第5章　橡塑密封材料延寿

5.1　橡塑密封材料的发展现状和发展趋势

5.1.1　橡塑密封材料的发展内容

橡塑密封技术主要包括橡塑密封材料的研发技术和橡塑密封系统的结构设计技术。橡塑材料具有弹性模量小、高回弹性、低压缩永久变形、摩擦系数小、耐磨性好、耐介质等密封材料所需的优良性能，可以加工成成型密封件或液态密封胶，橡塑材料及其复合材料被广泛应用于密封制品中。

随着科学技术的飞速发展，人类对更高层次生活品质的不懈追求，机械工程技术向着绿色、智能、超常、融合、服务的方向发展，机械装备不断向极端环境和恶劣条件的应用场所发展，如空天探索、极地科考、海洋及沙漠风电场建设、深井钻探与深海作业、核能利用等。机械工程技术的发展，提出了在复杂介质、超高低温及超宽温域、高速、高压、高频等密封工况下长寿命、高可靠性的要求，促进了橡塑密封材料及其制品相关技术的快速发展。

5.1.2　国内外橡塑密封材料的发展现状

（1）密封材料研发。国外先进的密封件企业掌握着高新密封材料的合成、配合及改性技术。目前只有美国、欧洲、日本等少数国家掌握成熟的全氟醚橡胶的合成技术，应用于航天、航空、石油、化工和原子能等领域；只有少数国外密封件企业具有耐超低温（-250℃）和高温（+120℃以上）的高性能聚氨酯弹性体材料技术。国外密封材料的研发技术逐步向安全、低毒、无异味、功能化、绿色化和低摩擦、长寿命方向发展。

从分子层面研究在不同操作工况、不同密封介质条件下，密封的低摩擦、高耐磨和低/零泄漏率之间的本质关系及协调性，研究材料的微组分、制造加工及表面处理工艺对配对摩擦副的密封性能影响，深层次开展密封材料设计，提出自主知识产权的绿色环保密封材料。

（2）密封结构设计。近年来，密封系统的结构设计随着在密封机理研究、润滑理论、摩擦学研究和密封新材料的应用等方面取得的进展而不断深入，在国外不断有新的密封结构出现，结构设计也从手工走向计算机辅助设计、从宏观走向微观、从单一走向集成、从被动密封走向主动控制，如Simrit推出的PNEUKOM密封结构，集成了密封、导向、减震、感应定位的多种功能；Simmerring产品，通过光电传感系统，可实现密封件温度和密封泄漏的实时监测，提高机器系统运行的可靠性和预防性。

对密封的失效本质进行跨尺度分析研究，以现代数值模拟仿真结合实验分析结果指导结构设计，实现密封的高稳定性、高可靠性、强的追随能力和优良的密封性。特别关注表面的织构化、表面微纳形貌化及其与端面变形之间的协同效应，对密封进行热、流、固耦合研究。

（3）生产设备及加工技术。橡塑密封件成型方法很多。国外多根据产品和使用的原材料特点，选择合适的成型工艺，设计专用生产线及辅助设备，实现自动、防错、环保、节能、高效、稳定的生产。如NOK自动油封生产线，具有优异的质量稳定性和高效率。

国外工业生产的绿色化越来越受到重视。为实现橡塑密封件的快速成型，提高生产效率和材料利用率，免二段硫化的ACM、硅橡胶、氟橡塑密封件胶料得到开发应用；无需混炼和硫化的热塑性弹性体粒料通过直接注射成型生产制品，废边及不合格品可以重复利用；为该善外脱模剂的环保问题，可对模具材料表面进行处理，采用超声波、玻璃珠、干冰等模具清洗方法。

（4）检测技术及可靠性验证技术。国外先进的密封件企业有先进的质量控制手段，这主要体现在具有先进的过程控制水平、质量检测技术及可靠性验证技术。先进的技术体现在先进的装备，如可实现自动检测控制的橡胶密炼设备；集生胶试验、混炼胶加工性能和流变性能评价以及硫化动态力学性能试验于一体的生产过程分析仪（PPA）；产品在线连续检测设备等。另外，模拟各种工况条件的密封检测试验台得到开发，用于评价密封件的可靠性和预测使用寿命，密封制品的标准制订也由强调胶料的物性指标要求转向专用台架的验证效果要求；利用有限元仿真技术，通过建立多场多尺度耦合的弹性流体动压模型，研究各种工作参数、密封结构参数和材料性能参数等对密封性能的影响，为密封系统设计定型提供定量的依据，提高密封系统的可靠性。

最新的发展是采用光学系统，如Freudenbeck等公司采用KMK公司开发的第三代新型光学系统，完全取代了人工检测，成功将密封件的质量检测完全集成到生产过程中，这种图像处理系统达到了极高的检测速度和检测精度，可检测密封件表面最微小的缺陷，如裂缝、气泡、杂质和滑移线等检测技术。

国内密封件企业也引进了测量油封唇口张力为主要依据的油封检测装置，以检测气压变化测量油封唇口密封性能的气敏检测仪（意大利），具有较高的检测速率，每小时可检测1200～1800个油封。

5.1.3　国内外橡塑密封材料的发展趋势

（1）密封材料研发。密封材料的良好性能是为机械装备持续提供可靠密封的前提条件。随着工业技术的迅速发展，机械装备的使用条件日益严酷，橡塑密封件的使用工况越来越苛刻，因而对橡塑密封材料的性能提出了更高的要求。

①高、低温范围。一般应用条件下油温在-40～160℃，高温油井可超过200℃，深井温度可达到260℃。在月球表面夜晚可能低至-180～-160℃，白天可能高至130～150℃，温差高达330℃，由此对密封材料的耐高、低温及适应超宽温域方面提出了高要求。

②高速化、高压化。液压泵转速目前已由3000r/min提高到14000r/min，甚至提出了80000r/min的要求；液压系统压力由31.5MPa提高到70MPa，甚至高于105MPa；深井压力可达到140MPa。高速化、高压化要求密封材料具有优异的耐压、抗挤出、低摩擦磨损的性能和抗压缩永久变形的能力。

③复杂介质环境。新型燃油、新型润滑油及各种对橡胶材料有极强侵蚀作用的添加剂在汽车发动机和液压系统中得到广泛应用；深井钻探的高硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）氛围及酸性环境，甲酸盐类钻井液的应用；冶金、化工和石油用多介质液压、气动元件；润滑性差的水介质（海水、淡水）开发应用等复杂的介质环境提高了密封材料的耐介质要求。

④高真空度。空间设备真空度已达1.33×10-7Pa，深层空间更高，可达10-10Pa。高真空度要求密封材料不但具有良好的抗压缩永久变形的能力，还要具有优异的抗气透性、抗气体膨胀性和真空失重小的特点，以避免特殊或突发情况下的突然爆破失效。

⑤高清洁度。在核能应用、半导体加工和化工制药等领域，橡塑密封材料的降解和老化、助剂的挥发或抽出等都可能造成不可估量的损失，这对密封材料的基体材料、硫化及配合体系的选取均有严格的要求。

⑥低恒定摩擦系数。液压传动与控制技术的发展趋势是对控制和定位精度的要求越来越高，因此要求密封系统具有低且恒定的摩擦系数，要求在低压和低速下实现平稳运行，在极短行程和高频率下有较长的使用寿命。

橡塑密封新材料的应用，推动了橡塑密封技术的快速发展。新型橡塑密封材料向具有低摩擦、低压缩永久变形、高耐磨、高强度、耐高低温、耐复杂介质、耐各种天候老化性能等方向发展，如全氟醚橡胶（FFKM）、新型聚四氟乙烯（PTFE）、聚氨酯弹性体（AU和EU）、聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）及超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、新型复合材料及涂层材料、新型功能助剂等。

（2）密封结构设计。密封结构设计技术随着在密封机理研究、润滑理论、摩擦学研究和密封新材料的应用等方面取得的进展而不断深入，新的密封结构层出不穷，如衍生的PTFE新结构（AQ封、PTFE-V形圈、泛塞封）、有测试密封泄漏量功能的新型油封、Evd密封系统等。现代的设计及加工技术进步，也使得在密封面和摩擦幅上的微观设计得以实现。在密封系统的结构设计技术中，计算机辅助设计（CAD）和有限元分析技术（FEA）已得到广泛应用，创新理论方法（TRIZ）的应用对技术创新能起到很好的启迪作用。总体来说，密封系统的结构设计技术呈现以下几方面的发展趋势：①极端尺寸；②组合化、集成化；③系统化、精细化；④智能化。

密封结构设计与密封材料性能密切相关。密封结构设计除随密封材料的发展而发展外，也有自身的发展要求，如新型无簧节能油封；可根据密封件的过盈磨损情况进行密封力自调整的智能密封件；可实现远程在线检测及寿命预测功能的智能密封系统；集成了密封、导向、减震、感应定位的多功能集成密封系统。

（3）加工、检测及可靠性技术。密封件设计加工、检测及可靠性验证技术正朝着自动化、信息化和高可靠性的方向发展。如通过模拟仿真设计技术可大大缩短产品开发周期和开发成本，提高可靠性设计能力；全自动控制的密炼设备可实现节能高效、清洁生产、品质稳定的目的；精密橡胶注射成型设备的应用可实现自动、精密制造，提高材料利用率、产品精度和质量稳定性；智能化密封性能综合检测系统可实现密封零部件密封性能的自动化在线检测；数控装备的应用使得模具设计和加工的数字化、精细化、自动化成为现实；各种专用密封试验台架的开发，加速了密封件材料和结构的设计开发速度，丰富了密封件可靠性评价及寿命预测的方法。

5.1.4　国内橡塑密封材料发展存在的主要问题

近年来，国内橡塑密封材料及其制品的相关技术进步明显，但与国外的先进水平相比还存在较大差距，创新能力薄弱，缺乏核心技术，没有形成有效的产业链。具体如下所述。

（1）橡塑密封材料研发严重落后，缺乏核心技术。目前国内生产高端橡塑密封件的主要原材料基本依赖进口。国内密封材料的研发工作主要集中在对进口材料的配合和改性研究，与国外功能密封材料的设计、合成技术相比，尚处于研发的低级阶段。

（2）橡塑密封结构设计基本仿制，缺乏创新平台。由于国内密封基础技术研究的缺失，导致密封系统的结构设计技术长期落后。虽然近年来国内密封系统的结构设计有所突破，出现不少相关专利，但总体来说还处于测绘仿制阶段，缺乏创新平台的支持，缺少原创性技术成果；计算机辅助设计技术和有限元分析技术虽然在结构设计中得到应用，但还不够普及和深入。

（3）密封基础技术研究尚处于起步阶段，未形成高效的研发体系。国内大学基本没有设置专门从事密封基础技术研究的专业，企业也缺乏密封基础技术研究的条件，行业缺乏技术带头人，密封基础技术研究几乎缺失。近年来通过产、学、研、用科研项目，以及行业服务平台的建设促使密封基础技术的研究正在逐步恢复，但整体水平尚处于起步或探索阶段，未形成高效的研发体系，与国外差距较大。

5.2　橡塑密封材料的应用现状和发展需求

5.2.1　橡塑密封材料的主要应用领域及其重要作用

密封技术是机械制造领域的关键共性基础技术之一，是机械装备安全、经济、可靠运行的保障。无论航空、航海、石油、化工，还是能源、冶金、矿山、食品、电子等行业，均离不开密封技术。总之，凡是有机、泵、管、阀的地方，均需应用密封技术。橡塑密封件的应用领域，汽车工业约占65％；工程车辆、建筑机械、液压气动、矿山机械约占10％；冶金、化工和石油机械约占8％；其他各种机械占17％。

据英国、美国、日本等的统计，石油化学工业设备中离心机泵占全部机泵设备的85％以上，而离心机泵维修工作量的70％左右是处理密封。据国内某烯烃厂统计，机泵日常维修中，处理转轴密封泄漏占维修总量的70％以上。

5.2.2　国内外橡塑密封材料的应用现状

国外橡塑密封产业主要集中在欧洲、美国、日本等发达国家。从历年入选美国《橡胶塑料新闻》年度“世界非轮胎橡胶制品50强”来看，国外橡塑密封产业的集中度非常高（表2-5-1）。

进入世界非轮胎橡胶制品50强的密封件企业几乎占领了橡塑密封行业60％以上的市场份额，在高端橡塑密封制品方面更可能高达80％以上，主要集中在汽车、工程机械、航空航天、能源、石化等要求高品质密封件的领域或行业。

国外橡塑密封先进企业具有以下特点：

①企业规模大，拥有遍布全球多个国家和地区的生产基地和研发机构；

②拥有包括橡塑密封件在内的相关橡胶制品的广泛业务范围，如减震、降噪、隔热、防护和轮胎等；

③拥有与橡塑密封件应用密切相关领域的系统集成服务能力，如液压、气动、密封、润滑、传动、机电一体化相关业务领域；

④拥有自己的特色技术优势，如NOK和佛雷依登贝格的油封、派克（Parker）液体传动技术领域的系统解决方案；

⑤具有高端密封技术领域的服务能力，如航天航空、能源、化工、油气、医药领域的密封技术解决方案。

“十一五”期间，我国的橡塑密封件行业得到较快发展，主要得益于汽车、工程机械和矿山、冶金、电子等行业及主机的迅猛发展。但综观全行业，绝大多数企业的销售额在5000万元人民币以下，1亿元人民币以上的屈指可数，超过5亿元人民币的仅有一家。多数企业不具备独立开发新产品的能力，促进创新与成长的研发投入严重不足，缺乏参与密封行业国际竞争的意识，市场竞争力不强。

国内橡塑密封件企业具有以下特点：

①企业规模不大，行业集中度低，缺乏核心技术及创新平台；

②业务范围较窄，一般以橡塑密封件为主要业务，较少涉及减震、降噪、隔热等其他相关橡胶制品业务；

③系统集成服务能力差，较少涉足液压、气动、润滑、传动、机电一体化等相关业务领域；

④不具备高端密封技术领域的服务能力，以中低端密封件市场为主。

5.2.3　国内外橡塑密封材料的应用需求

装备制造业的技术水平是一个国家综合实力的集中体现，橡塑密封技术是装备制造业的共性技术之一，是支撑国民经济各领域主机的关键技术。作为重要基础元件，橡塑密封件广泛地应用于冶金、能源、汽车、电子、石化、船舶、交通、食品、医药、空天及军工等行业及其重大技术装备的“海、陆、空和微/纳观”等领域中。

“海”：是指水上、水下（潜水）等设备，如水下机器人、潜艇等。

“陆”：泛指陆地上的所有工业和农业生产设备（石油、矿产、石化、化工、轻工、制药、食品、能源与电力等）、军用装备、生活设施、交通工具等设备。

“空”：是指飞机、飞艇、航天器、空间站等航空航天用设备。

“微/纳”：是指微机械、微电子、人体植入器官和靶向定位胶囊等。

（1）在汽车工业领域。汽车密封占整个密封60％以上，中国汽车的产销量已跃居世界首位。飞速发展的汽车工业需要大量的橡塑密封件，如汽车发动机系统、传动系统、转向系统、驱动系统、车身系统、悬挂系统、燃油系统、电器及车灯系统等核心部件都需要装配橡塑密封件。20世纪80年代一台汽车使用36件橡胶密封件，现在轿车已经使用240多件。

（2）在石油化工领域。苛刻的工况条件、更少的操作人员、更长的运行周期及更短的维护时间对橡塑密封可靠性提出了更加苛刻的挑战。

（3）在高端电子领域。没有尖端的密封技术和密封材料，半导体加工中刻蚀、抛光、HDPCVD、PECVD、SACVD等工序均无法正常进行。

（4）钢铁工业。钢铁工业对大规格AGC油缸密封、大型滚动轴承橡塑密封等配套设备有国产化需求。

（5）煤矿行业。液压支架是采煤设备的关键设备，2010年全国液压支架产量超6万架，创历史新高。作为液压支架关键基础零部件的密封元件，其需求也随着液压支架的增长而不断增加。

（6）电力设备。风电行业大量需求的主轴油封、防尘密封等均提出了20年与主机同寿命的要求，这些关键密封件目前主要依赖进口。

（7）其他行业。除上述各类主机行业外，农业机械、塑料机械、船舶和海洋工程装备、水利工程设备、机车车辆、医药、航空航天、军工等机械设备，对橡塑密封技术的需求旺盛。如我国是世界最大的工程机械制造国，全世界有80％的盾构机在我国工作，但相关装备的关键密封元件一直依赖进口。

橡塑密封件行业在改革开放的三十年中取得了很大的进步，但还跟不上主机行业的发展步伐，与主机行业的发展速度相比还有差距，无论产品品种、规格、技术水平都难以满足主机的需求，每年需要进口大量的高端橡塑密封产品。《2010中国液压液力气动密封工业年鉴》中指出，2005～2009年间关键设备密封件和密封材料大量进口，进出口逆差逐年加大，5年间平均每年增加40％左右！尽管进口橡塑密封件的质量相对优良，但其价格昂贵、交货期长、售后服务不到位，致使用户成本居高不下，不但大大蚕食了相关企业的利润空间，更成为制约企业发展的桎梏。据统计，相当部分主机制造企业的利润有大约70％被进口零部件所吞噬。以天然气加气站压缩机的主机制造为例，一台价值50万元人民币的国产天然气压缩机，其进口密封系统的采购价可以占到主机销售价的20％左右。

5.2.4　国内橡塑密封材料应用存在的主要问题

（1）技术相对落后，产品处于中低端水平，国际市场竞争力差。国内密封产业以中低端密封件为主，整体水平不高。轿车发动机油封、工程机械高端油缸密封、盾构机主轴密封、风力发电装备关键密封、石油化工行业关键密封等高端密封件，基本还是由国外公司垄断。密封行业的人员素质、技术装备、原辅材料、加工工艺、生产环境和管理，无一不制约着国内密封产业技术的进步。

（2）企业规模小，产品线、产业链不够完善。中国是世界装备制造业大国，但密封件行业作为装备制造业的基础件行业，其发展规模远落后于装备制造业的发展，产品线和产业链的发展十分不充分。橡塑密封件国际巨头不但掌握着密封件上游的高新材料技术、设备加工技术，拥有十分广泛的产品线，还可为客户提供一揽子密封技术解决方案，相关技术还控制对中国的出口。

（3）行业发展落后于主机的发展，技术标准水平低，系统性差。中国由一个工业基础非常薄弱的国家发展成为装备制造业大国，更多的是依靠引进和消化、吸收国外的先进技术，自身的原创技术相对较少，缺乏核心技术和技术创新平台，标准体系的建立相对滞后；重主机轻配套的发展历程，更加大了基础件行业与主机行业发展的差距。机械制造业强国同时也是密封技术强国，通过制订产业规范，设立技术壁垒，左右国际标准，直接影响主机设计，甚至建立具有排他性的完整产业链。

5.3　橡塑密封材料的失效形式与影响因素

5.3.1　橡塑密封材料的主要失效形式

密封材料失效主要表现为发生了介质的穿漏、渗漏或扩散的泄漏现象。密封性能与密封材料应用、密封结构设计、密封安装及密封运行的内外环境相关。橡塑密封件应用广泛，工作内外环境千差万别，影响密封性能的因素很多，因而密封的失效形式和导致失效的原因也是多种多样的，从密封材料断面、性能及外观上的变化情况来看，失效伴随的形式归纳起来主要有以下几种：①材料溶胀或收缩；②材料弹性变化；③材料硬度变化；④材料磨损；⑤材料表面损伤；⑥材料损坏；⑦材料焦烧；⑧其他。

实际工程应用中，橡塑密封件的失效形态往往呈现相当的复杂性，以上形式可能是单独出现，也可能多种同时发生，引起密封失效的原因可能是单一的，也可能是多因素的。

5.3.2　橡塑密封材料失效的主要影响因素

密封性能是密封系统运行效果的综合表现。密封性能的好坏与密封材料应用、密封结构设计、密封件的加工与储存、密封沟槽设计与加工、密封安装、密封运行的内外环境及其变化等诸多因素相关。判断密封材料失效的主要影响因素，应在掌握密封机理和密封材料性能的基础上，分析密封件失效断口形态特征、密封材料性能变化，并结合密封运行的内外环境及其变化进行综合判定。密封失效的主要影响因素有：①材料老化；②材料磨损；③材料抗压能力；④材料的相容性；⑤材料的耐温性；⑥材料焦烧；⑦材料气透性；⑧其他。

密封性能是密封系统运行效果的综合表现。任何影响密封系统稳定性的因素都可能导致密封失效。

5.3.3　橡塑密封材料失效案例

橡塑密封应用十分广泛，密封系统多种多样，密封工作环境复杂且是动态变化的，密封材料失效的案例不胜枚举。针对密封材料失效的主要影响因素列举如下。

（1）密封材料焦烧、碳化引起密封失效。U形密封圈作为活塞密封：油缸工作前，未把空气全部排空，空气积聚在U形密封圈的底部形成空气和油液混合区。油缸工作时，空气很快被压缩发热并爆炸，产生的高温导致U形密封圈焦烧、碳化，如图2-5-1所示。

（2）PTFE材料的挤出引起密封失效。用纯PTFE作为支撑环，使用一段时间后，由于压力过大，材料蠕变变形，产品外侧被挤出磨损，过度磨损后导致密封失效（图2-5-2）。

（3）橡塑密封圈挤出失效。油缸使用U形橡胶密封圈，由于工作温度过高，压力过大，橡胶抗挤出能力下降，导致U形橡胶密封圈根部被挤入密封间隙而撕裂，从而导致密封失效（图2-5-3）。

（4）摩擦副磨损导致的密封失效。过度追求密封材料的耐磨性，或摩擦配副的表面处理不当等原因，有可能引起摩擦配副的异常磨损，最终因密封力下降导致密封失效（图2-5-4）。

（5）密封材料与密封介质相容性差引起的密封失效。密封材料与密封介质相容性差，或介质中添加的某些元素导致密封材料力学性能下降，容易引起密封件的提前失效，尤其是处于高温情况下的动密封件的失效（图2-5-5）。

5.4　橡塑密封材料的延寿设计与制造

5.4.1　橡塑密封材料的可靠性、安全性和耐久性设计

橡塑密封制品使用时，最关心的是产品的安全使用期是多久，寿命是多长，可靠性如何这三方面的问题。橡塑密封材料的可靠性、安全性和耐久性设计直接影响密封制品的可靠性和使用寿命。

应用橡塑密封制品的内外环境千差万别，密封性能不仅与密封材料性能相关，也与密封结构设计相关。密封材料的可靠性、安全性和耐久性设计，就是以提高密封系统的可靠性和使用寿命为目的，充分考虑与应用内外环境的适应性以及与密封结构和密封接触表面的微观结构和性能的协调性，进行密封材料的合理选材、配合改性、工艺加工以及性能测试等。其中模拟密封材料应用的内外环境进行密封材料性能的可靠性测试是其重要组成部分。相关测试有：①模拟自然环境；②模拟动力环境；③模拟户外环境；④模拟综合环境；⑤寿命测试；⑥加速寿命测试；⑦可靠性筛选试验；⑧可靠性鉴定、验收试验。

随着中国经济科学的持续发展，橡塑密封材料的可靠性、安全性、耐久性也将获得更高的关注度。进行橡塑密封材料的开发时，不再仅仅注重橡塑密封材料的本身性能，更将投向其安全可靠性方面。这就要求，在前期开发时，从原材料采购、控制、填料选择添加、配合、加工工艺优化、材料质量稳定控制等方面去着手开发。

5.4.2　橡塑密封材料的合理选材

合理选择密封材料，是提高密封可靠性和使用寿命的关键。选择橡塑密封材料需要掌握材料的相关特性。橡塑密封材料的耐温、耐介质特性方面介绍见图2-5-6～图2-5-8。

一般来说，根据工况条件，考虑以下原则选择密封材料。

（1）耐高温性能顺序为：Q>FKM>ACM>EPDM、HNBR>IIR>CR、NBR、SBR、BR>NR。

（2）耐低温性能顺序为：Q>BR>EPDM、SBR、NR>CR、IIR>NBR、HNBR>ACM>FKM。

（3）耐油性能（普通液压油）顺序为：FKM>NBR、HNBR>ACM>CR。

（4）耐酸碱性能顺序为：FKM>HNBR>EPDM>CR。

（5）耐臭氧及天候老化顺序为：FKM>Q>ACM>EPDM>CR。

（6）含极性添加剂（硫、磷、氯）的液压油适应性顺序为：ACM>HNBR>FEPM。

以上只是根据橡塑密封材料的部分特性提供合理选择密封材料的参考依据。在实际工程应用中，密封材料需满足多方面的要求，有些要求甚至相互矛盾（如既要耐高温，又要耐低温密封材料；不良润滑时的长寿命密封要求等），单一材料很难同时满足所有要求，这就需要从密封材料改性、密封结构设计等多方面的协调和平衡来满足使用要求。

5.4.3　橡塑密封材料先进加工技术的应用

橡塑密封件成型方法主要有直接模压成型、转移模压成型、注射/注塑成型、常压连续硫化成型、浇注成型、反应注射成型和烧结成型等，并辅以必要的混炼/混合设备、机加工设备、材料处理设备、修整设备等周边设备。橡塑密封件成型需根据所选用的密封原材料特点和产品结构特点，选择合适的成型工艺，设计专用生产线及辅助设备，实现自动、防错、环保、节能、高效、稳定的生产。如采用注射成型方法生产O形圈，可实现高自动化程度、高材料利用率和高的质量稳定性；油封自动生产线，可实现油封的自动成型、自动修边、自动装簧到自动检测，具有优异的质量稳定性和高效率；免修边、免切唇的密封件精密模具设计加工技术和冷流道注射成型技术、气体辅助注射技术等，可以有效降低原材料的消耗、节约能源和提高产品质量。

为实现橡塑密封件的快速成型，提高生产效率和材料利用率，免二段硫化的ACM、硅橡胶、氟橡塑密封件胶料得到开发应用；无需混炼和硫化的热塑性弹性体粒料通过直接注射成型生产制品，废边及不合格品可以重复利用；为改善外脱模剂的环保问题，可对模具型腔表面进行处理或采用环保的清洗方法；密封材料的配合及改性技术逐步向安全、低毒、无异味、功能化、绿色化和高效方向发展；高性能密封件工作面减摩涂层的开发应用，提高了密封件的使用寿命，降低了设备的运转能耗。

在橡塑密封新材料、高性能助剂、精密模具加工和自动化、一体化装备开发方面，国内相关技术的研究与应用水平与国外先进水平相比存在较大差距。

5.4.4　橡塑密封材料在线检测与质量控制

通过对橡胶和塑料材料的生产制造设备增加在线检测系统，可以实现橡塑材料生产制造的实时检测与监控，为保证产品的质量控制提供可靠的支撑。

在线检测系统主要由两部分构成：生产控制系统和质量检测系统。橡塑密封材料的质量控制，是建立在完整的质量控制体系的基础上的。在条件允许的情况下，尽量减少人在整个控制体系中的影响，以实现更高程度的产品质量的稳定，是未来橡塑材料生产的必然选择。

5.5　表面工程在橡塑密封材料领域中的应用

橡塑密封制品在使用或存放时，容易受到外界环境中不利因素的侵蚀，导致橡塑密封材料自身性能发生变化，甚至失去使用价值。为了保障橡塑密封制品的使用性能和延长其使用寿命，需要对橡塑密封制品进行改性。在众多的改性方法中，橡塑密封制品表面涂层法因其不改变材料的本体性能，而且操作起来相对简便，受到了越来越多的关注。目前，国内外对橡胶制品表面涂层改性的研究主要集中在抗老化、抗磨损、降低摩擦系数等领域。

5.5.1　表面耐磨减摩技术

由于橡胶材料的摩擦系数相对比较大，尤其是动态密封件的启动摩擦阻力比较大，往往对密封功能和使用寿命产生一定的不良影响。减小启动摩擦阻力和降低密封工作面的摩擦系数的常用方法有：

（1）在配方设计时加入不同类型的润滑减摩配合剂，降低材料的摩擦系数；

（2）改进、优化密封件结构，通过降低密封预紧力来降低密封件运行的磨损；

（3）在材料表面喷涂含氟材料，降低密封件的摩擦系数和提高耐磨能力，延长密封件使用寿命；

（4）在密封件密封面贴合减摩材料；

（5）在密封件密封面涂覆液态橡胶减摩润滑层，硫化后可改变密封面的表面微观形态，有效地降低密封面的摩擦系数。

5.5.2　表面防护技术

橡胶材料易老化，老化后其各项性能会有不同程度的下降。弹性体材料性能在很大程度上取决于其表面层的性能。对橡胶制品的表面进行防护处理，无疑是一项提高橡胶特性的有效措施。但橡胶制品均存在耐磨性、耐油等方面的先天不足。化学黏结、等离子喷涂、离子注入、表面喷涂、表面包覆等方法，对橡胶表面进行处理，多因过程复杂、设备昂贵、性能不理想而得不到广泛应用。

虽然表面处理可在不影响橡胶基材性能的情况下改善其表面的微观结构、化学和物理性能，改善材料摩擦磨损性能、耐介质性能、耐温性能和耐老化性能，但也存在以下局限性：

（1）各种表面化学改性性方法只是对橡胶表面进行改进，处理后表面改性层易磨损，使用时间有限；

（2）各种改性方法只能作为表面处理剂，不能作为配方综合的提高橡胶综合性能；

（3）表面改性最理想的氟化需要有专门的设备，适合批量生产，操作相对复杂；

（4）表面改性提高性能有限，对橡胶的表面改性提高程度不一致。

5.5.3　表面流体动力设计技术

回流线有动力回流作用，能及时把渗漏的油液泵吸回油腔起到辅助密封作用，同时泵回的油对唇口起到润滑作用。好的动力回流油封工作寿命长，对轴及其自身的某些缺陷不很敏感，能用于低黏度介质及高线速度等苛刻场合。

回流线分单向回流线和双向回流线，有螺纹、正弦波、三角凸块等多种形式（图2-5-9）。通过模具上开设的各种沟槽结构，在油封唇口的空气侧面上形成各种结构的凸棱回油线，在高速旋转情况下，这些回油线产生“泵吸效应”，将从油封唇口油侧泄漏到空气侧的油返回到油的一侧，以保证密封作用。这些结构基本上满足各种单向、双向旋转轴密封的要求。回流线参数设计很关键，特别是回流线高度太大，不但起不到回流作用，相反破坏了密封。

为了便于分析，将螺旋槽内液体的泵送流动模型简化为黏性流体在具有相对运动的两壁面之间的流动后，可由流体力学公式计算螺旋回流槽（图2-5-10）的泵送效率。

5.6　橡塑密封材料延寿的系统工程

5.6.1　材料的系列化、标准化

材料的系列化、标准化，不但能为材料的应用、选型提供较大的便利，也为开发适用于不同工况条件的系列化橡塑密封材料提供指导。

国外标准中，试验项目的测试条件、基材形式、材质比较接近材料的实际使用环境，更符合工程实际需要。美国、日本、英国、德国、加拿大等国，除了制订密封材料的产品、方法标准外，还专门建立了与之配套的工艺规程与应用指南标准。密封材料与其他材料一样，功能的优劣，除与材料品质有关，工艺好坏也是非常重要的环节。为了保证有效的密封功能，应尽早制订符合国情的工艺规程与应用指南规范。

根据世界先进国家的经验，以材料类别设立的产品标准都将逐步被工程应用技术要求的标准取代。我国目前2种类型的标准并存，导致出现一品多标的现象，使应用单位和生产企业采用极为不便。我国应当积极转化国际标准并以此为基础，逐步调整、合并重复性标准，使标准体系与国际标准全面接轨。

5.6.2　安装及维护

（1）密封产品装配注意事项

①密封件不得有飞边、毛刺、裂痕、切边、气孔及疏松等缺陷；密封件的外形尺寸和精度必须达到标准要求；橡胶密封件的胶料性能必须达到设计规定密封材料的要求。

②零件密封部位的沟、槽、面的加工尺寸和精度、粗糙度应严格符合规范要求。如沟槽不得有毛刺和锐角。

③保持密封件、密封部位及其所经过的零件表面清洁度。必要时，要用清洗液清洗，清洗液不得损害密封材料性能。

④装配前应在密封件和装配密封件时经过的零件表面上，涂上足够的合适型号的干净润滑油或与工作介质相容的润滑油脂，以便于装配和保护密封件。

⑤装密封圈的零件，一般应有15°～30°的导入角（最好≤20°），如图2-5-11所示。

⑥密封件经过零件的孔口时，要将孔口堵死或孔口倒角。

⑦密封件经过零件的螺纹、锐边与键槽等部位时，应有专用的薄套筒套在这些部位上进行装配，如图2-5-12所示。

⑧安装结构复杂的密封装置时，最好用压力机压入，或用橡胶锤轻轻敲入，使密封环如图2-5-12（b）那样平行地进入密封座内。

（2）密封件维护与保养

①贮存温度应低于25℃，最好低于15℃。贮存温度不能低于-15℃。当将密封件从低温中取出使用时，要将温度升到30℃时再用。

②贮存时应避免潮湿，平均湿度不超过65％。任何一种密封件上不得有冷凝液。

③避免光照，尤其是紫外线含量高的强光。可将密封件装入封口的聚乙烯塑料袋中，置阴凉通风处贮存。包装不宜用聚氯乙烯材料。

④密封件应分开存放。不同的胶料分开包装；不同规格的密封圈分格平放。密封件应放在宽畅的地方，避免拉伸、压缩、拧扭或受其他力。不准将密封件堆放、吊挂，以免产生永久变形。

⑤密封件贮存过程中，不准与溶剂、油、润滑脂及其他半固体材料相接触，也不准与可能引起质变效应的金属或非金属材料（如铜、铜合金、锰、铁及某些易分泌树脂的木材等）接触。

⑥贮存过一段时间的密封件，使用前应检查其形状尺寸及胶料性能。达不到要求的，不得使用。

⑦包装保存的密封件，使用时可用肥皂水或甲醇变性酒精洗净，在室温中干燥。切忌在汽油中浸泡，不得在热源上烤干或用风机吹干。

⑧定期检查密封产品的使用情况，出现问题及时处理和解决，避免不必要的损坏。

5.6.3　在役监测及寿命预测

（1）在役监测。对于机械的状态监测国内外比较典型的方式有三种，离线定期监测方式、在线检测离线分析的监测方式和自动在线监测方式。第三种方式最为先进，不需要专门的测试人员及专业的分析判断人员，自动地监测设备的工作状态，及时进行故障报告，而且能在线进行数据处理和分析判断，是利用微型计算机实时数据采集系统完成监测任务的。

基于自动在线监测技术开发智能系统密封技术。智能系统密封技术是指根据密封件在线监测结果，调整密封能力、预测密封寿命的密封系统设计技术，可大幅提高密封件的可靠性及使用寿命，减少泄漏、停机维修成本和能源消耗，是当今密封技术研究的前沿技术。智能系统密封技术需将检测技术、信息技术、微动力技术等方面的最新成果与传统的密封结构设计、密封材料研发相结合，以实现自动调整、主动控制和寿命预测的智能系统密封功能。

（2）寿命预测。橡塑密封材料有着弹性好、寿命长、耐腐蚀性好、制造工艺简单、成本低等优势，所以是目前应用最广的一种密封材料。密封技术是机械制造领域的关键共性基础技术之一，是机械装备安全、经济、可靠运行的保障。密封失效，不但造成资源浪费、环境污染、生产效率下降、产品质量的波动和下降，还可能导致停机损失，甚至引起重大设备、人身安全事故，造成巨大的经济损失。所以预测密封材料寿命是密封技术的共性、关键技术。

预测密封材料寿命主要有3种形式：装机（或模拟）试验、使用经验、加速试验。但由于密封要求使用时间较长，有的长达几十年；使用的工况及环境（包括内外环境）具有多样性和不稳定性；影响密封材料寿命的因素繁多、机理复杂；材料失效没有也很难明确定义，所以准确预测密封材料使用寿命几乎是不可能的。

现有预测密封材料寿命的方法主要有：①橡胶贮存寿命评估方法，是基于Arrhenius公式进行外推的方法，不适用于工程应用的实际使用寿命预测；②利用模型进行老化寿命预测；③计算机仿真模拟模型；④疲劳寿命预测；⑤动密封模拟仿真技术。

对于工程实际应用来说，以上寿命预测方法均具有局限性，未考虑润滑、密封表面微观形态、流体力学等诸多因素对材料磨损性能、压缩永久变形性能的影响，不能满足工程应用密封寿命的预测要求。

应用动密封模拟仿真技术，通过建立多场多尺度耦合的弹性流体动压模型，采用混合润滑理论，考虑流体力学特性、固定变形、接触力学的耦合作用，以及热场和介质特性，研究各种工作参数、密封结构参数、材料性能参数和运行时间等对密封性能的影响，为产品结构定型和寿命预测提供定量的依据。

5.6.4　节材、节能，环境友好与可持续发展

橡塑密封材料行业通过大力发展循环经济，建设资源节约型、环境友好型产业，通过调整产业结构、产品类型等，逐步淘汰高污染、大排放型的密集型企业，提高生产效率。循环利用多种原材料（如胶粉、四氟乙烯微粉等），采用高效高速加工条件（如高温快速硫化系统），达到节能减排降耗的目的；选用环境友好型原材料，逐步替代高挥发高污染原材料；大力发展绿色产业开发新原材料（如新型绿色橡胶、非石油基有机产品等），逐步取代常用的不可再生的石油基产品，逐渐实现整个橡塑密封行业的可持续发展。

5.7　橡塑密封材料延寿的目标、设想和建议

5.7.1　延寿目标

（1）掌握关键、特种密封材料的合成技术，满足高端装备、国防工业密封材料的自主供应。

（2）深入表面工程、表面防护、表面流体动力设计、仿真技术、智能技术和纳米功能助剂等在密封技术中的应用研究，掌握密封材料延寿与可持续发展的关键技术。

（3）实现重大技术装备用高端密封的国产化。

5.7.2　设想和建议

（1）建立橡塑密封材料研发和生产体系，满足高性能橡塑密封材料的需求。密封件用橡塑密封原材料质量要求高，属于技术与资金密集型产业。由于国内密封产业技术相对落后，规模相对较小，因而在密封原材料研发和生产方面的投入严重不足。目前大部分橡塑密封材料主要依赖进口，部分材料受到国外限制。如何充分发挥国家工程中心、高校、科研单位和生产企业的优势，建立健全的先进材料研发和生产体系，满足高性能橡塑密封材料需求，不但关系到密封行业的长远发展，同时会影响到高端制造业和国防安全。

（2）建立橡塑密封技术研发与工程化应用平台，完善橡塑密封评价体系。由于国内缺乏系统性的橡塑密封基础技术研究、开发和应用平台，在完成低技术的快速发展期后，遭遇发展瓶颈。建立国家级的密封基础技术的研究、开发和应用平台，集合产、学、研、用单位和产业链上的优秀人才，为产业发展培育人才，输出共性、基础及关键技术。

（3）加强绿色制造、材料延寿相关前瞻技术研究。表面工程、表面防护、表面流体动力设计、仿真技术和智能技术等方面的技术进步，能大幅提高密封材料的使用寿命，应加强相关技术在密封材料中的应用研究。