氟硅彈性體的進(jìn)展與汽車可持續(xù)創(chuàng)新

朱永康 編譯

（中橡集團(tuán)炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院, 四川 自貢 643000）

0 前 言

在當(dāng)今世界汽車行業(yè)中，持續(xù)改進(jìn)車輛的設(shè)計(jì)材料對于迎接技術(shù)挑戰(zhàn)，滿足市場對燃油效率、節(jié)能減排和降低成本的需求至關(guān)重要。除了發(fā)展一些新技術(shù)外，各種新材料的出現(xiàn)，往往可以滿足性能或成本的需求。美國道康寧公司擁有諸多用途的氟硅彈性體。這一特種有機(jī)硅聚合物通常有很寬的使用溫度范圍，可制造耐燃油和耐潤滑油的車輛零部件。如今，由于在形式和功能方面的一些重大進(jìn)步，氟硅彈性體比以往更有助于設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)汽車可持續(xù)創(chuàng)新。

本文著重介紹氟硅彈性體的關(guān)鍵性進(jìn)步，這些進(jìn)步可以滿足工業(yè)上對于更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用和耐用性的要求，并提供加工的通用性，從而改進(jìn)質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。這些改進(jìn)包括提升氟硅彈性體的基本性能，以及開發(fā)兼具氟硅彈性體的耐流體溫度與液態(tài)硅彈性體加工優(yōu)勢的液態(tài)彈性體產(chǎn)品。本文著重討論新材料的選擇、性能和加工注意事項(xiàng)，以及滿足特定設(shè)計(jì)要求的潛在用途。

迎接汽車可持續(xù)創(chuàng)新的挑戰(zhàn)，必須把材料的研發(fā)與市場的需求相結(jié)合，確保用戶使用起來既可靠，成本又低。

1 氟硅橡膠技術(shù)基礎(chǔ)

有機(jī)硅彈性體有時(shí)被稱之為無機(jī)物和有機(jī)聚合物之間的“化學(xué)橋”或鏈接，它們往往具有一個主鏈，其中的硅原子和氧原子被與硅連接的有機(jī)側(cè)基（如甲基）取代。通常情況下，有機(jī)硅彈性體是作為高黏度橡膠(HCR)出售的，其標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)分類為VMQ（即乙烯基甲基硅氧烷）。

氟硅橡膠(FSR)彈性體被歸類為FVMQ，也就是氟乙烯基甲基硅氧烷。通過以一個氟碳(三氟丙基)基取代烴(甲基)側(cè)基，便合成了氟硅橡膠。正是這樣的氟硅化學(xué)，使得該材料具有耐非極性烴類燃油、潤滑油和溶劑的特性，相對密度大，在極性液體（如酯類和酮類）中的溶解度高，潤滑能力改善。隨著聚合物結(jié)晶的消除，使用溫度降低，分子量相同的情況下黏度增大。

2 液態(tài)氟硅橡膠選擇

硅橡膠和氟硅橡膠彈性體家族兼有固體混合和液體混合的特性。聚合物、硫化體系、特殊添加劑和輔助填料會影響膠料的特定性能。氟硅橡膠 (FVMQ)和高黏度橡膠 (VMQ)屬于縐狀材料，最適合用來制造擠出成型、注射成型、壓延成型零部件。使用液體注射成型或包覆(二次成型)工藝，提高生產(chǎn)速度，增加產(chǎn)量，減少浪費(fèi)。液態(tài)氟硅橡膠 (F-LSR )和液態(tài)硅橡膠(LSR)可以降低汽車零部件的成本。

道康寧公司已提升了其FSR彈性體和HCR彈性體的性能，擴(kuò)大了其F-LSR彈性體產(chǎn)品的供應(yīng)?，F(xiàn)有Silastic品牌的F-LSR彈性體，包括用于強(qiáng)腐蝕性液體全氟化[n（氟）=100%]聚合物，以及應(yīng)用于弱腐蝕性的液體部分氟化[n（氟）=40%～60%]共聚物。F-LSR家族的陣容正在日漸擴(kuò)大，為用戶提供了各種硬度以及自潤滑的選擇。

所有可供選擇的F-LSR均允許使用傳統(tǒng)的LSR設(shè)備來制造氟硅橡膠密封件、墊片和隔膜。與高黏度的FSR膠料相比，其加工速度更快、效率更高、尺寸控制更好。氟硅彈性體在腐蝕性液體和極熱或極冷的苛刻應(yīng)用環(huán)境中最具競爭力。以前FSR膠料在汽車行業(yè)的典型應(yīng)用包括：燃油管安全密封、油封、渦輪增壓器軟管襯里、膜片和隔膜、O形環(huán)密封和墊片。新型的F-LSR膠料為降低加工成本提供了機(jī)會，使加工者能在更多應(yīng)用場合滿足嚴(yán)苛的性能要求。

3 高性能與易加工性

對新型液態(tài)氟硅橡膠彈性體進(jìn)行的大量測試，證實(shí)了其在FSR彈性體應(yīng)用領(lǐng)域中能有效地使用并具有高性能。例如，新型F-LSR彈性體在典型汽車液體內(nèi)呈現(xiàn)出低溶脹率，有滿足密封應(yīng)用的壓縮永久變形，并在熱老化后保持良好的撕裂強(qiáng)度和伸長性能。典型的F-LSR膠料的黏度與高硬度LSR膠料的黏度相當(dāng)。與此同時(shí)，這些材料在加工中具有十分明顯的優(yōu)勢。在低溫(120 ℃)和在高溫(170 ℃)下，新型F-LSR膠料的硫化曲線呈現(xiàn)出快速、完全的硫化。與過氧化物硫化的固體FSR相比，鉑加成法硫化F-LSR的硫化快得多，因而在注射成型過程中可以脫模。F-LSR也表現(xiàn)出更低的模具粘附性，因?yàn)榱蚧^完全使其更容易脫模。

由于能在較低溫度下快速硫化，新型F-LSR彈性體也非常適合二次成型塑料零部件。對于典型的FSR膠料，這簡直是不可能的。因?yàn)榧幢阍谧阋匀刍芰系母邷叵?，它的硫化也慢得多。二次成型可在單?dú)的操作中進(jìn)行，或在同一模具內(nèi)連續(xù)注入進(jìn)行。為了節(jié)省加工時(shí)間，簡化零件編號、質(zhì)量保證措施和裝配要求，不妨把單獨(dú)的操作合并到一起。這些新型F-LSR彈性體將FSR的性能優(yōu)勢與LSR的加工長處結(jié)合起來。其硫化曲線看上去非常相似，盡管F-LSR膠料在較低的溫度下(120 ℃)的硫化較LSR膠料的更快速、更完全。雙組分的F-LSR膠料具有與FSR膠料類似的黏度，其剪切稀化行為也相當(dāng)。其制成的復(fù)雜形狀零部件和公差規(guī)定較嚴(yán)的組件能快速接觸極熱或極冷的液體。

4 應(yīng)對嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的材料

新FSR增加了與可再生生物燃料（如生物柴油）接觸的抗耐降解性。新型F-LSR膠料可制成燃油系統(tǒng)中的密封件、控制膜片和隔板，并具有加工經(jīng)濟(jì)性。

為了應(yīng)對高溫（200～250 ℃）的廢氣，并提高耐酸性，現(xiàn)已研發(fā)出了用于渦輪增壓器軟管的新FSR-HCR組合體。Silastic FSR彈性體和Silastic F-LSR彈性體材料的研制，也非常適合于滿足OEM（原始設(shè)備生產(chǎn)商）對減少廢氣排放的嚴(yán)格要求。

4.1 耐液體性能

不同的氟硅橡膠膠料在壓力下并接觸具有腐蝕性的生物燃料混合物時(shí)，經(jīng)歷了長期熱老化試驗(yàn)。為了模擬典型的使用現(xiàn)場條件，故意讓試驗(yàn)液體被水和金屬所污染。與耐生物燃料的氟碳聚合物不同，Silastic FSR膠料呈現(xiàn)出了低溶脹率，以及良好的硬度、拉伸強(qiáng)度和伸長性能保持率，從而滿足了本行業(yè)的最新、最苛刻的測試要求。接觸生物柴油、柴油和其他標(biāo)準(zhǔn)燃料時(shí)，新型F-LSR膠料顯示出預(yù)期的良好性能。這對于保持設(shè)計(jì)靈活性、提高加工效率均有益處。

4.2 渦輪增壓器軟管

業(yè)已開發(fā)出了Silastic FSR膠料新品種，旨在滿足體積更小、運(yùn)行溫度更高的渦輪增壓器發(fā)動機(jī)的要求。這些FSR膠料通常作為膠管內(nèi)膠層與HCR硅膠外膠層復(fù)合壓出，其配方充分考慮到了耐腐蝕性液體、耐廢氣和耐酸性環(huán)境要求。此外，它們也能夠適應(yīng)更寬泛的使用溫度范圍，從極冷(-40 ℃)到使發(fā)動機(jī)操作溫度升至≥200 ℃，以便加強(qiáng)對廢氣排放的管理。憑借粘接技術(shù)及硫化速度，HCR和FSR彈性體表現(xiàn)出了高初始粘接強(qiáng)度、強(qiáng)層間附著力，以及長期粘附穩(wěn)定性和抗剝落、抗開裂和抗分層性能。

4.3 減排

多年來廢氣再循環(huán)一直是主要的減排技術(shù)，而汽車制造商系統(tǒng)規(guī)范一直在變化。這些規(guī)范遵循不同的方法，在特定測試溫度下使用各種測試液體混合物或現(xiàn)行冷凝液。在滿足OEM規(guī)范要求的測試中，先進(jìn)的Silastic FSR和新型Silastic F-LSR彈性體均表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。今后，將對氟硅橡膠技術(shù)進(jìn)行繼續(xù)優(yōu)化。

5 汽車可持續(xù)創(chuàng)新[1]

道康寧公司利用改良的FSR膠料與新型F-LSR技術(shù)的組合，將其應(yīng)用到工程和技術(shù)服務(wù)上，滿足汽車設(shè)計(jì)可持續(xù)創(chuàng)新的挑戰(zhàn)以及不斷出現(xiàn)的新挑戰(zhàn)。

加強(qiáng)燃料管理將使燃料/空氣比的控制達(dá)到最佳，這就要求材料能夠承受極熱和極冷的溫度，同時(shí)又保持彈性不會消退。新型耐燃油F-LSR可以提供燃油系統(tǒng)密封性，其制成的控制膜能用在更苛刻的代用燃油場合。除了能為更復(fù)雜的設(shè)計(jì)帶來更多的設(shè)計(jì)靈活性外，這些彈性體還能夠提高加工效率和減少浪費(fèi)。

在體積較小而功率強(qiáng)大的發(fā)動機(jī)上，采用先進(jìn)的渦輪增壓技術(shù)，從而提高燃燒效率、減少碳排放，就此而言，新材料的出現(xiàn)也是非常重要的。在這里，為渦輪增壓器軟管新開發(fā)的HCR-FSR組合能承受高溫、高壓、殘留油、以及溫度更高和酸性更強(qiáng)的廢氣，材料出現(xiàn)粘附損失、降解和脫皮的可能性較小。

[1]Hans Peter Wolf. Advances in fluorosilicone elastomers : Sustainable automotive innovation [J]. Rubber World,2013,248(5):30-32.