氟塑料包覆橡胶O 形圈的应用技术进展

李 香，戚明杰，王永乐，朱 斌

（1.合肥通用机械研究院有限公司 机械工业机械密封工程技术研究中心，合肥 230031；2.宁波伏尔肯科技股份有限公司，浙江宁波 315104；3.福建省闽旋科技股份有限公司，福建泉州 362333）

0 引言

氟塑料包覆橡胶O 形圈可分为两类：（1）采用机械车削法由聚四氟乙烯（PTFE）材料和不同品种的橡胶O 形圈制造而成；（2）采用熔体焊接法由四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的共聚物（PFA）或四氟乙烯与六氟丙烯共聚物（FEP）的氟材料与不同橡胶品种的O 形圈制造而成。产品主要包括氟橡胶、硅橡胶全包覆橡胶O 形圈，其以橡胶O 形圈为内芯，外层用氟塑料管或薄膜包覆。以特殊工艺复合而成的特种橡胶O 形圈，可应用于橡胶O 形圈无法适应的某些化学介质等特殊工作环境中，工作时密封性能由包覆的橡胶O 形圈弹性产生，而抗化学介质耐温等特性由氟塑料包覆层保证，该产品既有橡胶O 形圈所具有的弹性、低压缩永久变形性能，又具有氟塑料特有的耐热、耐寒、耐油、耐磨、耐天候老化、耐化学介质腐蚀等特性［1］，可应用于流体机械等设备在特种工况下的动、静密封场合［2-3］。

1 氟塑料包覆橡胶O 形圈的技术特点

PTFE 包覆橡胶O 形圈的结构主要有局部、单层和双层3 种包覆形式，其结构如图1 所示。

图1 3 种包覆形式Fig.1 3 types of coating

由于使用工况条件差异大，橡胶的品种主要有丁腈橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、氟橡胶等多种化学结构橡胶类型。PFA、FEP 全包覆橡胶O 形圈的结构如图2 所示，采用熔体焊接法制造的全包覆橡胶O 形圈国外应用较国内早20 年左右［4］，且包覆橡胶O 形圈的橡胶品种较多，有丁腈橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、氟橡胶及其分支的橡胶等。

图2 包覆橡胶O 形圈结构Fig.2 Structure of rubber coated O-ring

2 氟塑料包覆橡胶O 形圈的质量要素控制及方法

2.1 质量控制

2.1.1 氟塑料包覆层材料的性能要求及选用

根据产品使用的工况条件来选择全包覆O形圈包覆层材料，既要考虑材料本身的物理机械性能和包覆层厚度、强度，又要考虑加工工艺过程中容易出现的问题和影响质量的要素。包覆用PTFE、PFA、FEP 氟塑料的物理机械性能见表1。

表1 包覆用氟塑料的性能Tab.1 Properties of fluoroplastics for coating

2.1.2 氟塑料包覆层厚度的控制

机械车削法制造的PTFE 包覆橡胶O 形圈的厚度是根据产品设计的技术要求确定的，既要具有一定的强度又要考虑加工工艺实现的可行性和使用的可靠性。一般推荐的PTFE 薄膜厚度为0.2～0.4 mm［5］。熔体焊接法推荐的氟塑料包覆层厚度见表2。

表2 氟塑料包覆层厚度Tab.2 Thickness of fluoroplastic coating

2.2 包覆用橡胶O 形圈的质量控制及方法

机械加工法制造的PTFE 包覆橡胶O 形圈产品是根据用户提出的使用工况条件和产品结构尺寸、安装精度要求来选择适宜的橡胶品种，经科学设计胶料配方及工艺加工，使硫化胶的物理机械性能：硬度、强度、弹性、老化及压缩永久变形、收缩特性达到设计要求的橡胶O 形圈的质量水平。FEP、PFA 包覆用橡胶O 形圈的性能水平见表3［6-8］。

表3 熔体焊接法制造包覆用橡胶O 形圈硫化胶的物理机械性能Tab.3 Physical and mechanical properties of rubber O-ring vulcanizates for coating by melt welding

2.3 新修订标准中FEP、PFA 氟塑料全包覆橡胶O 形圈的性能和使用温度范围

新修订标准中氟塑料全包覆橡胶O 形圈的性能见表4，使用温度范围见表5［5］。

表4 氟塑料全包覆橡胶O形圈性能Tab.4 Properties of fluoroplastic fully coated rubber O-ring

表5 氟塑料全包覆橡胶O形圈的使用温度范围Tab.5 Application temperature range of fluoroplastic fully coated rubber O-ring ℃

2.4 氟塑料包覆橡胶O 形圈标准及试验方法的修订

随着科学技术的进步，生产工艺设备的提高，环保意识的增强，当前我国氟材料质量水平有了一定的提高，有的品种甚至可与国外同类型产品质量媲美，再加上制造技术的提高因而促进了氟塑料包覆橡胶O 形圈的应用技术的发展，其主要技术标准和试验方法的修订内容变化如下［6］：

（1）修订了规范性应用文件。

（2）修订了压缩永久变形数值，具体见表6。

表6 压缩永久变形（压缩率15%）对比Tab.6 Comparison of compression set(15% compression rate) %

（3）提高了温度使用范围。PFA 的最高使用温度由200 ℃调整为220 ℃。

（4）修订了压缩永久变形测试方法和试验温度条件。原标准压缩永久变形按GB/T 7759 的规定进行，修订后详细的规定了具体的试验方法，明确了尺寸测量方法、试验条件、试验方法、试验结果计算方法。

（5）修改了检验规定。原标准检验规则仅规定了出厂检验相关内容，修订后将检验分为出厂检验和型式试验，并明确了出厂检验和型式试验的检验项目与抽样方法。

（6）延长了产品的存储年限：即贮存在温度为-15～35 ℃、相对湿度不大于80%的环境中，贮存期为5 年。

3 结语

氟塑料全包覆橡胶O 形圈因其特有的耐热、耐寒、耐油、耐磨、耐老化、耐化学腐蚀等特性，广泛应用于-60～220 ℃温度范围内，除卤化物、熔融碱金属、氟碳化合物外的各种介质的密封场合。其结构尺寸设计、制造、材料、焊接工艺、性能测试、安装使用等方面涉及到流体力学、材料学、焊接工艺学、物理化学等多学科知识的应用［7］。通过氟塑料包覆材料的选取、包覆层厚度的控制、橡胶O 形圈质量等方面的控制可以有效提高氟塑料包覆橡胶O 形圈的质量。随着技术的发展，工艺、设备的改进，氟塑料全包覆橡胶O 形圈的性能不断提高，应用范围也不断扩大。