【科普】一文了解氟橡胶性能、应用领域
氟橡胶是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子的一种合成高分子弹性体，它不仅具有较好的力学性能，而且有很高的耐高温、耐油及耐多种化学药品侵蚀的特性，综合性能特别优异，大量用于特殊密封制品的生产，是现代航空、导弹、火箭，宇宙航行等尖端科学技术及其他工业（如汽车）方面不可缺少的材料。
1.氟橡胶的结构特点和应用领域
由于聚烯烃类氟橡胶（26型氟橡胶，23型氟橡胶）和亚硝基氟橡胶中，主链上都没有不饱和的C=C键结构，减少了由于氧化和热解作用在主链上产生降解、断链的可能。偏氟乙烯中亚甲基基团对聚合物链的柔软性起着相当重要的作用，例如氟橡胶23-21和氟橡胶23-11是分别由偏氟乙烯和三氟氯乙烯按7：3和5∶5的比例组成，显然，前者比后者柔软。
无论是偏氟乙烯和三氟氯乙烯，或者前者和六氟丙烯的共聚物以及它们和四氟乙烯的三聚物，都可以是以晶态为主或无定形态为主，这取决于当一个单体为共聚物的主要链段时，另一个单体介入的含量。
电子衍射研究指出，在偏氟乙烯链段中六氟丙烯摩尔分数达7％，或者在三氟氯乙烯的链段中偏氟乙烯的摩尔分数达16％时，这两种共聚物仍具有和其相当的均聚物的晶体结构。但是，当前者的六氟丙烯摩尔分数增加到15％以上，或者后者的偏氟乙烯摩尔分数增加到25％以上时，晶格就被大幅度破坏，导致它们具有橡胶性能为主的无定形结构。这是由于第二单体引入量的增加，破坏了其原有分子链的规整性。
氟橡胶可以与丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶等并用，以降低成本，改善物理机械性能和工艺性能。
最早的氟橡胶为1948年美国DuPont公司试制出的聚-2-氟代-1，3-丁二烯及其与苯乙烯、丙烯等的共聚体，其性能并不比氯丁橡胶、丁橡胶突出，而且价格昂贵，没有实际工业价值。
20世纪50年代后期，美国Thiokol公司开发了一种低温性能好、耐强氧化剂的二元亚硝基氟橡胶，氟橡胶开始进入实际工业应用。
中国从1958年开始也开发了多种氟橡胶，主要为聚烯烃类氟橡胶，如23型、26型、246型以及亚硝基类氟橡胶；随后又发展了较新品种的四丙氟橡胶、全氟醚橡胶、氟化磷橡胶，这些氟橡胶品种都首先以航空、航天等国防军工配套需要出发，逐步推广应用到民用工业部门，已应用于现代航空、导弹、火箭、宇宙航行、舰艇、原子能等尖端技术及汽车、造船、化学、石油、电讯、仪器、机械等工业领域。
氟橡胶在日常生活中的应用领域非常广泛，譬如在汽车配件、航空与航天领域、机械密封、泵、反应器、搅拌器、压缩机外壳、阀、各类仪表和其它设备上用作阀座、阀杆的填料，隔膜和垫片，以及在橡胶板行业、半导体制造行业和食品与制药等行业都很发挥其作用。
随着无铅汽油和电喷装置等在汽车上使用，燃油胶管的结构和材料变化很大，内胶层已用氟橡胶来代替丁腈橡胶，为了降低燃油渗透和进一步改进耐热性，内胶层多采用复合结构，即由氟橡胶和氯醇橡胶或丙烯酸酯橡胶组成，由于氟橡胶价格比较昂贵，因此氟橡胶层比较薄，厚度约为0.2～0.7mm，这种结构燃油胶管已成为国外的主流产品。我国也已开发出这种氟橡胶为内层的胶管，并在桑塔纳、奥迪、捷达、富康等型号的轿车上使用。在技术含量较高的汽车发动机、变速箱、汽门油封方面，所选用的材料主要是氟橡胶、氢化丁腈橡胶等。
氟橡胶和硅橡胶复合油封已成为最常用的发动机曲轴油封。装卸车液压系统和大型装卸车液压系统连续工作时间长，油温及机件温度上升很快，普通橡胶不能满足其工作要求，而氟橡胶制品凭其优良的耐温性能，能满足各种苛刻的技术要求。伴随着汽车工业对可靠性、安全性等要求的不断提升，氟橡胶在汽车行业中的需求量也呈现出迅速增长趋势。
除汽车工业应用以外，氟橡胶密封件被应用在钻井机械、炼油设备、天然气以及电厂脱硫装置上，可以同时承受高温、高压、油类和强腐蚀介质等苛刻条件；在化工生产中氟橡胶密封件被用在泵、设备容器之中，用于密封无机酸、有机物等化学物质。在石油和化学工业中氟橡胶密封产品用于机械密封、泵、反应器、搅拌器、压缩机外壳、阀、各类仪表和其它设备上，如通常用作阀座、阀杆的填料，隔膜和垫片。氟橡胶更是现代航空、导弹、火箭、宇宙航行、舰艇、原子能等尖端科学技术不可缺少的高性能材料之一，近些年在航空和航天领域中，氟橡胶新产品不断地开发出来。
2.氟橡胶的主要性能
氟橡胶具有独特的性能，其硫化胶各项性能分别叙述如下。
（1）耐腐蚀性性能
氟橡胶具有卓越的耐腐蚀性能。一般说来它对有机液体（燃料油、溶剂、液压介质等）、浓酸（硝酸、硫酸、盐酸）、高浓度过氧化氢和其他强氧化剂作用的稳定性方面，均优于其他各种橡胶。
（2）耐溶胀性能
氟橡胶具有高度的化学稳定性，是目前所有弹性体中耐介质性能最好的一种。26型氟橡胶耐石油基油类、双酯类油、硅醚类油、硅酸类油，耐无机酸，耐多数的有机、无机溶剂、药品等，仅不耐低分子的酮、醚、酯，不耐胺、氨、氢氟酸、氯磺酸、磷酸类液压油。23型氟胶的介质性能与26型相似，且更有独特之处，它耐强氧化性的无机酸如发烟硝酸、浓硫酸性能比26型好，在室温下98%的硝酸中浸渍27天它的体积膨胀仅为13%～15%。
（3）耐热和耐高温性能
在耐老化方面氟橡胶可以和硅橡胶相媲美，优于其他橡胶。26型氟橡胶可在250℃下长期工作，在300℃下短期工作，23型氟橡胶经200℃×1000h老化后仍具有较高的强力，也能承受250℃短期高温的作用。四丙氟橡胶的热分解温度在400℃以上，能在230℃下长期工作。
氟橡胶在不同温度下性能变化大于硅橡胶和通用的丁基橡胶，其拉伸强度和硬度均随温度的升高而明显下降，其中拉伸强度的变化特点是：在150℃以下，随温度的升高而迅速降低，在150～260℃之间，则随温度的升高而下降较慢。
氟橡胶的耐高温性能和硅橡胶一样，可以说是目前弹性体中最好的。26-41氟胶在250℃下可长期使用，300℃下短期使用；246氟胶耐热比26-41还好。在300 ℃×100h空气热老化后的26-41的物性与300℃×100h热空气老化后246型的性能相当，其扯断伸长率可保持在100%左右，硬度90～95度。246型在350℃热空气老化16h之后保持良好弹性，在400℃热空气老化110min之后保持良好弹性，在400℃热空气老化110min之后，含有喷雾炭黑、热裂法炭黑或碳纤维的胶料伸长率上升约1／2～1／3，强度下降1／2左右，仍保持良好的弹性。23-11型氟胶可以在200℃下长期使用，250℃下短期使用。
（4）耐低温性能
氟橡胶的低温性能不好，这是由于其本身的化学结构所致，如23-11型的Tg＞0℃。实际使用的氟橡胶低温性能通常用脆性温度及压缩耐寒系数来表示。胶料的配方以及产品的形状（如厚度）对脆性温度影响都比较大，如配方中填料量增加则脆性温度敏感地变坏，制品的厚度增加，脆性混同度也敏感地变坏。
氟橡胶的耐低温性能一般它能保持弹性的极限温度为-15～20℃。随着温度的降低，它的拉伸强度变大，在低温下显得强韧。当用作密封件时，往往会出现低温密封渗漏问题。其脆性温度随试样厚度而变化。例如26型氟橡胶在厚度为1.87mm时，其脆性温度是-45℃，厚度为0.63mm时是-53℃，厚度为0.25mm时是-69℃。它的标准试样26型氟橡胶的脆性温度是-25～-30℃，246型氟橡胶的脆性温度为-30～-40℃，23型氟橡胶的脆性温度为-45～-60℃。
（5）耐过热水与蒸汽的性能
氟橡胶对热水作用的稳定性不仅取决于本体材料，而且决定于胶料的配合。对氟橡胶来说，这种性能主要取决于它的硫化体系。过氧化物硫化体系比胺类、双酚AF类硫化体系为佳。26型氟橡胶采用胺类硫化体系的胶料性能较一般合成橡胶如乙丙橡胶、丁基橡胶还差。
（6）压缩永久变形性能
氟橡胶用于高温下的密封中压缩变形是它的关键性能。维通型氟橡胶所以得到极其广泛的应用是与它的压缩变形的改进分不开的。它是作为密封制品必须控制的一个重要性能。26型氟橡胶的压缩永久变形性能较其他氟橡胶都好，这是它之所以获得广泛应用的原因之一。在200～300℃的温度范围内其压缩永久变形显得很大。但在20世纪70年代美国DuPont公司对其进行了改进，发展了一种低压缩永久变形胶料（Viton E-60C），它是从生胶品种（VitonA改进为Viton E－60）和硫化体系选择上（从胺类硫化改进为双酚AF硫化）进行改进的，这就使氟橡胶在200℃高温下长期密封时的压缩永久变形性较好，氟橡胶在149℃长期存放的条件下，其密封保持率在各类橡胶中处于领先的地位。
（7）耐气候老化和耐臭氧性能
氟橡胶具有极好的耐天候老化性，耐臭氧性能。据报道，DuPont开发的VitonA在自然存放10年之后性能仍然令人满意，在臭氧体积分数为0.01%的空气中经45天作用没有明显龟裂。23型氟橡胶的耐天候老化、耐臭氧性能也极好。
（8）机械性能
氟橡胶一般具有较高的拉伸强度和硬度，但弹性较差。26型氟橡胶一般配合的强力在10～20MPa之间，扯断伸长率在150～350%之间，抗撕裂强度在3～4kN／m之间。23型氟橡胶强力在15.0～25MPa之间，伸长率在200%～600%，抗撕裂强度在2～7MPa之间。一般地，氟橡胶在高温下的压缩永久变形大，但是如果以相同条件比较，如从150℃下的同等时间的压缩永久变形来看，丁和氯丁橡胶均比26型氟胶要大，26型氟橡胶在200℃×24h下的压缩变形相当于丁橡胶在150℃×24h的压缩变形。
（9）电性能
氟橡胶的电绝缘性能不是太好，只适于低频低压下使用。温度对它的电性能影响很大，从24℃升到184℃时，其绝缘电阻下降35000倍。26型氟橡胶的电绝缘性能不是太好，只适于低频，低电压场合应用。温度对其电性能影响很大，即随温度升高，绝缘电阻明显下降，因此，氟橡胶不能作为高温下使用的绝缘材。填料种类和用量对电性能影响较大，沉淀碳酸钙赋予硫化胶较高的电性能，其他填料则稍差，填料的用量增加，电性能则随之下降。
（10）耐高真空性能
氟橡胶具有极佳的耐真空性能。这是由于氟橡胶在高温、高真空条件下具有较小的放气率和极小的气体挥发量。26型、246型氟橡胶能够应用于133×l0-9～133×10-10 Pa的超高真空场合，是宇宙飞行器中的重要橡胶材料。氟橡胶的气透性是橡胶中较低的，与丁基橡胶、丁腈橡胶相近。填料的加入能使硫化胶的气透性变小，其中硫酸钡的效果较中粒子热裂法炭黑（MT）显著。氟橡胶的气透性随温度升高而增大，气体在氟橡胶中的溶解度较大，但扩散速度则很小，这有利于在真空条件下应用。氟橡胶对气体的溶解度比较大，但扩散速度却比较小，所以总体表现出来的透气性也小。据报道，26型氟橡胶在30℃下对于氧、氮、氦、二氧化碳气体的透气性和丁基橡胶、丁橡胶相当，比氯丁胶、天然橡胶要好。在氟橡胶中，填料的加入，充填了橡胶内部的空隙，从而使硫化胶的气透性变小，这对于真空密封是很有利的。
（11）耐燃性能
橡胶的耐燃性取决于分子结构中卤素的含量。卤素含量愈多，耐燃性愈好。氟橡胶与火焰接触能够燃烧，但离开火焰后就自动熄灭，所以氟橡胶属于自熄型橡胶。
（12）耐辐射性能
氟橡胶是属于耐中等剂量辐射的材料。高能射线的辐射作用能引起氟橡胶产生裂解和结构化。氟橡胶的耐辐射性能是弹性体中比较差的一种，26型橡胶辐射作用后表现为交联效应，23型氟橡胶则表现为裂解效应。246型氟橡胶在空气中常温辐射在5×107 仑的剂量下性能剧烈变化，在1×107仑条件下硬度增加1～3，强度下降20%以下，伸长率下降30%～50%。所以，一般认为246型氟橡胶可以耐1×107仑，极限为5×107仑。
4.应用实例
（1）耐油FKM混合料
氟橡胶材料密封件特别适用于要求高热温和高化学稳定性的环境。针对高添加剂、润滑剂等特殊环境，研制出了专用的FKM混合物。在选择密封件适用材料时，除考虑密封件所处温度范围外，还需考虑与之接触的液体或气体性质。弹性体的膨胀或收缩以及化学稳定性都是影响密封件稳定性的重要因素。
这些材料可以耐受高达200℃的温度，取决于聚合物结构和交联作用系统。二胺、双酚或过氧化物会产生交联作用。氟含量决定化学稳定性，氟含量越高，FKM材料就越能够耐受高度侵蚀性的环境。
对于公共车辆和移动式机械，密封材料需要满足对温度和周围介质极为苛刻的应用条件。由于高机油添加剂含量以及工作温度的日益升高，温度和化学稳定性的要求越来越严格。发动机和驱动器的新一代长寿油可将使用寿命延长一千多小时。这类油液主要是矿物油，胺添加剂含量高。
（2）耐碱FKM材料
由于氟橡胶优异的技术性能，因而其应用领域不断拓展，制品类型越来越多，主要制品有胶布、胶带、胶管、薄膜和浸渍制品用氟橡胶制造各种胶管及复合胶管，用于输油管、耐高温和高压的液压胶管、空气导管和热液体导管以及各种密封材料。用氟橡胶制造胶膜作耐腐蚀介质的泵、阀中的隔膜，广泛用于特殊的领域。用氟橡胶的浆料涂于玻璃纤维布、聚酯纤维布和其他纺织品上，可制成耐燃容器、耐高温垫片、不燃性胶布、防护衣及防护手套等。绝缘材料主要用作耐高温、耐油和耐压的电缆和电线护套。制造石棉纸的泊板氟橡胶可取代其他橡胶制造石棉纸泊板，具有耐高温和耐高压性能，还可用作物料管的法兰垫片，广泛应用于化工、轻工和机器制造等领域。
（3）氟橡胶制品及应用
密封材料用氟橡胶可以制成多种用途的垫圈、阀门密封垫圈、○型密封圈、V型密封圈、皮碗、油封和波纹连接管等。这些制品能耐200℃以上的温度，在各类油介质的环境下不变形。氟橡胶密封材料在国内主要应用于汽车和航空航天领域，目前国内汽车零部件用氟橡胶材料的主要制品有发动机的曲轴前油封、曲轴后油封、气门缸油封、发动机膜片、发动机缸套阻水圈、加油软管、燃油软管、机油滤清器单问阀、加油口盖○型环、变速箱及减速器的油封等等。氟橡胶、硅橡胶和丙烯酸酯橡胶及耐热弹性体成为未来汽车用橡胶材料的发展趋势和主流，许多汽车零部件采用性能更为优异的氟橡胶来替代传统的材料。
氟橡胶密封件用于汽车发动机的密封时，可在200℃～250℃下长期工作，工作寿命可与发动机返修寿命相同；用于化学工业时，可密封无机酸（如140℃下的67%的硫酸、70℃的浓盐酸，90℃下30%的硝酸），有机溶剂（如氯代烃、苯、高芳烃汽油）及其它有机物（如丁二烯、苯乙烯、丙烯、苯酚、275℃下的脂肪酸等）；用于深井采油时，可承受149℃和420个大气压的苛刻工作条件；用于过热蒸汽密封件时，可在160～170℃的蒸汽介质中长期工作。在单晶硅的生产中，常用氟橡胶密封件以密封高温（300℃）下的特殊介质—三氯氢硅、四氯化硅、砷化镓、三氯化磷、三氯乙烯以及120℃的盐酸等。
用氟橡胶制造的胶管适用于耐高温、耐油及耐特种介质场合。用氟橡胶制成的电线电缆屈挠性好，且有良好的绝缘性。氟橡胶制作的玻璃纤维胶布，能耐300℃的高温和耐化学腐蚀。芳纶布涂氟胶后，可以制作石油化工厂耐高温、耐酸碱类储罐间的连接伸缩管，可承受高压力、高温度和介质腐蚀，并对两罐的变形伸缩起缓冲减震连接作用。尼龙布涂氟胶后制成的胶布密封袋，作为炼油厂的内浮顶贮罐用软密封件，起到密封、减少油液面的挥发损失等作用。
23型、四丙型氟橡胶主要用作耐酸、耐特殊化学品的腐蚀性密封场合。羟基亚硝基氟橡胶主要用作防护制品和密封制品，以溶液形式作为不燃性涂料，应用于防火电子元件及纯氧中工作的部件。其溶液和液体橡胶可用喷涂、浇注等方法制造许多制品，如宇宙服、手套、管带、球等，也可用作玻璃、金属、织物的胶粘剂，制造海绵及接触火箭推进剂的垫圈、O型圈、胶囊、阀尹畴各类密封件等。
G型系列氟橡胶制作的密封件具有使用VitonA、B、E等氟橡胶无法达到的耐高温蒸汽性、耐甲醇汽油或含高芳香烃汽油的性能；
GLT型氟橡胶、氯化磷橡胶、全氟醚橡胶等更具有宽广的使用温度范围，低温柔软性、弹性密封性等。全氟醚橡胶还具有突出的耐介质腐蚀性，在军工尖端技术中得到广泛应用。
用氟橡胶制成的密封剂———腻子，耐燃料油性能突出，可在200℃左右的油中使用，被用作飞机整体油箱的密封材料。
用氟橡胶制得的闭孔海绵，具有耐酸、耐油、宽广使用温度范围和良好的绝缘性，可用作火箭燃料、溶剂、液压油、润滑油及油膏的密封和火箭、导弹的减震材料，耐温达204 ℃。
浸渍氟胶乳液的石棉纤维布，可制成石棉胶板，用于耐高温、耐燃烧和耐化学腐蚀性的场合。