王旭東 王衛(wèi)東 薛冠洲

摘 要：針對(duì)O形圈在工業(yè)應(yīng)用中遇到的問題和挑戰(zhàn)，結(jié)合PTFE的獨(dú)特性質(zhì)，設(shè)計(jì)開發(fā)了PTFE涂層的O形圈新產(chǎn)品，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，討論了該類產(chǎn)品在汽車制造、電子和半導(dǎo)體工業(yè)的應(yīng)用，最后得出結(jié)論該新產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣泛。

關(guān)鍵詞：O形圈；橡膠密封件；PTFE涂層

中圖分類號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）20-0157-03

Abstract： In view of the problems and challenges encountered in the industrial application of O-ring， combined with the unique properties of PTFE， a new product of O-ring with PTFE coating is designed and developed， and the key technical indexes of the product are tested. The applications of this kind of products in automobile manufacturing， electronics and semiconductor industries are discussed. Finally， it is concluded that the new product has advanced technology and wide market application prospect.

Keywords： O-ring； rubber seal； PTFE coating

引言

O形密封圈（英文O-Rings）是一種形狀為圓形或圓環(huán)的實(shí)心橡膠密封圈。當(dāng)在配合表面之間受壓時(shí)，O形密封圈阻擋介質(zhì)的泄漏和溢出。O形密封圈歷史上的第一個(gè)專利是在1896年5月12日由J. O. Lundberg獲得的瑞典發(fā)明專利。后來，美國工程師Nielsen Christensen在開發(fā)汽車制動(dòng)器的同時(shí)完善了O形圈，并于1937年獲得了改進(jìn)的O形密封圈美國專利US2180795。在20世紀(jì)40年代早期，O形密封圈成為空軍液壓系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)密封件，在20世紀(jì)50年代，O形圈開始廣泛應(yīng)用到工業(yè)液壓、農(nóng)機(jī)設(shè)備、汽車密封、管道密封、電器設(shè)備、泵、閥門等多種設(shè)備中。今天，數(shù)十億的O形圈正在密封世界各地空中、陸地、海洋及外太空的每種的每一種設(shè)備或裝置。

1 O形圈應(yīng)用遇到的挑戰(zhàn)

O形圈以其經(jīng)濟(jì)性、方便性和實(shí)用性大工業(yè)領(lǐng)域大量的使用，領(lǐng)域應(yīng)用越廣泛遇到的挑戰(zhàn)和機(jī)遇就越大，下面我們列出了當(dāng)今O形圈應(yīng)用遇到的一些問題和挑戰(zhàn)。

1.1 安裝困難，阻力大

O形密封圈在安裝到溝槽、端面、接頭等安裝位置時(shí)，由于密封圈的尺寸、材質(zhì)、硬度等不同會(huì)造成不容易安裝的問題，通常采用專用工具輔助安裝，涂潤(rùn)滑油潤(rùn)滑脂等來減小安裝阻力。有些工況不允許使用潤(rùn)滑油脂，例如：嚴(yán)格的潔凈度工況、純氧氣介質(zhì)、防止污染工況等。

1.2 特殊工況

O形密封圈應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，保證介質(zhì)的密封性，O形密封圈的耐介質(zhì)是非常重要的，全氟橡膠、高氟橡膠、全氟醚橡膠等材質(zhì)具有非常好的介質(zhì)兼容性，但是這些產(chǎn)品的成本非常高，無法廣泛應(yīng)用到低成本的工況場(chǎng)合。

1.3 產(chǎn)品易混淆

在工業(yè)制造中有時(shí)會(huì)遇到相同顏色、相同尺寸規(guī)格而材質(zhì)不同的O形圈在同一工位，容易造成產(chǎn)品安裝錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致零件或產(chǎn)品的質(zhì)量問題。

1.4 自動(dòng)化進(jìn)料

大型工業(yè)制造生產(chǎn)線，采用自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)來輸送密封圈產(chǎn)品，橡膠密封圈表面摩擦力大造成自動(dòng)喂料困難，有些材質(zhì)的密封圈還容易造成粘連等問題。

1.5 快速自動(dòng)脫模

當(dāng)今在O形圈的制造過程中很多采用模鑄成型工藝，在O形圈硫化完成后密封圈的快速脫模也是制造工藝中一個(gè)亟待解決的問題。

下面我們首先對(duì)PTFE材質(zhì)的特性進(jìn)行介紹和研究。

2 PTFE材料簡(jiǎn)介

聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，簡(jiǎn)寫為PTFE）是一種含氟聚合物的高分子化合物，屬于熱塑性材料。它是由羅伊·普朗克特（英文：Roy J. Plunkett）博士在杜邦工業(yè)中研究氟利昂的替代實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，它的商業(yè)名稱為特氟龍（Teflon）。聚四氟乙烯具有非常好的耐酸堿、有機(jī)溶劑、耐候性、高導(dǎo)熱性、高機(jī)械強(qiáng)度、疏水性、低摩擦力。

2.1 耐化學(xué)性

PTFE材料的獨(dú)特性質(zhì)是化學(xué)惰性。碳-氟原子的強(qiáng)鍵合和高分子量是其化學(xué)惰性的主要原因。PTFE不受常規(guī)化學(xué)試劑如氫氟酸，鹽酸和氯磺酸的影響。即使在溫度327°C以上，PTFE也不溶于有機(jī)溶劑，如碳?xì)浠衔?，氯化烴，酯和苯酚。采用PTFE涂層的幾乎不受任何化學(xué)介質(zhì)的侵蝕，可以保護(hù)橡膠密封圈免于遭受任何種類的化學(xué)腐蝕。

2.2 低摩擦性

純凈的PTFE涂層具有極佳的耐摩擦性能和極低的摩擦系數(shù)。并且在負(fù)載變化時(shí)摩擦系數(shù)會(huì)隨之變化，PTFE的摩擦系數(shù)在一般在0.05至0.08之間，因此常常被應(yīng)用在對(duì)摩擦系數(shù)要求高的機(jī)械零部件上，在降低摩擦系數(shù)和增加耐磨性的同時(shí)，也可以起到自潤(rùn)滑作用。

2.3 外觀色澤

PTFE涂層外觀色澤鮮艷，光亮度高，具有豐富的顏色范圍選擇，例如藍(lán)色，紫色、紅色，綠色，銀色以及黑色等。

3 PTFE涂層密封圈設(shè)計(jì)及測(cè)試

為了解決上述O形圈應(yīng)用的問題，我們研究開發(fā)了一種PTFE涂層的密封圈，專該產(chǎn)品的公布的專利號(hào)為ZL201821518920。下面是我們對(duì)該產(chǎn)品的具體研究和特點(diǎn)分析。

3.1 PTFE涂層密封圈研究

通過第2節(jié)PTFE材料特性的分析，在模鑄O形圈的制造過程中調(diào)整脫模的工藝過程，在模具內(nèi)均勻噴涂PTFE脫模劑，O形圈產(chǎn)品在型腔內(nèi)經(jīng)過硫化、高溫固化等工藝后，PTFE涂層固化在彈性密封體表面形成一層干式薄膜。我們的研究人員經(jīng)過上百次的測(cè)試與驗(yàn)證，分析得出PTFE涂層的厚度在25-40μm范圍內(nèi)，既可以保證PTFE涂敷層在O形圈表面固化穩(wěn)定不易脫落，又可以保證O形圈制造過程中的快速、容易、完整的脫模。

PTFE涂層工藝簡(jiǎn)單，制造方便，適合所有的橡膠材料，產(chǎn)品的PTFE涂層在自動(dòng)喂料中不會(huì)形成污染，涂層可以通過添加不同顏色的添加劑形成不同顏色涂層。

3.2 PTFE涂層產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)

密封圈表面摩擦力明顯減少；

安裝或裝配時(shí)不會(huì)損壞密封件；

裝配流程更快，更經(jīng)濟(jì)；

降低密封圈的透氣性；

降低密封件在自動(dòng)送料過程中的粘連；

無污染或少污染；

降低產(chǎn)品混淆的風(fēng)險(xiǎn)；

伸長(zhǎng)率超過150%；

適用于所有標(biāo)準(zhǔn)彈性體密封材料；

有多種顏色可供選擇；

3.3 產(chǎn)品測(cè)試

3.3.1 涂層厚度

高分辨率電子顯微鏡，可以對(duì)密封件的性能進(jìn)行最準(zhǔn)確的分析。使我們能夠檢查涂覆工藝后的產(chǎn)品表面細(xì)節(jié)。包括測(cè)量涂層厚度，表面粗糙度或其它更多顯微鏡組織檢查，為我們提供PTFE涂層密封件表面實(shí)際視圖。

測(cè)量涂層厚度，PTFE涂層檢測(cè)產(chǎn)品的橫截面必須經(jīng)過特殊處理，以保持原始涂層的狀態(tài)，方便顯微鏡進(jìn)行精確的厚度測(cè)量。如圖1所示，采用1000x放大率觀察和測(cè)量微米級(jí)涂層的厚度。涂層厚度平均分布在5微米左右。

3.3.2 摩擦系數(shù)

PTFE的自潤(rùn)滑性改變密封產(chǎn)品表面粗糙度并有效降低粘附摩擦力。使用PTFE的涂層O形圈密封件，無論是哪種材質(zhì)的橡膠材料，靜摩擦系數(shù)都可以下降70%以上，不同材質(zhì)原始材料和PTFE涂層后的靜摩擦系數(shù)對(duì)比如圖2所示。

PTFE涂層O形圈的靜摩擦系數(shù)為0.06-0.10，其優(yōu)秀的低摩擦和自潤(rùn)滑特性使得產(chǎn)品在安裝中非常的方便，大大降低了產(chǎn)品在安裝中的失效故障，如：扭曲、粘合和撕裂等問題。易于安裝的特性大大的提高了生產(chǎn)效率，無論是自動(dòng)喂料系統(tǒng)還是手動(dòng)安裝都獲益匪淺。同時(shí)，自潤(rùn)滑特性有效的解決了超凈環(huán)境，物污染工況，限制潤(rùn)滑油脂使用場(chǎng)合的O形圈密封。

3.3.3 油浸和熱老化試驗(yàn)

PTFE涂層必須能夠承受特定環(huán)境和嚴(yán)苛的工況條件，以滿足客戶對(duì)產(chǎn)品應(yīng)用的需求。因此，我們對(duì)PTFE涂層產(chǎn)品的耐熱性和耐化學(xué)介質(zhì)性進(jìn)行了測(cè)試，通過模擬實(shí)際工況中產(chǎn)品的使用環(huán)境，我們對(duì)新研制的PTFE涂層O形密封圈產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，圖3分別對(duì)PTFE涂層的O形圈產(chǎn)品進(jìn)行150℃和175℃油浸168小時(shí)后進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果顯示帶PTFE涂層的產(chǎn)品在耐化學(xué)性和熱穩(wěn)定性方面的巨大改進(jìn)。PTFE涂層產(chǎn)品的涂層沒有觀察到顏色變化、涂層脫落和破壞等現(xiàn)象，產(chǎn)品的耐熱性、穩(wěn)定性有很大的提高。

3.3.4 裝配測(cè)試

PTFE涂層產(chǎn)品的組裝期間涂層狀態(tài)的穩(wěn)定性非常重要，涂層與O形圈密封件表面具有良好的粘附性，在安裝拉伸力作用下沒有涂層開裂或剝落現(xiàn)象。模擬汽車空調(diào)系統(tǒng)裝配試驗(yàn)：對(duì)樣件拉伸至150%伸長(zhǎng)10個(gè)循環(huán)，然后在顯微鏡下以500x放大率觀察樣件。測(cè)試PTFE涂層O形圈樣件沒有觀察到裂縫或損壞，如圖4所示。

根據(jù)O形圈的材質(zhì)不同，進(jìn)行PTFE涂層和無涂層的密封圈的組裝力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果圖5所示，PTFE涂層的O形圈安裝所需的壓力降低了50%以上。

3.3.5 潔凈度

PTFE涂層O形圈的應(yīng)用市場(chǎng)有很多潔凈度等級(jí)要求很高的場(chǎng)合，如：半導(dǎo)體、電子工業(yè)、汽車制造和生物醫(yī)療等。PTFE涂層密封圈利用干式自潤(rùn)滑技術(shù)替代傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油脂的污染，用戶擔(dān)心外部因素導(dǎo)致的涂層脫落，這些固體顆粒會(huì)造成潔凈空間的環(huán)境污染，我們特別對(duì)PTFE涂層的產(chǎn)品在模擬裝配測(cè)試后進(jìn)行清潔度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，測(cè)試樣件的清潔度可以達(dá)到ISO 16232中的G6等級(jí)。

4 行業(yè)應(yīng)用

4.1 汽車工業(yè)

汽車工業(yè)有非常多的部件用到O形圈密封，如：汽車空調(diào)管線，機(jī)油尺密封，燃油系統(tǒng)快速接頭的密封，電氣連接傳感器的密封。PTFE涂層的O形圈產(chǎn)品應(yīng)用到上述領(lǐng)域后，減少產(chǎn)品組件安裝力。PTFE干式潤(rùn)滑替代潤(rùn)滑油酯，減少了潤(rùn)滑油脂對(duì)組件的污染。透明版和多種顏色涂層的產(chǎn)品方便用戶通過特定顏色對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行識(shí)別，從而排除混淆的風(fēng)險(xiǎn)。在自動(dòng)化裝配和多次裝配過程取得非常好的效果，幾乎所有的密封材質(zhì)均可以提供PTFE產(chǎn)品，方便用戶的選擇和使用。

PTFE涂層產(chǎn)品應(yīng)用到汽車工業(yè)中，產(chǎn)品成本沒有增加，同時(shí)制造過程中的安裝效率、產(chǎn)品故障率、次品率大大降低，用戶反饋非常積極。

4.2 電子工業(yè)

半導(dǎo)體和電子工業(yè)中對(duì)密封產(chǎn)品的清潔度、產(chǎn)品精度都有非常高的要求，PTFE涂層O形圈產(chǎn)品在電池、電容、芯片封裝和制造領(lǐng)域推廣使用，自動(dòng)喂料系統(tǒng)的密封件粘連問題得到解決，電容電池產(chǎn)品合蓋封口尺寸減小70%，更有利于產(chǎn)品的焊裝和封口工藝，安裝次品率和廢品率由原來的10%降低到1%，封裝成品的可靠性由原來的95%上升至99%。

PTFE涂層O形圈產(chǎn)品大大促進(jìn)了半導(dǎo)體及電子工業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的工藝自動(dòng)化，通過產(chǎn)品合格率的提升有效的降低了產(chǎn)品的制造成本，極大的提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

PTFE涂層O形圈的這種專利技術(shù)產(chǎn)品，通過將高分子材料和技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品，不但解決了O形圈產(chǎn)品工藝中的快速脫模問題，還極大的改善了O形圈產(chǎn)品在應(yīng)用中遇到的多方面挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的成熟和完善，PTFE涂層O形圈產(chǎn)品會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，市場(chǎng)前景非常值得期待。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳士朋.O形橡膠密封圈靜動(dòng)態(tài)特性研究[D].東北石油大學(xué)，

2016.

[2]顧東升.涂橋安，孫見君，等.丁腈橡膠O形圈密封性能試驗(yàn)研究[J].潤(rùn)滑與密封，2015，40（08）：71-75.

[3]王旭東.一種PTFE涂層密封件[P].北京：ZL201821518920.2，201

8-09-14.

[4]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社：2007.

[5]ISO 16232-10-2007， Road vehicles -- Cleanliness of components of fluid circuits[S].