BRPI0500409B1 - Montagens de vedação dinâmica compreendendo elastômero fluorocarbônico - Google Patents

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Vahidin Alajbegovic
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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MONTA- GENS DE VEDAÇÃO DINÂMICA COMPREENDENDO ELASTÔMERO FLUOROCARBÔNICO".
INTRODUÇÃO A presente invenção se refere a vedações, e, mais particular- mente, a mesma se refere a vedações anulares do tipo a serem montadas sobre um eixo rotativo, como, por exemplo, uma vedação de óleo de roda instalada entre um eixo rotativo e um alojamento estacionário circundante externo de um veículo motorizado.
As gaxetas dinâmicas são tipicamente feitas de materiais elas- toméricos curados que apresentam um conjunto desejável de propriedades físicas típicas do estado elastomérico. Estas gaxetas tipicamente mostram uma alta tendência a retornar ao seu tamanho e forma originais após a re- moção de uma força de deformação, e as mesmas retêm propriedades físi- cas após repetidos ciclos de estiramento, incluindo níveis de tensão de até 1000%. Com base nestas propriedades, os materiais são de modo geral Ci- teis para a produção de uma vedação dinâmica, como, por exemplo, veda- ções e gaxetas.
Uma vez que as mesmas são feitas de materiais termorrígidos, as gaxetas feitas de materiais elastoméricos curados não podem, de modo geral, ser processadas por meio de técnicas termoplásticas convencionais, como, por exemplo, moldagem à injeção, extrusão, ou moldagem por sopro.
Em contrapartida, os artigos devem ser feitos de materiais elastoméricos por meio de cura à alta temperatura ou por moldagem por compressão. Embora estas e outras operações de compostos de borracha sejam convencionais e conhecidas, as mesmas, no entanto, tendem a ser mais caras e requerem um maior investimento de capital do que as técnicas de processamento de materiais termoplásticos relativamente mais simples. Uma outra falha é que a escória gerada no processo de fabricação é difícil de se reciclar e de se reutilizar, o que aumenta ainda mais os custos de fabricação de tais artigos.
Nos motores de automóvel atuais, as altas temperaturas de uso resultam no desenvolvimento de uma nova geração de lubrificantes conten- do um alto nível de materiais básicos, como, por exemplo, aminas. As veda- ções ficam, com frequência, em contato com estes fluidos durante o uso, e se submetem a uma ampla variedade de condições ambientais desafiantes, incluindo a exposição à alta temperatura, em contato com produtos químicos corrosivos, e condições de alto desgaste durante o seu uso normal. Por con- seguinte, é desejável se produzir vedações a partir de materiais que combi- nam propriedades elastoméricas e estabilidade ou resistência às condições ambientais. A fim de atender às demandas da nova tecnologia de lubrifican- tes, foram desenvolvidas vedações que usam elastômeros fluorocarbônicos, que são altamente resistentes aos compostos básicos encontrados nos óleos lubrificantes e graxas. Em termos específicos, as vedações feitas de elastômeros curados com base em copolímeros de tetrafluoretileno e propí- leno obtêm um grande sucesso comercial. Como um material termorrígido, a borracha fluorocarbônica curada se submete às desvantagens de processa- mento acima notadas.
Deve ser desejável se prover uma vedação de composição elastoméríca ou de borracha que combine um alto nível de resistência quí- mica com as vantagens da processabilídade termoplástica. Seria também desejável se prover métodos para a formulação de borrachas quimicamente resistentes tendo tais propriedades vantajosas.
SUMÁRIO A presente invenção provê montagens de vedação dinâmica para a instalação entre os primeiro e segundo elementos relativamente rota- tivos, compreendendo : um anel para um encaixe fixo com o dito primeiro elemento e uma vedação anular que se estende no sentido radial a partir do dito anel e configurado de modo a se encaixar de forma deslizável no dito segundo elemento, cuja vedação radial possui uma espessura e um com- primento que vai de cerca de t a cerca de 15 vezes maior que a dita espes- sura. Em várias modalidades, a montagem compreende uma vedação dinâ- mica para uma instalação entre um eixo rotativo interno e um alojamento não rotativo correspondente. A vedação tem um primeiro anel para um encaixe 'Χ0 ^ ° a'0)ament0 incluind0 "™ ««ação radial anular que se estende a P* do primeiro anel para um contato deslizante com o eixo. A vedação a""lar' qUe é ”n,,5urada de ™d° a ae encaixar de forma deslizante no eixo rotativo, tem uma espessura e um comprimento maior que e menor > que cerca de 15 vezes mais que a espessura.
Em uma modalidade da presente invenção, a vedação é feita de uma composição de borracha pnocessável que contém um matertal elas- omenco vulcamzado dispersado em uma matriz de um material polimérico eimoplastico. O material elastomérico compreende um material polimérico que contem fluor não cristalino, sintético que exibe propriedades elastoméri- cas quando retaliado ou vulcanizado. Em uma modalidade preferida o matenal contém unidades de repetição derivadas de tetrafluorefileno pelo menos uma olefina de C2. e opcionalmente um ou mais monômeres con- tendo fluor adicionai, Em um ouflo, o material contém untoades de repefl- çao denvadas de fiuoreto de vinilideno, de hexafluorpropiieno, e opcional- mente outros monomeros contendo flúor. Em uma modalidade, a matriz for- ma uma fase continua e o material elastomérico vulcanizado fica na forma de partículas que formam uma fase não contínua.
Um método para a produção de uma composição de borracha e vedaçao dinâmica compreende a combinação de um curativo, um materi- al elastomenco confomte descrito acima, e um material termopiãstico e o aquecimento da mistura a uma temperatura e por um tempo suficiente para realizar a vulcamzaçao do material elastomérico, enquanto uma energia me- canrca e aplicada de modo a misturar a mistura durante a etapa de aqueci- mento. O material termopiástico compreende um material polimérico que se amolece e flui ao aquecimento. As vedações dinâmicas podem ser pronta- mente ferias de composições de borradta de acotfo com precessos temto- plasticos convencionais, como, por exemplo, por meto de moldagem por so- pro, moldagem à injeção, e extrusão.
Outras áreas de aplicabilidade da presente invenção ficarão apa- rentes a partir da descrição detalhada provida a seguir. Deve-se entender que a descrição detalhada e exemplos específicos, embora indicando moda- Madas da presente invenção, são oferecidos para fi„s de ilustraçâo *. rr,êm a in,en5â°* iim#ar ° âmbi,°da ^ ‘w* g^EDESCRIÇÃODOS DFSFMMnc 5 Hin - ■ /S R9UraS 13 β 1b Sã0 ^38 em Perspectiva de uma vedação dinamica de acordo com os ensinamentos da presente invenção; dW · a M Fi9“ras 23 " 2b Sâ° ViStaS em ^8^ de ™ vedação dinamica de acordo »m uma segunda modalidade da presente invenção;
As Figuras 3a e 3b são vistas em perspectiva de uma vedação m,ca de acordo com uma terceira modalidade da prasente invenção- As Figuras 4a e 4b são vistas em perspectiva de uma vedação dmamica de acoido com uma quarta modalidade da presente invenção- dinâmica d AS r 53 ' “ Sâ° ViS'aS m de vedação nam,ca de acoido com uma quinta modalidade da presente invenção; e materiais Z 9ráficos 9Ue «^revem as propriedades materiais de vários materiais.
Deve-se notar que as figuras apropriadas neste documento pr- endem exemplar as características gerais do apare,ho, materiais e m ,o- entre os da presente invenção, para fins de descrição de tais moda,ida- es no presente documento. As tiguras não precisam necessariamente re- caracteristicas de nenhuma dada modalidade, e não necessaria- οΐΐ dPre'endem “* ™ "*Γ " e8p«fes d«° do âmbito da presente invenção.
.DESCRIÇÃO
As definições a seguir e as linhas de orientação não limitantes devem ser considetadas na ravisão da desejo da invenção conform. Z enta neste documento.
Os tópicos (como, por exemplo, 'Introdução· e 'Sumário') aqui sados em apenas a intenção de estabelecer uma organização geral de topioos dentro da descrição desta invenção, e não pm,andem limitar a des- erção da invenção em nenhum de seus aspectos. Em particular, a matéria em questão descrita no tópico 'introdução" pode incluir aspectos de teercio- Sia dentro do ambito da presente invenção, e podem não constituir uma re- citaçãç da técnica antenor. A maténa em quesSo descrita no tópico ■«- â ;:em 3 “ ™ desc^° «—«· ou completa de todo o ambito da invenção ou de quaisquer de suas modalidades. 5 uma adm- A Τ'0 ^ referênCiaS "° PreSen,e d0CUmen,° ·* oonsítui 2a q" ^referêndaS ™ **» antenor ou enham qualquer relevância para a patenteabilidade da invenção descrita no (όρ ΓΤΓ QU^Uer deSCriÇ& "° “n,eÚd° d3S "“as o op,„ introdução pretend0 $imp|esmente provw ^ ^ ^ ^ são ,1 ^ aU'0reS ^ refe"nCiaS' β "â° uma *"*- "T a precisão do conteódo de tais referências. Todas as raferéncias na seçao de Desaição deste relatório descritivo são, deste modo incorporadas a guisa de referência em sua totalidade. dades da A 0 eXemPl°S eSPeCÍflC°5· emb°ra “*"«<> ^ es da presente invenção, atendem a finalidades de ilustração tão- T? 6 "a° têm 3 intenÇâ° de ° ™bi,o ^ presente invenção. r::a re;? de m“p,as «- - «l emas pretende excluir outras modaIWades tendo características adi- » ais, ou outras modalMades que incorporam dfieren.es combinaçóes das características descritas. .d , Con^rme usadas na presente invenção, as palavras "preferidas" preferenca refere-sem a modalidades da presente invenção que ga- daldadeH ^ N° e"“°· 0utras dalidades podem ser também preferas, «b as mesmas ou outras circuns- ancias. A,em disso, a recitação de uma ou mais modalidades preferidas não Z modard0d d “Θ§ nâ° Seiam 6 nâ° « ««■ modalidades do ambito da presente invenção. _ Conforme aqui usado, o verbo -incluir ou suas variantes preten- J nao imitante, de tal forma que a recitação de itens em uma lista não úteZnosZaZ dP ou*ras '*ens similares que possam também ser ^nos matenars, composiçêes, dispositivos, e métodos da prasente ,n- As Figuras 1a e 1b são vistas em perspectiva de uma modalida- de de uma vedação dinâmica 10 de acedo com os ensinamentos da pre- senle invenção. A vedação dinâmica 10 tem um primeiro anel 12 para um encarxe fixo com o alojamento 14 que é acoplado a uma vedação radial anular 16 que se estende a partir do primeiro anel 12 para um contato desli- zante com o eixo 18. A vedação radial anular 16, que é configurada de modo a se encaixar de modo a poder deslizar no eixo rotativo 18, tem uma espes- sura T e um comprimento L que é de cerna de 1 a cerca de 15 vezes maior que a espessura. Opcionalmente, L é de cerna de 3 a cerca de 15 vezes maror que T, opcionalmente de cerna de 5 a cerca de 12 vezes maior que T, opcionalmente de cerca de 5 a cerca de 10 vezes maior que T.
Em várias modalidades, a vedação dinâmica 10 é feita de uma composição de borracha processável que compreende um material elas- tomenco vulcamzado dispersado em uma matriz. O material elastomérico vulcanrzado e o produto da vulcanização, reticulação, ou cura de um elastô- mero fluorocarbônico. A matriz é feita de um material termoplástico que contem pelo menos um polímero termoplástico. As composições de borracha processável podem ser processadas por meto de técnicas termoplásticas —nais de modo a formar a vedação dinâmica tendo propriedades fisreas que as tomam úteis em diversas aplicações chamadas de proprieda- des elastoméricas.
Como se pode observar na Figura 1b, a vedação dinâmica 10 pode ter uma superfície de mancai plana 20 que faz interface com o eixo rotatrvo 18. Além disso, é também mostrado um rebordo de reforço 22 que aumenta a força de mancai da vedação contra o eixo rotativo 18. O compri- mento da superfície de mancai 20 é dentre 1 e 99%, e, de preferência de 25 a 75% do comprimento.
Como se pode ver na Figura 2b, a vedação dinâmica 10b pode ter uma superfície de mancai 20b que é substancialmente variegada A este respefio, uma ranhura espiral 24 é formada sobre uma porção da superfície e mancai plana 20b. Projeta-se que possa haver entre 5 a 200 ranhuras por polegada, e estas ranhuras cobriríam entre 10 e 90%, de preferência de 25 a 75%, da superfície de mancai plana. O número de ranhuras espirais que contatam a superfície de eixo é dentre 1 e 10, e de preferência há entre 1 e 3 ranhuras em contato com o eixo.
As Figuras 3a e 3b representam uma outra modalidade da veda- Çao dmamrca. E mostrada uma porção de flange tendo um par de flanges de ’ SUSPenSa° 24' DiSp°St0 entre 08 fla"9“ *· ^pensão 24 encontra-se um elemento de reforço de mola 26.0 elemento de reforço de mola 26 funciona de modo a aumentar a força de acoplamento entre a superfície de mancai 20b e o eixo rotativo 18.
As Figuras 4a a 5b representam uma vedação dinâmica alterna- tiva 10c e 10d. Como se pode ver, as vedações podem ter razões variadas de compnmento para largura. Em termos específicos, a razão de compri- mento para largura da vedação é maior que 1 para cerna 15, e de preferên- cia de cerca de 5 para 12, e mais preferivelmente de 8 para 10. Além disso, as vedações dinâmicas não precisam ter um aro de rafbrço ou superficie de mancai variegada.
Em modalidades preferidas particulares, a vedação dinâmica 10 e feita de composições processáveis que tipicamente exibem uma dureza Shora A de 50 ou mais, de preferência de 70 Shora A ou mais, tipicamente na fama de 70 Shore A a 90 Shore A. Além disso ou alternativamente, a ra- sistencia a tensão da vedação dinâmica será de preferência de 4 MPa ou ma,s, de preferência de 8 MPa ou mais, e tipicamente de cerca de 8 a 13 MPa.
Em ainda outras modalidades, a vedação dinâmica 10 tem um modulo a 100% de pelo menos 2 MPa, de preferência de pelo menos cerca de 4 MPA, e tipicamente na faixa de cerca de 4 a 8 MPa. Em outras modali- dades, o alongamento na ruptura de artigos fetos a partir das composições processava,s da presente invenção será de 10% ou mais, de preferência de pelo menos cerca de 50%, mais preferivelmente de peto menos cerca de 150%, e tipicamente na faixa de 150 a 300%. A vedação dinâmica 10 da presente invenção pode ser caracterizada como tendo pelo menos um dos aspectos dentre dureza, resistência à tensão, médulo, e alongamento na ruptura nas faixas acima notadas, Em vanas modalidades, a vedação dinâmica 10 é feita de uma composição de borracha compreendendo duas fases, nas quais a matriz constitu, uma fase contínua, e o material elastomérico vulcanizado é da for- ma de partículas que formam uma fase não contínua, dispersa, ou discreta.
Em um outro aspecto, a vedação dinâmica 10 é feita de um material elas- tomenco e a matriz fomra fases co-contínuas. As composições do material elastomérico contêm 35% em peso ou mais, e de preferência 40% em peso ou ma,s da fase de elastõmero, com base no peso total do elastômero e do material termoplástico. Opcionalmente, as composições contêm 50% em peso ou ma,s da fase de elastômero. A fase de elastômero pode estar pre- sente na fomra de partículas em uma fase temtoplásfica contínua, coa» uma rede em 3-D que forma uma fase co-contínua com o material termo- P "CO. OU como uma mistura de ambos. As partículas ou rede em 3-D da fase de elastômero de preferência têm dimensões mínimas de 10 μη, ou menos, e mais preferivelmente de 1 μίη ou menos. A vedação dinâmica 10 pode ser formada a partir de uma com- posição de borracha feita por meio da vulcanização dinâmica de um elastô- mero fluorocarbônico na presença de um componente termoplástico A este respeito, é provido um método para a produção de uma vedação dinâmica. A formaçao da vedação começa com a combinação de um agente curativo um material elastomérico, e de um material termoplástico a fim de formar uma mistura. A mistura é aquecida a uma temperatura e por um tempo suficiente para realizar a vulcanização ou cura do elastômero fluorocarbônico na pre- sença do material termoplástico. É aplicada uma energia mecânica à misturo do matenal elastomérico, do agente curativo e do material termoplástico du- rente a etapa de aquecimento. O elastômero e os componentes termoplásti- cos ficam na presença de um agente curativo e um aquecimento é feito du- rante a misturo a fim de realizar a cura do componente elastomérico. De maneira alternativa, o material elastomérico e o material termoplástico po- dem ser misturados por um tempo e a uma taxa de cisalhamento suficiente paro formar uma dispersão do material elastomérico em uma fase temro- plastica contínua ou co-contínua. Em seguida, um agente curativo pode ser e Ι Γ 3 T" ^ ma'erial ela“ 6 ^ qu“e ce 7 9 miSta· Rnalmente' 3 diSPeRâ° é ™ - processáv 1* * * *" ^ ^ 3 * borracha processavel da presente invenção. S vedação di ^ deSeÍ3daS ^ ™ω3ί8 P»11—I»» w» ,ejl e“° Sâ° 3 ra2S° d° temP° * *«ο Para o lalToT mddU'° Ρ3Γ3 ° dP ™β-α a 11 ' ^ 00™ ™ deb ^ Em ,emos “■* a «b do tempo ) como JTv7 Z ° temP° rea' ^ ™ men°r qUe 1 ^ funcionar uma vedaçao dinâmica de eixo sem vazamento. A mzão do módulo de Lm ™c° ^ amaffina9em ™'3 “m “ ™*"S« tempe- ratora. Tpcamente, os elastômeros curados mosfmm n*„os Pue 1 pam Z ΖΓΐ dinâmiC3;en,an'°' °S “ “ P**» exi- bem ,gual a 1 ou ma,s. O PTFE é um dos materiais plásticos usados para Zza-o st dinâmi°a'6 fUnd°na ^ ™ VedaÇâ° diPâmi- Φ- pensar aLT^ ** ^ «*>* tende a cora- ΓΙ h 7 Ρ3Ώ ™ΡβάίΓ ° ”"P“° * formaçao de boca de sino", cuja fomração leva a um vazamento para 0 m6rrova dist0, é deseiávei que a razâ° d°móq* *perda escnta como um valor de delta tangente com DMTA (Analisador Termodi- namico Mecânico). Mais uma «7 ftc m , . . mostram um vai ’ enais elast°méricos geralmente um valor iqual ^ ^ ^ °* materiaÍS P'ástÍCOS exibem maior que a ^ Γ'0" ^ ^ ^ C°ntrÍbUÍÇã° de viscosidade eZ „s ^ ” ,iPiC° » visc°· „ dos matenais plásticos. O valor típico do ptóstico de PTFE é maior que 0Λ especialmente nas temperaturas detransição de fase (de 20“ 120“ tc.). No entanto, o desenho de beiço longo e curvado tende a compensar o dZrZTZr9" " b°Ca " ^ 05 — -plásticos Ρ U e TPE' de ac0fd° “» « Presente invenção, podem funcionar adol Ufma;eda5a° dinâm'Ca Ρ0Γ "^io da aplicação de um desenho apropri- m C°mPenSar 8 fate de ProPriedades de material desejadas, o qUe poder,a provocar vazamento devido às propriedades de formação de oca de smo" por parte dos materiais plásticos. O desenho de beiço longo e curvado, e a estrutura de reforço associada na exdemidade da vedação de be,ço, e a carga da mote na ponte da vedação de beiço são recursos pro- postos para compensar a falta de propriedades de material desejáveis para aplicações de vedação dinâmica. A este respeito, é profenvel que a razão do modulo de penda para o módulo de annazenagem do material usado na ve- açao seja menor que 10, e mais preferivelmente menor que 1,0.
As Figuras 6a a ec irepresentam as propriedades de material dos matenars usados para formara vedação dinâmica da presente invenção Em ermos especrfrcos, e mostrado o valor do delta tangente como uma função e temperatura. As Figuras 6d e 6e são providas para fins de comparação com um material termoplástico e elastomérico. ^ A Figura 6a representa o teste do material usado para formar a FE5ar «T* ESfe materíal' fe"° de 70'° * Dyneon η n PPh" ^ Dyne°" BRE 7231X; 25'° HV8115X; 6,0 ppbn de Rbenofi. CF; 3,0 pph„ de Elastomag 170; 1,0 pphn emamide 5221; e 10,0 pphn de Austin Black, As composições da presente invenção são de preferência pro- cessava, por meio de técnicas de processamento de plásfico convencio- , Em uma outra modalidade, a vedação dinâmica é provida compreen- dendo os elastômeros fluorocarbónicos, curados disperoados em uma matriz termoplastrca. Os elastômeros fluorocarbóni»s proferidos induem os copo- meros comerdalmente disponíveis de um ou rais monômeros contendo uoq pnocrpalmente o fiuoroto de vinilideno (VDF), o hexafluororopileno (HFP), o tetrafluoretileno (TFE), e os éteres de perfiuoroviniia (PFVE) Os PEVEs prefendos incluem os que possuem um grupo de perêuoroalquiia de «, de preferonca os grupos de perfluoroalquite com 1 a 6 átomos de car- bono e particularmente perftorometila vini, éter e perfiuoropropita vinil éter Alem drsso, os copolímeros podem conter ainda unidades de repetição deri- va as de definas, como, por exemplo, etileno (Et) e propileno (Pr). Os cop^ imeros podem conter ainda quantidades retetivamente menores de monô- mer°S de Sí,i0 de Cura <CSM>· *·<*. com mais delate abaixo. Os elas- tomeros fluorocarbônicos de copolímere preferidos incluem o VDF/HFP o VDF/HPF/CSM, o VDF/HFP/TFE, o VDF/HPF/TFE/CSM o VDF/PFVE/TFE/CSM, o TFE/Pr, o TFE/Pr/VDF, „ TFE/Et/PFVE/VDF/CSM, o FE/Et/PFVE/CSM e o TFE/PFVE/CSM. A designação de elastômera resulta nos monomeros a partir dos quais as gomas de elastômero são sintetizadas, s gomas de elastômero têm viscosidades que resultam em uma viscosida- e de Mooneyde modo geral na faixa de 15 a 150 (ML1 ♦ 10, retorgrandea C), as quars podem ser selecionadas para uma combinação de fluxo e e propnedades físicas. Os fornecedores de elastômero incluem o Dyneon ( ), o Asahr Glass Fluoropolymers. o Solvay/Auslmont, a DuPont e a Daikin.
Em uma modalidade preferida, o material elastomérico é descrito como um copolimero de tetrafluorebleno ou pelo menos como uma oleflna de C24. Como tal. o material elastomérico compreende unidades de repeti- çfc derivadas de teWuoretiteno ou de pelo TO„os uma otefina de c2 4 Op- aonalmente, o material elastomérico pode conter unidades de repetição de- rivadas de um ou mais monômeros adicionais contendo flúor.
Em uma modalidade preferida, o material elastomérico compre- ende unidades de repetição derivadas de 10 a 90% em mol de tetrefluoreti- leno, de 10 a 90% em mol de olefina de C2,, e até 30% em mol de um ou mais monomeros adicionais contendo flúor. De preferência, as unidades de repetição sao derivadas de 25 a 90% em mol de tetrafluoretileno e de 10 a 75% em mol de olefina de Q* Em uma outra modalidade preferida, as uni- dades de repetição são derivadas de 45 a 65% em mol de tetrafluoretileno e de 20 a 55% em mol de olefina de Cu.
Em uma outra modalidade, os materiais elastoméricos são elas- tomeros fluorocarbônicos curáveis contendo unidades de repetição deriva- das de monômeros fluorados, fluoreto de vinilideno (VDF) e de hexafluorpre- prleno (HFP). Em algumas modalidades, os elastômeros contêm ainda uni- dades de repetição derivadas de tetrafluoretileno. Os materiais elastoméri- cos podem ser curados ou reticulados conforme descrito abaixo, de modo a prover materiais curados com propriedades do tipo borracha.
Quimicamente, nesta modalidade, o material elastomérico é feito de copolímeros de VDF e de HFP, ou de terpolímeros de VDF, de HFP, e de tetrafluoretileno (TFE), com monômeros de sítio de cura opcionais. Em mo- dalidades preferidas, o mesmo contém de cerca de 66 a cerca de 70% em peso de flúor. Os elastômeros encontram-se comercialmente disponíveis e são exemplificados pela série Viton® A, Viton® B, e Viton® F de elastôme- ros da DuPont Dow Elastomers. Encontram-se comercialmente disponíveis grades contendo somente os polímeros de goma, ou como pré-compostos contendo curativos.
Em uma outra modalidade, os elastômeros podem ser descritos quimicamente como copolímeros de TFE e PFVE, opcionalmente como um terpolímero com VDF. O elastômero pode conter ainda unidades de repeti- ção derivadas de monômeros de sítio de cura. Os materiais elastoméricos fluorocarbônicos usados para fabricar as composições de borracha proces- sável da presente invenção podem tipicamente ser preparados por meio da polimerização de emulsão de radicais livres de uma mistura de monômero contendo as razões molares desejadas de monômeros de partida. Os inicia- dores são tipicamente compostos de peróxido orgânicos ou inorgânicos, e o agente de emulsificação é tipicamente um sabão ácido fluorado. O peso mo- lecular do polímero formado pode ser controlado pelas quantidades relativas de iniciadores usados em comparação ao nível de monômero e à escolha do agente de transferência, caso algum. Os agentes de transferência típi- cos incluem o tetracloreto de carbono, o metanol, e a acetona. A polimeri- zação de emulsão pode ser conduzida por batelada ou em condições con- tínuas. O material termoplástico que constitui a matriz inclui pelo menos um componente que é um polímero termoplástico. Este material termoplásti- co pode ser um termoplástico contendo flúor ou um termoplástico isento de flúor. O material polimérico amolece e flui mediante aquecimento. Em um aspecto, um material termoplástico é um cuja viscosidade em fusão pode ser medida pelo método ASTMD-1238ou D-2116, a uma temperatura acima de seu ponto de fusão. O material termoplástico da presente menção pode ser selecio- nado de modo a prover as propriedades aperfeiçoadas da combinação bor- racha e termopiástico a temperaturas elevadas, de preferência acima dos 80°C e mais preferivelmente a cerca dos 150"C ou mais. Estes termoplásti- cos incluem os que mantêm propriedades físicas, como, por exemplo, pelo menos uma propriedade física dentre resistência à tensão, módulo, e alon- gamento na ruptura, para um grau aceitável à temperatura elevada. Em uma modalidade preferida, os materiais termoplásticos possuem propriedades físicas superiores a temperaturas elevadas (isto é, uma maior resistência à tensão, um módulo maior, e/ou um maior alongamento na ruptura) com rela- çao aos do elastêmero fluorocarbônico curado (borracha) a uma temperatura comparável. O material polimérico termoplástico usado na presente invenção pode ser um termoplástico do tipo oligômero reativo. O oligômero termoplás- tico polimerizado à temperatura elevada (150 a 250°C) de modo a formar termoplásticos de alto peso molecular. O oligômero cíclico da Cyclics Corpo- ration e um exemplo. O mesmo se torna um tereftalato de polibutileno (PBT) e quando polimerizado, um poliéster termoplástico. 0 material polimérico termoplástico usado na presente invenção pode ser um elastêmero termoplástico. Os elastômeros termoplásticos pos- suem algumas propriedades físicas da borracha, como, por exemplo, maci- ez, flexibilidade, e resiliência, mas podem ser processados como termoplás- ticos. Uma transição de uma fusão para uma composição do tipo borracha sólida ocorre muito rapidamente após resfriamento. Isto se dá em contraste aos elastômeros convencionais, os quais endurecem lentamente após aque- cimento. Os elastômeros termoplásticos podem ser processados em um equipamento de plástico convencional, como, por exemplo, em moldadores à injeção ou em extrusores. A escória pode de modo geral ser prontamente reciclada.
Os elastômeros termoplásticos têm uma estrutura de múltiplas fases, cujas fases são de modo geral Intimamente misturadas. Em muitos casos, as fases são mantidas juntas por meio de copolimerização de enxerto ou bloco. Pelo menos uma fase é feita de um material que é duro à tempe- ratura ambiente, porém fluido mediante aquecimento. Uma outra fase é um material mais macio que é a borracha à temperatura ambiente.
Muitos elastômeros termoplásticos são conhecidos. Exemplos não limitantes de elastômeros termoplásticos do tipo B-A incluem o poliesti- reno/polissiloxa no/pol iesti re η o, o poliestireno/polietileno-co-butileno/poliesti- reno, o poliestireno/polibutadieno/poliestireno, o poliestireno/poliisopreno/po- liestireno, o poli-a-metilestireno/polibutadieno/poli-a-metilestireno, o poli-a- metilestireno/poliisopreno/poli-a-metilestireno e o polietileno/polietiíeno-co- butileno/polietileno.
Exemplos não limitantes de elastômeros termoplásticos tendo uma estrutura de repetição (A-B)n incluem a poliamida/poliéter, a polissulfo- na/polidimetilsiloxano, o poliuretano/poliéster, o poliuretano/poliéter, o poli- éster/poliéter, o poficarbonato/polidimetilsiloxano, e o policarbonato/poliéter.
Entre os elastômeros termoplásticos mais comercialmente disponíveis estão os que contêm poliestireno como o segmento duro. Os elastômeros de três blocos sao disponíveis com poliestireno como o segmento duro ou como o polibutadieno, o poliisopreno, ou o polietileno-co-butileno como o segmento macio. De maneira similar, os copolímeros de repetição de butadieno estire- no encontram-se comercialmente disponíveis, assim como os polímeros de repetição de poliestireno/poliisopreno. O material polimérico termoplástico pode também ser seleciona- do dentre materiais plásticos, sólidos, de modo geral de alto peso molecular.
De preferência, os materiais são polímeros cristalinos ou semicristalinos, e mais preferivelmente possuem uma cristalinidade de pelo menos 25 por cento quando medidos por caiorimetria de varredura diferencial. Os políme- ros amorfos com uma alta temperatura de transição de vidro adequada são também aceitáveis como o material polimérico termoplástico. O termoplásti- co tem também de preferência uma temperatura de fusão na faixa de cerca de 80°C a cerca de 350°C, ou uma temperatura de transição de vidro na fai- xa de -40° a cerca de 300°C, mas a temperatura de fusão de modo geral deve ser menor que a temperatura de decomposição do vulcanizado termo- plástico.
Exemplos não limitantes de polímeros termoplásticos incluem as poliolefmas, os poliésteres, os nâllons, os policarbonatos, os copolímeros de » estireno-acrilonítrila, o tereftalato de polietileno, o terafelato de polibutileno, as poliamidas, o poliestireno, os derivados de poliestireno, o oxido de polife- mleno, o polioximetileno, e os termoplásticos contendo flúor.
As poliolefinas são formadas por meio da polimerização de Olefrnas, como, por exemplo, não se limitando, porém, ao etileno, pmpileno, -buteno, t-hexeno, f-octeno, 2-metil-1-propeTO, ^me.il-1-pente™, 4-meBI- -penteno, 5-met,l-1-hexeno, e suas misturas. Os copolímeros de etileno e propileno ou de etileno ou de propileno com uma outra ce-olefina, como, por exemplo, t-buteno, 1-hexeno, 1-ooteno, 2-metil-1-propeno, 3-metil-1- penteno, 4-metil-1-penteno, 5-metiH-hexeno e suas misturas são também contemplados. Estes homopolímeros e copolímeros, e misturas dos mes- mos, podem ser incorporados como o material polimérico termoplástico da presente invenção.
Os termoplásticos de poliéster contêm unidades de ligação de esterde repetição na estrutura principal do polímero. Em uma modalidade, os mesmos contêm unidades de repetição derivadas de dióis de baixo peso molecular e de diácidos aromáticos de baixo peso molecular. Exemplos não imitantes incluem grades comercialmente disponíveis de tereftalato de poli- etileno e de tereftalato de polibutileno. De maneira alternativa, os poliésteres podem se basear em dióis alifáticos e diáoidos alifáticos. São exemplares os copol,meros de etileno glicol ou o butanodiol com ácido adípico. Em uma outra modalrdade, os poliésteres termoplásticos são as polilactonas prepa- radas por mero da polimerização de um monómero contendo tanto uma fun- ciorralrdade de hidroxila e uma tacionaIWade de cartroxila. A policaprolacto- na e um exemplo não limitante desta classe de poliéster termoplástico.
Os termoplásticos de poliamida contêm ligações de amida de repetição na estrutura principal do polímero. Em uma modalidade, as polia- mrdas contêm unidades de repetição derivadas da diamina e de monômeros de diácido, como, por exemplo, o bem conhecido náilon 66, um polímero de metileno hexadiamina e de ácido adípico. Outros náilons têm estruturas que resultam da variação de tamanho da diamina e dos componentes de diácido.
Exemplos não limitantes incluem o náilon 610, o náilon 612, o náilon 46, e o copolímero de náilon 6/66. Em uma outra modalidade, as poliamidas têm uma estrutura que resulta da polimerização de um monômero tanto com uma funcionalidade de amina e uma funcionalidade de carboxila. Exemplos não limitantes incluem o náilon 6 (a policaprolactama), o náilon 11, e o náilon 12.
Outras poliamidas feitas de diamina e de componentes diácidos incluem as poliamidas aromáticas de alta temperatura contendo unidades de repetição derivadas de diaminas e de diácidos aromáticos, como, por exem- plo, o ácido tereftálico. Exemplos comercialmente disponíveis destas incluem ο PA6T (um copolímero de hexanodiamina e ácido tereftálico), e ο PA9T (um copolímero de nonanodiamina e ácido tereftálico), vendido pela Kuraray sob o nome comercial de Genestar. Para algumas aplicações, o ponto de fusão de algumas poliamidas aromáticas pode ser mais que ótimo para um pro- cessamento termoplástico. Em tais casos, o ponto de fusão pode ser baixa- do por meio da preparação de copolímeros apropriados. Em um exemplo não limitante, no caso do PA6T, que tem uma temperatura de fusão de cerca de 370°C, é possível, com efeito, baixar o ponto de fusão a abaixo de uma temperatura moldável de 320°C por meio da inclusão de uma quantidade eficaz de um diácido não aromático tal como ácido adípico ao se produzir o polímero.
Outros exemplos não limitantes de termoplásticos de alta tempe- ratura incluem um polissulfeto de fenileno, polímeros de cristal líquido, e po- liimidas de alta temperatura. Os polímeros de cristal líquido se baseiam qui- micamente em polímeros lineares que contêm anéis aromáticos lineares de repetição. Tendo em vista a estrutura aromática, os materiais formam domí- nios no estado de fusão nemático com um espaçamento característico de- tectável por meio de métodos de difração de raios X. Exemplos de materiais incluem copolímeros de ácido hidroxibenzóico, ou copolímeros de etileno glicol e diésteres aromáticos lineares, como, por exemplo, o ácido tereftálico ou o ácido naftaleno dicarboxílico.
As poliimidas termoplásticas de alta temperatura incluem os pro- dutos de reação polimérica de dianidretos aromáticos e diaminas aromáti- cas. As mesmas encontram-se comercial mente disponíveis a partir de diver- sas fontes. Exemplar é um copolímero de 1,4-benzenodiamina e o dianidreto de ácido de 1,2,4,5-benzenotetracarboxílico.
Em uma modalidade preferida, a matriz compreende pelo menos um termoplástico isento de flúor, como, por exemplo, os descritos acima. Os polímeros termoplásticos contendo flúor podem ser selecionados a partir de uma ampla faixa de polímeros e de produtos comerciais. Os polímeros são processáveis por fusão - os mesmos amolecem e fluem quando aquecidos, e podem ser prontamente processados por meio de técnicas termoplásticas, como, por exemplo, por meio de moldagem à injeção, extrusão, moldagem por compressão, e moldagem por sopro. Os materiais são prontamente reci- cláveis por meio de fusão e pré-processamento.
Os polímeros termoplásticos podem ser totalmente fluorados ou parcialmente fluorados. Os polímeros termoplásticos totalmente fluorados incluem os copolímeros de tetrafluoretileno e os perfluoroalquil vinil éteres. O grupo de perfluoroalquila é de preferência de 1 a 6 átomos de carbono. Ou- tros exemplos de copolímeros são o PFA (copolímero de TFE e de perfluo- ropropil vinil éter) e o MFA (copolímero de TFE e de perfluorometil vinil éter).
Outros exemplos de polímeros termoplásticos totalmente fluorados incluem os copolímeros de TFE com perfluoroolefinas de 3 a 8 átomos de carbono.
Exemplos não limitantes incluem o FEP (copolímero de TFE e de hexafluo- ropropileno).
Os polímeros termoplásticos parcialmente fluorados incluem o E- TFE (copolímero de etileno e TFE), o E-CTFE (copolímero de etileno e de clorotrifluoretileno), e PVDF (fluoreto de polivinilideno). Diversos copolímeros termoplásticos de fluoreto de vinilideno são também polímeros termoplásti- cos adequados para uso na presente invenção. Os mesmos incluem, sem limitação, copolímeros com perfluoroolefinas, como, por exemplo, o hexaflu- orpropileno, e copolímeros com clorotrifluoretileno.
Os terpolímeros termoplásticos podem também ser usados. Os mesmos incluem os terpolímeros termoplásticos de TFE, HFP, e fluoreto de vinilideno. Estes e outros materiais termoplásticos contendo flúor encontram- se comercialmente disponíveis. Os fornecedores incluem a Dyneon (3M), a Daikin, a Asahi Glass Fluoroplastics, a Solvay/Ausimont e a DuPont.
Os agentes curativos úteis incluem as diaminas, os peróxidos, e as combinações de poliol e sal de ônio. Os curativos de diamina são conhe- cidos desde os anos 50. Os curativos de diamina são de uma cura relativa- mente lenta, mas oferecem vantagens em diversas áreas. Estes curativos encontram-se comercialmente disponíveis, por exemplo, como o Diak-1 da DuPont Dow Elastomers. _ ° ac>ueciniento e a mistura ou a masticação a temperaturas de vulcanização são de modo geral adequados para completar a reação de vul- canização em alguns minutos ou menos, mas se for desejado tempos mais curtos de vulcanização, podem ser usadas temperaturas mais altas e/ou um cisalhamento maior. Uma faixa adequada de temperatura de vulcanização é de cerca a temperatura de fusão do material termoplástico (de tipicamente 120°C) a cerca de 300°C ou mais. Tipicamente, a faixa é de cerca de 150°C a cerca de 250°C. Uma faixa preferida de temperaturas de vulcanização é de cerca de 180“C a cerca de 220°C. É preferido que a mistura continue sem interrupção até que a vulcanização ocorra ou se complete.
Se uma cura apreciável for feita depois de parar a mistura, um vulcanizado termoplástico não processável poderá ser obtido. Neste caso, um tipo de etapa de pós-cura deve ser realizado no sentido de completar o processo de cura. Em algumas modalidades, a pós-cura assume a forma de continuar a misturar o elastômero e o termoplástico durante um período de resfriamento.
Após uma vulcanização dinâmica, uma mistura homogênea é obtida, na qual a borracha se encontra na forma de pequenas partículas dis- persas, essencialmente de um tamanho de partícula médio menor que cerca de 50 pm, de preferência de um tamanho de partícula médio menor que cer- ca de 25 pm. Mais tipicamente e de preferência, as partículas têm um tama- nho medio de cerca de 10 pm ou menor, de preferência de cerca de 5 pm ou menor, e mais preferivelmente de cerca de 1 μη, ou menor. Em outras mo- dalidades, mesmo quando o tamanho de partícula é maior, haverá um núme- ro significativo de partículas de elastômero curadas, menores que 1 pm em tamanho, e dispersadas na matriz termoplástica. O tamanho de partículas referido acima pode ser igual ao diâ- metro das partículas esféricas, ou ao diâmetro de uma esfera de volume equivalente. Deve-se entender que nem todas as partículas serão esféricas.
Algumas partículas serão bastante isotrtpicas de modo que um tamanho que se aproxima a um diâmetro de esfera possa ser prontamente determi- nado. Outras partículas podem seranisotrópicas no sentido que uma ou du- as dimensões podem ser maiores que uma outra dimensão. Em tais casos, os tamanhos de partícula preferidos referidos acima correspondem às meno- res dimensões das partículas.
Em algumas modalidades, o material elastomérico curado se encontra na forma de partículas que formam uma fase nâo contínua, discre- ta, dispersada, cujas partículas são separadas uma da outra pela fase contí- nua constituída da matriz termoplástica. Espera-se que tais estmturas sejam mais favorecidas com cargas relativamente menores de elastômero curado, isto e, no qual o material termoplástico compensa um volume relativamente maior das composições. Em outras modalidades, o material curado pode estar na forma de uma fase co-contínua com o material termoplástico. Acre- dita-se que estas estruturas sejam favorecidas com um volume relativa- mente maior do elastômero curado. Em caigas de elastômero intermediári- as, a estrutura das composições bifásicas pode assumir um estado interme- diário no sentido de que uma certa quantidade do elastômero curado pode ficar na forma de partículas discretas e uma certa outra parte pode estar em outra forma.

Claims (22)

1. Montagem de vedação dinâmica para a instalação, entre pri- meiro e segundo elementos relativamente rotativos, compreendendo: um anel para um encaixe fixo com o primeiro elemento, e uma vedação anular que se estende em um sentido radial do anel e configurado para se encaixar de modo a poder deslizar no segundo elemento, sendo que a vedação radial apresenta uma espessura e um com- primento que é de cerca de 1 a cerca de 15 vezes maior do que a dita es- pessura, a referida montagem sendo caracterizada pelo fato de que a dita vedação radial compreende um elastômero fluorocarbônico curado disper- sado em uma matriz que compreende um material termoplástico isento de flúor.
2. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindica- ção 1, caracterizada pelo fato de que o comprimento é de cerca de 5 a cerca de 15 vezes maior que a espessura.
3. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindica- ção 2, caracterizada pelo fato de que comprimento é de cerca de 5 a cerca de 12 vezes maior que a dita espessura.
4. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindica- ção 1, caracterizada pelo fato de que o dito elastômero fluorocarbônico se encontra presente como uma fase discreta ou como uma fase co-contínua com a matriz, e na qual a vedação radial possui um delta tangente menor que 1,0.
5. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindica- ção 1, caracterizada pelo fato de que a vedação radial é feita por meio de um processo que compreende a etapa de vulcanização dinâmica de um e- lastômero fluorocarbônico na presença de um material termoplástico.
6. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindica- ção 1, caracterizada pelo fato de que a dureza da vedação anular é de um Shore A de 50 ou mais, a resistência à tensão da vedação é de 4 MPa ou mais, o módulo a 100% do artigo é de pelo menos cerca de 4 MPa, e o alon- gamento na ruptura do artigo é de 10% ou mais.
7. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindica- ção 1, caracterizada pelo fato de que o elastômero fluorocarbônico curado se encontra presente em um nível de pelo menos cerca de 35% com base no peso total do elastômero fluorocarbônico curado e do polímero termoplás- tico.
8. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindica- ção 7, caracterizada pelo fato de que o elastômero fluorocarbônico curado se encontra presente em um nível de pelo menos cerca de 50% em peso com base no dito peso total.
9. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindica- ção 1, caracterizada pelo fato de que o material termoplástico é um material elastomérico termoplástico que compreende um polímero amorfo apresen- tando uma temperatura de transição de vidro de pelo menos cerca de -40°C.
10. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 1, caracterizada pelo fato de que o material termoplástico é um mate- rial oligomérico reativo que compreende um polímero semicristalino apresen- tando um ponto de fusão de pelo menos cerca de 80°C.
11. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 1, caracterizada pelo fato de que o elastômero fluorocarbônico é sele- cionado dentre o grupo que consiste em: VDF/HFP, VDF/HPF/TFE, VDF/PFVE/TFE, TFE/Pr, TFE/Pr/VDF, TFE/Et/PFVE/VDF, TFE/Et/PFVE e TFE/PFVE e suas misturas.
12. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 1, caracterizada pelo fato de que a vedação radial é feita por meio de um processo que compreende as etapas de: (a) combinar um elastômero fluorocarbônico não curado ou par- cialmente curado, um agente de cura capaz de reagir com o elastômero fluo- rocarbônico de modo a realizar uma cura, e um material termoplástico; (b) misturara combinação; (c) aplicar calor à combinação durante a etapa de mistura; e (d) formar a vedação submetendo a composição a um qualquer processo dentre moldagem por sopro, moldagem compressiva, moldagem à injeção, ou extrusão.
13. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 1, caracterizada pelo fato de que a vedação radial é feita por meio de um processo que compreende as etapas de: (a) misturar o elastômero e os componentes termoplásticos na presença do agente curativo; (b) aquecer durante a mistura a fim de realizar a cura dos com- ponentes elastoméricos; e (c) moldar à injeção a composição.
14. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro elemento é um alojamen- to e o segundo elemento é um eixo rotativo.
15. Montagem de vedação dinâmica para instalação entre um eixo rotativo interno e um alojamento externo, compreendendo: uma vedação radial anular que se estende a partir do dito aloja- mento não rotativo para um contato deslizante com o dito eixo, a dita veda- ção radial anular sendo configurada de modo a se encaixar de maneira des- lizável no dito eixo, a dita vedação radial apresentando uma espessura e um comprimento que é de cerca de 1 a cerca de 15 vezes mais que a dita es- pessura, a dita vedação radial anular compreendendo ainda uma superfície de mancai plana que contata o eixo rotativo, a dita montagem sendo caracterizada pelo fato de que a veda- ção anular é feita de um elastômero fluorocarbônico vulcanizado dispersado em uma matriz termoplástica compreendendo um material polimérico isento de flúor, e sendo que a dita vedação anular apresenta um delta tangente inferior a cerca 1,0.
16. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 15, caracterizada pelo fato de que o comprimento é de cerca de 5 a cerca de 15 vezes maior que a espessura.
17. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 16, caracterizada pelo fato de que o comprimento é de cerca de 5 a cerca de 12 vezes maior que a espessura.
18. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 15, caracterizada pelo fato de que a superfície de mancai plana com- preende uma superfície variegada.
19. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 18, caracterizada pelo fato de que a superfície variegada é uma ra- nhura espiral helicoidal.
20. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 15, caracterizada pelo fato de que a vedação anular compreende um rebordo de reforço.
21. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 15, caracterizada pelo fato de que a vedação anular compreende um par de flanges de suspensão e uma mola disposta entre os flanges de sus- pensão.
22. Montagem de vedação dinâmica, de acordo com a reivindi- cação 15, caracterizada pelo fato de que a vedação anular é feita de um ma- terial apresentando uma razão de módulo de perda para armazenar o módu- lo que é menor que cerca 0,1.
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