1、    耐油及耐化學品性能

 

許多合成橡膠遇油會發生膨脹，或因工作油液中所含的添加劑作用而加速惡化。結果材料在某種介質中膨脹太大，或性能明顯劣化，則說明這兩種物質不相容。所以液壓氣動用密封材料選用時，首先要考慮材料與密封介質是否相容。液壓用密封要考慮對工作介質的適應性；氣動用密封也要考慮對潤滑劑的耐受性能。

 

膨脹是指材料遇油后體積發生變化的現象。橡膠的膨脹性能用膨脹率表示，膨脹率是橡膠浸泡前后的體積變化率。材料膨脹后，密封尺寸關系發生較大的變化，加劇摩擦、磨損，并且強度明顯降低。

 

除膨脹之外，油液對橡膠的硬度、抗張力、伸長率和殘余變形的物理、力學性能均有顯著的影響，使橡膠軟化、收縮和分解，橡膠性能劣化。這是因為，為了改善橡膠性能，一般都在橡膠中加入增塑劑，橡膠與油液會吸收橡膠中的增塑劑，隨著橡膠中的增塑劑逐漸被溶解，液體侵入，結果橡膠體積、重量改變，硬度、彈性降低

 

測定膨脹是考察相容性的一項基本實驗。如果不考慮劣化，對材料的膨脹，用作動密封不能超過15%~20%，靜密封不超過50%，墊片可接受100%的材料膨脹率。密封件使用中的實際體積變化比膨脹值要小的多，因為要被壓縮變形抵消一部分。

 

橡膠的膨脹是各種化學品分子進入橡膠聚合物分子之間，產生無規則的分散作用力，使構成橡膠彈性的網狀分子結構發生變化的結果。如果橡膠中的可溶性分子在介質中雜亂無章運動，則橡膠可能發生收縮，也會對密封造成不利的影響。一般來說，性質相似的物質，這種相互混合的現象容易發生。例如天然橡膠是碳氫化合物，很容易溶解到同是碳氫化合物的礦物油中去。引用溶解度參數SP值，可以衡量這種溶解程度。SP值定義為，物質每一摩爾的蒸發熱對其體積比值的平方根，即：

 

          SP值=（每摩爾蒸發熱/每一摩爾體積）1/2

 

2、  機械、力學性質

 

液壓氣動用密封材料要求彈性好、能拉伸、耐高壓、耐磨、摩擦系數底，這些都可用材料的力學性質反映，都與材料的機械強度有關。機械強度的測定比較容易，也是其他材料性能實驗的基礎。所以被作為ZUI基本的材料性能指標。合成橡膠和塑料的力學性能，一般要考慮硬度、抗張強度、耐磨性、彈性、伸長量等指標。

 

1）硬度

 

硬度指材料表面抵抗塑性變形或破裂的能力；同時硬度與強度有某種近似關系，硬度底的材料表現出受力變形的柔順性。硬度是密封材料的重要指標，橡膠材料的硬度通常以紹氏硬度（HS）表示。

 

液壓用密封材料，必須承受油壓力，高壓力可使材料過度變形，甚至從密封間隙中擠出而破壞密封性能。因此材料需要有一定的硬度，以抵抗這一破壞。硬度越高耐壓能力越強。

 

橡膠材料用作密封材料是因為它比金屬“軟”，因此具有柔順性，在粗糙密封面上變形，順應表面形狀，達到密封目的。因此硬度低對提高密封性具有有利的影響。

 

在動密封中，材料硬度對運動性能也有直接的影響，并且較為復雜，不同的密封型式，硬度以不同方式影響運動性能。一般來說，硬度低動摩擦卻有相反的作用。耐磨性與硬度有關，硬度高耐磨性強。

 

2）擴張強度與伸長率

 

強度和拉伸強度反映材料抵抗變形的能力，密封件的密封性與此有密切關系。而且拉伸強度與伸長率直接影響密封件的安裝性能。

 

擴張強度以斷裂時的拉應力表示，橡膠材料的拉應力值，通常取伸長100%時的應力值，這是因為橡膠材料的應力—應變曲線不服從虎克定律，所以用100%伸長時的值代替彈性率。聚四氟乙烯的塑料材料存在屈服點，所以拉伸強度用屈服點以內的拉應力測定。拉伸強度和伸長率與耐壓性沒有太大的關系，只是抗拉強度低于7MPa的材料，不適用于動密封。作為壽命的一個測定指標，抗張強度低，容易產生應力松弛和永久變形，造成密封失效。

 

伸長率是材料剛性的倒數指標，用材料的拉伸量與自然狀態下長度之比的百分數表示。材料的允許伸長率，是指在不發生永久性損壞或永久變形的前提下，可以施加的ZUI大伸長率。允許伸長率影響密封件的安裝性能。

 

3）彈性

 

密封材料的彈性對于密封件的密封性極為重要。由于彈性使材料受壓后產生一個回彈力，擠壓型密封如O形圈就是靠密封材料的回彈力獲得初始密封壓緊力；唇形密封件如Y形圈，雖然有利于流體壓力的自密封性，理論上壓縮變形即使為零，在油壓力下也能密封。但如果密封偶件有偏心，低壓時就有可能產生泄漏，這時依靠材料的彈性可以補償這一偏心造成的密封接觸應力不足。

 

彈性可以用回彈力來度量，在同樣的變形率下，彈性大回彈力就大。彈性隨溫度就較大變化，同一材料在不同的溫度下的彈性不同。許多橡膠在溫度為-20~20℃時彈性出現ZUI小值，而某些橡膠在很寬的溫度范圍內彈性變化不大。

 

合成橡膠材料的彈性在國外有標準測試方法，如日本的JISK6255標準的反彈法彈性測試。這一實驗是從一定距離處讓一可作振蕩運動的鐵棒自由落下，打擊一圓柱形固定試件。以被試件反彈高度反映彈性。然而由于這一實驗未反映合成橡膠材料的粘性的影響，所以難以與密封件密封性建立直接關系。

 

日本JISK6394標準中的正弦波振動動態特性實驗方法是，給試件施以正弦波振動，測定振動時其擾度波形的延遲量，用相位角δ，作為彈性指標，tanδ值實際是損失彈性率與貯存率的比值。tanδ值在0~1之間，該值越小，彈性指標越大。

 

4）永久變形

 

密封件是因其在密封槽中有一定的壓縮變形，靠變形回復力而獲得密封能力的。由于密封用的合成橡膠是粘彈性材料，長時間受壓會有不可回復的永久變形。初期設定的回彈壓緊力經長時間的使用后，會因其產生永久變形而逐漸喪失，ZUI終出現泄漏，所以材料的耐壓縮永久變形性能，是衡量密封壽命的指標。橡膠、塑料類高分子材料的永久變形不僅與受壓力大小有關，還與變形量、變形時間有關。長時間的變形難以回復，并且變形后的回復是緩慢完成的。

 

無論什么材料，其永久變形都或多或少與溫度有關，一般在室溫附近壓縮永久變形ZUI小，低溫和高溫部永久變形增加。與以下要介紹的橡膠冷、熱硬化現象一樣，壓縮永久變形在低溫下增加和高溫下增加的機理不同。低溫壓縮永久變形增加，是因為在低溫下壓縮時，因分子凍結，運動緩慢，短時間內變形殘存。一旦恢復室溫，將恢復室溫時變形值。所以低溫下的殘存變形是一種可逆變形。與此相反，室溫至高溫溫度段的壓縮永久變形是在壓縮狀態下伴有化學變化的結果，所以即使在室溫下長時間放置，也幾乎不會有變形回復，是一種不可逆變形。使用中的材料的壓縮量一般不超過30%；安裝后的拉伸量一般不超過5%。負責產生永久變形，密封失效。

 

測量壓縮永久變形比較簡單，可取標準厚度如12.5mm的圓柱作為試件，實用中也可用與實際制品厚度相近的O形圈作為試件。考慮壓縮永久變形的時間效應，測試低溫壓縮永久變形，在測試溫度下壓縮一定時間，在原溫度下釋壓，放置30min后，在實驗溫度下測定試件厚度。測試高溫下壓縮永久變形，在壓縮狀態下和實驗溫度中保持一定時間，試壓后在室溫下放置30min，在空溫下測量試件厚度。

 

5）耐磨性

 

對于動密封而言，耐磨性也是材料壽命的指標。材料的耐磨性一般用磨損實驗來考察，即用一定時間的磨損量來衡量。實際的磨損是一個復雜的過程，受潤滑狀態、密封表面的粗糙度、介質工作壓力、載荷、滑動距離、運動速度以及溫度等使用條件的影響很大。而從材料本身的因素看，材料的耐磨性與硬度關系密切，材料越硬，越耐磨，此外還與抗張強度有關，可表示為以下關系式：

 

               V=k(μwL)(HSTBEB)

 

其中式中  V——磨損量；

 

         μ——常數；

 

         k——摩擦系數；

 

         w——載荷；

 

         L——滑動距離；

 

         HS——材料硬度；

 

         TB——材料擴張強度；

 

         EB——材料拉伸量。

 

6）摩擦系數

 

動密封低速運動時，摩擦阻力是引起運動不平穩的主要原因，對元件和系統性能造成了不良影響，所以對密封來說，摩擦性能是重要的性能之一，摩擦系數是摩擦性能的一個評價指標。

 

合成橡膠的摩擦系數較大，但對于液壓密封用合成橡膠來說，單獨考察材料摩擦系數沒有太大意義，這是因為密封在運動狀態時，通常處于工作油液或潤滑劑參與的混合潤滑狀態。潤滑條件對摩擦系數有很大的影響，如NBR的動摩擦系數，依測定條件可在0.5~3之間變化。氣動元件工作中潤滑條件差一些，無供油氣缸只在安裝時涂以潤滑脂，使用中不另外供給潤滑劑，對于這類密封，材料的摩擦系數需慎重選擇。

 

合成橡膠的硬度與摩擦系數有關，硬度越高摩擦系數越低；合成樹脂摩擦系數一般低于橡膠；摩擦系數ZUI小的是聚四氟乙烯，無潤滑摩擦系數達0.04。除此之外摩擦系數還與表面狀態、接觸應力、運動速度等許多因素有關，十分復雜。

 

直接測定摩擦系數比較困難，一般實驗方法是測量某一標準狀態下的摩擦力。靜摩擦力受前述各種因素的影響，測量誤差較大，測量值只能作為參考；與之相比，動摩擦力能獲得較穩定的、有重復性的測量值。實用中摩擦力主要影響ZUI低啟動壓力，所以常以ZUI低啟動壓力作為摩擦特性的指標。

 

7）彎曲疲勞強度

 

合成橡膠的耐疲勞強度較強，但使用時也不能完全忽視疲勞破壞。運動用密封，特別是有震動的場合，密封件形狀反復改變，要注意密封件的疲勞損壞。對摩擦力影響較為敏感的氣動密封中，為了降低摩擦阻力，多將密封件制成易于變形的形狀，這樣，如果潤滑狀況惡化，密封件就會反復變形，出現疲勞。所以，這種情況下，掌握材料的彎曲疲勞度很重要。

 

彎曲強度可用斷裂實驗測試。方法是對試件施以反復的彎曲變形，記錄發生斷裂時的彎曲次數和斷裂擴展速度，用以反映彎曲強度。