氟塑料包覆橡膠O 形圈的應用技術進展

李 香，戚明杰，王永樂，朱 斌

（1.合肥通用機械研究院有限公司 機械工業機械密封工程技術研究中心，合肥 230031；2.寧波伏爾肯科技股份有限公司，浙江寧波 315104；3.福建省閩旋科技股份有限公司，福建泉州 362333）

0 引言

氟塑料包覆橡膠O 形圈可分為兩類：（1）采用機械車削法由聚四氟乙烯（PTFE）材料和不同品種的橡膠O 形圈制造而成；（2）采用熔體焊接法由四氟乙烯與全氟烷基乙烯基醚的共聚物（PFA）或四氟乙烯與六氟丙烯共聚物（FEP）的氟材料與不同橡膠品種的O 形圈制造而成。產品主要包括氟橡膠、硅橡膠全包覆橡膠O 形圈，其以橡膠O 形圈為內芯，外層用氟塑料管或薄膜包覆。以特殊工藝復合而成的特種橡膠O 形圈，可應用于橡膠O 形圈無法適應的某些化學介質等特殊工作環境中，工作時密封性能由包覆的橡膠O 形圈彈性產生，而抗化學介質耐溫等特性由氟塑料包覆層保證，該產品既有橡膠O 形圈所具有的彈性、低壓縮永久變形性能，又具有氟塑料特有的耐熱、耐寒、耐油、耐磨、耐天候老化、耐化學介質腐蝕等特性［1］，可應用于流體機械等設備在特種工況下的動、靜密封場合［2-3］。

1 氟塑料包覆橡膠O 形圈的技術特點

PTFE 包覆橡膠O 形圈的結構主要有局部、單層和雙層3 種包覆形式，其結構如圖1 所示。

圖1 3 種包覆形式Fig.1 3 types of coating

由于使用工況條件差異大，橡膠的品種主要有丁腈橡膠、乙丙橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠、氟橡膠等多種化學結構橡膠類型。PFA、FEP 全包覆橡膠O 形圈的結構如圖2 所示，采用熔體焊接法制造的全包覆橡膠O 形圈國外應用較國內早20 年左右［4］，且包覆橡膠O 形圈的橡膠品種較多，有丁腈橡膠、乙丙橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠、氟橡膠及其分支的橡膠等。

圖2 包覆橡膠O 形圈結構Fig.2 Structure of rubber coated O-ring

2 氟塑料包覆橡膠O 形圈的質量要素控制及方法

2.1 質量控制

2.1.1 氟塑料包覆層材料的性能要求及選用

根據產品使用的工況條件來選擇全包覆O形圈包覆層材料，既要考慮材料本身的物理機械性能和包覆層厚度、強度，又要考慮加工工藝過程中容易出現的問題和影響質量的要素。包覆用PTFE、PFA、FEP 氟塑料的物理機械性能見表1。

表1 包覆用氟塑料的性能Tab.1 Properties of fluoroplastics for coating

2.1.2 氟塑料包覆層厚度的控制

機械車削法制造的PTFE 包覆橡膠O 形圈的厚度是根據產品設計的技術要求確定的，既要具有一定的強度又要考慮加工工藝實現的可行性和使用的可靠性。一般推薦的PTFE 薄膜厚度為0.2～0.4 mm［5］。熔體焊接法推薦的氟塑料包覆層厚度見表2。

表2 氟塑料包覆層厚度Tab.2 Thickness of fluoroplastic coating

2.2 包覆用橡膠O 形圈的質量控制及方法

機械加工法制造的PTFE 包覆橡膠O 形圈產品是根據用戶提出的使用工況條件和產品結構尺寸、安裝精度要求來選擇適宜的橡膠品種，經科學設計膠料配方及工藝加工，使硫化膠的物理機械性能：硬度、強度、彈性、老化及壓縮永久變形、收縮特性達到設計要求的橡膠O 形圈的質量水平。FEP、PFA 包覆用橡膠O 形圈的性能水平見表3［6-8］。

表3 熔體焊接法制造包覆用橡膠O 形圈硫化膠的物理機械性能Tab.3 Physical and mechanical properties of rubber O-ring vulcanizates for coating by melt welding

2.3 新修訂標準中FEP、PFA 氟塑料全包覆橡膠O 形圈的性能和使用溫度范圍

新修訂標準中氟塑料全包覆橡膠O 形圈的性能見表4，使用溫度范圍見表5［5］。

表4 氟塑料全包覆橡膠O形圈性能Tab.4 Properties of fluoroplastic fully coated rubber O-ring

表5 氟塑料全包覆橡膠O形圈的使用溫度范圍Tab.5 Application temperature range of fluoroplastic fully coated rubber O-ring ℃

2.4 氟塑料包覆橡膠O 形圈標準及試驗方法的修訂

隨著科學技術的進步，生產工藝設備的提高，環保意識的增強，當前我國氟材料質量水平有了一定的提高，有的品種甚至可與國外同類型產品質量媲美，再加上制造技術的提高因而促進了氟塑料包覆橡膠O 形圈的應用技術的發展，其主要技術標準和試驗方法的修訂內容變化如下［6］：

（1）修訂了規范性應用文件。

（2）修訂了壓縮永久變形數值，具體見表6。

表6 壓縮永久變形（壓縮率15%）對比Tab.6 Comparison of compression set(15% compression rate) %

（3）提高了溫度使用范圍。PFA 的最高使用溫度由200 ℃調整為220 ℃。

（4）修訂了壓縮永久變形測試方法和試驗溫度條件。原標準壓縮永久變形按GB/T 7759 的規定進行，修訂后詳細的規定了具體的試驗方法，明確了尺寸測量方法、試驗條件、試驗方法、試驗結果計算方法。

（5）修改了檢驗規定。原標準檢驗規則僅規定了出廠檢驗相關內容，修訂后將檢驗分為出廠檢驗和型式試驗，并明確了出廠檢驗和型式試驗的檢驗項目與抽樣方法。

（6）延長了產品的存儲年限：即貯存在溫度為-15～35 ℃、相對濕度不大于80%的環境中，貯存期為5 年。

3 結語

氟塑料全包覆橡膠O 形圈因其特有的耐熱、耐寒、耐油、耐磨、耐老化、耐化學腐蝕等特性，廣泛應用于-60～220 ℃溫度范圍內，除鹵化物、熔融堿金屬、氟碳化合物外的各種介質的密封場合。其結構尺寸設計、制造、材料、焊接工藝、性能測試、安裝使用等方面涉及到流體力學、材料學、焊接工藝學、物理化學等多學科知識的應用［7］。通過氟塑料包覆材料的選取、包覆層厚度的控制、橡膠O 形圈質量等方面的控制可以有效提高氟塑料包覆橡膠O 形圈的質量。隨著技術的發展，工藝、設備的改進，氟塑料全包覆橡膠O 形圈的性能不斷提高，應用范圍也不斷擴大。