碳纳米管在氟橡胶旋转油封胶料中的应用

马明智，向 宇，张晓辉，肖风亮

（1.广州机械科学研究院有限公司，广东 广州 510535；2.国家橡塑密封工程技术研究中心，广东 广州 510535）

碳纳米管（CNTs）作为一维纳米材料，质量小，六边形网格连接完美，具有优异的力学、电学和化学性能[1-4]。CNTs长径比非常大，因而沿长度方向的热交换性能很好，而沿垂直方向的热交换性能较差。通过合适的取向，CNTs可以制备高各向异性的热传导材料[5-7]。由于CNTs热导率较大，只要加入微量CNTs，橡胶复合材料的热导率将大幅提高[8-11]。

氟橡胶分子的主链或侧链的氟原子赋予其优异的耐热、耐氧化、耐油和耐腐蚀性能。随着成本降低，氟橡胶在航天、航空、汽车、石油和家用电器等领域得到了广泛应用。

本工作研究CNTs对氟橡胶旋转油封胶料及成品性能的影响，为CNTs在橡胶密封制品中的应用提供借鉴。

1 实验

1.1 主要原材料

氟橡胶，牌号G752（含硫化体系），日本大金工业株式会社产品；炭黑N990，加拿大Cancarb公司产品；CNTs，牌号GTR，山东大展纳米材料有限公司产品；氧化镁，日本协和化学株式会社产品；氢氧化钙，天津博迪化工股份有限公司产品；脱模剂HT-290，美国Struktol公司产品。

1.2 试验配方

氟橡胶G752（以净氟橡胶用量计） 100，炭黑N990 30，CNTs 变量，氧化镁 3，氢氧化钙 6，棕榈蜡 0.5，脱模剂HT290 0.5。

1.3 主要设备与仪器

XK-160型开炼机，佰弘（上海）机械有限公司产品；50 t平板硫化机和旋转油封试验台架，磐石油压工业（安徽）有限公司产品；Zwick型电子万能试验机，德国Zwick公司产品；RPA2000橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司产品。

1.4 试样制备

胶料在开炼机上混炼，加料顺序为：生胶→炭黑→CNTs→小料→下片。混炼胶硫化条件为165℃/15 MPa×20 min。

混炼胶通过挤出机挤出半成品，半成品与处理好的金属骨架复合后一次硫化成型。骨架处理流程为：车削（冲压）→抛丸→超声波清洗→干燥→涂覆胶粘剂→固化胶粘剂。

1.5 性能测试

（1）用RPA2000橡胶加工分析仪对胶料进行应变扫描。混炼胶应变扫描温度为100 ℃，频率为1.7 Hz，应变为2%～300%；硫化胶应变扫描温度为100 ℃，频率为1和10 Hz，应变为1%～50%。

（2）旋转油封台架试验按照GB/T 13871.4—2007《密封件为弹性体材料的旋转轴唇形密封圈 第4部分：性能试验程序》进行。试验介质为32#机械油，润滑状态为1/2浸油，轴直径为100 mm，表面粗糙度为Ra 0.2，以恒定转速6 000 r·min-1正转20 h后停机4 h为1个周期，运行至出现明显泄漏为止。

（3）其他性能按照相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

CNTs用量对胶料硫化特性的影响见表1。

从表1可以看出：随着CNTs用量增大，胶料的FL和Fmax增大，说明CNTs用量增大使胶料流动性降低，对胶料加工性能有一定影响；ts2和t90略微延长，说明CNTs对胶料硫化效率略有降低作用。

表1 CNTs用量对胶料硫化特性的影响（165 °C）

2.2 物理性能

CNTs用量对硫化胶物理性能的影响见表2。

表2 CNTs用量对硫化胶物理性能的影响

从表2可以看出：随着CNTs用量增大，硫化胶的硬度、100%定伸应力、拉伸强度和撕裂强度增大，拉断伸长率降低；老化后拉伸性能总体提高，压缩永久变形增大；耐油性能变化不大。CNTs对氟橡胶有着较好的补强作用，其纤维状结构使撕裂强度大幅提高，同时也会使拉断伸长率明显降低。

2.3 应变扫描

2.3.1 混炼胶

混炼胶的损耗因子（tanδ）-应变曲线见图1。

从图1可以看出，随着CNTs用量增大，混炼胶的tanδ变化不明显。由此可以推断，虽然CNTs用量增大会导致胶料流动性下降，但对混炼能耗并没有明显影响。

图1 混炼胶的tan δ-应变曲线

2.3.2 硫化胶

硫化胶的tanδ-应变曲线见图2。

从图2可以看出：随着CNTs用量增大，硫化胶的tanδ增大；在低频率、小应变下，硫化胶的tanδ差异较小，在高频率、大应变下，硫化胶的tanδ差异较大。由此可以推断，CNTs用量增大会导致氟橡胶制品在使用过程中生热增大，但是在低频率、小应变下生热不大。胶料配方设计时可以在均衡其他性能的同时适当调整CNTs用量。

图2 硫化胶的tan δ-应变曲线

2.4 旋转油封成品性能

制作100 mm×125 mm×12 mm的旋转油封，并测试其物理性能，结果见表3。

从表3可以看出：与F-0配方胶料相比，F-CNTs配方胶料用3份CNTs替代了20份炭黑，两种配方油封的硬度基本相当，两种油封有可比性；F-CNTs配方油封的100%定伸应力、拉伸强度和撕裂强度较大，拉断伸长率较小，这与表2结果吻合。

表3 旋转油封胶料配方与物理性能

台架试验表明：F-0配方油封从第98 h开始出现渗漏，第123 h出现大量泄漏，判定密封失效；F-CNTs配方油封从第116 h开始出现渗漏，第195h出现大量泄漏，判定密封失效。可见添加CNTs有利于延长旋转油封的使用寿命。

3 结论

通过研究CNTs对氟橡胶旋转油封胶料及成品性能的影响得出以下结论。

（1）随着CNTs用量增大，胶料的硫化速率略有减小，流动性降低，混炼能耗变化不大。

（2）随着CNTs用量增大，硫化胶的100%定伸应力、拉伸强度和撕裂强度增大，拉断伸长率降低；老化后强伸性能提高，压缩永久变形增大；耐油性能变化不大。

（3）随着CNTs用量增大，胶料的生热增大，但在低频率、小应变下生热变化不大。

（4）添加3份CNTs的成品油封使用寿命延长，性价比较高。