1．概述
閥門是通用機械量大面廣的産品，它不僅使用工況條件多種多樣，而且産品結構形式千變萬化，品種規格相當繁多，在促進國民經濟快速發展和國際貿易，民生健康，環境保護等各個方面都起著十分重要的作用。
但随着科学技术的进步，人民生活水平的提高和我国加入WTO后国际贸易竞争的需要，产品的升级换代已迫在眉睫。国际社会不仅需要产品质量的提高，而且要求在生产高质量产品的同时，要保护劳动者的身体健康和绿色生态环境，在提高产品质量和生产效率的同时还要注意节约能源，做到社会的物质文明和精神文明良好发展。按照这个要求，不仅要使产品生产工艺先进，做到与时俱进，而且要求生产设备自动化、连续化、智能化。在高速高效节能环保要求的前提下，与此配套应用的閥門産品在使用中也暴露出很多薄弱环节。除了产品结构设计的不良因素影响外，在材料使用上也不同程度地出现了耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用寿命等方面与设备使用要求不适应的现象。为了满足现代化生产工艺与设备及技术对閥門及其配件使用要求，除了用现代科学理念和CAD、CAE、CAM对閥門産品高技术参数进行设计、加工外，对上述出现问题所使用的金属和非金属材料也必须进行高性能的研制。现将我院多年来研制的閥門及通用机械产品用多元高分子复合材料的性能介绍如下。
2．閥門用多元高分子复合材料制造技术特点及性能研究
2．1 多元高分子复合材料制造技术特点
多元高分子複合材料是指用兩種或更多種特種工程塑料或特種橡膠爲基礎原料，經過不同填料的添加和特殊的生産工藝制成的新型材料，它可根據用戶對産品的性能要求和結構特點、生産數量、産品價格及使用壽命等諸多因素的限制，而更爲科學合理的設計高分子複合材料配方及生産工藝，生産出物美價廉的産品，使其更符合生産實際需要，和充分利用材料消耗而達到能源的合理利用，産品生産成本減少、適用性能可靠的目的。我院根據通用機械産品的發展和應用，重點開展了耐高低溫、耐磨損、耐腐蝕、長壽命密封制品用多元高分子複合材料的應用性能及制品加工技術的研究工作，經過多年研究和應用，現已形成了用PEEKK、PEEK、PI、PTFE、PPS、UHMWPE等多種多元高分子交替匹配構成的複合材料組合體系，它們的性能特點分別有耐高、低溫型、高強度型、低摩擦磨損型、高抗沖擊型、耐疲勞型、耐腐蝕型、耐超低溫型、長壽命型、耐老化型、特殊潤滑型，作爲水泵、閥門、压缩机、风机、压力容器等通用机械产品中的动、静密封及其配件使用，使用效果良好，收到了用户的好评。
多元高分子複合材料擬訂配方的原則主要是根據實際應用工況條件和産品結構、生産數量、成本等等因素考慮的，采用兩種或多種高分子材料爲基礎原料，主要是通過發揮高分子材料本身的固有特性和相容性及填料的選擇、表面處理及最佳用量匹配和輔助原料的確定、加工工藝等的研究，確定實用配方達到制造的複合材料具有綜合物理機械性能優良或突出目的的制品，確保滿足用戶需要。下面分幾個組合系列介紹。
2．2 多元高分子复合材料的性能
2．2．1 CH—1复合材料的性能
CH—1高分子複合材料是以用全芳香族聚酰亞胺樹脂[1]爲主，並與其他少量相容性樹脂共混的特殊填充材料，運用高新加工成型技術和設備制造出來的，它有不同的等級和優良的複合材料物理機械性能及系列産品標准，具有耐超高、低溫、耐磨損、耐電器絕緣、耐等離子體、耐放射線、耐化學介質、耐潤滑脂、油、溶劑和耐高真空，低壓縮變形及優良的機械加工性能。其性能指標。可在表1的技術範圍內進行調整(根據用戶使用工況要求和價格)。
2．2．2 CH—2复合材料的性能
CH—2高分子复合材料[2]是以用全芳香族聚芳醚酮类树脂为主，并与其他少量相容性树脂共混的特殊填充材料，运用高新加工成型技术和设备制造出来的。该材料机械性能优良，是韧性和刚性兼备并取得平衡的特种材料，耐疲劳性可与合金材料媲美。此外，还具有优异的滑动特性，适用于做低摩擦系数和高耐磨损的动、静密封制品及配件。可耐除浓硫酸及一些强氧化性的介质以外的任何化学试剂的腐蚀。吸水率很低，具有优异的电绝缘性、耐辐射性和耐天候老化性能，适于做耐温范围-40～358℃范围内的相关制品。该材料还具有优秀的加工性能，可根据閥門客户不同的需求，采用各种方法加工成型产品。
2．2．3 CH一3复合材料的性能
CH一3高分子复合材料是以聚四氟乙烯为主，并与其他少量相容性树脂共混的特殊填充材料，运用高新加工成型技术和设备制造出来的。该复合材料具有优异的耐高低温性能，最高使用工作温度可达250℃，低温下具有良好的机械韧性，即使温度下降到-196℃，也可保持5％的伸长率。具有优异的耐腐蚀性能，对大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂。另外它是固体材料中摩擦系数最低者，不粘附任何物质，具有最小的表面张力。除做閥門密封及配件制品外，还利用它无毒无味作为人工血管和脏器等医用制品。
2．2．4 CH—4复合材料的性能
CH—4高分子複合材料是以超高分子量聚乙烯[5](分子量≥400萬)爲基體，並與其他少量相容性樹脂共混的特殊填充材料，運用高新加工成型技術和設備制造出來的。它具有優異的耐沖擊、耐磨損、自潤滑性、耐化學腐蝕(在一定溫度、濃度範圍內能耐各類腐蝕性介質(酸、堿、鹽)及有機溶劑的作用)、電絕緣等性能。而且該材料無毒無味，價格低廉、重量輕，可在100℃～—269℃工況條件下使用。可廣泛應用于機械、運輸、紡織、造紙、礦山、農業、煉油化工、醫療體育器械等領域。
2．2．5 CH—5复合材料的性能
CH—5是幾種特種橡膠制造的高分子複合材料。不僅可以采取結構組合，也可采用生膠共混，按照特殊要求設計配亢制造複合材料。現簡述幾種特種橡膠[6]複合材料的特性。
(1)全氟醚橡膠
全氟醚橡胶是一种合成弹性体，以四氟乙烯、全氟化甲基乙烯基醚(Perfluorinated Methyl Vinyl Ether)和通式为CF2=CF-ORfX(X爲-COOR，-CN，-OC6H5)的三元共聚物，是一種完全不含C-H鍵的橡膠。該橡膠具有和聚四氟乙烯類似的熱穩定性和耐化學性。最佳第三單體被認爲是全氟-4-羧基甲基丁醚、全氟-4-氰基乙烯基醚、全氟-2-苯氧基丙基乙烯基醚和全氟-3-苯氧基乙烯基醚。再全氟醚橡膠組分中添加第三種硫化單體，以便形成三維網狀結構，使橡膠具有彈性。網狀結構的好壞很大程度上決定于其功能和交聯體系。由于側鏈具有-OCF3基团，因此在结构上破坏了聚四氟乙烯的结晶性，具有较好的弹性。该类材料对油类、化学品和热有很好的耐受性，最高可以在327℃下有效工作。在ASTM D1418规范中，全氟醚橡胶可以简写为FFKM。全氟醚橡胶它几乎能承受一切化学介质的腐蚀，其中包括醚类、酮类、苯环类溶剂、强氧化剂、强酸强碱等，但对某些高氟溶剂有膨胀现象，若接触气态或熔融状态的碱金属，会有引起剧烈化学反应的危险，表5是全氟醚橡胶的耐溶剂性能。
全氟醚橡膠對其他橡膠所不能使用的化學藥品如：丙烯腈、丁基丙烯腈、醚類、二氯甲烷、苯乙烯、氧化乙烯、乙氧基乙醇、氧化合物、氮化合物、苯胺基、氯乙烯、丁二烯類、酯類、氧化丙烯等也顯現出優良的使用特性。
全氟醚橡膠的玻璃化溫度雖然較高，但由于有塑性塑料的柔軟性能，因此在低于脆化點的溫度下使用，仍有一定強度。全氟醚橡膠的硫化膠還具有對氣體和液體的低滲透性和良好的耐燃燒性能及優良的電絕緣性能。
作为閥門中特殊的密封件，在耐高温以及对许多有毒有害物质和强腐蚀化学品，如过热水、醚、酮、醛、酯、苯环结构的有机物、胺类物质、强酸强碱、氧化剂等的抗耐性方面有着绝对优势，并有着相当长的使用经验。
(2)四丙氟橡膠
四丙氟橡膠[6]可分爲四氟乙烯和丙烯共聚的二元彈性體，四氟乙烯、丙烯和偏氟乙烯共聚的三元彈性體。它的結構特性決定了它具有優異的化學穩定性，對于無機酸、堿、各類漂白劑、過熱水和蒸汽，尤其是混有酸、堿等化學物質的蒸汽以及磷酸酯類液壓油等具有高度耐腐蝕性，還有高電氣絕緣性能。四丙氟橡膠能夠在230℃以下長期使用，短期可達到250℃，但低溫性能較差，作爲靜態密封件‘可在—42℃～230℃範圍內使用；作爲動態密封件可在—2℃～230℃範圍內使用。
當前國內外生膠品種有TFE—P二元聚合物，三元系的TFE—P—VDF，以及三元系的TFE—P—CSM和國産TP等牌號，其重要牌號的硫化膠性能見表6、7，其制品應用情況見表8。
(3)氫化丁腈橡膠
氫化丁腈橡膠[8]是由腈基、亞甲基鏈和少量C=C雙鍵構成的。飽和的亞甲基鏈賦予氫化聚合物優異的橡膠彈性、耐熱性、耐老化性和低溫屈撓性。腈基則給予了材料良好的耐油性。而少量的C—C雙鍵則使材料能與硫磺或過氧化物發生硫化。因此氫化丁睛橡膠雖然仍含有少量雙鍵，但其氧化穩定性比丁腈橡膠高1000倍，熱降解溫度(在氮氣和空氣中)隨氫化度的提高而提高，大約比未氫化丁腈橡膠高30～40℃。當氫化度大于80％，耐熱老化性能顯著改善，壓縮永久變形明顯變小。
应用研究结果表明，其使用温度可高达170℃(可在150℃的温度下长期使用)，耐磨性是普通丁腈橡胶的1．8倍，是氟橡胶、丙烯酸酯橡胶的2．5倍，耐油性与氟橡胶相当，耐酸性、耐汽油性能是普通丁腈橡胶的5倍；耐润滑油及非氟利昂制冷剂性能好；对各种润滑油添加剂及对硫化氢性能稳定；且耐寒性优于氟橡胶。适于做閥門中弹性密封件和耐磨制品。表9是氢化丁腈橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶胶料硫化胶的力学性能对比。
上述幾種特種橡膠制造的CH—5高分子複合材料，可以根據用戶的要求，對産品的物理機械性能如硬度、拉伸強度、扯斷伸長率、壓縮變形、耐熱老化性能、耐介質性能、耐高低溫性能、價格等進行合理調整，以適合各種使用工況的需要。
3．制品的機械加工技術研究
3．1 机械加工
多元高分子複合材料制品由于具有優良的綜合物理機械性能和耐磨性，因而利用常規的機械加工刀具只能加工部分産品，對于高強度、耐磨損、耐高溫、高精度要求的制品加工是比較困難的，必須使用碳化物或金剛石車刀和鑽，才能獲得高效率、長壽命的效果。因此在進行車削加工時，切削速度、進刀速度、要比加工普通制品的速度低。銑削、鑽孔等也應如此。最好的方法是在加工前對制品毛坯退火，由于在機械加工或精加工過程中，切削點形成的局部升熱，可能導致材料出現局部應力集中。爲了消除內應力對制品工作性能的影響，要對大批量零件進行機械加工和精加工，則需要二次退火處理，退火溫度和時間根據産品的結構和尺寸而確定。
3．2 水射流切割加工技术
水作为廉价的資源已成为人类生活中不可缺少的组成部分，水資源的巧妙利用是现代科学技术研究的重要内容之一，我院经过多年的努力，已在水设备应用领域研究中取得了清洗、除锈、切割、特殊喷射等多项技术成果。利用这个独特的优势，我们进行了水射流切割多元高分子复合材料制品加工技术的研究。
試驗用WJ250型切割機組，該機組由主機、超高壓泵計算機控制及系列切割平台三大部分組成。該機組除切割外還可用于鑽孔、磨削、抛光、镂刻等加工工藝。
試驗時先將要切割的工件圖紙輸入到計算機內，經識別認可及虛擬模擬實驗運行無誤時，再將要切割的工件固定在切割台上，然後打開主機，把水加壓至100～128MPa的超高壓力，經水噴出，再加入特定磨料送至0．8mm直徑的磨料噴嘴，水與磨料的混合液以超音速作用于工件上，完成對工件的切割。
試驗證明，水射切割機組具有以下特點：(1)對材料無選擇性，無有熱力效應産生；(2)切割質量好；(3)可從任意點開始切割任意複雜的圖形；(4)無環境汙染；(5)操作簡單，控制全面准確、系統運行穩定，是加工多元高分子複合材料制品較好的選型設備。
3．3 精加工技术
爲了滿足某些特殊制品的精度要求，還要專門制造設備和器具對多元複合材料制品進行精加工。這樣雖然加工和制品費用增加，但能保證制品的使用要求。
4．應用示例
4．1 用CH—2和CH—5 复合材料制造的閥門密封圈
用CH—2和CH—5复合材料制造的閥門密封圈，产品示意图见图1(a)，(b)。
4．2 用CH—2 复合材料制造的阀座、密封圈
用CH—2複合材料制造的閥座、密封圈、棒材等産品(見圖2)，在熱電工業使用中，表現出耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、使用壽命長等優點。
4．3 用全氟醚橡胶制造弹性密封圈
用全氟醚橡胶制造的高分子复合材料，作为特殊工况(耐高温、耐特种介质腐蚀等)要求下的閥門密封圈，经过多年的使用，用户反应效果良好。
4．4 用多种多元高分子复合材料制造的閥門産品及配件
用多种多元高分子复合材料制造的閥門産品及配件结构示意图如下，其中：硬密封面用堆筛合金，软密封面用多元高分子复合材料。
5．結語
当前，国内外閥門市场竞争十分激烈，再加上受国际经济风暴的影响，购买力相对减弱，使得閥門企业生存危机感加重，以致一些有实力的閥門企业去努力开拓高技术含量、高参数、耐腐蚀、长寿命的閥門産品。
我們願與相關單位積極配合，做好技術服務工作，做到齊努力、共發展、渡難關，開發國內外市場急需的高端産品，爲國家建設和行業發展作出更大貢獻。
上海閘閥-天沃，與您資料共享！
