一种提高耐磨性能和机械性能的氟橡胶密封圈及其制备方法与流程

本申请涉及高分子密封材料，尤其涉及一种提高耐磨性能和机械性能的氟橡胶密封圈及其制备方法。

背景技术：

1、氟橡胶（fkm）是一种主链或侧链碳原子上连接有氟原子的合成高分子弹性体。由于碳-氟键具有极高的键能（约485 kj/mol），且氟原子对主链碳原子形成紧密的屏蔽保护，氟橡胶展现出优异的耐热性、耐介质性、耐老化性和耐臭氧性，被广泛应用于航空航天、汽车工业、石油化工、半导体制造等苛刻工况条件下的密封制品中。

2、然而，氟橡胶的耐磨性能相对不足，尤其在高速旋转、往复运动等动态密封场景中，磨损导致的密封失效已成为制约氟橡胶密封圈使用寿命的主要因素。同时，在提升耐磨性能的过程中，往往伴随着硬度的显著升高和弹性的下降，导致密封圈的密封补偿能力降低，这构成耐磨性能与机械性能之间的矛盾。

3、现有技术中，提升氟橡胶耐磨性能的技术路线主要包括以下几种：（1）炭黑或白炭黑（二氧化硅）补强——通过增加填料用量提高材料的抗撕裂和抗磨损能力，但过量填充会导致硬度急剧升高和加工性能恶化；（2）纤维增强——如碳纤维、芳纶纤维等，利用纤维的高强度和高模量提升耐磨性，但存在纤维分散困难、加工流动性差等问题；（3）固体润滑剂填充——如石墨、二硫化钼（mos2）、聚四氟乙烯（ptfe）微粉等，利用其低摩擦系数降低表面磨损。其中，ptfe微粉因其极低的表面能和摩擦系数（摩擦系数约0.04-0.1），被认为是最有效的耐磨助剂之一。

4、中国专利申请cn114316482a公开一种橡胶高分子弹性体，其采用氟橡胶100份与聚四氟乙烯≤20份的组合，通过开炼机混炼和两段硫化工艺制备。该方案利用ptfe的低摩擦特性在一定程度上改善氟橡胶的耐磨性能，然而，单一ptfe填充存在以下不足：（1）ptfe与氟橡胶基体的界面结合力弱，ptfe微粒在摩擦过程中易从基体中拔出脱落，导致长期耐磨性能下降；（2）ptfe的加入会延缓硫化速率，降低交联密度，虽然对弹性有所改善但牺牲拉伸强度等力学性能；（3）未引入有效的补强填料，材料的整体力学性能（特别是拉伸强度和定伸应力）难以满足高压密封工况的要求。

5、中国专利申请cn120310163a公开一种高密封性半导体密封圈，其采用全氟醚橡胶100-120份、二氧化硅15-20份、聚四氟乙烯2-6份的组合物，通过开炼和两段硫化工艺制备。该方案同时使用二氧化硅和ptfe，但其基体为价格高昂的全氟醚橡胶，且未涉及ptfe粒径对氟橡胶密封圈性能影响的系统研究，未提出通过调控ptfe粒径实现耐磨性能与力学性能协同优化的技术思路。

6、因此，本领域亟需一种能够在保持氟橡胶密封圈适宜硬度和弹性的前提下，同时显著提升其耐磨性能和机械性能的技术方案。

技术实现思路

1、本申请的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种提高耐磨性能和机械性能的氟橡胶密封圈及其制备方法。

2、本申请提供如下技术方案：一种提高耐磨性能和机械性能的氟橡胶密封圈，其原料包含以下组分，以质量份数计：氟橡胶 80-120份；疏水二氧化硅 5-30份；聚四氟乙烯微粉 2-10份，所述聚四氟乙烯微粉的粒径为0.1-20μm；内脱模剂 0.1-5份；促进剂 0.5-4份；硫化剂 0.5-4份。

3、在优选实施方案中，所述聚四氟乙烯微粉的粒径为10-20μm，更优选13-17μm，最优选15μm。

4、所述氟橡胶为过氧类氟橡胶、三嗪类氟橡胶中的至少一种。

5、所述疏水二氧化硅为疏水改性气相二氧化硅、疏水改性沉淀二氧化硅中的至少一种。优选疏水二氧化硅用量为10-20份，更优选16份。

6、所述内脱模剂优选struktol ws280或struktol ht290。

7、所述促进剂用于促进硫化反应的进行，选自bpp（苄基三苯基氯化膦）、taic（三烯丙基异氰脲酸酯）、btppc（苄基三苯基膦氯化物）中的至少一种。

8、所述硫化剂用于引发氟橡胶的交联反应，选自2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷（俗称"双二五"）、三嗪三硫醇四丁基铵盐、1,3-双(叔丁过氧异丙基)苯中的至少一种。

9、本申请还提供上述氟橡胶密封圈的制备方法，包括以下步骤：

10、（1）按照配方要求称取各原料组分；

11、（2）将步骤（1）中的原料在40-60℃下烘干后加入开炼机中混炼，开炼温度为30-70℃，混炼均匀得到混炼胶；

12、（3）将步骤（2）中得到的混炼胶在硫化机中进行一段硫化，硫化温度为150-190℃，硫化时间为8-12min，得到一段硫化产物；

13、（4）将步骤（3）中得到的一段硫化产物置于鼓风烘箱中进行二段硫化，硫化温度为200-250℃，硫化时间为8-24h，得到所述氟橡胶密封圈。

14、进一步的，步骤（2）中，开炼温度为45-55℃，优选50℃。

15、进一步的，步骤（3）中，一段硫化温度为165-175℃，优选170℃；硫化时间为9-11min，优选10min。

16、进一步的，步骤（4）中，二段硫化温度为195-205℃，优选200℃；硫化时间为22-24h，优选24h。

17、本申请的有益效果在于：本发明通过加入特定尺寸范围的聚四氟乙烯来提升氟橡胶的耐磨与力学性能。特定尺寸范围ptfe可以延缓橡胶的硫化时间从而使橡胶形成了适度的三维网络，橡胶既有足够强度抵抗破坏，又能保持良好弹性。此时磨损机制以疲劳磨损为主，能量被有效耗散，耐磨性最高。聚四氟乙烯与疏水二氧化硅表面能都极低，通过对比模量可知，15μm聚四氟乙烯分散效果最好，此时聚四氟乙烯增强材料的耐磨性，疏水二氧化硅补强了力学上的短板，有效减少材料的团聚，在高速摩擦下除了聚四氟乙烯抵抗摩擦外，疏水二氧化硅也协同分散载荷，降低体积磨损量。在动态测试中，聚四氟乙烯可以提供较好的尺寸稳定性，更好的提升疏水二氧化硅的补强效果，从而提高了拉伸强度

1.一种提高耐磨性能和机械性能的氟橡胶密封圈，其特征在于，其原料包含以下组分，以质量份数计：

2.根据权利要求1所述的氟橡胶密封圈，其特征在于，所述原料包含以下组分，以质量份数计：

3.根据权利要求1所述的氟橡胶密封圈，其特征在于，所述氟橡胶为过氧类氟橡胶、三嗪类氟橡胶中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的氟橡胶密封圈，其特征在于，所述疏水二氧化硅为疏水改性气相二氧化硅、疏水改性沉淀二氧化硅中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的氟橡胶密封圈，其特征在于，所述聚四氟乙烯微粉的粒径为10-20μm。

6.根据权利要求1所述的氟橡胶密封圈，其特征在于，所述内脱模剂为struktolws280、struktol ht290中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的氟橡胶密封圈，其特征在于，所述促进剂为bpp、taic、btppc中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的氟橡胶密封圈，其特征在于，所述硫化剂为2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、三嗪三硫醇四丁基铵盐、1,3-双(叔丁过氧异丙基)苯中的至少一种。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的氟橡胶密封圈的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，开炼温度为45-55℃；步骤（3）中，一段硫化温度为165-175℃，硫化时间为9-11min；步骤（4）中，二段硫化温度为195-205℃，硫化时间为22-24h。