留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

包覆聚四氟乙烯膜的氟橡胶O形密封圈耐介质性研究

李文静 孟江燕 王云英 郭纪璋

引用本文:
Citation:

包覆聚四氟乙烯膜的氟橡胶O形密封圈耐介质性研究

    通讯作者: 孟江燕; 
  • 中图分类号: TQ333.93

Study on Medium Resistance of F275 O-Ring Seal Coated with PTFE Film

    Corresponding author: Jiang-yan MENG
  • CLC number: TQ333.93

  • 摘要: 按照中航工业标准制备了包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈,对其进行了高温下的耐航空煤油、航空润滑油和常温的酸性、碱性介质试验,并测试了试验不同时间的密封圈质量、尺寸、硬度和拉伸性能等,还采用SEM观察了密封圈的拉伸断口。结果显示:在短期试验时间内4种介质对密封圈的物理力学性能影响不显著,其中硬度的最大降低幅度仅为5%,影响规律从大到小的顺序是航空煤油、航空润滑油、酸性、碱性。研究表明:包覆PTFE塑料膜可以明显改善氟橡胶O形密封圈的耐介质性能,该研究结果可为橡胶密封件的选材提供依据。
  • 图 1  钠−萘溶液处理PTFE薄膜前后的接触角

    图 2  试样的质量变化率与在不同介质中试验时间的关系

    图 3  试样外圆尺寸与不同油介质试验时间之间的关系

    图 4  试样外圆尺寸与酸碱介质试验时间之间的关系

    图 5  试样的硬度与在不同油介质中试验时间的关系

    图 6  试样的硬度与在酸碱介质中试验时间的关系

    图 7  试样的拉伸强度与在不同介质中试验时间的关系

    图 8  试样的扯断伸长率与在不同介质中试验时间的关系

    图 9  在不同介质中试验后试样的伸断口微观形貌图

  • [1] Kashi S,Varley R,De Souza M,et al. Mechanical,thermal,and morphological behavior of silicone rubber during accelerated aging [J]. Poly-mer-Plastics Technology and Engineering,2018:1–10. doi: 10.1080/03602559
    [2] 姜滢,台立民. 氟弹性体的分类及主要应用[J]. 辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2008,27(1):230–232.
    [3] 张幼安. 机械密封中的O形密封圈设计研究[J]. 电子机械工程,2018,34(3):27–30.
    [4] 段密克,王科社,黄喜淦,等. O形圈配合挡圈动密封的有限元分析[J]. 北京信息科技大学学报:自然科学版,2018,33(2):82–85.
    [5] Pinedo B,Hadfield M,Tzanakis I,et al. Thermal analysis and tribological investigation on TPU and NBR elastomers applied to sealing ap-plications [J]. Tribology International,2018,127:24–36. doi: 10.1016/j.triboint.2018.05.032
    [6] Brown R P. Natural ageing of rubber:changes in physical properties over 40 years [J]. Aircraft Engineering & Aerospace Technolo-gy,2000,73(2):1–10.
    [7] Kömmling A,Jaunich M,Wolff D. Effects of heterogeneous aging in compressed HNBR and EPDM O-ring seals [J]. Polymer Degradation and Stability,2016,126:39–46. doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2016.01.012
    [8] 周少鹏,尹开吉,唐红金,等. 润滑油与橡胶相容性的研究现状[J]. 润滑油,2018,33(1):1–11.
    [9] 史艳梅,邢彬,马羽飞,等. 一种耐高温润滑油与橡胶的相容性考察[J]. 橡塑技术与装备,2016(18):52–54.
    [10] 王荣华,李晖,刘亚平,等. 特种氟硅橡胶耐介质老化行为规律研究[J]. 材料导报,2014,28(4):99–102.
    [11] 冯栋梁,赵宁,常丰,等. 氟橡胶密封圈与液压油的相容性试验研究[J]. 润滑与密封,2018,43(5):117–120.
    [12] K mmling,An ja,Jaunich,et al. Influence of ageing on sealability of elastomeric O-Rings [J]. Macromolecular Symposia,2017,373(1):1–10.
    [13] 陈芳芳. 覆膜氟橡胶的制备及其耐高温介质性研究[D]. 南昌:南昌航空大学,2018.
    [14] 王恩祥,王正才. 对聚四氟乙烯改性技术的探究[J]. 建筑工程技术与设计,2017(10):944–944.
    [15] Badey J P,Espuche E,Jugnet Y,et al. Influence of chemical and plasma treatments on the adhesive properties of PTFE with an epoxy resin [J]. International Journal of Adhesion & Adhesives,1996,16(3):173–178.
    [16] 秦岩,贾金荣,黄志雄. 钠-萘化学处理与低温射频等离子体处理PTFE [J]. 工程塑料应用,2011,39(7):4–7. doi: 10.3969/j.issn.1001-3539.2011.07.001
    [17] 陈玉如. F275氟橡胶耐介质性试验研究[D]. 南昌:南昌航空大学,2015.
    [18] Zhao J,Yang R. Investigation of crosslinking in the thermooxidative aging of nitrile-butadiene rubber [J]. Journal of Applied Polymer Sci-ence,2015,132(3):41319–41323.
    [19] 王云英,孙旭,范金娟,等. 密封级氟橡胶在两种航空油液中耐150 ℃高温试验研究[J]. 失效分析与预防,2015,10(4):212–216. doi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2015.04.004
    [20] 王占彬,肖淑华,范金娟,等. 丁腈橡胶密封圈液压油中的老化机理[J]. 宇航材料工艺,2014,44(4):64–67. doi: 10.3969/j.issn.1007-2330.2014.04.013
  • [1] 陈玉如王云英孙旭王运平 . 航空密封级氟橡胶耐热氧环境行为试验研究. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2015, 29(3): 52-56. doi: 10.3969/j.issn.1001-4926.2015.03.010
    [2] 华河林符才杰李娜吴雄 . 季铵化聚偏氟乙烯共混膜的制备与抗菌性研究. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2013, 27(4): 84-89. doi: 10.3969/j.issn.1001-4926.2013.12.015
    [3] 李娜韩燕全华河林魏立安 . 聚偏氟乙烯/亲水性高聚物共混相容性及膜性能. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2009, 23(2): 1-4,20.
    [4] 毛定宣晏应秋梁红波熊磊黄圣梅 . 改性聚氨酯乳液及其耐介质、防腐行为研究. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2019, 33(1): 59-65. doi: 10.3969/j.issn.1001-4926.2019.01.010
    [5] 冯占荣魏莙郭正华姚昆鹏 . 高压硬密封固定球球阀密封性分析与优化. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2017, 31(1): 61-67,108. doi: 10.3969/j.issn.1001-4926.2017.01.010
    [6] 邱根胜雒志鹏吴露 . 一类(F, α, ρ, d)-凸多目标半无限分式规划的最优性充分条件. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2008, 22(3): 41-45.
    [7] 孟江燕陈芳芳何金晶孙旭 . 覆膜丁腈橡胶的耐高温润滑油特性研究. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2016, 30(3): 53-58,85. doi: 10.3969/j.issn.1001-4926.2016.03.011
    [8] 薛名山姚瑶欧军飞王法军李长全李文 . Cu2O改性ZnO纳米阵列表面的润湿性与紫外响应行为研究. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2017, 31(1): 1-6. doi: 10.3969/j.issn.1001-4926.2017.01.001
    [9] 肖慧萍 . 尼龙-6/聚苯乙烯体系复合材料的选择性激光烧结. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2008, 22(3): 85-89.
    [10] 张炜频李娜张钧超韩燕全华河林 . 聚乙二醇对聚偏氟乙烯/亲水性高聚物性能影响. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2010, 24(1): 25-29.
    [11] 章志友赵晴陈宁 . MB8镁合金微弧氧化膜层耐蚀性研究. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2007, 21(2): 34-37.
    [12] 唐星华张小敏周爱玲 . 三乙烯四胺交联壳聚糖的合成及其结构表征. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2007, 21(2): 26-29.
    [13] 余学进彭迎风 . 自动生成有限元四边形网格的铺筑法. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2003, 17(4): 24-26,35.
    [14] 杜楠庞宇梁红波熊磊李新义王洛阳 . 纳米TiO2/聚氨酯复合涂层的制备及其耐盐水浸泡性能. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2009, 23(4): 53-58.
    [15] 陈稗昂海松 . F/A-18F舰载飞机起降特性分析. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2011, 25(3): 66-74.
    [16] 黎军顽江五贵汤井伦赵晟 . 基于准连续介质力学法预测单晶铜的纳米硬度. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2006, 20(4): 38-42,47.
    [17] 甘月红徐新河 . 基于传输线和网络理论的介质本构参数提取方法. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2012, 26(2): 50-54,59.
    [18] 余欢曹达富方立高林再学 . 铝液在多孔介质中流动的水力模拟测试. 南昌航空大学学报(自然科学版), 1998, 12(3): 36-42.
    [19] 余欢 . 铝液在多孔介质中渗流时气体反压力模型的研究. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2000, 14(3): 10-12.
    [20] 王云英张建明孟江燕 . 聚硫密封胶与氟硅密封胶人工加速老化研究. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2010, 24(2): 46-49.
  • 加载中
图(9)
计量
  • 文章访问数:  46
  • HTML全文浏览量:  58
  • PDF下载量:  3
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-02
  • 录用日期:  2019-07-25
  • 刊出日期:  2019-09-01

包覆聚四氟乙烯膜的氟橡胶O形密封圈耐介质性研究

    通讯作者: 孟江燕; 
  • 南昌航空大学 材料科学与工程学院,南昌 330063

摘要: 按照中航工业标准制备了包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈,对其进行了高温下的耐航空煤油、航空润滑油和常温的酸性、碱性介质试验,并测试了试验不同时间的密封圈质量、尺寸、硬度和拉伸性能等,还采用SEM观察了密封圈的拉伸断口。结果显示:在短期试验时间内4种介质对密封圈的物理力学性能影响不显著,其中硬度的最大降低幅度仅为5%,影响规律从大到小的顺序是航空煤油、航空润滑油、酸性、碱性。研究表明:包覆PTFE塑料膜可以明显改善氟橡胶O形密封圈的耐介质性能,该研究结果可为橡胶密封件的选材提供依据。

English Abstract

    • 含氟弹性体是氟原子取代碳主链高分子上氢原子的一种橡胶品种,它由彼此交联的长链聚合物组成。氟橡胶具有优异的耐热性、抗氧化性、耐溶剂性、良好的拉伸性能及压缩永久变形性能[1-2]。氟橡胶O形密封圈由于其结构简单、制造成本低、密封性能良好,被广泛应用于苛刻的环境[3-5]。氟橡胶密封圈老化会逐渐失去弹性和恢复能力[6-7],可能就酿成较大的事故,造成经济损失[8-9],因此,特种氟橡胶(F275)密封圈耐介质性及其改进方法研究具有非常重要的意义。王荣华等[10]研究发现特种氟硅橡胶耐RP-3航空煤油老化初期主要为物理老化,中后期主要为化学老化。冯栋梁等[11]研究表明氟橡胶密封圈在液压油中体积变化率为负值。Kmmling等[12]研究表明氟橡胶具有优异的抗老化性能。陈芳芳[13]制备了包覆PTFE膜的氟橡胶标准试样,并进行了耐介质性试验发现,包覆PTFE膜的氟橡胶比未包覆的耐介质性更好。上述研究主要针对单一介质密封件或密封材料展开的,对橡胶密封件长时间耐高温航空煤油、航空润滑油,常温酸性和碱性等介质的系统试验研究还很少报道。

      因此本研究首先采用钠-萘溶液对PTFE薄膜进行表面处理,增大PTFE的表面能从而改善其粘接性,再按《包覆氟塑料橡胶密封圈成型工艺》(HB/Z71—1983)制备包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈;在150 ℃的润滑油和航空煤油、室温酸碱等环境下进行耐介质性能试验,以探索包覆PTFE膜的O形密封圈的耐介质性,以期为选材提供试验研究数据。

    • 将20 mm × 20 mm × 0.1 mm的非定向PTFE膜的待粘接面采用钠−萘溶液处理大约1 min后用水清洗干净,室温静置于25 ℃烘箱中3 h使其表面干燥,采用JC20001C型接触角/界面张力测量仪测量静态水接触角。

    • 1)涂胶。

      用不掉毛的毛刷把chemlok 607胶黏剂(chemlok 607与无水乙醇的体积比为2∶1)均匀地涂覆在PTFE膜的待粘接面上。每涂覆一次晾置18 min左右,待粘接面的胶液干燥后涂覆下一层,涂覆3~4次。

      2)O形密封圈的制备。

      按照HB/Z 71—1983的工艺,将尺寸为20 mm × 20 mm × 2 mm的F275氟橡胶混炼胶胶条、PTFE膜,按顺序放入成型模具中,在温度为160 ℃、1~2 MPa压力下硫化10 min,得到O形密封圈试样,共制备了180个合格试样。

    • 1)150 ℃下的RP-3、HP-8B介质试验。

      按HB 5236—1983《橡胶O形圈耐油试验方法》,将试样悬挂在盛有150 ℃下的航空煤油(RP-3)、航空润滑油(HP-8B)介质的密封罐,取样周期为0、7、14、20、25、30、35、40、45、50 d。

      2)常温酸性、碱性介质。

      根据GB/T 1690—2010《硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法》,进行酸、碱介质试验,将试样置于(25 ± 1) ℃下20%的HCl溶液、20%的NaOH溶液中,取样周期为0、7、14、20、25、30、35、40 d。(注:每隔15 d重新配制HCl溶液、NaOH溶液)。

    • 采用高分辨率NOVA NANOSEM 450型场发射扫描电镜对耐介质前和耐不同介质试验后试样的拉伸断口微观形貌进行观察。

    • PTFE薄膜经钠−萘溶液处理前后的接触角如图1所示,处理前为89.1°,处理后为45.5°。处理后亲水性明显提高,说明处理后表面张力降低了。这是因为钠的最外层电子容易与萘形成负离子自由基,再与钠形成离子对,生成活性极高、易被水解、氧化的加成化合物,加成化合物易被CO2羧化成羧酸盐,产生—OH、—COOH、—C=C—等极性基团,使PTFE表面能增大、接触角变小,提高了PTFE薄膜的亲水性[14-16]

      图  1  钠−萘溶液处理PTFE薄膜前后的接触角

    • 1)质量。

      包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈,在不同介质中质量与试验时间的关系如图2所示。在RP-3介质中质量显示增重趋势,50 d时大约为7%;在HP-8B介质中质量变化率随试验时间增加,50 d时约为4%。而在酸碱介质中,质量变化率在40 d时出现了负值,说明出现了质量损失。这说明,F275氟橡胶的耐酸碱性能要低于耐油介质的性能。

      图  2  试样的质量变化率与在不同介质中试验时间的关系

      2)尺寸。

      包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈,在HP-8B和RP-3油介质中质量与试验时间的关系如图3所示、在酸碱介质中质量与试验时间的关系如图4所示。在油介质中,内径减少、外径增大;在酸碱介质中,内径和外径都减少。

      图  3  试样外圆尺寸与不同油介质试验时间之间的关系

      图  4  试样外圆尺寸与酸碱介质试验时间之间的关系

      从质量变化和尺寸变化中可以看出,在高温下橡胶大分子链活性增加,橡胶的自由体积增大,同时油分子中成分渗入了密封圈未包覆的橡胶面中,因而出现了在燃油和润滑油质量增加、体积胀大的现象。同时,在RP-3油介质增大的情况比HP-8B要大。这是由于RP-3的组份为不同馏分的烃类化合物(链烷烃、环烷烃、芳香烃)及添加剂,而HP-8B是以聚烯烃加抗氧化剂调和而成的,具有较好的粘温性能。酸性介质对试样的影响大于碱性介质的原因是F275氟橡胶中的配合剂中含有的碱性Ca(OH)2成分[17]。但是,从总体变化的数据上来看,质量和尺寸变化都很小,说明F275氟橡胶具有很好的耐介质性。此外,参考文献[15]本课题组前期对氟橡胶平板试样耐高温航空油介质性研究结果,表明覆膜氟橡胶的质量、尺寸变化幅度较小,因此包覆PTFE膜能有效保护氟橡胶密封圈。

    • 包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈,在HP-8B、RP-3油介质中邵氏硬度与试验时间的关系如图5所示、在酸碱介质中邵氏硬度与试验时间的关系如图6所示。

      图  5  试样的硬度与在不同油介质中试验时间的关系

      图  6  试样的硬度与在酸碱介质中试验时间的关系

      图5可知,在油介质中氟橡胶表面的邵氏硬度增加。这是因为氟橡胶可能发生交联,无机填料、增塑剂等助剂被分解或析出,使得硬度增大;而受PTFE薄膜保护的表面,PTFE有效的阻止了油介质的渗入,硬度基本保持不变。由图6可知,在酸性介质中氟橡胶的邵氏硬度基本不变,在碱性介质中略微下降。这是因为在酸性介质中溶解了氟橡胶中的碱性成分[17],使得硬度增加;而受PTFE薄膜保护的表面,PTFE有效地阻隔了酸碱的作用,硬度基本保持不变。

    • 包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈,在RP-3和HP-8B介质中拉伸强度随时间的变化率情况如图7a所示。由图7a可知,在RP-3介质中50 d后,拉伸强度从8.58 MPa下降为6.23 MPa、在HP-8B介质中下降为6.73 MPa。这是因为RP-3组分为多种链烃、环烃和芳香族化合物,而HP-8B组分主要为聚α-烯烃,两者相比RP-3的溶剂作用更强[18-19]。在酸碱介质中拉伸强度随时间的变化率情况如图7b所示。由图7b可知,在酸性介质40 d后,拉伸强度从9.58 MPa下降为7.84 MPa、在碱性介质中下降为6.80 MPa。

      图  7  试样的拉伸强度与在不同介质中试验时间的关系

    • 包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈,在不同介质中扯断伸长率随时间的变化率情况如图8所示。从图中可以看出扯断伸长率都出现了下降的现象,出现该现象的原因除了高温和介质分子渗入和酸碱腐蚀之外,其他机理有待进一步探讨。

      图  8  试样的扯断伸长率与在不同介质中试验时间的关系

    • 包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈在不同油介质中老化0、50 d和在酸碱介质中浸泡40 d后的拉伸断口形貌如图9所示。可知,0 d包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈断口呈波浪式,试验50 d后断口表面形貌趋于平滑,氟橡胶脆性增加,说明在不同油介质中高温老化过程中在应力下发生取向以及高温下橡胶过度交联引起橡胶脆化,对比图9b图9c,可知在润滑油添加物析出量更多,因为老化过程中橡胶脆化,添加剂颗粒容易脱落出来,其次在热油作用下材料分子链段运动加快,部分添加剂成分溶于油中,在原来的位置形成孔洞[20],也会造成扯断伸长率等降低。从图9d图9e可知,试样在酸碱介质中试验40 d后,出现孔洞,且可看出在碱性中析出物较多,因此碱性介质对氟橡胶密封圈影响较大。

      图  9  在不同介质中试验后试样的伸断口微观形貌图

    • 通过对包覆PTFE膜的F275氟橡胶O形密封圈试样在不同介质中性能变化的研究试验,得到以下结论:

      1) 在油介质中,试样质量增加,体积增大,拉伸强度和断裂伸长率均降低,邵氏硬度变化较小。

      2) 在酸碱介质中,试样的质量均减少,体积收缩,拉伸强度和断裂伸长率均降低,邵氏硬度在酸性介质中无变化,在碱性介质中显著下降。

      3) 介质对试样性能的综合影响从大到小依次为RP-3、HP-8B、碱、酸。

      4) 包覆PTFE薄膜后会明显提高F275橡胶O型圈的耐介质性能。

参考文献 (20)

目录

    /

    返回文章
    返回