烯与聚醚酮共混制备耐高温密封材料。由于特种导热油渗出时，油温较高，与空气接触后氧化，产生有毒、难闻的白烟，严重污染操作环境，毒害操作人员的身体健康。

综上所述，针对特种高温导热油密封的需要，从现有密封垫片的制作材质、配料及制作工序入手，制备一种能完全满足特种高温导热油密封需要的新型垫片。

1 实验部分

1.1 实验药品及仪器

聚醚酮，500目，吉林省中研高性能工程塑料有限公司；

聚四氟乙烯（PTFE）纤维，SFS-2-120，辽宁阜新晟氟利高分子材料有限公司；

氧化锌，99.7%，山东博奥实业有限公司；

玻璃纤维，200目粉，深圳市赛龙玻璃纤维有限公司；

石棉纤维，50mm，灵寿县兴源矿物分体加工厂；

石英粉，200目，东源县盛鑫矿业有限公司。

导热油：最高使用温度350℃，盘锦辽河综研化学有限公司；

T-Gas4810型烟气分析仪，北京北斗星工业化工业化学研究所。

其它工具：马弗炉，电子秤，坩埚，坩埚钳。

1.2 实验装置

1.2.1 垫片制作装置

使用自制便携式垫片制作装置，其结构如图1所示。

图1 便携式密封垫制样机组合图

具体操作方法：首先，将模具5放到电加热板1上加热到一定温度，再将物料3倒入模具物料槽4中加热（易氧化物料要加惰性气体保护）。其次，用手握住手柄12，并将电机减速机13提起，下端使联动插头14插入配滚珠的旋转模具头7或平面模具头10上（根据需要安装），并直接压在物料槽中的物料上。最后，用力压手柄，启动电机，熔融的物料在旋转头的作用下，一方面具有胶混作用，另一方面能将夹杂在固体熔融物料中的小气泡赶出，保证制得的垫片中不夹杂气泡，使其具有良好的质量。

使用中要注意以下几点：

1）向下按手柄的力量要适度。要根据物料状态，包括熔融后物料粘度、强度等。

2）物料易氧化时，要适度加保护气。

3）适度控制电机转速，电机转速过高会使物料飞溅。

4）每次用完后，要处理净模具表面的物料，防止下次制作时污染物料，确保制样机的使用寿命。

5）为防止使用中加热板模具的运动，可将加热板放置在易固定的石板上。

1.2.2 检测垫片耐油耐温装置

将垫片安装在特别制作的检测耐油、耐温装置输油管路的法兰上。整个装置罩在一个长3 000mm、宽2 000mm、高2 000mm，并有进入小门的封闭罩内，使用烟气监测仪检测法兰周围的气体烟气浓度，并用检漏纸检测是否有油漏出。

1.2.3 物料配伍

物料代号：聚醚酮-A，聚四氟乙烯纤维-B，氧化锌-C，石棉纤维-D，玻璃纤维-E，石英粉-F。采用0.4mol／L的钠－奈处理液改性聚四氟乙烯纤维［7］-B1，采用氨水溶解Zn2O-C1。将上述物料分成以下8组，并对每种物料取不同质量百分数进行试验。

ⅠABC，ⅡABCD，ⅢABCDE，ⅣABCDEF，ⅤAB1C1，ⅥAB1C1D，ⅦAB1C1D，ⅧAB1C1DEF。

直接混合热辊成型：就是将所选物料放在一起，搅拌混合，使用自制的滚压制样机滚压成型。

溶剂分散热辊成型：将氧化锌溶于氨水溶液中，并将聚醚酮、石棉纤维及处理好的聚四氟乙烯混合在一起，加热，蒸去大部分溶液，倒入玻璃纤维及表面改性的玻璃纤维，搅拌，使用自制的滚压制样机滚压成型。

2 结果与讨论

对Ⅰ～Ⅷ组物料配以不同质量百分量进行试验，结果见表1。

表1 不同物料配比的密封垫制件及性能

由表1的制件外观及性能可以得出，聚醚酮、聚四氟乙烯纤维、氧化锌、石棉纤维、玻璃纤维及石英粉等物料不能通过直接混合辊制密封垫片。既使外观最好的制件，也不如普通的石棉板垫。Ⅴ～Ⅷ的外观要远好于前Ⅰ～Ⅳ组的结果，因此，后续实验主要在性能更好的Ⅵ和Ⅶ组中进行。

B1是聚四氟乙烯纤维用0.4mol／L的钠-奈处理液改性，改变了聚四氟乙烯纤维表面状态，使其表面变得相对粗糙，增加了与其它物料的亲和能力。C1是将氧化锌溶于氨水溶液中，再与其它物料混合，以增加氧化锌的分散效果。

玻璃纤维具有很高的的强度与刚度以及很好的导热性，但由于缺少化学键及界面层存在不相溶组分，使玻璃纤维与聚醚酮、PTFE纤维等基体之间的亲和性较差，复合时容易在界面上形成空隙和缺陷。采用偶联方法［8］对玻璃纤维改性，使其表面变得粗糙，增强了与其它物料亲和性，使垫片制件表面光滑、平整。处理后的玻璃纤维编号为E1。

将Ⅵ和Ⅶ组按物料不同质量比制成垫片，放入输油管路的法兰中，使用烟气监测仪检测漏油状况，在管路压力为0.2MPa时，结果如图2所示。

图2 烟气监测浓度与运行时间关系（0.2MPa压力下）

由图2可以看出，在聚醚酮28%、改性聚四氟乙烯26%、改性玻璃纤维7%、氧化锌23%及石棉纤维6%时，做出的垫片密封性最好。以此物料及配比做成垫片，在压力分别为0.2，0.3，0.5MPa，温度为350℃时进行测试，结果都未检测到有烟气。

实验制备的垫片L1、市场购买的不锈钢缠绕垫L2、特种耐油石棉垫L3，在压力为0.4MPa、温度为350℃时的对比实验结果如图3所示。

图3 3种垫片密封性对比（0.4MPa压力下）

3 结 语

将聚醚酮、改性四氟乙烯共混，利用氧化锌作为结合剂，改性玻纤、石棉纤维作添加剂，通过原料的适宜处理、调配，制备出耐高温、耐导热油的密封垫。将制作的垫片安装在特种导热油循环管路的法兰上，用烟气监测仪检测密封性。实验结果表明，当物料质量百分数分别为：聚醚酮28%、改性聚四氟乙烯26%、改性玻璃纤维7%、氧化锌23%及石棉纤维6%，导热油温度350℃，压力≤0.5MPa时，未检测到有导热油漏出。同时，对比实验表明，此复合材料的垫片比不锈钢缠绕垫、特种耐油石棉垫更适合特种高温导热油的密封。

［1］ 韩瑞端，王沣浩，郝吉波.高温蓄热技术的研究现状及展望［J］.建筑节能，2011，39（247）：32-38.

［2］ 郑于贤.导热油锅炉管道潜在的安全隐患及预防措施［J］.机电技术，2011，6：140-141.

［3］ 郭琛.我国先进高分子材料“十二五”发展思路探讨［J］.现代化工，2011，31（6）：11-13.

［4］ 任雪晶，乔迁.聚醚酮过滤工艺及装置设计［J］.现代塑料加工应用，2012，24（6）：32-34.

［5］ 乔迁.聚醚胺的合成［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2002，23（1）：80-82.

［6］ 田梅.聚四氟乙烯与聚醚酮制备耐高温密封材料［D］：［硕士学位论文］.长春：长春工业大学化学工程学院，2012.

［7］ 郑军，李茂松，周文龙.钠－奈处理液浓度与聚四氟乙烯薄膜改性效果关系的研究［J］.浙江理工大学学报，2005，22（1）：21-24.

［8］ Cheng Xian Hua，Xue Yu Jun，Xie Chao Ying. Friction and wear of rare-earth modified glass-fiber filled PTFE composites in dry reciprocating sliding motion with impact loads［J］.Wear，2002，253：869-877.