1．概述
閥門是通用機械量大面廣的產品，它不僅使用工況條件多種多樣，而且產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。
但隨著科學技術的進步，人民生活水平的提高和我國加入WTO后國際貿易競爭的需要，產品的升級換代已迫在眉睫。國際社會不僅需要產品質量的提高，而且要求在生產高質量產品的同時，要保護勞動者的身體健康和綠色生態環境，在提高產品質量和生產效率的同時還要注意節約能源，做到社會的物質文明和精神文明良好發展。按照這個要求，不僅要使產品生產工藝先進，做到與時俱進，而且要求生產設備自動化、連續化、智能化。在高速高效節能環保要求的前提下，與此配套應用的閥門產品在使用中也暴露出很多薄弱環節。除了產品結構設計的不良因素影響外，在材料使用上也不同程度地出現了耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、使用壽命等方面與設備使用要求不適應的現象。為了滿足現代化生產工藝與設備及技術對閥門及其配件使用要求，除了用現代科學理念和CAD、CAE、CAM對閥門產品高技術參數進行設計、加工外，對上述出現問題所使用的金屬和非金屬材料也必須進行高性能的研制。現將我院多年來研制的閥門及通用機械產品用多元高分子復合材料的性能介紹如下。
2．閥門用多元高分子復合材料制造技術特點及性能研究
2．1 多元高分子復合材料制造技術特點
多元高分子復合材料是指用兩種或更多種特種工程塑料或特種橡膠為基礎原料，經過不同填料的添加和特殊的生產工藝制成的新型材料，它可根據用戶對產品的性能要求和結構特點、生產數量、產品價格及使用壽命等諸多因素的限制，而更為科學合理的設計高分子復合材料配方及生產工藝，生產出物美價廉的產品，使其更符合生產實際需要，和充分利用材料消耗而達到能源的合理利用，產品生產成本減少、適用性能可靠的目的。我院根據通用機械產品的發展和應用，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復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復合材料組合體系，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，作為水泵、閥門、壓縮機、風機、壓力容器等通用機械產品中的動、靜密封及其配件使用，使用效果良好，收到了用戶的好評。
多元高分子復合材料擬訂配方的原則主要是根據實際應用工況條件和產品結構、生產數量、成本等等因素考慮的，采用兩種或多種高分子材料為基礎原料，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復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 多元高分子復合材料的性能
2．2．1 CH—1復合材料的性能
CH—1高分子復合材料是以用全芳香族聚酰亞胺樹脂[1]為主，并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復合材料物理機械性能及系列產品標準，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的技術范圍內進行調整(根據用戶使用工況要求和價格)。
2．2．2 CH—2復合材料的性能
CH—2高分子復合材料[2]是以用全芳香族聚芳醚酮類樹脂為主，并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。該材料機械性能優良，是韌性和剛性兼備并取得平衡的特種材料，耐疲勞性可與合金材料媲美。此外，還具有優異的滑動特性，適用于做低摩擦系數和高耐磨損的動、靜密封制品及配件。可耐除濃硫酸及一些強氧化性的介質以外的任何化學試劑的腐蝕。吸水率很低，具有優異的電絕緣性、耐輻射性和耐天候老化性能，適于做耐溫范圍-40～358℃范圍內的相關制品。該材料還具有優秀的加工性能，可根據閥門客戶不同的需求，采用各種方法加工成型產品。
2．2．3 CH一3復合材料的性能
CH一3高分子復合材料是以聚四氟乙烯為主，并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。該復合材料具有優異的耐高低溫性能，最高使用工作溫度可達250℃，低溫下具有良好的機械韌性，即使溫度下降到-196℃，也可保持5％的伸長率。具有優異的耐腐蝕性能，對大多數化學藥品和溶劑，表現出惰性、能耐強酸強堿、水和各種有機溶劑。另外它是固體材料中摩擦系數最低者，不粘附任何物質，具有最小的表面張力。除做閥門密封及配件制品外，還利用它無毒無味作為人工血管和臟器等醫用制品。
2．2．4 CH—4復合材料的性能
CH—4高分子復合材料是以超高分子量聚乙烯[5](分子量≥400萬)為基體，并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、濃度范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復合材料的性能
CH—5是幾種特種橡膠制造的高分子復合材料。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復合材料。現簡述幾種特種橡膠[6]復合材料的特性。
(1)全氟醚橡膠
全氟醚橡膠是一種合成彈性體，以四氟乙烯、全氟化甲基乙烯基醚(Perfluorinated Methyl Vinyl Ether)和通式為CF2=CF-ORfX(X為-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。最佳第三單體被認為是全氟-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基團，因此在結構上破壞了聚四氟乙烯的結晶性，具有較好的彈性。該類材料對油類、化學品和熱有很好的耐受性，最高可以在327℃下有效工作。在ASTM D1418規范中，全氟醚橡膠可以簡寫為FFKM。全氟醚橡膠它幾乎能承受一切化學介質的腐蝕，其中包括醚類、酮類、苯環類溶劑、強氧化劑、強酸強堿等，但對某些高氟溶劑有膨脹現象，若接觸氣態或熔融狀態的堿金屬，會有引起劇烈化學反應的危險，表5是全氟醚橡膠的耐溶劑性能。
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。
作為閥門中特殊的密封件，在耐高溫以及對許多有毒有害物質和強腐蝕化學品，如過熱水、醚、酮、醛、酯、苯環結構的有機物、胺類物質、強酸強堿、氧化劑等的抗耐性方面有著絕對優勢，并有著相當長的使用經驗。
(2)四丙氟橡膠
四丙氟橡膠[6]可分為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，作為靜態密封件‘可在—42℃～230℃范圍內使用；作為動態密封件可在—2℃～230℃范圍內使用。
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和國產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。
應用研究結果表明，其使用溫度可高達170℃(可在150℃的溫度下長期使用)，耐磨性是普通丁腈橡膠的1．8倍，是氟橡膠、丙烯酸酯橡膠的2．5倍，耐油性與氟橡膠相當，耐酸性、耐汽油性能是普通丁腈橡膠的5倍；耐潤滑油及非氟利昂制冷劑性能好；對各種潤滑油添加劑及對硫化氫性能穩定；且耐寒性優于氟橡膠。適于做閥門中彈性密封件和耐磨制品。表9是氫化丁腈橡膠、丁腈橡膠、氟橡膠膠料硫化膠的力學性能對比。
上述幾種特種橡膠制造的CH—5高分子復合材料，可以根據用戶的要求，對產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 機械加工
多元高分子復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產品，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鉆，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、鉆孔等也應如此。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。為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產品的結構和尺寸而確定。
3．2 水射流切割加工技術
水作為廉價的資源已成為人類生活中不可缺少的組成部分，水資源的巧妙利用是現代科學技術研究的重要內容之一，我院經過多年的努力，已在水設備應用領域研究中取得了清洗、除銹、切割、特殊噴射等多項技術成果。利用這個獨特的優勢，我們進行了水射流切割多元高分子復合材料制品加工技術的研究。
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臺三大部分組成。該機組除切割外還可用于鉆孔、磨削、拋光、鏤刻等加工工藝。
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臺上，然后打開主機，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，無有熱力效應產生；(2)切割質量好；(3)可從任意點開始切割任意復雜的圖形；(4)無環境污染；(5)操作簡單，控制全面準確、系統運行穩定，是加工多元高分子復合材料制品較好的選型設備。
3．3 精加工技術
為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復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 復合材料制造的閥門密封圈
用CH—2和CH—5復合材料制造的閥門密封圈，產品示意圖見圖1(a)，(b)。
4．2 用CH—2 復合材料制造的閥座、密封圈
用CH—2復合材料制造的閥座、密封圈、棒材等產品(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 用全氟醚橡膠制造彈性密封圈
用全氟醚橡膠制造的高分子復合材料，作為特殊工況(耐高溫、耐特種介質腐蝕等)要求下的閥門密封圈，經過多年的使用，用戶反應效果良好。
4．4 用多種多元高分子復合材料制造的閥門產品及配件
用多種多元高分子復合材料制造的閥門產品及配件結構示意圖如下，其中：硬密封面用堆篩合金，軟密封面用多元高分子復合材料。
5．結語
當前，國內外閥門市場競爭十分激烈，再加上受國際經濟風暴的影響，購買力相對減弱，使得閥門企業生存危機感加重，以致一些有實力的閥門企業去努力開拓高技術含量、高參數、耐腐蝕、長壽命的閥門產品。
我們愿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產品，為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！
