青海氟橡胶热硫化粘接剂厂商
在汽车工业中的典型应用
汽车领域占氟橡胶热硫化胶水用量的60%以上,主要用于燃油系统密封件的修复与制造。燃油泵法兰密封圈的现场硫化修复可避免总成更换,节约成本70%以上;涡轮增压器进气管的氟橡胶-金属粘接需耐受150℃高温和振动负荷;变速箱油封的翻新采用专用胶水硫化后,使用寿命可达8万公里。电动汽车电池冷却系统的氟橡胶密封同样依赖此类胶水,要求同时满足绝缘性(耐压>5kV)和导热性(>1W/m·K)的特殊配方正在快速发展。
引言
氟橡胶中含有氟原子,氟原子与碳原子组成的C-F键性能很高,同时氟原子有大的吸附效应,有赖于这种的分子结构,使得氟橡胶具有的耐热性、耐品性、耐溶剂性、耐氟化性、耐真空性、耐油性、耐老化等多种性能。氟橡胶早应用于航空领域,但应用广泛的是在汽车领域,占应用总量的60% ~ 70%。因此,从实际应用的角度出发,确保选择合适的氟橡胶是十分重要的。
1 分类[1-2]
FKM(美国)及FPM(欧洲)均为偏氟乙烯系氟橡胶的缩写,只因地域不同而有所差异,1956年首先由杜邦公司生产,商标为VITON。因为杜邦的度过高,很多人认为VITON就是FKM,但其实不然。氟橡胶的种类很多,性能也不尽相同。根据化学组成的不同,氟橡胶可大体上分为氟碳橡胶、氟硅橡胶、氟化磷腈橡胶。目前,比较常见的氟橡胶为以下几类:
1)氟橡胶23,国内俗称1号胶,为偏氟乙烯和三氟氯乙烯共聚物;
2)氟橡胶26,国内俗称2号胶,杜邦牌号VITON A,为偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物,综合性能优于氟橡胶23;
3)氟橡胶246,国内俗称3号胶,杜邦牌号VITON B,为偏氟乙烯、四氟乙烯、六氟丙烯三元共聚物,氟含量高于氟橡胶26,耐溶剂性能较好;
4)氟橡胶TP,国内俗称四丙氟橡胶FEPM,旭硝子牌号Aflas,为四氟乙烯和碳氢丙烯共聚物,耐水蒸气和耐碱性能;
5)偏氟醚橡胶,杜邦牌号VITON GLT,为偏氟乙烯、四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、硫化点单体四元共聚物,低温性能;
6)全氟醚橡胶,简称FFKM,杜邦牌号Kalrez,低温性能,氟含量高,耐溶剂性能;
7)氟硅橡胶,低温性能,具有一定的耐溶剂性能。
2 性能分析与对比
2.1 机理分析
氟元素是已知的化学元素中电负性强的元素,C-F键能很高,如表1所示。氟原子半径很小,相当于C-C键长的一半,这使得氟原子能紧密的排列在碳原子的周围,形成了C-C键的保护屏障,这赋予了含氟高分子弹性体C-C键的化学惰性。
另外,由于氟原子的存在,在其强吸电子效应和对C-C键屏蔽保护作用下,使C-C键的键长缩短,键能增加。不仅如此,氟化了的碳原子与其他原子结合的键能也相应的有所提高,从而提高了含氟高分子弹性体的耐热性和耐腐蚀性,如表2。同时,氟原子也使含氟化合物化学键的自由旋转能大为增加,使氟碳弹性体分子的刚性增强,柔性和耐低温性能有所下降,如表3[3-4]。
表1 键能对比
表2 氟化碳原子和非氟化碳原子与其他原子生成的化学键键能比较
表3 含氟化合物化学键的自由旋转能
2.2 试验结果对比
通过大量的对比试验,我们发现氟橡胶与其他类别相比,性能十分(见图1-4及表4)[3-4]。它的气体透过性较低,适用于高真空装置、隔断外界气体的用途;力学性能较好,但常温下弹性较差,其伸长率一般为150%~300%,撕裂强度20~40KN/n,拉伸强度10~25MPa;耐高温性能较好,氟橡胶26可在200~ 250℃范围内长期工作,或在300℃下短期工作,但耐低温性能一般,能保持弹性的限温度范围为-15~20℃。
图1耐热性与耐油性的对比
图2耐燃油性能对比
图3燃料透过性的对比
图4 压缩永久变形量对比
图5 各类橡胶的耐温曲线
表4 常用橡胶的气体透过系数(cm3 mm/24h m2 atm)
从氟橡胶的生产工艺来看,它的配方一般包括生胶、硫化剂(交联剂)、催化剂、补强剂和助剂等几个方面。在满足所需交联度的条件下,硫化剂应尽量少用,虽然增加补强剂对机械强度的提高和电性能有利,但用量也不宜过多,否则对耐热性有很大影响。因此,生产工艺中氟含量、分子量、分子量分布、硫化剂浓度等系数的差异往往也是造成氟橡胶间特性差异的主要原因,如表5-9及图6所示[5-6]。
表5 含氟量与各特性间的关系
图6氟含量与耐甲醇、耐丙酮的关系
表6 硫化方法与特性间的关系
表7 分子量与特性间的关系
表8 分子量分布的影响
表9 硫化剂与硫化促进剂与特性间的关系
3 四丙氟橡胶FEPM、全氟醚橡胶FFKM与偏氟乙烯系氟橡胶FKM[7-8]
3.1 FEPM与FKM
FEPM与一般的FKM有很大区别,由于其不同的分子结构,它对碱、胺具有的耐久性能。同时具有耐热性以及电气缘性,由于耐蒸汽性较好,所以可用于其他FKM无法使用的用途中。具有偏氟乙烯单体的FKM对碱的耐久性相对较弱,相反,对汽油性的耐久性和低温柔软性都较好,图7是FEPM与FKM(二元系、三元系)的比较,我们由此也可以看出它们具有不同的特性,即使同属于氟橡胶,所擅长的领域也不同,因此,根据性能要求,需分开使用。
A FEPM与FKM不同的分子结构
B Aflas(100系列)与FKM(二元系)的性能差异
图7 FEPM与FKM(二元系、三元系)的比较
3.2 FFKM与FKM
FFKM主要由四氟乙烯、全氟烷基乙烯基醚为主要单体,并与少量带硫化点的第三单体共聚而成。具有对高温及化学品及其稳定的结构,可抵抗1600多种化学品的腐蚀,其性有助于保持密封的完整性和性。这种突出的实用价值使它在工业上具有各种各样的应用。它的开发和应用代表了氟橡胶发展的高点。图8和表10是FFKM与FKM的比较,对比发现由于主链的四氟乙烯被氟化,性能发生了质的飞越。图9则是Kalrez常用牌号类型,可满足各种苛刻工况的要求。
alrez与FKM不同的分子结构
B Kalrez与FKM分别浸泡在丙酮、甲苯等有机介质中
(16分钟后FKM明显溶胀)
图8 FFKM与FKM的比较
表10 Kalrez与FKM不同介质中的体积增加率
图9各类苛刻工况下的Kalrez常用牌号
4 展望
氟橡胶因其的性能,已经得到了越来越广泛的应用,很好地解决了苛刻条件下的密封问题。随着人们对氟橡胶制造工艺的不断改进和应用的深入研究,未来,这一综合性能佳的密封材料势必在更多的领域得到推广应用。
参考文献
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3. 氟橡胶的配合技术
一个氟橡胶的配方,一般是由生胶、吸酸剂、硫化剂、促进剂、补强填充剂、加工助剂等组成。
(1) 生胶
国产氟橡胶和国外的氟橡胶的性能基本相同,只是加工性能有些差异,国产胶的加工性能较差,主要是门尼粘度较高,相应影响胶料加工流动性差。
国产氟橡胶26相当于美国杜邦公司的VitonA,氟橡胶246相当于VitonB,国外的氟橡胶生胶,有不少已加好了硫化剂,美国3M公司和日本大金公司供应的氟橡胶已经加好了硫化剂。
(2) 硫化剂
硫化是使氟橡胶产生一定程度的交联,使其具有良好的使用性能。氟橡胶硫化可以采用亲核试
剂的离子加成机理进行,也可以以过氧化物或射线以自由基机理进行。
胺类化合物(1#、3#硫化剂)硫化氟橡胶,可以解决一般产品的要求;采用2#硫化剂,可以解决胶浆的加工。
在密封制品中,为使其有较小的压缩变形值,应优先选用酚类化合物作为硫化剂。如对苯二酚、双酚A、双酚AF等,并配用相应的促进剂,以适合高层次的性能要求。
在解决腐蚀介质的抗耐性上,建议采用过氧化物硫化氟橡胶。
(3) 吸酸剂
吸酸剂也称为稳定剂。它是为了解决氟橡胶加工过程产生氟化氢对金属的腐蚀和污染,使硫化反应顺利进行。Ca(OH)2等。一般采用
MgO、CaO、ZnO、PbO、二盐基亚磷酸铅,其用量一般在5 ~10份。它们的加入各有特点:MgO耐热性好; PbO
耐酸性好;CaO压缩变形小;对消除气泡有利;ZnO和二盐基亚磷酸铅,胶料流动性得到改善,耐水性好;Ca(OH)2压缩变形小,加入Ca(OH)2和活性MgO,在酚类硫化体系中,可得到低压缩变形的胶料。总之,要选择合适的吸酸剂,以满足实际性能的要求。
(4) 补强填充剂
氟橡胶是一种自补强性能的橡胶。由于性能要求和用途的不同,需要通过补强、填充体系进行调节,使其功能和成本适应用户的需要。一般用量在10-30份之间。目前常用的补强填充剂大致上有热裂法炭黑(N-990)、喷雾碳黑、白炭黑、硫酸钙、硫酸钡、氧化钙、炭纤维等。
用加拿大的N990炭黑或喷雾碳黑,在黑制品中均取得较好的加工工艺和相应的物理性能。
加入20份炭纤维的氟橡胶,胶料流动性好,加工硫化复杂形状产品之后,其外观好于N-990和喷雾碳黑,表面光滑。由于炭纤维的胶料导热系数大,适合高速运动橡胶件的使用。应该指明的是加入炭纤维的成本高,其伸长率低。
彩氟橡胶制品可以使用白炭黑、钛白、氟化钙、碳酸钙等,并配用相应的颜料即可得到相应的胶料。但是,在加工压缩型密封制品时,在选用彩原料时,要注意颜料与高温的合理匹配,还要控制胶料的压缩变形值,以使产品适应压缩下的工作需要。
(5)加工助剂
加工助剂是近年来氟橡胶加工的一大进步,它是在不影响胶料发挥的前提下,能改善氟橡胶的混炼工艺,焦烧,改进胶料的流动性和压出性能,并能在加工中粘辊、粘模,起到外脱模剂的作用。
在氟橡胶的加工中,已出现过氟蜡、低分子聚乙烯、硬脂酸锌、Ws280、棕榈蜡、模特丽935P等新的加工助剂,为氟橡胶的加工和应用提供了新的手段。它的加入量在1-2份。
4. 氟橡胶的加工工艺
氟橡胶的加工过程和使用设备、加工方法,和一般橡胶相同。由于它的结构特点,它的加工
性能较差,以下简要叙述一下。
(1) 塑炼:生胶在辊距0.3~0.5mm的开炼机薄通10次,包辊即可加入配合剂。
(2) 混炼:
容量:氟橡胶的容量比合成胶还要小。
63混炼机 500克
143混炼机 5000克
辊温:40-60℃
加料顺序: 生胶→吸酸剂→加工助剂→填充剂→硫化促进剂。
配合剂加完,均匀、薄通打三角包、打卷、放下后片。
(3) 硫化
一段 165-170℃ ×10min
二段 230℃×24h(要逐步加温,到230℃后,恒温记时。
5. 氟橡胶于金属粘合
金属件采用金属喷砂或盐酸浸泡,清洗干净,建议采用CHEMLOK5150或首立公司PC-22作为金属粘合剂。(详细操作可参考相应公司的规定)
6. 国内外氟橡胶的性能对比
表5是国内外氟橡胶的性能对比情况,可以看出,国产胶的试验数据与美国杜邦、3M、日本大
金公司及德国K.G.K所报道的数据比较接近,常态下的拉伸强度数据有较大差异,伸长率的波动范围基本一致。但是,在相同硬度下的伸长率,国产的数据低于国外的数值。
表5.国内外氟橡胶的性能对比
性能
铁岭
3M公司1
杜邦公司2
大金公司3
K.G.K4
苏联5
拉伸强度MPa
9-20
9-19
8.9-17.2
17.2
14.2
7.0
伸长率 %
130-180
100-500
100-300
250
228
225
硬度 (邵氏A)
65-95
65-95
70
76
70-85
撕裂强度 KN/m
18-35
压缩变形 %
(B法3.5mm O型圈)
23℃×70h
9-16
13
200℃×70h
18-80
10-30
20-70
20
26
200℃×24h
70-100
【1】《R、C、T》VOL55No3
【2】杜邦公司样本VT210·1 编号81/06
【3】大金公司样本
【4】《K.G.K》No2 P111(1989)
【5】ΝΡΠ-1144
关于200℃×70h压缩变形,因为我们是按照GB1683进行测试,它的样品是10×10㎜的圆柱体,所得的数值要比环形式样(3.5㎜)大。因此,我们的压缩变形数值,还是比较好的。应该说明的是:氟橡胶的压缩变形是一个关键。杜邦公司进行大量工作,他们研究出来的低压缩变形氟橡胶,在200℃×336h压缩变形为19%。200℃×1000h时为37%。这样的数据,目前,我们是达不到的。
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1 偏氟乙烯系氟橡胶( FKM)
FKM 自 1957 年由美国 Dupont 公司商品化后,目前已成为氟橡胶中被使用多的产品。它以偏氟乙烯( VDF)为主要成分,与六氟乙烯( HEP)共聚,或进一步再与四氟乙烯( TFE)反应而成。
1.1 合成方法
FKM 通常采用乳液聚合实施方法,以过硫酸钾或过硫酸铵这类无机过氧化物自由基聚合引发剂引发,含氟乳化剂乳化,控制反应温度为 60~110摄氏度,以 8~15kg/cm 2 *G 左右的压力提供单体,反应数小时后得到含量20%~30%的乳液,破乳后洗涤干燥后得到聚合物氟橡胶。
市售 VDF 与 HFP 的二元体系中,二者的共聚摩尔比例为 4:1,氟含量为 66%。为了提高氟含量而进一步进行的与 TFE 的三元共聚摩尔比例大致在 4:1~1:1 范围内,氟含量可达 70%。另外,根据成型加工方法及要求,可以通过调整引发剂量和链转移剂量来调整其分子量及分子量分布。
1.2 硫化方法
FKM 的硫化方法通常是通过混入填料及助剂来实现的,下面列举三种:利用双酚 AF 进行的多醇硫化,由于硫化速度快、硫化物性能稳定而成为时下常用的硫化方法。此法需要有硫化促进剂(有机四级磷盐、有机四级铵盐)和受氧剂(过氧化镁 /氢氧化钙配比组合)。通常硫化剂与硫化促进剂是预先配好的复合物。
使用过氧化物为硫化剂,对于硫化部位,需要利用碘或溴,通常采取与含碘或溴的单体共聚,或通过氟烷基碘化物链转移剂将其导入。过氧化物硫化比多醇硫化得到的产品耐油性,因此在三元体系中使用较多。作为硫化助剂,三烯丙基三聚氰酸酯等不饱和多功能团化合物十分必要。另外,若将溴定为硫化部位,则金属氧化物也是的( ZnO 等)。
而使用二胺化合物(六亚甲基二胺的氨基甲酸盐等)作为硫化剂,可以值得高机械强度的橡胶产品。但因其硫化性、稳定性及永久变形较差等问题,该硫化方法使用的不多。作为受氧剂, MgO 为必要成分。
1.3 产品性能及加工成型
FKM 橡胶耐热、耐油、耐燃油性能,但耐寒性还有待提高。该橡胶的性能与含氟量密切先关:含氟量增加,耐油性提高但耐寒性和永久压缩变形性明显降低。有机过氧化物硫化系具有较好的耐久性,且因没有添加碱性物质,耐胺性优良。
根据不同的用途, FKM 常配合不同填充剂和添加剂进行混炼。采用与其他橡胶相同的成型方法,如模具成型、挤出成型等。粘结方法则是在被粘接物上涂上底漆(如要求要耐热性用途时可用硅烷偶联剂) ,再在进行硫化时将氟橡胶粘结在底漆上。
1.4 用途及展望
目前,FKM 的用途主要集中于与汽车部件相关的应用领域,随着汽车性能逐步提高,未来,由耐热耐油性能的氟橡胶代替丙烯酸酯系橡胶及硅橡胶已成为这一领域的趋势。
2 四氟乙烯 / 丙烯系橡胶( TFE-P)
TFE-P 是四氟乙烯与丙烯交替聚合物为基的橡胶, 该材料除具有氟橡胶的性能外, 还兼具高电气缘及耐品性等 FKM 不具备的特性。
2.1 合成方法
TFE-P 系橡胶在工业上采取乳液聚合实施方法, 以过硫酸钾或过硫酸铵为引发剂, 在反应体系达到一定压力时加入原料进行反应。将这样得到的乳液用无机盐凝聚,清洗干燥后得到氟橡胶。合成步骤与 FKM 类似。
2.2 硫化方法
对于 TFE-P 系橡胶而言,二元系橡胶中用过氧化物硫化,三元系橡胶中用过氧化物硫化以及多醇硫化。
过氧化物硫化使用有机过氧化物作为硫化剂使用,与 FKM 不同的是,硫化部位不用溴和碘,因而更适合于医疗食品领域的应用。
三元系橡胶中有 VDF,多醇硫化也是可行的。硫化机理与 FKM 多醇硫化类似,但硫化反应活性稍低(这正是其耐化学品性的原因),因而需要使用的铵盐作为硫化促进剂。
由于二元系橡胶缘性能号,可用于制造电线,因此可以通过电子射线辐射的方法对其进行交联。
2.3 产品性能及加工成型
该橡胶具有的电缘性和耐品性。氟含量低于 FKM 却具有高的分解温度。耐溶剂性优良,溶于四氢呋喃,而在低性溶剂中发生溶胀。对胺系添加剂的高性能引擎油耐久性好,密度较低,催化温度为 -40℃。
TFE-P 系橡胶的成型加工中,混炼、成型、硫化、粘结等采用与其他橡胶相同的方法进行。电线成型时,可将橡胶被覆到芯线上后用有机过氧化物硫化。为了补强,还可将耐热、耐溶剂性好的乙烯 -四氟乙烯共聚物树脂熔融共混后再辐射交联。
2.4 用途及展望
TFE-P 系橡胶由于其的电气性能,主要用于耐热电线,处在其他橡胶取代的位置。另外,随着高性能化引擎油的大规模使用, FKM 将应付其中的胺类添加剂,而耐寒性良好的三元系 TFE-P 橡胶将有望解决此类问题。
3 全氟橡胶
一般的氟橡胶聚合物中含有大量碳氢集团,在化学品腐蚀及其它严苛的条件下容易劣化。四氟乙烯与全氟烷基乙烯醚共聚所得的氟橡胶中氢原子被氟原子取代,因而具有优良的耐热、耐腐蚀性能。
3.1 合成方法
全氟橡胶的制造工业上依然采用乳液聚合方法。得到的产品具有全氟结构,硫化部位也具有与聚合物相同的耐热耐腐蚀性。四氟乙烯-全全氟烷基乙烯醚共聚物中,全氟碳氰化物基团少量聚合进入共聚物作为硫化部位。利用全氟烷基碘化物作为链转移及也可适当引入硫化部位。
3.2 硫化方法
与其它氟橡胶一样,加入填充料、硫化剂、硫化促进剂等混合后硫化。以四苯基锡作为催化剂,硫化过程中氰基形成了三聚体的三嗪环。此法硫化速度慢,难成型。
以碘为硫化部位的硫化方法较全氟氰基硫化法硫化性好, 但有机过氧化物与硫化助剂中的碳氢化合物部分有可能进入聚合物结构。
3.3 产品性能及加工成型
全氟橡胶是合成橡胶中耐溶剂性能好的一种,仅对氟利昂有较小程度的溶胀,但永久压缩变形性较其他橡胶要差得多。其耐热性和耐寒性因工具单体及硫化方法的不同有所差别:如六氟甲基乙烯基醚( PMVE)共聚橡胶耐热性好, Tg 高,耐寒性较差;长链全氟烷基乙烯醚共聚的橡胶耐寒性好但耐热性较 PMVE 差。
全氟橡胶的成型加工基本上可采用与其他氟橡胶相同的方法,但由于其硫化性能差,因而难成型。
3.4 用途及展望
目前,全氟橡胶主要发挥其耐化学腐蚀的特性,作为半导体产业密封材料以及化学、是有化学工厂中的密封材料。该材料应用受到限制的大原因便是材料价格太高,如何在改良其加工成型性能和压缩永久变形是未来重要的课题。
4 氟硅橡胶( FVMQ )
氟硅橡胶主链上有硅氧键,侧链上有三氟烷基,耐热及耐寒性能优良,可使用温度范围宽。
4.1 合成方法
氟硅橡胶是采用本体聚合,用环状硅氧烷开环聚合合成的。碱性催化剂作用下,一般用三氟丙基甲基硅氧烷聚合制得,中和催化剂停止反应。用有机过氧化物硫化,因而可共聚入少量甲基乙烯基硅氧烷作为硫化部位。采用低分子量直链硅氧烷作为链转移剂调节分子量。市售氟硅胶的分子量从数万到数十万范围不等。
4.2 硫化方法
氟硅橡胶的硫化方法有两类:过氧化物硫化和常温固化。
过氧化物硫化时,硫化部位是共聚物中反应活性高的乙烯基(甲基乙烯基硅氧烷中) ,因此硫化速度快,不需要硫化促进剂。
常温固化是基于硅烷醇缩合的硫化形式。锡催化剂作用下,空气中的水分将固化剂水解成硅烷醇,与聚合物末端的硅烷醇缩合达到固化效果。由于反应是从材料表面到深处发展进行的,固化时间较长。
4.3 产品性能
耐热性、耐化学品性、耐油性及机械性能较其他氟橡胶稍差,但其兼具氟与硅两者的优点。耐燃油性优秀,使用温度范围为-60℃~200 ℃,对甲醇溶胀小。
4.4 用途及展望
主要集中在以隔膜及单向阀等与燃料有关的器件为中心应用领域。
5 含氟膦腈橡胶( FPz)
FPz主链含磷与氮的耐寒氟橡胶。
5.1 合成方法
环状二氯代膦腈开环聚合,用氟烷基取代氯原子得到。
5.2 硫化方法
聚合物中导入少量不饱和基用以作为硫化部位,可用过氧化物或放射线硫化。
5.3 用途及展望
含氟膦腈橡胶的使用温度范围为 -60℃~170℃,温度依赖性小,在宽温度范围内能保持良好的稳定性,常用于军事、宇宙、航空产业方面耐燃油的密封材料。
6 热塑性氟弹性体
氟橡胶通常需要用硫化剂及各种助剂加以混炼,成型方法复杂,因此,开发与热塑性氟弹性体十分必要。热塑性弹性体是兼有相交成分软连段和树脂成分硬链段的嵌段共聚物。共聚物中同时含有结晶性的树脂链段和柔软的橡胶链段,冷却时,由于硬段的作用,软段好似被交联起来,因而不需要硫化。
6.1 合成方法
以 Daiel TPE 为例,将作为软段的偏氟乙烯( VDF)的共聚物体系与不同品种的可作为硬段的含氟单体,用碘转移聚合(活性自由基聚合)进行嵌段共聚。
而 Cefral soft 则是先在偏氟乙烯共聚体系主链中引入过氧化基团,再进一步让过氧化基团热分解,从而将单一偏氟乙烯树脂成分接枝到主链上去。
6.2 用途及展望
热塑性弹性体具有硫化橡胶的物理机械性能和软质塑料的工艺加工性能。由于不需再经过热硫化,因而使用简单的塑料加工机械即可制成产品。这一特点使生产流程缩短了 l/4,节约能耗 25%~40%,提率 10~20 倍。热塑性弹性体不仅可以取代部分橡胶,还能使塑料得到改性。