Viton氟橡胶的性能及应用

Viton氟橡胶是在1957年为了满足航空工业对高性能密封要求的需要而发展起来的。从那时起，氟橡胶就迅速地应用到汽车工业、化学工业等其他的工业领域。经过40多年的应用，证明Viton氟橡胶在耐热、耐腐蚀方面具有优异的性能。其硫化胶的一些主要特点如下：
  (1)Viton氟橡胶能够在高温下工作，此时提供的物理机械性能优于大多数其他弹性体。温度的升高对于氟橡胶耐油、耐化学品性能的影响也相对小一些。即使连续在204℃或者间歇在260℃烘箱内老化后氟橡胶还会保持一定的弹性。高温下的使用条件通常为232℃×3000h、260℃×100h、288℃×240h、316℃×48h。
  (2)在动态条件下使用氟橡胶一般温度可低至-18到-23℃，但是特定的胶料在静态下使用温度可低至-54℃。已有实验证明Viton氟橡胶在接近零度的条件下作为静密封制品来使用时，其性能还是令人满意的。
  (3)在所有工业化的弹性体当中，氟橡胶耐液体和化学介质的性能比任何非氟弹性体都好，它具有优异的耐油、耐航空燃油、耐润滑剂、耐大多数矿物油的能力。氟橡胶对于大多数的物质都具有很低的渗透性，在低抗氧化汽车燃油渗透方面也有出色的表现。脂肪族和芳香族的烃类是一般弹性体的溶剂，但Viton橡胶对它们却有很好的耐久性。
  (4)即使在高温条件下，Viton橡胶仍具有优越的压缩变形性能。
  (5)优异的耐大气、光、氧化老化的性能，良好的耐霉菌、耐真菌性能，在低压低频下使用时具有良好的电性能，比非氟弹性体具有更好的固有的阻燃性能。
  1 Viton氟弹性体的型号和种类
  Viton氟弹性体主要有三种型号，即A、B、F型。VitonA型是偏氟乙烯(VF2)和六氟丙烯(HFP)共聚物；VitonB、F型是偏氟乙烯(VF2)、四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)的共聚物。A、B、F型氟弹性体结构设计上是不同的，不同的单体共聚比决定了最终聚合物氟含量的不同，进而导致它们对液体和化学介质的耐久性也各不相同。一般情况下通用类型氟弹性体对于大多数的矿物酸、碱、芳香烃类都具有良好的耐久性。氟含量越高，体积溶胀就越小。对于通用类型和特种类型氟弹性体的一个最重要的差别就是在对于小分子含氧溶剂抵抗能力上的不同。
  如上所述，随着氟含量的提高，耐介质性能相应提高。表1中的数据就很清楚地说明了这一点。但是随着氟含量的提高，聚合物低温曲挠性也随之下降，因此最终的硫化胶必须在低温性能和耐介质性能两者之间均衡处理。为了满足既需要有良好耐介质性能又需要有良好的低温性能的要求，开发了一种新的含氟化乙烯醚单体的聚合物。与一般类型的氟弹性体相比，它具有更好的低温曲挠性能。1976年生产的VitonGLT是个含氟化乙烯醚单体的工业化的氟弹性体。这种聚合物在耐热、耐介质方面具有与VitonA一样的优越性能；VitonGELT与VitonGLT相似，具有良好的低温柔软性，在耐液体介质方面与其他的F型一样优异。
  表1 氟含量对耐介质和低温性能的影响
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  　　 普通类型 特殊类型
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  A B F B70 GLT GFLT ETP
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 氟质量分数，% 66 68 70 66 64 67 67
 体积变化率，%，23℃×168h
 燃油C 4 3 2 5 5 2 4
 甲醇 90 40 5 90 90 5 5
 甲乙酮 >200 >200 >200 >200 >200 >200 19
 30%KOH 试样损坏 14
 低温回缩
 TR-10，℃* -17 -13 -6 -19 -30 -24 -12
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  注：硫化胶硬度75度，30份N990炭黑填充
  通常含偏氟乙烯的氟弹性体会被高pH值的物质破坏，包括腐蚀剂和一些胺类物质。此外通用类型的氟橡胶对小分子羰基类(甲乙酮、甲基叔丁基醚等)的耐久性不好。为了解决这个问题，特种Viton氟弹性体ETP-500和ETP-900在1998年就被工业化生产。它由乙烯、四氟乙烯(TFE)、全氟甲基乙烯基醚(PMVE)共聚而成。这种特殊的单体共聚物提供了一种极其优异的耐介质性能，与一般的氟弹性体不同的是它能够抵抗小分子酯、酮、醛的侵蚀。由于这种材料本身具有极好的耐腐蚀性，所以在高腐蚀性的溶剂和胺类物质中的体积溶胀和物性下降就较小。
  2 Viton氟弹性体的硫化体系
  硫化胶最终物理机械性能的差异，除了与生胶类型有关外，配合剂的不同也会产生重要的影响，其中影响的就是交联剂，或者说是硫化体系。
  自1957年开始，首先用于Viton氟橡胶的硫化剂是胺类硫化剂(diak-1)，通常这类硫化剂的硫化速度较慢，且不能提供较好的压缩变形。当然也具有一些优点，比如极好的高温拉伸强度和与金属骨架良好的粘合性能。现在绝大多数的氟弹性体都是采用双酚AF来交联的，它在1970年首先用在预配硫化剂的混炼胶-VitonE-60C中。采用这种硫化剂的胶料表现出了硫化速度快、焦烧安全性好及压缩变形小的特点。在1987年一种改进的双酚类的硫化剂开始在几种不同的预混胶中使用，它们是：Viton A-201C、A-202C、A-401C、A-402C。这种改进的硫化剂与用在VitonE-60和E-430中的双酚硫化系统相比，具有硫化速度加快，脱模性能得到改善，压缩变形性能也有轻微的提高等特点。自1993年起，又生产了一些含这种改进硫化剂的预混胶：Viton A-331C、A-361C、B-201C、B-601C、B-651C。
  在1976年随着VitonGLT的投产，使用过氧化物硫化氟弹性体次变为现实。对于GLT和GFLT聚合物来说，采用胺类或双酚类硫化体系都不能快速硫化，但是采用过氧化物就可以快速硫化并赋予硫化胶良好的物理机械性能。在VitonGF、GBL-200、GBL-900中使用过氧化物硫化，能够提高硫化胶耐汽车润滑油、耐水蒸汽、耐强酸的能力。对同一种聚合物使用过氧化物硫化体系和双酚类硫化体系比较，在耐其他液体及化学介质方面并没有明显的差异。
  采用不同硫化体系的胶料在加工特性和物理机械性能方面的差异见表2。
 　　　　表2 不同硫化体系的性能比较
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 加工特性及物性 胺类 双酚类 过氧化物类
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 加工安全性(焦烧) P-F E E
 硫化速度 P-F E E
 脱模性/模具污染性 P C-E F-G
 金属骨架粘合性 E G G
 压缩变形 P E G
 耐水、耐水蒸汽、耐酸性 F G E
 曲挠疲劳性能 G G G
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  等级：E-极好；G-好；F-尚好；P-很差
  3 Viton氟弹性体的选用
  Viton氟弹性体硫化后物性差别主要取决于生胶的种类、填充剂和硫化剂的种类、用量及生产过程中硫化温度、时间。对于不同种类的氟弹性来说，由于在共聚过程中单体的种类、比例是不同的，所以在耐介质腐蚀性、压缩变形、低温曲挠性等方面自然也不相同。表3列出了这些方面的差异。
  表3 不同类型的Viton产品的性能
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 种类 压缩变形 耐介质性能* 低温曲挠性能
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 A 极好 好 较好
 B 较好 较好 较好
 F 较好 极好 好
 BG，BGL 较好 较好 较好
 GF 好 极好 好
 GLT 较好 好 极好
 GFLT 较好 极好 极好
 ETP 好 极好 较好
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表4 不同类型氟弹性体耐介质性能的比较
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  双酚类硫化 过氧化物硫化
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  A B F GB GF GLT GFLT ETP
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 汽油，航空燃油 极好 极好 极好 极好 极好 极好 极好 极好
 汽车燃油(含甲醇、乙醇) NR 较好 极好 较好 极好 NR 极好 极好
 发动机润滑油(SE-SF级) 较好 极好 极好 极好 极好 极好 极好 极好
 发动机润滑油(SC-SH级) 好 较好 较好 极好 极好 极好 极好 极好
 脂肪族烃类流体 极好 极好 极好 极好 极好 极好 极好 极好
 芳香族烃类流体 较好 较好 极好 极好 极好 较好 极好 极好
 水蒸汽、矿物酸(H2SO4，
 HNO3，HCl等) 好 较好 较好 极好 极好 极好 极好 极好
 胺类，高pH值腐蚀剂(KOH，
 NaOH等) NR NR NR NR NR NR NR NR
 小分子羰基(MTBE，甲乙酮，
 甲基异丁基甲酮等) NR NR NR NR NR NR NR NR
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  NR-不推荐使用
  对于密封制品来说，压缩变形是一项重要的指标，如果将其当作一个最主要的性能来考虑，那么VitonA型将是一个的选择。在实际的使用中，如果对多种介质的耐久性比压缩形性能更重要的话，那么F型的Viton氟橡胶可能是比较理想的选择。如果在最终的使用中耐介质性能和低温性能两方面都很重要的话，那么GFLT型Viton氟橡胶将更加能够胜任一些。
  由于不同的氟弹性体的结构不同，所以硫化胶除了物性不同外，耐介质的性能也是不同的。表4列出了不同类型的氟弹性体在不同的液体和化学介质中的耐久性。尽管某些氟弹性体在一些性能上比其他的产品表现得好，但是在另外一些方面就要差一些。最终的选择还是要根据制品对物理性能和耐介质性能的实际需要来决定。结合表3和表4就可以根据最终的用途来选择一个物性和耐介质性能的平衡点。
  4 Viton系列产品的命名
  随着1993年6个新改进的预混胶的投产，Viton氟弹性体起用了一种新的命名系统，这个新的命名规则在一个产品名称中包含了以下的信息：门尼粘度大小；类型；预混胶中硫化剂含量高低；能否用过氧化物硫化体系硫化；是生胶还是预混酚类硫化剂的预混胶等等。产品名称中的每一个字符都有特定的含义。
  ① ③⑤
  │ ││
  Viton A-401C
  ││
  ②④
  ①字母代表Viton的种类——A、B、F三种，前缀字母“G”在代表种类的字母前面，表示可以用过氧化物硫化。字母“L”表示比同类型的A、B、F弹性体在低温曲挠性方面轻微的改善。字母“LT”表示在低温性能方面有显著的改善；
  ②数字代表该产品的标准门尼粘度-ML(1+10)，121℃；
  ③数字代表预混胶中硫化剂的含量大小，分10级，10用0表示，0代表硫化剂含量(性能上提供的压变性能)。从9到2代表硫化剂含量逐渐减少(性能上撕裂强度，拉断伸长率提高)，1代表低硫化剂含量(的撕裂，曲挠性能)；
  ④数字代表某种类型的预混胶一些细小方面的改进(例如：VitonA402C是在VitonA401C的基础上添加了一种加工助剂)；
  ⑤字母，没有字母时代表该产品是生胶不含硫化剂(可能包含加工助剂)，字母“C”代表产品是预混胶，含有促进剂和硫化剂。
  5 Viton系列产品的性能及应用
  多种型号和规格的Viton氟弹性体提供了各种各样的物理性能，以此来满足不同用途上的需要。对于大多数同一型号的弹性体来说，也有不同的粘度系列的产品来满足不同加工工艺的要求。
  5.1 汽车工业方面
  由于Viton产品具有优异的耐热性、耐介质性能，其产品已广泛应用到汽车工业中。主要应用在以下几个系统：动力系统中的曲轴密封、阀杆密封、变速器用密封；燃油系统中的燃油软管、油箱中的燃油软管和管道、泵密封件、隔膜、喷油器O型圈、加速泵皮碗、过滤器罩和密封件、化油器喷嘴等。
  5.2 电器方面
  除了耐热和耐介质性能外，还具有良好的物理机械性能，因此Viton产品用于电器中是自然的。下面是一些主要的例子：(1)在一个自动干洗设备上面有107多个组件是采用Viton弹性体制造的。包括密封门、连接器套管、轴密封件、O形圈、各类静态垫片等。使用环境是在88℃、全氯乙烯的浓烟的氛围下工作，对于其他的弹性体来说将会很快的损坏；(2)在一个与液体介质接触的自动温度调节器中使用的气动或电动感应膜片。采用Viton产品设计后获得了应用上的成功，主要是因为Viton橡胶与使用的黄铜部件有良好的粘结性能；液体介质不能渗透、不能溶胀老化膜片，能够承受149℃-204℃的高温，良好的机械强度对反复的曲挠也提供了保障。
  5.3 化学工业方面
  Viton产品在化工设备的密封件中的应用是非常普遍的。此外在化工工业也有一些其他的应用：(1)在一个接触到80多种溶剂、油类、化学品的泵工作站中，Viton产品用来制造管道系统的回转式和伸缩式接头，当这些连接件使用2年后，看起来仍然同新的一样；(2)在很多设备上采用Viton产品制造的阀件用来解决耐热、耐腐蚀的问题；(3)在传送非常活泼的化学介质的泵中都采用Viton产品制造的隔膜；(4)每天都在使用的运输溶剂和石化产品油罐车上的橡胶软管；(5)耐热、耐腐蚀的胶辊；(6)在造纸漂白车间使用的玻璃体电子真空管的法兰垫片；(7)用发泡的Viton产品替代密封填料制作的堵漏板材，包覆在热溶剂罐外围，每年可节省4000美元的维修费用；(8)Viton产品的溶液作为一种多功能的材料，可喷涂在化工设备上用于防护。
  5.4 工业方面
  在许多工业领域，Viton产品都有可能取代一些普通的弹性体。例如：(1)汽油混合计量泵中的O形圈；(2)质子加速器中高真空度密封件；(3)燃气排放管道耐热、耐腐蚀的连接头；(4)各类高质量要求工业器械中的管道和密封件；(5)在轻型导弹发射装置上作为重要减震衬垫部件；(6)使用溶剂做清洗剂的设备上的传动辊；(7)在钢铁轧炼液压设备中用作催化剂的固定填料环；(8)浸入285℃焊料中酌夹具衬垫；(9)钢铁轧炼中使用的信号电缆的护套；(10)高速运转的马口铁生产线的折液板；(11)在一个汽车制造商实验室内的实验设备上的O形密封圈。
  5.5 其他方面
  连续挤出海绵制品、刹车装置涂覆料、耦合密封件、O形圈、融膜、垫片。
  5.6 航天方面
  在极其苛刻条件下的安全可靠性是对这一领域应用材料的基本要求。根据航空飞行应用上的报道，Viton O形圈能够在-54℃到316℃的温度范围内的使用。即使在这个温度范围的上限条件下，Viton产品也表现出了“长期的、可靠的使用寿命”，高温时可在短时间内使用。Viton产品可承受温度的周期性变化，这一情况在飞行器大气层中爬升和下降过程中会遇到。其他一些在航空领域有价值的应用性能是Viton产品的耐磨性能和“苛刻”真空(10-9mmHg)条件下密封性能。
  Viton产品性能的表现已在典型的航空器和导弹部件上得到验证。如：O形圈、各种垫片、在飞行过程中覆盖喷气发动机排气装置的涂布制品、防火墙密封件、涂敷在点火电缆外套的耐磨材料、用在喷气发动机配线夹套上的夹子、轮胎阀杆密封件、发动机燃油缸软管。