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水泵橡胶密封材料的选择
作者:Kelly Yan
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油封, 骨架油封, 石墨填料环, 汽封, 轴封, ...
摘要:本文先分析介绍了水输送系统中四种常见的耐水橡胶材料:三元乙丙橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶和氟橡胶。并探讨了在产品设计过程中,一些与橡胶密封件选材密切相关的因素,包括与橡胶件接触的物质,饮用水中的残留消毒剂,材料的安全性,使用环境和密封件功能等。为饮用水输送行业提供了选择橡胶密封制品的参考依据。
关键词:橡胶材料,泵密封,水输送,消毒剂,饮用水认证,密封件功能,密封件设计

橡胶密封件是实现泵密封的关键之一。常见的橡胶密封材料:三元乙丙橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶和氟橡胶,它们有不同的性能和用途。如何选择正确的橡胶密封材料,是保证产品质量的关键之一。下面先来介绍每种材料的性能。

三元乙丙橡胶(英文简称EPDM)是目前饮用水输送系统中最常用的一种材料[1]。三元乙丙生胶由乙烯、丙烯和第三种特殊结构的单体共聚反应合成。由于其分子主链结构上没有不饱和键,三元乙丙橡胶具有优异的抗氧化、耐臭氧性、耐紫外线和耐热性(即耐候性好)。同时,它还具有优异的耐水性和耐水蒸汽性。三元乙丙橡胶的使用温度范围也很广,一般地说,它可以在-40℃到125℃之间长期使用。特殊的配方可以将低温性能降到-55℃左右;或者将高温上限提高到150℃。值得注意的是,三元乙丙橡胶不耐脂肪烃和芳香烃等油类。在有矿物油、汽油、燃油等环境下,三元乙丙橡胶件会很快溶胀,同时机械强度会大大降低。所以,三元乙丙橡胶件不能使用基于石油的润滑油。

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丁腈橡胶(英文简称NBR)在水输送系统中也很常见。这类弹性体是由丁二烯和丙烯腈共聚而成的。一般地说,丁腈橡胶产品可以在-55℃到100℃之间使用。当丙烯腈成分增加时,该丁腈橡胶产品的耐热性、耐油性、耐磨性等都有提高,但其耐低温性会下降[2]。丁腈橡胶的耐水胶好。一般在水输送系统中选择丁腈橡胶是因为橡胶件在使用中可能会碰到矿物油等油脂,比如污水处理等。

硅橡胶弹性体是由聚二甲基硅氧烷合成的。它具有优异的耐水性、耐候性、耐臭氧性等性能,同时还有气味小、易加工成型等优点。普通硅橡胶可以在-55℃到225℃之间使用。硅胶的缺点是抗拉伸强度不好,抗撕裂性和耐磨性也不好,价格也较高。

氟橡胶(英文简称FKM)种类很多,但是它们在结构上都是在主链或侧链的碳原子上带有氟原子。氟橡胶具有高度的耐热性,优良的化学惰性(耐化学品、耐腐蚀、耐油),很好的物理机械性能(包括耐磨)以及优异的耐候性和抗老化性。通用型的氟橡胶产品一般可以在-25℃到200℃之间使用。在水输送系统中,氟橡胶的主要缺点是价格太高。

如上所述,每种橡胶材料都各有优缺点。另外,每种橡胶根据不同的性能要求,可以有多种配方。在设计过程中,如何根据实际情况来选择正确的橡胶产品就显得非常重要了。通常,设计人员应该从以下几个方面着手。 首先要考虑的设计因素是:该密封件在系统中会与什么物质接触?除了要注意密封件材料是否耐受被密封的流体,比如空气、水、油污、蒸汽、化肥等等。还应该注意与密封件接触的金属或塑料件。比如说,如果不合适的橡胶件和聚碳酸酯塑料长期放在一起,该橡胶件中的某些成分会慢慢渗透到两者接触表面,从而造成聚碳酸酯塑料表面龟裂。

其次,即使该橡胶密封件只同饮用水直接接触,那么水中残留的消毒剂也是一个需要考虑的因素。即与橡胶件接触的饮用水是用什么来消毒的。世界上每个国家和地区的消毒方式都不一样。主要的方式有氯化消毒和氯胺消毒等[3]。研究表明,这些残留在水中的消毒剂会与橡胶件发生化学反应,使橡胶件溶胀变形,甚至分解,从而影响了橡胶件的密封功能和寿命[4-5]。

明尼苏达橡塑(Minnesota Rubber andPlastics)60多年来一直致力为全球客户研发、设计并制造与水密封相关的橡胶件。根据我们多年的实际经验,不同的橡胶材料对不同的消毒剂耐受程度不一样。与此同时,同样硬度的同类橡胶,由于具体配方不同,其产品对某种消毒剂的耐受程度也会有很大的差别。

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上图为明尼苏达橡塑用559PE配方做的O圈和国内某厂商O圈的比较试验结果。两个O圈都是由硬度70邵A的三元乙丙橡胶制成,成品型号(大小)相同。在70℃氯胺水(50ppm)中浸泡672小时后,559PE做的O圈形状依然保持完好,表面光洁无损。很明显,559PE的配方性能要比这个对照产品优越得多。

再者,如果该橡胶密封件要与饮用水直接接触,那么材料的安全性也至关重要。比如,有些阀门与水直接接触的部分是阀体内侧的橡胶密封部分。该阀门整件能否用于饮用水系统中,其中一个重要的指标是要看该橡胶产品是否无毒,是否符合饮用水卫生标准[6]。值得注意的是,每个国家和地区的饮用水卫生要求都不一样。比如,在美国,很多与饮用水有关的产品都要求有NSF/ANSI 61认证(全名为Drinking Water System Components -- HealthEffects,饮用水系统部件-健康品质)。如果产品要出口多个国家,那么可能就需要多重认证了。由于国外认证费用高昂,挑选橡胶产品供应商就需要仔细筛选甄别,看看他是否能够提供有关的橡胶产品认证书。

除此之外,还需要考虑使用环境中的其他因素。比如是否与臭氧长期接触(抗臭氧性)。如果有,那么丁腈橡胶就不一定是最好的选择了,因其耐臭氧性较差。再如,密封件的使用温度。如果产品会用在严寒地区的室外,普通氟橡胶就不合适了。因为低于-25℃,普通氟橡胶就开始变得脆硬,失去弹性,密封性能也大大降低。如果需要耐-40℃低温的特殊氟橡胶,那么原料价格可能会成倍增长。

最后是一些与密封件的使用功能相关的因素。比如,橡胶件是动态密封,还是静态密封?在使用的过程中,橡胶件是否需要耐受动态疲劳?橡胶件密封表面在工作中是否会遇到摩擦?橡胶零件在安装或者使用时是否需要被拉伸?橡胶件是否承受压力(低压还是高压)?密封件是一次性使用?还是需要有一定的设计寿命?

以上列举的只是一些常见的重要因素。每个产品的设计或者应用都有其特殊性,设计者应该根据具体情况进行分析。另外,没有一种橡胶材料能够满足所有的要求。换句话说,耐受所有化学物质并且价格低廉的橡胶材料是不存在的。这时,设计人员就需要综合考虑,分清主次而选择最优方案。

另外,设计人员在选择密封件材料的过程中,还可以考虑向有经验的橡胶件供应商咨询。一个良好的橡胶供应商在产品设计过程中,除了提供材料方面的帮助,还能给机械设计人员提出有用的建议,比如橡胶件的设计方案是否合理、是否容易生产等,这样可以缩短设计时间,并让产品整体上更具竞争力。

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综上所述,在饮用水输送系统中,必须根据具体的使用条件和设计方案来选择橡胶密封件材料。如果机械设计人员能找到一个经验丰富的橡胶密封件制造商,一定会带来事倍功半的效果。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (3/26/2014)
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