高性能丙烯酸酯橡膠旋轉(zhuǎn)油封的研發(fā)

魏海東，張瑞造

（浙江創(chuàng)城汽車零部件有限公司，浙江 紹興 312300）

旋轉(zhuǎn)油封屬于動(dòng)態(tài)密封制品，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中耐高溫和耐油是旋轉(zhuǎn)油封用膠料配方設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要性能指標(biāo)[1]。制造旋轉(zhuǎn)油封常采用在溫度和壓力下都對(duì)流體介質(zhì)有不同程度敏感性的橡膠，例如丁腈橡膠（NBR）[2]、丙烯酸酯橡膠（ACM）、氟橡膠[3-4]和硅橡膠[5]。但是硅橡膠耐油性能較差，NBR耐熱性能較差，氟橡膠綜合性能優(yōu)異但價(jià)格昂貴，當(dāng)油封的使用溫度為120～150 ℃時(shí)，綜合耐熱性能、耐油性能和成本，基體橡膠一般選用ACM[6]。

油封使用時(shí)受到被密封流體介質(zhì)的浸蝕和溶脹，正常使用后期出現(xiàn)漏油，主要是油封唇口老化變硬，失去彈性和龜裂所致。油封性能和質(zhì)量?jī)?yōu)劣最終表現(xiàn)在油封的密封性能和使用壽命上。因此，當(dāng)油封斷面結(jié)構(gòu)確定后，膠料配方設(shè)計(jì)的合理性就至關(guān)重要。

本工作進(jìn)行高性能ACM旋轉(zhuǎn)油封膠料配方的優(yōu)化，并對(duì)硫化工藝進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

ACM，牌號(hào)ACM-ACL，ACM-200，ACM-230，ACM-240，市售品；炭黑N550，卡博特公司產(chǎn)品；石墨粉，阜陽(yáng)市利普化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 基本配方

ACM 100，炭黑N550 60，硬脂酸 1，硬脂酸鉀 0.8，硬脂酸鈉 2.5，防老劑445 2，硫黃0.4。

1.3 主要設(shè)備和儀器

KL-6型開(kāi)煉機(jī)，佰弘機(jī)械（上海）有限公司產(chǎn)品；XLB 350×350×3型平板硫化機(jī)，青島海能機(jī)械制造有限公司產(chǎn)品；UR2010SD型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀和UT-2080型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；LX-A型橡膠硬度計(jì)，上海六菱儀器廠產(chǎn)品；GT7017-ELU型精密高溫試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品；MZ-4061型阿克隆磨耗機(jī)和MZ-4005B型油封旋轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)機(jī)，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

將ACM在開(kāi)煉機(jī)上塑煉后包輥，然后依次加入硬脂酸、防老劑445、炭黑、硫化劑，混煉均勻后薄通10次，下片。停放16 h后用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)定硫化特性。試樣在平板硫化機(jī)上進(jìn)行一段硫化，硫化條件為170 ℃/10 MPa×10 min；在烘箱中進(jìn)行二段硫化，硫化條件為（170～180） ℃×（4～8） h。

1.5 性能測(cè)試

硫化特性按照GB/T 16584—1996進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為170 ℃×10 min；硬度按照GB/T 531.1—2008進(jìn)行測(cè)試；拉伸性能按照GB/T 528—2009進(jìn)行測(cè)試；耐熱空氣老化性能按照GB/T 3512—2014進(jìn)行測(cè)試；高溫壓縮永久變形按照GB/T 7759.1—2015進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為150℃×70 h，壓縮率為25%；阿克隆磨耗量按照GB/T 1689—2014進(jìn)行測(cè)試；耐介質(zhì)油性能按照GB/T 1690—2010進(jìn)行測(cè)試；模擬臺(tái)架試驗(yàn)按照GB/T 13871.4—2007進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 ACM牌號(hào)的影響

ACM是以烷基酯為主要單體與少量帶有可提供活性基團(tuán)的單體共聚而得的彈性體，其主鏈為飽和碳鏈，側(cè)鏈為極性酯基。ACM穩(wěn)定的飽和結(jié)構(gòu)和極性酯基賦予其許多優(yōu)秀的特性。

ACM牌號(hào)眾多，含不同交聯(lián)單體的ACM加工時(shí)硫化體系亦不相同，據(jù)此可將ACM劃分為含氯多胺交聯(lián)型、不含氯多胺交聯(lián)型、自交聯(lián)型、羧酸銨鹽交聯(lián)型和皂交聯(lián)型5類。其中皂交聯(lián)型ACM所含交聯(lián)單體活性很高，可用多種物質(zhì)硫化，其中金屬皂/硫黃硫化體系因硫化速度快、便于調(diào)節(jié)混煉和硫化工藝、加工安全簡(jiǎn)便、不揮發(fā)、不污染、不腐蝕模具、加工性能良好、無(wú)毒環(huán)保而受到廣泛青睞。

分析國(guó)內(nèi)外ACM產(chǎn)品，挑選出適合金屬皂/硫黃硫化體系的4種不同牌號(hào)的ACM采用基本配方做性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 ACM牌號(hào)對(duì)膠料性能的影響

從表1可以看出：ACM-ACL膠料的邵爾A型硬度和壓縮永久變形最小，拉伸強(qiáng)度最大，拉斷伸長(zhǎng)率居中；ACM-200膠料的拉伸強(qiáng)度最小，拉斷伸長(zhǎng)率和壓縮永久變形最大，且該膠料混煉時(shí)容易粘輥；ACM-240和ACM-230膠料的邵爾A型硬度最大，拉伸強(qiáng)度居中，拉斷伸長(zhǎng)率較小。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合混煉工藝生膠吃料難易程度，本工作選用耐寒的低門(mén)尼粘度ACM牌號(hào)——ACM-ACL。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)劑的影響

ACM純膠強(qiáng)度很低，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，但其分子鏈結(jié)構(gòu)飽和，補(bǔ)強(qiáng)效果遜于二烯烴橡膠，通常采用各種細(xì)粒子高結(jié)構(gòu)爐黑，以保證混煉工藝性能良好。為調(diào)節(jié)工藝性能及硫化膠物理性能，亦可將粒徑不同的炭黑搭配使用。炭黑N550用量對(duì)膠料性能的影響如表2所示。

表2 炭黑N550用量對(duì)膠料性能的影響

從表2可知，隨著炭黑N550用量的增大，膠料的硬度和壓縮永久變形明顯增大，拉斷伸長(zhǎng)率逐漸減小，拉伸強(qiáng)度變化不大。

根據(jù)以往油封配方設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮，本研發(fā)采用炭黑N550和N220并用，并用比為55/15。

2.3 潤(rùn)滑劑的影響

油封唇口與軸接觸面之間存在著一層很薄的粘附油膜，這層油膜可以起到密封流體的作用，同時(shí)有助于油封唇口與軸之間的潤(rùn)滑。油封在動(dòng)態(tài)下經(jīng)常處于流體潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑和干摩擦3種狀態(tài)交替共存的環(huán)境，其中主要是流體潤(rùn)滑。為了提高油封唇口的耐磨性能，通常在油封膠料配方中添加諸如二硫化鉬、石墨粉之類的潤(rùn)滑劑，以保證油封唇口與軸的密封。

二硫化鉬和石墨粉本身具有滑膩感，摩擦因數(shù)小，均可作為潤(rùn)滑和抗摩擦材料。二硫化鉬的導(dǎo)熱性能與石墨粉相比差，石墨粉由于其特殊結(jié)構(gòu)，具有耐高溫性能佳和熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，油封唇口的溫度是影響油封使用壽命的一個(gè)重要因素，因此本工作選擇石墨粉作為潤(rùn)滑劑。石墨粉對(duì)膠料性能的影響如表3所示。

表3 石墨粉對(duì)膠料性能的影響

從表3可知，添加石墨粉后，雖然膠料熱空氣老化后的硬度變化略有減小，壓縮永久變形稍有增大，但耐磨性能明顯提高，阿克隆磨耗量降低了53%。

油封工作時(shí)經(jīng)常接觸的介質(zhì)是潤(rùn)滑油或機(jī)械油，膠料的耐油性能是保障油封正常工作的關(guān)鍵指標(biāo)。因此對(duì)添加石墨粉的膠料進(jìn)行耐油性能測(cè)試，并與未添加石墨粉的膠料進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

表4 石墨粉對(duì)膠料耐油性能的影響

從表4可知，石墨粉對(duì)膠料耐油性能的影響微乎其微。

2.4 硫化工藝參數(shù)的影響

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的ACM難以交聯(lián)，硫化反應(yīng)速度很慢，單靠平板硫化機(jī)實(shí)現(xiàn)充分硫化的時(shí)間太長(zhǎng)，效率低，需要先采用平板硫化機(jī)固定形狀并避免出現(xiàn)氣泡，再在烘箱中進(jìn)行二段硫化來(lái)達(dá)到充分硫化。

平板硫化和烘箱硫化的溫度和時(shí)間參數(shù)設(shè)定均十分重要，平板硫化應(yīng)控制適當(dāng)?shù)慕宦?lián)程度，硫化時(shí)間不宜過(guò)短，否則脫模后難以固定形狀，平板硫化條件一般設(shè)定為170 ℃×10 min。二段硫化溫度設(shè)置也不宜過(guò)高，如控制不當(dāng)，可能引起油封內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。二段硫化條件對(duì)膠料性能的影響如表5所示。

表5 二段硫化條件對(duì)膠料性能的影響

從表5可知，二段硫化條件對(duì)膠料的壓縮永久變形影響較大，溫度越高，硫化時(shí)間越長(zhǎng)，壓縮永久變形越小。

綜合考慮各因素，本工作二段硫化條件選取180 ℃×4 h。

2.5 模擬臺(tái)架試驗(yàn)

模擬臺(tái)架試驗(yàn)可以在較短時(shí)間內(nèi)觀察、分析、比較油封的質(zhì)量和使用壽命，是驗(yàn)證油封膠料配方開(kāi)發(fā)成敗的一項(xiàng)重要測(cè)試。油封模擬臺(tái)架試驗(yàn)可根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際使用條件來(lái)設(shè)定臺(tái)架試驗(yàn)條件，如溫度、速度、壓力、時(shí)間等，并可規(guī)定泄漏標(biāo)準(zhǔn)以觀察和考核油封的使用壽命。本工作采用添加和未添加石墨粉2種膠料制造了油封試樣進(jìn)行模擬臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：溫度 140 ℃，主軸轉(zhuǎn)速 3 800 r·min-1，壓力 0～0.03 MPa。

未添加石墨粉的油封試樣運(yùn)行時(shí)間為430 h，添加少量石墨粉的油封試樣運(yùn)行時(shí)間為510 h，表明添加少量石墨粉可以延長(zhǎng)油封的使用壽命。

3 結(jié)論

（1）在ACM膠料中添加適量的石墨粉能夠明顯提高膠料的耐磨性能，且對(duì)耐油性能基本無(wú)影響，從而延長(zhǎng)油封的使用壽命。

（2）旋轉(zhuǎn)油封膠料優(yōu)化配方為ACM-ACL 100，炭黑N550 55，炭黑N220 15，石墨粉 10，硬脂酸 1，硬脂酸鉀 0.8，硬脂酸鈉 2.5，防老劑445 2，硫黃 0.4；一段硫化條件為170 ℃×10 min，二段硫化條件為180 ℃×4 h。臺(tái)架試驗(yàn)表明，本研發(fā)旋轉(zhuǎn)油封使用壽命延長(zhǎng)。