一类环丁砜衍生物橡胶密封膨胀剂性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华东交通大学基础科学学院 作者:邱麟军

  为解决一些润滑油与橡胶密封材料相容性差或者使密封材料产生密封收缩而导致密封泄漏的问题,研究一类环丁砜衍生物橡胶密封膨胀添加剂。分别以异辛醇、正癸醇、十二醇为原料与环丁烯砜反应,制备3 种密封膨胀剂。根据ASTM D471,分别考察它们在Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类基础油中的橡胶密封膨胀相关性能。结果表明: 3 种橡胶密封膨胀剂加入基础油中,能有效改善橡胶密封件的密封收缩问题,改变润滑油与橡胶的相容性; 碳链长度较短的密封膨胀剂与橡胶的相容性较好,随着密封膨胀剂碳链长度的增加,其对橡胶相容性的影响逐渐减弱。

  近年来由于橡胶密封件与润滑油相容性差引起的油品渗漏,越来越受到重视。尤其是在欧美国家,对多种油品与橡胶密封件的相容性提出了要求,如对车辆齿轮油,在新的API,PG-1,PG2 规格中都加入橡胶密封材料相容性试验。欧洲ACEA 标准中对全部所有级别的发动机油提出了橡胶相容性的要求。因橡胶材料与润滑油相容性差而引起的汽车召回事件也屡屡上演,例如梅赛德斯- 奔驰由于转向助力液高压管路与助力泵的连接管松动,造成转向助力液渗漏,召回奔驰轿车共25 305 辆。国内同样有研究人员关注密封件泄漏问题,关子杰指出我国润滑油的浪费量是惊人的,在不断提高润滑油品质来减少油耗,提高润滑性能时却忽略了与密封件相容性差而引起的漏油问题。

  杨眉敏等对车用二甲醚橡胶密封件相容性做了测试研究。吴福丽等对多种润滑油与橡胶的相容性进行了一系列的评价。韩恒文等综述了各种规格自动传动液( ATF) 的橡胶相溶性评价的标准方法,介绍了各种ATF 橡胶相容性评价方法的测试方法、测试条件、橡胶种类、测试条件和评定参数,同时分析了各种标准方法评价ATF 油品的规格和相应的评定标准。

  虽然密封泄漏的问题引起了人们的关注,但是只是停留在对油品的相容性测试阶段,并未对油品改进做相关研究。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类基础油具有黏度指数高、低温性能好及极佳的热氧化性能等优点,却也存在着密封收缩的问题,尤其是PAO。为了解决橡胶密封件的相容性问题,国外采用密封膨胀剂添加于油品中以此解决因密封收缩而引起的泄漏问题。所谓密封膨胀剂是指使橡胶密封材料发生轻微膨胀,避免密封失效或密封收缩而漏油。

  专利US7727944,US20070087947,US7485734等都有密封膨胀剂的报道,其中US20070087947,US7485734 介绍了含有密封膨胀剂以及其他各种添加剂的润滑油全配方,并进行简单的评价,但并未对单独的密封膨胀剂性能做评价。US7727944 介绍了一种密封膨胀剂合成的方法,但此法略显复杂。而国内有关密封膨胀剂的相关研究甚少。本文作者采用环丁烯砜与醇类反应合成一类密封膨胀剂,依据ASTMD471测试合成的3 种添加剂分别在Ⅱ类基础油、Ⅲ类基础油与Ⅳ类基础油中的相关性能,来考察密封膨胀剂的密封膨胀性能。

1、实验部分

  1.1、密封膨胀剂的制备

  选取异辛醇、正癸醇和十二醇( 均为天津市光复精细化工研究所生产,分析纯试剂) ,分别与环丁烯砜( 工业级) 进行反应制得产物3 - 异辛氧基环丁砜( A) 、3 - 正癸氧基环丁砜( B) 、3 - 十二氧基环丁砜( C) 。反应方程式如图1 所示,反应温度为室温,碱性条件下反应,反应时间为4 ~ 6 h,反应结束后过滤、萃取、水洗、蒸馏最后得黄色透明液体产物。其中产物A 的密度为858 kg /m3,40 ℃运动黏度为25 mm2 /s。

图1 反应式

  1.2、红外光谱分析测定

  图2 示出了原料异辛醇与合成产物A 的红外光谱对比,可以看出,在1 500 ~ 1 700 cm- 1 生成了一个新的峰,此峰为醚类特征吸收峰,说明异辛醇的醇羟基和环丁砜发生反应形成了醚。而在3 000 ~ 3 5000 cm- 1的—OH 的伸缩振动明显减弱但还有少量原料存在。

产物A 与原料红外光谱对比

图2 产物A 与原料红外光谱对比

  1.3、相容性实验

  相容性实验的基础油分别选用Ⅱ类基础油60N、Ⅲ基础油150N 和Ⅳ类基础低黏度PAO。基础油的物性如表1 所示。在3 类基础油中分别加入3% 的密封膨胀剂,总共形成9 个实验组与3 个空白组,考察各组对橡胶相容性的影响。

  根据ASTM-D471 的标准方法,分别测定丙烯酸酯橡胶( ACM ) 、氟橡胶( FPM ) 、丁腈橡胶( NBR) 、硅橡胶( VMQ) 4 种橡胶在油中浸泡前后硬度的变化量ΔH,拉伸强度的变化ΔT ( %) ,扯断伸长率变化ΔE ( %) ,体积的变化量ΔV ( %) 。测试温度为150 ℃,浸泡时间为166 h。

基础油性能

表1 基础油性能

3、结论

  (1) 制备的3 种橡胶密封膨胀剂能改变橡胶与基础油的相容性,随着产物的碳链长度的增加对相容性的影响逐渐减弱。对于目前Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ基础油所引起的密封收缩问题,可以用此类密封膨胀剂有效解决。

  (2) 3 种橡胶密封膨胀剂对丁腈橡胶的适用性最强,对其体积影响显著,而其他方面影响较小。3 种橡胶密封膨胀剂对丙烯酸酯橡胶各方面的影响较大,需要谨慎考虑使用。

  (3) 制备的3 种橡胶密封膨胀剂亦可使已有磨损的密封件膨胀,使其对抗磨损的损失,特别适合于更换橡胶密封件不便的场合。

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