CN107880563A - 汽车曲轴油封用材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发动机曲轴用油封材料，其包括改性聚四氟乙烯、氟硅橡胶和增容剂乙烯基三(2‑甲氧基乙氧基)硅烷。该油封材料综合改性聚四氟乙烯和氟硅橡胶的优势，使油封材料具有好的强度、弹性形变、耐磨性、耐低温、耐高温，密封性能好，并且耐酸碱性。

Description

汽车曲轴油封用材料

技术领域

本发明属于车辆技术领域，具体涉及一种汽车曲轴油封用材料。

背景技术

油封是维持轴承寿命和保障机械设备正常运转的重要元件。汽车油封技术虽然已经有了几十年的发展历程，但是油封仍然是机械设备中的最为薄弱的环节。进入21世纪，汽车业高速发展，汽车制造厂为了减少发动机的磨损，提高发动机的使用寿命和适应环境要求减少排污量，制造出大马力，节省燃料的小型发动机。也因此车身降低，发动机舱空间减小，从而使发动机罩下温度提高到150℃左右。同时，汽车使用过程中油品随之不断改变，而油品中含有多种添加剂成分。随着汽车高速化，燃油或多种添加剂的加入，对油封的使用要求如温度、耐介质性及精度不断提高。

在汽车的多个部位都安装有油封，如曲轴油封、主轴油封、凸轮轴油封、气门油封、主动齿轮轴油封等，不同的位置基于其需求对油封材料的选择有所差异，如汽车传动轴的油封材料短期允许使用丁腈橡胶，而在高速发动机曲轴后油封对材料的要求更高，一般使用耐热性能更好的丙烯酸酯橡胶。油封可以按照密封作用、特点、结构类型、工作状态和密封机理等分类。按工作方式可分为旋转轴油封和往复用油封，按照有无金属骨架和骨架位置可分为金属骨架油封和无金属骨架油封。

随着汽车性能的提高，对油封的性能要求也越来越高，通过对传统橡胶材料进行改性或者开发新的油封橡胶材料，可以获得性能更好，满足不断发展的汽车发动机的要求。

常用的油封材料有丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟硅橡胶，油封材料的选择根据油封的位置必须考虑材料对工作介质的相容性，对工作温度范围的适应性等。工作温度环境是决定油封寿命的最重要的因素，高温会使橡胶老化变硬，低温会使唇口部位变脆易碎，不同橡胶，耐温能力不同，这常常是选择油封材料的主要考虑的因素。在这些传统橡胶中，氟硅橡胶具有优异的耐热、耐寒性和耐老化性，具有氟橡胶优异的耐油性和耐溶剂性，但是氟硅橡胶存在力学性能、耐化学腐蚀性差，加工性能差的缺陷。

油封材料根据密封介质选择，不同橡胶与密封介质的亲和性不同，会出现橡胶的膨胀或收缩，如果油封唇部收缩过大，必然使密封部位过盈量减少，不能达到泵吸收能力，容易造成泄露，若膨胀量过大，唇部变形过大，其硬度、强度和延伸率均降低，唇部容易发生磨损，无法进行泵吸密封。

发动机曲轴后端采用的金属骨架橡胶油封的作用是防止曲轴箱内润滑油泄露，其性能好坏直接影响发动机的技术状况。如果油封材料选择不合适，会直接影响曲轴油封的使用寿命。曲轴油封对材料要求主要有以下几点：1、密封材料与被密封材料的相容性好；2、油封材料应当具有好的强度、弹性形变、耐磨性、耐低温、耐高温和耐酸碱性；3、由于油封唇口摩擦产生热量，对油封材质的耐热性要求要高。

早期对于发动机曲轴后油封采用的大多是硅橡胶，但是在高温和新油品工作环境中，硅橡胶油封唇部容易变软，弹性损失大，使用过程中极易磨损，产生泄露，因此密封寿命降低。

与硅橡胶相比，氟橡胶在高温和新油品环境中能够保持很好的弹性，唇部不变软，不会产生泄露。但是在曲轴与唇口接触点处容易产生碳化及碳聚集，阻塞螺旋结构，容易造成唇下温度升高，导致唇部泄露，降低使用寿命。此外，氟橡胶本身的耐酸性较差，限制了其在曲轴油封中的进一步应用。

随着国家对环境保护要求的提高，油封材料的环保性要求也越来越受到重视。可回收利用的塑料材料逐渐应用于油封材料，近年来聚四氟乙烯塑料也成为油封领域研究的重点。聚四氟乙烯塑料是一种技术含量较高的产品，逐渐已经适应在国内中高档汽车，特别是发动机的曲轴油封、主轴油封，相对于传统油封材料，通过对其改性获得的油封材料具有优良的密封性能和使用性能，化学稳定性好，耐一切酸、碱等化学物质，但是这种油封材料对环境要求较高，价格昂贵，应用范围还较窄。

将聚四氟乙烯通过物理、化学等方法，与传统橡胶材料复合制成弹性复合材料，使油封材料兼具聚四氟乙烯和传统橡胶材料的特性。

本发明就是针对发动机曲轴用油封材料进行研究，将改性聚四氟乙烯与氟硅橡胶配合形成复合材料，综合改性聚四氟乙烯和氟硅橡胶的优势，使油封材料具有好的强度、弹性形变、耐磨性、耐低温、耐高温，密封性能好，并且耐酸碱性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种发动机曲轴用油封材料，其综合改性聚四氟乙烯和氟硅橡胶的性能优势，使油封材料具有好的强度、弹性形变、耐磨性、耐低温、耐高温，密封性能好，并且耐酸碱性。

基于此，本发明提供一种发动机曲轴用油封材料，其包括改性聚四氟乙烯、氟硅橡胶和增容剂乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷。

其中，所述改性聚四氟乙烯采用钠和萘配置的处理液处理表面获得。

其中，所述钠和萘配置的处理液的浓度控制到0.6mol/L～0.8mol/L。

其中，相对于每100重量份的氟橡胶，所述改性聚四氟乙烯的用量为40～60重量份，增容剂乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷的用量为5～8重量份。

其中，所述油封材料还包括填料、防老剂、增塑剂、活化剂、硫化剂和硫化促进剂。

其中，所述填料为硅酸钙和石墨。

其中，所述硫化剂为有机过氧化物硫化剂。

其中，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)。

本发明还提供上述油封材料的制备方法，其包括：

第一步，制备改性聚四氟乙烯；

第二步，混炼，按重量称取改性聚四氟乙烯、氟硅橡胶以及增容剂加入混炼机中，混炼2～4分钟；随后按比例加入填料、防老剂和增塑剂，混炼4～6分钟；随后按比例加入活化剂、硫化剂和硫化促进剂，混炼2～3分钟，获得混炼胶；

第三步，预成型；

第四步，硫化；

第五步，将硫化处理过的产品进行检验、包装、入库。

本发明还提供上述油封材料在汽车曲轴中的应用。

有益的技术效果

本发明提供的发动机曲轴用油封材料，其综合改性聚四氟乙烯和氟硅橡胶的性能优势，使油封材料具有好的强度、弹性形变、耐磨性、耐低温、耐高温，密封性能好，并且耐酸碱性。

具体实施方式

聚四氟乙烯是近年来开始研究并使用的一种高性能油封材料，其具有耐高速性能，良好的热稳定性、耐酸碱腐蚀性和减摩性能良好，使用寿命长，密封效果好，其配合传统的氟硅橡胶形成复合橡胶，使油封材料具有好的强度、弹性形变、耐磨性、耐低温、耐高温，密封性能好，并且耐酸碱性。

复合橡胶材料需要解决的一个主要问题是塑料与传统橡胶材料的体系相容性，当两种聚合物直接共混，往往性能较差，因此，如何将复合橡胶材料的不同聚合物很好的相容，是决定最终的复合橡胶材料性能的关键因素。增容剂是改善聚合物相容性的一个很好的手段，选择合适的增容剂可以使氟硅橡胶和改性聚四氟乙烯相互之间的作用力加强，从而达到增容的目的。

乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷是本申请申请人从大量的增容剂中筛选出的一种针对本发明改性聚四氟乙烯和氟硅橡胶非常有效的一种增容剂，申请人根据乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷的结构特点认为其实现改性聚四氟乙烯和氟硅橡胶的增容特点主要是因为其一端的2-甲氧基乙氧基硅基团与改性的聚四氟乙烯上的羟基键、羧基键通过氢键结合，另一端的乙烯基团参与到氟硅橡胶的交联上。

聚四氟乙烯采用钠和萘处理，进行表面处理，利用钠将外层电子转移到萘的缺电子轨道上，形成阴离子自由基，随后该萘基阴离子转移到聚四氟乙烯表面，将氟与碳之间的键破坏，在聚四氟乙烯表面形成羟基、羧基等活性基团，与2-甲氧基乙氧基硅基团通过氢键结合，从而实现聚四氟乙烯和氟硅橡胶相容性更好。

但是避免聚四氟乙烯因表面处理导致过多的氟从聚四氟乙烯去除，降低聚四氟乙烯的耐酸碱性,需要控制钠和萘的使用量,在本申请技术方案中钠-萘的处理液的浓度控制到0.6mol/L～0.8mol/L，如果少于0.6mol/L，聚四氟乙烯表面处理获得的羟基和羧基的量太少，降低了与氟硅橡胶的相容性，而当浓度超过0.8mol/L，氟过多的被去除，聚四氟乙烯的性能发生巨大变化，降低了油封用材料性能。

所述聚四氟乙烯的改性方法如下：

第一步，钠-萘处理液的制备，取0.6mol～0.8mol金属钠剪切成块，取1L四氢呋喃放在反应容器中，加入0.6mol～0.8mol萘，搅拌溶解完全，随后将切块的金属钠放入萘-四氢呋喃溶液，在反应容器中通入氮气，回流冷凝，控制反应体系温度10～15℃保持3小时，获得处理液；

第二步，聚四氟乙烯的改性，将聚四氟乙烯在室温氮气保护下放入第一步获得的处理液中浸渍5s，取出，蒸馏水冲洗干净，晾干后备用。

本发明提供一种汽车曲轴油封用材料，其包括改性聚四氟乙烯、氟硅橡胶、增容剂乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷以及其他常用助剂。

相对于每100重量份的氟橡胶，所述改性聚四氟乙烯的用量为40～60重量份，增容剂乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷的用量为5～8重量份。

所述其他常用助剂包括填料、防老剂、增塑剂、活化剂、硫化剂和硫化促进剂。

填料的添加为了提高油封用材料的耐磨性和硬度，优选为白炭黑、碳酸钙、氟化钙、硅酸钙、硅酸镁和石墨等，优选硅酸钙和石墨，硅酸钙不但具有好的耐磨性，在提高耐热性方面也具有显著效果，石墨的添加可以提高耐热性，减少摩擦系数，硅酸钙的添加量优选为8～15重量份，石墨的添加量优选为6～12重量份。

硫化剂的加入可以使油封材料的耐热老化性能下降，耐油性能提高，优选使用有机过氧化物硫化剂，具体为过氧化苯甲酰(BP)、过氧化二异丙苯(DCP)，硫化剂的添加量优选为2～4重量份。

增塑剂的使用可以降低油封材料的硬度，帮助胶料混炼，改变其粘度，优选使用耐油且耐低温的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)，使用量为7～10重量份。

防老化及增强油封材料抵抗光、热、氧气、臭氧等环境的破坏，优选使用的防老化剂是防老剂N,N'-二(β-萘基)对苯二胺(DNP)，其添加量为1～2重量份。

硫化促进剂可以缩短硫化时间，降低硫化温度，减少硫化剂的使用量，提高硫化后的材料的化学稳定性和力学性能，常用的硫化促进剂是氰尿酸三烯丙酯(TAC)、异氰尿酸三烯丙酯(TAIC)，添加量为1～2重量份。

活化剂的帮助促进剂增强活性效能，优选氧化铅、氧化镁、硬脂酸，优选为硬脂酸，添加量为2～4重量份。

本发明还提供上述油封材料的制备方法，其包括：

第一步，制备改性聚四氟乙烯；

第二步，混炼，按重量称取改性聚四氟乙烯、氟硅橡胶以及增容剂加入混炼机中，在120～140℃，保持40～50r/min下混炼2～4分钟；按比例加入填料、防老剂和增塑剂，在120～140℃，保持40～50r/min下混炼4～6分钟；按比例加入活化剂、硫化剂和硫化促进剂，在80～100℃，保持30～40r/min下混炼2～3分钟，获得混炼胶；

第三步，预成型，将混炼胶加到预成型机上，保持机身料筒温度50～60℃，机头和成型温度70～80℃进行预成型；

第四步，硫化，将预成型的混炼胶在温度150～180℃，时间2分钟～3分钟，硫化压力5Mpa～10Mpa硫化处理；

第五步，将硫化处理过的产品进行检验、包装、入库。

以下采用实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1 改性聚四氟乙烯

取0.6mol金属钠剪切成块，取1L四氢呋喃放在反应容器中，加入0.6mol萘，搅拌溶解完全，随后将切块的金属钠放入萘-四氢呋喃溶液，在反应容器中通入氮气，回流冷凝，控制反应体系温度10℃保持3小时，获得处理液；将聚四氟乙烯在室温氮气保护下放入第一步获得的处理液中浸渍5s，取出，蒸馏水冲洗干净，晾干后获得改性聚四氟乙烯。

实施例2 油封材料的制备

称取40重量份改性聚四氟乙烯、100重量份氟硅橡胶以及增容剂乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷6重量份加入混炼机中，在130℃，保持50r/min下混炼3分钟；加入硅酸钙10重量份，石墨8重量份、N,N'-二(β-萘基)对苯二胺2重量份和邻苯二甲酸二丁酯8重量份，在130℃，保持50r/min下混炼4～6分钟；加入硬脂酸3重量份、过氧化二异丙苯3重量份和异氰尿酸三烯丙酯2重量份，在100℃，保持40r/min下混炼3分钟，获得混炼胶；在预成型机上加混炼胶，保持机身料筒温度50～60℃，机头和成型温度70～80℃进行预成型；将预成型的混炼胶在温度150～180℃，时间2分钟～3分钟，硫化压力5Mpa～10Mpa硫化处理，将硫化处理过的产品进行检验、包装、入库。

下面实验过程中用到的油封材料，见表1。

表1

实验过程

采用仪器：

门尼粘度计：SMV-300/300RT，日本岛津公司；电子拉力机：AI-7000S，台湾高铁检测仪器有限公司。

性能测试：

拉伸性能按GB/T528-2009测试，邵尔Ａ 硬度按GB/T531-2008测试，脆性温度按GB/T1682-1994 测试，冲击弹性按GB/T1681-2009测试。

耐酸碱液体试验按照GB/T1690-2010。在常温下60%的硫酸和40%的氢氧化钠中浸泡7d后测试，计算浸泡前后试样的质量变化率及拉伸强度和扯断伸长率保持率，拉伸强度和扯断伸长率按GB/T528-2009测试。

表2 酸碱环境下不同量改性聚四氟乙烯的油封材料对拉伸强度保持率的影响

表3 酸碱环境下不同量改性聚四氟乙烯的油封材料对扯断伸长率保持率的影响

表4 酸碱环境下不同量改性聚四氟乙烯的油封材料对质量变化率的影响

从表2至表4可以看出，采用本发明提供的氟硅橡胶和改性聚四氟乙烯形成的复合油封材料相对于单一的氟硅橡胶油封材料，在面对60%的硫酸环境和40%的氢氧化钠环境时，扯断伸长保持率和拉伸强度保持率均更加好，而在这些酸碱环境中，油封质量变化更小，且随着改性聚四氟乙烯的使用量的增加，扯断伸长保持率、拉伸强度保持率维持的更好，油封质量变化更小，而当超过60重量份时，两个参数维持率的变化不再明显，油封质量变化也和60重量份时差别并不显著。

表5酸碱环境下不同改性情况聚四氟乙烯的油封材料对拉伸强度保持率的影响

表6酸碱环境下不同改性情况聚四氟乙烯的油封材料对扯断伸长率保持率的影响

表7 酸碱环境下不同改性情况聚四氟乙烯的油封材料对质量变化率的影响

从表5至表7可以看出，当采用钠-萘的处理液的浓度控制在0.6mol/L～0.8mol/L，最终获得的油封材料的耐酸碱性效果最佳，如果少于0.6mol/L，聚四氟乙烯表面处理获得的羟基和羧基的量太少，降低了与氟硅橡胶的相容性，油封材料的扯断伸长率保持率和拉伸强度保持率较0.6mol/L～0.8mol/L处理液处理的油封材料更差一些，材料的质量变化率更大，而当浓度超过0.8mol/L，氟过多的被去除，聚四氟乙烯的性能发生巨大变化，降低了聚四氟乙烯材料本身带来的耐酸碱性的效果，油封用材料扯断伸长率保持率和拉伸强度保持率下降明显，材料质量变化更为明显。

油封材料性能对比，结果见表8。

表8 油封材料性能对比

从表8可以看出，当采用本发明提供的改性聚四氟乙烯和氟硅橡胶在增容剂乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷的作用下实现良好的增容效果，获得的复合橡胶材料具有好的强度、弹性形变，耐高温性，密封性能好，并且耐酸碱性，当在没有乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷作为增容剂或者采用普通聚四氟乙烯制备复合橡胶材料的情况下，耐酸碱性和密封性能显著下降，相容性变差，橡胶性能变差。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种发动机曲轴用油封材料，其特征在于：包括改性聚四氟乙烯、氟硅橡胶和增容剂乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷。

2.如权利要求1所述的发动机曲轴用油封材料，其特征在于：所述改性聚四氟乙烯采用钠和萘配置的处理液处理表面获得。

3.如权利要求1或2所述的发动机曲轴用油封材料，其特征在于：所述钠和萘配置的处理液的浓度控制到0.6mol/L～0.8mol/L。

4.如权利要求1至3所述的发动机曲轴用油封材料，其特征在于：相对于每100重量份的氟橡胶，所述改性聚四氟乙烯的用量为40～60重量份，增容剂乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷的用量为5～8重量份。

5.如权利要求1至4所述的发动机曲轴用油封材料，其特征在于：所述油封材料还包括填料、防老剂、增塑剂、活化剂、硫化剂和硫化促进剂。

6.如权利要求1至5所述的发动机曲轴用油封材料，其特征在于：所述填料为硅酸钙和石墨。

7.如权利要求1至6所述的发动机曲轴用油封材料，其特征在于：所述硫化剂为有机过氧化物硫化剂。

8.如权利要求1至7所述的发动机曲轴用油封材料，其特征在于：所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)。

9.权利要求1至8所述油封材料的制备方法，其特征在于，包括：

第一步，制备改性聚四氟乙烯；

第二步，混炼，按重量称取改性聚四氟乙烯、氟硅橡胶以及增容剂加入混炼机中，混炼2～4分钟；随后按比例加入填料、防老剂和增塑剂，混炼4～6分钟；随后按比例加入活化剂、硫化剂和硫化促进剂，混炼2～3分钟，获得混炼胶；

第三步，预成型；

第四步，硫化；

第五步，将硫化处理过的产品进行检验、包装、入库。

10.权利要求1至8所述油封材料在汽车曲轴中的应用。