幾種橡膠材料對新型絕緣氣體全氟異丁腈和二氧化碳的氣密性研究

張亞茹，劉 靜，黃青丹，王 勇，曾 煉

（廣東電網有限責任公司 廣州供電局電力試驗研究院，廣東 廣州 510410）

六氟化硫（SF6）作為優(yōu)良的絕緣和滅弧氣體而廣泛應用于高壓電力設備[如氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）和氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）等]中。但近年來SF6由于較強的溫室效應而被《京都議定書》列為必須限制使用的氣體之一[1]。研究表明，新型的環(huán)保絕緣氣體全氟異丁腈（C4F7N）絕緣性能良好，具有較低的全球變暖潛能值，同時C4F7N與其平衡氣體二氧化碳（CO2）的混合氣體作為SF6的替代品，擁有與SF6相當的電絕緣強度以及較低的毒性。因此，C4F7N/CO2混合氣體作為SF6的替代品備受關注[2-7]。

橡膠材料由于其優(yōu)異的彈性、易加工性、化學穩(wěn)定性以及密封性能等，在電力設備中廣泛應 用[8-10]。橡膠材料在一定的應力作用下產生較大的形變，能夠補償設備金屬件之間的公差，同時其蠕變作用較小，能夠保證在較低的接觸應力下仍有較好的密封效果。目前國內外用于制造密封件的橡膠主要有：丁腈橡膠（NBR）、氟橡膠（FKM）、硅橡膠、三元乙丙橡膠（EPDM）和丁基橡膠等。段宏基等[11]對NBR在密封材料中的應用研究進展進行了綜述，圍繞高性能與功能化，系統(tǒng)地介紹了NBR的改性研究現狀，為更高性能NBR密封材料的研究指明了方向。張曉軍等[12]研究了FKM密封材料在加速老化條件下的性能變化，預測FKM密封件的貯存壽命為13.8年。趙志正[13]系統(tǒng)地分析了影響橡膠材料密封能力的外界因素，包括高、低溫條件對橡膠材料性能的影響；腐蝕性物質作用下橡膠材料化學穩(wěn)定性的改變；石油、硫化氫氣體、胺等對橡膠材料的腐蝕破壞；膠種和橡膠材料物理性能等對密封件抗擠壓能力的影響等，為在不同環(huán)境下使用的密封件橡膠材料的選擇提供了借鑒經驗。

然而，目前對應用于電力設備并完全處于絕緣氣體環(huán)境中的橡膠密封件的密封性能研究較少。因此，本工作對3種橡膠材料—NBR，EPDM和FKM（均指硫化膠）對C4F7N和CO2的氣密性進行測試分析，同時結合其紅外光譜、橡膠材料顆粒的比表面積和孔容進行研究，分析3種橡膠材料對C4F7N和CO2的氣密性，為使用C4F7N/CO2混合氣體作為絕緣氣體的電力設備的密封材料選擇提供依據。

1 實驗

1.1 主要原材料

NBR和FKM為市售品，EPDM由山東泰開高壓開關有限公司提供，3種橡膠材料均裁剪成Φ18 mm×2 mm的圓片試樣，C4F7N為批量生產的商品氣體，純度≥99%；CO2，純度≥99.999%。

1.2 主要儀器

氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）儀，美國安捷倫科技有限公司；VERTEX70型傅里葉變換紅外光譜（FTIR）儀，德國布魯克公司產品；N2等溫吸附脫附測試儀，麥克默瑞提克（上海）儀器有限公司產品。

1.3 性能測試

自組的氣體泄漏測試系統(tǒng)如圖1所示。

首先將氣體平衡腔內的氣壓用真空泵抽至20 kPa（絕對壓力），然后充入待測氣體至100 kPa，反復用待測氣體沖洗系統(tǒng)5次，確保被充入待測氣體含量超過99%。裝上橡膠材料圓片試樣，保持氣體平衡腔的氣體壓力為200 kPa（絕對壓力），在室溫（25 ℃）條件下用GC-MS儀對氣體取樣口氣體進行測試。

經過氣體泄漏測試之后，取下橡膠材料圓片試樣，對其進行表面和截面的FTIR分析。

將3種橡膠材料圓片試樣分別裁剪成尺寸為2～3 mm的橡膠材料顆粒，進行N2等溫吸附脫附測試，表征其比表面積和孔容。

2 結果與討論

2.1 氣密性

EPDM，NBR和FKM對C4F7N和CO2的氣密性測試結果如圖2所示。

從圖2（a）和（b）可以看出，EPDM對C4F7N和CO2都有顯著的泄漏，自120 h后，EPDM對C4F7N的泄漏速率顯著增大，而50 h后，EPDM對CO2的泄漏速率顯著增大。

從圖2（c）和（d）可以看出：NBR對C4F7N的泄漏量顯著小于EPDM，但仍然處于較高的水平；NBR對CO2的泄漏量與EPDM相當。

從圖2（e）和（f）可以看出：FKM對C4F7N具有優(yōu)異的氣密性，在測試的180 h內，探測到微量的C4F7N泄漏；FKM對CO2具有輕微的泄漏，其泄漏量僅為EPDM和NBR對CO2泄漏量的1/40左右。

綜上所述，目前電力設備中所用較多的密封材料EPDM和NBR對C4F7N和CO2的氣密性均較差，而FKM對C4F7N和CO2的氣密性顯著優(yōu)于前2種橡膠材料。

2.2 FTIR分析

經過泄漏測試后的EPDM，NBR和FKM表面和截面的FTIR譜如圖3所示。

從圖3可以看出：經過C4F7N泄漏測試后，EPDM和NBR的表面和截面譜線上，在波數為 1 256和1 259 cm-1處分別出現1個小峰，這是C—F的不對稱伸縮振動峰[14-15]，說明C4F7N被吸附在橡膠材料之中；經過CO2泄漏測試后，EPDM和NBR的表面譜線在同一波數處出現了微弱的峰，這可能是因為C4F7N泄漏測試殘留的C4F7N所致，而EPDM和NBR的截面譜線無C—F的不對稱伸縮振動峰。

在FTIR譜線上，在波數為1 000～1 010 cm-1處為C—OH的特征吸收峰，這可能是橡膠材料的硫化劑過氧化物與橡膠發(fā)生交聯反應的產物[14]。從圖3可以看出，經過C4F7N泄漏測試之后，EPDM和NBR的表面和截面譜線出現明顯的C—OH特征吸收峰，特別是表面譜線的—OH特征吸收峰更為明顯，這可能是因為C4F7N中的—CN與—OH形成氫鍵，在C4F7N泄漏的過程中將含—OH的產物帶出，同時—OH的存在也進一步促進對C4F7N的吸附作用，這也是氣密性試驗中EPDM在約120 h后才出現明顯的C4F7N泄漏的原因。在NBR的表面和截面譜線上，在波數為1 537 cm-1處出現較強的吸收峰，這是橡膠助劑的C=N伸縮振動峰[16]，這說明氣體透過橡膠材料時，橡膠助劑出現滲出情況。

從圖3還可以看出，經過CO2泄漏測試后，FKM除表面譜線在波數為798 cm-1處出現1個明顯的吸收峰外，其他譜線的特征與測試前譜線沒有太大差別，表明FKM對C4F7N和CO2均具有較高的惰性及穩(wěn)定性。

2.3 比表面積和孔容

為進一步研究3種橡膠材料對C4F7N和CO2泄漏速率不同的內在機理，分別制備了尺寸為2～3 mm（見圖4）的橡膠材料顆粒進行N2等溫吸附脫附測試。

采用N2等溫吸附脫附法測試了橡膠材料顆粒的比表面積和孔容，結果如表1和圖5所示。

從表1和圖5可以看出：EPDM和NBR顆粒的累計孔容相等，為1.5 mm3·g-1，而FKM顆粒的累計孔容為0.4 mm3·g-1，較前2種橡膠材料顆粒的累計孔容大幅減??；EPDM顆粒的孔容微分最大值為0.180 0 mm3·（g·nm）-1，NBR顆粒的孔容微分最大值為0.085 0 mm3·（g·nm）-1，而FKM顆粒的孔容微分最大值為0.014 5mm3·（g·nm）-1，也比前兩種橡膠材料顆粒的孔容微分最大值大幅減??；EPDM，NBR和FKM顆粒的比表面積分別為4.72，1.58和0.30 m2·g-1，其中EPDM顆粒的比表面積最大，這與其孔容最大相一致，而NBR顆粒的比表面積次之，FKM顆粒的比表面積最小。

表1 3種橡膠材料顆粒的比表面積和孔容Tab.1 Specific surface areas and pore volumes of three rubber material particles

綜合得出，FKM較EPDM和NBR更為致密，這也是FKM的氣密性佳的原因。

3 結論

通過3種橡膠材料對C4F7N和CO2的氣密性測試結果，綜合FTIR分析及其比表面積和孔容數據得出，FKM對C4F7N和CO2均具有較高的惰性和穩(wěn)定性以及具有致密的微觀結構、較小的比表面積，其氣密性顯著優(yōu)于EPDM和NBR，更適合作為密封材料用于使用C4F7N和CO2作為絕緣氣體的電力 設備。