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2015年第 43卷第 10期 流 体 机 械 文章编号 ： 1005—0329(2015)10—0011—05 膨体四氟垫片的厚度对力学行为和 密封性能的影响 张雨果 ，谢苏江 ，胡宏玖 (1．中国核动力研究设计院一所，~t)ll成都 610041；2．华东理工大学，上海200237；3．上海大学 ，上海 200072) 摘 要： 对膨体聚四氟乙烯(ePTFE)密封垫片的主要性能进行了试验研究，分析了厚度对性能的影响规律，并探讨了 ePTFE的蠕变行为与密封性能的关系。结果表明：由于 eF'FFE内部膜界面的影响 ，大拉伸强度 、蠕变性能和密封性能都受材料厚度的显著影响；ePTFE垫片的泄漏方式以界面泄漏为主，本体渗漏仅占 10％左右；基于蠕变和泄漏率的关系 ， 发现特征松弛时间 tr可以作为评价 eFFFE密封性能的一个重要参数。
前言膨体四氟垫片 (ePTFE)密封材料是以聚四 氟乙烯 (PTFE)双向拉伸膜复合而成的一种改性 PTFE材料 ，它具有 PTFE所 有的优 良性 能，同时 大大改善了 FE易蠕变、强度低等不足，在石化 、 食品、医药 、核电等的密封领域获得 了越来越广泛 的应用… 。目前 ，在核电站的水系统特别是海水系 统中，为保证密封和防腐性能 ，提高系统使用寿命 ， 越来越多地设计使用 ePTFE作为密封垫片。 尽管 AYamaguchi、T Hagiri、Huang、邵琦等国 内外学者对 ePTFE密封垫片的压缩 回弹性能 、密 收稿 日期： 2015—04～27 封性能以及在螺栓法兰连接系统中的蠕变松弛行 为进行 了一定研究 ，但对 ePTFE材料本身结构 与 性能关 系的研究基本空白，且关于 ePTFE垫片的 泄漏方式及影响泄漏 的因素也缺乏深入细致 的研 究 ～ 。 本文系统分析 ePTFE厚度对 密封材料 的力 学性能 、蠕变松 弛性能 、密封性能的影响规律 ，探 讨 ePTFE的蠕变行为对密封性能的影响 ，以期为 ePTFE密封件 的选用和设计提供依据 。 2 材料及测试 方法 12 FLUID MACHINERY Vol ， 43，No．10，2015 试验用 ePTFE板 由上海某公 司提供，厚度分 别为 1，2，3，4，5arm。 拉伸试验参照 ASTM D638标准 ，试验装置为 美 国 MTS公 司 的 材料 高 低 温 拉 伸 试 验 机 (CMT2000，SANS)，选用Ⅳ号试样，拉伸速率为 500mm／min。 短期拉伸蠕变试验采用 美 国 TA Instrument 公司的动态力 学分析仪 (DMA，TA—Q8oo)，施 加的 拉 伸 蠕 变 应力 为 0．2MPa，测 试 时 间 为 4800s。 垫片的密封性能测试参照 DIN 3535／6方法。 考虑聚四氟乙烯材料的蠕变变形较大 ，为了反映 垫片在螺栓法兰系统中的长期 、真实的密封性能 ， 而不是垫片安装瞬间的泄漏率 ，本试验在施加相 应垫片压紧力后 ，让垫片充分蠕变 1．5h后再进行 测试。为保证测试的准确性与可重复性，每个试 样测试 6次。并在垫片表面涂覆密封胶和不作任 何处理两种情况下 ，研究垫片本体渗漏 和总泄漏 的变化规律。 3 结果与分析 3．1 拉 伸性 能研 究 ePTFE试样被拉伸过程 中，长度变长的同时 ， 横截面积不断变小。基于体积不变 ，材料拉伸过 程的真应力和真应变为： {str T：=on' ( 1+8e； c 式中 ——真应力 gT——真应变 — — 工程应 力 s—— 工程应变 图 1为不同厚度ePTFE室温拉伸 的真应力 一 真应变曲线。由图 1可见 ，eFFFE的拉伸性 能 呈现各向异性，即横向和纵向的真应力 一真应变 曲线有一定的差异。在拉伸试验中，因 ePTEF在 弹性形变之后不断地发生应变硬化，在达到最大 拉伸强度前真应力与真应变之间呈现较为明显的 线性递增关系；在达到最大拉伸强度之后，应力随 着应变的继续增大而逐渐减小 ，而不发生瞬间断 裂现象 。这 主要是 因为 ePTFE的多层复合结构 (如图 2所示)，各膜层微观相容性较差。在达到 较高应力之后 ，一些 ePTFE薄膜开始破 坏 ，出现裂纹或断裂 ，导致总应力下降，且随着变形的增 加 ，膜层受力情况 不断改变，直到所有 ePTFE膜 全部
断裂为止。 皇 、- ／ 50 蜮 O ／ 一 55 蜮 0 0．00 0．75 1．50 真应 变 0．O0 0．75 1．50 真应变 (b)2O ．纵 r口] 图 1 真应力 一真应变 曲线 图 2 ePTFE的横截面 SEM图 图 3显示 了不同厚度ePTFE的横 向和纵 向 最大拉伸强度 。由图可见 ，厚度对 ePTFE不同方 向的最大拉伸强度均有显著的影响 ，在 3mm时达 到最大的拉伸强度 ，之后随着厚度增加，拉伸强度 反而减小。这可能是由于多层叠加材料特殊 的内 部结构引起的，即随着叠加层数增加 ，ePTFE薄膜 之间的界面相互作 用力增加 ，拉伸强度变大。但 2015年第 43卷第 1O期 流 体 机 械 13 叠加层数过多时 ，层问的弱界 面缺陷增 多，各层膜 之间没有有效的力传 递 ，此时界 面缺陷成为影响 拉伸强度的主要因素，使得拉伸强度 开始呈现下降趋势。 嘿 87．5 哥 70．O 3 5 厚度 (mm) 图 3 厚度对最 大拉 伸强度的影响 3．2 蠕 变性 能研 究图 4为通过动态力学分析仪获得 的 30~C时 不同厚度 ePTFE的拉伸蠕 变柔 量随蠕变 时间的 变化情况。
l60 😯 磐 0 蠕 变时 间(S) 图4不同厚度 ePTFE的蠕变柔量曲线 为深入讨论材料 的蠕变特性 ，蠕变柔量 J(t) 尝试采用 KWW 方程进行分析 引： J(t)=Jo+AJ[1一e一‘ ] (2) 式中 t——蠕变时间 ．，。——初始瞬间蠕变柔量 △．，——常数 r——特征松弛时间 — — 形状 因子 ，0< ≤1 利用 oirgin软件对图 4中的 ePTFE蠕变柔量 数据进行非线性拟合，获得的黏弹性特征参量见 表 1。由表 1可见，拟合相关系数都接近 I，表明 KWW 方程可以很好地表征 ePTFE的蠕变行为。 从表 中还可以看出 ，其蠕变特征参 数受材料厚度 的影响较大。 表 1 KWW 方程蠕变特征参量( ，A，，f， ) 及拟合相关 系数 ( ) 厚度(mm) (GPa ) AJ(GPa ) (s) R 1 28．5 79．1 351 0．378 0．99 2 12．8 38．0 468 0．399 0．99 3 12
．6 42．1 756 0．4l1 0．99 4 37．1 l2O．9 482 0．387 O．99 5 23 92．2 560 0．385 0．99 从表 1还可看出，随着厚度增加 ， 先变大 ， 在 3mm时达到 大值 ，之后 又随厚度增 加而减 小 。这表明3mm厚 的 ePTFE板 的分子链段运动 能力较弱 ，向平衡态转变的驰豫时问最长 ，即蠕变 时间最长。这可能是 由于多层膜叠加材料 中，各 层膜之间的界面存在着复杂的相互作用力 ，随着 厚度增加 ，膜界面的相互作用力较大，阻碍 了聚合 物链段的运动 ， r值增大。但当厚度继续增加时 ， 膜界面缺陷增多，弱界面使得 ePTFE弛豫时问缩 短，丁值减小。同理，形状因子 也随着厚度增加 而先变大 ，3arm时达到大值 ，之后又 随厚度增 加而减小。3ram厚 ePTFE的 最大，说 明其链段 松弛谱最窄，链段运动形式较单一，链段运动方向 较为有序。 图 5所示 为 ePTEF的微 观形 貌分 析 照片。 可以看 出，eFFEF
是 由节点 、连接纤维和微孔洞构 成 。这种微孔结构 使得 ePTFE有较 大的 自由体 积 ，受到外力作用时 ，材料能迅速变形 ，同时材料 内部的纤维会拉伸然后绷紧 ，从而产生锁紧功能 ， 使得材料又不能无限度的继续变形 。这种结构保 证了 ePTFE既具有 了较大的压缩变形能力 ，又具 有了较好的抗蠕变性能。 图 5 ePTFE的 SEM 图 3．3 密封性 能研 究 图 6显示 了在垫片密封表面未经任何处理的 条件下，ePTFE初始密封 比压 、垫片厚度 和泄漏率 14 FLUID MACHINERY Vo1 ． 43，No．10，2015 的相互关系。由图可见 ，随着垫片预紧应力 的增 加，垫片的泄漏率减小，泄漏率和垫片预紧应力成 负指数关系。不同厚度的 eFFFE垫片，其泄漏率 基本随厚度增加而增大，但 在不 同垫片应力下有 一 定差异。垫片应力较低 和较高时，厚度影响较 明显。这可能是由于垫片应力较低 时，ePTFE内 部尚未产生足够的塑性变形，其表面也未与法兰 面紧密贴合 ，难以建立可靠的初始密封，因此总的 泄漏较大，且随本体泄漏
通道 即厚度 的增加而增 大 ；当垫片初始应 力达到 30MPa后 ，ePTFE垫 片 产生足够变形并逐步建立初始密封 ，泄漏率开始 随垫片应力加大而明显减小。但对于不同厚度的 垫片，其本体泄漏通道不同，故建立初始密封 的能 力并不相同 ，越厚的密封垫片 ，其所需的初始密封 比压相对较大 ；当垫 片初始 应力达 到 40MPa以 上，各厚度垫片都产生了足够的压缩变形，大部分 泄漏通道均得到较好的堵塞，密封面的表面缺陷 也得 以较好弥补 ，进一步增加垫片应力 ，泄漏通道 变化不大，故体现出不同厚度均具有良好的密封 效果 ，泄漏率随垫片应力的变化趋于稳定。 10 料 1o 嫘 垫片初 始应 力 (MPa) 图 6 厚 度对 密封性能 的影 响(氮气压力 2MPa) 图 7所示 为涂覆 密封胶 时 eFFFE本体 渗漏 和总泄漏随垫片应力和垫片厚度的变化情况。由 图可见 ，在相同垫片应力下 ，涂有密封胶的垫片其 密封性能较未涂密封 胶的提高了近 l0倍，即 ePTFE的本体渗漏仅 占总泄漏 的 10％左 右。这 说 明 ePTFE垫 片的泄漏形 式主要 是界面泄漏 为 主 ，特别是在足够高的垫片应力下 ，eFFFE膜层复 合的特殊网状结构并没有产生较大的渗透泄漏。 同时 ，由图也可以看出，ePTFE垫片的厚度对渗透 泄漏影响十分明显 ，随厚度增加 ，不同应力下的渗 透泄漏均明显增大，而界面泄漏由于主要取决于 密封面的表面质量和垫片变形补偿能力，故体现 出其随厚度的变化规律并不很明显。 一 ． 曼 鲁 ＼ 量 一 赡 垫 片应力(MPa) 图7 上、下表面涂有密封胶的垫片和未涂密封胶的 垫片的泄漏率 3．4 ePTFE蠕 变性 能对 泄漏率 的影响 理论上讲 ，法兰的螺栓发生松弛以后 ，垫片可 以通过 回弹来弥补密封 比压的下降 ，从而减小界 面泄漏 ，而且厚垫 片的回弹量较大 ，补偿能力更 好。但是，ePTFE由于其特殊的多层结构，其回弹 性一般较低。且在长期受压后或者在较高压应力 作用后 ，外加压力引起了玻璃化转变行为 ，造成其 自由体积减小，蠕变
松弛相对明显，使得其回弹能 力大大降低。因此，ePTFE的抗蠕变性能对其长 期密封性能的好坏具有较大的影响力。 由图 6可知 ，当垫 片 的初 始密 封 比压 达 到 40MPa以上时，不同厚度垫片都可 以建立有效 的 初始密封，这时其泄漏率 ￡ 有如下规律： Lv ， 1mm