一种用于托辊的耐永久压缩密封圈及其制备方法

技术领域

本发明涉及密封圈技术领域，尤其涉及一种用于托辊的耐永久压缩密封圈及其制备方法。

背景技术

托辊，是带式输送机的重要部件，种类多，数量大，可以支撑输送带和物料重量。它占了一台带式输送机总成本的35％，产生了70％以上的阻力，因此托辊的质量尤为重要。

目前，在皮带运输机的托辊轴端部轴承设置密封圈，密封圈是固定在轴承的一个套圈或垫圈上并与另一套圈或垫圈接触或形成窄的间隙，防止润滑油漏出及外物侵入带式输送机托辊。

由于密封圈是托辊不可或缺的一个零部件，但现有的带式输送机托辊所用密封圈往往耐磨性差、高温耐老化性差，而且在承受长期高压作用下，易发生严重的永久变形，使用过程尺寸不稳定，导致密封性能差，给生产工作带来很大局限性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种用于托辊的耐永久压缩密封圈及其制备方法。

一种用于托辊的耐永久压缩密封圈，其原料按质量份包括：丁腈橡胶80-120份，氟橡胶10-20份，氧化石墨烯5-15份，无机复合碳 10-20份，聚四氢呋喃醚二醇5-15份，异佛尔酮二异氰酸酯2-8份，氧化锌1-2份，硬脂酸1-2份，二月桂酸二丁基锡0.1-1份，抗氧剂1-2份，增塑剂1-2份，促进剂1-2份，硫磺1-2份；

其中，无机复合碳以石墨碳为载体，采用玻璃碳对石墨碳进行填充并包覆。

优选地，无机复合碳采用木粉浸入酚醛树脂分散液中，经无氧高温烧结使木粉形成石墨碳，而酚醛树脂形成玻璃碳并对石墨碳进行填充包覆。

优选地，无机复合碳采用如下具体步骤制取：向酚醛树脂分散液中加入木粉搅拌，常温静置1-2天，过滤，80-90℃干燥至恒重，粉碎后加入高温烧结炉中，氮气氛下从室温以2-4℃/min的速度升温至 200-400℃，保温10-30min，继续升温至1500-1800℃烧结10-30min，空冷至室温得到无机复合碳。

本发明将木粉浸泡至酚醛树脂中，由于木粉内含有大量的孔状结构，酚醛树脂对木粉的渗透效果极好，过滤并经过干燥后，在氮气保护下升温至200-400℃，木粉内的碳碳键与碳氧键断裂，同时释放出水、二氧化碳等气体，随着温度的继续升高开始形成多环芳香结构并进一步形成无定形碳芯结构，而再升温至1500-1800℃进行烧结，无定形碳转化为石墨碳，而包覆在其外壁的结构转化为玻璃碳层并嵌合在石墨碳内与表面，两者不仅结合强度高不易脱离，而且产物的尺寸稳定性高，硬度高，同时耐磨性能优异。

优选地，酚醛树脂分散液的质量分数为24-57％，酚醛树脂分散液和木粉的质量比为26-54：10-20。

优选地，酚醛树脂分散液采用苯酚和甲醛水溶液在碱性条件下，70-90℃反应至粘度为40-55s(涂-4杯，25℃)；苯酚和甲醛的质量比为10-20：3-9。

优选地，木粉尺寸为40目。

上述用于托辊的耐永久压缩密封圈制备方法，包括如下步骤：

S1、将聚四氢呋喃醚二醇真空脱水后，加入二月桂酸二丁基锡搅拌均匀，加入异佛尔酮二异氰酸酯，70-80℃反应1-2h，向其中加入氧化石墨烯搅拌5-15min，得到预处理氧化石墨烯；

S2、将丁腈橡胶、氟橡胶加入至开炼机中，开炼机前辊温度为 60-80℃，开炼机后辊温度为50-58℃，在辊距0.5mm薄通6-10次，然后加入至密炼机中，依次加入预处理氧化石墨烯、无机复合碳、氧化锌、硬脂酸、抗氧剂、增塑剂、促进剂，50-60℃混炼1-3min，排料，得到预制料；

S3、将预制料加入至开炼机中，然后加入硫磺进行硫化，首先 120-130℃硫化10-20min，然后升温至150-170℃硫化1-2min，冷却至70-80℃，静置10-20h，得到硫化料；

S4、将硫化料加入至硫化机中加压成型，其中成型压力为 12-16MPa，成型温度为180-200℃，成型时间为15-30s，得到用于托辊的耐永久压缩密封圈。

本发明的技术效果如下所示：

本发明采用聚四氢呋喃醚二醇在二月桂酸二丁基锡的作用下与异佛尔酮二异氰酸酯反应，形成异氰酸根封端的预聚体，然后与氧化石墨烯反应，异氰酸根与氧化石墨烯表面的羟基进行反应进行杂化交联，所得预处理氧化石墨烯既与丁腈橡胶、氟橡胶组成的橡胶基体结合强度高，又由于氧化石墨烯的独特片层网络结构经过立体交联后在制品中形成多重高强阻隔层，不仅使制品密封性能优异，而且可在体系中形成高度发达的导热通道，产品耐温性能优良，有效增强制品的高温耐老化性。

无机复合碳以石墨碳为载体，采用玻璃碳对石墨碳进行填充并包覆，不仅硬度极高，而且耐磨性能极为优异，同时与预处理氧化石墨烯的亲和性高，使无机复合碳在密封圈中均匀分散，配合预处理氧化石墨烯的多重网络高阻隔作用，无机复合碳不易迁移，有效增强无机复合碳在体系中的稳定性，而其本身高度的尺寸稳定性，无机复合碳与预处理氧化石墨烯协同作用使得制品具有很低的压缩永久变形性能，能够在承受长期高压作用的情况下而不发生严重的永久变形。

本发明采用丁腈橡胶、氟橡胶为主料，预处理氧化石墨烯在其中立体交联后在制品中形成多重高强阻隔层，配合无机复合碳共同作用，在使用过程中，不仅保证了密封效果，而且可有效增强其耐磨和耐热性，密封圈耐永久压缩性能优异，能够在承受长期高压作用的情况下而不发生严重的永久变形，有效保证设备正常工作。

附图说明

图1为实施例5与对比例1-2制品的热空气老化试验对比图。

图2为实施例5与对比例1-2制品的压缩永久变形试验对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

实施例1

一种用于托辊的耐永久压缩密封圈，其原料包括：丁腈橡胶80kg，氟橡胶10kg，氧化石墨烯5kg，无机复合碳10kg，聚四氢呋喃醚二醇5kg，异佛尔酮二异氰酸酯2kg，氧化锌1kg，硬脂酸1kg，二月桂酸二丁基锡0.1kg，抗氧剂1kg，增塑剂1kg，促进剂1kg，硫磺1kg。

无机复合碳采用如下具体步骤制取：

将10kg苯酚加入至反应器中，搅拌状态下向其中加入1kg浓度为0.5mol/L氢氧化钠溶液，再在搅拌状态下向其中滴加15kg质量分数为20％甲醛水溶液，70℃反应至粘度为40s(涂-4杯，25℃)，得到酚醛树脂分散液；

向26kg质量分数为24％酚醛树脂分散液中加入10kg40目木粉，以200r/min的速度搅拌1h，常温静置1天，过滤，80℃干燥至恒重，粉碎后加入高温烧结炉中，氮气氛下从室温以2℃/min的速度升温至 200℃，保温10min，继续升温至1500℃烧结10min，空冷至室温得到无机复合碳。

上述用于托辊的耐永久压缩密封圈制备方法，包括如下步骤：

S1、将聚四氢呋喃醚二醇真空脱水后，加入二月桂酸二丁基锡搅拌均匀，加入异佛尔酮二异氰酸酯，70℃反应1h，向其中加入氧化石墨烯搅拌5min，得到预处理氧化石墨烯；

S2、将丁腈橡胶、氟橡胶加入至开炼机中，开炼机前辊温度为 60℃，开炼机后辊温度为50℃，在辊距0.5mm薄通6次，然后加入至密炼机中，依次加入预处理氧化石墨烯、无机复合碳、氧化锌、硬脂酸、抗氧剂、增塑剂、促进剂，50℃混炼1min，排料，得到预制料；

S3、将预制料加入至开炼机中，然后加入硫磺进行硫化，首先 120℃硫化10min，然后升温至150℃硫化1min，冷却至70℃，静置 10h，得到硫化料；

S4、将硫化料加入至硫化机中加压成型，其中成型压力为12MPa，成型温度为180℃，成型时间为15s，得到用于托辊的耐永久压缩密封圈。

实施例2

一种用于托辊的耐永久压缩密封圈，其原料包括：丁腈橡胶120kg，氟橡胶20kg，氧化石墨烯15kg，无机复合碳20kg，聚四氢呋喃醚二醇15kg，异佛尔酮二异氰酸酯8kg，氧化锌2kg，硬脂酸2kg，二月桂酸二丁基锡1kg，抗氧剂2kg，增塑剂2kg，促进剂2kg，硫磺2kg。

无机复合碳采用如下具体步骤制取：

将20kg苯酚加入至反应器中，搅拌状态下向其中加入4kg浓度为1.2mol/L氢氧化钠溶液，再在搅拌状态下向其中滴加30kg质量分数为30％甲醛水溶液，90℃反应至粘度为55s(涂-4杯，25℃)，得到酚醛树脂分散液；

向54kg质量分数为57％酚醛树脂分散液中加入20kg40目木粉，以300r/min的速度搅拌2h，常温静置2天，过滤，90℃干燥至恒重，粉碎后加入高温烧结炉中，氮气氛下从室温以4℃/min的速度升温至 400℃，保温30min，继续升温至1800℃烧结30min，空冷至室温得到无机复合碳。

上述用于托辊的耐永久压缩密封圈制备方法，包括如下步骤：

S1、将聚四氢呋喃醚二醇真空脱水后，加入二月桂酸二丁基锡搅拌均匀，加入异佛尔酮二异氰酸酯，80℃反应2h，向其中加入氧化石墨烯搅拌15min，得到预处理氧化石墨烯；

S2、将丁腈橡胶、氟橡胶加入至开炼机中，开炼机前辊温度为 80℃，开炼机后辊温度为58℃，在辊距0.5mm薄通10次，然后加入至密炼机中，依次加入预处理氧化石墨烯、无机复合碳、氧化锌、硬脂酸、抗氧剂、增塑剂、促进剂，60℃混炼3min，排料，得到预制料；

S3、将预制料加入至开炼机中，然后加入硫磺进行硫化，首先 130℃硫化20min，然后升温至170℃硫化2min，冷却至80℃，静置 20h，得到硫化料；

S4、将硫化料加入至硫化机中加压成型，其中成型压力为16MPa，成型温度为200℃，成型时间为30s，得到用于托辊的耐永久压缩密封圈。

实施例3

一种用于托辊的耐永久压缩密封圈，其原料包括：丁腈橡胶90kg，氟橡胶18kg，氧化石墨烯8kg，无机复合碳17kg，聚四氢呋喃醚二醇8kg，异佛尔酮二异氰酸酯6kg，氧化锌1.3kg，硬脂酸1.8kg，二月桂酸二丁基锡0.3kg，抗氧剂1.7kg，增塑剂1.2kg，促进剂1.5kg，硫磺1.3kg。

无机复合碳采用如下具体步骤制取：

将17kg苯酚加入至反应器中，搅拌状态下向其中加入2kg浓度为1mol/L氢氧化钠溶液，再在搅拌状态下向其中滴加20kg质量分数为28％甲醛水溶液，75℃反应至粘度为50s(涂-4杯，25℃)，得到酚醛树脂分散液；

向30kg质量分数为46％酚醛树脂分散液中加入12kg40目木粉，以260r/min的速度搅拌1.3h，常温静置1.5天，过滤，88℃干燥至恒重，粉碎后加入高温烧结炉中，氮气氛下从室温以2.5℃/min的速度升温至350℃，保温15min，继续升温至1700℃烧结15min，空冷至室温得到无机复合碳。

上述用于托辊的耐永久压缩密封圈制备方法，包括如下步骤：

S1、将聚四氢呋喃醚二醇真空脱水后，加入二月桂酸二丁基锡搅拌均匀，加入异佛尔酮二异氰酸酯，77℃反应1.3h，向其中加入氧化石墨烯搅拌12min，得到预处理氧化石墨烯；

S2、将丁腈橡胶、氟橡胶加入至开炼机中，开炼机前辊温度为 65℃，开炼机后辊温度为56℃，在辊距0.5mm薄通7次，然后加入至密炼机中，依次加入预处理氧化石墨烯、无机复合碳、氧化锌、硬脂酸、抗氧剂、增塑剂、促进剂，57℃混炼1.5min，排料，得到预制料；

S3、将预制料加入至开炼机中，然后加入硫磺进行硫化，首先 128℃硫化13min，然后升温至165℃硫化1.3min，冷却至77℃，静置13h，得到硫化料；

S4、将硫化料加入至硫化机中加压成型，其中成型压力为15MPa，成型温度为185℃，成型时间为26s，得到用于托辊的耐永久压缩密封圈。

实施例4

一种用于托辊的耐永久压缩密封圈，其原料包括：丁腈橡胶110kg，氟橡胶12kg，氧化石墨烯12kg，无机复合碳13kg，聚四氢呋喃醚二醇12kg，异佛尔酮二异氰酸酯4kg，氧化锌1.7kg，硬脂酸1.2kg，二月桂酸二丁基锡0.7kg，抗氧剂1.3kg，增塑剂1.7kg，促进剂1.1kg，硫磺1.5kg。

无机复合碳采用如下具体步骤制取：

将13kg苯酚加入至反应器中，搅拌状态下向其中加入3kg浓度为0.6mol/L氢氧化钠溶液，再在搅拌状态下向其中滴加26kg质量分数为22％甲醛水溶液，85℃反应至粘度为45s(涂-4杯，25℃)，得到酚醛树脂分散液；

向50kg质量分数为30％酚醛树脂分散液中加入18kg40目木粉，以220r/min的速度搅拌1.7h，常温静置1.5天，过滤，84℃干燥至恒重，粉碎后加入高温烧结炉中，氮气氛下从室温以3.5℃/min的速度升温至250℃，保温25min，继续升温至1600℃烧结25min，空冷至室温得到无机复合碳。

上述用于托辊的耐永久压缩密封圈制备方法，包括如下步骤：

S1、将聚四氢呋喃醚二醇真空脱水后，加入二月桂酸二丁基锡搅拌均匀，加入异佛尔酮二异氰酸酯，73℃反应1.7h，向其中加入氧化石墨烯搅拌8min，得到预处理氧化石墨烯；

S2、将丁腈橡胶、氟橡胶加入至开炼机中，开炼机前辊温度为 75℃，开炼机后辊温度为52℃，在辊距0.5mm薄通9次，然后加入至密炼机中，依次加入预处理氧化石墨烯、无机复合碳、氧化锌、硬脂酸、抗氧剂、增塑剂、促进剂，53℃混炼2.5min，排料，得到预制料；

S3、将预制料加入至开炼机中，然后加入硫磺进行硫化，首先 122℃硫化17min，然后升温至155℃硫化1.7min，冷却至73℃，静置17h，得到硫化料；

S4、将硫化料加入至硫化机中加压成型，其中成型压力为13MPa，成型温度为195℃，成型时间为20s，得到用于托辊的耐永久压缩密封圈。

实施例5

一种用于托辊的耐永久压缩密封圈，其原料包括：丁腈橡胶100kg，氟橡胶15kg，氧化石墨烯10kg，无机复合碳15kg，聚四氢呋喃醚二醇10kg，异佛尔酮二异氰酸酯5kg，氧化锌1.5kg，硬脂酸1.5kg，二月桂酸二丁基锡0.5kg，抗氧剂1.5kg，增塑剂1.5kg，促进剂1.3kg，硫磺1.4kg。

无机复合碳采用如下具体步骤制取：

将15kg苯酚加入至反应器中，搅拌状态下向其中加入2.5kg浓度为0.8mol/L氢氧化钠溶液，再在搅拌状态下向其中滴加23kg质量分数为25％甲醛水溶液，80℃反应至粘度为48s(涂-4杯，25℃)，得到酚醛树脂分散液；

向40kg质量分数为38％酚醛树脂分散液中加入15kg40目木粉，以240r/min的速度搅拌1.5h，常温静置1.5天，过滤，86℃干燥至恒重，粉碎后加入高温烧结炉中，氮气氛下从室温以3℃/min的速度升温至300℃，保温20min，继续升温至1650℃烧结20min，空冷至室温得到无机复合碳。

上述用于托辊的耐永久压缩密封圈制备方法，包括如下步骤：

S1、将聚四氢呋喃醚二醇真空脱水后，加入二月桂酸二丁基锡搅拌均匀，加入异佛尔酮二异氰酸酯，75℃反应1.5h，向其中加入氧化石墨烯搅拌10min，得到预处理氧化石墨烯；

S2、将丁腈橡胶、氟橡胶加入至开炼机中，开炼机前辊温度为 70℃，开炼机后辊温度为54℃，在辊距0.5mm薄通8次，然后加入至密炼机中，依次加入预处理氧化石墨烯、无机复合碳、氧化锌、硬脂酸、抗氧剂、增塑剂、促进剂，55℃混炼2min，排料，得到预制料；

S3、将预制料加入至开炼机中，然后加入硫磺进行硫化，首先 125℃硫化15min，然后升温至160℃硫化1.5min，冷却至75℃，静置15h，得到硫化料；

S4、将硫化料加入至硫化机中加压成型，其中成型压力为14MPa，成型温度为190℃，成型时间为25s，得到用于托辊的耐永久压缩密封圈。

对比例1

一种用于托辊的耐永久压缩密封圈，其原料包括：丁腈橡胶100kg，氟橡胶15kg，氧化石墨烯10kg，无机复合碳15kg，氧化锌1.5kg，硬脂酸1.5kg，二月桂酸二丁基锡0.5kg，抗氧剂1.5kg，增塑剂1.5kg，促进剂1.3kg，硫磺1.4kg。

无机复合碳采用如下具体步骤制取：

将15kg苯酚加入至反应器中，搅拌状态下向其中加入2.5kg浓度为0.8mol/L氢氧化钠溶液，再在搅拌状态下向其中滴加23kg质量分数为25％甲醛水溶液，80℃反应至粘度为48s(涂-4杯，25℃)，得到酚醛树脂分散液；

向40kg质量分数为38％酚醛树脂分散液中加入15kg40目木粉，以240r/min的速度搅拌1.5h，常温静置1.5天，过滤，86℃干燥至恒重，粉碎后加入高温烧结炉中，氮气氛下从室温以3℃/min的速度升温至300℃，保温20min，继续升温至1650℃烧结20min，空冷至室温得到无机复合碳。

上述用于托辊的耐永久压缩密封圈制备方法，包括如下步骤：

S1、将丁腈橡胶、氟橡胶加入至开炼机中，开炼机前辊温度为 70℃，开炼机后辊温度为54℃，在辊距0.5mm薄通8次，然后加入至密炼机中，依次加入氧化石墨烯、无机复合碳、氧化锌、硬脂酸、抗氧剂、增塑剂、促进剂，55℃混炼2min，排料，得到预制料；

S2、将预制料加入至开炼机中，然后加入硫磺进行硫化，首先 125℃硫化15min，然后升温至160℃硫化1.5min，冷却至75℃，静置15h，得到硫化料；

S3、将硫化料加入至硫化机中加压成型，其中成型压力为14MPa，成型温度为190℃，成型时间为25s，得到用于托辊的耐永久压缩密封圈。

对比例2

一种用于托辊的耐永久压缩密封圈，其原料包括：丁腈橡胶100kg，氟橡胶15kg，氧化石墨烯10kg，无机碳15kg，聚四氢呋喃醚二醇10kg，异佛尔酮二异氰酸酯5kg，氧化锌1.5kg，硬脂酸1.5kg，二月桂酸二丁基锡0.5kg，抗氧剂1.5kg，增塑剂1.5kg，促进剂1.3kg，硫磺1.4kg。

无机碳采用40目木粉86℃干燥至恒重，粉碎后加入高温烧结炉中，氮气氛下从室温以3℃/min的速度升温至400℃烧结40min，空冷至室温得到无机碳。

上述用于托辊的耐永久压缩密封圈制备方法，包括如下步骤：

S1、将聚四氢呋喃醚二醇真空脱水后，加入二月桂酸二丁基锡搅拌均匀，加入异佛尔酮二异氰酸酯，75℃反应1.5h，向其中加入氧化石墨烯搅拌10min，得到预处理氧化石墨烯；

S2、将丁腈橡胶、氟橡胶加入至开炼机中，开炼机前辊温度为 70℃，开炼机后辊温度为54℃，在辊距0.5mm薄通8次，然后加入至密炼机中，依次加入预处理氧化石墨烯、无机碳、氧化锌、硬脂酸、抗氧剂、增塑剂、促进剂，55℃混炼2min，排料，得到预制料；

S3、将预制料加入至开炼机中，然后加入硫磺进行硫化，首先 125℃硫化15min，然后升温至160℃硫化1.5min，冷却至75℃，静置15h，得到硫化料；

S4、将硫化料加入至硫化机中加压成型，其中成型压力为14MPa，成型温度为190℃，成型时间为25s，得到用于托辊的耐永久压缩密封圈。

将实施例5和对比例1-2所得耐永久压缩密封圈进行各项性能进行检测，具体如下：

(1)机械性能

拉伸强度：按照GB/T528-2009进行检测；

阿克隆磨耗：按照GB/T1689-2010进行检测；

直角撕裂强度和裤型撕裂强度：按照GB/T529-2008进行检测；

其结果如下所示：

由上表可知，实施例5所得耐永久压缩密封圈的硬度高，而阿克隆磨耗最低，耐磨耗性能优异，同时具有极好的拉伸强度与耐撕裂强度。

本申请人认为：这是由于实施例5所用无机复合碳是以石墨碳为载体，采用玻璃碳对石墨碳进行填充并包覆，不仅产物硬度极高，配合体系形成的多重高阻隔网络，体系耐磨耗性能好，并具有极好的力学强度。

(2)热空气老化(125℃×70h)

参照GB/T3512-2014进行检测。其结果如图1所示，实施例5 所得耐永久压缩密封圈热空气老化试验之后，其硬度的升高幅度仅为 3％，同时拉伸强度变化率较小，这说明本发明制品的耐高温性能优良，耐温性能可达到125℃。

本申请人认为：这是由于本发明采用预处理氧化石墨烯，不仅与丁腈橡胶、氟橡胶组成的橡胶基体结合强度高，而且氧化石墨烯其独特的片层网络结构经过立体交联后在制品中形成多重高强阻隔层，并且制品密封性能优异，同时可在体系中形成高度发达的导热通道，产品耐温性能优良，有效增强制品的高温耐老化性。

(3)压缩永久变形

参照按照GB/T7759.1-2015进行检测。其结果如图2所示，实施例5在70℃×24h的条件下，压缩永久变形仅为3.5％，即使提高至 100℃×24h，压缩永久变形也仅提高至5.1％，这说明本发明所得密封圈具有很低压缩永久变形性能，能够在承受长期高压作用的情况下而不发生严重的永久变形。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。