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氟醚橡胶的结构与耐温、耐介质耐老化性能和摩擦学性能

添加:2021-10-02 10:19 游览: 来源:

  氟醚橡胶是以全氟烷基乙烯基醚、 偏氟乙烯、四氟乙烯及交联单体等为主要原料共聚合成的高分子弹性体。其中不含偏氟乙烯成分的氟橡胶为全氟醚橡胶,其分子结构中完全不含 C—H。目前,氟醚橡胶主要由乳液共聚法合成。 表 1 列出了几种典型牌号氟醚橡胶的结构。

表1

  氟醚橡胶作为应用于航空航天领域的密封材料,其性能至关重要。表 2 对比了 DuPont 公司生产的 Viton GLT 牌号氟醚橡胶与北京航空材料研究院研制的 FM-11 氟醚橡胶的部分物理机械性能。

表2

  耐温性能

  极端低温条件下,橡胶分子的热运动会减弱,其分子链及分子链段失去弹性,导致橡胶硬度增加,使密封件失去原有的密封性能。Tg 及结晶性是影响橡胶耐低温能力的两方面因素。普通氟橡胶因氟原子极性较高,氟原子之间由吸引力产生的高势能会限制键的旋转,导致分子刚性增大,Tg 升高,表现为较差的耐低温性能,-20 ℃条件下便失去原有高弹性。合成氟醚橡胶所需的全氟烷基乙烯基醚将醚键引入聚合体系,使氧原子取代—CF2—基团,降低氟原子间吸引力,从而改善氟橡胶低温柔顺性,获得更低温度下正常工作的可能性,低温温度可达-50 ℃。

  王珍等 将 DuPont 公司生产的 Viton GLT型氟醚橡胶、俄罗斯生产的 СКФ-260 型氟醚橡胶与中国科学院上海有机氟材料研究所研制的国产普通 F 246 氟橡胶各方面性能进行了对比,通过核磁共振 19 氟谱确定了醚键的存在,用差示扫描量热法(DSC)曲线测定了3 种橡胶生胶的Tg,结果表明国外的氟醚橡胶具有更为优异的耐低温性能,压缩耐寒系数实验同样也证明了这一结果。此外,热重分析及老化实验结果表明这 3种橡胶具有相近的耐热性能。赵媛媛等对添加不同含量全氟甲基乙烯基醚(PMVE)的氟醚橡胶进行了研究,并与 F 246 普通氟橡胶进行性能对比。DSC、动态热机械分析及低温拉伸收缩实验结果表明,添加较低含量的 PMVE 在一定范围内效果不明显。随着 PMVE 添加量的增加,氟醚橡胶耐温性能得到改善,但存在上限。同时,PMVE 的加入使氟橡胶动态力学性能得到显著提高。表 3列举了几种典型牌号氟橡胶及氟醚橡胶的 Tg。

表3

  橡胶在低温下会变脆变硬而失去弹性,此温度称为脆性温度。与Tg 一样,橡胶的脆性温度也是衡量橡胶制品低温性能的指标之一。程丽君等对氟醚橡胶的脆性温度进行了硫化压力和裁切方向两方面因素的研究,结果表明,硫化压力越大,分子链排列越规整,氟醚橡胶的脆性温度也随之提高。

  氟醚橡胶含有完全或部分氟化的主链。C—F是稳定的单键之一,氟醚橡胶具备的高解离能是其具有优异耐氧老化性、热稳定性和化学稳定性的主要原因。何利万等对氮气中氟醚橡胶的分解规律进行了研究,发现其热分解温度与升温速率有一定关联。赵奇等进一步得出氟醚橡胶在氮气中的热分解温度会随升温速率的增大而提高的结论,并与相同条件下空气中的氟醚橡胶热分解行为对比。结果表明,氟醚橡胶生胶在氮气中具有更高的稳定性,其热分解温度和活化能也更高。

  耐介质及耐老化性能

  氟醚橡胶通过使用乳液共聚的方式将含醚结构单体引入原氟碳分子,使氟橡胶耐低温性能得到改善。同时,由于四氟乙烯或偏氟乙烯链节仍存在于原分子结构中,未改变原大分子主要化学结构,氟醚橡胶仍保留了氟橡胶耐油、耐高温及耐化学介质等优异性能。由于烷烃含量更多的 RP-3 航空喷气燃油在航空飞机上的使用,橡胶材料需要具备更强的耐腐蚀性能,以及应对高环境温度的耐高温耐老化性能。 刘刚等针对此种需求,开展了对氟醚橡胶力学性能、耐老化和耐介质性能的研究。红外光谱、X 射线能谱、扫描电子显微镜及动态力学性能分析结果表明,在对氟醚橡胶进行介质处理及热空气老化前后,氟醚橡胶组成元素及结构未发生改变,模量及损耗因子变化很小或基本无变化,可以满足高温燃油下正常密封的需求。

  焦冬生等及王珍等同样针对氟醚橡胶经长期老化后的力学性能等进行了研究,并将其与丁腈橡胶对比。研究结果表明,氟醚橡胶在高温下体积膨胀率小,耐油性能明显优于丁腈橡胶,在作为密封材料使用时具有更大的优势。经70 ℃和 150 ℃热空气老化 600 h 后,氟醚橡胶的力学性能均能保持稳定,而丁腈橡胶在 150 ℃下表现较差,强度下降幅度大,老化 96 h 后便完全失去弹性。在不同温度下橡胶在 RP-5 燃油介质中的性能测试结果表明,氟醚橡胶的体积和质量变化小,力学性能(拉伸强度、扯断伸长率和压缩永久变形)均优于丁腈橡胶,表现出较好的稳定性、优异的耐介质及耐热空气老化性能。

  摩擦学性能

  王昊等对氟醚橡胶的摩擦学性能及改进方面进行了探讨研究。氟醚橡胶具有较差的摩擦磨损性能,该团队将纯氟醚橡胶与离子液体改性石墨烯混合,制备了一种新型橡胶复合材料,测得其摩擦系数和磨损率分别下降了13.1% 和59.8%,可见加入离子液体改性石墨烯有效提升了氟醚橡胶的耐摩擦磨损性能,为延长橡胶密封件在动态密封环境中的使用寿命开辟了一条新的路径。

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