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工程机械液压用高性能聚氨酯材料 |
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作者：派克汉尼汾液压系统 许维星 来源：MM现代制造 |
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现代密封材料必须能够满足越来越复杂和苛刻的应用需求,最适合的材料早已不仅仅用传统的工作参数,如压力、温度及运动速度等来定义；还增加了一些新的标准，如服务寿命、维修间隔和工作可靠性。 更长的工作寿命及维修间隔主要涉及密封元件和密封材料的成本效率，而得以改善的密封可靠性则满足了保护自然资源和遵守环保法规的要求。
在流体动力元件里，密封件是一种微小的不易察觉的元件，但是密封件对于液压系统的性能来说是非常重要的。为防止泄漏的发生，长期以来工程机械液压元件的用户都期望有更长的使用寿命和更高的可靠性， 这一要求驱使对密封材料进行不断的研发。现代密封材料必须能够满足越来越复杂和苛刻的应用需求,最适合的材料早已不仅仅用传统的工作参数,如压力、温度及运动速度等来定义；还增加了一些新的标准，如服务寿命、维修间隔和工作可靠性。 更长的工作寿命及维修间隔主要涉及密封元件和密封材料的成本效率，而得以改善的密封可靠性则满足了保护自然资源和遵守环保法规的要求。根据对密封件用户的调查得知，密封件的平均工作压力将从目前的35MPa提高到2010年的45MPa。这种趋势就导致需要开发新的密封材料来更好地满足要求。P6000材料的研发成功，使派克汉尼汾液压系统（上海）有限公司（以下简称为派克）获得具有更好化学结构以及更好加工工艺的高性能聚氨酯密封材料。
热塑性聚氨酯弹性体(TPU)具有的杰出的机械性能包括耐磨损和抗挤出，这是由于它具有段状、两相的结构。聚氨酯共聚物是由硬段和软段交替组合而成。它们的化学结构（基本结构）允许以特定的方法对其特性加以影响（见图1）
聚氨酯共聚物是由硬段和软段交替组合而成
高等级热塑性聚氨酯可以通过连续反应挤出工艺 (TPU 1)、一步式工艺 (TPU 2)及两步式工艺 (预聚物工艺, TPU 3 and P 6000) 三种方式得到。
派克公司所采用的预聚物工艺达到了一致性好的高等级特性材料的要求。表1中比较分析的几种聚氨酯是基于前面所述的不同工艺而制成的。它们基本的化学结构是类似的，但在细节分析中可以发现明显的区别。
表1中的4 种聚氨酯材料都已成功地应用于密封技术。关于硬度、拉伸强度和拉断伸长率，它们的参数都很接近。仅仅在回弹性能上，TPU 1是采用连续工艺制成，明显低于其它三种材料，这是因为它没有很好的形态特性。尽管P6000的硬度高达 94（ Shore A），但是其他物理参数都具有较高的水平，且平均回弹率也达到了45%。下面从温度、耐磨损、永久形变和动态密封性能等各方面具体分析比较P6000的特点。
对材料的动态模量进行测量（动态－机械分析，DMA方法），P6000显示出了较窄的玻璃化范围 (TG=-33℃)，在低温时的弹性相对较好。与P6000相比较, TPU 1具有较宽的玻璃化范围，由于受到侧向力的影响，活塞杆密封件的泄漏可能会较严重。在图2中曲线下降段，两种材料的温差也约有30℃。从而，我们可以得知：这种聚氨酯与其他种类的聚氨酯是不同的。另一种表述可以通过对DMA数据的计算得到结论：这两种聚氨酯的能量消散存在明显差异。 P6000在受到如摩擦力等机械能的作用下，具有更低的自我生热倾向（图2）。
聚氨酯结构中的硬段与软段有不同的熔点。对于P6000，熔点分别为 257℃和263℃。与 TPU 1相比较，P6000的两个熔点温度很接近，意味着结构中的硬段分布更加细密，所以温度特性差别小，从而更耐高温。
材料的耐磨损测试是最重要的，同时也是最难以达到的材料之标准。不同的测量方法会导致结构差异很大，甚至导致错误的假定。在动密封的具体实践中，存在着复杂的摩擦系统，这往往与标准化的耐磨损测试的条件相差甚远。派克公司开发了一些实验装置，可以展示材料的磨损特性的不同。派克用这些实验装置测量所有前面提到的热塑性聚氨酯材料。在图3中显示，测试的结果具有天然的一致性。TPU 1的磨损最大（比P6000高10倍），然后是“一步法”等级的TPU 2。两步法工艺制成的聚氨酯具有最好的耐磨损性能。
如前所述，P6000具有新的基本结构，磨损最小。按照橡胶工业通用的 DIN 53516标准进行的磨损试验，也可以发现它们之间具有同样的差异性。
对于密封材料而言，永久压缩形变是很重要的参数 (图4)，为展现不同聚氨酯材料间的区别，在 100℃保温环境下，我们分别在 24h、70h、168h和336h进行测试。图4显示了各种材料弹性和粘性比率的不同。由图可知在70h后 TPU 1几乎完全松弛，这意味着它已经失去了密封能力。而在整个时间轴上P6000显示了最小的永久形变（由于它特殊的基本结构以及完美的动态反应工艺控制）。一步法的 TPU 2介于两者之间。
对P6000材料所进行的动态性能研究，是为了测试材料的抗挤出能力，确认材料的磨损特性，确认测试用密封件的摩擦力和泄漏量及其在极端条件下的使用寿命。各种聚氨酯材料制成的B3型 U形圈在耐久性试验台（ISO 7689）测试后截面轮廓形状变化对比如图5；B3 型U形圈泄漏量（100万次循环，1800km)如图6。
派克密封集团开发的P6000聚氨酯材料，是一种现代的面向未来的材料，适于形状复杂、工况苛刻的应用。特别在极端的动态载荷使用工况中，P6000 明显地证实这一新材料的优越性。P6000材料的各种改善了的性能可以采用更紧凑的密封件沟槽（截面尺寸）设计。其具有更好的耐磨损和抗挤出能力，适合更多的工程机械液压应用，如挖掘机、掘进机、液压破碎锤 、移动式起重机、移动式采矿设备、林业机械、滑移装载机、叉车、举升系统、减震器及气弹簧等。P6000可以使得维修间隔显著延长，令工程机械用户可以得到比预期更高的机器使用率（表2）。(end)
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(6/30/2010) |
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