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氟橡膠的密封性能
氟橡膠的密封性能
【摘 要】氟橡膠的耐寒性能較差，國內(nèi)外一直在改進氟橡膠低溫性能方面進行了大量工作。
美國杜邦公司已開發(fā)Viton GL T、Viton ECD -487等，可適應(yīng)-54℃下的密封。
特定的超低溫下的密封，有時也用氟橡膠。
【關(guān)鍵詞】氟橡膠;O形圈;低溫：壓縮率：密封性能
眾所周知，絕大部分的含氟聚合物均可在200℃以上使用。
這是因為在氟高分子材料中，氟碳健十分堅固，氟包圍在碳外面形成強有力的保護層，使它不被高溫、油和化學(xué)藥劑及氧的破壞和侵襲。
因此，它具備極高的穩(wěn)定性。
事實上，以往發(fā)表的大量資料都涉及氟橡膠的耐高溫、耐油、耐化學(xué)腐蝕、耐氧化等方面的性能，極少涉及到氟橡膠在低溫下的性能特點。
本文主要以氟橡膠中量大面廣的維通型氟橡膠(相當(dāng)于國產(chǎn)氟橡膠2-41和246)的低溫性能作為討論對象，使它更好地應(yīng)用于低溫工程的密封上，以求拓寬其應(yīng)用溫度范圍，做到物盡其用。
從表面上看，氟橡膠在-20℃左右就失去橡膠的高彈性，它在動態(tài)下的使用溫度極限為-29℃，在-32℃左右就變硬發(fā)脆。
這一點，只能從高分子化學(xué)觀念去理解它：碳鍵化合物中的氫原子被氟原子取代之后，碳—碳鍵的旋轉(zhuǎn)勢壘增高了，分子鍵引起相應(yīng)的變化，比原來要僵硬些。
因此，它的耐低溫的性能也相應(yīng)降低了。
橡膠的玻璃化溫度和脆性溫度是橡膠耐塞性能中的兩個概念。
以下簡要介紹氟橡膠的具體情況。
(1)維通型氟橡膠的玻璃化溫度，是指氟橡膠由玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度。
當(dāng)溫度低于氟橡膠的玻璃化溫度時，氟橡膠不能呈現(xiàn)高彈性，而表現(xiàn)為堅硬玻璃狀物。
VitonA(相當(dāng)于國產(chǎn)氟橡膠26-41)的玻璃化溫度為-20℃，Viton B(相當(dāng)于國產(chǎn)氟橡膠246)是0℃。
(2)維通型氟橡膠的脆性溫度是指在一定條件下，試樣在低溫下受沖擊產(chǎn)生破壞時的最高溫度。
它是橡膠的特性溫度，但不能代表橡膠及其制品的工作溫度下限。
利用脆性溫度，可以比較不同橡膠材料或不同配方的低溫性能的優(yōu)劣。
國產(chǎn)氟橡膠26-41的脆性溫度為- 32℃左右(此數(shù)據(jù)是在2mm厚的試樣中得出的數(shù)據(jù))。
橡膠的脆性溫度與試樣的厚度關(guān)系很大，不同厚度下氟橡膠試樣的脆性溫度也不同。
試樣厚度/ mm 脆性溫度/ ℃
2.0 - 32
1.87 - 45
0.63 - 53
0.25 - 69
由此可見，同一種配方的氟橡膠，其試樣越薄，則對低溫性能的抗耐能力越高。
特別在一些自動化儀表或裝置上的敏感橡膠控制元件(如氟橡膠膜片，它的厚度為0.1～0.5mm)，可以在-50℃下得到良好的使用效果;用氟橡膠包復(fù)的電線，在-60℃下彎曲仍不開裂。
這里應(yīng)該指明的是：用加入增塑劑來改善氟橡膠的低溫性能是不合適的。
它僅僅是改善了混煉工藝，減少了耗電量。
關(guān)于氟橡膠低溫性能的改進：自從美國杜邦公司開發(fā)了維通型氟橡膠以來美國空軍致力尋找可以在-54℃～+240工作的密封材料，以求解決高寒地區(qū)施工機械(美國阿拉斯加油田的開發(fā)和原蘇聯(lián)第二條西伯利亞鐵路的施工，它的現(xiàn)場施工機械要求其密封件長期在-48 ℃～-53℃正常工作)的密封問題。
另外，航空與航天工作裝備更需要耐寒性能好的氟橡膠。
因此，美國杜邦公司和3M公司進行了大量的耐低溫氟橡膠的研究工作。
到1978年，新投產(chǎn)的VitonGLT，其動態(tài)使用最低溫度為-46℃，而Viton ECD-487則滿足航空密封劑-54℃的要求。
在使用氟橡膠油封上，曾經(jīng)有人擔(dān)心低溫下不能密封的問題(因為它在-20℃就變硬了)實際上，氟橡膠油封在-57℃下的低溫試驗中，并未發(fā)現(xiàn)破壞和過分磨損。
因此，它在低溫下使用是沒有問題的。
在特定條件下的超低溫密封，也可以通過氟橡膠去解決。
下面介紹有關(guān)這方面的試驗和應(yīng)用例子。
氟橡膠用于壓縮型密封中，超低溫的密封與采用的壓縮率是緊緊相聯(lián)的。
有人做過這樣的試驗：采用Viton A加工的O形圈，當(dāng)壓縮率為42 %時，在-41℃下就不能密封;而當(dāng)壓縮率增加到63%時，則在-133℃也能密封;當(dāng)壓縮率增加到70%時，即使有振動，在-197℃下，也可保持密封。
應(yīng)該注意的是：當(dāng)壓縮率大于65%時，夾具的設(shè)計十分重要。
O形圈被擠進到配合面之間的0.05mm間隙內(nèi)，表面看似乎與密封能力無關(guān)，在-197℃下，壓縮率大于65%時，多數(shù)O形圈擠出而破壞。
這個問題，應(yīng)該從密封溝槽的設(shè)計來加以彌補。
(1)KH-1熱釋電儀的密封：該儀器是80年代中國科學(xué)院的新產(chǎn)品。
主要是解決國內(nèi)各高等院校的研究儀器，我們?yōu)槠渑溆梅鹉zO 形圈，其工作溫度為-150℃～+250℃，經(jīng)每次使用，密封良好。
(2)S-1型液氮輸送器是北京儀器廠設(shè)計的。
它是解決液氮從杜瓦瓶甘低溫容器輸入到低溫設(shè)備(如冷阱)的儀器。
該儀器的所有低溫密封均采用氟橡膠O形圈，經(jīng)多次使用，安全可靠，低溫密封良好。
(3)周長半英里的大型粒子加速器的真空室密封，是采用維通型氟橡膠材料，可以達-5到10帕的真空度。
它還成功用于-253℃、70大氣壓的氦容器的密封。
(4)在靜態(tài)無沖擊的條件下，維通氟橡膠O形圈可以在-240℃下使用。
(5)美國杜邦公司的彈性體手冊介紹：Viton A用于靜密封時，即使在-273℃下也可滿足要求”。
總之，氟橡膠由于受到分子結(jié)構(gòu)的限制，它的低溫性能不太好。
在低溫動態(tài)密封中，應(yīng)盡量利用它具有高彈性的溫度區(qū)段進行使用;在靜態(tài)密封中，只要無沖擊，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，氟橡膠可以解決-273℃的密封因此，正確使用氟橡膠，可以在低溫工程的密封上，發(fā)揮更大的作用。
參考文獻
[1]蔡樹銘.氟橡膠的性能和加工要點.化工新型材料，2005，26(12)：14
[2]朱敏.橡膠化學(xué)與物理.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.71
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