• 氟橡膠,你真的選對了嗎?

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    引言


    氟橡膠中含有氟原子,氟原子與碳原子組成的C-F鍵性能很高,同時氟原子有極大的吸附效應,有賴于這種特殊的分子結構,使得氟橡膠具有優異的耐熱性、耐藥品性、耐溶劑性、耐氟化性、耐真空性、耐油性、耐老化等多種性能。氟橡膠最早應用于航空領域,但應用最廣泛的是在汽車領域,占應用總量的60% ~ 70%。因此,從實際應用的角度出發,確保選擇合適的氟橡膠是十分重要的。


    1.分類[1-2]


    FKM(美國)及FPM(歐洲)均為偏氟乙烯系氟橡膠的縮寫,只因地域不同而有所差異,1956年首先由杜邦公司生產,商標為VITON。因為杜邦的知名度過高,很多人認為VITON就是FKM,但其實不然。氟橡膠的種類很多,性能也不盡相同。根據化學組成的不同,氟橡膠可大體上分為氟碳橡膠、氟硅橡膠、氟化磷腈橡膠。目前,比較常見的氟橡膠為以下幾類:

    1)氟橡膠23,國內俗稱1號膠,為偏氟乙烯和三氟氯乙烯共聚物;

    2)氟橡膠26,國內俗稱2號膠,杜邦牌號VITON A,為偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物,綜合性能優于氟橡膠23;

    3)氟橡膠246,國內俗稱3號膠,杜邦牌號VITON B,為偏氟乙烯、四氟乙烯、六氟丙烯三元共聚物,氟含量高于氟橡膠26,耐溶劑性能較好;

    4)氟橡膠TP,國內俗稱四丙氟橡膠FEPM,旭硝子牌號Aflas,為四氟乙烯和碳氫丙烯共聚物,耐水蒸氣和耐堿性能優越;

    5)偏氟醚橡膠,杜邦牌號VITON GLT,為偏氟乙烯、四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、硫化點單體四元共聚物,低溫性能優異;

    6)全氟醚橡膠,簡稱FFKM,杜邦牌號Kalrez,低溫性能優異,氟含量高,耐溶劑性能優異;

    7)氟硅橡膠,低溫性能優異,具有一定的耐溶劑性能。


    2.性能分析與對比


    2.1 機理分析

    氟元素是已知的化學元素中電負性最強的元素,C-F鍵能很高,如表1所示。

    表1 鍵能對比



    氟原子半徑很小,相當于C-C鍵長的一半,這使得氟原子能緊密的排列在碳原子的周圍,形成了C-C鍵的保護屏障,這賦予了含氟高分子彈性體C-C鍵的化學惰性。


    另外,由于氟原子的存在,在其強吸電子效應和對C-C鍵屏蔽保護作用下,使C-C鍵的鍵長縮短,鍵能增加。不僅如此,氟化了的碳原子與其他原子結合的鍵能也相應的有所提高,從而提高了含氟高分子彈性體的耐熱性和耐腐蝕性。如表2。

    表2 氟化碳原子和非氟化碳原子與其他原子生成的化學鍵鍵能比較



    同時,氟原子也使含氟化合物化學鍵的自由旋轉能大為增加,使氟碳彈性體分子的剛性增強,柔性和耐低溫性能有所下降,如表3[3-4]。

    表3 含氟化合物化學鍵的自由旋轉能



    2.2 試驗結果對比

    通過大量的對比試驗,我們發現氟橡膠與其他類別相比,性能十分優異(見圖1-4及表4)[3-4]。它的氣體透過性較低,適用于高真空裝置、隔斷外界氣體的用途;力學性能較好,但常溫下彈性較差,其伸長率一般為150%~300%,撕裂強度20~40KN/n,拉伸強度10~25MPa;耐高溫性能較好,氟橡膠26可在200~ 250℃范圍內長期工作,或在300℃下短期工作,但耐低溫性能一般,能保持彈性的極限溫度范圍為-15~20℃。

    圖1耐熱性與耐油性的對比



    圖2耐燃油性能對比


    圖3燃料透過性的對比


    圖4 壓縮永久變形量對比

    圖5 各類橡膠的耐溫曲線


    表4 常用橡膠的氣體透過系數(cm3 mm/24h m2 atm)


    從氟橡膠的生產工藝來看,它的配方一般包括生膠、硫化劑(交聯劑)、催化劑、補強劑和助劑等幾個方面。在滿足所需交聯度的條件下,硫化劑應盡量少用,雖然增加補強劑對機械強度的提高和電性能有利,但用量也不宜過多,否則對耐熱性有很大影響。因此,生產工藝中氟含量、分子量、分子量分布、硫化劑濃度等系數的差異往往也是造成氟橡膠間特性差異的主要原因,如表5-9及圖6所示[5-6]。

    表5 含氟量與各特性間的關系


    圖6氟含量與耐甲醇、耐丙酮的關系


    表6 硫化方法與特性間的關系


    表7 分子量與特性間的關系


    表8 分子量分布的影響


    表9 硫化劑與硫化促進劑與特性間的關系



    3 FEPM、FFKM與FKM[7-8]


    3.1 FEPM與FKM

    FEPM與一般的FKM有很大區別,由于其不同的分子結構,它對堿、胺具有優異的耐久性能。同時具有耐熱性以及電氣絕緣性,由于耐蒸汽性較好,所以可用于其他FKM無法使用的用途中。具有偏氟乙烯單體的FKM對堿的耐久性相對較弱,相反,對汽油性的耐久性和低溫柔軟性都較好,圖7是FEPM與FKM(二元系、三元系)的比較,我們由此也可以看出它們具有完全不同的特性,即使同屬于氟橡膠,所擅長的領域也完全不同,因此,根據性能要求,需分開使用。

    A  FEPM與FKM不同的分子結構



    B  Aflas(100系列)與FKM(二元系)的性能差異

    圖7 FEPM與FKM(二元系、三元系)的比較


    3.2 FFKM與FKM

    FFKM主要由四氟乙烯、全氟烷基乙烯基醚為主要單體,并與少量帶硫化點的第三單體共聚而成。具有對高溫及化學藥品及其穩定的結構,可抵抗1600多種化學品的腐蝕,其優異性有助于保持密封的完整性和安全性。這種突出的實用價值使它在工業上具有各種各樣的特殊應用。它的開發和應用代表了氟橡膠發展的最高點。圖8和表10是FFKM與FKM的比較,對比發現由于主鏈的四氟乙烯被氟化,性能發生了質的飛越。圖9則是Kalrez常用牌號類型,可滿足各種苛刻工況的要求。

    A  Kalrez與FKM不同的分子結構


    B  Kalrez與FKM分別浸泡在丙酮、甲苯等有機介質中(16分鐘后FKM明顯溶脹)

    圖8 FFKM與FKM的比較


    表10 Kalrez與FKM不同介質中的體積增加率


    圖9各類苛刻工況下的Kalrez常用牌號



    參考文獻

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    本文來源豪邁化工技術


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