天然橡膠-聚四氟乙烯復合密封圈的研制

李 杰，趙志祥，陳兵勇，王 凡，宋 丹，隋 琦,王 煒,李 斌

天然橡膠-聚四氟乙烯復合密封圈的研制

李 杰，趙志祥，陳兵勇，王 凡，宋 丹，隋 琦,王 煒,李 斌

（湖北航天化學技術研究所，湖北 襄陽 441003）

介紹了用于氣體密封的天然橡膠-聚四氟乙烯復合密封圈的研制方法。天然橡膠配方采用低硫高促硫化體系和粗粒徑噴霧炭黑補強體系，制成的橡塑復合密封圈具有良好耐磨性、回彈性和氣體密封性。

天然橡膠；聚四氟乙烯；密封圈；氣密性

0 前 言

密封圈作為機構密封的重要部件，其在液壓或氣壓傳動系統中被廣泛運用。對于一些特殊的旋轉機構，單一結構的密封圈無法滿足使用要求，人們結合橡膠和塑料的各自特性，設計了橡膠-塑料復合結構形式，其中使用最廣泛的是橡膠/聚四氟乙烯復合結構，既利用了橡膠的高回彈性、低永久變形性，也利用了聚四氟乙烯的低摩擦系數、與金屬無黏著性，降低了密封系統轉動阻力，提高了密封圈的密封效果和使用壽命。

1 產品結構

某氣密機構的結構如圖1所示，機構下部為固定法蘭，上部為旋轉法蘭，內部為密封氧氣。為保證氧氣在轉動過程中不泄漏，兩法蘭中間采用橡膠-聚四氟乙烯復合結構的密封圈聯接，如圖2所示。工作過程中，運動界面在旋轉法蘭和聚四氟乙烯之間，保證旋轉力矩較小，摩擦生熱低，磨耗小；聚四氟乙烯粘接在橡膠密封環上，利用橡膠的高回彈性，對由于聚四氟乙烯塑性變形引起的密封應力降低進行補償，保證氣密機構長期工作中具有穩定的靈活性和密封效果。

圖1 某氣密機構工作示意圖

2 試 驗

2.1 主要原材料

天然橡膠（NR），5#標膠，云南農墾云橡投資有限公司；聚四氟乙烯（PTFE）管材，材質M-12，日本大金；噴霧炭黑，撫順炭黑廠；氧化鋅，水口山礦務局第二冶煉廠；硬脂酸，上海油脂一廠；硫磺，國藥集團上海化學試劑公司；促進劑TMTD、促進劑DM，中國石油蘭州化學工業公司；膠粘劑Chemlok205、Chemlok220、Chemlok250，上海洛德化學有限公司；膠粘劑Thixon P-11-EF/ Megum 508，羅門哈斯（中國）公司。其余配合劑均為市售工業品級產品。

圖2 橡膠-聚四氟乙烯復合密封圈示意圖

2.2 儀器與設備

開放式煉膠機，XK-250，上海橡膠機械一廠；邵氏橡膠硬度計，LX-A型，萊州華銀實驗儀器有限公司；電子萬能材料試驗機，INSTRON-5567，美國進口；老化試驗箱，401B型，上海實驗儀器總廠。

2.3 性能測試

硫化膠物理性能按相應國家標準測試；硫化膠-聚四氟乙烯粘接強度依據GB/T 7760—2003進行測試。

3 結果與討論

3.1 配方設計

產品的使用環境要求產品具有良好的回彈性和力學強度，而天然橡膠的力學強度較高、抗撕裂性能好、回彈性好，是一種比較合適的主體膠料。橡膠補強體系方面，選擇粗粒徑的噴霧炭黑有利于提高橡膠壓縮永久變形，且原則上不再需要使用液體增塑劑。硫化體系的選擇方面，硫磺硫化體系的硫化膠力學性能較好，但材料壓縮永久變形性能較差；過氧化物硫化體系的硫化膠壓縮永久變形較好，但硫化效率低，硫化膠存在異味且持續時間較長；而低硫高促硫化體系膠料的壓縮永久變形較好，硫化膠的綜合性能相對最好[1]。因此，選用低硫高促硫化體系，即秋蘭姆類促進劑（促進劑TMTD）、噻唑類促進劑（促進劑DM）和少量硫磺。材料性能指標中有耐熱空氣老化的要求，因此，選擇防老劑RD與MB并用體系，以提高硫化膠的耐熱老化性能。具體配方詳見表1，硫化膠性能詳見表2。

表1 天然橡膠配方

表2 硫化膠物理性能

3.2 膠粘劑的選擇

聚四氟乙烯表面能低、接觸角大，膠粘劑不能充分潤濕表面；另外，聚四氟乙烯結構的對稱性高、結晶度大，難以溶脹和溶解，不易與膠粘劑分子鏈互相擴散和纏結，粘附力弱；再者，骨架碳鏈被氟原子覆蓋，聚四氟乙烯化學惰性強。因此，聚四氟乙烯難以與其他材料粘接[2]。為提高聚四氟乙烯表面的化學活性，需要先將聚四氟乙烯表面進行活化處理，在已活化表面涂覆膠粘劑，可以解決聚四氟乙烯與天然橡膠的粘接問題。活化處理通常有萘鈉化學處理法[3]、高溫熔融法[4]、輻射接枝法[2]以及低溫等離子體法[5]等幾種方法。根據產品特點，選擇萘鈉處理法對PTFE表面進行活化處理。采用經萘鈉處理的PTFE試件與NR硫化粘接，考察幾種膠粘劑的粘接效果，結果示于表3。

表3 不同膠粘劑對NR-PTFE粘接的情況1）

由表3可知，Thixon P-11-EF/ Megum 508組合膠粘劑的粘接強度最高，單涂Chemlok250效果最差，以Chemlok205為底涂的兩種試樣的粘接強度居中。因此選擇Thixon P-11-EF/ Megum 508作為粘接用膠粘劑。

3.3 生產工藝

該密封圈為天然橡膠-聚四氟乙烯復合制品。聚四氟乙烯部件由管材機械加工成預定尺寸半成品，橡膠部件由天然橡膠混煉而成，然后聚四氟乙烯與天然橡膠熱硫化粘接成型。其中，聚四氟乙烯半成品單面活化和硫化粘接兩個工序為主要工序，對產品密封性能產生重要影響。因產品圈徑較大且厚度較小，在聚四氟乙烯單面活化過程中，處理液易損傷產品無須活化的工作面。采用面積大于產品直徑的整張膠布將聚四氟乙烯半成品固定，可以有效保護其工作面不受污染。此外，在清除活化后PTFE工作面殘膠時，應使用蘸有溶劑的紗布擦拭，不能使用砂紙打磨，以免PTFE表面產生劃痕而影響產品的密封性能。在NR-PTFE硫化粘接過程中，因兩種材質收縮率的差異，模具需保壓降溫至室溫后進行脫模，否則產品易褶皺不平而影響密封性能。具體生產工藝流程如圖2所示。

圖3 橡膠-聚四氟乙烯復合制品工藝流程

4 結 論

本工作研制的天然橡膠-聚四氟乙烯復合密封圈，性能指標滿足要求，經客戶裝配試驗驗證，產品在特定使用環境下長期工作無氣體泄漏，系統氣密性較好。

[1] 梁星宇，周木英.橡膠工業手冊(第三分冊)：配方與基本工藝[M].北京：化學工業出版社，1998.

[2] 彭少賢.聚四氟乙烯的表面處理與粘接[J].塑料科技，2000，139（5）：5-8.

[3] 楊玉昆.合成粘膠劑[M].北京：科學出版社，1983.

[4] 陳懷九.新型可粘聚四氟乙烯大板的研制[J].武漢大學學報，1986（5）：93.

[5] 陳義龍，何翔.脈沖等離子體對PTFE薄膜的表面改性研究[J].表面技術，1999（2）：14.

[責任編輯：朱 胤]

Natural Rubber-Polytetrafluoroethylene Composites Sealing Rings

Li Jie, Zhao Zhixiang, Chen Bingyong, Wang Fan, Song Dan, Sui Qi, Wang Wei, Li Bin
(Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology, Xiangyang 441003, China)

Sealing rings with natural rubber-polytetrafluoroethylene composite construction for gas sealing were introduced in this paper. Low sulphur-high accelerator curing system and coarse spraying carbon black filling system were employed in the natural rubber formulation. Consequently, the composite product possessed excellent wear resistance, resilience and gas sealing performance.

Natural Rubber; Polytetrafluoroethylene; Sealing Ring; Gas Sealing

TQ 336.4+2

B

1671-8232(2017)08-0001-04

2017-07-17

李杰（1984—），工程師，從事特種橡膠制品研究工作。