氟橡胶(FKM)因其的耐高温、耐化学介质和耐老化性能,在航空航天、汽车、石油化工等领域广泛应用。其耐老化性能(主要指热氧老化、臭氧老化和化学介质老化)与其特定的化学成分和分子结构密切相关,主要影响因素包括:
1. 氟含量: 这是决定氟橡胶耐老化性能的因素。氟橡胶分子主链或侧链上含有大量的氟原子(F)。氟原子具有极强的电负性,形成的碳氟键键能极高(C-F键键能约为485 kJ/mol),远高于常见的碳碳键(C-C键约347 kJ/mol)和碳氢键(C-H键约413 kJ/mol)。这种强键能使得氟橡胶具有:
* 优异的热稳定性: 高键能意味着需要更高的能量才能断裂分子链,因此氟橡胶能承受更高的长期使用温度(通常可达200°C以上,短期甚至更高)。
* 出色的耐化学腐蚀性: 强C-F键难以被氧化,对强氧化剂、浓酸、强碱、等具有的抵抗能力,延缓因化学侵蚀导致的材料老化降解。
* 固有的耐臭氧性: 饱和的主链结构和高氟含量使其对臭氧攻击高度不敏感,不会发生像普通橡胶那样的臭氧龟裂。
2. 主链结构(饱和性):
* 的氟橡胶,如常见的Viton® A型(基于偏二氟乙烯和的共聚物)和更的Viton® B型(基于偏二氟乙烯、和四氟乙烯的三元共聚物),其主链通常是饱和的,不含碳碳双键(C=C)。饱和结构消除了臭氧攻击的“靶点”,提供了优异的耐臭氧性。
* 主链的饱和性也增强了热氧稳定性,因为双键是热氧老化的薄弱环节,容易引发自由基链式反应。
3. 交联单体与交联体系:
* 为了赋予橡胶弹性,需要进行硫化(交联)。氟橡胶常用的硫化单体包括含氟烯烃(如四氟乙烯)或引入特定的硫化点单体(如含有可交联基团的单体)。
* 交联体系的选择对耐热老化性能至关重要:
* 双酚AF/季鏻盐硫化体系: 这是目前应用广泛的体系。它形成的交联键是热稳定性极高的碳碳键(C-C),具有的耐热性、低压缩变形和良好的耐化学性。
* 过氧化物硫化体系: 通常需要配合助交联剂(如TAIC)。虽然过氧化物体系也能提供良好的耐化学性(特别是耐酸性介质),但其形成的碳碳交联键的热稳定性通常略逊于双酚体系,在持续高温下可能表现稍差,且对某些碱性环境敏感。但其加工性能可能更好。
* 交联密度和交联键的类型直接影响橡胶在高温下的强度和变形保持能力(压缩变形)。
4. 填料与添加剂:
* 填料: 常用的补强填料如炭黑(MT炭黑、FEF炭黑等)或非炭黑填料(如硫酸钡、硅藻土等)。填料的选择会影响耐热性:
* 炭黑本身具有吸热和一定的自由基捕获能力,但某些低档炭黑中的杂质可能在高温下催化降解。
* 矿物填料的热稳定性通常很高,但补果可能不如炭黑。填料的热稳定性及其与橡胶基体的相容性会影响整体耐热老化性能。
* 吸酸剂: 氟橡胶在高温或水汽存在下可能缓慢释放。吸酸剂(如氢氧化钙、氧化镁)能中和这些酸性物质,防止其催化主链降解,显著提高长期热稳定性。
* 稳定剂/剂: 虽然氟橡胶本身耐氧化,但添加特殊的耐高温稳定剂(如某些金属氧化物或有机稳定剂)可以进一步捕获微量自由基,抑制热氧老化引发的链式反应。
总结:
氟橡胶的耐老化性能是其化学成分——高氟含量、饱和主链结构——带来的本质特性。在此基础上,通过精心选择共聚单体类型(如引入四氟乙烯可提高氟含量和热稳定性)、优化交联体系(双酚体系提供耐热性)以及添加合适的填料(热稳定性好)和稳定剂(吸酸剂、剂),可以地发挥其耐高温、耐臭氧、耐化学腐蚀的老化性能。不同的配方组合会针对特定应用环境(如侧重耐热、耐油或耐强酸)进行优化。因此,氟橡胶的具体耐老化表现是多种成分协同作用的结果。
