密封材料渗水特性实验探究

实验用密封材料的种类及力学性能
橡胶、塑料及金属材料均可用作密封材料。由于硫化橡胶具有显著的高弹性，能在外力作用下，大大改变自身的尺寸，发生较大的可逆变形，使得橡胶成为主要的密封材料之一，也是核产品和包装箱常用的密封材料。因此，本研究工作主要针对常用的 8 种橡胶材料进行相关的测试，材料种类及牌号见表 1。参照 GB528-82《硫化橡胶拉伸性能的测试》测试 8 种橡胶的拉伸性能，拉伸速度 200 mm/min。测试结果见表 1，密度及硬度为出厂值。
从表 1 可知，不同种类的橡胶，其力学性能差异较大，且出厂检验指标与实测值也存在较大的差异，其中真空橡胶和天然橡胶的变形较大，根据粘弹性材料的特点，拉伸变形大的材料，其压缩变形也较大，而且其同一材料的压缩变形数值比拉伸变形更大；同时，压缩变形的大小还间接反映材料的应力松弛性能，即变形大的材料，其应力松弛性能也较大。密封材料在使用过程中会逐渐丧失密封性能，导致水分和气体进入密封容器内部，因此，就力学性能而言，真空橡胶和天然橡胶不宜用作核产品密封材料。

橡胶的渗水特性
通过对橡胶渗水特性的测试，不仅可以为产品设计选取密封材料提供数据，而且可以估算一定时期内水分进入产品中的积累量，因此有必要对橡胶的渗水特性进行测试分析。测试密封材料渗水性的方法较多，有渗透杯法、红外传感器法、放射性跟踪法、电湿度法、干涉仪法、导热法、比色法、质谱法、气相层析法等。本研究采用渗透杯法[7]测试。
渗透杯法的测试原理：
渗透杯法测试是在规定温度、相对湿度下，使试样的两面保持一定的水蒸气压差，测量单位面积透过试样的水蒸气量，计算水蒸气透过系数。测试装置见图 1，水蒸气透过量（WVT）按公式（1）计算；水蒸气透过系数（Pv）按公式（2）计算。
测试步骤：
测试步骤见图 2。该研究所用的恒温恒湿条件为：温度 38±0.5 ℃，相对湿度（90±2）％，对所测定的密封材料，由于材料种类不同，厚度也有一定差异，平衡时间在 62～98 h 之间。
渗透性测试结果：
不同材料水蒸气透过量（WVT）及水蒸气透过系数（Pv）表 2 是不同橡胶在温度为 38℃，相对湿度为 90％的环境下，水分渗透达到平衡时，根据质量增量计算出的值。计算时，渗透杯内部的水蒸气压力计为零，环境中水蒸气压力为：5966.685 Pa。
从表 2 可知，真空橡胶与天然橡胶的水蒸气透过量和透过系数在同一数量级，比硅橡胶低出一个数量级，比其它橡胶低许多倍，因此硅橡胶不适合作密封材料使用。

不同材料内部水分含量的测定
测试方法：
采有卡尔·费休－库仑法，利用 CA-06 微量水分测定仪测定。测试前在温度为 23℃，相对湿度为 70％的环境中自然停放 48 h 以上。
测试结果与讨论：
8 种材料的内部水分含量见表 4。从表 4 可知，不同橡胶的含水量是不相同的，真空橡胶由于经过特殊的加工工艺制备，所以含水量低，氯丁橡胶的含水量高，其它几种橡胶的含水量相差不大。

材料内部低分子物的初步测定
由于不同橡胶在高湿环境下，质量有增加，也有减少，即材料在吸收水分的同时，也释放出其它低分子物质，为了比较不同橡胶内部低分子物质的含量，采用低压干燥法初步测定了不同橡胶中低分子物（水分及其它小分子物质）的含量。
测试方法及条件：
测试方法采用称重法，先准确称取各种橡胶的质量，然后在压力 0.08 MPa，80 ℃环境中处理 24 h，然后再准确称量各种橡胶的质量，按公式（3）计算低分子物含量。
测试结果与讨论：
按 4.1 方法和条件初步测定的不同橡胶中低分子物含量见表 5。从表 5 可知，不同材料低分子物含量的大小与表 4 类似，真空橡胶低，氯丁橡胶高，但两者的数值不同。一方面由于真空度不是太高，处理时间短，因此，没有完全除去材料中的低分子物质，另一方面，重量的减少是水分和其它低分子物质逸出共同作用的结果。仅凭这一次测试结果还无法确定其它低分子物质含量及类型，有待进一步研究。

分析与讨论
结构件密封性能的好坏，取决于密封结构的设计、密封材料的类型、密封比压及密封面的光洁度，就密封材料而言，除温度和压力外，高分子材料中聚合物的化学结构、形态，高分子材料的组成（配方）、加工工艺等对水分的渗透均有明显影响，对于特定
的应用，需对这些因素作详细研究。
温度对渗透性的影响：
根据 Arrhenius 方程，温度变化将引起材料扩散、渗透系数改变，其改变量按指数关系变化，而不同的高分子材料活化能不同，渗透和扩散对温度的敏感性不相同。
高分子链的刚性对渗水性的影响：
高分子链的刚性由链间的相互作用决定，如氢键、范德华力、偶极作用等。若链段上存在极性基团或电负性相差较大的基团，则高分子链间或链段上不同基团之间的吸引力增加，链段的活动性减小，从而使渗透速率减小。
高分子的形态对透水性的影响：
影响水分渗透的形态因素主要有高聚合物的交联密度、强吸附作用的固体添加剂（如气相白炭黑填料）。加工过程在聚合物内部产生的微晶区、空隙都可以减少聚合物链的活动性，从而减小水分的渗透。对于橡胶类材料，影响水分透渗的形态因素主要是交联点密度和填料的类型及表面特性，如填料的颗粒形状、晶态或非晶态等，若填料不能被聚合物完全润湿，则水分在填料表面会发生吸附；加工工艺的不同，会使高分子材料内部形成不同的空隙或微孔，空隙或微孔在高分子材料内部的分散性决定了水分在材料内部运动途径的连续性，从而影响水分在材料中的渗透特性。
高分子的侧基及极性对渗水特性的影响：
对于那些由非极性分子制备的弹性体，如天然橡胶（主要成份聚异戊二烯），在分子链上引入空间位阻较大的侧基和不饱和基团都会影响水分的渗透性。主要是因为分子结构会影响扩散过程，扩散的难易与键结构和官能团有关。
其它因素对渗水特性的影响：
影响水分对高分子材料渗透的因素还有热处理条件，材料厚度及老化等。随着热处理条件的不同，可引起材料的化学结构不同；材料厚度的不同，材料内部空隙或微孔分布状态存在差异；材料的老化，使高分子材料发生降解等，这些因素都会影响橡胶密封材料的渗水特性。

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