特种氟橡胶耐油介质老化性能研究

张录平， 李 晖， 庞明磊， 周 义

(中国兵器工业集团 第五三研究所，山东 济南250031)

特种氟橡胶耐油介质老化性能研究

张录平， 李 晖， 庞明磊， 周 义

(中国兵器工业集团 第五三研究所，山东 济南250031)

对特种氟橡胶在125℃、150℃、175℃三个温度点上耐15W/40CD柴油机油老化进行了试验研究。结果表明，氟橡胶在油介质中随着老化温度的升高和老化时间的延长，材料的拉伸强度和拉断伸长率降低，压缩永久变形、硬度和回弹性增大。当老化到一定时间后试样表面开始出现裂纹，而且裂纹的数量和宽度随老化时间的延长而逐渐增加;氟橡胶在15W/40CD柴油机油中有很好的质量稳定性和尺寸稳定性。

氟橡胶;耐油介质;老化;性能

氟橡胶是主链或侧链的碳原子上含有氟原子的一种合成高分子弹性体［1］。相对于其它橡胶材料，氟橡胶最显著的优点是其具有耐高温、耐油及耐多种化学品侵蚀的特点，因而被广泛地应用于现代航空航天等尖端科学技术及其它工业领域［2］。但是，氟橡胶作为一种高分子合成材料，在使用和贮存过程中由于热、氧以及其工作环境中力、介质等因素的共同作用，使其性能会随时间的推移而逐渐下降，甚至丧失使用性能［3］。这就要求我们在设计和生产材料的时候必须考虑和考察材料的耐老化性能。特别是橡胶作为密封材料常用于化学品或油类介质的密封，它的耐介质老化性能就是评价一种橡胶密封材料耐老化性能的一个重要指标。

本文主要通过氟橡胶在125℃、150℃和175℃三个温度点上的耐油介质老化试验，研究氟橡胶在柴油机油中其性能随时间的变化规律，从而对氟橡胶的耐油介质老化性能进行了评估。

1 试验

1.1 试验材料、试样规格及数量

试验选用山东非金属材料研究所生产的特种氟橡胶。用于测量力学性能的试样类型为GB/T 528-1998中规定的Ⅰ型拉伸试样，每个温度点取11组试样，每组3个试样。用于测量压缩永久变形的试样为GB/T 7759-1996中规定的A型圆柱试样，每个温度点取1组试样，每组5个试样。用于测量氟橡胶耐介质试验的体积变化率和质量变化率试样为厚度2.0±0.2mm，尺寸25mm×25mm的长方体试样，共4组，每组3个试样。试验油介质选用由中国石油长城润滑油有限公司生产的牌号为15W/40CD柴油机油。

1.2 试验方法

特种氟橡胶拉伸试样耐油介质老化试验参照GB/T 3512-2001《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》，将试样呈自由状态悬挂在盛有油介质的容器中，再将容器放入老化箱中。试验温度选用125℃、150℃、175℃三个温度点，老化时间的选择根据各个温度下性能变化情况而定。最终试验时间为125℃耐油介质老化试验160 d，150℃耐油介质老化试验120 d，175℃耐油介质老化试验70 d。对达到规定老化时间的试样取出后用汽油清洗，然后按照GB/T 2941-2006《橡胶物理试验方法试样制备和调节通用程序》中的规定，在标准环境(温度23℃ ±2℃，湿度为50% ±5%RH)下处理16 h以上，再测量其有关力学性能。测量压缩永久变形的试样，在到达规定老化时间后，将样品从试验夹具上卸载下来，用汽油将试样表面的油膜清洗干净，而后在标准环境下放置30 min，测量其恢复后的高度。尺寸测量完毕后，将试样放回夹具内继续试验。各个温度点的总试验时间为180 d;测量质量变化率和体积变化率的温度选用175℃，取样时间为 1 d、7 d、15 d、30 d四个时间点。到时间的试样从试验的油介质中取出后用丙酮清洗掉试样表面粘附的油膜，然后再测定其质量。因试验所用的油介质在高温下经过一定时间后也会发生老化，所以，需要定期对试验的油介质进行更换。根据试验实际探索，具体定为125℃12 d换一次油，150℃ 8 d换一次油，175℃ 4 d换一次油。

1.3 试验所用仪器设备

本试验主要使用的设备和仪器有热老化箱、橡胶测厚仪、邵尔橡胶硬度计、拉伸试验机、回弹仪、分析天平，其型号和生产厂家如表1所示。

表1 主要试验仪器设备

1.4 性能测试

试验内容主要是检测试样的拉伸强度、拉断伸长率、邵尔A硬度和回弹性等力学性能，取中值为该组试样的测试值，试验标准为GB/T 528-1998《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》;压缩永久变形按照 GB/T 7759-1996《硫化橡胶、热塑性橡胶、常温、高温和低温下压缩永久变形测定》中的规定测量每组5个试样，取平均值为该次测量的测试值;质量变化率和体积变化率按照GB/T 1690-2006《硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法》中的规定进行测量，每组3个试样，取中值为该组试样的测试值。

2 分析与讨论

2.1 力学性能分析

2.1.1 拉伸强度

橡胶的拉伸强度是表征橡胶材料抵抗拉伸破坏的极限应力。通常情况下，降解型橡胶其拉伸强度值随贮存或使用时间的增加而减小。图1为试样在15W/40CD柴油机油介质中老化时其拉伸强度与老化时间和老化温度的关系曲线。

图1 试样在15W/40CD柴油机油介质中老化时拉伸强度与老化时间的关系

从图1可以看出，特种氟橡胶材料在15W/40CD柴油机油介质中其拉伸强度随老化时间的增加而降低，温度越高，降低的速率越快。当温度为175℃时，其拉伸强度性能在老化20 d内呈直线下降，降幅为63%，并且老化进行到30 d时试样表面开始出现微细裂纹，随老化时间的进一步延长，裂纹的数量和宽度也随之增大。导致橡胶材料拉伸强度降低的原因可能是由于油介质和热的共同作用使得橡胶中的分子链和交联键断裂。

2.1.2 拉断伸长率

橡胶材料的拉断伸长率，是指材料在被拉断时由于拉伸应力而引起的试样均匀截面部分的伸长，用伸长增量与原长之比的百分数表示，它可以表征材料硫化网络和交联密度。对于老化降解性橡胶来说，其拉断伸长率会随老化时间的延长而下降。图2为试样在15W/40CD柴油机油介质中老化时拉断伸长率随老化时间和老化温度变化的关系曲线。从图2可以看出，特种氟橡胶在150℃和175℃油介质中随老化时间的增加，其拉断伸长率显著减小，在老化初期减小的速率较快，当老化达到一定程度时，其减小速率放慢。而在125℃油介质中老化时间为20 d时其拉断伸长率逐渐减小，而后又逐渐增加，大约到140 d左右又开始减小。这说明氟橡胶材料随老化时间的延续，其硫化网络遭到一定程度的破坏，交联密度也随之降低。

图2 试样在15W/40CD柴油机油介质中老化时拉断伸长率与老化时间的关系

2.1.3 硬度和回弹性

橡胶材料的硬度是表征材料抵抗变形的能力，即表征材料产生一定变形时所需的外力。回弹性是指形变试样在快速而充分复原时输入能与输出能的比值。当橡胶试样受力变形后再恢复原形时，输入能又返回橡胶中贮存起来，而未返回橡胶的那部分机械能以热的形式消耗掉了。因此，回弹性与橡胶内部的损耗因子有关，回弹率越大，损耗因子越小。表3为试样在15W/40CD柴油机油介质中老化时其硬度和回弹性随老化时间和老化温度的变化而波动的情况。

表3 试样在15W/40CD柴油机油介质中老化时硬度和回弹性的变化情况

从表3可以看出，试样在125℃油介质中随老化时间的延长，其硬度变化不大;而在150℃和175℃油介质中其硬度则随老化时间的延长而提高，与原试样相比，试验终止时试样的硬度分别增加了2.6%和7.8%，这与在试验过程中随老化时间的延长，试样表面有明显的发硬现象相吻合。试样的回弹性随老化时间和老化温度增加而增大。在同样的老化时间内，温度越高，其增大的幅度越大，这说明随老化时间的延长氟橡胶材料的损耗因子越小。

2.2 压缩永久变形性能分析

压缩永久变形是测量橡胶密封件耐热、耐油老化性能和使用性能的一项关键性且灵敏度高的指标。图3为试样在15W/40CD柴油机油中老化时的压缩永久变形随老化温度和老化时间的变化而变化的曲线图。图中列示表明，特种氟橡胶在油介质中老化时其压缩永久变形随老化时间的延续和老化温度的升高而增大。大致的变化趋势为在老化0～30 d内，压缩永久变形随老化时间的延长而增加的速率比较大;在30d～120 d内其变化速率趋于平缓;120 d以后其变化速率又增大。

图3 试样在15W/40CD柴油机油介质中老化时其压缩永久变形与老化时间的关系

2.3 质量变化率和体积变化率

橡胶材料的质量变化率和体积变化率是反映橡胶材料在介质中其质量稳定性和尺寸稳定性。通常情况下，都要求橡胶材料有较小的质量变化率和体积变化率。表4为特种氟橡胶试样在175℃油介质中不同老化时间内的质量变化率和体积变化率。从表4可以看出，氟橡胶在175℃油介质中随老化时间的增加，其质量变化率越来越小，而体积变化率却逐渐增大，但二者增大和减小的幅度均小于1%，这说明该氟橡胶材料在15W/40CD柴油机油中具有很好的质量稳定性和尺寸稳定性。

表4 特种氟橡胶在15W/40CD柴油机油中老化时其质量和体积变化率

3 结论

在试验温度范围内，特种氟橡胶材料在15W/40CD柴油机油中随老化温度的升高和老化时间的延长，材料的拉伸强度和拉断伸长率降低，压缩永久变形、硬度和回弹性增大。在老化初期其性能的变化率都比较大;在高温下特种氟橡胶材料在15W/40CD柴油机油中有很好的质量稳定性和尺寸稳定性。

［1］ 张玉龙，孙 敏.橡胶品种与性能手册［M］.北京：化学工业出版社，2007：220-244.

［2］ 张 凯，黄渝鸿，马 艳.等.橡胶加速老化试验及其寿命预测方法［J］.化学推进剂与高分子材料，2004，2(6)：44-48.

［3］ 张录平，李 晖，刘亚平.等.橡胶材料老化试验的研究现状及发展趋势［J］.弹性体，2009，19(4)：4-8.

［责任编辑：张启跃］

Abstract：Fluoroelastomer can be used as a sealing material for different purposes.The aim of this work is the evaluation of the effects of 15W/40CD oil medium by 125 ℃ 、150 ℃ 、175 ℃ aging test，the results show that the fluoroelastomer in the oil medium with extended aging time and aging temperature，the tensile strength and tensile elongation break decreased，increasing the compression set、hardness and bounce impact elasticity.And apparent surface cracks in a certainty time，and the number of cracks and width of crack increased;and fluoroelastomer has a good quality stability and size stability in the 15W/40CD oil.

Keywords：Fluoroelastomer;Oil resistance;Aging;Properties

Study on the aging properties of special fluoroelastomers in the of oil medium

ZHANG Lu-ping， LI Hui， PANG Ming-lei， ZHOU Yi

(CNGC.Institute 53，Jinan 250031，China)

TQ 333.93

B

1671-8232(2011)01-0027-04

2009-10-28

国防军工环境试验与观测重点项目

张录平(1986-)，男，宁夏固原人，硕士研究生，主要研究方向为非金属材料老化与防老化。