耐低温全氟橡胶
耐低温全氟橡胶 | ||||
作者:Stefano Arrigoni,Fabiano Merli,Peter Farrow(Solvay) | ||||
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结果与讨论
该种新型耐低温全氟橡胶( 简称:PFR LT)是由TFE和MOVE两种单体及含碘链转移剂的微乳液共聚方法合成而来, 以下将介绍其各种特性。
为此与以下已商业化牌号相对比:
TECNOFLON® PFR94:过氧化物硫化的全氟橡胶(TFE/ PMVE共聚物)
TECNOFLON® PL855:过氧化物硫化耐低温氟橡胶(ASTM1418中规定的第三类氟橡胶:VDF/PMVE/TFE三元聚合物)
其他产品A:**的已商业化耐低温型全氟橡胶牌号,硫化后的玻璃转化温度约为-17℃。
以上材料是用硬度为7 0 - 7 5 度黑色混炼胶进行测试的,配方见表1。
◆ 低温特性
采用以下分析技术来测试PFR LT的低温曲挠特性:差示扫描量热法(DSC)、低温拉伸(TR曲线)、动态机械分析(DMA)和热机械分析(TMA)。所有测试试样都经过一段和二段硫化。其中DSC、TR和DMA测试使用的是2mm厚的试片,TMA测试使用的是6mm厚的试扣。
◆ 差示扫描量热法(DSC)
根据ASTM 3418标准,*常用的玻璃转化温度测试方法是DSC,加热时选择扫描速率为20℃/min,热扫描曲线中热容阶梯中心点所对应的温度即是玻璃转化温度Tg,图1为不同聚合物的DSC图谱。
随着温度的降低所有聚合物大分子链的运动将停止,其橡胶态或者弹性态会转变成玻璃态,所对应的温度即玻璃转化温度Tg,弹性的消失会导致密封力的下降,密封件将就会发生长久形变。测试结果表明PFR LT具有与PL 855相同的低温性能,若与一般全氟橡胶(如PFR 94)和其他产品A相比PFR LT具有更好的低温性能。
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◆ 低温拉伸测试
根据ASTM D1329另外一种测试橡胶低温性能的方法是低温拉伸法即TR测试,该测试是比较低温情况下橡胶的粘弹性。拉伸后的试样回缩原始长度的10%、30%、50%和70%时候的温度分别定义为TR10、TR30、TR50和 TR70。TR10值通常比Tg温度高数℃。图2 是4种不同氟橡胶的测试曲线,其结果与DSC分析的结果一致。
◆ 动态机械性能分析 (DMA)
依照ASTM D4065橡胶样品进行DMA测试时, 对试样施加一个震荡的力。通过测量材料对震荡的反应,可以计算储存模量G’、损耗模量G’和损耗因子 (tan d) 等参数。图3是所有测试样件的储存模量G’和温度之间的关系曲线。G’的巨大的损耗(二个数量级)对应的即是橡胶的Tg’同时也可以根据图4 中损耗因子的峰值与温度之间的关系曲线确定Tg。数据表明PFR LT与PL 855具有同样的低温性能,但比PFR 94和其他产品的低温性能更好。
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◆ 热机械性能分析 (TMA)
根据ASTM E8 3 1 另外一种表征橡胶低温性能的方法是热机械性能分析(TMA)。这种测试是在试样表面施加很微小的力(100 mN)同时以5℃/min速率升温的环境下,测试试样尺寸的变化。温度上升导致热膨胀,用热膨胀系数(a)表征。(a)是试样尺寸变化与温度之间关系曲线的斜率,它与物质的热转化如玻璃转化温度有关系。它在玻璃态时比较低,但Tg时聚合物链开始有分子间的部分运动,随着温度的升高运动更加剧烈,所以橡胶态的热膨胀系数(a)比较高。通过在玻璃态和橡胶态区域插入曲线可以测定玻璃转化温度Tg,如图5所示。a值确定全氟橡胶比普通氟橡胶更容易热膨胀,其玻璃转化温度Tg 和橡胶热膨胀系数a则列于表2中。而表3则总结了上述不同测试方法的Tg值。
无论选择哪种测试技术,与普通的TFE/PMVE全氟橡胶相比,PFR LT的低温性能约有30℃的改善,与耐低温氟橡胶PL 855非常相似,并与已商业化的耐低温全氟橡胶相比较其TR10降低约15℃(TR10可代表密封件*低工作温度,其冷挠曲性能见图6所示)。
◆ 耐介质性能
全氟橡胶具有突出的耐各种腐蚀性介质性能,如各种酸、腐蚀剂、酮、醛、醚、酒精、燃油、润滑油、溶剂、酸性气体、碳氢化合物、蒸汽、热水以及混合的工业流体。根据ASTM D471测试PFR LT耐介质性能,附录为耐介质性能数据一览。
图7至图9表明PFR LT 相对于一般FFKM (如PFR 94)极大地改善低温柔韧性,同时其耐化学介质性能没有任何改变,因此PFR LT具有与 PFR 94相当的耐介质性能。
◆ 物理机械性能
PFRLT使用过氧化物硫化体系,混炼非常简单。炭黑和白炭黑能够增加其强度和模量。表4中的数据是表1中同样配方混炼胶的基本物性和压缩长久变形性能的比较。
对于不同的应用和密封结构应选择不同的配方和填料来改善其物理机械性能(见表5)。肖氏A(Shore A) 90度的混炼胶配方(非*佳应用配方)可达到某些油田密封应用高硬度的要求。
从表5 可知,PFR LT具有很好的通用性,并可制成不同硬度的混炼胶,尤其**的单体技术可以设计成传统的TFE/PMVE共聚的全氟橡胶所不能达到的更低硬度的混炼胶。
表6 表明,传统的全氟橡胶能够达到的*低硬度为58 Shore A,而PFRLT的*低硬度为45 Shore A。
结论
利用MOVE单体技术生产的新型全氟橡胶,具有的更好的低温密封能力,优异的压缩长久变形和耐介质性能。各种测试手段已经证明TECNOFLON® PFR LT的低温特性,同时也表明单体聚合过程得到很好的控制。
与标准的其它耐低温全氟橡胶(Tg-17℃)相比,TECNOFLON® PFR LT的耐低温性能得到进一步改善( - 3 0 ℃ ) 。同时TECNOFLON® PFR LT还具有极好的耐甲醇、水蒸气、乙二胺和甲酸钾等油田常用介质性能, 因此可适用于各种不同工作环境和介质中的设备密封应用。
MOVE单体技术可使TECNOFLON® PFR LT具有优异的物理机械性能, 耐介质性能和耐低温密封性能,从而使密封件和设备的相关设计人员可以有新的产品设计和以前所无法实现的新型密封解决方案。