氟碳橡膠改性涂層材料賦予橡膠表面的耐磨、防粘等特性

在航空航天工業、汽車工業、機械制造、石油開采、煉油及其他工業生產中,需要大量在燃油、潤滑油、液壓油等油類中使用的橡膠制品,然而按標準工藝生產的橡膠制品均存在耐磨性、耐油等方面的不足，人們通過采用各種化學粘結、等離子噴涂、離子注入等方法,對橡膠進行處理,皆因過程復雜、設備昂貴、性能不理想, 而得不到廣泛應用；即使是二氟化氙(XeF2)表面氟化的表面處理也因需要特殊設備而無法進入尋常生產廠而同樣得不到廣泛的應用。 
　　因此操作簡單，處理效果好的表面處理是工業界急需要找尋的工藝方法。氟碳表面改性涂層材料賦予普通橡膠的表面耐磨、防粘、耐腐等特性來解決這類問題。  
　　一、 普通橡膠普遍存在的問題：  
　　1、耐油問題：橡膠制品在使用過程如果和油類介質長期接觸,油類能滲透到橡膠內部使其產生溶脹,致使橡膠的強度和其他力學性能降低。油類能使橡膠發生溶脹,是因為油類滲入橡膠后,產生了分子相互擴散,使硫化膠的網狀結構發生變化。橡膠的耐油性,取決于橡膠和油類的極性,橡膠分子中含有極性基團,如氰基、酯基、羥基、氯原子等,會使橡膠表現出極性。極性大的橡膠和非極性的石油系油類接觸時,兩者的極性相差較大,此時橡膠不易溶脹。如丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、丙烯酸酯橡膠、氯醇橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、氟橡膠、氟硅膠等對非極性的油類有良好的耐油性。近年來,世界各國都在大力開發綜合性能優良的耐油橡膠,主要是利用合成階段的改性、多元共聚,加工階段的不同橡膠共混、橡塑并用、添加有用的填充劑等方法來改善耐油橡膠的綜合性能,已取得了很大的成效。  
　　2、耐磨性問題橡膠的主要用途之一是用作活動密封件。由于旋轉軸的轉速較高,密封制品要承受很大的摩擦扭矩,尤其是在潤滑效果不良的情況下,密封區域的生熱較大,會導致膠料發粘或與金屬粘合性能提高,使密封件破壞,進而導致密封失效。降低摩擦區域溫度比較有效的方法之一是在橡膠中加入潤滑填料,以降低膠料的摩擦因數。如二硫化鉬及石墨加入橡膠生產配方中。另外，使用聚四氟乙烯（PTFE），聚四氟乙烯具有優良的耐介質和耐大氣老化性能,使用范圍廣,有良好的自潤滑性能,摩擦因數很小,將其包覆在橡膠表面可大大減小橡膠制品的表面摩擦因數,提高耐磨性能和耐介質性能。但是,聚四氟乙烯的表面能較低,很難與其它材料復合,目前研究的聚四氟乙烯包覆方法有如下幾種：輻照接枝法、等離子體活化法、化學腐蝕法、靜電噴涂法、媒介法。而經氟碳橡膠表面改性性處理的過的橡膠能達到比聚四氟乙烯更小的表面能。 

　　二、 一般橡膠表面化學改性的方法及應用局限性：表面改性可在不影響橡膠膠基材性能的性況下減小其表面的微觀結構、致密封性、耐磨性。表面改性的方法分為表面化學改性和物理包覆。表面化學改性方法有氟化、溴化、碘化和磺化,其中氟化的方法有：XeF2氟化，等離子體活化氟化及離子注入法。用二氟化氙晶體對橡膠制品進行表面氟化已實現了工業化應用；物理包覆方法主要有聚對亞苯基二甲基薄膜包覆、潤滑膜表面涂覆、聚四氟乙烯包覆和其它氟化物包覆。  
　　1、 各種表面化學改性性方法只是對橡膠表面進行改進，處理后表面改性層易磨損，使用時間有限；  
　　2、 各種改性方法只能做為表面處理劑，不能作為配方綜合的提高橡膠綜合性能。 
　　3、 表面改性 理想的氟化需要有專門的設備，適合批量生產，操作相對復雜；  
　　4、 表面改性提高性能有限，對橡膠的表面改性提高程度不一致。  
　　5、 不能形成純氟碳結構的改性層，耐磨、防粘、防腐蝕的效果不一致。目前我們所認識到的表面化學改性技術，只是簡單的改性而已，改變的橡膠性能的持久性有限。 眾所周知，聚四氟乙烯具有優良的耐介質和耐大氣老化性能，使用范圍廣，有良好的自潤滑性能，摩擦數很小，將其包覆在橡膠表面可大大減小橡膠制品的表面摩擦因數，提高耐磨性能和耐介質性能。但聚四氟乙烯的表面能較低，很難與其他材料復合。氟塑料在表面處理中的運用 突出的是聚四氟乙烯，因其具有很高的化學惰性，可以抵抗諸如燃料、油料和潤滑劑等任何工業液體侵蝕的穩定性以及足夠高的熱穩定性。然而，純粹考慮使用氟塑料聚四氟乙烯作耐磨材料的相當少，因為它具有冷態流動性。磨損穩定性很低。經氟碳表面涂層材料處理過的橡膠完全可以達到聚四氟乙烯相近的效果。氟碳表面改性涂層，除了具有一般含氟表面活性材料的“三高兩憎”(高表面活性、高耐熱穩定性、高化學惰性、憎水性和憎油性)特點外，還體現出其低表面能、無固體顆粒、自修復、提高橡膠表面顯微硬度的作用。氟碳表面改性涂層材料具有極高的表面活性、熱穩定性、化學穩定性和憎油、憎水特性，加上不含任何固體物質，不改變機械的公差，是該產品能應用于空間軌道站的潤滑和密封系統的 主要原因。 

　　三、 氟特加氟碳涂層的特點 
　　1. 氟碳表面改性涂層材料的基本特性：簡化配比和建立磨損穩定性更高的全氟碳涂層。氟碳橡膠表面涂層材料是的核心物質是純氟碳，其獨特性質直接與氟碳鏈相關，更進一步講是取決于氟元素的獨特性質。  
A. 熱穩定性高。進行表面處理后，能在－200℃至450℃條件下不發生分解，瞬時耐溫可達700℃；  
B. 化學穩定性好?？稍谒?、堿、強氧化介質等特殊應用體系中穩定有效地發揮其表面活性作用，不會與體系發生反應或分解；  
C. 相容性好。高的化學穩定性就意味著高的化學惰性，氟碳涂層材料能與其它各類活性劑很好地相容，并可應用于幾乎所有配方體系。在飽和橡膠CK-32及EPDM中加入氟碳橡膠改性劑K-95，可降低橡膠的磨耗，并能改善橡膠與金屬潤滑性，還能提高橡膠的強度及硬度。 

　　2. 氟碳表面改性涂層材料形成的橡膠氟碳分子膜的特點：涂層材料按標準工藝涂敷到橡膠表面后，除了在橡膠表面定向分子膜，還能深入到橡膠內部，形成極端牢固性的屏蔽層。亦即氟碳涂層。  
A. 降低橡膠表面的粘附性、提高耐壓性－－主要原因是氟碳活性分子在橡膠表面形成的分隔膜(氟碳涂層)，顯著提高了表面耐磨性和抗粘著性。  
B. 降低橡膠接觸表面的摩擦系數－－主要原因一是氟碳表面活性分子形成的分隔膜(氟碳涂層)的表面能極低(為2～4亳牛／米)；  
C. 提高橡膠(其中包括聚合物、橡膠等等)表面的致密性－－明顯降低材料的老化速度。  
D. 增強橡膠抗腐蝕性，提高橡膠耐介質性能－－抑制潤滑油或其他介質作用于物體時的催化活性，以延緩由此導致的分解和聚合過程。  
E. 明顯改善橡膠表面耐高溫、低溫性能，強化摩擦及緩合摩擦條件磨耗明顯降低－－為防止氟橡膠密封圈在200℃高溫下表面撕裂及轉移燒結，氟碳橡膠處理劑能作為配方加入到傳統氟橡膠膠料中，其用量是0.5質量份，這樣就能在強化摩擦及緩和摩擦條件下的磨耗明顯降低，不僅使橡膠的物理機械性能保持不變，而且還可提高強度及硬度。  
F. 能作用于任何橡膠及聚合物－－經氟碳橡膠處理過的聚四氟乙烯，表面能比不處理還要低，無法再粘附任何其他涂層材料。  
G. 經氟碳涂層處理的過的橡膠能耐輻射。 氟碳有機改性劑作為橡膠配方，有極強的研究前景及應用范圍，從表面改性發展為基體橡膠材料的改性，為研究耐油、耐磨性能更強的研究提供了有力的保證。 

　　四、 氟碳橡膠涂層材料作用橡膠、塑料制品功效： 經過氟特加氟碳涂層材料處理過的工業橡膠制品(密封墊)的工作壽命可增加到6～1O倍。罩碗式等密封件可獲得較高的穩定性。因為經過氟特加氟碳涂層材料處理后，使橡膠制品由不穩定變成有限穩定，而有限穩定在許多情況下都會變成化學穩定。在這種情況下，由于形成了堅固的表面膜，降低了周圍環境的影響，使其：  
1. 耐磨性提高到1O倍；  
2. 抗老化性能提高到3倍；  
3. 經過處理的塑料制品(特別是原子能反應堆、航天航空器上的聚四氟乙烯塑料)，可明顯提高耐摩擦、耐油、耐老化性(視情況有所不同)；  
4. 工業橡膠制品一金屬，工業橡膠制品一聚合物，工業橡膠制品一陶瓷和工業橡膠制品工業橡膠制品偶件中的摩擦系數明顯降低。 

　　五、 實際應用： 

1． 在江蘇某傳動控制技術有限公司解決了仿進口航空油管接頭橡膠不耐磨，原采用橡膠O形圈噴涂特氟龍處理，但特氟龍易脫落，采用氟碳涂層后，試用一個星期沒有出現卡死現象。機械運轉良好。(見氟碳技術案例)  
2． 在脈動式液壓缸試驗結果如下:  
1) 用含氟碳有機溶劑處理過的密封圈與用普通工藝制成密封圈相比較,其耐磨性能提高15-20倍.  
2) 用含氟碳有機溶劑處理過的密封圈具有良好的氣密性而能保障脈動器的變更周期更可靠地運轉.  
3) 如果不進行氟碳有機溶劑處理,工作時間為19-20小時；用浸沒方法進行普通涂層，在溶液中浸泡5分鐘，在60°溫度下烘60分鐘，工作時間為47-54小時，延長工作時間2.5倍；用煮沸法處理過的密封圈能工作超過300-380小時，延長工作時間17倍； 

　　氟碳橡膠表面改性涂層材料對橡膠的處理工藝是極其簡單的，他即可以作為一個表面改性劑對橡膠表面進行處理，并保留橡膠基體材料原有性能，又給予橡膠表面新的特性；又可以作為橡膠生產過程中的原料配方對橡膠進行基體材料方面的改變，綜合性的提高橡膠耐磨、防粘、防耐腐、降低摩擦系數等性能。對橡膠研究有著特殊的意義。