吳斌 張楠

（廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 廣東廣州 510700）

掘進(jìn)機(jī)是當(dāng)前最先進(jìn)的隧道施工裝備之一，代表了一個國家重大工程裝備的技術(shù)水平[1]。隨著國內(nèi)外各類基礎(chǔ)工程尤其是大直徑、長距離、大埋深隧道工程的持續(xù)增加，對掘進(jìn)機(jī)等先進(jìn)施工裝備的要求越來越高。而掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)良的密封件能夠有效防止外部介質(zhì)進(jìn)入，避免重大設(shè)備事故，是主驅(qū)動系統(tǒng)的直接安全保障[2]。大直徑、高承壓、長壽命主驅(qū)動密封件以聚氨酯彈性體為主，技術(shù)含量高，市場及技術(shù)長期被國外壟斷，有必要自主研發(fā)。

掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封件在使用過程中一端與潤滑脂接觸，另一端與設(shè)備外部環(huán)境接觸，接觸的物質(zhì)包括水基泥漿、巖石碎屑和礦物鹽水溶液等[3－4]。具體如圖1所示。常見的掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封件的破壞形式包括水解、磨損和酸堿腐蝕等，這也是掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封件材料開發(fā)的主要攻克方向。吳斌等[5]對不同軟段聚氨酯彈性體的耐水、耐油和耐酸特征進(jìn)行了對比，結(jié)果表明:以聚四氫呋喃二醇（PTMEG）為軟段合成的聚氨酯彈性體具有較好的耐水、耐油和耐酸性能，適用于掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封件的開發(fā)和應(yīng)用。

圖1 掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封件

本研究以PTMEG和4，4′-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）合成預(yù)聚體，并與擴(kuò)鏈劑 1，4-丁二醇（BDO）以不同擴(kuò)鏈系數(shù)（f值）反應(yīng)制備了3種澆注型聚氨酯彈性體（CPU）。研究了f值對CPU的物理機(jī)械性、耐熱老化性、耐酸性、耐潤滑脂性、摩擦磨損性和壓縮永久變形率的影響，為CPU在掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PTMEG（Mn＝1 000），工業(yè)級，德國巴斯夫公司；4，4′-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），工業(yè)級，德國巴斯夫公司；1，4-丁二醇（BDO），工業(yè)級，三井化學(xué)株式會社；稀鹽酸（pH值為3），自制；460WT型潤滑脂，?？松梨诠?。

1.2 CPU材料制備

將1 000 g PTMEG于110℃下真空脫水2.5 h后加入到四口燒瓶中，隨后加入750.8 g 60℃熔融的MDI，充入N2保護(hù)，控制溫度在（70±2）℃反應(yīng)2 h后得到預(yù)聚體，理論NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.27%，滴定法實(shí)測值為9.17%。根據(jù)設(shè)定的f值稱取BDO擴(kuò)鏈劑，并快速澆注于105℃模具中，反應(yīng)45 min后取出并于110℃烘箱中后處理24 h。

1.3 性能測試

邵A硬度按照GB/T 531.1—2008測試；拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率按照GB/T 528—2009測試；回彈性按照GB/T 1681—2009測試；撕裂強(qiáng)度按照GB/T 529—2008測試；阿克隆磨耗按照GB/T 1689—2014測試，以標(biāo)準(zhǔn)條件下1.61 km累計(jì)摩擦長度的材料磨耗體積值表示；摩擦系數(shù)按照GB/T 3960—2016測試；壓縮永久變形率按照GB/T 1683—2018測試；耐熱老化性能按照GB/T 3512—2014測試；耐介質(zhì)性能按照GB/T 1690—2010測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)鏈系數(shù)對CPU物理機(jī)械性能的影響

掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封件使用工況惡劣，CPU材料物理機(jī)械性能的差異不僅會影響產(chǎn)品的使用壽命，也是評價制品質(zhì)量的重要指標(biāo)。以不同f值合成的3種CPU材料物理機(jī)械性能如表1所示。

表1 不同擴(kuò)鏈系數(shù)CPU的物理機(jī)械性能

由表1可以看出，在0.93～0.97范圍，隨著f值增加，CPU的硬度和回彈性基本不變，拉伸強(qiáng)度逐漸下降，斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)度先增加后下降。f值對CPU的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)度有明顯的影響，f值為0.93時，拉伸強(qiáng)度最高；f值為0.95時，斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)度最高。f值越低，則NCO基過量越多，在高溫反應(yīng)更易形成脲基甲酸酯基，CPU的化學(xué)交聯(lián)度越高。但較低的f值不利于CPU分子量的增長，較高的交聯(lián)度也會限制分子鏈的活動，對軟硬段微相分離的產(chǎn)生和氫鍵的形成不利[6]。

2.2 擴(kuò)鏈系數(shù)對CPU耐熱老化性能的影響

掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封件的工作溫度可達(dá)60℃左右，CPU密封材料的耐熱老化能力對產(chǎn)品的使用壽命有一定的影響。同時，耐熱老化能力越強(qiáng)，密封件的儲存壽命也相對越長。為表征CPU的耐熱老化能力，通常采用升高老化溫度來縮減老化時間的方式驗(yàn)證，以不同f值合成的3種CPU材料耐120℃熱老化21 d的性能如表2所示。

表2 不同擴(kuò)鏈系數(shù)CPU的耐熱老化性能

由表2可以看出，f值為0.93時，CPU材料的耐熱老化性能最好。CPU的軟段和硬段都會受到熱空氣老化的影響，一般認(rèn)為聚醚的耐熱老化能力較差，不如聚酯軟段[7]。由表2可以看出，在軟段均為PTMEG的情況下，f值變化引起的交聯(lián)度變化對CPU材料的耐熱老化性能有較大的影響，當(dāng)f值為0.93時，CPU材料具有較好的耐熱老化性能。

2.3 擴(kuò)鏈系數(shù)對CPU耐潤滑脂老化性能的影響

潤滑脂是掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封工作過程中接觸的主要介質(zhì)。美孚460WT鋰基潤滑脂是以十六或十八個碳的醇和羧酸為基礎(chǔ)合成的酯，添加抗氧劑等極性助劑而成，潤滑脂本身的極性較弱，但潤滑脂中的極性添加劑會對CPU的溶脹和老化造成影響。CPU密封材料對潤滑脂的耐受性是決定產(chǎn)品使用壽命的關(guān)鍵。3種CPU材料的耐潤滑脂性能如表3所示。

表3 不同擴(kuò)鏈系數(shù)CPU的耐潤滑脂老化性能

由表3可以看出，f值為0.97時，CPU材料的硬度變化最低；f值為0.95時，體積變化率和質(zhì)量變化率最低；f值為0.93時，拉伸強(qiáng)度變化率和伸長率變化率最低。CPU的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率對掘進(jìn)機(jī)密封件使用壽命有較大的影響，以拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率為主要參考指標(biāo)，f值為0.93時，CPU的耐潤滑脂綜合性能較好。

2.4 擴(kuò)鏈系數(shù)對CPU耐稀酸老化性能的影響

水及可溶礦物質(zhì)水溶液是掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封件工作過程中接觸的另一種主要介質(zhì)，礦物質(zhì)溶解于水中表現(xiàn)出一定的酸堿特性，CPU材料的耐酸老化能力一定程度反應(yīng)出材料對工況介質(zhì)的適配性。以不同f值合成的3種CPU材料在70℃的稀鹽酸溶液（pH＝3）中浸泡21 d的耐酸性能如表4所示。

表4 不同擴(kuò)鏈系數(shù)CPU的耐酸老化性能

由表4可以看出，在0.93～0.97范圍內(nèi)隨著f值的增加，硬度變化逐漸降低，斷裂伸長率變化率逐漸增加，體積和質(zhì)量變化率相近。當(dāng)f值為0.97時，硬度變化最?。划?dāng)f值為0.93時，拉伸強(qiáng)度變化率和斷裂伸長率變化率最低。CPU材料的酸腐蝕主要分2個過程，首先很少的酸溶液滲透進(jìn)材料內(nèi)部引起溶脹，其次是酸溶液對CPU材料中的醚鍵、氨基甲酸酯和脲基甲酸酯等基團(tuán)有緩慢的降解作用，致使分子鏈斷裂，材料拉伸強(qiáng)度下降。在體積變化率和質(zhì)量變化率一致的情況下，硬度下降越多，說明材料表面受侵蝕的可能性越大，材料內(nèi)部受侵蝕較小，酸液較難擴(kuò)散進(jìn)材料內(nèi)部，材料的耐酸性能越好。因此，f值為0.93時，CPU材料的耐酸性能較好。

2.5 擴(kuò)鏈系數(shù)對CPU摩擦磨損性能的影響

掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動密封件使用過程中除了氧化、潤滑脂和酸溶液的腐蝕以外，摩擦磨損也是密封件破壞的主要形式。以不同f值合成的3種CPU材料的摩擦磨損性能如表5所示。

表5 不同擴(kuò)鏈系數(shù)CPU的摩擦磨損性能

由表5可以看出，隨著f值的增加，CPU的阿克隆磨耗逐漸增加，摩擦系數(shù)先增加后降低。f值為0.93時，CPU的磨耗和摩擦系數(shù)最低。

2.6 擴(kuò)鏈系數(shù)對CPU壓縮永久變形率的影響

壓縮永久變形率是密封材料的核心技術(shù)指標(biāo)之一，壓縮永久變形率越低對密封越有利。3種CPU材料在70℃或100℃熱空氣中老化24 h的壓縮永久變形率如表6所示。

表6 不同擴(kuò)鏈系數(shù)CPU的壓縮永久變形率

由表6可以看出，在0.93～0.97范圍內(nèi)，隨著擴(kuò)鏈系數(shù)的增加，CPU的壓縮永久變形率先增加后降低，當(dāng)f值為0.93時，CPU材料的70℃×24 h和100℃×24 h的壓縮永久變形率均最低。這是因?yàn)檩^低的f值有利于分子鏈之間產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)，而化學(xué)交聯(lián)有利于降低材料壓縮永久變形率。

3 結(jié)論

（1）擴(kuò)鏈系數(shù)f值為0.95時，CPU的斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)度最高。

（2）f值為0.93時，CPU的拉伸強(qiáng)度最高，耐熱老化性能好，對美孚460WT潤滑脂和pH＝3的稀鹽酸耐受性較好，并且材料阿克隆磨耗、摩擦系數(shù)及壓縮永久變形率均最低。