油缸用聚氨酯弹性体密封材料性能研究

2023-07-02王其君张杨如意赵开贤谭信文

润滑与密封 2023年6期

王其君吴俊张杨如意赵开贤谭信文

（1. 东方电气风电股份有限公司四川德阳 618000； 2. 广州国机密封科技有限公司广东广州 510535；3. 广州机械科学研究院有限公司广东广州 510700）

热塑性聚氨酯弹性体（Thermoplastic Polyurethane Elastomer， TPU）通常是一种由聚醚或／和聚酯二醇软段和二异氰酸酯与二元醇硬段组成的多嵌段共聚物，具有热熔加工的特性［1-5］。合成TPU 的软段通常为聚己二酸丁二醇酯二醇（PBA）、聚碳酸酯二醇（PCDL）、聚己内酯二醇（PCL）和聚四氢呋喃醚二醇（PTMEG），二异氰酸酯通常为二苯基甲烷-4，4′-二异氰酸酯（MDI）、对苯二异氰酸酯（PPDI）和3， 3′-二甲基-4， 4′-二苯基二异氰酸酯（TODI），扩链剂为对苯二酚二羟乙基醚（HQEE）和1， 4-丁二醇（BDO）等［6-7］。 TPU 材料具有强度高和耐磨性能好的特点，广泛应用于制造耐磨制品［8-12］。国外进口品牌如日本NOK、美国Parker 和瑞典SKF 在其液压油缸密封件产品中均大量使用TPU 材料，材料类别通常仅以聚酯（AU）或聚醚（EU）标识，并未公开AU 和EU 的具体类型。国产密封件企业对于液压油缸密封件用TPU 材料的选型，通常是借鉴国外同类产品和根据经验。虽然TPU 材料在液压油缸密封件中应用广泛，但是不同软段类型的TPU 材料在油缸密封件制品中的应用特性研究鲜有报道。

本文作者采用预聚体法合成一系列不同软段的TPU 材料，研究软段类型对TPU 材料力学性能、摩擦磨损性能、液压油老化性能和密封性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料和仪器设备

主要原料： PBA，牌号HY-2022，济宁棠邑化工有限公司生产； PCDL，牌号T6002，旭化成株式会社生产； PCL，牌号PCL 220N，株式会社大赛璐生产； PTMEG，牌号Poly-THF 2000，巴斯夫股份公司生产； MDI，牌号MDI-100，万华化学集团股份有限公司生产； HQEE，牌号XYlink HQEE，苏州湘园新材料股份有限公司生产； 46 号抗磨液压油，牌号LHM 46，中国石化润滑油有限公司生产。

主要仪器设备： 3117 型橡胶硬度计、 10 kN／0.5级Z010 万能材料试验机，德国ZwickRoell 公司生产；YN-DIN 磨耗试验机，东莞市南粤实验设备有限公司生产； CRS-AAM 阿克隆磨耗实验机，苏州亚诺天下仪器有限公司生产； CJ-100 型回弹仪，上海德杰仪器设备有限公司生产； SZCL-2 型数显智能控温磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司生产；SDF1100 实验室多用分散机，广州光科机械设备有限公司生产； FA101-4 型热老化箱，广州上工热工设备有限公司生产； MA900／260 型注塑机，海天塑机集团有限公司生产。

1.2 TPU 材料制备

将4 种软段分别于120 ℃下熔融并在-0.09 MPa下真空脱水3 h；将已真空脱水处理的软段计量并转移至烧瓶中，维持温度85 ℃下快速加入计量的MDI于软段中，通入干燥N2保护，维持温度85 ℃，反应2.5 h 制备得到预聚体；将HQEE 于125 ℃下熔融备用，将预聚体转移至反应釜中并计量，快速加入计量的熔融HQEE 于预聚体中，在转速1 500 r／min 下搅拌3 min 后转移至聚四氟乙烯托盘中，在120 ℃烘箱中熟化24 h 得到TPU 材料。 TPU 材料经破碎机破碎后得到TPU 颗粒料， TPU 颗粒料经注塑机加工成试片和密封件，试片和密封件在120 ℃下熟化24 h，室温放置7 天后进行性能测试。

实验配方为软段、 HQEE、 MDI 的摩尔比为1 ∶3.4 ∶4.62，设计异氰酸酯指数为1.05。

1.3 性能测试

硬度按照GB／T 531.1—2008 测试；拉伸强度和断裂伸长率按照GB／T 528—2009 测试；撕裂强度按照GB／T 529—2008 测试；回弹性按照GB／T 1681—2009 测试；压缩永久变形率按照GB／T 1683—2018测试；耐液压油性能按照GB／T 1690—2006 测试；阿克隆磨耗按照GB／T 1689—2014 测试［13-19］；摩擦因数测试采用自制设备，试验旋转半径300 mm，试验时在直径16 mm 不锈钢钢珠与试样表面涂覆约0.1 mm 液压油，试验转速500 r／min、负载60 N。摩擦因数由传感器自动读取。台架测试工装沟槽尺寸为100 mm×20 mm×13 mm，往复速率0.3 m／s，油腔压力31.5 MPa，测试周期为往复总行程300 km。

2 结果与讨论

2.1 软段类型对TPU 物理力学性能的影响

物理力学性能是密封件选材的关键影响因素之一，较好的物理力学性能有利于提升密封件的使用寿命、密封能力和承压能力［20］。不同软段合成的TPU材料的物理力学性能如表1 所示。

表1 4 种TPU 材料的物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of four TPU materials

由表1 可以看出： PBA 软段合成的TPU 材料具有最高的硬度、拉伸强度、撕裂强度和压缩永久变形率和最低的回弹性； PCDL 软段合成的TPU 材料具有最低的断裂伸长率； PCL 软段合成的TPU 材料具有最低的压缩永久变形率； PTMEG 软段合成的TPU材料具有最高的断裂伸长率和回弹性及最低的拉伸强度和撕裂强度。这是由于聚酯软段内聚能较高且易于结晶所致。聚酯软段合成的TPU 材料硬度、拉伸强度、撕裂强度均优于聚醚，聚醚软段合成的TPU 断裂伸长率优于聚酯， 4 种软段合成的TPU 材料均具有较好的物理力学性能。这是因为聚酯体系合成的TPU材料具有更高的内聚能和软段结晶倾向及更高的力学性能，聚醚合成的TPU 材料软段柔性强，伸长率和回弹性更高。压缩永久变形率是影响密封件材料使用性能的关键指标， PBA 型软段由于结晶度高，回弹性差，压缩永久变形率最高。

2.2 软段类型对TPU 摩擦磨损性能的影响

材料的耐磨性是影响密封件使用寿命的关键因素之一，越耐磨的材料相对拥有越长的使用寿命，密封件在使用过程中的摩擦磨损性能主要受材料耐磨性和工况条件影响。用阿克隆考察材料的耐磨性能，结果如表2 所示。在液压油缸中使用的密封件通常被液压油浸润，不同软段类型合成的TPU 在液压油润滑条件下的摩擦因数，如图1 所示。

图1 4 种TPU 材料的摩擦因数Fig.1 Friction coefficient of four TPU materials

表2 4 种TPU 材料的阿克隆磨耗Table 2 Akron abrasion of four TPU materials

由表2 可以看出：聚酯型软段合成的TPU 材料阿克隆磨耗低于聚醚型，阿克隆磨耗最低的是PBA软段合成的TPU 材料。不同软段合成的TPU 材料的耐磨性为： PBA＞PCL＞PCDL＞PTMEG，这是因为在硬段相同的条件下，合成TPU 的软段内聚能越高，结晶性越强，材料的拉伸强度和撕裂强度越高，在磨损过程中分子链越难断裂，阿克隆磨耗越低。因此， 4种软段合成的TPU 材料中PBA 型TPU 材料的耐磨性最好。

由图1 可以看出：在液压油润滑条件下，初始阶段由于磨合和启动静摩擦原因，摩擦因数有小幅波动，待测试稳定以后， 4 种软段合成的TPU 材料在液压油润滑下摩擦因数均为0.05，具有较低的摩擦因数。可见，在液压油润滑条件下， TPU 材料与不锈钢之间的摩擦因数极低，良好的润滑对降低材料的磨损有利。

2.3 软段类型对TPU 耐液压油老化性能的影响

在应用工况中，介质的耐受性是影响密封件选材的主要影响因素之一，评价材料耐液压油性能对材料的选择具有重要意义。不同软段的TPU 材料耐液压油性能如表3 所示，测试条件为120 ℃下老化21 天。

表3 4 种TPU 材料的耐液压油性能单位：%Table 3 Hydraulic oil tolerance of four TPU materials Unit：%

由表3 可以看出：在液压油中老化后， PBA 型软段合成的TPU 材料硬度增加最多，断裂伸长率下降最多； PTMEG 型软段合成的TPU 材料硬度和拉伸强度下降最多； PCDL 软段合成的TPU 材料撕裂强度变化率最低，体积和质量变化率最小，溶胀最小； PCL型软段合成的TPU 材料断裂伸长率变化最小。液压油老化对TPU 材料的影响主要有劣化和吸油溶胀2个方面，劣化会导致材料分子链断裂再重组，表现为材料硬度增加，拉伸强度、撕裂强度和断裂伸长率下降；溶胀为液压油进入到TPU 材料分子链之间，起到增塑作用，表现为材料的硬度、拉伸强度和撕裂强度下降，体积和质量增加。由于液压油为非极性介质，聚酯型软段的极性较强，聚醚型软段的极性较弱，结合体积质量变化率， PBA 型软段合成的TPU材料性能劣化主要由材料老化所致， PTMEG 型软段合成的TPU 材料性能劣化主要由材料的老化和吸油溶胀共同作用所致。无论是老化还是溶胀均可认为材料对液压油介质的耐受性较差，因此， PCDL 软段合成的TPU 材料对液压油介质的耐受性较好，其次是PCL 软段合成的TPU 材料， PBA 和PTMEG 型软段合成的TPU 材料对液压油介质的耐受性较差。

2.4 软段类型对密封件密封性能的影响

台架模拟测试能部分反映密封件实际装机的使用效果，因此将4 种不同软段合成的TPU 材料制成密封件样件并进行模拟测试。测试台架工装如图2 所示，由外接驱动油缸提供往复运动驱动力并控制往复速度和频率，进油口和回油口提供和调节被试缸中的压力，泄漏量用量杯测量得到。被试缸密封件结构如图3 所示。 4 种不同类型软段合成TPU 材料密封件的台架测试泄漏量随测试里程的变化如图4 所示。

图2 台架测试工装Fig.2 Tooling for bench testing

图3 密封件截面结构（mm）Fig.3 Seal section structure （mm）

图4 4 种密封件泄漏量随测试里程的变化Fig.4 Variation of leakage of four types of seals with test mileage

由图4 可以看出：在台架测试初期， 4 种软段合成TPU 材料密封件均在20～50 km 测试里程时经历短暂的磨合期，磨合期内泄漏量迅速增加；经历磨合期后至大量泄漏前，泄漏量趋于平稳增加。 PBA 型软段合成TPU 材料密封件总泄漏量最大， PCDL 型软段合成TPU 材料密封件最小。 PBA 型软段合成TPU 材料密封件在测试里程超过250 km 时出现泄漏量加速增加， PCL 型软段合成TPU 材料密封件在测试里程超过260 km 时出现泄漏量加速增加， PTMEG 型软段合成TPU 材料密封件在测试里程超过230 km 时出现泄漏量加速增加， PCDL 型软段合成TPU 材料密封件在测试里程超过300 km 时也无泄漏量加速增大现象。因此， PCDL 型软段合成TPU 材料密封件具有最佳的密封性能。