氟橡膠（FKM/FPM）
引言
氟橡膠中含有氟原子，氟原子與碳原子組成的C-F鍵性能很高，同時氟原子有極大的吸附效應(yīng)，有賴于這種特殊的分子結(jié)構(gòu)，使得氟橡膠具有優(yōu)異的耐熱性、耐藥品性、耐溶劑性、耐氟化性、耐真空性、耐油性、耐老化等多種性能。氟橡膠最早應(yīng)用于航空領(lǐng)域，但應(yīng)用最廣泛的是在汽車領(lǐng)域，占應(yīng)用總量的60% ~ 70%。因此，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，確保選擇合適的氟橡膠是十分重要的。
1 分類[1-2]
FKM（美國）及FPM（歐洲）均為偏氟乙烯系氟橡膠的縮寫，只因地域不同而有所差異，1956年首先由杜邦公司生產(chǎn)，商標(biāo)為VITON。因為杜邦的知名度過高，很多人認(rèn)為VITON就是FKM，但其實不然。氟橡膠的種類很多，性能也不盡相同。根據(jù)化學(xué)組成的不同，氟橡膠可大體上分為氟碳橡膠、氟硅橡膠、氟化磷腈橡膠。目前，比較常見的氟橡膠為以下幾類：
1）氟橡膠23，國內(nèi)俗稱1號膠，為偏氟乙烯和三氟氯乙烯共聚物；
2）氟橡膠26，國內(nèi)俗稱2號膠，杜邦牌號VITON A，為偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物，綜合性能優(yōu)于氟橡膠23；
3）氟橡膠246，國內(nèi)俗稱3號膠，杜邦牌號VITON B，為偏氟乙烯、四氟乙烯、六氟丙烯三元共聚物，氟含量高于氟橡膠26，耐溶劑性能較好；
4）氟橡膠TP，國內(nèi)俗稱四丙氟橡膠FEPM，旭硝子牌號Aflas，為四氟乙烯和碳?xì)浔┕簿畚?，耐水蒸氣和耐堿性能優(yōu)越；
5）偏氟醚橡膠，杜邦牌號VITON GLT，為偏氟乙烯、四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、硫化點單體四元共聚物，低溫性能優(yōu)異；
6）全氟醚橡膠，簡稱FFKM，杜邦牌號Kalrez，低溫性能優(yōu)異，氟含量高，耐溶劑性能優(yōu)異；
7）氟硅橡膠，低溫性能優(yōu)異，具有一定的耐溶劑性能。
2 性能分析與對比
2.1 機理分析
氟元素是已知的化學(xué)元素中電負(fù)性最強的元素，C-F鍵能很高，如表1所示。氟原子半徑很小，相當(dāng)于C-C鍵長的一半，這使得氟原子能緊密的排列在碳原子的周圍，形成了C-C鍵的保護屏障，這賦予了含氟高分子彈性體C-C鍵的化學(xué)惰性。
另外，由于氟原子的存在，在其強吸電子效應(yīng)和對C-C鍵屏蔽保護作用下，使C-C鍵的鍵長縮短，鍵能增加。不僅如此，氟化了的碳原子與其他原子結(jié)合的鍵能也相應(yīng)的有所提高，從而提高了含氟高分子彈性體的耐熱性和耐腐蝕性，如表2。同時，氟原子也使含氟化合物化學(xué)鍵的自由旋轉(zhuǎn)能大為增加，使氟碳彈性體分子的剛性增強，柔性和耐低溫性能有所下降，如表3[3-4]。
表1 鍵能對比
表2 氟化碳原子和非氟化碳原子與其他原子生成的化學(xué)鍵鍵能比較
表3 含氟化合物化學(xué)鍵的自由旋轉(zhuǎn)能
2.2 試驗結(jié)果對比
通過大量的對比試驗，我們發(fā)現(xiàn)氟橡膠與其他類別相比，性能十分優(yōu)異（見圖1-4及表4）[3-4]。它的氣體透過性較低，適用于高真空裝置、隔斷外界氣體的用途；力學(xué)性能較好，但常溫下彈性較差，其伸長率一般為150%~300%，撕裂強度20~40KN/n，拉伸強度10~25MPa；耐高溫性能較好，氟橡膠26可在200~ 250℃范圍內(nèi)長期工作，或在300℃下短期工作，但耐低溫性能一般，能保持彈性的極限溫度范圍為-15~20℃。
圖1耐熱性與耐油性的對比
圖2耐燃油性能對比
圖3燃料透過性的對比
圖4 壓縮永久變形量對比
圖5 各類橡膠的耐溫曲線
表4 常用橡膠的氣體透過系數(shù)（cm3 mm/24h m2 atm）
從氟橡膠的生產(chǎn)工藝來看，它的配方一般包括生膠、硫化劑（交聯(lián)劑）、催化劑、補強劑和助劑等幾個方面。在滿足所需交聯(lián)度的條件下，硫化劑應(yīng)盡量少用，雖然增加補強劑對機械強度的提高和電性能有利，但用量也不宜過多，否則對耐熱性有很大影響。因此，生產(chǎn)工藝中氟含量、分子量、分子量分布、硫化劑濃度等系數(shù)的差異往往也是造成氟橡膠間特性差異的主要原因，如表5-9及圖6所示[5-6]。
表5 含氟量與各特性間的關(guān)系
圖6氟含量與耐甲醇、耐丙酮的關(guān)系
表6 硫化方法與特性間的關(guān)系
表7 分子量與特性間的關(guān)系
表8 分子量分布的影響
表9 硫化劑與硫化促進劑與特性間的關(guān)系
3 四丙氟橡膠FEPM、全氟醚橡膠FFKM與偏氟乙烯系氟橡膠FKM[7-8]
3.1 FEPM與FKM
FEPM與一般的FKM有很大區(qū)別，由于其不同的分子結(jié)構(gòu)，它對堿、胺具有優(yōu)異的耐久性能。同時具有耐熱性以及電氣絕緣性，由于耐蒸汽性較好，所以可用于其他FKM無法使用的用途中。具有偏氟乙烯單體的FKM對堿的耐久性相對較弱，相反，對汽油性的耐久性和低溫柔軟性都較好，圖7是FEPM與FKM（二元系、三元系）的比較，我們由此也可以看出它們具有完全不同的特性，即使同屬于氟橡膠，所擅長的領(lǐng)域也完全不同，因此，根據(jù)性能要求，需分開使用。
A FEPM與FKM不同的分子結(jié)構(gòu)
B Aflas（100系列）與FKM（二元系）的性能差異
圖7 FEPM與FKM（二元系、三元系）的比較
3.2 FFKM與FKM
FFKM主要由四氟乙烯、全氟烷基乙烯基醚為主要單體，并與少量帶硫化點的第三單體共聚而成。具有對高溫及化學(xué)藥品及其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可抵抗1600多種化學(xué)品的腐蝕，其優(yōu)異性有助于保持密封的完整性和安全性。這種突出的實用價值使它在工業(yè)上具有各種各樣的特殊應(yīng)用。它的開發(fā)和應(yīng)用代表了氟橡膠發(fā)展的最高點。圖8和表10是FFKM與FKM的比較，對比發(fā)現(xiàn)由于主鏈的四氟乙烯被氟化，性能發(fā)生了質(zhì)的飛越。圖9則是Kalrez常用牌號類型，可滿足各種苛刻工況的要求。
A Kalrez與FKM不同的分子結(jié)構(gòu)
B Kalrez與FKM分別浸泡在丙酮、甲苯等有機介質(zhì)中
（16分鐘后FKM明顯溶脹）
圖8 FFKM與FKM的比較
表10 Kalrez與FKM不同介質(zhì)中的體積增加率
圖9各類苛刻工況下的Kalrez常用牌號
4 展望
氟橡膠因其優(yōu)異的性能，已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，很好地解決了苛刻條件下的密封問題。隨著人們對氟橡膠制造工藝的不斷改進和應(yīng)用的深入研究，未來，這一綜合性能最佳的密封材料勢必在更多的領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。
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