丁腈橡膠密封材料的低溫特性

摘要：通常在低溫密封情況下，密封件會出現熱漲冷縮、低溫脆性以及材料微結構上的相變等現象，在設計過程中，要特別關注密封件的結構、材料、密封預緊力等關鍵因素在低溫環境下的適用性問題。對丁腈橡膠材料的低溫特性進行試驗分析研究，結合相關實驗數據總結了丁腈橡膠材料的低溫特性，具有一定學術意義和工程參考價值。

Abstract： At low temperature seals will appear some phenomena， such as thermal expansion， low temperature brittleness and phase change of the material microstructure. Special attention should be paid to the applicability of key factors such as structure， material and pretightening force of seals at low temperature. It is a certain academic significance and engineering reference value that summed up the cryogenic property of NBR sealing materials by combining with analysis results of cryogenic property test data.

關鍵詞：橡膠密封;低溫特性;試驗;耐寒系數

Key words： rubber seals;cryogenic property;test;anti-cold coefficiency

0? 引言

隨著當今技術的蓬勃發展，人們對橡膠各方面的性能要求不斷的提高，其在各大行業中的應用也越來越廣泛，尤其是在高寒地區和航空航天領域之中，發揮著重大的作用。因此，采取有效的措施確保橡膠材料的各項力學性能刻不容緩，包括熱老化性能、低溫環境中的柔韌性等等，本文就著重探討橡膠在低溫環境中的特性。

在通常環境溫度下，低溫環境下液壓類產品發生泄漏的概率要大，其原因主要是由于低溫下密封件材料的彈性發生減小或收縮，或者硬度增大、進行密封的接觸面壓力減小了。而實際在一般情況下都會有溫度底的現象，所以，掌握材料在溫度低的情況下性能以及密封件安全工作的溫度范圍至關重要。

本文對丁腈橡膠材料的低溫特性進行試驗分析研究，結合相關實驗數據總結了丁腈橡膠材料的低溫特性，具有一定學術意義和工程參考價值。

1? 液壓橡膠密封件的密封機理

常用的自封式壓緊型液壓密封件主要是O形密封圈，它們具有結構簡單、易于制造、成本低廉等優點，因此常常被用作動密封和靜密封場合中。在密封槽中，密封件通常產生10%～25%的徑向壓縮變形，并對密封表面產生較高的初始接觸應力，從而阻止無壓力液體的泄漏。

液壓作動筒工作時，壓力液體擠壓自封式壓緊型液壓密封件，使之進一步變形，并對密封表面產生較大的壓力。逐漸增高的附加接觸應力與初始接觸應力一起共同阻止壓力液體的泄漏。當工作壓力大于10MPa時，為了避免液壓密封件的一部分被擠入密封間隙，在液壓缸或活塞往復運動中受損而造成泄漏，須在液壓密封件的受壓側安裝保護擋圈，如尼龍擋圈、聚甲醛擋圈和聚四氟乙烯擋圈等。

從廣義上講，密封機理就是在一定的外力和密封元件本身彈力的共同作用下，使密封元件緊密地貼合在配合面上，并使密封元件工作表面產生一定的接觸應力，從而阻止流體通過密封元件的配合表面，達到密封的目的。

目前，我國對用于低溫的橡膠類密封材料的研究主要集中在硅橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠和氯醚橡膠等。

2? 耐低溫丁腈橡膠的研究現狀

丁腈橡膠（NBR）是丁二烯和丙烯腈的無規共聚物，是一種耐油性非常好的彈性體，在航空航天、汽車等行業中有著廣泛的應用。但長期以來，由于他的耐低溫效果和耐油性無法得到兩全齊美，所以使用范圍有些受限。隨著丙烯腈橡膠的含量增大、其含量的提高可以為橡膠材料提供耐寒性;丙烯腈鏈段分子極性大、剛性大，不利于橡膠材料低溫性能的改善，其含量能在一定的程度上提高材料的耐性。試驗證明，當丙烯腈含量的質量分數為18%～20%時，能夠在滿足材料耐油性的前提下，使其具有優良的耐寒性[2]。

特種橡膠密封制品通常需要滿足比較苛刻的環境要求，有些制品需要滿足耐低溫以及耐油的需求。在航空航天領域，對橡膠制品提出了更高的要求，如要求橡膠制品具有超低溫油性環境下保持彈性和密封性能，耐高低溫循環沖擊等。由于氟橡膠的低溫性能較差，氟硅橡膠的承壓能力較差。因此丁腈橡膠（NBR）通常被選作能夠具有耐低溫以及耐油的材料。

通常采用丁腈橡膠與其它橡膠并用以及對橡膠大分子鏈進行改性等方法來制備耐低溫丁腈橡膠復合材料。然而，采用橡膠并用方法制備得到復合材料耐油效果一般，而大分子鏈改性的成本較高[3-4]。西安航天動力研究所的董超峰等通過優化配方，成功制備得到一種耐油以及耐低溫（脆性溫度超過-60℃）的復合材料，制備方法簡單，工藝成本也不高，具有很好的實用價值[5]。

3? 耐低溫性能測試方法

密封膠料的耐低溫性能通常采用三種測試方法：脆性溫度是指試樣在低溫下受到一定載荷的沖擊力時出現破裂的溫度，用于比較不同密封材料受沖擊載荷下柔軟性;低溫回縮溫度是在室溫下將試樣拉伸至一定長度然后固定，迅速冷卻到凍結溫度下，達到平衡后松開試片以一定速度升溫，記錄試樣回縮率及對應的溫度，這些溫度值稱為TR值，如回縮率10%時對應的溫度值稱為TR10，相同回縮率的TR溫度值越低，說明低溫性能更優;壓縮耐寒系數表征橡膠密封材料的性能，它是將試樣在室溫下壓縮到一定變形量，然后在規定溫度下冷凍，再卸除負荷讓其在低溫下恢復，恢復量與壓縮量之比稱壓縮耐寒系數，系數越大表示低溫下橡膠彈性恢復能力越強，這對評定橡膠低溫密封能力很有參考價值。

4? 低溫特性試驗研究

為研究丁腈橡膠圈低溫特性，設置了3組溫度循環試驗，具體如下：

第1組高低溫循環試驗，溫度循環周期為：-50℃→常溫→150℃×1h→常溫→-55℃;

第2組反復高低溫循環試驗，溫度循環周期同第1組;

第3組低溫循環試驗，溫度循環周期為：常溫→-55℃×1h→常溫→-55℃×1h→常溫。

①試樣在-50℃耐寒系數為0.405、0.38、0.36（第1組），-55℃耐寒系數為0.135（第2組），說明溫度越低耐寒系數越小，-55℃低溫下該膠料性能明顯下降;

②從圖1試驗結果看出，經歷1個高低溫循環周期，耐寒系數由0.135降至0.115，經歷3個高低溫循環周期后降至0.08，膠料幾乎已經沒有回彈性，說明反復高低溫對膠料影響較大;

③從圖2試驗結果看出，經歷低溫循環周期后，測試耐寒系數基本不變，說明反復低溫對該膠料性能影響很小。

5? 結論

①解決丁腈橡膠耐低溫性能的關鍵是提高橡膠分子的柔順性，橡膠的物理性能則與橡膠分子的結構、補強體系和硫化體系等配合因素有關。

②通常在低溫密封情況下，密封件出現熱漲冷縮、低溫脆性以及材料微結構上的相變等現象，在設計過程中，要特別關注密封件的結構、材料（包括密封界面結構材料、密封圈材料）、密封預緊力等關鍵因素在低溫環境下的適用性問題。

③-55℃低溫環境下丁腈橡膠密封性能會明顯下降，而反復低溫環境對其性能影響很小，但反復高溫會引起性能明顯下降，甚至喪失密封性能。

④由于橡膠制品工作環境和受載荷的工況條件不同，使用的最低溫度界定十分困難，必須綜合考慮低溫下關鍵性能的變化。

參考文獻：

[1]孟婷.耐低溫橡膠的材料研究進展[J].橡塑資源利用，2014（01）：15-18.

[2]劉莉，李榮勛，等.低溫耐油橡膠的研究進展[J].彈性體，2008，18（2）：69-74.

[3]陳翔，肖風亮，楊晨.反式聚辛烯橡膠/丁腈橡膠并用膠的性能研究[J].橡膠工業，2015，62 （3）：330-334.

[4]董添，冷傳東，李桂娟，等.丁腈橡膠/順丁橡膠-接枝馬來酸酐共混物的制備與性能[J].高分子材料科學與工程，2014，30（12）：165-170.

[5]董超峰，李東升，李曉鵬，張軒.耐低溫、耐油丁腈橡膠復合材料的制備[J].火箭推進，2016，42（4）：84-89.

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作者簡介：湯致華（1984-），本科，工程師，主要研究方向為電液旋轉作動技術。