由压缩的碳纤维强化复合材料制成的密封元件和/或支撑环
1.本发明涉及一种密封元件和/或支撑环、特别是用于往复式压缩机的密封元件和/或支撑环，其通过将碳纤维强化复合材料的碎屑的混合物模压成型制造，一种用于制造这样的密封元件和/或支撑环的方法，以及一种含有至少一个这样的密封元件和/或支撑环的往复式压缩机。
2.密封元件诸如活塞或填密环、导向环诸如活塞导向环、以及导向密封件诸如活塞导向环必须满足很多种要求，以便完成它们的任务。特别地，它们必须具有合适的硬度、足够高的拉伸强度、足够高的断裂伸长率、良好的贴合性、高抗老化性、低压力蠕变和冷流趋势、优异的耐化学性、优异的耐温性以及取决于应用的可能的高耐臭氧性。例如，需要良好的贴合性以确保密封元件即使其移动也将起作用。另外，低压力蠕变和冷流趋势对于防止在负载下的冷状态下的不可逆塑性变形是必要的，甚至在长期运行之后。
3.由于其良好的性能，密封元件通常由基于聚四氟乙烯(ptfe)的组合物制成。ptfe的特征在于，例如，极其宽的热应用范围、几乎普遍的耐化学性以及优异的耐光、耐风化和耐热水蒸气性。另外，ptfe的特征在于非常好的滑动性质、优异的抗粘附性能、良好的电性质和良好的介电性质。然而，为了降低冷流和改善机械性质，ptfe通常不以其纯形式使用，而是用填料强化。例如，碳、石墨、二硫化钼或青铜粒子用作填料。最近，具有ptfe基质的纤维强化复合材料已经越来越多地用于该目的，在所述ptfe基质中包埋有诸如玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维的纤维。然而，这样的基于ptfe的材料由于其有限的机械稳定性而局限于在较低压力范围内的密封元件或支撑环的应用。对于在较高压力下的应用，使用基于高性能聚合物的相应材料，诸如聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚苯硫醚或聚醚醚酮(peek)。例如，碳纤维强化塑料(cfrp)，诸如具有其中包埋10重量％的碳纤维的peek基质的那些，用于此目的。
4.通常，由这样的碳纤维强化塑料制成的密封元件和支撑环通过使用通常具有1mm的最大长度的碳短纤维的注塑成型生产。这样的短纤维具有这样的优点，即它们自身与待制造的部件的轮廓对齐，并且不从所制造的部件的表面突出。还已知通过由颗粒烧结来生产这样的部件，在所述颗粒中通常使用纤维长度为约0.1mm的短纤维。将颗粒在压力下与所制造的部件内的纤维一起烧结。然而，以该方式生产的密封元件和支撑环的缺点是其强度需要改进、其相对低的紧密性以及其过高且不均匀的热膨胀。
5.基于此，本发明是基于提供一种具有增加的强度的密封元件或支撑环的目的，所述密封元件或支撑环的特征在于更高的紧密性、改进的低且特别是均匀的热膨胀，并且特别适合用于往复式压缩机。
6.根据本发明，该目的通过一种密封元件和/或支撑环、特别是用于往复式压缩机的密封元件和/或支撑环来解决，所述密封元件和/或支撑环通过将碳纤维强化复合材料的碎屑的混合物模压成型制造，至少一些碎屑含有具有3至20mm的长度的碳纤维，优选地，密封元件和/或支撑环中的碳纤维具有无规纤维取向。
7.该解决方案基于以下出人意料的发现：通过将碳纤维强化复合材料的碎屑的混合物模压成型而制造的这样的密封元件和/或支撑环，至少一些碎屑含有长度为3至20mm的碳
纤维，不仅展现出增加的强度，而且其特征特别在于更高的紧密性、改进的低且特别是均匀的热膨胀。在模压成型中，将碳纤维强化复合材料的碎屑引入模具的腔中，并且然后加热腔并使用柱塞封闭腔，作为其结果，将成型的混合物压制成由腔限定的形状。当将小碎屑倒入腔中时，它们自身无规排列，导致成品部件中的无规纤维取向，即在成品部件中含有指向所有方向的碳纤维。结果，获得了具有至少很大程度上各向同性性质的密封元件和支撑环。特别地，根据本发明的密封元件和支撑环的特征在于相对均匀的热膨胀，在压制方向上的热膨胀略微高于在其横向方向上的热膨胀。另外，根据本发明的密封元件和支撑环的特征在于非常低的热膨胀，特别是在横向于压制方向的方向上，其在钢的热膨胀范围内。在压制方向上，热膨胀对应于形成碳纤维强化复合材料的基质的塑料的热膨胀。由于低热膨胀，在密封元件或支撑环与待密封或支撑的部件之间，诸如在活塞杆与支撑环之间，仅需要小的间距，导致恒定的窄间隙。这也降低了运行期间局部加热的风险，并且因此降低了堵塞的风险。所述材料在加热时膨胀更少，而传统的支撑环在加热时膨胀，并且因此接触活塞杆，导致支撑环与活塞杆之间的摩擦和相互加热。根据本发明的密封元件和支撑环的机械性质也是相对均匀的。此外，根据本发明的密封元件和支撑环的特征在于较高的紧密性。因此能够搭接适当制造的阀板，这导致非常精细的表面。所述板还具有极高的抗冲击性，具有极高的耐温性，具有低温度系数并且重量轻。最后，出乎意料的是，尽管碳纤维相对长的3至20mm的长度，但其不从密封元件或支撑环突出，因此不摩擦另一部件，诸如活塞杆。相反地，在本发明的上下文中已经表明，当碳纤维从部件突出时，碳纤维在其末端处破碎。出于所有这些原因，根据本发明的密封元件或支撑环特别适合用于活塞式压缩机。
8.根据本发明，密封元件和/或支撑环中的碳纤维在至少两个维度上并且优选在所有三个维度上具有无规纤维取向。即，由纤维赋予的性质在至少两个维度上并且优选在所有三个维度上是各向同性的或很大程度上是各向同性的。
9.根据本发明，密封元件或支撑环由碳纤维强化复合材料的碎屑制成，至少一些碎屑含有长度为3至20mm的碳纤维。如果碳纤维的长度小于3mm，则本发明的优点，诸如增加的强度和低且均匀的热膨胀不再达到期望的程度。在碳纤维长于20mm的范围内，模压成型不再导致部件中足够高的纤维无规取向，使得无法实现期望程度的性质均匀性。
10.根据本发明，至少一部分的碎屑含有长度为3至20mm的碳纤维。为了在很大程度上实现本发明的上述优点，在本发明的进一步进展中提出，至少50％、进一步优选至少60％或70％、特别优选至少80％并且非常特别优选至少90％的用于模压成型的碎屑具有长度为3至20mm的碳纤维。
11.最优选地，所有用于模压成型的碎屑含有长度为3至20mm的碳纤维。
12.除了长度为3至20mm的碳纤维之外，碎屑还可以含有具有不同长度的碳纤维。然而，优选的是，在含有长度为3至20mm的碳纤维的每个碎屑中，至少50％、进一步优选至少60％或70％、特别优选至少80％并且非常特别优选至少90％的所包含的碳纤维具有3至20mm的长度。进一步优选地，含有具有3至20mm的长度的碳纤维的每个碎屑的所有碳纤维具有3至20mm的长度。
13.最优选地，所有用于模压成型的碎屑仅具有长度为3至20mm的碳纤维。出于本发明的目的，这理解为意指在碎屑中含有的每个碳纤维具有3至20mm的长度，尽管所有纤维的长度不必须相同，前提是每个碳纤维具有3至20mm的长度。因此，含有各自具有5mm的长度的第
一碳纤维、各自具有10mm的长度的第二碳纤维和各自具有15mm的长度的第三碳纤维的碎屑是仅含有具有3至20mm的长度的碳纤维的碎屑。
14.在所有以上实施方案中，如果含有具有3至20mm的长度的碳纤维的碎屑含有具有3至10mm的长度的碳纤维，则是特别优选的。
15.为了在填充用于模压成型的模具时获得良好的无规取向，在本发明的构思的进一步进展中提出使用不太大的碎屑。特别地，采用具有至少基本上正方形或矩形截面的至少基本上板状并且具有3至20mm的长度、1至10mm的宽度和1至5mm的厚度的碎屑获得了良好的结果。因此，如果至少50％、更优选至少60％或70％、特别优选至少80％并且最优选至少90％并且最优选所有用于模压成型的碎屑具有3至20mm的长度、1至10mm的宽度和1至0.5mm的厚度，则是优选的。特别地，优选的是碎屑具有3至10mm的长度。
16.优选地，单个碎屑中的碳纤维至少基本上彼此平行地排列。出于本专利申请的目的，碳纤维在单个碎屑中的至少基本上平行的排列意指碎屑的至少80％的碳纤维的纵向纤维轴线与所述至少80％的碳纤维的所有其他纵向纤维轴线偏离不超过20
°
。优选地，这适用于至少90％、更优选至少95％并且最优选所有的碎屑的碳纤维。最优选地，纤维的纵向轴线彼此偏离不超过10
°
、进一步优选不超过5
°
、特别优选不超过2
°
并且最优选不超过1
°
。最优选地，碎屑的所有碳纤维彼此平行。
17.碳纤维在单个碎屑中的这样的平行的或至少基本上平行的排列可以优选通过以下实现：首先提供至少一个碳纤维强化复合材料带，所述至少一个带中的碳纤维平行或至少基本上平行地排列，然后将所述至少一个带横向于碳纤维方向切割成各自具有3至20mm长度的碎屑。因此，在由其生产的碎屑中维持了带的碳纤维的平行度。
18.特别是如果含有具有3至20mm的长度的碳纤维的碎屑含有20重量％至70重量％的碳纤维、优选40重量％至70重量％的碳纤维并且特别优选60重量％至70重量％的碳纤维，诸如约65重量％的碳纤维，至100重量％的剩余部分是至少一种热塑性塑料，则获得具有良好性质的密封元件或支撑环。
19.根据所期望的确切性质选择基质材料。碎屑并且特别是含有长度为3至20mm的碳纤维的碎屑的基质材料的合适实例是选自以下的热塑性塑料：聚苯硫醚、全氟烷氧基聚合物、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺和上述热塑性塑料中的两种或更多种的任何混合物。
20.根据非常特别优选的实施方案，至少含有长度为3至20mm的碳纤维的碎屑含有一种或多种聚醚醚酮作为热塑性塑料。
21.采用含有具有3至20mm的长度的碳纤维的碎屑获得特别好的结果，所述碎屑含有20重量％至70重量％的碳纤维、优选40重量％至70重量％的碳纤维并且特别优选60重量％至70重量％的碳纤维，诸如约65重量％的碳纤维，至100重量％的剩余部分是至少一种聚醚醚酮。
22.为了促进本发明，提出密封元件和/或支撑环通过包括以下步骤的方法可获得或获得：
23.i)提供至少一个碳纤维强化复合材料带，其中碳纤维在所述至少一个带中至少基本上平行地排列，
24.ii)将所述至少一个带横向于碳纤维方向切割成各自具有3至20mm的长度的碎屑，
25.iii)将所述碎屑置于模具中，
26.iv)将模具中的碎屑加热，和
27.v)将模具中的碎屑压实。
28.优选地，在步骤ii)中，将所述至少一个带切割成各自具有1至10mm的宽度的碎屑，所述碎屑的宽度小于其长度。
29.为了获得具有特别均匀的性质的密封元件或支撑环，优选在步骤iii)中将碎屑以无规取向引入模具中。
30.根据所使用的塑料，优选将步骤iii)中的碎屑加热至120℃至450℃的温度并且特别优选至320℃至450℃的温度。
31.特别是当在步骤iv)中在0.1至30mpa的压力下压缩碎屑时，获得了良好的结果，尤其是在热膨胀和紧密性方面。
32.根据本发明的密封元件和支撑环特别适合作为用于密封填充的支撑环、作为密封环、作为阀环、作为阀板或作为提升阀的提升阀芯。
33.本发明的另一个目的是一种往复式压缩机，其包括如以上所描述的密封元件和/或如以上所描述的支撑环。
1.本发明涉及一种密封元件和/或支撑环、特别是用于往复式压缩机的密封元件和/或支撑环，其通过将碳纤维强化复合材料的碎屑的混合物模压成型制造，一种用于制造这样的密封元件和/或支撑环的方法，以及一种含有至少一个这样的密封元件和/或支撑环的往复式压缩机。
2.密封元件诸如活塞或填密环、导向环诸如活塞导向环、以及导向密封件诸如活塞导向环必须满足很多种要求，以便完成它们的任务。特别地，它们必须具有合适的硬度、足够高的拉伸强度、足够高的断裂伸长率、良好的贴合性、高抗老化性、低压力蠕变和冷流趋势、优异的耐化学性、优异的耐温性以及取决于应用的可能的高耐臭氧性。例如，需要良好的贴合性以确保密封元件即使其移动也将起作用。另外，低压力蠕变和冷流趋势对于防止在负载下的冷状态下的不可逆塑性变形是必要的，甚至在长期运行之后。
3.由于其良好的性能，密封元件通常由基于聚四氟乙烯(ptfe)的组合物制成。ptfe的特征在于，例如，极其宽的热应用范围、几乎普遍的耐化学性以及优异的耐光、耐风化和耐热水蒸气性。另外，ptfe的特征在于非常好的滑动性质、优异的抗粘附性能、良好的电性质和良好的介电性质。然而，为了降低冷流和改善机械性质，ptfe通常不以其纯形式使用，而是用填料强化。例如，碳、石墨、二硫化钼或青铜粒子用作填料。最近，具有ptfe基质的纤维强化复合材料已经越来越多地用于该目的，在所述ptfe基质中包埋有诸如玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维的纤维。然而，这样的基于ptfe的材料由于其有限的机械稳定性而局限于在较低压力范围内的密封元件或支撑环的应用。对于在较高压力下的应用，使用基于高性能聚合物的相应材料，诸如聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚苯硫醚或聚醚醚酮(peek)。例如，碳纤维强化塑料(cfrp)，诸如具有其中包埋10重量％的碳纤维的peek基质的那些，用于此目的。
4.通常，由这样的碳纤维强化塑料制成的密封元件和支撑环通过使用通常具有1mm的最大长度的碳短纤维的注塑成型生产。这样的短纤维具有这样的优点，即它们自身与待制造的部件的轮廓对齐，并且不从所制造的部件的表面突出。还已知通过由颗粒烧结来生产这样的部件，在所述颗粒中通常使用纤维长度为约0.1mm的短纤维。将颗粒在压力下与所制造的部件内的纤维一起烧结。然而，以该方式生产的密封元件和支撑环的缺点是其强度需要改进、其相对低的紧密性以及其过高且不均匀的热膨胀。
5.基于此，本发明是基于提供一种具有增加的强度的密封元件或支撑环的目的，所述密封元件或支撑环的特征在于更高的紧密性、改进的低且特别是均匀的热膨胀，并且特别适合用于往复式压缩机。
6.根据本发明，该目的通过一种密封元件和/或支撑环、特别是用于往复式压缩机的密封元件和/或支撑环来解决，所述密封元件和/或支撑环通过将碳纤维强化复合材料的碎屑的混合物模压成型制造，至少一些碎屑含有具有3至20mm的长度的碳纤维，优选地，密封元件和/或支撑环中的碳纤维具有无规纤维取向。
7.该解决方案基于以下出人意料的发现：通过将碳纤维强化复合材料的碎屑的混合物模压成型而制造的这样的密封元件和/或支撑环，至少一些碎屑含有长度为3至20mm的碳
纤维，不仅展现出增加的强度，而且其特征特别在于更高的紧密性、改进的低且特别是均匀的热膨胀。在模压成型中，将碳纤维强化复合材料的碎屑引入模具的腔中，并且然后加热腔并使用柱塞封闭腔，作为其结果，将成型的混合物压制成由腔限定的形状。当将小碎屑倒入腔中时，它们自身无规排列，导致成品部件中的无规纤维取向，即在成品部件中含有指向所有方向的碳纤维。结果，获得了具有至少很大程度上各向同性性质的密封元件和支撑环。特别地，根据本发明的密封元件和支撑环的特征在于相对均匀的热膨胀，在压制方向上的热膨胀略微高于在其横向方向上的热膨胀。另外，根据本发明的密封元件和支撑环的特征在于非常低的热膨胀，特别是在横向于压制方向的方向上，其在钢的热膨胀范围内。在压制方向上，热膨胀对应于形成碳纤维强化复合材料的基质的塑料的热膨胀。由于低热膨胀，在密封元件或支撑环与待密封或支撑的部件之间，诸如在活塞杆与支撑环之间，仅需要小的间距，导致恒定的窄间隙。这也降低了运行期间局部加热的风险，并且因此降低了堵塞的风险。所述材料在加热时膨胀更少，而传统的支撑环在加热时膨胀，并且因此接触活塞杆，导致支撑环与活塞杆之间的摩擦和相互加热。根据本发明的密封元件和支撑环的机械性质也是相对均匀的。此外，根据本发明的密封元件和支撑环的特征在于较高的紧密性。因此能够搭接适当制造的阀板，这导致非常精细的表面。所述板还具有极高的抗冲击性，具有极高的耐温性，具有低温度系数并且重量轻。最后，出乎意料的是，尽管碳纤维相对长的3至20mm的长度，但其不从密封元件或支撑环突出，因此不摩擦另一部件，诸如活塞杆。相反地，在本发明的上下文中已经表明，当碳纤维从部件突出时，碳纤维在其末端处破碎。出于所有这些原因，根据本发明的密封元件或支撑环特别适合用于活塞式压缩机。
8.根据本发明，密封元件和/或支撑环中的碳纤维在至少两个维度上并且优选在所有三个维度上具有无规纤维取向。即，由纤维赋予的性质在至少两个维度上并且优选在所有三个维度上是各向同性的或很大程度上是各向同性的。
9.根据本发明，密封元件或支撑环由碳纤维强化复合材料的碎屑制成，至少一些碎屑含有长度为3至20mm的碳纤维。如果碳纤维的长度小于3mm，则本发明的优点，诸如增加的强度和低且均匀的热膨胀不再达到期望的程度。在碳纤维长于20mm的范围内，模压成型不再导致部件中足够高的纤维无规取向，使得无法实现期望程度的性质均匀性。
10.根据本发明，至少一部分的碎屑含有长度为3至20mm的碳纤维。为了在很大程度上实现本发明的上述优点，在本发明的进一步进展中提出，至少50％、进一步优选至少60％或70％、特别优选至少80％并且非常特别优选至少90％的用于模压成型的碎屑具有长度为3至20mm的碳纤维。
11.最优选地，所有用于模压成型的碎屑含有长度为3至20mm的碳纤维。
12.除了长度为3至20mm的碳纤维之外，碎屑还可以含有具有不同长度的碳纤维。然而，优选的是，在含有长度为3至20mm的碳纤维的每个碎屑中，至少50％、进一步优选至少60％或70％、特别优选至少80％并且非常特别优选至少90％的所包含的碳纤维具有3至20mm的长度。进一步优选地，含有具有3至20mm的长度的碳纤维的每个碎屑的所有碳纤维具有3至20mm的长度。
13.最优选地，所有用于模压成型的碎屑仅具有长度为3至20mm的碳纤维。出于本发明的目的，这理解为意指在碎屑中含有的每个碳纤维具有3至20mm的长度，尽管所有纤维的长度不必须相同，前提是每个碳纤维具有3至20mm的长度。因此，含有各自具有5mm的长度的第
一碳纤维、各自具有10mm的长度的第二碳纤维和各自具有15mm的长度的第三碳纤维的碎屑是仅含有具有3至20mm的长度的碳纤维的碎屑。
14.在所有以上实施方案中，如果含有具有3至20mm的长度的碳纤维的碎屑含有具有3至10mm的长度的碳纤维，则是特别优选的。
15.为了在填充用于模压成型的模具时获得良好的无规取向，在本发明的构思的进一步进展中提出使用不太大的碎屑。特别地，采用具有至少基本上正方形或矩形截面的至少基本上板状并且具有3至20mm的长度、1至10mm的宽度和1至5mm的厚度的碎屑获得了良好的结果。因此，如果至少50％、更优选至少60％或70％、特别优选至少80％并且最优选至少90％并且最优选所有用于模压成型的碎屑具有3至20mm的长度、1至10mm的宽度和1至0.5mm的厚度，则是优选的。特别地，优选的是碎屑具有3至10mm的长度。
16.优选地，单个碎屑中的碳纤维至少基本上彼此平行地排列。出于本专利申请的目的，碳纤维在单个碎屑中的至少基本上平行的排列意指碎屑的至少80％的碳纤维的纵向纤维轴线与所述至少80％的碳纤维的所有其他纵向纤维轴线偏离不超过20
°
。优选地，这适用于至少90％、更优选至少95％并且最优选所有的碎屑的碳纤维。最优选地，纤维的纵向轴线彼此偏离不超过10
°
、进一步优选不超过5
°
、特别优选不超过2
°
并且最优选不超过1
°
。最优选地，碎屑的所有碳纤维彼此平行。
17.碳纤维在单个碎屑中的这样的平行的或至少基本上平行的排列可以优选通过以下实现：首先提供至少一个碳纤维强化复合材料带，所述至少一个带中的碳纤维平行或至少基本上平行地排列，然后将所述至少一个带横向于碳纤维方向切割成各自具有3至20mm长度的碎屑。因此，在由其生产的碎屑中维持了带的碳纤维的平行度。
18.特别是如果含有具有3至20mm的长度的碳纤维的碎屑含有20重量％至70重量％的碳纤维、优选40重量％至70重量％的碳纤维并且特别优选60重量％至70重量％的碳纤维，诸如约65重量％的碳纤维，至100重量％的剩余部分是至少一种热塑性塑料，则获得具有良好性质的密封元件或支撑环。
19.根据所期望的确切性质选择基质材料。碎屑并且特别是含有长度为3至20mm的碳纤维的碎屑的基质材料的合适实例是选自以下的热塑性塑料：聚苯硫醚、全氟烷氧基聚合物、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺和上述热塑性塑料中的两种或更多种的任何混合物。
20.根据非常特别优选的实施方案，至少含有长度为3至20mm的碳纤维的碎屑含有一种或多种聚醚醚酮作为热塑性塑料。
21.采用含有具有3至20mm的长度的碳纤维的碎屑获得特别好的结果，所述碎屑含有20重量％至70重量％的碳纤维、优选40重量％至70重量％的碳纤维并且特别优选60重量％至70重量％的碳纤维，诸如约65重量％的碳纤维，至100重量％的剩余部分是至少一种聚醚醚酮。
22.为了促进本发明，提出密封元件和/或支撑环通过包括以下步骤的方法可获得或获得：
23.i)提供至少一个碳纤维强化复合材料带，其中碳纤维在所述至少一个带中至少基本上平行地排列，
24.ii)将所述至少一个带横向于碳纤维方向切割成各自具有3至20mm的长度的碎屑，
25.iii)将所述碎屑置于模具中，
26.iv)将模具中的碎屑加热，和
27.v)将模具中的碎屑压实。
28.优选地，在步骤ii)中，将所述至少一个带切割成各自具有1至10mm的宽度的碎屑，所述碎屑的宽度小于其长度。
29.为了获得具有特别均匀的性质的密封元件或支撑环，优选在步骤iii)中将碎屑以无规取向引入模具中。
30.根据所使用的塑料，优选将步骤iii)中的碎屑加热至120℃至450℃的温度并且特别优选至320℃至450℃的温度。
31.特别是当在步骤iv)中在0.1至30mpa的压力下压缩碎屑时，获得了良好的结果，尤其是在热膨胀和紧密性方面。
32.根据本发明的密封元件和支撑环特别适合作为用于密封填充的支撑环、作为密封环、作为阀环、作为阀板或作为提升阀的提升阀芯。
33.本发明的另一个目的是一种往复式压缩机，其包括如以上所描述的密封元件和/或如以上所描述的支撑环。
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