王旭東 王衛(wèi)東 薛冠洲

摘 要：針對O形圈在工業(yè)應用中遇到的問題和挑戰(zhàn)，結(jié)合PTFE的獨特性質(zhì)，設計開發(fā)了PTFE涂層的O形圈新產(chǎn)品，并對產(chǎn)品進行關(guān)鍵技術(shù)指標的測試，討論了該類產(chǎn)品在汽車制造、電子和半導體工業(yè)的應用，最后得出結(jié)論該新產(chǎn)品技術(shù)先進，市場應用前景廣泛。

關(guān)鍵詞：O形圈；橡膠密封件；PTFE涂層

中圖分類號：TG156 文獻標志碼：A 文章編號：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)的實心橡膠密封圈。當在配合表面之間受壓時，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)汽車制動器的同時完善了O形圈，并于1937年獲得了改進的O形密封圈美國專利US2180795。在20世紀40年代早期，O形密封圈成為空軍液壓系統(tǒng)的標準密封件，在20世紀50年代，O形圈開始廣泛應用到工業(yè)液壓、農(nóng)機設備、汽車密封、管道密封、電器設備、泵、閥門等多種設備中。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備或裝置。

1 O形圈應用遇到的挑戰(zhàn)

O形圈以其經(jīng)濟性、方便性和實用性大工業(yè)領域大量的使用，領域應用越廣泛遇到的挑戰(zhàn)和機遇就越大，下面我們列出了當今O形圈應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，由于密封圈的尺寸、材質(zhì)、硬度等不同會造成不容易安裝的問題，通常采用專用工具輔助安裝，涂潤滑油潤滑脂等來減小安裝阻力。有些工況不允許使用潤滑油脂，例如：嚴格的潔凈度工況、純氧氣介質(zhì)、防止污染工況等。

1.2 特殊工況

O形密封圈應用領域廣泛，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，無法廣泛應用到低成本的工況場合。

1.3 產(chǎn)品易混淆

在工業(yè)制造中有時會遇到相同顏色、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)品安裝錯誤，從而導致零件或產(chǎn)品的質(zhì)量問題。

1.4 自動化進料

大型工業(yè)制造生產(chǎn)線，采用自動進料系統(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 快速自動脫模

當今在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亟待解決的問題。

下面我們首先對PTFE材質(zhì)的特性進行介紹和研究。

2 PTFE材料簡介

聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，簡寫為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驗中發(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、有機溶劑、耐候性、高導熱性、高機械強度、疏水性、低摩擦力。

2.1 耐化學性

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

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)。并且在負載變化時摩擦系數(shù)會隨之變化，PTFE的摩擦系數(shù)在一般在0.05至0.08之間，因此常常被應用在對摩擦系數(shù)要求高的機械零部件上，在降低摩擦系數(shù)和增加耐磨性的同時，也可以起到自潤滑作用。

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，例如藍色，紫色、紅色，綠色，銀色以及黑色等。

3 PTFE涂層密封圈設計及測試

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

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)過上百次的測試與驗證，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涂層工藝簡單，制造方便，適合所有的橡膠材料，產(chǎn)品的PTFE涂層在自動喂料中不會形成污染，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

密封圈表面摩擦力明顯減少；

安裝或裝配時不會損壞密封件；

裝配流程更快，更經(jīng)濟；

降低密封圈的透氣性；

降低密封件在自動送料過程中的粘連；

無污染或少污染；

降低產(chǎn)品混淆的風險；

伸長率超過150%；

適用于所有標準彈性體密封材料；

有多種顏色可供選擇；

3.3 產(chǎn)品測試

3.3.1 涂層厚度

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

測量涂層厚度，PTFE涂層檢測產(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)，方便顯微鏡進行精確的厚度測量。如圖1所示，采用1000x放大率觀察和測量微米級涂層的厚度。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，無論是自動喂料系統(tǒng)還是手動安裝都獲益匪淺。同時，自潤滑特性有效的解決了超凈環(huán)境，物污染工況，限制潤滑油脂使用場合的O形圈密封。

3.3.3 油浸和熱老化試驗

PTFE涂層必須能夠承受特定環(huán)境和嚴苛的工況條件，以滿足客戶對產(chǎn)品應用的需求。因此，我們對PTFE涂層產(chǎn)品的耐熱性和耐化學介質(zhì)性進行了測試，通過模擬實際工況中產(chǎn)品的使用環(huán)境，我們對新研制的PTFE涂層O形密封圈產(chǎn)品進行測試，圖3分別對PTFE涂層的O形圈產(chǎn)品進行150℃和175℃油浸168小時后進行對比，測試結(jié)果顯示帶PTFE涂層的產(chǎn)品在耐化學性和熱穩(wěn)定性方面的巨大改進。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：對樣件拉伸至150%伸長10個循環(huán)，然后在顯微鏡下以500x放大率觀察樣件。測試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，進行PTFE涂層和無涂層的密封圈的組裝力測試，測試結(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形圈的應用市場有很多潔凈度等級要求很高的場合，如：半導體、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滑技術(shù)替代傳統(tǒng)的潤滑油脂的污染，用戶擔心外部因素導致的涂層脫落，這些固體顆粒會造成潔凈空間的環(huán)境污染，我們特別對PTFE涂層的產(chǎn)品在模擬裝配測試后進行清潔度測試，測試結(jié)果如圖6所示，測試樣件的清潔度可以達到ISO 16232中的G6等級。

4 行業(yè)應用

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)品應用到上述領域后，減少產(chǎn)品組件安裝力。PTFE干式潤滑替代潤滑油酯，減少了潤滑油脂對組件的污染。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產(chǎn)品進行識別，從而排除混淆的風險。在自動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)品應用到汽車工業(yè)中，產(chǎn)品成本沒有增加，同時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)

半導體和電子工業(yè)中對密封產(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、芯片封裝和制造領域推廣使用，自動喂料系統(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)品大大促進了半導體及電子工業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的工藝自動化，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)品會在更多的領域得到應用和推廣，市場前景非常值得期待。

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