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谈谈老化对弹性体密封件造成的影响

弹性体因其相对较高的强度、较低的磨损率以及对水、油和其他化学品的耐受性而被广泛使用。弹性体的机械性能,即它们的拉伸强度和硬度,会在产品存放时随时间而变化。储存环境通常会决定橡胶产品的保质期。大多数橡胶在储存过程中对温度、光、氧气、水分、热和机械负荷敏感。这些因素会使橡胶产品过早老化,从而对其作为原材料或成品的使用寿命产生负面影响。

老化对弹性体密封件造成的影响

硬化和破裂的弹性体密封。图片由殖民海豹提供

当密封件等弹性体产品长时间存放时,它们会老化。自然地,弹性体将经历一系列变化,随着时间的推移会改变其材料特性。构成弹性体的分子链会降解,这一过程从材料制造之日开始。在本文中,我们将探讨密封件中常用的弹性体如何随着时间的推移而发生变化,以及它对密封件性能的影响。我们还将介绍处理和储存弹性体产品的最佳实践指南,以确保最佳使用寿命。

弹性体是具有弹性的天然或合成聚合物。构成弹性体的分子链通过微弱的分子间力结合在一起。通常,它们具有低杨氏模量和高屈服强度。它们还具有在拉伸或压缩后恢复其原始形状和大小的独特特性。在密封件中可以找到许多不同类型的弹性体,例如天然丁二烯橡胶 (NBR)、氟橡胶 (FKM)、硅橡胶 (VMQ) 或聚氨酯 (PU)。

弹性体常用术语

1. 选定术语的定义

通常进行加速老化测试是为了更好地了解弹性体如何随时间降解。我们将重点关注工业应用中观察到的最常见的弹性体老化形式:热老化。

进行热老化测试以检查产品承受高温的能力。测试通常通过将弹性体样品放入热风炉内进行。样品挂在烤箱内的转盘上,缓慢旋转以均匀加热,可以在高温(100°C+)的烤箱中放置数天或数周。然后测量和分析样品的物理特性,例如肖氏硬度和拉伸强度。

老化后的橡胶硬度测试

 橡胶老化时会发生两种主要的化学反应:硬化和软化。当构成橡胶的聚合物链开始结合在一起时,就会发生硬化。密封件中的大多数弹性体(NBR、FKM、VMQ、EPDM、POM 等)会由于交联而随着时间的推移而硬化(见表 2)。材料的抗拉强度也会降低,导致弹性体变脆(见图1和2)。一些材料,例如天然橡胶或异戊二烯聚合物,由于其分子链的弱化,会随着时间的推移而软化,但这些材料并不常用于密封应用。

应用和测试

弹性体密封件是大多数工业机器中的重要部件。他们保持润滑和污染物。为了有效,密封件应具有适当的唇缘结构,并且材料应无缺陷。如果您将老化的油封投入使用会发生什么?唇部材料通常是柔软的,因此它们可以很容易地拉伸并移动到表面缺陷中并在粗糙表面上密封。如果材料老化并变硬,它会减少系统的摩擦,但可能会失去其密封能力。此外,由于强度降低,它也更容易受到损坏,并且可能具有更短的使用寿命。

图 1. NBR 和 GE-NBR 前后老化测试的拉伸强度。两种材料的抗拉强度都会降低(来源:Li、Fei-Zhou 等人)。

1. NBR 和 GE-NBR 前后老化测试的拉伸强度。两种材料的抗拉强度都会降低(来源:Li、Fei-Zhou 等人)。

在 Colonial Seal Company,我们对老化对橡胶密封件的影响进行了自己的独立研究(见图 3)。在耐久性试验机上测试了两个标准“A”型 NBR 油封。两个密封件都存放在气候受控的仓库中,并保存在原始包装中,直到测试。测试在 2,000 rpm、200°F 下进行,并保持在恒定的 7 psi。测试每天运行 24 小时,直到观察到泄漏。与新制造的密封件相比,使用 6 年的密封件的使用寿命减少了大约 13%。

图 2. 老化测试后 NBR 和 GE-NBR 的强度损失百分比

2. 老化测试后 NBR 和 GE-NBR 的强度损失百分比。纯 NBR 的强度损失最大,

而 GE-NBR 在不同质量分数的石墨下损失的百分比更少(来源:Li、Fei-Zhou 等人)。

图 3.来自 Colonial Seal 的独立海豹测试数据,日期为 2019 年 1 月。

3.来自 Colonial Seal 的独立海豹测试数据,日期为 2019 年 1 月。

储存建议

如果储存得当,弹性体通常会以较慢的速度降解。SAE AS5316 标准、DIN 7716 和 ISO 2230 标准提供了储存弹性体密封件的最佳实践。这些标准为储存条件提供了相同的通用指南。理想的储存条件如下:

SAE AS5316 标准、DIN 7716 和 ISO 2230 标准提供了储存弹性体密封件的最佳实践

北美SAE AS5316 建议的最长保质期为:

北美 SAE AS5316 建议的最长保质期

AS5316 相比,德国 DIN 7716 和国际 ISO 2230 标准更为严格。根据 ISO 和 DIN 标准推荐的最长保质期如下:

北美 SAE AS5316 建议的最长保质期