碳纤维密封盘根耐烧蚀性能的研究

　　摘要: 碳纤维密封盘根是适用于高压、高速、高温工况下的高端密封产品，其中其耐温性能是决定密封效果的关键指标，而烧蚀实验可以用来评价盘根的耐高温性能。通过热失重和500 ℃烧蚀实验研究不同碳纤维密封盘根和浸渍及未浸渍聚四氟乙烯( PTFE) 碳纤维密封盘根的耐烧蚀性能，采用扫描电子显微镜观察样品烧蚀前后表面形貌的变化。结果表明，采用PTFE 浸渍剂处理后，PTFE 膜在碳纤维表面起到隔绝空气的作用，减少活性碳原子的氧化反应，对碳纤维起到保护作用，碳纤维表面没有明显烧蚀的痕迹; 碳化温度越高，碳纤维内部石墨结构越完善，耐热性越好，因而由高模量碳纤维编织的密封盘根具有较好的耐烧蚀性能。

　　关键词: 碳纤维; 密封盘根; 烧蚀; 失重

　　编织型密封填料即密封盘根是填料密封中应用为广泛的[1-2]，具有承载介质压力大、对介质的适应性广、成本低、安装方便等优点[3]。在密封盘根中，聚四氟乙烯( PTFE) 纤维编织密封填料具有优良的化学稳定性和自润滑性能[4 - 5]，但缺点是热传导性差和热膨胀系数大，在一定温度和压力的工况条件下，容易产生蠕变或冷流现象，不适应高温、高压、高速的工况要求[6 - 7]。然而，随着宇航、核电站、国防工业、石化工业的发展，当今密封问题所涉及的广度和深度已远远超越防止“跑、冒、滴、漏”的范围，诸如高温及超高温、低温及超低温、高压、高真空、高速以及强腐蚀等苛刻工况对密封填料提出了更高的要求[8-9]。碳纤维是近年来发展起来的一种新型高科技材料[10-11]，其优良的热传导性、低的热膨胀系数以及高强度、高模量等性能刚好能够弥补PTFE 纤维编织密封填料的不足，因而以碳纤维为主体材料，以PTFE 乳液为浸渍润滑材料的密封盘根具有摩擦因数小、耐热性好、热膨胀系数低、化学稳定性高等一系列优异的综合性能，其应用领域已遍及石油、化工、电力、冶金、船舶、核电等部门，尤其在高速、高温、高压等场合发挥了显著优势，被认为是替代石棉的理想的密封材料[12-15]。

　　烧蚀实验可以用来评价盘根的耐高温性能。碳纤维盘根的耐烧蚀性能不仅与碳纤维本身的耐温性能相关，而且受浸渍剂的影响非常大。本文作者对比了东丽T300碳纤维、未浸渍PTFE 的高模量碳纤维密封盘根和已浸渍PTFE密封盘根的耐烧蚀性能，为提高碳纤维密封盘根的耐热性能提供了理论指导。

　　1 实验材料与方法

　　1. 1 原材料

　　实验试样包括以下3 种:

　　(1) 未浸渍PTFE 高模量碳纤维盘根( 1#样品) :

　　该盘根由进口优质高模量碳纤维编织而成，由浙江某密封件公司提供;

　　(2) 浸渍PTFE 高模量碳纤维密封盘根( 2# 样品) : 其中的碳纤维为进口优质高模量碳纤维，浸渍剂的主要成分为PTFE，该样品由浙江某密封件公司提供;

　　(3) 未浸渍PTFE 普通碳纤维盘根( 3# 样品) :该盘根由日本东丽公司生产的T300 碳纤维编织而成。

　　1. 2 性能测试

　　3种样品的烧蚀实验在电阻炉中同时进行，在500 ℃空气气氛下恒温加热1 h; 采用德国NETZSCH4型热分析仪分析3 种样品的失重温度点和失重量，升温速率均为10 ℃/min; 采用日本日立SU-70型扫描电子显微镜观察3种样品烧蚀前后的表面形貌，实验前样品表面喷镀碳膜，以提高其导电性能; 采用东华大学生产的XQ-1 型纤维强伸度仪测量碳纤维单丝的抗拉强度和断裂伸长率，测试标距为20mm，拉伸速率为5mm/min。

　　2 结果与讨论

　　2. 1 热失重分析

　　图1 示出了3种试样的热失重曲线。为防止PTFE在高温下裂解产生有毒气体污染实验室环境，已浸渍高模量碳纤维密封盘根的加热截止温度设定在400 ℃，其他2 种样品加热到500℃。可见，普通T300碳纤维盘根先开始失重，失重起始温度为189.7℃; 未浸渍高模量碳纤维盘根的失重起始温度略高，为220.8 ℃; 带有浸渍剂的高模量碳纤维盘根失重起始温度远高于其他2 种样品，为260℃。当加热到400℃时，带有浸渍剂的高模量碳纤维盘根的失重量仅为1.5%，未浸渍的高模量碳纤维盘根与T300碳纤维盘根的失重量相当，分别为2.4% 和2.2%。PTFE 从分子结构看是直链状热塑性高分子化合物，其熔点约为327℃。当加热到500℃时，高模量碳纤维盘根显示出比普通T300 碳纤维盘根更好的耐热性，前者的失重量仅为2.972%，而后者为5.648%，表现在图1中，前者的失重曲线A平稳下降，而后者的失重曲线C 剧烈下滑。

　　本文所研究的碳纤维表面有一层上浆剂，所以在A 和C 曲线的第二个拐点之前的失重主要是由上浆剂烧蚀引起的，而拐点之后的失重则是由碳纤维的氧化反应造成的。碳纤维本身的耐热性主要受碳化温度影响，碳化温度越高，碳纤维含碳量越高，其内部石墨结构越完善、结晶度越高，因而抗氧化性提高[16-18]。1#样品具有较高的碳化温度，它在400 ～ 500 ℃之间的失重量为0. 572%，远远低于3#样品在这个温度范围内的失重量，即3.448%。

　　以上分析结果表明，碳纤维经过浸渍剂处理后耐热性得到了显著提高，且高模量碳纤维的耐热性要高于普通碳纤维。

　　2. 2 烧蚀前后碳纤维表面形貌分析

　　1#样品在500℃下烧蚀前后的表面形貌如图2所示。没有经过浸渍处理的碳纤维表面烧蚀较严重，从烧蚀形貌上可以判断，碳纤维表面原来附有一层上胶剂，这种上胶剂一般用来提高碳纤维的集束性以及与基体材料的表面浸润性，但往往没有很好的耐热性能，因此在烧蚀过程中，上胶剂发生了较严重的烧损，出现了沿表面流淌的迹象。由于失去了外层浆膜的保护，碳纤维表面也被烧蚀形成许多深的沟槽和缺陷，在烧蚀实验完成后，在取样过程中发现碳纤维易碎，表明其脆性明显增加，抗弯强度显著降低。

　　2#样品在500℃下烧蚀前后的表面形貌如图3 所示。可见，经1h烧蚀后碳纤维表面的浸渍剂尚未完全烧掉，一部分PTFE膜烧蚀分解后露出里面包覆的碳纤维。这表明，由于有PTFE 膜的保护，碳纤维表面几乎没有明显变化，没有出现烧损痕迹。因此带有PTFE的高模量碳纤维密封盘根至少可以在300℃以下长期安全使用( PTFE的熔点约为327℃) 。

　　3#样品烧蚀前后的表面形貌如图4 所示。3# 样品T300 碳纤维表面存在较多的沟槽，这些沟槽有利于提高复合材料纤维与基体的结合强度。烧蚀后，3#样品比1#样品表面形成的缺陷更多，碳纤维烧蚀比较严重，上胶剂烧损较严重，出现了沿表面流淌的迹象，同时碳纤维表面由于烧蚀形成了更深的沟槽。

　　2. 3 烧蚀前后碳纤维力学性能的变化

　　由于1#和2# 样品中所用的碳纤维相同，所以仅对烧蚀前的1#和3# 样品中的碳纤维单丝进行了力学性能检测，结果如表1 所示。

　　可见，3#样品比1#样品具有更高的强度和断裂伸长率。有文献报道[19]，当碳化温度为1 450 ℃时，碳纤维强度达到至高，继续提高碳化或石墨化温度，强度反而降低，同时断裂伸长率也降低，而模量提高。因此，从强度和断裂伸长率可以判断，1#样品的碳化温度比3# 样品更高，因而它具有更好的耐烧蚀性能。烧蚀后，由于碳纤维都发生了较严重的烧损，脆性很高，无法测量力学性能，但是可以通过取样时的手感来判断，取样时发现3# 样品一碰就断，进一步说明其耐热性较差，烧蚀后伸长率大大降低。

　　3 结论

　　(1) 浸渍PTFE 的碳纤维密封盘根比未浸渍的碳纤维密封盘根具有更好的耐烧蚀性能，其耐热性不仅与碳纤维本身的耐热性相关，而且受PTFE 浸渍剂的影响较大。

　　(2) PTFE 膜能够对碳纤维起到很好的保护作用，其作用机制是PTFE 膜能够阻碍活性碳原子与氧的接触，因此减少了氧化反应、降低了碳纤维的烧损失重量，使密封盘根整体的耐烧蚀性能得到提高。

　　(3) 碳化温度越高，碳纤维内部石墨结构越完善，耐热性能越高。因此，高模量碳纤维比T300 普通碳纤维具有更好的耐烧蚀性能。所以虽然高模量碳纤维在烧蚀前的强度和断裂伸长率较T300 普通碳纤维低，但是烧蚀后前者的氧化烧蚀程度较轻，耐烧蚀性能更好。

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