CN103206541B - 一种夹布油封及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明一种夹布油封及其制备方法与应用。该夹布油封由骨架和唇形密封圏组成，骨架由将丁腈橡胶混炼胶涂覆在棉帆布上制得的丁腈夹布构成，唇形密封圏由氢化丁腈橡胶混炼胶构成。本发明通过丁腈橡胶混炼胶配方和氢化丁腈橡胶混炼胶配方，解决了丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶同步硫化、界面粘合强度高的问题，具有无需二段硫化即具有低压缩永久变形的氢化丁腈橡胶混炼胶唇形密封圏以及焦烧安全性好、加工性能优良适于制造大型密封制品的工艺优势。制得的夹布油封耐高温、耐摩擦磨损，使用寿命较长，成本低，特别适合在油温50～110℃、轴线速度为15～25m/s的旋转轴密封上使用。

Description

一种夹布油封及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于橡胶密封技术领域，特别涉及一种夹布油封及其制备方法与应用。该夹布油封由丁腈橡胶夹布和氢化丁腈唇形密封圏组成，特别适合用于工作介质温度在50～110℃、轴线速度为15～25m/s的旋转轴密封上，如具有润滑条件的研磨机、冶金轧机或大型齿轮箱箱传动轴轴头处。

背景技术

夹布油封底部用夹织物增强油封外缘肩部，它与弹性的密封唇紧密地制作成一体，并用抱紧弹簧给予密封唇部以预紧。主要用于旋转轴承座部位，与旋转轴产生相对运动。用于润滑油、润滑脂、水等介质的密封，密封效果好，拆装方便。夹布油封多运用在重型和冶金机械制造业，如具有润滑条件的研磨机、冶金轧机或者大型齿轮箱箱传动轴轴头处。常用夹布油封有丁腈橡胶夹布油封、氟橡胶夹布油封和氢化丁腈橡胶夹布等。由于NBR耐温限制，丁腈橡胶夹布油封一般只能在线速度20m/s以内、温度100℃以内工作；氟橡胶夹布油封可在线速度25m/s以内、温度180℃工作；氢化丁腈夹布油封可在线速度25m/s以内、温度140℃工作。

高速旋转的油封与轴摩擦发热而造成唇口温度上升，一般唇口部位温度比油温高30～40℃，例如：油温110℃、环境温度50℃、规格为80mm×100mm×10mm油封，其中唇口尖端温度为150℃，腰部温度为110～115℃，骨架部分温度为107.5℃。由此可见，对于旋转轴唇形密封圈来说，如果介质温度在50～110℃、速度在15～25m/s，如肩部（骨架部分）和唇口弹性体使用同一种橡胶，则NBR存在唇口温度超过NBR耐温度上限而导致材料快速老化、油封寿命缩短的缺陷；如果骨架部分和唇口部分均使用HNBR制造，则存在HNBR成本比NBR高10倍左右、产品成本急剧增加的缺点；且夹布骨架部分温度并不高，仍处于NBR可靠工作温度范围之内，使用HNBR存在明显功能过剩的问题。此外HNBR夹布由于HNBR在溶剂中溶解能力低于NBR，其制造难度也增大不少。FKM夹布油封同样存在成本很高、氟橡胶夹布制造容易凝胶和技术难度大等问题。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种夹布油封；该夹布油封可在50～110℃、轴线速度15～25m/s的旋转轴密封上工作。

本发明的另一目的在于提供所述的夹布油封的制备方法；

本发明的再一目的在于提供所述的夹布油封的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种夹布油封，由骨架和唇形密封圏组成；

所述的骨架由丁腈夹布构成；

所述的丁腈夹布优选为将丁腈橡胶混炼胶涂覆在棉帆布上制得的丁腈夹布；

更优选的，所述的丁腈夹布优选为将丁腈橡胶混炼胶按42～45wt%涂覆在棉帆布上制得的丁腈夹布；

所述的丁腈橡胶混炼胶优选由下述质量份数的成分制成：丁腈橡胶100份、氧化锌3～5份、硬脂酸0.5～1.0份、2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体（防老剂RD）0.5～1.5份、炭黑30～50份、填充剂10～30份、1,1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环己烷（硫化剂3M）1.5～2.5份、4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（阻聚剂ZJ-701）0.2～0.4份；

所述的丁腈橡胶为含有40～41wt%丙烯腈的丁腈橡胶，优选为日本JSR公司的N220S、日本瑞翁公司的N21系列或德国朗盛公司的Perbunan NT3946；

所述的炭黑优选为N330、N774或N550中的至少一种；

所述的填充剂优选为硅藻土、硫酸钡、碳酸钙或滑石粉中的至少一种；

所述的丁腈橡胶混炼胶优选采用以下方法进行制备：将100份丁腈橡胶、3～5份氧化锌、0.5～1.0份硬脂酸和0.5～1.5份2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体于40～50r/min混炼1.5～2min后，加入30～50份炭黑混炼2～3min后加入10～30份填充剂混炼1～3min，于160～170℃排胶，静置，得到一段混炼胶；将一段混炼胶及1.5～2.5份1,1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环己烷和0.2～0.4份4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基于15～20r/min混炼2～3min，于80～100℃排胶，得到丁腈橡胶混炼胶；

所述的混炼优选在啮合型密炼机中进行；

所述的静置的时间优选为24h以上；

所述的棉帆布的密度优选为230～260g/m²；

所述的丁腈夹布的密度优选为390～470g/m²；

所述的唇形密封圏由氢化丁腈橡胶混炼胶构成；

所述的氢化丁腈橡胶混炼胶由下述按质量份数计的成分制成：氢化丁腈橡胶（HNBR）100份、炭黑30～50份、填充剂0～30份、石墨6～10份、轻质氧化镁3～5份、氧化锌3～5份、硬脂酸0.3～0.6份、4,4'-双（α,α-二甲基苄基）二苯胺（防老剂445）0.8～1.1份、2-巯基苯并咪唑（防老剂MB）0.3～0.5份、1,1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环己烷（硫化剂3M）4.0～6.0份、N,N’-间苯撑双马来酰亚胺（HVA-2）3～4份、4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（阻聚剂ZJ-701）0.2～0.4份；

所述的氢化丁腈混炼胶优选采用以下方法进行制备：将100份氢化丁腈橡胶、3～5份轻质氧化镁、3～5份氧化锌、0.3～0.6份硬脂酸、0.8～1.1份4,4'-双（α,α-二甲基苄基）二苯胺和0.3～0.5份2-巯基苯并咪唑于40-50r/min混炼1.5～2min后，加入30～50份炭黑混炼2～3min后加入0～30份填充剂混炼1～3min，于160～170℃排胶，静置，得到一段混炼胶；将一段混炼胶及4.0～6.0份1,1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环己烷、3～4份N,N’-间苯撑双马来酰亚胺和0.2～0.4份4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基于15～20r/min混炼2～3min，于80～100℃排胶，得到氢化丁腈橡胶混炼胶；

所述的混炼优选在啮合型密炼机中进行；

所述的静置的时间优选为24～72h；

所述的夹布油封的制备方法，包括如下步骤：将丁腈橡胶混炼胶溶解后按42～45wt%涂覆在棉帆布上，得到丁腈夹布；将丁腈夹布与氢化丁腈橡胶混炼胶按重量比1.2～1.6加入硫化模具中，于150℃硫化10～20min，得到夹布油封；

所述的丁腈夹布和氢化丁腈混炼胶的重量比优选为1.3～1.5；比例过高，则容易导致所得夹布油封过硬，安装困难，生产过程种容易出现夹布跑到油封腰部，导致油封报废；比例过低，则容易出现夹布油封刚度不够，安装到沟槽中时候，初始的外圆密封力偏小，使用过程中容易出现外圆松动，导致外圆出现泄漏；

所述的夹布油封可应用在50～110℃、轴线速度15～25m/s的旋转轴密封上；

本发明的发明机理：本发明选用3M、HVA-2和ZJ701来制备氢化丁腈橡胶混炼胶，形成了由3M/HVA-2/ZJ701三种物质组成的氢化丁腈混炼胶交联系统；3M是过氧化缩酮基的过氧化物，在相同温度下，其交联速度一般比二烷基的过氧化物（如过氧化二异丙苯DCP、1,4-双叔丁基过氧异丙基苯BIBP等）快5～10倍。本发明选用I型助剂中硫化速度最快的助剂HVA-2进行硫化，通过这种“快速过氧化物+快速的助剂”组合，可以大幅度提高氢化丁腈的交联速度，尽量缩小与骨架材料使用的高度不饱和的丁腈橡胶过氧化物硫化速度差异，并实现氢化丁腈模压硫化后不需要经过二段硫化即可获得足够深的交联程度和抗压缩永久变形性能。但是，这种组合也存在一个显著缺点，即焦烧时间非常短的问题。传统的防焦烧技术是胺类和酚类的防老剂，用这种防老剂提供氢原子湮灭过氧化物早期产品的自由基，但是它们均会严重的降低交联密度，俄罗斯科学家早在1993年就公布了1摩尔活泼氢原子湮灭1摩尔自由基的报道，为了弥补交联密度不足，增大过氧化物用量就陷入了一个恶性循环。本发明选用高效阻聚剂4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基作为防焦剂，具有用量少，效率高、增大过氧化物用量而焦烧时间几乎不变的优点；这样就可以通过适当增加过氧化物用量，达到初期焦烧时间长，后期交联密度足够深的目的，表现在硫化胶性能上就可以实现与不添加防焦剂同等的抗压缩永久变形性能。

丁腈橡胶混炼胶和氢化丁腈混炼胶在配方设计上并不是两个独立的配方，而是相互影响、相互制约的。两个配方必须按照同步硫化，在丁腈夹布和氢化丁腈唇形密封圏的界面层必须充分的共交联，硫化后唇形密封圏和夹布之间剥离强度要达到或者超过本体胶之间的剥离强度，这样才能保证所发明的夹布油封在高温、高速旋转过程中不会出现分层，剥离或者局部脱胶的严重质量问题。

在丁腈橡胶过氧化物交联中，存在两种交联反应机理，一是分解的过氧自由基攻击双键，形成聚合物自由基，两个聚合物自由形成交联网络，这种反应速度快；另一种反应是攻击烯丙基氢原子，形成碳自由基，然后形成碳碳交联键，这种反应速度略慢一些。对于不同ACN含量的NBR来讲，却存在两种截然不同的交联结果。在19%ACN含量的NBR中，交联反应以第一种为主，这种“加成聚合”反应，形成大量的侧链和支化，交联网络极不均衡，物性较差；在50%ACN含量的NBR中，交联反应以第二种为主，这种交联网络链段长度比较均匀、物性较好。在交联剂选择上，本发明中丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶必须使用同一种过氧化物，因为不同过氧化物其1分钟半衰期对应温度不同，所需要适宜的硫化温度也不同。考虑到丁腈橡胶中丁二烯链段中含有大量双键，其过氧化物硫化速度显著快于氢化丁腈橡胶。故在配方设计上，丁腈橡胶尽可能向低硫化速度方向调整，而在氢化丁腈配方设计上尽可能向快速硫化方向调整，以此來实现二者速度匹配。本发明综合考虑硫化速度和物性两方面因素，选择ACN含量为40%左右的丁腈橡胶和HNBR中使用3M硫化剂來搭配，不使用交联助剂。在选用较高ACN含量丁腈橡胶搭配过氧化物交联体系还有另外一个优势，其耐温等级也可以进一步提高110～120℃，缩小了与唇口HNBR耐温等级差距，更有利于两部分协调工作。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明通过NBR配方和HNBR配方，解决了丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶同步硫化、界面粘合强度高的问题，具有无需二段硫化即具有低压缩永久变形的HNBR唇形密封圏以及焦烧安全性好、加工性能优良适于制造大型密封制品的工艺优势。制备得到的夹布油封具有以下优势：唇形密封圏使用HNBR，与NBR夹布油封相比，旋转唇口部分具有了耐高温、耐摩擦磨损显著提升优势；肩部骨架部分使用NBR-棉帆布，与HNBR-棉帆布相比，具有成本低、制造工艺方便的优点；骨架部分工作温度和唇口部分工作温度相差30℃，而NBR和HNBR耐温等级也相差30℃左右，具有材料性能和工作环境温度相匹配特点，延长了产品的使用寿命，特别适合在油温50～110℃、轴线速度为15～25m/s的旋转轴密封上使用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例和对比例按照以下方法制备：

（1）丁腈橡胶混炼胶、氢化丁腈橡胶混炼胶的制备方法

丁腈橡胶混炼胶采用以下方法进行制备：将100份丁腈橡胶、3～5份氧化锌、0.5～1.0份硬脂酸和0.5～1.5份2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体于40～50r/min混炼1.5～2min后，加入30～50份炭黑混炼2～3min后加入10～30份填充剂混炼1～3min，于160～170℃排胶，静置，得到一段混炼胶；将一段混炼胶及1.5～2.5份1,1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环己烷和0.2～0.4份4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基于15～20r/min混炼2～3min，于80～100℃排胶，得到丁腈橡胶混炼胶；

氢化丁腈混炼胶采用以下方法进行制备：将100份氢化丁腈橡胶、3～5份轻质氧化镁、3～5份氧化锌、0.3～0.6份硬脂酸、0.8～1.1份4,4'-双（α,α-二甲基苄基）二苯胺和0.3～0.5份2-巯基苯并咪唑于40-50r/min混炼1.5～2min后，加入30～50份炭黑混炼2～3min后加入0～30份填充剂混炼1～3min，于160～170℃排胶，静置，得到一段混炼胶；将一段混炼胶及4.0～6.0份1,1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环己烷、3～4份N,N’-间苯撑双马来酰亚胺和0.2～0.4份4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基于15～20r/min混炼2～3min，于80～100℃排胶，得到氢化丁腈橡胶混炼胶；

本发明的丁腈橡胶混炼胶、氢化丁腈橡胶混炼胶采用益阳橡机GE-45型啮合型密炼机混炼；其中丁腈橡胶混炼胶实用配方重量为表3中基本配方质量份数乘以240克/份；氢化丁腈橡胶混炼胶实用配方重量为表3中基本配方质量份数乘以220克/份。实施例和参比例具体炼胶工艺参数如表1所示；

表1实施例/参比例混炼胶制备工艺方法

（2）丁腈夹布的制备方法

将丁腈橡胶混炼胶按重量比1：4溶解在乙酸乙酯溶剂中，得到丁腈浆胶；采用辊涂设备（TB-B1300型涂布机，瑞安市明大自控设备厂），将丁腈浆胶涂覆在棉帆布上，通过调整辊距，得到丁腈橡胶重量比为42～45wt%丁腈夹布。

（3）夹布油封的制备方法：

将丁腈橡胶混炼胶溶解后按42～45wt%涂覆在棉帆布上，得到丁腈夹布；将丁腈夹布与氢化丁腈橡胶混炼胶按重量比1.2～1.6加入硫化模具中，于150℃硫化10～20min，得到夹布油封；

表2典型夹布油封制造工艺参数

（4）试片、试样以及剥离试样的制备：在50吨平板硫化机上150度硫化10分钟；HC-2是180度硫化10分钟。

表3：丁腈橡胶(NBR)和氢化丁腈(HNBR)实施例和对比实施例配方

（单位：质量份数）

注释：①JSR公司产品，ACN含量41%；②瑞翁公司产品，ACN含量40.5%；③瑞翁公司产品，ACN含量29%；④朗盛公司产品，残余双键4%；⑤瑞翁公司产品，饱和度99%；

从上表3的数据可以看出:

1）从丁腈橡胶实施例N-1、N-2与参比例NC-2焦烧特性比较来看，由于使用了阻聚剂，其120度下门尼焦烧时间分别延长了179%和260%，硫化温度150度下TS2提高50%和104%。从氢化丁腈的实施例H-1、H-2与参比例HC-1焦烧特性比较来看，由于使用了阻聚剂，其120度下门尼焦烧时间分别延长了238%和264%，硫化温度150度下TS2分别提高73.9和86.9%。充分表现出了本发明选用的阻聚剂701在NBR和HNBR中良好的防焦烧特性。

2）从丁腈橡胶实施例N-1、N-2与氢化丁腈的实施例H-1、H-2硫化温度下下TS2、TC90来看，其焦烧时间TS2基本同步，正硫化时间基本同步；表明在丁腈夹布/氢化丁腈组成的夹布油封模压硫化过程中，肩部骨架部分NBR和唇形密封圏HNBR基本同步开始硫化，基本同步达到正硫化点。表明本发明设计NBR配方与HNBR配方硫化匹配性良好，为实现界面良好的粘结奠定了基础。

从H-1、H-2硫化特性与参比例HC-2比较来看,由于HC-2使用的烷基过氧化物和II型交联助剂,其硫化速度即使在180℃下也非常缓慢,很难与高度不饱和的丁腈橡胶/过氧化物硫化胶（N-1、N-2）相匹配。

3）从H-1、H-2与HC-1压缩永久变形特性比较来看，使用阻聚剂并增大过氧化物的用量，就可以同步实现焦烧时间延长而压缩永久变形基本保持不变的特性，没有陷入过氧化物用量增加，焦烧时间缩短的恶性循环。从150℃×4h二段硫化前后压变特性来看，本发明的3M/HVA-2/ZJ701组合具有不经过二段硫化即可获得足够交联深度和压缩特性的优点，避免了因二段硫化而造成的夹布油封肩部骨架部分的丁腈橡胶老化和棉布的降解。

从H-1、H-2与HC-2压缩永久变形特性比较来看，参比例虽然在150℃×4h二段硫化后压缩永久变形与实施例接近，但二段硫化前却增大了近37%，不能满足唇形密封圏不能二段硫化的前提条件。

4）从N-1与NC-1比较来看,如果选用ACN含量较低的丁腈橡胶，则其硫化速度明显加快，由于不饱和度大，交联深度（MH-ML）也明显深一些，难于唇口HNBR相匹配。

表4实施例和参比例相对剥离强度

从表4数据来看，对比例3和对比例4是橡胶本体粘合强度，代表着是夹布胶和唇形密封圏之间粘合力最大值。实施例1～3粘合强度都与本体胶粘合强度在同一水平。表明本发明所设计的NBR配方与HNBR配方具有良好界面共交联特性，保证了最终制品在高速旋转下具有良好的防剥离分层的能力。从对比例1～2与实施例1～3对比来看，对比例粘合强度明显偏低，在高温、高速旋转使用中风险较大。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种夹布油封，其特征在于由骨架和唇形密封圏组成；所述的骨架由丁腈夹布构成；所述的丁腈夹布为将丁腈橡胶混炼胶涂覆在棉帆布上制得的丁腈夹布；所述的唇形密封圏由氢化丁腈橡胶混炼胶构成；

所述的丁腈橡胶混炼胶由下述质量份数的成分制成：丁腈橡胶100份、氧化锌3～5份、硬脂酸0.5～1.0份、2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体0.5～1.5份、炭黑30～50份、填充剂10～30份、1,1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环己烷1.5～2.5份、4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基0.2～0.4份；

所述的氢化丁腈橡胶混炼胶由下述按质量份数计的成分制成：氢化丁腈橡胶100份、炭黑30～50份、填充剂0～30份、石墨6～10份、轻质氧化镁3～5份、氧化锌3～5份、硬脂酸0.3～0.6份、4,4'-双(α,α-二甲基苄基)二苯胺0.8～1.1份、2-巯基苯并咪唑0.3～0.5份、1,1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环己烷4.0～6.0份、N,N’-间苯撑双马来酰亚胺3～4份、4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基0.2～0.4份。

2.根据权利要求1所述的夹布油封，其特征在于：所述的丁腈夹布为将丁腈橡胶混炼胶按42～45wt％涂覆在棉帆布上制得的丁腈夹布。

3.根据权利要求2所述的夹布油封，其特征在于：所述的棉帆布的密度为230～260g/m²；所述的丁腈夹布的密度为390～470g/m²。

4.根据权利要求1所述的夹布油封，其特征在于：所述的丁腈橡胶为含有40～41wt％丙烯腈的丁腈橡胶。

5.根据权利要求1所述的夹布油封，其特征在于：所述的填充剂为硅藻土、硫酸钡、碳酸钙或滑石粉中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的夹布油封，其特征在于：所述的丁腈橡胶混炼胶采用以下方法进行制备：将100份丁腈橡胶、3～5份氧化锌、0.5～1.0份硬脂酸和0.5～1.5份2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体于40～50r/min混炼1.5～2min后，加入30～50份炭黑混炼2～3min后加入10～30份填充剂混炼1～3min，于160～170℃排胶，静置，得到一段混炼胶；将一段混炼胶及1.5～2.5份1,1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环己烷和0.2～0.4份4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基于15～20r/min混炼2～3min，于80～100℃排胶，得到丁腈橡胶混炼胶。

7.根据权利要求1所述的夹布油封，其特征在于：所述的氢化丁腈橡胶混炼胶采用以下方法进行制备：将100份氢化丁腈橡胶、3～5份轻质氧化镁、3～5份氧化锌、0.3～0.6份硬脂酸、0.8～1.1份4,4'-双(α,α-二甲基苄基)二苯胺和0.3～0.5份2-巯基苯并咪唑于40-50r/min混炼1.5～2min后，加入30～50份炭黑混炼2～3min后加入0～30份填充剂混炼1～3min，于160～170℃排胶，静置，得到一段混炼胶；将一段混炼胶及4.0～6.0份1,1-二叔丁基过氧基-3,3,5-三甲基环己烷、3～4份N,N’-间苯撑双马来酰亚胺和0.2～0.4份4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基于15～20r/min混炼2～3min，于80～100℃排胶，得到氢化丁腈橡胶混炼胶。

8.权利要求1～7任一项所述的夹布油封的制备方法，其特征在于包括如下步骤：将丁腈橡胶混炼胶溶解后按42～45wt％涂覆在棉帆布上，得到丁腈夹布；将丁腈夹布与氢化丁腈橡胶混炼胶按重量比1.2～1.6加入硫化模具中，于150℃硫化10～20min，得到夹布油封。

9.权利要求1～7任一项所述的夹布油封的应用，其特征在于：所述的夹布油封在油温50～110℃、轴线速度15～25m/s的旋转轴密封上使用。