橡胶油封工艺、配方设计（附配方）及密封原理

　　油封是一种精密元件,在其制作工艺中要考虑的因素很多橡胶材料的性能对油封的质量起到了决定性的作用。常用的橡胶材料有丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、丙烯酸酯橡胶等。适当的橡胶配方和加工工艺性能,能提高油封的性能和使用寿命。

　　丁腈橡胶是油封制作中最常用的橡胶材料,这主要得益于其具有良好的耐油性和低廉的价格。它是由丁二烯和丙烯腈两种单体经乳液或溶液聚合而制得的一种高分性体。丁腈橡胶是一种极性、不饱和、非结晶的橡胶。

　　丁腈橡胶的耐油性仅次于氟橡胶和聚硫橡胶;耐热性能优于天然橡胶、丁苯橡胶等通用橡胶(若配方设计得当,丁腈橡胶的最高使用温度可达130℃.在热油中可耐150℃耐磨性比天然橡胶高30%~45%;且其透气率较低,和丁基橡胶同属于气密性良好的橡胶;丁腈橡胶的耐化学腐蚀性能亦优于天然橡胶,但对强氧化性酸的抵抗能力较低。丁腈橡胶是非结晶性橡胶,无自补强性,纯胶硫化胶的拉伸强度仅为30~4.5Mpa,因此必须经补强后才具有使用价值。采用炭黑补强的硫化胶,其拉伸强度可达25-30MPa,优于丁苯橡胶。丁腈橡胶由于其分子链柔性差,并且有非结晶性,使其硫化胶的弹性、耐屈挠性、抗撕裂性及耐寒性较差,变形生热大。该橡胶的脆性温度为10~-25℃,耐寒性比一般通用橡胶都差;由于极性,导致其为半导胶,不宜做电绝缘材料;丁腈橡胶由于具有不饱和性而易受臭氧破坏,加上分子链柔性差,从而使臭氧龟裂扩展速度较快(当其在使用中与油接触时,配合时加入的抗臭氧剂易被抽出,造成防臭氧破坏的能力下降);丁腈橡胶的加工工艺性较差(即塑炼效果低,混炼操作较为困难,在塑炼、混炼加工中生热高,在压延与压出加工中收缩率和膨胀率较大),在成形时自粘性较差硫化速度较慢。

　　丁腈橡胶被广泛用来制造各种耐油制品。高丙烯腈含量的丁腈橡胶多用于制造直接和油类接触以及耐油性能要求较高的制品(如油封、O形密封圈、输油胶管、化工容器衬里、垫圈等):中丙烯腈含量的丁腈橡胶通常用于制造普通耐油制品(如耐油胶管、油箱、印刷胶辊、耐油手套等);低丙烯腈含量的丁腈橡胶用于制造耐油性要求较低的制品(如低温耐油制品和耐油减振制品等)。丁腈橡胶还可用来制作需要导出静电、避免引起火灾的制品(如纺织皮辊、阻燃运输带等)。

　　氟橡胶是主链或侧链的碳原子上含有氟原子的一种合成高分性体。氟橡胶的种类很多,主要分为偏氟乙烯氟橡胶、亚硝基类氟橡胶、全氟醚类氟橡胶和氟化磷腈类氟橡胶四大类。

　　氟橡胶是一种具有耐高温、耐油及耐多种化学药品侵蚀特性的材料,从原子角度来讲,它主要是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子的合成高分性体。

　　氟橡胶有以下几大优点:化学稳定性,它是目前所有弹性体中耐介质性能最好的一种;耐高温性氟橡胶的耐高温性和硅橡胶相当,可以说是目前弹性体中最好的(比如26型氟橡胶在250℃下可长期使用.300℃下可短期使用;而246氟橡胶的耐热比26型还好一些,在350℃热空气老化16h后、在400℃热空气老化10min后皆可保持良好弹性,含有喷雾炭黑、热裂法炭黑或碳纤维的胶料伸长率上升约1/2~1/3.强度下降1/2左右,仍可保持良好的弹性);耐老化性,具有极好的耐天候老化性能、耐臭氧性能等特质;线型氟橡胶基本配方的硫化胶线的真空条件下;力学性能,一般来说氟橡胶在高温下的压缩永久变形大,电性能较好。不过它也有一些缺点:比如低温性能不好、耐腐蚀性能差等等。造成其低温性能不好的原因是其本身的化学结构所致,如23型的T0℃。

　　氟橡胶的应用领域非常广泛,比如在汽车配件、航空与航天领域、机械密封、泵、反应器、搅拌器、压缩机外壳、阀、各类仪表和其他设备上用作阀座、阀杆的填料,以及隔膜和垫片。氟橡胶还在橡胶板行业及半导体制造行业及食品与制药等行业发挥着作用。

　　氢化丁腈橡胶(HNBR)是由丁腈橡胶(NBR经催化加氢制得的新型弹性体,加氢反应后大分子主链的不饱和双键数量大幅减少,赋予了聚合物优异的耐热性、耐候性和耐臭氧性能,胶料耐温等级从100-120℃上升到150~165℃,腈基的保留使HNBR具有与NBR同等的耐化学稳定性,少量的不饱和双键提供了硫化交联点。但由于分子结构的变化,使胶料的低温性能受到一定的影响。

　　HNBR的耐高温范围为130~180℃,耐寒范围为-55~-38℃,且力学性能优良,与其他聚合物相比更能满足汽车工业的要求。用ZnO/甲基丙烯酸(MAA)补强的HNBR可制作三角带、等规三角带、多用三角环的底层胶、隔振器等也可制备密封圈、密封件,耐热管等在石油钻井中,要求橡胶制品必须耐受高温、高压、酸、胺、H2S、CO2、CH等蒸气的考验。而用HNBR制备的各种制品,可耐酸、耐油、耐溶剂。用Zno/MAA补强的HNBR可用于制作钻井保护箱和泥浆泵用活塞。HNBR的耐热、耐辐射性能比硅橡胶、氟橡胶、聚四氯乙烯要好,适宜作发电站的各种橡电缆护套,还可作印刷和织物辊筒、武器部件及航天用密封件、覆盖层、燃油囊等:HNBR胶乳可用作表面涂层(画),纺织、纸张、皮革、金属、陶瓷、无纺布纤维用的粘合剂,以及发泡橡胶、浸渍胶乳产品等。此外,用ZnO/MAA、过氧化物、高耐磨炉黑补强的HNBR,其综合性能比普通HNBR的要好。氢化丁腈橡胶目前广泛用于油田、汽车工业等方面。

　　丙烯酸酯橡胶是以丙烯酸酯为主单体,经共聚而得的弹性体。它结构的饱和性以及带有极性酯基的侧链决定了它的主要应用性质,即需要耐热氧老化性能和耐油性能优异的场合而其耐寒、耐水、耐溶剂性能较差。

　　丙烯酸酯橡胶主链由饱和烃组成,且带有羧基,比主链上带有双键的二烯烃橡胶稳定,特别是耐热氧老化性能好,可比丁腈橡胶使用温度高出30-60℃,最高使用温度为180℃,断续或短时间使用可达200℃左右,在150℃热空气中老化数年无明显变化。

　　不同品种丙烯酸酯橡胶的耐热氧老化性能,因所含交联单体活性及所用交联剂品种的不同而有所差异,以含氯多胺交联型为最佳,皂交联型最差。但这些差别并未使它们在耐热等级上有明显区分。

　　丙烯酸酯橡胶因其带有极性酯基侧链而表现出良好的耐油性,这是丙烯酸酯橡胶的重要特性。室温下其耐油性能大体上与中高丙烯腈含量的丁腈橡胶相近,优于氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、硅橡胶。但在热油中,其性能远优于丁腈橡胶。

　　丙烯酸酯橡胶被长期浸渍在热油中,因臭氧、氧被遮蔽,因而性能比在热空气中更加稳定。可以建立这样一个概念:在低于150℃的油中,丙烯酸酯橡胶具有近似氟橡胶的耐油性能在更高温度的油中,仅次于氟橡胶。此外,其耐动物油、合成润滑油、硅酸酯类液压油性能良好丙烯酸酯橡胶被广泛应用于各种高温、耐油环境中,成为近年来汽车工业着重开发推广的一种密封材料,特别是被用于汽车的耐高温油封、曲轴、阀杆、汽缸垫、液压输油管等。

　　氟硅橡胶是一种改性硅橡胶,即硅橡胶的硅氧烷侧链上的甲基被r-三氟丙基所取代的产品。其具有优良的耐油、耐溶剂性能,对于脂肪族、芳香族和氯化烃溶剂,对石油基的各种燃料油、润滑油、液压油及某些合成油(如二酯类润滑油、硅酸酯类液压油等),在常温和高温下的稳定性都很好,还能持弹性。在浸油条件下,最高使用温度可达180℃。在常温和高温下的稳定性都很好,能在-70℃-200℃范围内长期使用,以及250℃下短期使用。耐燃、绝缘性亦好。

　　氟硅橡胶是至今应用最普遍的氟硅系列新材料。由于氟是电负性最强的元素,其与碳原子连结成的C—F键相当稳定,耐热性也较高。将氟元素引入硅氧烷中,不但具有一般硅氧烷的优越的耐热性、耐候性、憎水性、脱模性,且具有含氟化合物的防水耐油和耐溶剂等性能特点。因此,氟硅橡胶在保持了硅橡胶的耐高低温性(-70℃~200℃)、耐候性、压缩复原性、回弹性、电气特性、脱膜性等一系列优良性能的基础上,同时又具有氟橡胶的耐燃料油、耐溶剂等性能。它与氟橡胶相比,耐寒性、压缩永久变形性更优,而且物理性能对温度的依赖性小,从低温到高温都显示出了优良的性能,堪称当今世界综合性能最好的合成橡胶之一。其次,其即使不使用增塑剂也可得到低硬度的制品。因此,现已被广泛应用在宇航、飞机、汽车、石油化工、机械、人工器官等重要的工业部门及国防、交通运输、医学、电子电气等领域。尤其是作为高档汽车或飞机中与燃料油、润滑油接触的密封件、O形圈、衬垫、膜片、连接器、管类等制品而得到广泛应用。除军工业外,在民用市场方面,汽车用膜片是氟硅橡胶的最大市场。

　　除了上述五种材料外,还有很多材料也可以作为油封橡胶材料。这些橡胶材料各有各的特点和用途,即便是同一种材料也会因其配方的不同而性能大不相同。以氟硅橡胶为例,采用相同的生胶和硫化体系,但采用不同的补强填料,就会有不同的性能表现(见表1)由表1可以发现,

　　骨架油封是油封的典型代表，一般说的油封即指的是骨架油封。油封的作用一般就是将传动部件中需要润滑的部件与出力部件隔离，不至于让润滑油渗漏。骨架就如同混凝土构件里面的钢筋，起到加强的作用，并使油封能保持形状及张力。按结构形式可分单唇骨架油封和双唇骨架油封。双唇骨架油封的副唇起防尘作用，防止外界的灰尘，杂质等进入机器内部。按骨架型式可分为内包骨架油封，外露骨架油封和装配式油封。按工作条件可分为旋转骨架油封和往返式骨架油封。用于汽油发动机曲轴，柴油发动机曲轴，变速箱，差速器，减震器，发动机，车桥等部位。

　　油封是用于密封机械设备中旋转轴的封油用密封元件，而腔体基本上是静止的（见下图），所以油封又称旋转轴唇形密封圈。

　　机械的摩擦部分由于在机械运转时有油进入，为防止这些油从机械的间隙中泄漏而使用油封，并且除了油以外还需要防止水与化学药液的泄漏以及尘埃及土砂从外部侵入，这时候也要用到油封

　　油封的密封状态，一是油封外缘和腔体之间为静态密封，同时保证油封外缘在腔体之间的可靠定位。二是油封密封唇和轴之间的密封状态，当轴旋转时为动态密封，当轴静止时为静态密封。各种影响因素的综合作用及其相互作用，都对油封的密封性能和使用寿命产生了很大影响。

　　油封外部为圆筒形用来保证对腔体的静态密封-采用内包金属骨架的橡胶外缘；采用外露金属骨架的外缘，大多需要抛光和镀敷防腐涂层。

　　装有弹簧的密封唇保证轴的动态和静态密封的密封可靠性。经过长期开发研究的结果，油封的密封唇结构提高到极佳的性能，进而提高在更宽的负荷范围内的密封可靠性

　　油封主要由密封体、加强骨架和自紧螺旋弹簧等几部分组成。密封体按照不同部位又分为底部、腰部、刃口和密封唇等。下图是：带弹簧并附有防尘唇的内包骨架油封各部位主要名称和术语。

　　金属骨架就如同混凝土构件里面的钢筋，起到加强的作用，并使油封能保持形状及张力。通常，在自由状态下的骨架油封，其内径比轴径小，即具有一定的“过盈量”。因此，当油封装入油封座和轴上之后，油封刃口的压力和自紧螺旋弹簧的收缩力对轴产生一定的径向紧力，经过一段时间运行后，该压力会迅速减小乃至消失，因而，加上弹簧可以随时补偿油封自紧力，

　　油封外缘使油封在腔体孔内固定的同时，起防止流体从油封外周面与腔体内表面的接触面之间泄漏及侵入的作用。另外金属骨架是当油封固定在腔体内时，起保持配合力的作用。

　　密封唇部是柔性弹性体，设计成对机械的震动及密封流体的压力变动的影响下仍可保持稳定的密封作用，并起到保持唇部与轴表面稳定接触状态的作用。弹簧可提高密封唇向轴的压紧力，起维持此压紧力的作用。唇端部被制作成斜锲形状，在端部处按压轴表面，起密封流体的作用。

　　油封的各种不同型式，请参见：常用油封结构型式；常见NOK标准油封型式。附图：油封外缘的各种设计型式

　　油封的密封机理涉及两个因素，一个是腔体的密。