硫化体系对丁腈橡胶动密封O形圈的影响_罗旭年.pdf

高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 1 期2 0 2 3 年 2 月Vol.2 No.1February 2 0 2 3硫化体系对丁腈橡胶动密封O形圈的影响罗旭年1，吕博1，王瑞2，何小刚1，王晔1（1.铁科纵横（天津）科技发展有限公司，天津 301700；2.北京纵横机电科技有限公司，北京 100094）摘要：研究不同硫化体系对丁腈橡胶动密封O形圈的影响。结果表明：4种硫化体系中，对于耐热老化性能和耐压缩永久变形性能，DCP、DCP/S并用硫化体系较好，EV硫化体系次之，CV硫化体系最差，耐动态疲劳性能则与上述规律相反。在高温模拟试验运用中，EV硫化体系各项指标综合最优。关键词：丁腈橡胶；动密封；O形圈；老化；疲劳中图分类号：TQ330.38+5 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.01.012丁腈橡胶因其优异的耐油性和良好的耐磨性广泛应用于油封制品中。O形圈作为油封制品的一种，可根据使用状态分为静密封和动密封1，动密封O形圈在使用过程中因受到热、磨损及疲劳等一系列因素的影响，更易发生老化造成产品失效。不同硫化体系的丁腈橡胶对以上因素的耐受程度不同，制备的动密封O形圈耐老化性能也有差异。主要研究不同硫化体系对丁腈橡胶动密封O形圈的影响，从而进一步对丁腈橡胶动密封O形圈配方设计提供参考。1 试验部分 1.1主要原材料及配方主要原材料有丁腈橡胶（NBR250S，日本JSR）、炭黑（N550、N774，卡博特）、增塑剂（RS107,日本艾迪科），其他助剂均为市售产品。主要使用的硫化促进剂种类有DCP、HVA-2、S-80、TBzTD、CZ和DTDC，不同硫化体系（DCP、DCP/S并用，CV，EV）的硫化促进剂用量如表1所示。除硫化促进剂外的其他配方用量如表2所示。1.2 试验方法及装置1.2.1胶料性能试验（1）用不同硫化体系的胶料制备试样，并依据HG/T 25792008 普通液压系统用O形橡胶密封圈材料 的要求进行热空气老化、压缩永久变形的测试。（2）用不同硫化体系的胶料制备试样，并依据GB/T 16882008 硫化橡胶 伸张疲劳的测定 和GB/T 139342006 硫化橡胶或热塑性橡胶 屈挠龟裂和裂口增长的测定（德墨西亚型）的要求进行动态疲劳性能的测试。1.2.2样品模拟试验研究的动密封O形圈为气动密封。用不同硫化体系的胶料制备试验用O形圈，规格为内径14 mm、截面直径2.65 mm，外观尺寸符合GB/T 3452.12005 液压气动用O形橡胶密封圈 第1部分：尺寸系列及公差 中对气动密封O形圈的要求，O形圈样品外观见图1。动密封O形圈多用于径向密封，其在运用过程中存在压差频繁变化的情况，为了尽量模拟动密封O形表1不同硫化体系硫化促进剂用量份数硫化促进剂DCPHVA-2S-80TBzTDCZDTDCDCP2.20.5DCP/S并用20.6251.81.5CV211EV0.42.51.61.2表2不同硫化体系除硫化促进剂外其他配方用量原料丁腈橡胶（NBR250S）氧化锌（ZnO）硬脂酸（SA）炭黑（N550）炭黑（N774）增塑剂（RS107）防老剂（RD）防老剂（445）用量/份100515035201.51.5文章编号：2097-0846（2023）01005804收稿日期：20220809；修回日期：20221028第一作者：罗旭年（1994），男。E-mail：第 1 期罗旭年等：硫化体系对丁腈橡胶动密封O形圈的影响圈的实际运动工况，设计了相应的试验工装，其示意见图2。安装O形圈的沟槽尺寸符合GB/T 3452.32005液压气动用O形橡胶密封圈 沟槽尺寸 的要求，且O形 圈 预 压 缩 量 符 合 气 动 密 封 8.55 22.00 的要求。试验过程中，脉冲进气气压为950 kPa，进气间隔周期为10 s。将试验工装放入80 热空气老化箱中持续运行30 d，取出试样按GB/T 60312017 硫化橡胶或热塑性橡胶 硬度的测定（10 IRHD100 IRHD）测试硬度，并观察其外观及断面。2 结果与讨论 2.1胶料性能试验2.1.1不同硫化体系胶料热空气老化、压缩永久变形性能不同硫化体系试样经过100/72 h热空气老化后拉断伸长率变化如图3所示，100/24 h条件下压缩永久变形如图4所示。由图 3可以看出，DCP硫化体系和 DCP/S并用硫化体系胶料耐热老化性能相对较好，EV硫化体系次之，CV硫化体系最差。这是因为DCP和DCP/S并用硫化体系主要以CC交联键为主，其键能较大，破坏其结构需要更多的能量，耐热老化性能较好；而EV硫化体系主要以CSC和CS2C交联键为主，其键能相对较低；CV硫化体系主要以CSxC交联键为主，其键能最低，耐热老化性能相对最差2。由图 4 可看出，压缩永久变形性能趋势同热空气老化后拉断伸长率 相 同，其 主 要 原 因 也 是 由 交 联 键 类 型 差 异 造成的3。2.1.2不同硫化体系胶料动态疲劳性能动密封O形圈在运用过程中会涉及到频繁压差变化而造成产品疲劳老化，对不同硫化体系胶料进行动态疲劳性能测试，其测试结果如图5所示。从图5可以看出，不同硫化体系的动态疲劳性能中CV硫化体系最优，EV硫化体系次之，DCP和DCP/S并用硫化体系最差。这主要还是由交联键类型差异造成；CV硫化体系以多硫键为主，其在屈挠或拉伸疲劳的过程中多硫键会发生断裂重排，起到释放应力的作用，耐疲劳老化性能较好。EV硫化体系以单硫键和双硫键为主，其分子链相对刚硬，对应力的适应能力差，且分子链断裂后不会进行重排，耐疲劳老化性能相对较差4。而DCP和DCP/S并用硫化体系主要交联键为图3不同硫化体系胶料热空气老化后拉断伸长率变化图2O形圈试验工装示意图图4不同硫化体系胶料压缩永久变形性能图1O形圈样品外观59高速铁路新材料第 2 卷碳碳键，其交联键刚性大，交联结构的活动性较小，橡胶分子链段受到的束缚力较大，从而造成其耐疲劳老化性能最差5。2.2样品模拟试验不同硫化体系样品在试验工装中80/30 d高温老化，并同时模拟运行工况，样品整体状态如表 3所示。4种硫化体系中EV硫化体系样品各项指标最佳，CV硫化体系次之，DCP和DCP/S并用硫化体系最差。O形圈样品在工装中进行高温模拟运行试验时，老化历程为热老化和疲劳老化并行，因其是在动态条件下试验，疲劳老化为主要老化因素。CV硫化体系交联键结构为多硫键，耐疲劳老化性能优异，耐热老化性能差，造成样品的硬度变化较小，断面轻微变形。DCP和DCP/S并用硫化体系交联键结构主要为碳碳键，耐疲劳老化性能差，耐热老化性能优异，因样品主要老化因素为疲劳老化，所以其老化程度最高，样品的硬度变化最大且断面变形严重，出现塑化、裂纹现象。EV硫化体系交联键结构为单硫和双硫键，其耐疲劳老化性能相对CV硫化体系较差，但相比DCP和DCP/S并用硫化体系要高很多，且其耐热老化性能较好，所以综合比较下EV硫化体系样品整体状态最优6。3 结论 本文通过气动密封O形圈胶料性能试验和模拟实际运用工况下的试验，研究了不同硫化体系对丁腈橡胶动密封O形圈性能的影响，得到以下结论：（1)4种硫化体系丁腈橡胶耐热老化性能及耐压缩永久变形性能为 DCP、DCP/S并用硫化体系EV硫化体系CV硫化体系，耐动态疲劳性能则与上述规律相反。（2)在高温状态下，模拟气动密封压差频繁变化的实际运用工况中，EV硫化体系O形圈样品各项指标综合最优。参考文献：1 蔡祖光.陶器工厂O形橡胶密封圈及其应用 J.陶瓷，2019，3（57）：57-60.2 王勇，周琦，高新文，等.硫化体系对NBR胶料性能的影响J.橡胶工业，2008，55（1）：28-30.3 李瑛瑜，陈龙，赵菲.硫化体系对丁腈橡胶耐油、耐低温和压变性能的影响 J.弹性体，2020，30（3）：46-49.4 项璞玉，吴友平.硫化体系对天然胶性能的影响 J.橡胶工业，2014，61（7）：389-393.5 崔雪静，苏俊杰，姜瑞玉，等.交联键与天然橡胶疲劳微观断面的相关性研究 J.现代化工，2018，38（5）：139-143.6 裘怿明，傅政，姬新生，等.不同硫化体系橡胶的疲劳断裂性能 J.合成橡胶工业，2000，23（2）：111-114.表3不同硫化体系样品老化后状态指标硬度变化/%断面状态外观状态DCP11.5变形严重，出现塑化、裂纹DCP/S并用16.5变形严重，出现轻微塑化、局部裂纹CV7.9可见变形，出现轻微裂纹EV4.7轻微变形，弹性良好，无塑化、裂纹图5不同硫化体系、胶料动态疲劳性能60第 1 期罗旭年等：硫化体系对丁腈橡胶动密封O形圈的影响Influence of Vulcanization Systems on Nitrile Rubber Dynamic Seal O-ringLUO Xunian1，LYU Bo1，WANG Rui2，HE Xiaogang1，WANG Ye1（1.Tieke Zongheng（Tianjin）Technology Development Co.，Ltd.，Tianjin 301700，China；2.Beijing Zongheng Electromechanical Technology Co.，Ltd.，Beijing 100094，China）Abstract：The influence of different vulcanization systems on nitrile rubber dynamic seal O-rings was studied.The results show that among the four vulcanization systems,the vulcanization system of DCP and DCP/S are the best in aging performance and compression set,followed by the EV vulcanization system,and the CV vulcanization system is the worst.But for dynamic fatigue performance,the results are totally opposite.In high temperature practical simulating application,the EV vulcanization system had the best indicators.Keywords：nitrile rubber;dynamic seal;O-ring;aging;fatigue(责任编辑 陈 梦)61