基于特种橡胶密封材料制备及性能探究

基于特种橡胶密封材料制备及性能探究

郭晨晨 1 李青青 2 韩加凯 3

1.身份证号码： 372901199207118711 2.身份证号码： 341021199304299745 3.身份证号码： 371428199311161017

摘要：文章通过机械共混法制备宽温域氟硅橡胶，研究均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比对胶料物理性能、耐15#航空液压油性能及耐低温性能的影响。实验结果表明胶料硬度会随着改性共聚氟硅橡胶用量增大而降低，拉伸强度变化较小，拉断伸长率和拉断永久变形逐渐增大但增幅不大，耐15#航空液压油性能有所降低，耐低温性能明显提高；当均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比为50/50时，胶料的脆性温度达到－64.6℃，在－50，－55，－60℃下的压缩耐寒系数分别达到0.51，0.44，0.39；当均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比为70/30时，胶料的耐低温、耐15#航空液压油综合性能最佳，动密封圈在10个循环周期的台架试验中未出现泄漏、损伤和永久变形现象，在－60～150℃宽温域、15#航空液压油环境中具有良好的密封性能。

关键词：均聚氟硅橡胶；改性共聚氟硅橡胶；密封；耐油性能；耐低温性能

0引言

液压作动器是飞机起落架控制系统的重要组成部分，其功能和性能是决定飞机起飞、着陆正常工作的关键影响因素。近年来，随着航空工业的发展，对液压作动器的密封性要求不断提高，其使用工况更加严苛，主要表现为多种极端环境，如－60℃极低温至150℃极高温的宽温域环境，密封压力达到28MPa以上，维护周期延长，可靠性要求高^[1]。目前用于液压作动器密封件的橡胶材料主要为丁腈橡胶（NBR）。NBR密封圈在135℃下长期工作时会快速老化，同时受热膨胀也会导致密封圈压缩量增大，进而使永久变形增大。在－55℃低温条件下，橡胶材料的低温结晶使橡胶分子链的柔顺性下降，弹性变差，导致密封的可靠性降低，因此在实际使用中不断出现由于液压作动器密封失效而导致漏油的情况^[2]。

氟硅橡胶具有比NBR更优良的耐油性能，并且其有效工作温度范围可达－65～200℃，较NBR的－50～120℃具有更好的高、低温适应性。氟硅橡胶在－55℃条件下的压缩弹性是普通NBR的5～10倍，可提供良好的低温密封性能。

本工作采用均聚氟硅橡胶和改性共聚氟硅橡胶，通过机械共混法制备宽温域氟硅橡胶，研究均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比对胶料物理性能、耐15#航空液压油性能及耐低温性能的影响，并通过典型密封台架试验验证氟硅橡胶密封圈在－60～150℃温度范围内、15#航空液压油环境中的密封可靠性。

1实验

1.1原材料

均聚氟硅橡胶和改性共聚氟硅橡胶，华东理工大学产品；气相法白炭黑，德国赢创德固赛公司产品；羟基氟硅油，浙江新安化工集团股份有限公司产品；三氧化二铁，上海一品颜料公司产品；氧化铈，上海品盛化工有限公司产品；硫化剂双25，诺力昂化学品有限公司产品。

1.2配方

均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶变量，气相法白炭黑10，羟基氟硅油2，三氧化二铁3，氧化铈2，硫化剂双250.8。

1.3主要设备和仪器

JTC-752型开炼机，广东省湛江机械厂产品；XLB-D型平板硫化机，上海橡胶机械一厂有限公司产品；XHS型邵氏硬度计，营口市材料试验机厂产品；DXLL-2500型电子拉力机，深圳市新三思材料检测有限公司产品；402型热老化试验箱，上海第二五金厂产品；ZCY型低温测试仪，天津建仪试验机有限责任公司产品。

1.4试样制备

胶料混炼在开炼机上进行。混炼工艺为：将均聚氟硅橡胶和改性共聚氟硅橡胶包辊，混炼均匀后依次加入白炭黑、羟基氟硅油、三氧化二铁、氧化铈，左、右各割刀6次，混炼均匀后加入硫化剂双25，充分混炼，打卷5次，辊距调至3～4mm，下片。胶料分两段硫化，一段硫化在平板硫化机上进行，硫化条件为170℃/10MPa×10min；二段硫化在烘箱中进行，硫化条件为200℃×4h。

1.5性能测试

（1）压缩耐寒系数按照HG/T3866—2008《硫化橡胶压缩耐寒系数的测定》进行测试。

（2）其他各项性能均按照相应的国家标准进行测试。

2结果与讨论

2.1物理性能和耐油性能

通过对均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比对胶料物理性能及耐油性能的影响，发现随着改性共聚氟硅橡胶用量增大，胶料的硬度逐渐降低，拉伸强度变化很小，拉断伸长率和拉断永久变形逐渐增大但变化幅度不大；在120℃的15#航空液压油中浸泡72h后，胶料的硬度变化、拉伸强度变化率、拉断伸长率变化率和质量变化率大幅度增大，压缩永久变形增大但变化幅度不大。由于改性共聚氟硅橡胶是采用活性阴离子聚合，将物质的量相同的二甲基硅氧烷和γ－三氟丙基甲基硅氧烷与少量乙烯基硅氧烷共聚形成的嵌段共聚物，少量嵌段乙烯基硅氧烷的引入有利于提高均聚氟硅橡胶的耐低温性能，但是并用胶的耐油性能比均聚氟硅橡胶有所降低。

2.2耐低温性能

均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比对胶料脆性温度（多试样法）的影响如图1所示，对胶料低温回缩性能的影响如图2所示，其中T_R10和T_R70分别为10%和70%回缩率对应的温度。

图1均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比对胶料脆性温度的影响

图2均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比对胶料低温回缩性能的影响

从图1—2可以看出，随着改性共聚氟硅橡胶用量增大，胶料的脆性温度降低，低温压缩耐寒系数增大，T_R10和T_R70降低，说明橡胶材料在低温下的弹性提高。当均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比为50/50时，胶料的脆性温度达到－64.7℃，在－50，－55，－60℃下的压缩耐寒系数分别达到0.51，0.44，0.39，T_R10达到－65.2℃。这是由于改性共聚氟硅橡胶分子链中嵌入了乙烯基硅氧烷链节，其一方面破坏了均聚氟硅橡胶分子链段的规整性，打破结晶，降低了结晶温度；另一方面降低了橡胶分子链段的刚性，提高了橡胶分子链的柔顺性。这两方面作用使并用胶能在更低温度下保持弹性，从而有效提高耐低温性能。结合胶料的物理性能及耐油性能可知，当均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比为70/30时，胶料性能兼顾了耐低温性能和耐15#航空液压油性能，综合性能最佳。

2.3密封圈台架试验

采用均聚氟硅橡胶/共聚氟硅橡胶并用比为70/30的配方制备宽温域氟硅橡胶混炼胶，再加工成Φ53mm×2.65mm的动密封圈样件，进行台架试验，试验条件为在15#航空液压油介质中，打压21MPa，先进行150℃×72h热老化，再进行－60℃×4h环境试验，循环10次。

在整个试验过程中，密封圈在低、高温状态下均未出现泄漏现象，同时在环境试验后未发生损伤、永久变形现象，从而验证了均聚氟硅橡胶/共聚氟硅橡胶并用比为70/30的胶料在－60～150℃宽温域、15#航空液压油环境中的密封可靠性。

3结论

（1）以均聚氟硅橡胶为主体并用改性共聚氟硅橡胶，随着改性共聚氟硅橡胶用量增大，胶料的硬度逐渐降低，拉伸强度变化很小，拉断伸长率和拉断永久变形逐渐增大但变化幅度不大。

（2）均聚氟硅橡胶与改性共聚氟硅橡胶并用，胶料的耐15#航空液压油性能有所降低。

（3）均聚氟硅橡胶与改性共聚氟硅橡胶并用，能够明显降低胶料脆性温度、大幅度提高低温压缩耐寒系数和低温回缩性能。

（4）当均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比为70/30时，胶料的耐低温、耐15#航空液压油综合性能最佳。

（5）采用均聚氟硅橡胶/改性共聚氟硅橡胶并用比为70/30的胶料制备的动密封圈在10个循环周期的台架试验中具有在－60～150℃宽温域、15#航空液压油环境下的密封可靠性。

• 参考文献：

• [1]冯先敬.特种橡胶材料在汽车密封制品中的应用[J].橡塑技术与装备，2016，42(06):65-66.

• [2]陈巍.橡胶材料在航空发动机上的应用[J].特种橡胶制品，2014，35(04):74-76.

• [3]刘丽萍，冯志力，刘嘉.航空橡胶密封材料发展及应用[J].军民两用技术与产品，2013，(06):13-16.

• [4]萧楠.汽车用橡胶制品与材料生产现状及发展趋势（二）[J].橡胶科技市场，2004，2(23):1-4.