橡胶材料及其应用

橡胶密封材料及应用一、概述橡胶是一种在外力作用下能产生变形，外力取消后又可复原的高弹性材料，因此，是一种主要密封结构材料。橡胶密封垫最早是由天然橡胶制造的，因其弹性高，组织致密、质地柔软，变形可逆，易剪切成各种形状而被广泛应用。但其耐高温，耐矿物油及耐腐蚀性差，故不能作为某些特殊用途的密封材料。近年来，合成橡胶的开发和生产弥补了天然橡胶的不足。作密封制品使用的常有丁月青橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、顺丁橡胶、硅橡胶及氟橡胶等。二、天然橡胶(NR)天然橡胶是以异戊二烯为主体不饱和的天然高分子化合物。硫化后的天然橡胶弹性高，机械强度大，耐弯曲，耐撕裂，耐冲击，抗透气性好，变形生热低，可用作减震制品和轮胎制品。天然橡胶是非极性橡胶.耐某些极性溶剂，对碱和稀酸也有较好的耐蚀性，但不耐非极性溶剂，耐油性很差，也不耐浓的强酸的作用。天然橡胶在氧和臭氧作用下易老化，故很少用天然橡胶作密封件。三、合成橡胶聚异戊二烯橡胶(IR)聚异戊二烯橡胶是以异戊二稀为单体经溶液聚合而成的弹性体。它具有良好的弹性，耐热性，耐磨性和化学稳定性以及良好的高温物理机械性能。低温挠曲性优于天然橡胶，耐老化性能与天然橡胶近似，电性能，耐水性能优良，耐臭氧，耐温性能较好。常用作填料密封材料。顺丁橡胶(BR)顺丁橡胶是以丁二烯为原料聚合而成的一种通用合成橡胶。高顺丁橡胶的弹性优于天然橡胶，丁苯橡胶，聚异戊二烯橡胶，乙丙橡胶，是制作密封制品的良好材料。此外，高顺丁橡胶的低温性能也很好，玻璃化温度低至-105°C，是制作低寒地区密封制品的优良材料。这种橡胶的耐磨性，耐曲挠性好，滞后损失和生热小，这对承受多次变形的密封制品具有重要意义。该胶对浓碱溶液，稀盐酸，醇有较好的稳定性，但耐油性能不佳。丁苯橡胶丁苯橡胶是丁二烯与苯乙烯的共聚体，其耐热性，耐磨性，耐老化性能优于天然橡胶，耐低温、耐撕裂性能、回弹性不如天然橡胶。由于其耐油性、耐汽油性能不良，故不宜作耐油密封制品。但其对浓碱溶液，稀盐酸，乙醇及水则有较好的稳定性。丁青橡胶(NBR)丁青橡胶是丁二烯与丙烯青的共聚物，具有优异的耐油性能，在现有的胶种中，其耐油性仅次于聚硫橡胶，聚丙烯酸酯橡胶及氟橡胶，它还具有作为密封材料所需要的机械强度和耐磨性能，广泛用于各种动、静密封中。丁青橡胶与聚氯乙烯并用，可以进一步提高它的耐臭氧性，耐磨性，阻燃性。与三元乙丙橡胶并用也可提高它的耐臭氧性及低温弯曲性能。丁青橡胶的耐油性及低温性能与丙烯青含量有很大关系，选材时应加注意.氯丁橡胶氯丁橡胶是一种极性仅次于丁青橡胶的自补强型弹性体，物理机械性能类似天然橡胶，耐老化性，耐化学腐蚀性优于天然橡胶，是通用橡胶中最好的一种。耐油性能仅次于天然橡胶而优于其它通用橡胶。除芳烃及氯化烃油类之外，在其它溶剂中都很稳定。这种胶耐无机酸及碱的腐蚀。且是难燃性橡胶。乙丙橡胶(EPM，EPDM)乙丙橡胶是乙烯与丙烯的共聚物，耐臭氧、耐候性，耐热老化性能十分优异。电绝缘性能、耐电晕性能十分突出。特别对高压水蒸汽有优良的耐蚀性，因此，可作为高压水蒸汽装置的垫片。乙丙橡胶对各种极性化学药品，乙醇、酮，酯以及酸碱，磷酸酯工作油也有较好的稳定性。乙丙橡胶价格便宜，除用作耐化学药品，耐酸碱的密封制品外，还可用作窗户密封条，屋顶胶板等。丁基橡胶(IIR)丁基胶是由异丁烯和异戊二烯共聚而成的。最突出的特性是透气性小，是气密性最好的橡胶，可用于真空密封。丁基橡胶耐候性，电性能，减震性能优异，耐臭氧性能比天然橡胶好10倍以上。耐稀及中等浓度硫酸及硝酸的腐蚀，耐碱及极性溶剂，故适用于制作化工设备的衬里和密封。但耐脂肪族溶剂性能较差。丁基橡胶广泛用于制造耐热，耐老化，耐水的密封垫片，制造耐酸、耐碱，耐化学腐蚀的化工容器衬里，此外还用于密封动植物油、液氨的材料。聚氨酯橡胶(AU)聚氨酯橡胶有聚酯型及聚醚型两种，具有宝贵的综合物理机械性能。耐磨性能尤为突出，是丁苯橡胶的1〜3倍，天然橡胶的4倍。此外，抗撕裂、抗压、耐油、耐氧及臭氧性能也很好。聚氨酯橡胶是密封制品的理想材料，对大多数溶剂的耐蚀性优于丁月青橡胶，但耐水性差，滞后损失大。聚硫橡胶聚硫橡胶具有优异的耐溶剂性，耐大气，氧，臭氧及耐油性能良好，透气性低。液态聚硫橡胶是目前应用广泛，密封性能优异的密封材料，还可作为电子工业的密封涂层和化工容器的衬里。但耐热性一般，最高使用温度为130°C。氯醇橡胶(CHR.CHC)氯醇橡胶是饱和的强极性橡胶，故具有良好的耐油、耐溶剂，耐热、耐臭氧性及气密性。因此，可作为油压、水压密封制品及容器衬里，还可制造轴密封、阀杆密封制品。丙烯酸酯橡胶丙烯酸酯橡胶耐矿物油，耐高温，在各种油介质中其最高使用温度可达205C，耐油性能仅次于氟橡胶，耐热性能介于通用橡胶与硅橡胶、氟橡胶之间，此外，还有良好的耐臭氧性，及气密性。主要用于汽车工业活塞杆密封及变速箱密封以及回转轴密封，也可用于耐高温，耐臭氧，耐曲挠，耐日光老化、要求气密性的密封制品。硅橡胶硅橡胶的使用温度范围宽(-100〜+350C)，耐氧，臭氧老化，光老化及气候老化性能优异，电绝缘性好，透气性高，生理隋性和防霉性能突出，特种硅橡胶还具有耐油、耐辐射、耐燃烧性能。硅橡胶的不足之处是强度低，耐酸碱性差，且价格高。硅橡胶应用广泛，可制成各种型式的密封制品。氟橡胶氟橡胶耐油及耐高温性能优良，可与硅橡胶媲美。氟橡胶的最大特点是高度耐腐蚀，它对有机液体(如各种油类、燃料、溶剂，液压流体)、高浓度过氧化氢及其它强氧化剂的稳定性优于其它橡胶。国产氟橡胶分两类，即23型及26型氟橡胶。23型氟橡胶耐强氧化性酸比26型氟橡胶好，但耐芳香族溶剂、含氯有机溶剂，燃料油，液压油、脂类润滑油及沸水等较26型氟橡胶差。氟橡胶耐臭氧及耐老化性突出，长期在臭氧及日光下工作不老化，不龟裂。氟橡胶有极好的耐高真空性能，抗压缩变形性能较好，特别是26型氟橡胶，是制作密封圈，垫片类制品的良好橡胶材料。23型氟橡胶主要用作耐酸碱、耐强氧化剂的密封件，而26型氟橡胶主要用于耐高温、耐油，耐高真空以及高温油中耐辐射的密封制品，如密封圈、垫、骨架油封等。表1各种橡胶物理机械性能胶种天然橡胶聚异戊二烯橡胶顺丁橡胶丁苯橡胶丁青橡胶氯丁橡胶乙丙橡胶项目(N-R)1仰1(BR)(SBR)(NBR)(CR)(EPR)

抗张强度(MPa)25〜3520〜3018〜2515〜2015〜3025〜2715〜25伸长率(%)650〜900600〜900450〜800500〜800300〜800800〜1000400〜800最高使用温度(°C)120120120120170150150常用温度上限(°C)70〜8070〜8080〜100120120150脆性温度(C)-50〜-70-50〜-70-73-30〜-60-10〜-20-35〜-42-40〜-60耐冲击性优优良优可良良耐水性优优优良〜优优优优抗蒸汽性良良良良良劣优耐光性良良良〜优良〜优良优优耐老化良良良良可〜良优优耐氧老化劣劣劣劣〜可可良优耐臭氧老化劣劣劣劣劣优优耐燃性劣劣劣劣劣〜可良〜优劣着色稳定性良〜优良〜优良〜优良〜优劣优气密性良良劣良良〜优良〜优良〜优耐辐射可〜良可〜良劣良可〜良可〜良劣表1各种橡胶物理机械性能胶种项目丁基橡胶(IIR)聚氨酯橡胶(AU)聚硫橡胶(T)氯醇橡胶(CHR)丙烯酸酯橡胶(ACM)硅橡胶(Si)氟橡胶(FPM)抗张强度(MPa)17〜2120〜359〜1515〜207〜124〜1020〜22伸长率(%)650〜800300〜800100〜700350〜400400〜60050〜500100〜50最高使用温度(C)17080130150175315315常用温度上限(C)15080135170200200脆性温度(C)-30〜55-30〜-60+10〜-10-22〜-380〜30-70〜-120-10〜-5耐冲击性良优劣劣劣〜可劣〜可耐水性良〜优可可劣〜可良优抗蒸汽性优劣劣良优耐光性忧优优忧优优耐老化优良优优优优优耐氧老化良良优优优耐臭氧老化优优优优优优忧耐燃性劣劣〜可劣良〜优劣〜可可〜良优着色稳定性良〜优气密性优良优优良可优耐辐射劣良可〜良劣〜良可〜良可〜良表2各种橡胶耐溶剂及耐化学介质的性质胶种项目天然橡胶(NR)聚异戊二烯橡胶(IR)顺」橡胶(BR)丁苯橡胶(SBR)丁月青橡胶(NBR)氯丁(CR浓碱溶液适用适用适用适用适用适稀盐酸适用适用适用适用适用适浓盐酸受侵害受侵害不适用受侵害受侵害受侵号稀硫酸受严重侵害受严重侵害不适用受严重侵受侵害受侵号浓硫酸受严重侵害受严重侵害不适用害受严重侵受严亍浓硝酸不适用不适用不适用受严重侵害害氨水受侵害受侵害害不适用不适于液态氨受侵害受侵害不适用适用微〜匚液态氯受严重侵害受严重侵害受侵害适用胀脂肪族溶剂显著溶胀显著溶胀不适用受侵害受严重侵微〜匚芳香族溶剂显著溶胀显著溶胀不适用受严重侵害胀普通汽油显著溶脓显著溶胀微〜中溶害适用受严亍煤油显著溶胀显著溶胀胀显著溶胀微〜中溶害柴油显著溶胀显著溶胀显著溶胀显著溶胀胀微〜匚矿物油微〜中溶胀微〜中溶胀显著溶胀显著溶胀适用胀合成润滑油微〜中溶胀微〜中溶胀轻微溶胀显著溶胀适用显著手显著溶胀显著溶胀适用微〜匚微〜中溶适用胀胀适用显著手微〜中溶显著手胀微溶月显著手表2各种橡胶耐溶剂及耐化学介质^性质胶种项目丁基橡胶(IIR)聚氨酯橡胶<AU)聚硫橡胶(T)氯醇橡胶(CHR)丙烯酸酯橡胶(AcM)硅橡胶(Si)

浓碱溶液适用受侵害适用（70°C）适用可用轻微溶胀稀盐酸适用不适用可用适用可用不适用浓盐酸适用受严重侵害受侵害可用受侵害稀硫酸受侵害受严重侵害受侵害不适用受严重侵害浓硫酸受严重侵害受严重侵害受轻微侵害不适用受严重侵害浓硝酸不适用不适用受轻微侵害受侵害不适用氨水适用严重受侵害适用适用液态氨适用适用受轻微侵害液态氯发脆受轻微侵害不适用脂肪族溶剂显著溶胀微〜中溶胀适用适用显著溶胀芳香族溶剂显著溶胀显著溶胀受轻微侵害适用适用显著溶胀普通汽油显著溶胀适用适用适用不适用不适用煤油显著溶胀适用适用适用显著溶胀柴油显著溶胀适用适用适用显著溶胀矿物油显著溶胀微〜中溶胀适用适用不适用合成润滑油微〜中溶脓微〜中溶胀微〜中溶胀适用不适用四、橡胶密封制品1.橡胶密封制品的分类橡胶密封制品的种类繁多，按结构特征与密封件的形状则有油封，O形圈、各种断面密封圈、皮碗，皮圈，隔膜，阀垫，防尘罩、密封垫圈及门窗密封条。近年来，还发展了橡胶复合材料密封件及取代嵌缝材料的橡胶腻子。按使用状态可分为静密封，动密封及高真空密封用三种制品。表3橡胶密封制品的分类类另U密封制品静密封O形圈、垫圈、门窗密封条、防尘罩、垫片等动密封往复运动O形圈、各种断面密封圈、皮碗、隔膜、防尘罩等旋转运动油封、气封、O形圈等螺旋运动O形圈、各种断面密封圈，密封垫圈等高真空密封O形圈、隔膜、垫圈，垫片等2.橡胶密封件的设计原则橡胶密封件的密封，是依据密封件材料与被密封面间的接触应力及介质对接触面的湿润作用而实现的。因此可对各种类型的橡胶密封件，提出一些共同的设计原则。密封件应能在被密封的两表面之间形成一定的接触面并发生变形，增大接触面积，保证一定的接触压力。必须在结构上采取措施，既能制造自密封效应所需要的摩擦条件，又需保证提高密封件的稳定性。密封件应选用高弹性橡胶，使其在工作过程中保持良好的接触，即使是低温，也能适应被密封表面微观形状的变化而实现密封。选择密封件及其材料时，必须考虑被密封介质与材料间的湿润性，对敞开式密封槽结构(静密封)，被密封介质如能充分润湿接触面，可获得额外密封效果。对封闭式密封槽结构则相反，被密封介质应对接触面没有湿润作用，这样不会因粘附增大摩擦力，从而为密封创造有利条件。设计密封结构时应避免产生局部应力及微观和宏观局部变形，对动密封结构，被密封表面要求光滑。影响橡胶密封件密封性能的因素橡胶密封的实质，是以橡胶堵住两接触面的缝隙而实现密封，即接触面密封。影响橡胶密封件密封性能的因素常有下述几个：密封结构与接触面的形状密封结构型式有两大类，即静密封结构和动密封结构。对于静密封则以加大结合压力，使接触面达到紧密密封，对于动密封，加大载荷会使初始接触面紧密接触，但由于运动摩擦力和在运转下两接触面的相对位移，会使接触条件发生变化，使初始密封性能破坏，故要求橡胶密封件变形后的，复原速度能适应接触面的变化，即运动面上的微观不平及时由橡胶密封件堵封。橡胶密封件堵封接触面变化的速度，取决于橡胶种类的选择及胶料的配方设计。被密封表面的状态，大致分为四种：光滑表面、凸棱表面、凹槽表面及凸棱凹槽混合表面。对于静密封，增大接触面，为被密封介质造成难以通过的迷宫密封；而对动密封性能，密封件材料的永久变形要小，弹性要高，回弹能力要强。密封压力的影响橡胶密封件在一定压力范围内，外力增大，密封接触面积增加，密封件的稳定性和密封效果增强，故在允许的极限范围内可采用高弹性模量橡胶，以增强密封件的变形能力及提高密封体本身的稳定系数。为防止受压密封件的位移，保持其稳定性，可在密封件受压的另一侧装一刚性止推件，使橡胶位于封闭空间内，各向受压均匀，提高密封效果。介质压力在一定范围内有助于密封件自密封作用的产生，提高密封功效，故在选择橡胶密封件时，应考虑介质的压力。被密封介质的影响密封液体介质时，液体的粘度及对接触面的润湿程度是影响密封效果的重要因素。被密封液体粘度越高，对微观沟道接触面堵流密封效果越好。被密封液体对两接触面润湿程度良好，在它们之间就会形成较薄的液膜，起着胶粘层的作用，密封效果好，如润湿不充分，密封结构易发生泄漏而失去密封；被密封液体不湿润接触面，液体则不会渗入微观间隙，因而也无泄漏失密现象。密封气体介质时，由于气体的渗透能力强，因此应尽量堵住被密封面上的一切微观间隙。气体介质除通过接触面渗漏，还将通过密封材料本身进行扩散渗漏，特别是它在长期受压的使用条件下影响更大，必须予以注意。(4)温度及使用时间的影响橡胶有一定的适用温度范围，高于极限温度会由于老化而丧失弹性，低于极限温度即玻璃化温度时，高弹性变形受到抑制，刚性增强，故超过使用温度范围，橡胶密封件会丧失其密封性能。密封件在压力，温度、介质作用下，工作一定时间后，硫化胶自身老化，产生不可逆变形，密封性能遭到破坏，故静、动密封结构用橡胶密封件运行一段时间后要进行检查，发现失效应及时更换。五、橡胶密封件的选材作为密封材料，必须具有一定的机械性能，且与被密封介质不相溶，鉴于此，橡胶密封件选材应考虑如下材料性能：1.抗拉强度弹性体的抗拉强度一般随温度升高而下降，故作为密封件必须考虑其最高使用温度范围及高温下的机械强度。.耐磨性能材料的耐磨性能是动密封件的重要性能，耐磨