氟橡胶的密封性能
氟橡胶的密封性能
【摘 要】氟橡胶的耐寒性能较差，国内外一直在改进氟橡胶低温性能方面进行了大量工作。
美国杜邦公司已开发Viton GL T、Viton ECD -487等，可适应-54℃下的密封。
特定的超低温下的密封，有时也用氟橡胶。
【关键词】氟橡胶;O形圈;低温：压缩率：密封性能
众所周知，绝大部分的含氟聚合物均可在200℃以上使用。
这是因为在氟高分子材料中，氟碳健十分坚固，氟包围在碳外面形成强有力的保护层，使它不被高温、油和化学药剂及氧的破坏和侵袭。
因此，它具备极高的稳定性。
事实上，以往发表的大量资料都涉及氟橡胶的耐高温、耐油、耐化学腐蚀、耐氧化等方面的性能，极少涉及到氟橡胶在低温下的性能特点。
本文主要以氟橡胶中量大面广的维通型氟橡胶(相当于国产氟橡胶2-41和246)的低温性能作为讨论对象，使它更好地应用于低温工程的密封上，以求拓宽其应用温度范围，做到物尽其用。
从表面上看，氟橡胶在-20℃左右就失去橡胶的高弹性，它在动态下的使用温度极限为-29℃，在-32℃左右就变硬发脆。
这一点，只能从高分子化学观念去理解它：碳键化合物中的氢原子被氟原子取代之后，碳—碳键的旋转势垒增高了，分子键引起相应的变化，比原来要僵硬些。
因此，它的耐低温的性能也相应降低了。
橡胶的玻璃化温度和脆性温度是橡胶耐塞性能中的两个概念。
以下简要介绍氟橡胶的具体情况。
(1)维通型氟橡胶的玻璃化温度，是指氟橡胶由玻璃态向高弹态转变的温度。
当温度低于氟橡胶的玻璃化温度时，氟橡胶不能呈现高弹性，而表现为坚硬玻璃状物。
VitonA(相当于国产氟橡胶26-41)的玻璃化温度为-20℃，Viton B(相当于国产氟橡胶246)是0℃。
(2)维通型氟橡胶的脆性温度是指在一定条件下，试样在低温下受冲击产生破坏时的最高温度。
它是橡胶的特性温度，但不能代表橡胶及其制品的工作温度下限。
利用脆性温度，可以比较不同橡胶材料或不同配方的低温性能的优劣。
国产氟橡胶26-41的脆性温度为- 32℃左右(此数据是在2mm厚的试样中得出的数据)。
橡胶的脆性温度与试样的`厚度关系很大，不同厚度下氟橡胶试样的脆性温度也不同。
试样厚度/ mm 脆性温度/ ℃
2.0 - 32
1.87 - 45
0.63 - 53
0.25 - 69
由此可见，同一种配方的氟橡胶，其试样越薄，则对低温性能的抗耐能力越高。
特别在一些自动化仪表或装置上的敏感橡胶控制元件(如氟橡胶膜片，它的厚度为0.1～0.5mm)，可以在-50℃下得到良好的使用效果;用氟橡胶包复的电线，在-60℃下弯曲仍不开裂。
这里应该指明的是：用加入增塑剂来改善氟橡胶的低温性能是不合适的。
它仅仅是改善了混炼工艺，减少了耗电量。
关于氟橡胶低温性能的改进：自从美国杜邦公司开发了维通型氟橡胶以来美国空军致力寻找可以在-54℃～+240工作的密封材料，以求解决高寒地区施工机械(美国阿拉斯加油田的开发和原苏联第二条西伯利亚铁路的施工，它的现场施工机械要求其密封件长期在-48 ℃～-53℃正常工作)的密封问题。
另外，航空与航天工作装备更需要耐寒性能好的氟橡胶。
因此，美国杜邦公司和3M公司进行了大量的耐低温氟橡胶的研究工作。
到1978年，新投产的VitonGLT，其动态使用最低温度为-46℃，而Viton ECD-487则满足航空密封剂-54℃的要求。
在使用氟橡胶油封上，曾经有人担心低温下不能密封的问题(因为它在-20℃就变硬了)实际上，氟橡胶油封在-57℃下的低温试验中，并未发现破坏和过分磨损。
因此，它在低温下使用是没有问题的。
在特定条件下的超低温密封，也可以通过氟橡胶去解决。
下面介绍有关这方面的试验和应用例子。
氟橡胶用于压缩型密封中，超低温的密封与采用的压缩率是紧紧相联的。
有人做过这样的试验：采用Viton A加工的O形圈，当压缩率为42 %时，在-41℃下就不能密封;而当压缩率增加到63%时，则在-133℃也能密封;当压缩率增加到70%时，即使有振动，在-197℃下，也可保持密封。
应该注意的是：当压缩率大于65%时，夹具的设计十分重要。
O形圈被挤进到配合面之间的0.05mm间隙内，表面看似乎与密封能力无关，在-197℃下，压缩率大于65%时，多数O形圈挤出而破坏。
这个问题，应该从密封沟槽的设计来加以弥补。
(1)KH-1热释电仪的密封：该仪器是80年代中国科学院的新产品。
主要是解决国内各高等院校的研究仪器，我们为其配用氟橡胶O 形圈，其工作温度为-150℃～+250℃，经每次使用，密封良好。
(2)S-1型液氮输送器是北京仪器厂设计的。
它是解决液氮从杜瓦瓶甘低温容器输入到低温设备(如冷阱)的仪器。
该仪器的所有低温密封均采用氟橡胶O形圈，经多次使用，安全可靠，低温密封良好。
(3)周长半英里的大型粒子加速器的真空室密封，是采用维通型氟橡胶材料，可以达-5到10帕的真空度。
它还成功用于-253℃、70大气压的氦容器的密封。
(4)在静态无冲击的条件下，维通氟橡胶O形圈可以在-240℃下使用。
(5)美国杜邦公司的弹性体手册介绍：Viton A用于静密封时，即使在-273℃下也可满足要求”。
总之，氟橡胶由于受到分子结构的限制，它的低温性能不太好。
在低温动态密封中，应尽量利用它具有高弹性的温度区段进行使用;在静态密封中，只要无冲击，采用合理的结构设计，氟橡胶可以解决-273℃的密封因此，正确使用氟橡胶，可以在低温工程的密封上，发挥更大的作用。
参考文献
[1]蔡树铭.氟橡胶的性能和加工要点.化工新型材料，2005，26(12)：14
[2]朱敏.橡胶化学与物理.北京：化学工业出版社，2007.71
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