丁腈橡胶密封材料的低温特性

2020-09-10汤致华

内燃机与配件 2020年4期

关键词：试验

摘要：通常在低温密封情况下，密封件会出现热涨冷缩、低温脆性以及材料微结构上的相变等现象，在设计过程中，要特别关注密封件的结构、材料、密封预紧力等关键因素在低温环境下的适用性问题。对丁腈橡胶材料的低温特性进行试验分析研究，结合相关实验数据总结了丁腈橡胶材料的低温特性，具有一定学术意义和工程参考价值。

Abstract： At low temperature seals will appear some phenomena， such as thermal expansion， low temperature brittleness and phase change of the material microstructure. Special attention should be paid to the applicability of key factors such as structure， material and pretightening force of seals at low temperature. It is a certain academic significance and engineering reference value that summed up the cryogenic property of NBR sealing materials by combining with analysis results of cryogenic property test data.

关键词：橡胶密封;低温特性;试验;耐寒系数

Key words： rubber seals;cryogenic property;test;anti-cold coefficiency

0 引言

随着当今技术的蓬勃发展，人们对橡胶各方面的性能要求不断的提高，其在各大行业中的应用也越来越广泛，尤其是在高寒地区和航空航天领域之中，发挥着重大的作用。因此，采取有效的措施确保橡胶材料的各项力学性能刻不容缓，包括热老化性能、低温环境中的柔韧性等等，本文就着重探讨橡胶在低温环境中的特性。

在通常环境温度下，低温环境下液压类产品发生泄漏的概率要大，其原因主要是由于低温下密封件材料的弹性发生减小或收缩，或者硬度增大、进行密封的接触面压力减小了。而实际在一般情况下都会有温度底的现象，所以，掌握材料在温度低的情况下性能以及密封件安全工作的温度范围至关重要。

本文对丁腈橡胶材料的低温特性进行试验分析研究，结合相关实验数据总结了丁腈橡胶材料的低温特性，具有一定学术意义和工程参考价值。

1 液压橡胶密封件的密封机理

常用的自封式压紧型液压密封件主要是O形密封圈，它们具有结构简单、易于制造、成本低廉等优点，因此常常被用作动密封和静密封场合中。在密封槽中，密封件通常产生10%～25%的径向压缩变形，并对密封表面产生较高的初始接触应力，从而阻止无压力液体的泄漏。

液压作动筒工作时，压力液体挤压自封式压紧型液压密封件，使之进一步变形，并对密封表面产生较大的压力。逐渐增高的附加接触应力与初始接触应力一起共同阻止压力液体的泄漏。当工作压力大于10MPa时，为了避免液压密封件的一部分被挤入密封间隙，在液压缸或活塞往复运动中受损而造成泄漏，须在液压密封件的受压侧安装保护挡圈，如尼龙挡圈、聚甲醛挡圈和聚四氟乙烯挡圈等。

从广义上讲，密封机理就是在一定的外力和密封元件本身弹力的共同作用下，使密封元件紧密地贴合在配合面上，并使密封元件工作表面产生一定的接触应力，从而阻止流体通过密封元件的配合表面，达到密封的目的。

目前，我国对用于低温的橡胶类密封材料的研究主要集中在硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶和氯醚橡胶等。

2 耐低温丁腈橡胶的研究现状

丁腈橡胶（NBR）是丁二烯和丙烯腈的无规共聚物，是一种耐油性非常好的弹性体，在航空航天、汽车等行业中有着广泛的应用。但长期以来，由于他的耐低温效果和耐油性无法得到两全齐美，所以使用范围有些受限。随着丙烯腈橡胶的含量增大、其含量的提高可以为橡胶材料提供耐寒性;丙烯腈链段分子极性大、刚性大，不利于橡胶材料低温性能的改善，其含量能在一定的程度上提高材料的耐性。试验证明，当丙烯腈含量的质量分数为18%～20%时，能够在满足材料耐油性的前提下，使其具有优良的耐寒性[2]。

特种橡胶密封制品通常需要满足比较苛刻的环境要求，有些制品需要满足耐低温以及耐油的需求。在航空航天领域，对橡胶制品提出了更高的要求，如要求橡胶制品具有超低温油性环境下保持弹性和密封性能，耐高低温循环冲击等。由于氟橡胶的低温性能较差，氟硅橡胶的承压能力较差。因此丁腈橡胶（NBR）通常被选作能够具有耐低温以及耐油的材料。

通常采用丁腈橡胶与其它橡胶并用以及對橡胶大分子链进行改性等方法来制备耐低温丁腈橡胶复合材料。然而，采用橡胶并用方法制备得到复合材料耐油效果一般，而大分子链改性的成本较高[3-4]。西安航天动力研究所的董超峰等通过优化配方，成功制备得到一种耐油以及耐低温（脆性温度超过-60℃）的复合材料，制备方法简单，工艺成本也不高，具有很好的实用价值[5]。

3 耐低温性能测试方法

密封胶料的耐低温性能通常采用三种测试方法：脆性温度是指试样在低温下受到一定载荷的冲击力时出现破裂的温度，用于比较不同密封材料受冲击载荷下柔软性;低温回缩温度是在室温下将试样拉伸至一定长度然后固定，迅速冷却到冻结温度下，达到平衡后松开试片以一定速度升温，记录试样回缩率及对应的温度，这些温度值称为TR值，如回缩率10%时对应的温度值称为TR10，相同回缩率的TR温度值越低，说明低温性能更优;压缩耐寒系数表征橡胶密封材料的性能，它是将试样在室温下压缩到一定变形量，然后在规定温度下冷冻，再卸除负荷让其在低温下恢复，恢复量与压缩量之比称压缩耐寒系数，系数越大表示低温下橡胶弹性恢复能力越强，这对评定橡胶低温密封能力很有参考价值。

4 低温特性试验研究

为研究丁腈橡胶圈低温特性，设置了3组温度循环试验，具体如下：

第1组高低温循环试验，温度循环周期为：-50℃→常温→150℃×1h→常温→-55℃;

第2组反复高低温循环试验，温度循环周期同第1组;

第3组低温循环试验，温度循环周期为：常温→-55℃×1h→常温→-55℃×1h→常温。

①試样在-50℃耐寒系数为0.405、0.38、0.36（第1组），-55℃耐寒系数为0.135（第2组），说明温度越低耐寒系数越小，-55℃低温下该胶料性能明显下降;

②从图1试验结果看出，经历1个高低温循环周期，耐寒系数由0.135降至0.115，经历3个高低温循环周期后降至0.08，胶料几乎已经没有回弹性，说明反复高低温对胶料影响较大;

③从图2试验结果看出，经历低温循环周期后，测试耐寒系数基本不变，说明反复低温对该胶料性能影响很小。

5 结论

①解决丁腈橡胶耐低温性能的关键是提高橡胶分子的柔顺性，橡胶的物理性能则与橡胶分子的结构、补强体系和硫化体系等配合因素有关。

②通常在低温密封情况下，密封件出现热涨冷缩、低温脆性以及材料微结构上的相变等现象，在设计过程中，要特别关注密封件的结构、材料（包括密封界面结构材料、密封圈材料）、密封预紧力等关键因素在低温环境下的适用性问题。

③-55℃低温环境下丁腈橡胶密封性能会明显下降，而反复低温环境对其性能影响很小，但反复高温会引起性能明显下降，甚至丧失密封性能。