油封橡膠材料的選擇

錢寒東

油封橡膠材料的選擇

錢寒東

從材料角度論述了油封橡膠材料中幾種主要材料的性能特點(diǎn)、使用環(huán)境、用途等，并列舉了幾種主要油封橡膠材料的配方。

油封；氟橡膠；丁腈橡膠；丙烯酸酯橡膠；氟硅橡膠

0 前 言

油封是一種精密元件，在其制作工藝中要考慮的因素很多，橡膠材料的性能對(duì)油封的質(zhì)量起到了決定性的作用。常用的橡膠材料有丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、丙烯酸酯橡膠等。適當(dāng)?shù)南鹉z配方和加工工藝性能，能提高油封的性能和使用壽命。

1 丁腈橡膠(NBR)

丁腈橡膠是油封制作中最常用的橡膠材料，這主要得益于其具有良好的耐油性和低廉的價(jià)格。它是由丁二烯和丙烯腈兩種單體經(jīng)乳液或溶液聚合而制得的一種高分子彈性體。丁腈橡膠是一種極性、不飽和、非結(jié)晶的橡膠。

丁腈橡膠的耐油性僅次于氟橡膠和聚硫橡膠；耐熱性能優(yōu)于天然橡膠、丁苯橡膠等通用橡膠（若配方設(shè)計(jì)得當(dāng)，丁腈橡膠的最高使用溫度可達(dá)130 ℃，在熱油中可耐150 ℃);耐磨性比天然橡膠高30%～45%；且其透氣率較低，和丁基橡膠同屬于氣密性良好的橡膠；丁腈橡膠的耐化學(xué)腐蝕性能亦優(yōu)于天然橡膠，但對(duì)強(qiáng)氧化性酸的抵抗能力較低。丁腈橡膠是非結(jié)晶性橡膠，無(wú)自補(bǔ)強(qiáng)性，純膠硫化膠的拉伸強(qiáng)度僅為3.0～4.5 MPa，因此必須經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)后才具有使用價(jià)值。采用炭黑補(bǔ)強(qiáng)的硫化膠，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)25～30 MPa，優(yōu)于丁苯橡膠。丁腈橡膠由于其分子鏈柔性差，并且有非結(jié)晶性，使其硫化膠的彈性、耐屈撓性、抗撕裂性及耐寒性較差，變形生熱大。該橡膠的脆性溫度為-10～-25 ℃，耐寒性比一般通用橡膠都差；由于極性，導(dǎo)致其為半導(dǎo)膠，不宜做電絕緣材料；丁腈橡膠由于具有不飽和性而易受臭氧破壞，加上分子鏈柔性差，從而使臭氧龜裂擴(kuò)展速度較快（當(dāng)其在使用中與油接觸時(shí)，配合時(shí)加入的抗臭氧劑易被抽出，造成防臭氧破壞的能力下降）；丁腈橡膠的加工工藝性較差（即塑煉效果低，混煉操作較為困難，在塑煉、混煉加工中生熱高，在壓延與壓出加工中收縮率和膨脹率較大），在成形時(shí)自粘性較差，硫化速度較慢。

丁腈橡膠被廣泛用來(lái)制造各種耐油制品。高丙烯腈含量的丁腈橡膠多用于制造直接和油類接觸以及耐油性能要求較高的制品（如油封、O形密封圈、輸油膠管、化工容器襯里、墊圈等）；中丙烯腈含量的丁腈橡膠通常用于制造普通耐油制品（如耐油膠管、油箱、印刷膠輥、耐油手套等）；低丙烯腈含量的丁腈橡膠用于制造耐油性要求較低的制品（如低溫耐油制品和耐油減振制品等）。丁腈橡膠還可用來(lái)制作需要導(dǎo)出靜電、避免引起火災(zāi)的制品(如紡織皮輥、阻燃運(yùn)輸帶等）。

2 氟橡膠（FKM）

氟橡膠是主鏈或側(cè)鏈的碳原子上含有氟原子的一種合成高分子彈性體。氟橡膠的種類很多，主要分為偏氟乙烯氟橡膠、亞硝基類氟橡膠、全氟醚類氟橡膠和氟化磷腈類氟橡膠四大類。

氟橡膠是一種具有耐高溫、耐油及耐多種化學(xué)藥品侵蝕特性的材料，從原子角度來(lái)講，它主要是指主鏈或側(cè)鏈的碳原子上含有氟原子的合成高分子彈性體。

氟橡膠有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性，它是目前所有彈性體中耐介質(zhì)性能最好的一種；耐高溫性，氟橡膠的耐高溫性和硅橡膠相當(dāng)，可以說(shuō)是目前彈性體中最好的（比如26型氟橡膠在250 ℃下可長(zhǎng)期使用，300 ℃下可短期使用；而246氟橡膠的耐熱比26型還好一些，在350 ℃熱空氣老化16 h后、在400 ℃熱空氣老化110 min后皆可保持良好彈性，含有噴霧炭黑、熱裂法炭黑或碳纖維的膠料伸長(zhǎng)率上升約1/2～1/3，強(qiáng)度下降1/2左右，仍可保持良好的彈性）；耐老化性，具有極好的耐天候老化性能、耐臭氧性能等特質(zhì)；真空性，246型氟橡膠基本配方的硫化膠真空放氣率僅為37×10-6L/（S·cm2），已成功應(yīng)用在10-9的真空條件下；力學(xué)性能，一般來(lái)說(shuō)氟橡膠在高溫下的壓縮永久變形大，電性能較好。不過(guò)它也有一些缺點(diǎn)：比如低溫性能不好、耐腐蝕性能差等等。造成其低溫性能不好的原因是其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)所致，如23型的Tg＞0℃。

氟橡膠的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，比如在汽車配件、航空與航天領(lǐng)域、機(jī)械密封、泵、反應(yīng)器、攪拌器、壓縮機(jī)外殼、閥、各類儀表和其他設(shè)備上用作閥座、閥桿的填料，以及隔膜和墊片。氟橡膠還在橡膠板行業(yè)及半導(dǎo)體制造行業(yè)及食品與制藥等行業(yè)發(fā)揮著作用。

3 氫化丁腈橡膠（HNBR）

氫化丁腈橡膠(HNBR)是由丁腈橡膠(NBR)經(jīng)催化加氫制得的新型彈性體，加氫反應(yīng)后大分子主鏈的不飽和雙鍵數(shù)量大幅減少，賦予了聚合物優(yōu)異的耐熱性、耐候性和耐臭氧性能，膠料耐溫等級(jí)從100～120 ℃上升到150～165 ℃，腈基的保留使HNBR具有與NBR同等的耐化學(xué)穩(wěn)定性，少量的不飽和雙鍵提供了硫化交聯(lián)點(diǎn)。但由于分子結(jié)構(gòu)的變化，使膠料的低溫性能受到一定的影響。

HNBR的耐高溫范圍為130～180 ℃，耐寒范圍為-55～-38 ℃，且力學(xué)性能優(yōu)良，與其他聚合物相比更能滿足汽車工業(yè)的要求。用ZnO/甲基丙烯酸(MAA)補(bǔ)強(qiáng)的HNBR可制作三角帶、等規(guī)三角帶、多用三角環(huán)的底層膠、隔振器等;也可制備密封圈、密封件，耐熱管等。在石油鉆井中，要求橡膠制品必須耐受高溫、高壓、酸、胺、H2S、CO2、CH4等蒸氣的考驗(yàn)。而用HNBR制備的各種制品，可耐酸、耐油、耐溶劑。用ZnO/MAA補(bǔ)強(qiáng)的HNBR可用于制作鉆井保護(hù)箱和泥漿泵用活塞。HNBR的耐熱、耐輻射性能比硅橡膠、氟橡膠、聚四氯乙烯要好，適宜作發(fā)電站的各種橡膠密封件，也用作液壓管、液壓密封、發(fā)電站用電纜護(hù)套，還可作印刷和織物輥筒、武器部件及航天用密封件、覆蓋層、燃油囊等;HNBR膠乳可用作表面涂層(畫(huà))，紡織、紙張、皮革、金屬、陶瓷、無(wú)紡布纖維用的粘合劑，以及發(fā)泡橡膠、浸漬膠乳產(chǎn)品等。此外，用ZnO/MAA、過(guò)氧化物、高耐磨爐黑補(bǔ)強(qiáng)的HNBR，其綜合性能比普通HNBR的要好。氫化丁腈橡膠目前廣泛用于油田、汽車工業(yè)等方面。

4 丙烯酸酯橡膠（ACM）

丙烯酸酯橡膠是以丙烯酸酯為主單體，經(jīng)共聚而得的彈性體。它結(jié)構(gòu)的飽和性以及帶有極性酯基的側(cè)鏈決定了它的主要應(yīng)用性質(zhì)，即需要耐熱氧老化性能和耐油性能優(yōu)異的場(chǎng)合，而其耐寒、耐水、耐溶劑性能較差。

丙烯酸酯橡膠主鏈由飽和烴組成，且?guī)в恤然?，比主鏈上帶有雙鍵的二烯烴橡膠穩(wěn)定，特別是耐熱氧老化性能好，可比丁腈橡膠使用溫度高出30～60 ℃，最高使用溫度為180 ℃，斷續(xù)或短時(shí)間使用可達(dá)200 ℃左右，在150 ℃熱空氣中老化數(shù)年無(wú)明顯變化。

不同品種丙烯酸酯橡膠的耐熱氧老化性能，因所含交聯(lián)單體活性及所用交聯(lián)劑品種的不同而有所差異，以含氯多胺交聯(lián)型為最佳，皂交聯(lián)型最差。但這些差別并未使它們?cè)谀蜔岬燃?jí)上有明顯區(qū)分。

丙烯酸酯橡膠因其帶有極性酯基側(cè)鏈而表現(xiàn)出良好的耐油性，這是丙烯酸酯橡膠的重要特性。室溫下其耐油性能大體上與中高丙烯腈含量的丁腈橡膠相近，優(yōu)于氯丁橡膠、氯磺化聚乙烯、硅橡膠。但在熱油中，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于丁腈橡膠。丙烯酸酯橡膠被長(zhǎng)期浸漬在熱油中，因臭氧、氧被遮蔽，因而性能比在熱空氣中更加穩(wěn)定?？梢越⑦@樣一個(gè)概念：在低于150 ℃的油中，丙烯酸酯橡膠具有近似氟橡膠的耐油性能；在更高溫度的油中，僅次于氟橡膠。此外，其耐動(dòng)物油、合成潤(rùn)滑油、硅酸酯類液壓油性能良好。

丙烯酸酯橡膠被廣泛應(yīng)用于各種高溫、耐油環(huán)境中，成為近年來(lái)汽車工業(yè)著重開(kāi)發(fā)推廣的一種密封材料，特別是被用于汽車的耐高溫油封、曲軸、閥桿、汽缸墊、液壓輸油管等。

5 氟硅橡膠(FVMQ)

氟硅橡膠是一種改性硅橡膠，即硅橡膠的硅氧烷側(cè)鏈上的甲基被r-三氟丙基所取代的產(chǎn)品。其具有優(yōu)良的耐油、耐溶劑性能，對(duì)于脂肪族、芳香族和氯化烴溶劑，對(duì)石油基的各種燃料油、潤(rùn)滑油、液壓油及某些合成油（如二酯類潤(rùn)滑油、硅酸酯類液壓油等)，在常溫和高溫下的穩(wěn)定性都很好，還能保持彈性。在浸油條件下，最高使用溫度可達(dá)180 ℃。在常溫和高溫下的穩(wěn)定性都很好，能在-70 ℃～200 ℃范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用，以及250 ℃下短期使用。耐燃、絕緣性亦好。

氟硅橡膠是至今應(yīng)用最普遍的氟硅系列新材料。由于氟是電負(fù)性最強(qiáng)的元素，其與碳原子連結(jié)成的C—F鍵相當(dāng)穩(wěn)定，耐熱性也較高。將氟元素引入硅氧烷中，不但具有一般硅氧烷的優(yōu)越的耐熱性、耐候性、憎水性、脫模性，且具有含氟化合物的防水、耐油和耐溶劑等性能特點(diǎn)。因此，氟硅橡膠在保持了硅橡膠的耐高低溫性（-70 ℃～200 ℃）、耐候性、壓縮復(fù)原性、回彈性、電氣特性、脫膜性等一系列優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，同時(shí)又具有氟橡膠的耐燃料油、耐溶劑等性能。它與氟橡膠相比，耐寒性、壓縮永久變形性更優(yōu)，而且物理性能對(duì)溫度的依賴性小，從低溫到高溫都顯示出了優(yōu)良的性能，堪稱當(dāng)今世界綜合性能最好的合成橡膠之一。其次，其即使不使用增塑劑也可得到低硬度的制品。 因此，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在宇航、飛機(jī)、汽車、石油化工、機(jī)械、人工器官等重要的工業(yè)部門及國(guó)防、交通運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)、電子電氣等領(lǐng)域。尤其是作為高檔汽車或飛機(jī)中與燃料油、潤(rùn)滑油接觸的密封件、O形圈、襯墊、膜片、連接器、管類等制品而得到廣泛應(yīng)用。除軍工業(yè)外，在民用市場(chǎng)方面，汽車用膜片是氟硅橡膠的最大市場(chǎng)。

6 各種橡膠材料的油封配方設(shè)計(jì)

除了上述五種材料外，還有很多材料也可以作為油封橡膠材料。這些橡膠材料各有各的特點(diǎn)和用途，即便是同一種材料也會(huì)因其配方的不同而性能大不相同。

以氟硅橡膠為例，采用相同的生膠和硫化體系，但采用不同的補(bǔ)強(qiáng)填料，就會(huì)有不同的性能表現(xiàn)（見(jiàn)表1）。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，在配方中即便是細(xì)微的變化也會(huì)出現(xiàn)性能上的巨大差異。以下對(duì)各種油封橡膠材料的配方舉幾個(gè)實(shí)例。

（1）氟橡膠油封膠料配方

基本配方（單位：份）：氟橡膠 100.0，炭黑M990 35.0，活性氧化鎂 5.0，氫氧化鈣 6.0，內(nèi)脫模劑 1.0，操作助劑TM280 1.5，硫化劑雙酚AF 2.0，促進(jìn)劑BPP 0.5。性能測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 氟硅橡膠油封配方性能數(shù)據(jù)

表2 氟橡膠油封配方性能數(shù)據(jù)

（2）氫化丁腈橡膠油封配方

配方一（單位：份）：氫化丁腈橡膠100.0，氧化鋅5.0，氧化鎂10.0，DCP 4.0，TAIC 2.5，DM 1.5，石蠟 1.0，硬脂酸 1.0， N550 炭黑 50.0，防老劑ODA 1.0。

配方二（單位：份） ：氫化丁腈橡膠 100.0，氧化鋅 5.0，氧化鎂10.0，硬脂酸1.0，DCP 4.0，DM 1.5，TAIC 2.5，防老劑ODA2.0，石蠟 1.0，N330炭黑 50.0。

配方一、配方二膠料的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 氫化丁腈橡膠油封配方各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)

（3）丁腈橡膠油封配方

配方一（單位：份）：丁腈橡膠220S 100.0，氧化鋅 5.0，硬脂酸 1.0，防老劑RD 2.0，防老劑BLE 1.0，高耐磨炭黑N330 40.0，石墨 60.0，TMTD 2.0，MD 1.00。

配方二（單位：份）：丁腈橡膠220S 100.0，氧化鋅 5.0，硬脂酸 1.0，防老劑RD 2.0， 防老劑1.0，半補(bǔ)強(qiáng)SRF N774 70.0，石墨 20.0，增塑劑TP-95 15.0，TMTD 2.0，MD 1.0：硫磺 1.0。

配方三（單位：份）：丁腈橡膠220S 100.0，氧化鋅 5.0，硬脂酸 1.0，防老劑OCD 2.0，N550 40.0，N774炭黑 35.0，DOP 10.0，硫磺 0.5，TMTD 2.0，MD 1.0。

配方一、配方二、配方三膠料的各項(xiàng)性能表現(xiàn)如表4所示。

表4 丁腈橡膠油封配方各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)

（4）丙烯酸酯橡膠油封配方

配方一（單位：份）：AEM 100.00，SRF N774 65.00，促進(jìn)劑D 4.00，防老劑ODA 2.00，1#硫化劑 1.70。

配方二（單位：份）：ACM-96 100.00，ZnO 3.00，SA 2.00，KY-405 1.50，CTP 0.20，N330 35.00，N660 20.00，陶土 10.00，低分子聚乙烯2.00，S 0.45，硬脂酸鉀 0.25，硬脂酸鈉 4.25。

丙烯酸酯橡膠油封配方示例的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 丙烯酸酯油封配方各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)

[責(zé)任編輯：朱 胤]

TQ 336.4+2

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1671-8232(2015)10-0048-05

2015-06-18

錢寒東（1977— ），上海市人，本科，工程師，長(zhǎng)期從事橡膠技術(shù)研究工作。