氟橡胶

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氟橡胶是一类特种合成弹性体,其主链或侧链的碳原子上接有电负性极强的氟原子,由于C—F键能大(485kJ/mol),且氟原子共价半径为0.64 Å注1,相当于C—C键长的一半,因此氟原子可以把C—C主链很好地屏蔽起来,保证了C—C链的稳定性,使其具有其他橡胶不可比拟的优异性能,如耐油、耐化学药品性能,良好的物理机械性能和耐候性、电绝缘性和抗辐射性等,在所有合成橡胶中综合性能最佳,俗称“橡胶王”。主要用于制作耐高温、耐油、耐介质的橡胶制品,如各种密封件、隔膜、胶管、胶布等,也可用作电线外皮、防腐衬里等。在航空、汽车、石油、化工等领域得到了广泛的应用。在军事工业上,氟橡胶主要用于航天、航空及运载火箭、卫星、战斗机、新型坦克的密封件、油管和电气线路护套等方面,是国防尖端工业中无法替代的关键材料。

氟橡胶

种类

FKM(美国)及FPM(欧洲)均为偏氟乙烯系氟橡胶的缩写,只因地域不同而有所差异,1956年首先由杜邦公司生产,商标为VITON。因为杜邦的知名度过高,很多人认为VITON就是FKM,但其实不然。氟橡胶的种类很多,性能也不尽相同。

从主链结构上看,氟橡胶可以分为三种基本类型:氟碳橡胶、氟硅橡胶、氟化磷腈橡胶。其中以氟碳橡胶为主,氟碳橡胶中又以偏氟乙烯与三氟氯乙烯共聚(1#胶)、偏氟乙烯和六氟丙烯共聚(2#胶)、偏氟乙烯和六氟丙烯及四氟乙烯三元共聚(3#胶)为主。

氟橡胶的主要品种有四种:含氟烯烃类橡胶、亚硝基类氟橡胶、全氟醚类氟橡胶、氟化膦腈类氟橡胶。国内外最常用的氟橡胶如下:

①氟橡胶23,国内俗称1号胶,为偏氟乙烯和三氟氯乙烯共聚物。平均分子量50万~100万。乳白色半透明弹性体。无毒,无臭,难燃。相对密度为1.82~1.85。氟橡胶23的牌号有中国的氟橡胶23-11、23-21,美国的Kel-F-5500、3700,俄罗斯的32-11、32-12。

②氟橡胶26,国内俗称2号胶,DuPont牌号VITON A,为偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物,综合性能优于1号胶。白色弹性体,无臭,无毒。相对密度为1.81,玻璃化温度约-17 ℃。

③氟橡胶246,国内俗称3号胶,DuPont牌号VITON B,为偏氟乙烯、四氟乙烯、六氟丙烯三元共聚物,氟含量高于26型氟橡胶,耐溶剂性能好。

④氟橡胶TP,国内俗称四丙胶,旭硝子牌号AFLAS,为四氟乙烯和碳氢丙烯共聚物,耐水蒸气和耐碱性能优越。

⑤偏氟醚橡胶,DuPont牌号VITON GLT,为偏氟乙烯、四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、硫化点单体四元共聚物,低温性能优异。

⑥全氟醚橡胶,DuPont牌号KALREZ,耐高温性能优异,氟含量高,耐溶剂性能优异。

⑦氟硅橡胶,即γ-三氟丙基聚硅氧烷,平均分子量40万~130万。无色或淡黄色固体。相对密度为1.36~1.85。低温柔韧性好,脆化温度为-60 ℃。氟硅橡胶的牌号中国有SF-1、SF-2、SF-3,美国道康令公司的RTV733、RTV142、94-011、Q-2817等,日本信越化学工业公司的FE201U系列、FE301U系列。氟橡胶生产供应商不止DuPont一家,在中国市场上,进口氟橡胶供应商还有美国3M、日本的大金和欧洲的Solvay。国产的有3F、晨光、东岳等。

性能

(1)化学稳定性佳

氟橡胶具有高度的化学稳定性,是目前所有弹性体中耐介质性能最好的一种。26型氟橡胶耐石油基油类、双酯类油、硅醚类油、硅酸类油,耐无机酸,耐多数的有机、无机溶剂、药品等,仅不耐低分子的酮、醚、酯,不耐胺、氨、氢氟酸、氯磺酸、磷酸类液压油。23型氟橡胶的介质性能与26型相似,且更有独特之处,它耐强氧化性的无机酸如发烟硝酸、浓硫酸性能比26型好,在室温下98%的HNO3中浸渍27天它的体积膨胀仅为13%~15%。

(2)耐高温性优异

氟橡胶的耐高温性能和硅橡胶一样,可以说是目前弹性体中最好的。26-41型氟橡胶在250 ℃下可长期使用,在300 ℃下短期使用;246型氟橡胶耐热性比26-41型还好。300 ℃×100h空气热老化后的26-41型氟橡胶的物理性能与300℃×100h热空气老化后246型的性能相当,其扯断伸长率可保持在100%左右,硬度90~95度。246型在350 ℃热空气老化16h之后保持良好弹性,在400 ℃热空气老化110min之后保持良好弹性,在400 ℃热空气老化110min之后,含有喷雾炭黑、热裂法炭黑或碳纤维的胶料伸长率上升1/2~1/3,强度下降1/2左右,仍保持良好的弹性。23-11型氟橡胶可以在200 ℃下长期使用,250 ℃下短期使用。

(3)耐老化性能好

氟橡胶具有极好的耐天候老化性能,耐臭氧性能。据报道,DuPont公司开发的VitonA在自然存放10年之后性能仍然令人满意,在臭氧浓度为0.01%的空气中经45天作用没有明显龟裂。23型氟橡胶的耐天候老化、耐臭氧性能也极好。

(4)真空性能极佳

26型氟橡胶具有极好的真空性能。246型氟橡胶基本配方的硫化胶真空放气率仅为37×10-6mL/(s·cm2)。246型氟橡胶已成功应用在10-9Pa的真空条件下。

(5)机械性能优良

氟橡胶一般具有较高的拉伸强度和硬度,但弹性较差。

26型氟橡胶一般配合的强力在10~20 MPa,扯断伸长率在150%~350%,抗撕裂强度在3~4kN/m。23型氟橡胶强力在15.0~25 MPa,伸长率在200%~600%,抗撕裂强度在2~7 MPa。一般地,氟橡胶在高温下的压缩永久变形大,但是如果在相同条件下比较,如从150 ℃下的同等时间的压缩永久变形来看,丁苯橡胶和氯丁橡胶均比26型氟橡胶要大,26型氟橡胶在200℃×24h下的压缩变形相当于丁橡胶在150℃×24h下的压缩变形。氟橡胶的摩擦系数为0.80,较丁腈橡胶(0.9~1.05)小,耐磨性能良好,但用作动密封件时,因为有较大的运动速度,产生较高的摩擦热量,从而耐磨性降低。

(6)电性能较好

23型氟橡胶的电性能较好,吸湿性比其他弹性体低,可作为较好的电绝缘材料。氟橡胶一般只适于在低频低压下使用,温度对其电性能影响很大,从24 ℃升到184℃,其绝缘电阻下降35000倍。26型氟橡胶可在低频低压下使用。

(7)透气性小

氟橡胶对气体的溶解度比较大,但扩散速度比较小,所以总体表现出来的透气性也小。在氟橡胶中,填料的加入,充填了橡胶内部的空隙,从而使硫化胶的透气性变小,这对真空密封是很有利的。如配合适中,氟橡胶可解决10-7Pa真空密封。据报道,26型氟橡胶在30 ℃下对于氧、氮、氦、二氧化碳气体的透气性和丁基橡胶、丁橡胶相当,比氯丁胶、天然橡胶要好。

(8)低温性能不好

氟橡胶的低温性能不好,这是由其本身的化学结构所决定的,它能保持弹性的极限温度为-15~-20 ℃。随着温度的降低,它的拉伸强度变大,在低温下显得强韧。在测2mm厚的标准试样时,它的脆性温度在-30 ℃左右;厚度1.87mm时为-45℃;厚度0.63mm时为-53 ℃;厚度0.25mm时为-69 ℃。一般氟橡胶的使用温度可略低于脆性温度。如23-11型的Tg>0 ℃。实际使用的氟橡胶低温性能通常用脆性温度及压缩耐寒系数来表示。胶料的配方以及产品的形状(如厚度)对脆性温度影响都比较大,如配方中填料量增加则脆性温度敏感地变坏,制品的厚度增加则脆性混同度也敏感地变坏。

(9)耐辐射性能较差

氟橡胶的耐辐射性能是弹性体中比较差的一种,26型氟橡胶经受辐射作用后表现为交联效应,23型氟橡胶则表现为裂解效应。246型氟橡胶在5×107伦剂量的常温辐射下性能剧烈变化,在1×107伦条件下硬度增加1~3度,强度下降20%以下,伸长率下降30%~50%,所以一般认为246型氟橡胶可以耐1×107伦,极限为5×107伦。

(10)耐燃性

氟橡胶与火接触能燃烧,但离开火后即熄灭,它属于自熄橡胶。氟橡胶的氧指数为61~64。

配方

氟橡胶的配方,一般是由生胶、吸酸剂、硫化剂、促进剂、补强填充剂、加工助剂等组成。

(1) 生胶

国产氟橡胶和国外的氟橡胶的性能基本相同,只是加工性能有些差异,国产胶的加工性能较差,主要是门尼粘度较高,相应影响胶料加工流动性差。

国产氟橡胶26相当于美国杜邦公司的VitonA,氟橡胶246相当于VitonB,国外的氟橡胶生胶,有不少已加好了硫化剂,美国3M公司和日本大金公司供应的氟橡胶已经加好了硫化剂。

(2) 硫化剂

硫化是使氟橡胶产生一定程度的交联,使其具有良好的使用性能。氟橡胶硫化可以采用亲核试剂的离子加成机理进行,也可以以过氧化物或射线以自由基机理进行。

胺类化合物(1#、3#硫化剂)硫化氟橡胶,可以解决一般产品的要求;采用2#硫化剂,可以解决胶浆的加工(胺类硫化机实际应用中趋于淘汰)。

在密封制品中,为使其有较小的压缩变形值,应优先选用酚类化合物作为硫化剂。如双酚AF,并配用相应的促进剂,以适合高层次的性能要求。

在解决腐蚀介质的抗耐性上,建议采用过氧化物硫化氟橡胶。

(3) 吸酸剂

吸酸剂也称为稳定剂。它是为了解决氟橡胶加工过程产生氟化氢对金属的腐蚀和污染,使硫化反应顺利进行。Ca(OH)2等。一般采用MgO、CaO、ZnO、PbO、二盐基亚磷酸铅,其用量一般在5 ~10份。它们的加入各有特点:MgO耐热性好; PbO耐酸性好;CaO压缩变形小;对消除气泡有利;ZnO和二盐基亚磷酸铅,胶料流动性得到改善,耐水性好;Ca(OH)2压缩变形小,加入Ca(OH)2和活性MgO,在酚类硫化体系中,可得到低压缩变形的胶料。总之,要选择合适的吸酸剂,以满足实际性能的要求。

(4) 补强填充剂

氟橡胶是一种自补强性能的橡胶。由于性能要求和用途的不同,需要通过补强、填充体系进行调节,使其功能和成本适应用户的需要。一般用量在10-30份之间。目前常用的补强填充剂大致上有热裂法炭黑(N-990)、喷雾碳黑、白炭黑、硫酸钙、硫酸钡、氧化钙、炭纤维等。

用加拿大进口的N990炭黑或喷雾碳黑,在黑色制品中均取得较好的加工工艺和相应的物理性能。

加入20份炭纤维的氟橡胶,胶料流动性好,加工硫化复杂形状产品之后,其外观好于N-990和喷雾碳黑,表面光滑。由于炭纤维的胶料导热系数大,适合高速运动橡胶件的使用。应该指明的是加入炭纤维的成本高,其伸长率低。彩色氟橡胶制品可以使用白炭黑、钛白、氟化钙、碳酸钙等,并配用相应的颜料即可得到相应的胶料。但是,在加工压缩型密封制品时,在选用彩色原料时,要注意颜料与高温的合理匹配,还要控制胶料的压缩变形值,以使产品适应压缩下的工作需要。

(5)加工助剂

加工助剂是近年来氟橡胶加工的一大进步,它是在不影响胶料发挥的前提下,能改善氟橡胶的混炼工艺,防止焦烧,改进胶料的流动性和压出性能,并能在加工中防止粘辊、粘模,起到外脱模剂的作用。

在氟橡胶的加工中,已出现过氟蜡、低分子聚乙烯、硬脂酸锌、Ws280、棕榈蜡、模特丽935P等新的加工助剂,为氟橡胶的加工和应用提供了新的手段。它的加入量在1-2份。

结构

26 23 CC 23-21 23-11 7 3 5 5 

7161525

制备

(1)初始单体的配制

氟橡胶聚合所需的初始单体,一般按传统方法配制,即按需要的分压向槽中加入定量偏二氯乙烯(VDF)、六氟丙烯(HFP)、四氟乙烯(TFE)等,通过混合和分析,其组成达到要求即可。在釜中初始单体正压下,升温至反应温度,将初始单体压入釜中达到反应压力即可反应,其后以补加单体维持恒压反应。

(2)聚合反应

①氟橡胶聚合类型。

由含氟单体分子形成弹性聚合物的反应称为氟橡胶聚合。从聚合类型划分,氟橡胶聚合属于加成聚合;从反应机理和动力学特征划分,氟橡胶聚合属于链式聚合;从链增长活性种划分,26型氟橡胶聚合属自由基聚合,自由基聚合的推动力是自由基单电子的配对倾向和单体π键打开形成σ键时体系内能的降低。

自由基聚合实施方法可以是本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合。本体聚合导热难,溶液聚合的速度低、分子量低。水介质的悬浮聚合产生胶粒黏凝阻塞。水介质的乳液聚合速度快、分子量高、导热好、黏度低、搅拌功率小,易于工业化规模生产,缺点是析出过程复杂,器壁管道挂胶阻塞,助剂品种多,胶中残留量大。

目前,氟橡胶聚合全采用乳液聚合方法,所以根据聚合实施方法划分,氟橡胶聚合属乳液聚合,严格讲,属气溶乳液聚合。

②反应体系组成及功能

a.反应介质:水,承载聚合反应。

b.分散剂:全氟辛酸铵(低浓度即可,因低分子聚合物类似分散剂结构及功能),形成聚合物乳液,使聚合反应在液相中进行。

c. pH值缓冲剂:中和反应产生的酸,减轻釜体腐蚀,维持胶体稳定性、反应速度稳定性及胶乳浓度稳定性,一般以pH值5~6为宜。

d.引发剂:K2S2O8,分解出活性基引发聚合反应,85 ℃以上有分解速度,90℃下0.5h分解30%, 1h分解50%, 2h分解75%, 3h分解90%;(NH4)2S2O8, 40℃以上分解,比K2S2O8易分解,85 ℃有较快的分解。

e.链转移剂:丙二酸二乙酯等,降低共聚物分子量,从而降低门尼黏度,更重要的功能是在分子链端产生非离子端基,使硫化性能优越,加工流动性好,不引起合金腐蚀。

③链转移。

一般认为,链转移只是活性中心的转移,而不是自由基的消失,不影响聚合速度,只改变聚合物的分子量和分子量分布。但转移后形成的自由基比较稳定,甚至不能再引发单体聚合,此时不仅聚合速度降低,而且聚合物分子量急剧减小,尤其是向单体链转移且转移常数高。氟橡胶聚合以丙二酸二乙酯做链转移剂,它的加入能使反应的单体自由基消失,使聚合速度降低、分子量降低、反应速度降低。

异戊烷作为链转移剂时,应是活性中心的转移,而不是自由基的消失,对聚合速度影响小。但因链转移常数特别大,能剧烈改变聚合物的分子量和分子量分布,日本大金公司以异戊烷做链转移剂,如果引用,在用量和用法上应区别于丙二酸二乙酯。

增长的单体自由基有向聚合物大分子链转移的可能,特别是倒数第2个碳原子上有氢原子易发生链转移。发生大分子链转移的结果不仅不会使分子量下降,反而因产生支链使分子量增大。氟橡胶中也有轻微的这种大分子链转移现象。

④反应结束后釜中单体的处理。

a.回收配制再利用。氟橡胶反应结束后釜中单体的处理,目前基本采用回收再利用的方法。该方法在于回收速度必须缓慢,否则易带出胶乳阻塞管阀,而回收单体配制再利用时,随回收利用的循环增加,反应速度逐渐减慢,产品质量也就难以稳定,这是回收单体中七氟丙烷及其他惰性杂质积累的结果。

b.直接补加降压反应转为合格聚合物。在聚合反应达到规定的终点后,无论是26型氟橡胶还是246型氟橡胶,釜中单体中都是六氟丙烯含量高,而246型氟橡胶釜气中的VDF与TFE的比例和聚合物中VDF与TFE的比例又基本相同,因此现有技术能精确无误地对26型氟橡胶的聚合釜连续补加VDF、对246型氟橡胶聚合釜连续补加符合比例的VDF与TFE混合单体进釜连续降压和继续反应,生成组成合格的橡胶,至釜气耗尽结束。

⑤聚合工艺条件的选择。

氟橡胶聚合工艺条件的选择直接影响产品的质量,所以应该以质量需要来选择工艺条件。有些工艺条件的选择受到设备条件和环境条件的限制,如反应压力、反应温度、投料量、分散剂浓度、反应量(终点)、单体质量等。只能选择一个合适的范围,再根据质量原理,选择釜中引发剂浓度、调聚剂加入时间及加入量,以得到需要的分子量和分子量分布的聚合物,再以反应压力、反应温度、投料量、反应量小范围地选择配合,可以得到加工性能、使用性能和反应速度均理想的产品。

加工

12060MV

22060MV

35090MV

42040MV

5

23024h

应用

由于氟橡胶具有耐高温、耐油、耐高真空及耐酸碱、耐多种化学药品的特点,已应用于现代航空、导弹、火箭、宇宙航行、舰艇、原子能等尖端技术及汽车、造船、化学、石油、电信、仪器、机械等工业领域。

(1)在密封方面的应用

氟橡胶密封件用于发动机的密封时,可在200~250 ℃下长期工作,在300 ℃下短期工作,其工作寿命可与发动机返修寿命相同,达1000~5000飞行小时(时间5~10年);用于化学工业时,可密封无机酸(如140 ℃下的67%的硫酸、70 ℃的浓盐酸、90 ℃以下30%的硝酸)、有机溶剂(如氯代烃、苯、高芳烃汽油)及其他有机物(如丁二烯、苯乙烯、丙烯、苯酚、275 ℃下的脂肪酸等);用于深井采油时,可承受149 ℃和420个大气压的苛刻工作条件;用于过热蒸汽密封件时,可在160~170 ℃的蒸汽介质中长期工作。在单晶硅的生产中,常用氟橡胶密封件以密封高温(300 ℃)下的特殊介质——三氯氢硅、四氯化硅、砷化镓、三氯化磷、三氯乙烯以及120 ℃的盐酸等。

23型、四丙氟橡胶主要用作耐酸、耐特殊化学品的腐蚀性密封场合。羟基亚硝基氟橡胶主要用作防护制品和密封制品,以溶液形式作为不燃性涂料,应用于防火电子元件及纯氧中工作的部件。其溶液和液体橡胶可用喷涂、浇注等方法制造许多制品,如宇宙服、手套、管带、球等。也可用作玻璃、金属、织物的胶黏剂,制造海绵及接触火箭推进剂(N2O4)的垫圈、“O”形圈、胶囊各类密封件等。

G型系列氟橡胶制作的密封件具有使用VitonA、B、E等氟橡胶无法达到的耐高温蒸汽性、耐甲醇汽油或含高芳香烃汽油的性能。

用氟橡胶制成的密封剂——腻子,耐燃料油性能突出,可在200 ℃左右的油中使用,被用作飞机整体油箱的密封材料。

(2)在高真空方面的应用

在高真空应用方面,当飞行高度在200~300km时,气压为133×10-6Pa(10-6mmHg),氯丁橡胶、丁橡胶、丁基橡胶均可应用;当飞行高度超过643km时,气压将下降为133×10-7Pa(10-7mmHg)以下,在这种高真空中只有氟橡胶能够应用。一般在高真空或超高真空装置系统使用前,需经过高温烘烤处理,26型、246型氟橡胶能承受200~250 ℃高温老化,因此成为高真空设备及宇宙飞行器中最主要的橡胶材料。

(3)在耐高温、耐油及耐特种介质方面的应用

用氟橡胶制造的胶管适用于耐高温、耐油及耐特种介质场合,如用作飞机燃料油、液压油、合成双酯类油、高温热空气、热无机及其他特种介质(如氯化烃及其他氯化物)的输送、导引等。用氟橡胶制成的电线电缆屈挠性好,且有良好的绝缘性。氟橡胶制作的玻璃纤维胶布,能耐300 ℃的高温和耐化学腐蚀。芳纶布涂氟胶后,可以制作石油化工厂耐高温、耐酸碱类储罐间的连接伸缩管(两端可由金属法兰连接),可承受高压力、高温度和介质腐蚀,并对两罐的变形伸缩起缓冲减震连接作用。尼龙布涂氟胶后制成的胶布密封袋,作为炼油厂的内浮顶贮罐用软密封件,起到密封、减少油液面的挥发损失等作用。

GLT型氟橡胶、氯化磷橡胶、全氟醚橡胶等更具有宽广的使用温度范围、低温柔软性、弹性密封性等。全氟醚橡胶还具有突出的耐介质腐蚀性,在军工尖端技术中得到广泛应用。

用氟橡胶制得的闭孔海绵,具有耐酸、耐油、宽广使用温度范围和良好的绝缘性,可用作火箭燃料、溶剂、液压油、润滑油及油膏的密封和火箭、导弹的减震材料,耐温达204 ℃,浸渍氟胶乳液的石棉纤维布,可制成石棉胶板,用于耐高温、耐燃烧和耐化学腐蚀性的场合。

发展史

1948 DuPont -2--13-2050 Thiokol N2O41958 23 26 246 广