環(huán)境因素對手表用UPE塑料密封圈性能的影響研究

孔晶，王永寧，宋鵬濤，謝逸，劉海華

(珠海羅西尼表業(yè)有限公司，廣東珠海519015)

超高分子聚乙烯(簡稱“UPE”)［1－4］一般是指粘均分子量大于150萬的線型聚乙烯，是綜合性能最好的工程塑料之一，常被用作高分子摩擦符合材料基體，其優(yōu)異的性能主要表現(xiàn)在:(1)耐沖擊性能好;(2)耐磨損性能極好，是目前耐磨損性能最好的工程塑料之一;(3)摩擦系數(shù)小;(4)無味、無毒，因此也被手表制作師用于手表表殼的密封圈中;(5)耐各種化學(xué)藥品的腐蝕，且吸水性極低，在水中不膨脹。

本文所述的手表表殼的密封圈主要用于表玻璃與表殼間的配合墊圈，在人們使用手表中會遇到各種環(huán)境的影響，比如近赤道的高溫環(huán)境、強(qiáng)烈的紫外線照射、寒冷冬天室內(nèi)外溫差、海洋氣候或人工汗液的侵蝕等，密封圈在遇到各種惡劣的環(huán)境會產(chǎn)生老化，目前對用于手表表殼密封圈的性能罕見報道，本文模擬各種氣候和使用環(huán)境分析了UPE材質(zhì)的密封圈的耐老化性能和力學(xué)性能，旨在為手表表殼中密封圈的使用提供理論參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

采用UPE材料制作的塑料密封圈。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1紫外光暴露試驗(yàn)

該試驗(yàn)參照GB/T 16422.3－1997《塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法—第3部分:熒光紫外燈》進(jìn)行。

抽取5個試樣，在黑標(biāo)準(zhǔn)溫度60℃±3℃下輻照暴露4h，然后，在黑標(biāo)準(zhǔn)溫度50℃±3℃下無輻照冷凝暴露4h。如此循環(huán)15次，試驗(yàn)總時間為120h，試驗(yàn)在HK-UV型紫外線耐候試驗(yàn)箱中進(jìn)行。試驗(yàn)后，觀察密封圈是否變色，并測試試驗(yàn)后的斷裂拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，求出密封圈的紫外光暴露試驗(yàn)后的老化系數(shù)。

1.2.2濕熱老化試驗(yàn)

該試驗(yàn)參照GB/T 15905－1995《硫化橡膠濕熱老化試驗(yàn)》進(jìn)行。

抽取5個試樣進(jìn)行濕熱老化性能測試，采用HK－80L型可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)，將設(shè)備溫度調(diào)至70℃，相對濕度調(diào)至93%±2%，穩(wěn)定后，把試樣呈自由狀態(tài)懸掛在箱內(nèi)進(jìn)行老化試驗(yàn)，試樣彼此之間的距離≥10mm，距離恒溫箱壁≥100mm(之后試驗(yàn)均按此懸掛試樣)。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，測定其斷裂拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，求出密封圈的濕熱老化系數(shù)，并與老化前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

1.2.3溫度循環(huán)試驗(yàn)

該試驗(yàn)參照GB/T 15905－1995《硫化橡膠濕熱老化試驗(yàn)》進(jìn)行。

抽取5個試樣進(jìn)行溫度循環(huán)測試，采用HK－80L型可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)，該試驗(yàn)的循環(huán)溫度下限為－(20±2)℃，上限為(40±2)℃，溫度上下限升降以4h+4h進(jìn)行交變循環(huán)，共循環(huán)3次，試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，測定其斷裂拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，求出密封圈的溫度循環(huán)老化系數(shù)，并與原始試樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

1.2.4極限冷凍試驗(yàn)

抽取5個試樣進(jìn)行溫度循環(huán)測試，采用HK－80L型可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為－(30±2)℃，試驗(yàn)時間為30h，試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，測定其斷裂拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，求出密封圈的溫度循環(huán)老化系數(shù)，并與原始試樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

1.2.5耐人工汗腐蝕性

所用人工汗溶液成分:氯化鈉20g/L，氯化銨17.5g/L，尿素5g/L，醋酸2.5g/L，乳酸17.5g/L，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH至4.7。

采用HK－058精密高溫烘箱進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為40±2℃，試驗(yàn)時間為48h，試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，觀察試驗(yàn)后密封圈有無腐蝕、變色和長霉現(xiàn)象，用清水將人工汗液洗凈，測定其斷裂拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，并與原始試樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

1.3 分析與測試

1.3.1 表面形貌

采用日本VHX－500F型超景深數(shù)碼顯微鏡觀察手表所用密封圈的表面放大形貌，并用數(shù)碼相機(jī)拍攝全貌。

1.3.2 力學(xué)性能［5］測試與計(jì)算

采用電子拉力試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 528－2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》測試?yán)煨阅堋?/p>

計(jì)算方法:

拉斷伸長率用百分比的形式a來表示:

式中，a—密封圈拉斷伸長率(%);

A—密封圈實(shí)驗(yàn)室條件下的拉斷伸長長度(mm);

B—密封圈的自然長度(mm)。

1.3.3 老化系數(shù)的計(jì)算

老化系數(shù)使用E表示:

式中，E—密封圈老化系數(shù)(%);

C—密封圈老化試驗(yàn)或冷凍試驗(yàn)后的性能數(shù)據(jù)(mm);

D—密封圈老化試驗(yàn)或冷凍試驗(yàn)前的性能數(shù)據(jù)(mm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 UPE塑料密封圈的表面形貌及基本性能

本研究對UPE塑料密封圈的原始基本性能進(jìn)行測試，因Zytel材料［6］是一種含玻璃纖維和凱夫拉爾的熱塑膠，在手表表殼密封圈中也有著廣泛應(yīng)用，本文將UPE塑料密封圈與相同尺寸的傳統(tǒng)Zytel材質(zhì)密封圈的性能進(jìn)行對比，圖1為UPE和傳統(tǒng)Zytel材質(zhì)的密封圈宏觀形貌，表1為UPE和傳統(tǒng)Zytel材質(zhì)密封圈在實(shí)驗(yàn)室條件下(溫度為23℃，濕度60%)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)表。可以看出，傳統(tǒng)Zytel材質(zhì)密封圈較易斷裂，UPE材料的密封圈的斷裂拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率明顯大于Zytel材料，可顯著提高密封圈的使用可靠性。

圖1 UPE和傳統(tǒng)Zytel密封圈的宏觀形貌Figure 1The macro profile of UPE and traditional Zytel seal ring

表1 UPE和傳統(tǒng)Zytel密封圈的基本性能Table 1 Basic properties of UPE and traditional Zytel seal ring

因密封圈在表殼內(nèi)部，表面的加工情況直接影響到零件之間的配合，同時，若O型料不易加工、較易產(chǎn)生毛刺則會直接影響機(jī)心的走時，因此表面加工情況對密封圈在手表中的使用尤為重要，圖2為UPE密封圈表面200倍放大形貌，可以看出UPE塑料密封圈的加工紋路清晰、無毛刺，適合作為表殼內(nèi)部材料使用。

圖2 UPE塑料密封圈的表面放大形貌Figure 2The enlarge surface morphology of UPE plastic seal ring

2.2 紫外光暴露對UPE塑料密封圈性能的影響

圖3 UPE塑料密封圈紫外光暴露試驗(yàn)前后的力學(xué)性能Figure 3Mechanical properties before and after UV light exposure test for UPE plastic seal ring

在人們佩戴手表時常受到室外紫外線的照射，尤其是在炎熱的夏天，光照強(qiáng)度高，因此密封圈需具備良好的耐紫外光老化性能，圖3為紫外光暴露試驗(yàn)前后的力學(xué)性能對照圖，可以看出經(jīng)過紫外光暴露120h后，斷裂拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率均有所降低，經(jīng)計(jì)算，該項(xiàng)測試后密封圈的老化系數(shù)E為0.86，接近1，仍保持正常?？梢娫揢PE塑料密封圈具有較好的耐紫外光老化性能。

2.3 濕熱老化對UPE塑料密封圈性能的影響

在中國的南部地區(qū)，高溫高濕使材料腐蝕老化，是一切材料的天敵，密封圈應(yīng)具備在此環(huán)境甚至更加惡劣的環(huán)境下，可正常使用的性能。

圖4為UPE塑料密封圈濕熱老化試驗(yàn)的數(shù)據(jù)圖。從圖4可以看出，經(jīng)過70(±2)℃，濕度為93%(±2%)的條件下老化72h后，該UPE塑料密封圈的斷裂拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率均略有下降，經(jīng)計(jì)算，其老化系數(shù)E為0.96，極接近1，仍保持正常。可見UPE塑料密封圈具有較好的耐濕熱性能，可在潮濕高溫的條件下使用，而不易喪失其性能。

圖4 UPE塑料密封圈濕熱老化試驗(yàn)前后的力學(xué)性能Figure 4Mechanical properties before and after hygrothermal aging test for UPE plastic seal ring

2.4 溫度循環(huán)對UPE塑料密封圈性能的影響

根據(jù)人們的實(shí)際使用環(huán)境，我們對其進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，經(jīng)過3次溫度循環(huán)后，密封圈的拉斷伸長率較試驗(yàn)前變化不大，斷裂拉伸強(qiáng)度由原始的60.8N降低至58.8N，伸長率由原始的230%降低至224%，如圖5所示，經(jīng)計(jì)算，其老化系數(shù)E為0.97，極接近1，其性能幾乎未喪失，仍保持正常?？梢奤PE塑料密封圈有較好的耐溫度循環(huán)性能。

圖5 UPE塑料密封圈溫度循環(huán)試驗(yàn)前后的力學(xué)性能Figure 5Mechanical properties before and after temperature cycle aging test for UPE plastic seal ring

2.5 極限冷凍對UPE塑料密封圈性能的影響

在中國的北部地區(qū)，冬季的氣溫會低至零下30℃～40℃左右［7］，而UPE塑料密封圈作為手表的密封圈，必須具備在此溫度甚至更加惡劣的環(huán)境下，不喪失其性能的性能，因此，有必要對其進(jìn)行極限冷凍試驗(yàn)。

本試驗(yàn)在－20℃的條件下冷凍30h后，迅速取出試樣，該UPE塑料密封圈并沒有出現(xiàn)硬化、變色和龜裂現(xiàn)象。

圖6為UPE塑料密封圈極限冷凍試驗(yàn)前后的力學(xué)性能圖。從圖中可以看出，冷凍試驗(yàn)前后的斷裂拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率變化不大，斷裂拉伸強(qiáng)度由原始的60.8N降低至54.9N，伸長率由原始的230%降低至223%，E≈1。由此可見，此UPE塑料密封圈具有較好的抗冷凍性能，可在低溫條件下使用，而不易喪失其性能。

圖6 UPE塑料密封圈極限冷凍試驗(yàn)前后的力學(xué)性能Figure 6Mechanical properties before and after limit freezing test for UPE plastic seal ring

2.6 人工汗對UPE塑料密封圈性能的影響

暴露于自然環(huán)境中使用的橡膠材料，會受到空氣中水分或其他條件的影響，如在鹽污地區(qū)，極易受到鹽霧的影響，因而有必要分析其耐腐蝕性能［8］。

圖7為UPE塑料密封圈耐人工汗腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。從圖中可以看出，人工汗腐蝕試驗(yàn)48h后，該UPE塑料密封圈無變色、腐蝕現(xiàn)象，其斷裂拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率變化不大，斷裂拉伸強(qiáng)度由原始的60.8N降低至52.9N，伸長率由原始的230%降低至221%，E≈1。由此可見，此UPE塑料密封圈的耐人工汗腐蝕性能較好。

圖7 UPE塑料密封圈人工汗試驗(yàn)前后的力學(xué)性能Figure 7Mechanical properties before and after artificial sweat test for UPE plastic seal ring

3 結(jié)論

(a)UPE材料加工出的密封圈表面質(zhì)量良好，UPE材料的斷裂拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率明顯大于Zytel材料，可顯著提高手表密封圈使用的可靠性。

(b)UPE塑料密封圈經(jīng)過紫外光老化、濕熱老化、溫度循環(huán)老化和極限冷凍試驗(yàn)后的斷裂拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率均略有降低但變化不大，老化系數(shù)E均接近1。該UPE塑料密封圈具有較好的耐紫外光老化性能、耐濕熱老化性能、耐溫度循環(huán)老化性能和耐極限冷凍性能。

(c)人工汗腐蝕試驗(yàn)48h后，UPE塑料密封圈無變色、腐蝕現(xiàn)象，其斷裂拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率變化不大，老化系數(shù)E≈1。UPE塑料密封圈的耐人工汗腐蝕性能良好。

［1］劉云湘，袁輝，劉延華.UHMWPE/PE共混流動改性的研究［J］.塑料工業(yè)，2004，33(3):49－51.

［2］勵杭泉，汪曉東，金日光.PP/UHMWPE合金的亞微相態(tài)與流變性質(zhì)［J］.高分子材料科學(xué)與工程，1994，(1):113－117.

［3］明艷，賈潤禮.UHMWPE/PP的共混改性［J］.塑料，2003，32(2):26－29.

［4］劉秧生，高萬振.UHMUPE材料制備技術(shù)及其摩擦學(xué)應(yīng)用［J］.材料保護(hù)，2004，7(37):113－116.

［5］劉廣緒，孫秀娟，張軍，等.橡膠O型圈的力學(xué)性能的檢測［J］.橡塑資源利用，2008，42(5):18－20.

［6］談恩銘.耐高溫尼龍—ZytelHTN［J］.化工新型材料，2002，30(6):52－53.

［7］王菱，謝賢群，蘇文，等.中國北方地區(qū)50年來最高和最低氣溫變化及其影響［J］.2004，19(3):337－342.

［8］王思靜，熊金平，左禹.橡膠老化機(jī)理與研究方法進(jìn)展［J］.合成材料老化與應(yīng)用.2009，38(2):23－33.