CN106336544A - 一种高性能密封圈 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能密封圈，属于高分子材料技术领域。所述的高性能密封圈包括如下重量份数的成分：氢化丁腈橡胶：100份、白炭黑：9‑20份、矽丽粉：15‑25份、表面改性剂：1‑5份、有机锌：5‑15份、抗老化剂：1‑3份、硫化剂：5‑12份、改性纳米二氧化钛：1‑5份、改性碳纳米管：1‑5份。本发明密封圈配伍合理，通过各成分之间的协同作用，提高拉伸强度、硬度、断裂伸长率等力学性能，降低压缩温升和动态压缩永久变形，延长胶料硫化时间，提高胶料的硫化程度，提高胶料的加工性能，进而使本发明高性能密封圈具有较好耐压性。

Description

一种高性能密封圈
技术领域
本发明涉及一种高性能密封圈，属于高分子材料技术领域。
背景技术
密封圈是生活生产中十分常见十分必要的零件，除应具备密封圈材料的一般要求外，密封圈还要注意如下的要求：富有弹性和回弹性；适当的机械强度，包括扩张强度、伸长率和抗撕裂强度等；性能稳定，在介质中不易溶胀，热收缩效应(焦耳效应)；易加工成型，并能保持精密的尺寸；不腐蚀接触面，不污染介质等。满足上述要求的最适合而且最常用的材料是橡胶，所以密封圈大多用橡胶材料制成。橡胶的品种很多，密封圈材料的选择对其密封性能和使用寿命有着重要意义。材料的性能直接影响密封圈的使用性能。而NBR丁腈橡胶制成的密封圈适合于石油系液压油、甘醇系液压油、二酯系润滑油、汽油、水、硅润滑脂、硅油等介质中使用，一般使用温度范围为-40～120℃，是目前用途最广、成本最低的橡胶密封件。本领域的人员也不断致力于完善改进丁腈橡胶密封圈。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的问题缺陷，提供一种具有较好耐压性的高性能密封圈。
本发明的上述目的可通过下列技术方案来实现：一种高性能密封圈，所述的高性能密封圈包括如下重量份数的成分：
氢化丁腈橡胶：100份
白炭黑：9-20份
矽丽粉：15-25份
表面改性剂：1-5份
有机锌：5-15份
抗老化剂：1-3份
硫化剂：5-12份
改性纳米二氧化钛：1-5份
改性碳纳米管：1-5份。
本发明高性能的高性能密封圈在以氢化丁腈橡胶为基材，复配添加白炭黑和矽丽粉，复配添加改性纳米二氧化钛和改性碳纳米管，以及表面改性剂等其他成分，通过各成分之间合理配伍，使高性能密封圈具有较好的耐热性、耐压性、耐磨性。其中，矽丽粉是一种多空隙的天然微颗粒，由天然准球形粒状石英和片装高岭土组成的无机矿物，两种不同形状的矿物天然结合形成了一种松散的粒片叠层镶嵌结构，这种天然松散的粒片混合结构不会被一般的物理和机械方式分散，因此矽丽粉具有超高的流动性和分散性。本发明中复配添加了矽丽粉与白炭黑，有效改善高性能密封圈的力学性能。与加入单一炭黑的胶料相比，拉伸强度、回弹值都提高60％以上，压缩温升和动态压缩永久变形分别降低35％以上。其原因在于：一、矽丽粉中的片装结构对于交联键形成隔离，胶料形成的交联点减少，高性能密封圈变得软而富有弹性，橡胶分子链在交变力作用下收到的摩擦力减少，分子链直接相对运动消耗的能力减少，产生的热量随之较少，因此压缩温升和动态压缩永久变形降低，对橡胶拉伸强度、动态力学性能的补强作用也都优于单一的炭黑。二、矽丽粉中的微粒均匀分散在橡胶的交联网中，其松散的粒片叠层状镶嵌结构可以有效阻隔氧分子对硫化胶的侵入，避免了交联键的断裂，进而提高了高性能密封圈的耐热抗氧老化性能。三、矽丽粉具有片状结构，可降低橡胶体分子链之间的阻挠，使橡胶分子链相对滑动容易，进而提高高性能密封圈胶料表面挤出光滑，继而提高高性能密封圈的加工性能。碳纳米管是直径为1-10nm、长度为几十微米甚至更大的单层(单壁)或多层(多壁)石墨圆柱体。碳纳米管的化学组成和原子结合形态简单，单层为六面形平面结构，径向为纳米尺寸，长径比大(100-1000)，结构规整，比表面积大，强度高，具有石墨较好的耐热、耐腐蚀、耐热冲击以及自润滑性、生物相容性、热导性、电导性。但碳纳米管聚集(缠结)倾向和化学惰性强，在橡胶中的分散性及与橡胶的粘合性能差限制了其在橡胶中的应用需对碳纳米管进行表面改性，提高碳纳米管在橡胶中的分散性。本发明高性能密封圈中碳纳米管与白炭黑、矽丽粉、改性二氧化钛并用作补强剂时，由于这几者之间的协同效应，碳纳米管与白炭黑、矽丽粉、改性二氧化钛在橡胶基体中成为类似于“葡萄串”结构，这种结构能够有效改进单用碳纳米管或炭黑时胶料的性能缺陷，同时降低高性能密封圈使用的阻力。本发明高性能密封圈同时含有15-25份矽丽粉、9-20份白炭黑、1-5份改性纳米二氧化钛和1-5份改性碳纳米管，通过各成分之间的协同作用，提高拉伸强度、硬度、断裂伸长率等力学性能，降低压缩温升和动态压缩永久变形，延长胶料硫化时间，提高胶料的硫化程度，提高胶料的加工性能，进而使本发明高性能密封圈具有较好耐热性、耐压性、耐磨性。
另外，氧化锌是橡胶传统的硫化活性剂，也是某些特种橡胶的硫化剂，目前我国橡胶行业氧化锌年消耗量估计在20万t以上。普通氧化锌重金属锌含量约为80％，而有机锌锌含量可降低到40％或更低。与氧化锌相比，本发明选用的有机锌具有分散性好、密度小、硫化速度快的特点，且价格较低。本发明用有机锌替代普通氧化锌不仅可以高性能密封圈的环保性，节约重金属锌资源，还可以显著提高高性能密封圈的耐磨性能和耐老化性能。
上述高性能密封圈还包括1-5份色料，如酞青绿。
作为优选，氢化丁腈橡胶中丙烯腈的含量为35-40％。氢化丁腈橡胶既有丁腈橡胶的耐油性和物理机械性能又具有较好耐热、耐天候性，且氢化丁腈橡胶不仅受氢化率的影响，还受丙烯腈含量的影响。
作为优选，所述的白炭黑与矽丽粉的质量比为(0.6-0.8):1。通过不断试验发现，在氢化丁腈橡胶中加入质量比为(0.6-0.8)：1的白炭黑与矽丽粉，不仅可以显著提高高性能密封圈的拉伸强度、回弹性等力学性能，降低压缩温升和动态压缩永久变形，改善其加工性能，还可以明显缩短胶料的正硫化时间与焦烧时间之差，进而提高高性能密封圈胶料的硫化效率，节约资源。
作为优选，所述的表面改性剂包括增塑剂、偶联剂，所述的增塑剂为增塑剂DOP、增塑剂DOS、增塑剂TP-95、增塑剂DINCH中的一种或多种。增塑剂的添加能改善橡胶的加工性能，降低熔融温度和玻璃化温度，减小溶体粘度，增加流动性，提高胶料与骨架材料的粘合性能。通常的增塑剂是难挥发的粘稠状液体或易融化固体。本发明中选用与氢化丁腈橡胶相容性好、增速效率高、挥发性小、迁移性低、耐久性好、稳定性好的增塑剂。添加偶联剂可进一步强化碳纳米管与丁腈橡胶直接的界面结合，使改性碳纳米管与橡胶基体之间的相容性更好，提高复合材料的定伸应力和储能模量。
进一步优选，所述的表面改性剂为增塑剂TP-95和硅烷偶联剂A172按质量比1-2:1的混合物。增塑剂TP-95含有酯基和弱极性醚基，与分子极性较高的氢化丁腈橡胶中的-CN基团发生偶合作用，达到增塑目的。且增塑剂TP-95对硫化有一定的促进作用，胶料的焦烧时间和正硫化时间较短，与硅烷偶联剂A172同时使用时，进一步提高氢化橡胶的机械强度。
作为优选，所述的改性纳米二氧化钛的粒径为20-50nm，通过表面有机改性处理后的粒径为20-50nm的纳米二氧化钛在氢化丁腈橡胶中具有极好的分散性。将适量改性纳米二氧化钛加入到橡胶中，可显著提高橡胶的抗老化性能、拉伸强度、抗撕强度以及耐热性，还可以提高橡胶的抗菌性能。
作为优选，所述的改性碳纳米管为用多巴胺包覆法进行改性而成。包覆改性碳纳米管具有良好的分散性，增进其补强效果，提高高性能密封圈复合材料的拉伸强度和拉断伸长率，改善其热稳定性。
作为优选，所述的抗老化剂包括光稳定剂、热稳定剂、抗紫外剂、抗氧化剂、橡胶防老化剂中的一种或多种。
作为优选，所述的硫化剂为硫磺、2-硫醇基苯并噻唑、N，N’-间苯撑双马来酰亚胺、过氧化物中的一种或多种。高性能密封圈未经硫化前，缺乏良好的物理机械性能，实用价值不大。当经过加入硫化剂、硫化助剂进行硫化后，由于分子结构的变化，而使其综合性显著改性，尤其是拉伸强度、定伸应力、伸长率、弹性、耐磨性、硬度等更为明显。且加入的硫化剂还有利于碳纳米管的解缠。
进一步优选，所述的硫化剂中含有硫磺与2-硫醇基苯并噻唑时，硫磺与2-硫醇基苯并噻唑的质量比为1.5-2.5:1。经试验得，当硫化剂选用硫磺与2-硫醇基苯并噻唑按质量比1.5-2.5:1复配时，硫化效果更好，其原因在于，2-硫醇基苯并噻唑作为辅助硫化剂，显著改善关联性能，提高耐热性，显著降低压缩永久变形。
本发明还提供了一种上述高性能密封圈的加工方法，所述的加工方法包括按上述成分称取原料、下料、一段混炼、二段混炼、成型；
下料顺序依次为氢化丁腈橡胶、有机锌、抗老化剂、白炭黑、矽丽粉、改性纳米二氧化钛、改性碳纳米管、表面改性剂、硫化剂。
一段混炼在密炼机中进行，转子转速40-45r.min-1，冷却水35-38℃，压砣压力0.8-1.2MPa，填充因数0.65，排胶后出片停放5-8h。本发明下料控制采用时间－功率曲线联合控制法，即分段加料采用时间控制法。最后排料采用功率曲线控制法，即在加油后功率上升到最大值，然后下降并平稳一定时间后进行排料。
二段混炼在开炼机中进行，辊温为55-70℃，混炼时间为60-120s。
所述的成型可以为模压成型，模压成型中上模温度为178-185℃，下模温度为170-178℃，成型时间200-400s。
所述的加工方法在模压成型后还包括二次硫化处理，二次硫化处理的温度为140-160℃，硫化时间为3-5h。
所述的成型为注射成型，注射成型中注射压力为1.52-1.82kN，硫化压力为1.92-2.05kN，硫化时间为60-100s。采用注射成型硫化处理，胶料在注入模具前已得到充分预热和预塑化，流动性好，有利于稳定和提高产品质量；尤其是提高高性能密封圈的致密性、尺寸精密度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的高性能密封圈在丁腈橡胶基体上复配添加了白炭黑、矽丽粉、改性碳纳米管、改性纳米二氧化钛，并进一步添加表面改性剂、抗老化剂、硫化剂等，进一步提高密封圈的综合性能，尤其是密封圈的耐热性、耐磨性、抗挤压性。
2、本发明高性能密封圈的加工工艺简单易行，通过分段混炼进一步提高密封圈的性能，尤其是两段混炼后的成型方法即可选用模压也可用注射成型。模压成型中适当的温度及二次硫化处理进一步提高密封圈的强度、耐磨性。注射成型中胶料的流动性好，有利于提高密封圈的致密性，进而提高密封圈的耐磨性、抗挤压性。
具体实施方法
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
表1：实施例中高性能密封圈的成分及其重量份数
在表1密封圈成分中氢化丁腈橡胶中丙烯腈的含量为35-40％；改性纳米二氧化钛为通过常规表面改性处理后的粒径为20-50nm改性纳米二氧化钛；改性碳纳米管用多巴胺包覆法进行改性而成；未明确说明的均为常见试剂，如色料可以为酞青绿。
实施例1
下料：按表1实施例1中所述的原料称取原料，该实施例中表面改性剂为增塑剂TP-95和硅烷偶联剂A172，按如下顺序依次下料：氢化丁腈橡胶、有机锌、抗老化剂、白炭黑、矽丽粉、改性纳米二氧化钛、改性碳纳米管、表面改性剂、硫化剂。
一段混炼：一段混炼在密炼机中进行，转子转速42r.min-1，冷却水36℃，压砣压力1.0MPa，填充因数0.65，排胶后出片停放6h。
二段混炼：二段混炼在开炼机中进行，辊温为65℃，混炼时间为100s。
成型：通过注射成型硫化得本发明高性能密封圈，注射成型中注射压力为1.65kN，硫化压力为1.98kN，硫化时间为80s。
实施例2
与实施例1的区别仅在于，本实施例中成型为通过模压成型，模压成型中上模温度为180℃，下模温度为175℃，成型时间300s；模压成型后进行二次硫化处理，二次硫化处理的温度为150℃，硫化时间为4h。
实施例3
下料：按表1实施例3中所述的原料称取原料，该实施例中表面改性剂为增塑剂DOP和硅烷偶联剂A172，按如下顺序依次下料：氢化丁腈橡胶、有机锌、抗老化剂、白炭黑、矽丽粉、改性纳米二氧化钛、改性碳纳米管、表面改性剂、硫化剂、色料。
一段混炼：一段混炼在密炼机中进行，转子转速43r.min-1，冷却水37℃，压砣压力0.9MPa，填充因数0.65，排胶后出片停放7h。
二段混炼：二段混炼在开炼机中进行，辊温为68℃，混炼时间为80s。
成型：通过注射成型硫化得本发明高性能密封圈，注射成型中注射压力为1.7kN，硫化压力为2.02kN，硫化时间为70s。
实施例4
与实施例3的区别仅在于，本实施例中成型为通过模压成型，模压成型中上模温度为179℃，下模温度为172℃，成型时间350s；模压成型后进行二次硫化处理，二次硫化处理的温度为145℃，硫化时间为4.5h。
实施例5
下料：按表1实施例5中所述的原料称取原料，该实施例中表面改性剂为增塑剂DOS和硅烷偶联剂A172，按如下顺序依次下料：氢化丁腈橡胶、有机锌、抗老化剂、白炭黑、矽丽粉、改性纳米二氧化钛、改性碳纳米管、表面改性剂、硫化剂、色料。
一段混炼：一段混炼在密炼机中进行，转子转速44r.min-1，冷却水36℃，压砣压力1.1MPa，填充因数0.65，排胶后出片停放6h。
二段混炼：二段混炼在开炼机中进行，辊温为60℃，混炼时间为70s。
成型：通过注射成型硫化得本发明高性能密封圈，注射成型中注射压力为1.58kN，硫化压力为1.96kN，硫化时间为95s。
实施例6
与实施例5的区别仅在于，本实施例中成型为通过模压成型，模压成型中上模温度为182℃，下模温度为177℃，成型时间250s；模压成型后进行二次硫化处理，二次硫化处理的温度为155℃，硫化时间为3.5h。
实施例7
下料：按表1实施例7中所述的原料称取原料，该实施例中表面改性剂为增塑剂DINCH和硅烷偶联剂A172，按如下顺序依次下料：氢化丁腈橡胶、有机锌、抗老化剂、白炭黑、矽丽粉、改性纳米二氧化钛、改性碳纳米管、表面改性剂、硫化剂、色料。
一段混炼：一段混炼在密炼机中进行，转子转速41r.min-1，冷却水37℃，压砣压力1.0MPa，填充因数0.65，排胶后出片停放7h。
二段混炼：二段混炼在开炼机中进行，辊温为58℃，混炼时间为100s。
成型：通过注射成型硫化得本发明高性能密封圈，注射成型中注射压力为1.78kN，硫化压力为2.02kN，硫化时间为65s。
实施例8
与实施例7的区别仅在于，本实施例中成型为通过模压成型，模压成型中上模温度为178℃，下模温度为170℃，成型时间400s；模压成型后进行二次硫化处理，二次硫化处理的温度为140℃，硫化时间为5h。
实施例9
下料：按表1实施例9中所述的原料称取原料，该实施例中表面改性剂为增塑剂TO-95和普通常规硅烷偶联剂，按如下顺序依次下料：氢化丁腈橡胶、有机锌、抗老化剂、白炭黑、矽丽粉、改性纳米二氧化钛、改性碳纳米管、表面改性剂、硫化剂。
一段混炼：一段混炼在密炼机中进行，转子转速40r.min-1，冷却水38℃，压砣压力0.8MPa，填充因数0.65，排胶后出片停放8h。
二段混炼：二段混炼在开炼机中进行，辊温为55℃，混炼时间为120s。
成型：通过注射成型硫化得本发明高性能密封圈，注射成型中注射压力为1.52kN，硫化压力为1.92kN，硫化时间为100s。
实施例10
与实施例9的区别仅在于，本实施例中成型为通过模压成型，模压成型中上模温度为185℃，下模温度为178℃，成型时间200s；模压成型后进行二次硫化处理，二次硫化处理的温度为160℃，硫化时间为3h。
对比例1
为现有技术中普通市售的密封圈。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，该对比例中未添加改性碳纳米管。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，该对比例中未添加改性纳米二氧化钛。
对比例4
与实施例1的区别仅在于，该对比例中未添加矽丽粉。
将实施例1-10及对比例1-4中的密封圈进行性能测试，测试结果如表2所示。
表2：实施例1-10及对比例1-4中的密封圈的性能测试
综上所述，本发明密封圈配伍合理，同时含有矽丽粉、白炭黑、改性纳米二氧化钛、改性碳纳米管及其他试剂，通过各成分之间的协同作用，提高拉伸强度、硬度、断裂伸长率等力学性能，降低压缩温升和动态压缩永久变形，延长胶料硫化时间，提高胶料的硫化程度，提高胶料的加工性能，进而使本发明高性能密封圈具有较好耐压性。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (10)

1.一种高性能密封圈，其特征在于，所述的高性能密封圈包括如下重量份数的成分：
氢化丁腈橡胶：100份
白炭黑：9-20份
矽丽粉：15-25份
表面改性剂：1-5份
有机锌：5-15份
抗老化剂：1-3份
硫化剂：5-12份
改性纳米二氧化钛：1-5份
改性碳纳米管：1-5份。
2.根据权利要求1所述的高性能密封圈，其特征在于，氢化丁腈橡胶中丙烯腈的含量为35-40％。
3.根据权利要求1所述的高性能密封圈，其特征在于，所述的白炭黑与矽丽粉的质量比为(0.6-0.8):1；所述的改性纳米二氧化钛的粒径为20-50nm。
4.根据权利要求1所述的高性能密封圈，其特征在于，所述的表面改性剂包括增塑剂、偶联剂，所述的增塑剂为增塑剂DOP、增塑剂DOS、增塑剂TP-95、增塑剂DINCH中的一种或多种。
5.根据权利要求1或4所述的高性能密封圈，其特征在于，所述的表面改性剂为增塑剂TP-95和硅烷偶联剂A172按质量比1-2:1的混合物。
6.根据权利要求1所述的高性能密封圈，其特征在于，所述的抗老化剂包括光稳定剂、热稳定剂、抗紫外剂、抗氧化剂、橡胶防老化剂中的一种或多种；所述的硫化剂为硫磺、2-硫醇基苯并噻唑、N，N’-间苯撑双马来酰亚胺、过氧化物中的一种或多种。
7.一种高性能密封圈的加工方法，其特征在于，所述的加工方法包括按权利要求1所述成分称取原料、下料、一段混炼、二段混炼、成型，下料顺序依次为氢化丁腈橡胶、有机锌、抗老化剂、白炭黑、矽丽粉、改性纳米二氧化钛、改性碳纳米管、表面改性剂、硫化剂；一段混炼在密炼机中进行，转子转速40-45r.min-1，冷却水35-38℃，压砣压力0.8-1.2MPa，填充因数0.65，排胶后出片停放5-8h；二段混炼在开炼机中进行，辊温为55-70℃，混炼时间为60-120s。
8.根据权利要求7所述的高性能密封圈的加工方法，其特征在于，所述的成型可以为模压成型，模压成型中上模温度为178-185℃，下模温度为170-178℃，成型时间200-400s。
9.根据权利要求8所述的高性能密封圈的加工方法，其特征在于，在模压成型后还包括二次硫化处理，二次硫化处理的温度为140-160℃，硫化时间为3-5h。
10.根据权利要求7所述的高性能密封圈的加工方法，其特征在于，所述的成型为注射成型，注射成型中注射压力为1.52-1.82kN，硫化压力为1.92-2.05kN，硫化时间为60-100s。
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