硅氧烷衬垫组合物的制作方法

日期:2019-06-26 06:47:48

专利名称:硅氧烷衬垫组合物的制作方法
技术领域
本发明涉及一种衬垫组合物。特别地,本发明涉及一种包括用于涂覆衬垫基底的某种硅氧烷聚合物的组合物。
衬垫在两个配合组件之间提供密封。除本发明的衬垫外,通常该两个配合组件具有基本上相邻设置的相应(基本上为共面或平面)配合表面。关于这一点,在缺少衬垫时,所述配合表面常常不能理想地压在一起,而不在两个表面之间产生一些空隙,这些空隙会在两个组件之间形成不希望的泄漏通道。衬垫通过提供一个合适弹性的界面来进行补偿,以填充两个表面之间的空隙,在许多情况下,还在两个配合表面之间提供一个被压缩的机械弹簧。螺栓或类似的固定装置将两个组件压缩地连接(配合)起来,并压缩配合表面之间的衬垫(以形成一个压缩的弹性密封)。
衬垫的一种常见应用是在将发动机主体配合到内燃(IC)机气缸盖上时提供界面,因为发动机运转过程中在衬垫上所产生的温度和压力,所以这被认为是衬垫应用中最困难的一种。排气歧管是使用衬垫配合到发动机上的另一种组件的例子。内燃机歧管衬垫通常具有用于容纳气缸盖和排气歧管之间的流体流动的端口。在发动机运转过程中气缸盖衬垫的使用中,燃烧和排放气体导致衬垫处在600°华氏度或更高温度下每平方英寸上大于1000lbs的横向应力状态。这些高温和高压限定了衬垫的工作环境,其在发动机机体和气缸盖之间以每平方英寸至少10,000磅的力压缩,以容纳热气。
热油成为对内燃机衬垫中所使用衬垫材料的化学溶剂应力的另一个来源。当发动机停止运转时,尤其在冬季,伴随着材料中的收缩应力和来自低温时嵌入冷冻湿气的膨胀应力,材料得到充分冷却。这样,在通常的使用过程中,内燃机衬垫常常面临一个宽范围的温度、压力和腐蚀材料。
气缸盖衬垫常常也具有压花胎圈,用来提供基本防漏的密封。这些衬垫的另一个共有特征就是挡块——一种在衬垫中提供基本厚度补偿的刚性金属条,它们均提供一种基本密封,同时还避免较软的辅助胎圈密封受到两个配合表面之间的过度压缩。
虽然许多衬垫是由一些在多层方向上堆叠的不同部分构成的,但是发动机所需组件数量最小化却是正在努力的目标。因此单件衬垫是所希望的。许多衬垫要求作为涂层涂敷的密封,而不是分离的衬垫形式的层。在高应力操作环境下,衬垫涂层能提供对基底(通常为金属)令人满意的粘着力,并能在使用中保持稳定的状态,因此是非常重要的。然而,在其运转高负载和振动下,随着时间推移,合适的涂层将失去其粘着力,因此,需要一种改进的衬垫,能在发动机机体和气缸盖之间提供一个长期稳定的界面。

发明内容
本发明提供了一种衬垫涂层,包括(a)一种二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物和甲基硅氧烷聚合物的硅氧烷聚合物混合物,其中二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物为硅氧烷聚合物混合物重量的约45至约95重量%,甲基硅氧烷聚合物为硅氧烷聚合物混合物重量的约55至约5重量%;(b)分散在硅氧烷聚合物混合物中的铝、石墨或其混合物的粉末状微粒,其相对于每100份重量的硅氧烷聚合物混合物的质量为约30至约115份,其中,该粉末状微粒的最大微粒尺寸为约325目;和(c)醋酸锆,其浓度为相对于每100份重量的硅氧烷聚合物混合物含约0.02至1.5份。
在本发明的另一方面中,该衬垫涂层组合物还包括以下材料,如微球体、软(磨碎)橡胶和/或PTFE微粒、玻璃纤维微粒、碳纤维微粒和无机纤维微粒。本发明还提供了包括本发明组合物的单组分衬垫。
已经证实,本发明的组合物具有优于现有技术中已知的衬垫组合物的优点,包括以下一个或多个优良的高温稳定性(高达至少900°华氏度)、良好的耐油性、低成本和对金属、石墨、复合物和其它具有高表面张力材料的粘着力。
从后面提供的详细说明中将更清楚其适用性的其它领域。虽然对本发明的实施方案进行了简要说明,但是应当理解,这些详细的说明和具体的例子仅起到说明的目的,并不意味着限制本发明的范围。


本发明通过详细的说明和所附的附图1至13将得到更完全地理解。
图1描述了一个示范性衬垫横向延伸的侧面,该衬垫用于气缸盖和气缸体之间的密封。
图2是沿图1中2-2线的部分横截面视图。
图3是说明图1中示范性衬垫在部分压缩状态下的部分横截面视图。
图4示出了衬垫支持物部分的简化部分横截面视图,该衬垫支持物部分具有一个含微球体增强区域的固化涂层,两个没有微球体增强的固化涂层的其它区域和一个连续硅氧烷聚合物相。
图5表示衬垫支持物部分的简化部分横截面视图,该部分具有在通过衬垫支持物中通常凹进的表面而得到加强的固化涂层中柔性提高的硅氧烷聚合物胎圈。
图6表示衬垫支持物部分的简化部分横截面视图,该部分具有在通过衬垫支持物中通常凹进的表面而得到加强的固化涂层中刚性提高的胎圈。
图7是根据本发明可替代的衬垫的部分横截面视图,除了柔性挡块部分不被涂覆而不是用硅氧烷聚合材料在其凹进侧面进行填充以外,其余都与图1和2中的衬垫相似。
图8是部分横截面视图,与图2和7相似,说明了根据本发明的衬垫的另一可替代的实施方案,其中该柔性挡块部分具有通常蜿蜒的“S”形的横截面形状,基本上形成多个柔性挡块,可替代地,柔性挡块的凹部仅以该硅氧烷聚合物材料涂覆或至少部分填充硅氧烷聚合物材料。
图9是类似于图2、7和8的部分横截面视图,说明了根据本发明的衬垫的另一可替代的实施方案,带有沿横向和纵向倾斜的或成角度方向延伸的内密封部分,和可替代的,柔性挡块部分仅以该硅氧烷聚合物材料涂覆或至少部分填充硅氧烷聚合物材料。
图10a和10b分别示出了根据本发明另一种可替代的实施方案的部分透视图和部分横截面视图,其中支持物的内密封部分基本从支持物部件的剩余部分上分离出来,但是仍相互连接且被两个或多个连接压杆保持在合适的位置上。
图11a和11b分别类似于图10a和10b,示出了根据本发明的另一种可替代的实施方案,其中支持物的内密封部分从支持物部件的剩余部分上分离出来,但是内密封部分和中间支持物部分通过硅氧烷聚合物材料的一个或多个“活动合叶”部分相互连接。
图12是一个部分示意性的横截面,概念性地阐述了本发明其它应用时的其它实施例。
图13示出了衬垫支持物部分的简化部分横截面视图,该衬垫支持物部分具有微球体增强区域和没有微球体增强的区域,其中,附加刚性区域被包封在固化的涂层和支持物之间,使得该刚性区域在衬垫中提供一个聚合物覆盖的挡块部分。
应当注意到,此处阐明的附图是用来示范本发明中装置、材料及其方法的一般特征,目的是用来说明这里的这些实施方案。这些附图并没有精确反应任何给定实施方案的特征,也不必旨在限定或限制本发明范围内的具体实施方案。
具体实施例方式
在使用中,衬垫表示既要考虑机械设计又要考虑材料设计。在这方面,材料的改进常常和机械设计的改进联系在一起。当一个组件,如衬垫,是由涂覆有至少一种附加材料的基础材料制成时,将材料结合在一起的工艺同样重要。下面的讨论将从对一些新型硅氧烷聚合物材料的关注开始,将焦点转移到从这些新型硅氧烷聚合物材料中受益的机械设计考虑中,然后关注与这些新型硅氧烷聚合物材料的生产及其应用有关的工艺考虑。
下面的解说和非限制的准则必须被认为是在此阐明的本发明说明的回顾。
此处所用的标题(如“技术领域”和“发明内容”)仅意味着在本发明所公开内容的范围内主题的基本结构,并不打算限制本发明所公开的内容或其任何方面。特别地,在“技术领域”中公开的主题可以包括本发明范围内的各种技术,且可以不构成现有技术的陈述。“发明内容”中公开的主题不是发明整个范围或其任何实施方案的全部或完整公开。
在此作为参考的引用不构成一种许可,这些参考是现有技术,或与在此所公开的发明的专利性具有关联。本说明书中说明部分引用的全部参考资料都作为参考而整体引用于此。
说明书和具体实施例虽然简要说明了本发明的实施方案,但是这仅仅是出于举例说明的目的,且并不意味着限制本发明的范围。此外,引用多个具有规定特征的实施方案并不意味着要排除具有附加特征的其它实施方案,或者合并有不同规定特征的其它实施方案。
如此处所使用的那样,术语“优选的”和“优选地”表示在特定环境下提供特定益处的本发明实施方案。然而,其它实施方案也可以在相同或其它环境下是优选的。而且,一个或多个优选实施方案的引用并不暗示其它实施方案是没用的,也并不意味着将其它实施方案排除在本发明的范围之外。
如此处所使用的那样,术语“包括”及英同义词都是非限制性的,这样,列举的项目中的表达不排除其它也能在本发明材料、组合物、装置和方法中起到作用的类似项目。
本发明提供了一种衬垫硅氧烷聚合物材料,包括二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物和甲基硅氧烷聚合物的硅氧烷聚合物混合物,其中二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物为硅氧烷聚合物混合物重量的约45至约95重量%,甲基硅氧烷聚合物为硅氧烷聚合物混合物重量的约55至约5重量%。二苯基聚硅氧烷硅烷醇树脂的例子是由通用电气公司制备的GE-TPR178。甲基硅氧烷树脂的例子是GE-TPR179。
铝、石墨或其混合物的粉末状微粒被分散在硅氧烷聚合物混合物中,其相对于每100份重量的硅氧烷聚合物混合物的质量为约30至约115份。该粉末状微粒的最大微粒尺寸约为325目(即,这些微粒能过325目的筛)。
该组合物还包括醋酸锆固化剂,其浓度为相对于每100份重量的硅氧烷聚合物混合物含约0.02至1.5份。
这种新型硅氧烷聚合物混合物组合物提供类似于基于有机聚合物的涂层的处理效果。然而非常有益的是,当固化时,与金属涂层相比,这种新型组合物具有特性。在这一方面,新型固化的硅氧烷聚合物组合物在900°华氏度时表现稳定,并能在不产生视觉变化的情况下经历1200°华氏度的峰值温度。这种新型涂层具有好的强度,并且不需要底漆就能很好地粘在不锈钢上。
在一个实施方案中,该组合物包括相对于每100份重量的硅氧烷聚合物混合物少于约35份的软性填料微粒。这种软性填料微粒具有约5至约50微米的平均微粒尺寸。磨碎橡胶(ground rubber)和聚四氟乙烯(PTFE)是用于该组合物的两种优选的软性填料微粒。这些软性填料微粒优选被分散在连续固化的硅氧烷聚合物中,这样,可以提供至少一个两相聚合物涂层。PTFE微粒有助于减小由发动机振动对衬垫造成的磨损,而且还在发动机拆卸过程中增强了衬垫的释放。
该组合物任选包括微球体,优选具有约20至约120微米的平均微粒尺寸,且优选浓度为,相对于每100份重量的硅氧烷聚合物混合物含约0.5至约20份。该微球体具有玻璃纤维、陶瓷、玻璃及其组合的任一外形。
这些微球体在连续固化的硅氧烷聚合物中形成分散且密封的气态相,这样,就能提供泡沫聚合物涂层。在这方面,涂层的局部区域能设计成具有泡沫的属性,因此,设计的涂层能将分化区域相互粘结到连续硅氧烷聚合物相中。因此,在该实施方案中,这些微球体能够在固化涂层中具有柔性、一致性、弹性和刚性相关的综合性能的自由度(在浓度、尺寸和微球体组成种类上)。
本发明的组合物任选包括玻璃纤维、无机纤维、碳纤维或其混合物的填料微粒,优选浓度为,相对于每100份重量的硅氧烷聚合物混合物含至多约35份。该填料微粒的平均微粒尺寸优选为约10至约50微米。在一实施方案中,添加填料微粒以在包括多个衬垫层或区域的衬垫中产生一个刚性区域。在这样的实施方案中,本发明不含填料微粒的硅氧烷聚合物混合物组合物首先被放置在金属基底上。然后,含填料微粒(优选具有与第一层中使用的相同的硅氧烷聚合物混合物)的硅氧烷聚合物共混混合物被沉积在第一层上。然后,这两层都被固化。在固化过程中,越过被沉积的两层之间的交界产生了交联,使得在被固化涂层中形成交联硅氧烷聚合物混合物的连续体。这种方法可以形成多区域衬垫密封,其具有非常硬的一体化区域,该区域通过连续交联的硅氧烷聚合物结合到刚性较小且金属粘合的区域中。正如在此进一步说明的那样,这样一个区域可以使得在取得的衬垫(在一个实施方案中,提供了一个一体化挡块)中获得提高刚性的胎圈。
现在参看附图和加入新型硅氧烷聚合物混合物涂层混合物的机械设计可能性及考虑。图1至13示出了根据本发明的衬垫的各种实施方案。仅出于示范的目的,图1至3和图7至11基本表示出用于密封内燃机、气体压缩机或其它类似结构装置上的气缸盖和气缸体的配合表面之间的气缸盖衬垫。然而,应当注意到,对本领域技术人员从下面的说明和权利要求中可以显而易见的是,本发明的原理同样能应用到机动和非机动工业领域中的其它装置中,如排气歧管衬垫、凸缘管组件、管道系统歧管密封或其它在两个或多个部件的相对配合表面之间需要合适密封和弹性的装置。例如,此处所描述的涂层也可以用做在消声器和排气管等中密封泄漏和裂缝目的的涂层。
参看图1至3,本发明的一个实施方案由用来密封配合部件12和配合部件14之间的示范性衬垫10表示,衬垫10位于两者之间,例如通过螺钉或其它传统夹持装置将这两个部件配合地夹在一起。配合部件12和14分别具有环绕各自开口16和18的横向延伸的配合表面13和15,其结构用于总体上沿纵向方向22引导部件12和14之间的流体。
图1中的衬垫10包括一个基本刚性但是仍具有柔性的支持物24,横向延伸的衬垫侧面26和28,密封材料32的完整涂层(或至少一个局部涂层),和适于与部件12和14的开口16和18横向对准的衬垫开口20,其用于在该两开口之间进行纵向连接。衬垫10进一步包括一个纵向补偿的内密封部分36,一个中间部分38和一个纵向补偿柔性挡块40。
优选地,与内密封部分36(其特征可近似为“半凸起的”)相比,示范性柔性挡块40(其特征是“完全凸起的”)的纵向补偿程度较小。柔性挡块40与衬垫开口20(及配合部件开口16和18)隔开,衬垫的基本密封组件(如内密封部分36)和中间部分38位于柔性挡块40和衬垫开口20之间。柔性挡块40具有凸起侧面42和凹进侧面44,其中一个能朝部件12或14中的一个定向。
凹进侧面44能任选被涂覆有密封材料32,如具有前述微球体的固化的硅氧烷聚合物混合物,或者该凹进侧面44被部分地或全部地填充有密封材料32,如具有前述微球体的固化的硅氧烷聚合物混合物。典型地,尽管在给定应用中不是必要的,内密封部分36比柔性挡块40更有柔性。
用于支持物40的材料实施例可以包括半刚性合成或天然材料,金属或非金属,一个例子是301不锈弹簧钢、完全硬化,厚度为约0.15mm至约0.35mm。如果需要在特殊应用中减少弹力的话,当然也能使用较低硬度的钢或其它金属。然而,随着时间的推移,这种较软的材料可能显示出在卸载情况下恢复性能的降低,如那些由配合部件之间的相对运动而导致的降低。其它金属或金属合金可以应用到本发明中,如硬质碳钢、镍铬铁合金、钛或其它本领域技术人员熟知的。
所阐述实施例中密封材料32的材料实例包括如前述任选微球体的固化硅氧烷聚合物混合物。在应用过程的一个实施方案中,该硅氧烷聚合物混合物涂料(基本固化以提供密封材料32)被施加到支持物材料上,并且在形成支持物本身之前固化。在可替换的应用过程中,该硅氧烷聚合物混合物涂料在其形成之后被施加到支持物上;或者被施加到合适的局部区域,如靠近衬垫开口20的区域或其它靠近流体开口(如用于润滑剂、冷却剂等)的区域、螺钉孔等。这种密封材料32优选至少在内密封部分36、中间部分24或柔性挡块40中任一个或全部的两个侧面上。如果仅需要应用在衬垫20的局部区域上,密封材料32被以不同的方法施加,如通过丝网印刷术、直接涂敷或甚至转移方法。在这方面,也应当注意,能够仅仅涂覆(如图9中所示挡块40上的凹进侧面44)柔性挡块40的凹进侧面44,或在该凹进侧面44中部分地或完全地填充密封材料32,局部或较大一部分或甚至是整个支持物24涂层。在本发明的一个形式中,根据特殊应用的需要或设计,该硅氧烷聚合物混合物涂层的厚度为接近0.0002英寸至接近0.002英寸。
在图3中,示出为衬垫10被部分压缩在部件12和14之间。在这种情况下,和其它完全压缩情况一样,内密封部分36通常是首先偏转,并在开口16、18和20周围提供初步密封。柔性挡块40的柔性通常小于内密封部分36,其发生弯曲以限制内密封部分36压缩或偏转的数量。这种弯曲优选允许衬垫提供更大效率、可重复性和部件12和14之间的可靠密封,尤其是在较低负载情况下,如那些是由于压缩、燃烧、排气或其它各种压力而导致部件12和14之间的相对运动所造成的。
在一个实施方案中,本发明提供了覆盖有具有分化区域的本发明组合物的机械组件。在这方面,在一个实施方案中,未混合微球体的第一涂层区域来自可交联硅氧烷聚合物的第一混合物,第二涂层区域具有来自可交联硅氧烷聚合物第二混合物的分散的微球体。在这种实施方案中,第二区域中微球体(如每100份可交联硅氧烷聚合物至少有5份)的数量能够使第二区域泡沫化,而且仍与带有固化的连续硅氧烷聚合物相的第一涂层区域平滑地相互粘结。该固化的连续硅氧烷聚合物相(第一区域和第二区域相互粘结)来自可交联硅氧烷聚合物在两个区域中的同步固化。这样,微球体能够使得非泡沫涂层中产生“适当位置上的泡沫”区域,使得设计的涂层能用于如衬垫等这样的组件。当位于衬垫的低负载位置上时,稍微一致的泡沫化区域产生很好的密封;当位于衬垫高负载的同等位置上时,涂层的非泡沫区域使得来自压缩衬垫中的蠕变和松弛造成的负载损失最小化。在另一个有益的方面中,该泡沫区域能被定位,以均衡分布衬垫上的负载,从而使得衬垫其它区域(如粒状部分)上不希望的压碎最小化。
在本发明另一个例子中,图4示出了衬垫装置4000的简化了的局部剖视图,例如沿着图1中线2-2的位置被剖开,但是(能方便体现出特殊衬垫用于与这里所述硅氧烷聚合物混合物涂层相结合的设计特征)支持物4006通常为平的且非凸起的。含很少微球体的第一硅氧烷聚合物混合物涂层被设置到支持物4006的区域4002a和4002b处。在4002a和4002b的区域中较少微球体的相应好处是区域4002a和4002b对金属基底的粘合性将超过对区域4003的粘合性,尤其是对于具有高表面张力的金属。然而,作为与区域4002a和4002b相互粘结的区域4003将由于区域4002a和4002b的粘合性而仍被保持在一个稳定的位置上。
第二硅氧烷聚合物混合物具有基本与第一涂层相同的硅氧烷聚合物混合物,但是含有大量微球体(参见微球体4015),其被设置到支持物4006的4003区域处。固化后,区域4003在衬垫中提供一个“挡块”(参见挡块40)部分,该衬垫与区域4002a和4002b处固化后涂层的厚度4008相比,具有增加的厚度4010。
在一个实施方案中,衬垫区域4003组合物中微球体的浓度取决于使用衬垫4000时所需要的微粒弹力。在这方面,当压缩地时接至第二表面(如图3中衬垫10处所示朝着部件12或14的表面被部分压缩,且柔性挡块40弯曲以限制由于压缩造成内密封部分36的压缩或偏转量)时,在一个实施方案中,例如,界面区域4002a和4002b被定位在一位置处,用于通过例如使用机械固定装置(未示出,应当是显而易见的)将衬垫装置4000压缩地对接到第二表面(从上述衬垫4000朝着衬垫4000的上表面压缩)上。在这种压缩状态下,区域4003的对接表面经过来自固定装置所施加的压缩力和两个配合组件中固有硬度的共面机械压缩被压缩地对接到第二表面上,当衬垫4000被压缩时,与压缩力相等的内部抗力会在衬垫4000的各点上存在于被压缩的衬垫4000(由传统弹力施加的压缩力的反作用力)中。衬垫4000范围内局部内抗(弹性)力需要在区域4003处达到最大,在这种假定下,区域4003中分散的微球体的相对数量根据涂层的固化提供足够大于厚度4008的厚度4010,以在区域4003处提供所需要的局部内抗力最大值。
在图5所示衬垫装置5000中可替换的特征的相似表现中,“挡块”位于区域5004中,通常受到支持物5003的凹进表面部分5008的横向加强。这样,柔性金属支持物5003(例如)中凹进表面部分5008提供了一个区域5004的有效弹力加强。如图4中,含很少量微球体的第一硅氧烷聚合物混合物涂层被放置在支持物5003的区域5002a和5002b处。第二硅氧烷聚合物混合物具有基本与第一涂层相同的硅氧烷聚合物混合物基底,但是含有大量微球体,其被放置在支持物5003上,固化后最终提供区域5004。应当理解,因此,具有用于压缩地对接到第二表面上的第一表面的衬垫在凹进“弹力”支持区域5008上具有提高的可压缩泡沫,其具有相对于支持物5003固定表面凹进的上表面且通常相对于第二表面凸起。
应当注意,在固化过程中,装置4000和5000两者的第一和第二硅氧烷聚合物混合物涂层分别在区域4002a、4003和4002b及区域5002a、5004、和5002b之中和贯穿所述区域,形成交联硅氧烷聚合物连续体。这提高了整个联合涂层范围内的强度和自由度,因为在衬垫密封中从组成分化区域对应的区域不同性能中获得宏观性能。
图6的衬垫装置6000中示出了衬垫结构中的另一特征,其中刚性“挡块”位于区域6004中,通常受到支持物6002的凹进表面部分6006的横向加强。第一硅氧烷聚合物混合物涂层被放置在作为涂层区域6003的支持物6002上。第二硅氧烷聚合物混合物具有基本与第一涂层相同的硅氧烷聚合物混合物,但是含有玻璃纤维、无机纤维、碳纤维或其混合物的填充微粒,其被放置在涂层区域6003上,固化后最终提供涂层区域6004。固化过程中,区域6004和6003的第一和第二硅氧烷聚合物混合物涂层形成具有前述优点的交联的硅氧烷连续体(相互粘结的区域6003和6004)。这些微粒填充物支持硅氧烷聚合物混合物涂层,以在固化后的衬垫密封中提供刚性区域6004。在完成的衬垫中,固化后涂层的这个区域机械地提供涂层内一体化的挡块。
在图6衬垫装置6000的可替换实施方案中,区域6004的材料具有一个化学基底,其不同于硅氧烷聚合物混合物,但是会与硅氧烷聚合物混合物涂层6003发生交联。这样,在一个实施方案中,例如区域6004为来自偏二氟乙烯、六氟丙烷和四氟乙烯的含氟弹性体颗粒,其中含氟弹性体的门尼粘度为约25至约75,氟的原子重量百分比为约65至约69%,至少90重量%的含氟三元共聚物和卤代交联位置;每100份重量的含氟弹性体微粒中含有约10至约50份的惰性微粒,其中惰性微粒的微粒尺寸小于约250目;每100份重量的含氟弹性体微粒中含有约0.5至约20份的固化剂,其中固化剂交联含氟弹性体微粒以产生固化的含氟弹性体和氢离子;每100份重量的含氟弹性体微粒中含有约5至约50份的金属氧化物还原剂微粒,其中金属氧化物还原剂微粒的微粒尺寸小于约250目。在一些实施方案中,如微球体、PTFE微粒、二氧化钛和氧化铁等材料被混合到含氟弹性体中,以提供衬垫所需要的使用性能。
图7至13进一步示出了可替换的结构或装置,图7至12中的附图标记表示与图1至3中类似或相应的部件,其前缀分别为100至600。
图7示出了根据本发明的可替换的衬垫的部分横截面视图,除了柔性挡块部分140被涂覆而不是用硅氧烷聚合材料在其凹进侧面进行填充以外,其余都与图1和2中的衬垫相似。
图8示出了衬垫210和大致蜿蜒(serpentine)的柔性挡块240,有效地形成大量柔性挡块部分240。在图9中,该内密封部分336在倾斜的或成角度的方向上纵向补偿。图10a和10b示出了与衬垫剩余部分410互相连接的独立内部密封部分436,通过具有微球体的硅氧烷聚合物混合物的一个或多个压杆446被保持在合适的位置上。类似的,在图11a和11b中,独立内部密封部分536与衬垫剩余部分510互相连接,通过具有微球体的硅氧烷聚合物混合物密封材料532的一个或多个“活动合叶”部分536被保持在合适的位置上。应当注意,这种结构也同样适用于内密封部分536的不同厚度和衬垫剩余部分510(两者中一个厚于或薄于另一个),以获得具有微球体的硅氧烷聚合物混合物的微粒变形和在给定应用中的负载保持特性。
图12以概念的形式示意性地示出了根据本发明的衬垫610的用途具有宽范围的应用,这些衬垫610具有上述与图1至11有关的特征、形状或特性中的任一个或任何组合。部件612可以是凸缘或者多种装置或结构的其它部分,如排气或其它歧管、管道或其它流体传输装置、气体压缩或其它高压结构、密封外壳或机罩或本领域技术人员公知的其它密封应用。如上所述,本发明特别的优势在于,能在如由热、机械或流体条件或根据特殊应用的环境而造成的被密封的部件之间产生相对运动。
图13示出了具有微球体的固化硅氧烷聚合物涂层增强区域13007和不具有微球体增强的区域13003的衬垫支持物部分13001的简化部分横截面视图13000,其中附加刚性区域13005被包封在固化涂层和支持物之间,使得刚性区域提供一种在衬垫中覆盖挡块部分的硅氧烷聚合物。在一个实施方案中,区域13005是用前述玻璃纤维、无机纤维、碳纤维或其混合物的填充微粒增强的硅氧烷聚合物。在可替换的实施方案中,区域13005为具有任选地分配的前述氧化铁或二氧化钛的含氟弹性体。
在另一实施方案中,区域13005为用前述玻璃纤维、无机纤维、碳纤维或其混合物的填充微粒增强的硅氧烷聚合物,区域13007和13003为弹性含氟弹性体。在这种实施方式中,刚性区域13005基本上提供一个粘结到支持物部分13001表面一部分的聚合胎圈。区域13005的剩余表面(没有与支持物部分13001的上表面粘结连接)上升到最大胎圈厚度——支持物13001上表面上方与刚性区域13005上表面的最大距离。涂层区域13003具有一个粘结到聚合胎圈13005剩余外表面上的胎圈封闭部分,使得聚合胎圈13005被包封在由支持物13001“上”表面和涂层区域13003胎圈封闭部分的“下表面”限定的外围边界范围内。“顶部”或区域13005最高点处涂层区域13003的厚度在这里做为顶部厚度。当刚性区域13005和覆盖刚性区域13005的涂层区域13003的部分被认为是统一的“胎圈”(比方说,当区域13003和13007是以含氟弹性体为基底时,在光滑涂层范围内的坚韧刚性芯)时,用于该统一胎圈的第二最大胎圈厚度因此是最大胎圈厚度和区域13003顶部厚度的总和。这样,对应于支持物13001表面的区域13007的最大厚度优选大于该第二最大胎圈厚度(根据被区域13003覆盖的区域13005和区域13007“高点”的视觉比较)。例如,这样当朝着区域13007所在的一致“水平的”上表面(未示出,但应当是显然的)压缩时,就可以使用衬垫,(a)压缩以朝着流体(气体或液体)通道密封,同时还可(b)从由区域13005的较大刚性导致的不合适压缩和变形被排除。区域13005还提供了胎圈13005顶部处涂层13003的适当压缩性增大的以挡块功能形式的密封功效和第二密封。
现在参看与这种新型硅氧烷聚合材料的生产及其应用相关的工艺考虑,前述二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物和甲基硅氧烷聚合物和粉末状铝、石墨或其混合物在搅拌器中被混合成混合物,以形成硅氧烷聚合物混合物前体。然后,在用来制备用于组件用途的涂料混合物之前,前述醋酸锆固化剂被很快混合到该硅氧烷聚合物混合物前体中。
在用于使用该涂料混合物的工艺实施方案中,该涂料混合物被施加到机械组件(例如衬垫)中一个基本平的表面上。然后,该组件可以为最终使用而进一步成型。在第二个实施方案中,组件首先成为这样的组件,其所关心的、用于涂覆的表面不是处处平整的(一个具有非平面涂料施用表面的组件);然后涂料被施加到该非平面的表面上。这样,已经知道,涂覆到非平面表面上的涂料混合物丝网印刷由于使用用于通过比至少60目更细的粒度的非常细的丝网而特别便利,优选约110目的印刷丝网,其中固化前根据需要沉积(施加)多层涂料混合物以达到特定涂层厚度。在这方面,沉积在非平面上的各层的厚度就得到控制,这样在支持物或在先涂覆层上的沉积层的表面张力就会基本排除(基本不会发生)横向沿着所关心的表面的沉积层的流动,并且因此而在所关心的表面上建立厚度一致的涂层。
当涂料混合物已经施加到组件上后,加热组件和涂层至约400°到450°华氏度,以固化涂层。
在一些实施方案中,这种硅氧烷聚合物固化混合物通过将温度提高到约1000°华氏度至约1200°华氏度的水平得到进一步固化和加强。这样,这种新型硅氧烷聚合物混合物看起来提供了如用于盘式制动器、或用于如消声器、催化转化器及其有关管道等组件的密封剂等高温应用的机会。在修理表面使用的进一步机会是作为填料,以改善用于如气缸盖、发动机机体和排气歧管等元件的表面修饰。
实施例混合下列成分以制备硅氧烷聚合衬垫TRP179(GE Silicone) 20份TRP178(GE Silicone) 80醋酸锆 0.02铝粉114石墨446725PTFE5这些混合的成分被涂覆到金属支持物上,并固化以形成坚韧的涂层,当在1200°华氏度的炉子中测试时,该涂层能保证没有可观察到的损坏。
这里描述的实施例和其它实施方式都是示例性的,不意味着在本发明的组合物和方法的全部范围的描述中是限制性的。等同改变、修改和具体装置、材料、组合物和方法的改变都能在本发明的范围内做出,且具有相似的结果。
权利要求
1.一种涂料混合物,包括(a)一种二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物和甲基硅氧烷聚合物的硅氧烷聚合物混合物,其中所述二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物重量的约45至约95重量%,所述甲基硅氧烷聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物的约55至约5重量%;(b)分散在所述硅氧烷聚合物混合物中的铝、石墨或其混合物的粉末状微粒,其相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物的质量为约30至约115份,其中,所述粉末状微粒的最大微粒尺寸为约325目;和(c)醋酸锆,其浓度为相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物含约0.02至1.5份。
2.根据权利要求1的涂料混合物,进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的软填料微粒,所述软填料微粒的平均微粒尺寸为约5至约50微米,且选自磨碎橡胶和PTFE。
3.根据权利要求1的涂料混合物,进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含约0.5至约20份微球体。
4.根据权利要求3的涂料混合物,其中所述微球体为陶瓷微球体。
5.根据权利要求3的涂料混合物,其中所述微球体为玻璃微球体。
6.根据权利要求1的涂料混合物,进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的玻璃纤维填料微粒,所述玻璃纤维填料微粒的平均微粒尺寸为约10至约50微米。
7.根据权利要求1的涂料混合物,进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的无机纤维填料微粒,所述无机纤维填料微粒的平均微粒尺寸为约10至约50微米。
8.根据权利要求1的涂料混合物,进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的碳纤维填料微粒,所述碳纤维填料微粒的平均微粒尺寸为约10至约50微米。
9.一种覆盖有施加到所述组件表面的固化涂层的机械组件,所述固化涂层具有一个来自分散的可交联硅氧烷聚合物的固化连续聚合物相,所述组件包括(a)来自所述可交联硅氧烷聚合物的第一混合物的所述固化涂层中的第一涂层区域,所述第一涂层区域具有对应于所述表面的第一涂层厚度;和(b)来自微球体和所述可交联硅氧烷聚合物的第二混合物的所述固化涂层中的第二涂层区域,所述第二涂层区域与含所述固化连续聚合物相的所述第一涂层区域相互粘结,所述第二涂层区域具有对应于所述表面的大于第一涂层厚度的第二涂层厚度,所述第二涂层混合物具有分散的微球体;其中,相互粘结所述第一区域和所述第二区域的所述固化连续聚合物相来自所述可交联硅氧烷聚合物在两个所述区域中的同步固化。
10.根据权利要求9的机械组件,其中所述机械组件为用于内燃机的排气衬垫。
11.根据权利要求9的机械组件,其中所述固化涂层来自一种涂料混合物,包括(1)一种二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物和甲基硅氧烷聚合物的硅氧烷聚合物混合物,其中所述二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物重量的约45至约95重量%,所述甲基硅氧烷聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物的约55至约5重量%;(2)分散在所述硅氧烷聚合物混合物中的铝、石墨或其混合物的粉末状微粒,其相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物的质量为约30至约115份,其中,所述粉末状微粒的最大微粒尺寸为约325目;和(3)醋酸锆,其浓度为相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物含约0.02至1.5份。
12.根据权利要求11的机械组件,其中所述机械组件为用于内燃机的排气衬垫。
13.根据权利要求9的机械组件,在所述组件表面具有凹进部分,所述凹进部分位于将所述组件压缩地对接在第二组件的位置上,其中所述第二涂层区域填充所述凹进部分,且所述第二混合物具有足够数量的所述微球体,用于根据所述微球体的扩充和所述第二区域涂层的固化,在所述凹进部分上方提供一个升高的可压缩泡沫,所述升高的可压缩泡沫具有一个上部泡沫表面,其对应于所述组件表面在所述第一涂层厚度上延伸以基本朝向所述组件表面凹进。
14.根据权利要求13的机械组件,其中所述机械组件为用于内燃机的排气衬垫。
15.根据权利要求9的机械组件,其中多个所述第一涂层区域在所述固化涂层中,所述第一区域被定位在一位置处,用于通过使用至少一个连接到各个第一涂层区域的机械固定装置将所述机械组件压缩地对接到第二组件上;和至少一个所述第二涂层区域位于所述涂层中,各个第二涂层区域被定位,用于通过来自所述固定装置的共面机械压缩将所述机械组件压缩地对接到所述第二组件上,其中所述第二混合物具有足够数量的所述微球体,用来根据所述微球体的扩展和所述第二涂层区域的固化,提供一个具有一厚度的升高的可压缩泡沫,所述厚度确保所述第二涂层区域和所述第二组件之间的压缩密封。
16.根据权利要求15的机械组件,其中所述机械组件为用于内燃机的排气衬垫。
17.一种制备涂层混合物的方法,包括混合(a)一种二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物和甲基硅氧烷聚合物的硅氧烷聚合物混合物,其中所述二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物的约45至约95重量%,所述甲基硅氧烷聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物的约55至约5重量%;(b)分散在所述硅氧烷聚合物混合物中的铝、石墨或其混合物的粉末状微粒,其相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物的质量为约30至约115份,其中,所述粉末状微粒的最大微粒尺寸为约325目;和(c)醋酸锆,其浓度为相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物含约0.02至1.5份。
18.根据权利要求17的方法,进一步包括每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物混合少于约35份软填料微粒,所述软填料微粒的平均微粒尺寸为约5至约50微米,选自磨碎橡胶和PTFE。
19.根据权利要求17的方法,进一步包括每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物混合约0.5至约20份微球体。
20.根据权利要求19的方法,其中所述微球体为陶瓷微球体。
21.根据权利要求19的方法,其中所述微球体为玻璃微球体。
22.根据权利要求17的方法,进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的玻璃纤维填料微粒,所述玻璃纤维填料微粒的平均微粒尺寸为约10至约50微米。
23.根据权利要求17的方法,进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的无机纤维填料微粒,所述无机纤维填料微粒的平均微粒尺寸为约10至约50微米。
24.根据权利要求17的方法,进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的碳纤维填料微粒,所述碳纤维填料微粒的平均微粒尺寸为约10至约50微米。
25.一种衬垫,包括(a)一个基本刚性的支持物;和(b)一个施加到所述支持物至少一个表面上的固化涂层,所述涂层由下列组分的涂料混合物固化而成(1)一种二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物和甲基硅氧烷聚合物的硅氧烷聚合物混合物,其中所述二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物重量的约45至约95重量%,所述甲基硅氧烷聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物重量的约55至约5重量%;(2)分散在所述硅氧烷聚合物混合物中的铝、石墨或其混合物的粉末状微粒,其相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物的质量为约30至约115份,其中,所述粉末状微粒的最大微粒尺寸为约325目;和(3)醋酸锆,其浓度为相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物含约0.02至1.5份。
26.根据权利要求25的衬垫,其中所述混合物进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的软填料微粒,所述软填料微粒的平均微粒尺寸为约5至约50微米,且选自磨碎橡胶和PTFE。
27.根据权利要求25的衬垫,其中所述混合物进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含约0.5至约20份微球体。
28.根据权利要求27的衬垫,其中所述微球体为陶瓷微球体。
29.根据权利要求27的衬垫,其中所述微球体为玻璃微球体。
30.根据权利要求25的衬垫,其中所述混合物进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的玻璃纤维填料微粒,所述玻璃纤维填料微粒的平均微粒尺寸为约10至约50微米。
31.根据权利要求25的衬垫,其中所述混合物进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的无机纤维填料微粒,所述无机纤维填料微粒的平均微粒尺寸为约10至约50微米。
32.根据权利要求25的衬垫,其中所述混合物进一步包括每100份重量所述硅氧烷聚合物混合物含小于约35份的碳纤维填料微粒,所述碳纤维填料微粒的平均微粒尺寸为约10至约50微米。
33.一种衬垫,包括(a)一个基本刚性的支持物;和(b)一个施加到所述支持物至少一个表面上的固化涂层,所述固化涂层具有来自分散的可交联硅氧烷聚合物的固化连续聚合物相,所述固化涂层具有(1)来自所述可交联硅氧烷聚合物的第一混合物的所述固化涂层中的第一涂层区域,所述第一涂层区域具有对应于所述表面的第一涂层厚度;和(2)来自微球体和所述可交联硅氧烷聚合物的第二混合物的所述固化涂层中的第二涂层区域,所述第二涂层区域与含所述固化连续聚合物相的所述第一涂层区域相互粘结,所述第二涂层区域具有对应于所述表面的大于第一涂层厚度的第二涂层厚度,所述第二涂层混合物具有分散的微球体;其中,相互粘结所述第一区域和所述第二区域的所述固化连续聚合物相来自所述可交联硅氧烷聚合物在两个所述区域中的同步固化。
34.根据权利要求33的衬垫,其中固化涂层来自涂层混合物,包括(a)一种二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物和甲基硅氧烷聚合物的硅氧烷聚合物混合物,其中所述二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物重量的约45至约95重量%,所述甲基硅氧烷聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物的约55至约5重量%;(b)分散在所述硅氧烷聚合物混合物中的铝、石墨或其混合物的粉末状微粒,其相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物的质量为约30至约115份,其中,所述粉末状微粒的最大微粒尺寸为约325目;和(c)醋酸锆,其浓度为相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物含约0.02至1.5份。
35.根据权利要求33的衬垫,其中所述衬垫为用于内燃机的排气衬垫。
36.根据权利要求34的衬垫,其中所述衬垫为用于内燃机的排气衬垫。
37.根据权利要求33的衬垫,在所述表面具有凹进部分,所述凹进部分位于将所述衬垫压缩地对接在一个组件的位置上,其中所述第二涂层区域填充所述凹进部分,且所述第二混合物具有足够数量的所述微球体,用于根据所述微球体的扩充和所述第二区域涂层的固化,在所述凹进部分上方提供一个升高的可压缩泡沫,所述升高的可压缩泡沫具有一个上部泡沫表面,其对应于所述表面在所述第一涂层厚度上延伸以基本朝向所述表面凹进。
38.根据权利要求37的衬垫,其中所述衬垫为用于内燃机的排气衬垫。
39.根据权利要求33的衬垫,其中多个所述第一涂层区域在所述固化涂层中,所述第一区域被定位在一位置处,用于通过使用至少一个连接到各个第一涂层区域的机械固定装置在所述两个组件之间压缩地对接所述衬垫;和至少一个所述第二涂层区域位于所述涂层中,各个第二涂层区域被定位,用于通过来自所述固定装置的共面机械压缩将所述衬垫压缩地对接到所述组件上,其中所述第二混合物具有足够数量的所述微球体,用来根据所述微球体的扩展和所述第二涂层区域的固化,提供一个具有一厚度的升高的可压缩泡沫,所述厚度确保所述第二涂层区域和一个所述组件之间的压缩密封。
40.根据权利要求39的衬垫,其中所述衬垫为用于内燃机的排气衬垫。
41.一种制备衬垫的方法,包括(a)混合涂料混合物;(b)用所述混合物涂覆一个基本刚性的金属支持物;和(c)固化所述涂层;其中,所述涂料混合物混合自(1)一种二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物和甲基硅氧烷聚合物的硅氧烷聚合物混合物,其中所述二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物重量的约45至约95重量%,所述甲基硅氧烷聚合物为所述硅氧烷聚合物混合物重量的约55至约5重量%;(2)分散在所述硅氧烷聚合物混合物中的铝、石墨或其混合物的粉末状微粒,其相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物的质量为约30至约115份,其中,所述粉末状微粒的最大微粒尺寸为约325目;和(3)醋酸锆,其浓度为相对于每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物含约0.02至1.5份。
42.根据权利要求41的方法,进一步包括每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物混合少于约35份软填料微粒,所述软填料微粒的平均微粒尺寸为约5至约50微米,选自磨碎橡胶和PTFE。
43.根据权利要求41的方法,进一步包括每100份重量的所述硅氧烷聚合物混合物混合约0.5至约20份微球体。
44.根据权利要求41的方法,其中包括加热所述涂层至1200°华氏度。
全文摘要
本发明提供了一种二苯基聚硅氧烷硅烷醇聚合物、甲基硅氧烷聚合物、粉末状微粒的铝和/或石墨的硅氧烷聚合物混合物的衬垫涂料混合物,其用醋酸锆进行固化,以提供一种用于衬垫等组件的涂层。这种硅氧烷聚合物混合物任选混合了微球体、PTFE微粒和惰性微粒中的任何微粒。这种混合物提供了一个设计固化涂层的基底,该涂层具有由固化聚合物相互粘结的内部不同区域。这种涂料混合物在涂覆衬垫支持物以形成用于高温环境的衬垫方面具有特殊优势。
文档编号F01B31/00GK1821330SQ20051007629
公开日2006年8月23日 申请日期2005年2月18日 优先权日2005年2月18日
发明者H·L·袁, 孔颖洁 申请人:弗罗伊登贝格-诺克普通合伙公司


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