新型PTFE涂层O形圈的研究与应用

王旭东 王卫东 薛冠洲

摘 要：针对O形圈在工业应用中遇到的问题和挑战，结合PTFE的独特性质，设计开发了PTFE涂层的O形圈新产品，并对产品进行关键技术指标的测试，讨论了该类产品在汽车制造、电子和半导体工业的应用，最后得出结论该新产品技术先进，市场应用前景广泛。

关键词：O形圈；橡胶密封件；PTFE涂层

中图分类号：TG156 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0157-03

Abstract： In view of the problems and challenges encountered in the industrial application of O-ring， combined with the unique properties of PTFE， a new product of O-ring with PTFE coating is designed and developed， and the key technical indexes of the product are tested. The applications of this kind of products in automobile manufacturing， electronics and semiconductor industries are discussed. Finally， it is concluded that the new product has advanced technology and wide market application prospect.

Keywords： O-ring； rubber seal； PTFE coating

引言

O形密封圈（英文O-Rings）是一种形状为圆形或圆环的实心橡胶密封圈。当在配合表面之间受压时，O形密封圈阻挡介质的泄漏和溢出。O形密封圈历史上的第一个专利是在1896年5月12日由J. O. Lundberg获得的瑞典发明专利。后来，美国工程师Nielsen Christensen在开发汽车制动器的同时完善了O形圈，并于1937年获得了改进的O形密封圈美国专利US2180795。在20世纪40年代早期，O形密封圈成为空军液压系统的标准密封件，在20世纪50年代，O形圈开始广泛应用到工业液压、农机设备、汽车密封、管道密封、电器设备、泵、阀门等多种设备中。今天，数十亿的O形圈正在密封世界各地空中、陆地、海洋及外太空的每种的每一种设备或装置。

1 O形圈应用遇到的挑战

O形圈以其经济性、方便性和实用性大工业领域大量的使用，领域应用越广泛遇到的挑战和机遇就越大，下面我们列出了当今O形圈应用遇到的一些问题和挑战。

1.1 安装困难，阻力大

O形密封圈在安装到沟槽、端面、接头等安装位置时，由于密封圈的尺寸、材质、硬度等不同会造成不容易安装的问题，通常采用专用工具辅助安装，涂润滑油润滑脂等来减小安装阻力。有些工况不允许使用润滑油脂，例如：严格的洁净度工况、纯氧气介质、防止污染工况等。

1.2 特殊工况

O形密封圈应用领域广泛，保证介质的密封性，O形密封圈的耐介质是非常重要的，全氟橡胶、高氟橡胶、全氟醚橡胶等材质具有非常好的介质兼容性，但是这些产品的成本非常高，无法广泛应用到低成本的工况场合。

1.3 产品易混淆

在工业制造中有时会遇到相同颜色、相同尺寸规格而材质不同的O形圈在同一工位，容易造成产品安装错误，从而导致零件或产品的质量问题。

1.4 自动化进料

大型工业制造生产线，采用自动进料系统来输送密封圈产品，橡胶密封圈表面摩擦力大造成自动喂料困难，有些材质的密封圈还容易造成粘连等问题。

1.5 快速自动脱模

当今在O形圈的制造过程中很多采用模铸成型工艺，在O形圈硫化完成后密封圈的快速脱模也是制造工艺中一个亟待解决的问题。

下面我们首先对PTFE材质的特性进行介绍和研究。

2 PTFE材料简介

聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，简写为PTFE）是一种含氟聚合物的高分子化合物，属于热塑性材料。它是由罗伊·普朗克特（英文：Roy J. Plunkett）博士在杜邦工业中研究氟利昂的替代实验中发现的，它的商业名称为特氟龙（Teflon）。聚四氟乙烯具有非常好的耐酸碱、有机溶剂、耐候性、高导热性、高机械强度、疏水性、低摩擦力。

2.1 耐化学性

PTFE材料的独特性质是化学惰性。碳-氟原子的强键合和高分子量是其化学惰性的主要原因。PTFE不受常规化学试剂如氢氟酸，盐酸和氯磺酸的影响。即使在温度327°C以上，PTFE也不溶于有机溶剂，如碳氢化合物，氯化烃，酯和苯酚。采用PTFE涂层的几乎不受任何化学介质的侵蚀，可以保护橡胶密封圈免于遭受任何种类的化学腐蚀。

2.2 低摩擦性

纯净的PTFE涂层具有极佳的耐摩擦性能和极低的摩擦系数。并且在负载变化时摩擦系数会随之变化，PTFE的摩擦系数在一般在0.05至0.08之间，因此常常被应用在对摩擦系数要求高的机械零部件上，在降低摩擦系数和增加耐磨性的同时，也可以起到自润滑作用。

2.3 外观色泽

PTFE涂层外观色泽鲜艳，光亮度高，具有丰富的颜色范围选择，例如蓝色，紫色、红色，绿色，银色以及黑色等。

3 PTFE涂層密封圈设计及测试

为了解决上述O形圈应用的问题，我们研究开发了一种PTFE涂层的密封圈，专该产品的公布的专利号为ZL201821518920。下面是我们对该产品的具体研究和特点分析。

3.1 PTFE涂层密封圈研究

通过第2节PTFE材料特性的分析，在模铸O形圈的制造过程中调整脱模的工艺过程，在模具内均匀喷涂PTFE脱模剂，O形圈产品在型腔内经过硫化、高温固化等工艺后，PTFE涂层固化在弹性密封体表面形成一层干式薄膜。我们的研究人员经过上百次的测试与验证，分析得出PTFE涂层的厚度在25-40μm范围内，既可以保证PTFE涂敷层在O形圈表面固化稳定不易脱落，又可以保证O形圈制造过程中的快速、容易、完整的脱模。

PTFE涂层工艺简单，制造方便，适合所有的橡胶材料，产品的PTFE涂层在自动喂料中不会形成污染，涂层可以通过添加不同颜色的添加剂形成不同颜色涂层。

3.2 PTFE涂层产品的优点

密封圈表面摩擦力明显减少；

安装或装配时不会损坏密封件；

装配流程更快，更经济；

降低密封圈的透气性；

降低密封件在自动送料过程中的粘连；

无污染或少污染；

降低产品混淆的风险；

伸长率超过150%；

适用于所有标准弹性体密封材料；

有多种颜色可供选择；

3.3 产品测试

3.3.1 涂层厚度

高分辨率电子显微镜，可以对密封件的性能进行最准确的分析。使我们能够检查涂覆工艺后的产品表面细节。包括测量涂层厚度，表面粗糙度或其它更多显微镜组织检查，为我们提供PTFE涂层密封件表面实际视图。

测量涂层厚度，PTFE涂层检测产品的横截面必须经过特殊处理，以保持原始涂层的状态，方便显微镜进行精确的厚度测量。如图1所示，采用1000x放大率观察和测量微米级涂层的厚度。涂层厚度平均分布在5微米左右。

3.3.2 摩擦系数

PTFE的自润滑性改变密封产品表面粗糙度并有效降低粘附摩擦力。使用PTFE的涂层O形圈密封件，无论是哪种材质的橡胶材料，静摩擦系数都可以下降70%以上，不同材质原始材料和PTFE涂层后的静摩擦系数对比如图2所示。

PTFE涂层O形圈的静摩擦系数为0.06-0.10，其优秀的低摩擦和自润滑特性使得产品在安装中非常的方便，大大降低了产品在安装中的失效故障，如：扭曲、粘合和撕裂等问题。易于安装的特性大大的提高了生产效率，无论是自动喂料系统还是手动安装都获益匪浅。同时，自润滑特性有效的解决了超净环境，物污染工况，限制润滑油脂使用场合的O形圈密封。

3.3.3 油浸和热老化试验

PTFE涂层必须能够承受特定环境和严苛的工况条件，以满足客户对产品应用的需求。因此，我们对PTFE涂层产品的耐热性和耐化学介质性进行了测试，通过模拟实际工况中产品的使用环境，我们对新研制的PTFE涂层O形密封圈产品进行测试，图3分别对PTFE涂层的O形圈产品进行150℃和175℃油浸168小时后进行对比，测试结果显示带PTFE涂层的产品在耐化学性和热稳定性方面的巨大改进。PTFE涂层产品的涂层没有观察到颜色变化、涂层脱落和破坏等现象，产品的耐热性、稳定性有很大的提高。

3.3.4 装配测试

PTFE涂层产品的组装期间涂层状态的稳定性非常重要，涂层与O形圈密封件表面具有良好的粘附性，在安装拉伸力作用下没有涂层开裂或剥落现象。模拟汽车空调系统装配试验：对样件拉伸至150%伸长10个循环，然后在显微镜下以500x放大率观察样件。测试PTFE涂层O形圈样件没有观察到裂缝或损坏，如图4所示。

根据O形圈的材质不同，进行PTFE涂层和无涂层的密封圈的组装力测试，测试结果图5所示，PTFE涂层的O形圈安装所需的压力降低了50%以上。

3.3.5 洁净度

PTFE涂层O形圈的应用市场有很多洁净度等级要求很高的场合，如：半导体、电子工业、汽车制造和生物医疗等。PTFE涂层密封圈利用干式自润滑技术替代传统的润滑油脂的污染，用户担心外部因素导致的涂层脱落，这些固体颗粒会造成洁净空间的环境污染，我们特别对PTFE涂层的产品在模拟装配测试后进行清洁度测试，测试结果如图6所示，测试样件的清洁度可以达到ISO 16232中的G6等级。

4 行业应用

4.1 汽车工业

汽车工业有非常多的部件用到O形圈密封，如：汽车空调管线，机油尺密封，燃油系统快速接头的密封，电气连接传感器的密封。PTFE涂层的O形圈产品应用到上述领域后，减少产品组件安装力。PTFE干式润滑替代润滑油酯，减少了润滑油脂对组件的污染。透明版和多种颜色涂层的产品方便用户通过特定颜色对产品进行识别，从而排除混淆的风险。在自动化装配和多次装配过程取得非常好的效果，几乎所有的密封材质均可以提供PTFE产品，方便用户的选择和使用。

PTFE涂层产品应用到汽车工业中，产品成本没有增加，同时制造过程中的安装效率、产品故障率、次品率大大降低，用户反馈非常积极。

4.2 电子工业

半导体和电子工业中对密封产品的清洁度、产品精度都有非常高的要求，PTFE涂層O形圈产品在电池、电容、芯片封装和制造领域推广使用，自动喂料系统的密封件粘连问题得到解决，电容电池产品合盖封口尺寸减小70%，更有利于产品的焊装和封口工艺，安装次品率和废品率由原来的10%降低到1%，封装成品的可靠性由原来的95%上升至99%。

PTFE涂层O形圈产品大大促进了半导体及电子工业相关产品的工艺自动化，通过产品合格率的提升有效的降低了产品的制造成本，极大的提高了生产效率。

5 结论

PTFE涂层O形圈的这种专利技术产品，通过将高分子材料和技术应用到传统工业产品，不但解决了O形圈产品工艺中的快速脱模问题，还极大的改善了O形圈产品在应用中遇到的多方面挑战。随着技术的成熟和完善，PTFE涂层O形圈产品会在更多的领域得到应用和推广，市场前景非常值得期待。

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