寬溫域耐15#航空液壓油氟硅橡膠性能的研究

雷海軍，張?bào)K忠，宮文峰，翟廣陽，王 鑫

（西北橡膠塑料研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 咸陽 712023）

液壓作動(dòng)器是飛機(jī)起落架控制系統(tǒng)的重要組成部分，其功能和性能是決定飛機(jī)起飛、著陸正常工作的關(guān)鍵影響因素。近年來，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，對(duì)液壓作動(dòng)器的密封性要求不斷提高，其使用工況更加嚴(yán)苛，主要表現(xiàn)為多種極端環(huán)境，如－60 ℃極低溫至150 ℃極高溫的寬溫域環(huán)境，密封壓力達(dá)到28 MPa以上，維護(hù)周期延長，可靠性要求高[1-3]。目前用于液壓作動(dòng)器密封件的橡膠材料主要為丁腈橡膠（NBR）。NBR密封圈在135 ℃下長期工作時(shí)會(huì)快速老化，同時(shí)受熱膨脹也會(huì)導(dǎo)致密封圈壓縮量增大，進(jìn)而使永久變形增大。在－55 ℃低溫條件下，橡膠材料的低溫結(jié)晶使橡膠分子鏈的柔順性下降，彈性變差，導(dǎo)致密封的可靠性降低，因此在實(shí)際使用中不斷出現(xiàn)由于液壓作動(dòng)器密封失效而導(dǎo)致漏油的情況[4-6]。

氟硅橡膠具有比NBR更優(yōu)良的耐油性能，并且其有效工作溫度范圍可達(dá)－65～200 ℃，較NBR的－50～120 ℃具有更好的高、低溫適應(yīng)性。氟硅橡膠在－55 ℃條件下的壓縮彈性是普通NBR的5～10倍，可提供良好的低溫密封性能[7]。

本工作采用均聚氟硅橡膠和改性共聚氟硅橡膠，通過機(jī)械共混法制備寬溫域氟硅橡膠，研究均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比對(duì)膠料物理性能、耐15#航空液壓油性能及耐低溫性能的影響，并通過典型密封臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證氟硅橡膠密封圈在－60～150 ℃溫度范圍內(nèi)、15#航空液壓油環(huán)境中的密封可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

均聚氟硅橡膠和改性共聚氟硅橡膠，華東理工大學(xué)產(chǎn)品；氣相法白炭黑，德國贏創(chuàng)德固賽公司產(chǎn)品；羥基氟硅油，浙江新安化工集團(tuán)股份有限公司產(chǎn)品；三氧化二鐵，上海一品顏料公司產(chǎn)品；氧化鈰，上海品盛化工有限公司產(chǎn)品；硫化劑雙25，諾力昂化學(xué)品（寧波）有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠 變量，氣相法白炭黑 10，羥基氟硅油 2，三氧化二鐵3，氧化鈰 2，硫化劑雙25 0.8。

1.3 主要設(shè)備和儀器

JTC-752型開煉機(jī)，廣東省湛江機(jī)械廠產(chǎn)品；XLB-D型平板硫化機(jī)，上海橡膠機(jī)械一廠有限公司產(chǎn)品；XHS型邵氏硬度計(jì)，營口市材料試驗(yàn)機(jī)廠產(chǎn)品；DXLL-2500型電子拉力機(jī)，深圳市新三思材料檢測有限公司產(chǎn)品；402型熱老化試驗(yàn)箱，上海第二五金廠產(chǎn)品；ZCY型低溫測試儀，天津建儀試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料混煉在開煉機(jī)上進(jìn)行?；鞜捁に嚍椋簩⒕鄯柘鹉z和改性共聚氟硅橡膠包輥，混煉均勻后依次加入白炭黑、羥基氟硅油、三氧化二鐵、氧化鈰，左、右各割刀6次，混煉均勻后加入硫化劑雙25，充分混煉，打卷5次，輥距調(diào)至3～4 mm，下片。

膠料分兩段硫化，一段硫化在平板硫化機(jī)上進(jìn)行，硫化條件為170 ℃/10 MPa×10 min；二段硫化在烘箱中進(jìn)行，硫化條件為200 ℃×4 h。

1.5 性能測試

（1）壓縮耐寒系數(shù)按照HG/T 3866—2008《硫化橡膠 壓縮耐寒系數(shù)的測定》進(jìn)行測試。

（2）其他各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能和耐油性能

均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比對(duì)膠料物理性能及耐油性能的影響如表1所示。

從表1可以看出：隨著改性共聚氟硅橡膠用量增大，膠料的硬度逐漸降低，拉伸強(qiáng)度變化很小，拉斷伸長率和拉斷永久變形逐漸增大但變化幅度不大；在120 ℃的15#航空液壓油中浸泡72 h后，膠料的硬度變化、拉伸強(qiáng)度變化率、拉斷伸長率變化率和質(zhì)量變化率大幅度增大，壓縮永久變形增大但變化幅度不大。由于改性共聚氟硅橡膠是采用活性陰離子聚合，將物質(zhì)的量相同的二甲基硅氧烷和γ-三氟丙基甲基硅氧烷與少量乙烯基硅氧烷共聚形成的嵌段共聚物，少量嵌段乙烯基硅氧烷的引入有利于提高均聚氟硅橡膠的耐低溫性能，但是并用膠的耐油性能比均聚氟硅橡膠有所降低。

表1 均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比對(duì)膠料物理性能及耐油性能的影響

2.2 耐低溫性能

均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比對(duì)膠料脆性溫度（多試樣法）的影響如圖1所示，對(duì)膠料低溫壓縮耐寒系數(shù)的影響如圖2所示，對(duì)膠料低溫回縮性能的影響如圖3所示，其中TR10和TR70分別為10%和70%回縮率對(duì)應(yīng)的溫度。

圖1 均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比對(duì)膠料脆性溫度的影響

圖2 均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比對(duì)膠料低溫壓縮耐寒系數(shù)的影響

圖3 均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比對(duì)膠料低溫回縮性能的影響

從圖1—3可以看出，隨著改性共聚氟硅橡膠用量增大，膠料的脆性溫度降低，低溫壓縮耐寒系數(shù)增大，TR10和TR70降低，說明橡膠材料在低溫下的彈性提高。當(dāng)均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比為50/50時(shí)，膠料的脆性溫度達(dá)到－64.7℃，在－50，－55，－60 ℃下的壓縮耐寒系數(shù)分別達(dá)到0.51，0.44，0.39，TR10達(dá)到－67.2 ℃。這是由于改性共聚氟硅橡膠分子鏈中嵌入了乙烯基硅氧烷鏈節(jié)，其一方面破壞了均聚氟硅橡膠分子鏈段的規(guī)整性，打破結(jié)晶，降低了結(jié)晶溫度；另一方面降低了橡膠分子鏈段的剛性，提高了橡膠分子鏈的柔順性。這兩方面作用使并用膠能在更低溫度下保持彈性，從而有效提高耐低溫性能。

結(jié)合膠料的物理性能及耐油性能可知，當(dāng)均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比為70/30時(shí)，膠料性能兼顧了耐低溫性能和耐15#航空液壓油性能，綜合性能最佳。

2.3 密封圈臺(tái)架試驗(yàn)

采用均聚氟硅橡膠/共聚氟硅橡膠并用比為70/30的配方制備寬溫域氟硅橡膠混煉膠，再加工成Φ53 mm×2.65 mm的動(dòng)密封圈樣件，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為在15#航空液壓油介質(zhì)中，打壓21 MPa，先進(jìn)行150 ℃×72 h熱老化，再進(jìn)行－60℃×4 h環(huán)境試驗(yàn)，循環(huán)10次。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，密封圈在低、高溫狀態(tài)下均未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，同時(shí)在環(huán)境試驗(yàn)后未發(fā)生損傷、永久變形現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了均聚氟硅橡膠/共聚氟硅橡膠并用比為70/30的膠料在－60～150 ℃寬溫域、15#航空液壓油環(huán)境中的密封可靠性。

3 結(jié)論

（1）以均聚氟硅橡膠為主體并用改性共聚氟硅橡膠，隨著改性共聚氟硅橡膠用量增大，膠料的硬度逐漸降低，拉伸強(qiáng)度變化很小，拉斷伸長率和拉斷永久變形逐漸增大但變化幅度不大。

（2）均聚氟硅橡膠與改性共聚氟硅橡膠并用，膠料的耐15#航空液壓油性能有所降低。

（3）均聚氟硅橡膠與改性共聚氟硅橡膠并用，能夠明顯降低膠料脆性溫度、大幅度提高低溫壓縮耐寒系數(shù)和低溫回縮性能。

（4）當(dāng)均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比為70/30時(shí)，膠料的耐低溫、耐15#航空液壓油綜合性能最佳。

（5）采用均聚氟硅橡膠/改性共聚氟硅橡膠并用比為70/30的膠料制備的動(dòng)密封圈在10個(gè)循環(huán)周期的臺(tái)架試驗(yàn)中具有在－60～150 ℃寬溫域、15#航空液壓油環(huán)境下的密封可靠性。