氟塑料包覆橡膠O 形圈的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展

李 香，戚明杰，王永樂，朱 斌

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司 機(jī)械工業(yè)機(jī)械密封工程技術(shù)研究中心，合肥 230031；2.寧波伏爾肯科技股份有限公司，浙江寧波 315104；3.福建省閩旋科技股份有限公司，福建泉州 362333）

0 引言

氟塑料包覆橡膠O 形圈可分為兩類：（1）采用機(jī)械車削法由聚四氟乙烯（PTFE）材料和不同品種的橡膠O 形圈制造而成；（2）采用熔體焊接法由四氟乙烯與全氟烷基乙烯基醚的共聚物（PFA）或四氟乙烯與六氟丙烯共聚物（FEP）的氟材料與不同橡膠品種的O 形圈制造而成。產(chǎn)品主要包括氟橡膠、硅橡膠全包覆橡膠O 形圈，其以橡膠O 形圈為內(nèi)芯，外層用氟塑料管或薄膜包覆。以特殊工藝復(fù)合而成的特種橡膠O 形圈，可應(yīng)用于橡膠O 形圈無法適應(yīng)的某些化學(xué)介質(zhì)等特殊工作環(huán)境中，工作時密封性能由包覆的橡膠O 形圈彈性產(chǎn)生，而抗化學(xué)介質(zhì)耐溫等特性由氟塑料包覆層保證，該產(chǎn)品既有橡膠O 形圈所具有的彈性、低壓縮永久變形性能，又具有氟塑料特有的耐熱、耐寒、耐油、耐磨、耐天候老化、耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕等特性［1］，可應(yīng)用于流體機(jī)械等設(shè)備在特種工況下的動、靜密封場合［2-3］。

1 氟塑料包覆橡膠O 形圈的技術(shù)特點

PTFE 包覆橡膠O 形圈的結(jié)構(gòu)主要有局部、單層和雙層3 種包覆形式，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 3 種包覆形式Fig.1 3 types of coating

由于使用工況條件差異大，橡膠的品種主要有丁腈橡膠、乙丙橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠、氟橡膠等多種化學(xué)結(jié)構(gòu)橡膠類型。PFA、FEP 全包覆橡膠O 形圈的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，采用熔體焊接法制造的全包覆橡膠O 形圈國外應(yīng)用較國內(nèi)早20 年左右［4］，且包覆橡膠O 形圈的橡膠品種較多，有丁腈橡膠、乙丙橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠、氟橡膠及其分支的橡膠等。

圖2 包覆橡膠O 形圈結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of rubber coated O-ring

2 氟塑料包覆橡膠O 形圈的質(zhì)量要素控制及方法

2.1 質(zhì)量控制

2.1.1 氟塑料包覆層材料的性能要求及選用

根據(jù)產(chǎn)品使用的工況條件來選擇全包覆O形圈包覆層材料，既要考慮材料本身的物理機(jī)械性能和包覆層厚度、強(qiáng)度，又要考慮加工工藝過程中容易出現(xiàn)的問題和影響質(zhì)量的要素。包覆用PTFE、PFA、FEP 氟塑料的物理機(jī)械性能見表1。

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

2.1.2 氟塑料包覆層厚度的控制

機(jī)械車削法制造的PTFE 包覆橡膠O 形圈的厚度是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)要求確定的，既要具有一定的強(qiáng)度又要考慮加工工藝實現(xiàn)的可行性和使用的可靠性。一般推薦的PTFE 薄膜厚度為0.2～0.4 mm［5］。熔體焊接法推薦的氟塑料包覆層厚度見表2。

表2 氟塑料包覆層厚度Tab.2 Thickness of fluoroplastic coating

2.2 包覆用橡膠O 形圈的質(zhì)量控制及方法

機(jī)械加工法制造的PTFE 包覆橡膠O 形圈產(chǎn)品是根據(jù)用戶提出的使用工況條件和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸、安裝精度要求來選擇適宜的橡膠品種，經(jīng)科學(xué)設(shè)計膠料配方及工藝加工，使硫化膠的物理機(jī)械性能：硬度、強(qiáng)度、彈性、老化及壓縮永久變形、收縮特性達(dá)到設(shè)計要求的橡膠O 形圈的質(zhì)量水平。FEP、PFA 包覆用橡膠O 形圈的性能水平見表3［6-8］。

表3 熔體焊接法制造包覆用橡膠O 形圈硫化膠的物理機(jī)械性能Tab.3 Physical and mechanical properties of rubber O-ring vulcanizates for coating by melt welding

2.3 新修訂標(biāo)準(zhǔn)中FEP、PFA 氟塑料全包覆橡膠O 形圈的性能和使用溫度范圍

新修訂標(biāo)準(zhǔn)中氟塑料全包覆橡膠O 形圈的性能見表4，使用溫度范圍見表5［5］。

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

表5 氟塑料全包覆橡膠O形圈的使用溫度范圍Tab.5 Application temperature range of fluoroplastic fully coated rubber O-ring ℃

2.4 氟塑料包覆橡膠O 形圈標(biāo)準(zhǔn)及試驗方法的修訂

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)工藝設(shè)備的提高，環(huán)保意識的增強(qiáng)，當(dāng)前我國氟材料質(zhì)量水平有了一定的提高，有的品種甚至可與國外同類型產(chǎn)品質(zhì)量媲美，再加上制造技術(shù)的提高因而促進(jìn)了氟塑料包覆橡膠O 形圈的應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和試驗方法的修訂內(nèi)容變化如下［6］：

（1）修訂了規(guī)范性應(yīng)用文件。

（2）修訂了壓縮永久變形數(shù)值，具體見表6。

表6 壓縮永久變形（壓縮率15%）對比Tab.6 Comparison of compression set(15% compression rate) %

（3）提高了溫度使用范圍。PFA 的最高使用溫度由200 ℃調(diào)整為220 ℃。

（4）修訂了壓縮永久變形測試方法和試驗溫度條件。原標(biāo)準(zhǔn)壓縮永久變形按GB/T 7759 的規(guī)定進(jìn)行，修訂后詳細(xì)的規(guī)定了具體的試驗方法，明確了尺寸測量方法、試驗條件、試驗方法、試驗結(jié)果計算方法。

（5）修改了檢驗規(guī)定。原標(biāo)準(zhǔn)檢驗規(guī)則僅規(guī)定了出廠檢驗相關(guān)內(nèi)容，修訂后將檢驗分為出廠檢驗和型式試驗，并明確了出廠檢驗和型式試驗的檢驗項目與抽樣方法。

（6）延長了產(chǎn)品的存儲年限：即貯存在溫度為-15～35 ℃、相對濕度不大于80%的環(huán)境中，貯存期為5 年。

3 結(jié)語

氟塑料全包覆橡膠O 形圈因其特有的耐熱、耐寒、耐油、耐磨、耐老化、耐化學(xué)腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于-60～220 ℃溫度范圍內(nèi)，除鹵化物、熔融堿金屬、氟碳化合物外的各種介質(zhì)的密封場合。其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、制造、材料、焊接工藝、性能測試、安裝使用等方面涉及到流體力學(xué)、材料學(xué)、焊接工藝學(xué)、物理化學(xué)等多學(xué)科知識的應(yīng)用［7］。通過氟塑料包覆材料的選取、包覆層厚度的控制、橡膠O 形圈質(zhì)量等方面的控制可以有效提高氟塑料包覆橡膠O 形圈的質(zhì)量。隨著技術(shù)的發(fā)展，工藝、設(shè)備的改進(jìn)，氟塑料全包覆橡膠O 形圈的性能不斷提高，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。