TPV密封性能与改善

作者：Ward E. Narhi    来源：Rubber World

欢迎访问e展厅 展厅 3 橡胶/轮胎展厅 天然橡胶, 橡胶颗粒, 硫化硅橡胶, 硅胶, 热塑性弹性体, ... 热塑性硫化橡胶（TPV）显示出的性能非常适合应用于密封，常用来取代传统的热固性橡胶。目前它被用于许多应用场合，这些场合中密封都是一个关键因素。其中包括：建筑型材密封件、汽车清洁空气导管、汽车配电线护套、汽车散热器密封圈、汽车转向波纹管、汽车门窗密封条、汽车变速器波纹管、管道密封条和医疗垫圈。 市场上能找到的密封主要用于两个领域（比如静态和半动态应用）。本文回顾了在这两个领域的材料技术规格和性能，然后演示了设计部分如何可以改善密封性能的。 静态密封 静态密封是指在一个明确的时间内置于应变下的密封，一般这个时间是它的寿命。密封永远和应变保持在同一水平，能够忍耐温度的变化。这正是目前大部分在流体运输市场上的管道密封和玻璃窗密封所遇到的情况。 在这种密封的应用中，最关键的参数是密封力随着时间的推移所产生的变化。设计工程师站在一个高度来确定一个零件的初始密封力，这可以通过计算，实验或者是有限元分析（FEA）来确定。随后修改这个初始密封力，来解决应力松弛的问题，以便在指定的寿命里，密封可以保持功效。随着最初的衰减从0～30分钟，ISO3384标准中的压缩应力松弛试验方法帮助模型力衰减到一定的程度，如下所示。 ◆ 从0～30分钟压缩力的测量 测量用钮扣式样品的注塑成型速度是每分钟2.54mm，采用原料为标准热塑性硫化橡胶等级。表1所示的是初始压缩时间（t=0）和30分钟压缩时间(t=30)之间这种橡胶保持力的一个评估，温度是23℃。必须强调的是，这些是测试纽扣式样品得到的压缩力保持数据，所用的纽扣式样品都是通过注塑成型的方法得到的，这种方法相比挤出成型和压缩成型可以诱导较高的残余应力水平。这些数据可以供设计工程师参考，便于使用热塑性硫化橡胶来设计密封件。保留百分比因子应用于初始的密封力，以确定t=0到t=30分钟的松弛 ◆ 压缩应力松弛测试方法 从t=30分钟到理想的时间的密封力大小通常是按照压缩应力松弛实验（ISO3384-A）来测定的。这里，直径13毫米，厚度6.2毫米的圆柱型纽扣样品被压缩了25%，然后开始测量初始压缩力随着时间的推移而带来的减少。 从以下关系可以推出测试结果： 在这里：Rt（%）=时间t时的保持的压缩力；A=100；B=时间t时保持的压缩力，也称作单位时间里的损失；Ft=时间t时的力的大小；F0=t0时刻力的大小；t=经过的时间和t0=30分钟。 使用来自WALLACE的压缩应力松弛仪器，我们建立了一个数据库，里面有许多商业化的热塑性橡胶。还需要来自Elastocon的连续应力松弛测试仪器，使用在这台仪器上做测试得出的结果，我们能够逐步升级我们的数据库。 在表2至表4中，压缩应力松弛实验的数据，是在样品分别在23℃、70℃和100℃老化的情况下得到的。对于一个特定的静态密封应用选择的等级将会是最柔软的等级，这将会使零件在寿命期内都可以提供期望的密封力。 使用柔软等级比如101-64，可以提供：布纹面可以支持起始的压缩应力，不至于明显变形；零件上架的力不会超过规定的大小；光滑的布纹面能够保证气密性；在临界点以下，密封力量不会降低，确保了随时间推移的气密性。 这就是许多商业化汽车清洁冷气槽和操纵波纹管目前的情况，这些都是由热塑性硫化橡胶101-87和103-40制造的。它们被钳置在金属或者增强塑料上，支持和保证了隔绝空气、水或者润滑剂的严密性。 热塑性硫化橡胶在静态密封应用中是取代传统的热固性橡胶化合物的出色的候选者，特别是当接触温度较高时，如图1所示，它的表现优于三元乙丙橡胶。 实际上，虽然在低温下很短的时间内，热固性橡胶的应力松弛性能一般比热塑性橡胶的要好，但是一旦温度升高，这一优势就开始消失。表5显示了随着温度变化性能的改变。 从表5可以很明显地看出，一旦温度升高，热固性橡胶复合物显示出来的应力松弛数据劣于热塑性硫化橡胶。温度越高，如表中当高达100℃时，热固性橡胶的性能表现越差，显示出所谓的化学松弛或者是降解。而热塑性硫化橡胶在相同的测试条件下不会发生所谓的化学降解。 在使用压缩应力松弛方法ISO3884（A）得到的数据的基础上，设计工程师仍然无法制造出与静态密封所需要的正确的尺寸，因为所有的测试都是在老化温度时测试的。为了解决这个问题，又发展了ISO3384-B方法。 ◆ 静态应力松弛ISO3384-B方法 虽然压缩应力松弛方法ISO3384-A能够很好地比较不同材料的潜在密封性能，但是结合0分钟和30分钟之间压缩的衰减力，ISO3384-B方法得出的数据对于设计工程师来说更加有用。所有的测试都在23℃下进行，之前样品要在更高的温度下老化一段时间。这种做法更符合在这个领域中遇到的密封问题。 许多松弛看到了高温下的一段时间，但是回到常温下，它往往会加速松弛。ISO3384-B方法努力地来孤立对于松弛的温度效应。 这一等级的剩余压缩力有时似乎都很低，但是密封中关键因素是负荷下残留应力的绝对值。这应该足够高，以确保在装配寿命期内的气密性。换句话说，初始密封力应该足够高，以弥补预期的随着时间和温度变化的力量衰减，从而保持足够的密封力量。最大的应变水平不应该超过25%，如果公差允许的话甚至45%也是可以接受的。 如上所述，可能要选择更硬的热塑性硫化橡胶，以达到正确的初始密封力量，满足推荐的热塑性硫化橡胶的局部压缩水平。静态密封应用推荐的等级显示出最佳的密封性能，此时名义上压缩的限制大概是25%，但是从公差允许的角度来看，45%的应变也是可接受的，这在压缩应力松弛的内部测试中得到了验证。 动态密封 动态密封是指当在明确的时间内密封圈被置于应变下，之后应变松弛了一段时间，然后在重新给予应变。这种载入可以是在一个特定的或者是随机的频率。 典型的动态密封应用是：窗型材；汽车门窗密封条和伸缩接头。 在某些情况下，最关键的因素是密封圈的弹性回复速度，特别是在一个快速卸载负荷的情况下。传统上来说，压缩形变（CS）测试通常用来评估密封在一个动态应用中的性能。这种短时间测量（例如对热固性橡胶零件典型的是24小时）不能反映密封的真实性能。 这种压缩形变的方法通常包括压缩一个标准纽扣式样品（6.2毫米厚/直径13毫米，或者是12.4毫米厚/直径29毫米）至原始高度的75%，一般是在很短的时间内，然后测量30分钟时卸载负荷时候的高度。压缩形变以如下关系表达： 这里，Hi=初始高度；Hf=最终高度和Hs=间隔高度。 由于100-CS（%）=ER（%），CS越高，ER越低，密封性能越差。 一种材料的ER表现很大程度上取决于它的粘弹性能，而粘弹性能可由应力松弛实验受限时的行为表现出来。因为ER是时间依赖的特性，其水平受初始压缩速率和压缩下停留时间的影响；应变下停留的时间越长，ER的速率就越低，CS就越高。 在较短时间的压缩形变测试中比较热塑性硫化橡胶和热固性橡胶的性能时，热固性橡胶通常是更好的。然而较高老化温度却表明一些三元乙丙橡胶化合物的热老化性能很差，而热塑性橡胶似乎更耐热些。当老化时间增加时，可以预期热塑性橡胶化合物的优越性会完全超过三元乙丙橡胶化合物。以上所述的是与压缩应力松弛数据相符合的结果（图1）。 设计的重要性 虽然大多数零件的ER是由材料的粘弹性决定的，但是可以通过适当的密封设计来改进。 从一个典型运输系统的密封概念出发（图2），通过改变尺寸参数，使用热塑性硫化橡胶121-58W175已经注塑挤出不同的形状，其中改变了的尺寸参数，例如：唇缘的长度（a）；内角（b）；内半径（c）；弯曲处的高度（d）和预计长度（e）。 当这些样品在80℃老化24小时，高度被压缩35%时，压缩形变在50%到65%之间。已经开发的最低（最好）的等级使用的是铰链（图3）或者一个小型内部半径（图4）；而使用较大的半径得到的是最差的结果，如图5所示。 已经表明唇形橡胶密封的ER直到45%的局部压缩都可以得到提高，而唇形橡胶密封压缩变形为25%的情况下，材料老化（70℃下500小时）性能不会下降。这与在不同形变率下测量纽扣式样品的压缩形变的结果一样，两者改善程度相似。如图6所示。 给定的热塑性硫化橡胶等级和固定的尺寸，从压缩应力松弛数据可以预测出，随着老化时间的增加，ER性能将会下降。残余压缩力越高，ER也就越高。 在这个时候，预测不同应变水平下几何尺寸的ER是不可能的，但是可以用于比较材料。对于设计工程师来说，从压缩形变和应力松弛实验的数据中可以对热塑性硫化橡胶的等级做出一个粗略的估计。一般而言，在一个明确的时间内，温度为23℃，将热塑性硫化橡胶制的的纽扣式样品压缩25%，如果回复时间足够的长，而不管一个重要力量衰减的存在，那么可以预计会回复到原来的形状。这基本上是一个可逆过程，完全的是在23℃时的时间依赖性。 在热老化之后预计就不会有像这样的完全回复了，特别是在压缩的时候冷却。在这种压缩的情况下ER明显受到形貌改变的影响，而且这个过程远远没有实现在这一点的完全可逆。 总结 一般来说，热塑性硫化橡胶具有良好的密封性能，这使得它与许多热固性橡胶化合物的竞争中获得了完全的成功，如同在过去的25年它的增长所说明的一样。在未来的几年，增长应该会进一步增加，那时对于热塑性硫化橡胶在密封应用中的性能表现将会有更好的理解。 热塑性硫化橡胶应该被用于密封，特别是在某些高温的情况下。静态应用通常使用应力松弛数据作为确定长期表现的一种手段。半动态应用使用压缩形变和/或应力松弛数据来确定材料的性能表现。长期应力松弛（ISO3384-A和3384-B），以及CS/ER测试对时间和温度适当调整，在最低成本下和提供适当设计的前提下，被建议作为标准方法来选择具有竞争力的材料和具有竞争力的材料等级。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/10/2009)