本文主要针对阀门密封中的橡胶密封件，从设计的角度出发，并结合实际经验探讨了与材料选择密切相关的因素，包括使用温度、介质、硬度、压缩永久变形和耐磨性等，为机械密封行业提供了选择橡胶密封制品的参考依据。

可靠的密封性能是评价阀门质量优劣的一个重要指标。影响阀门密封性的主要因素有：密封面的设计、材料的选择、阀门前后的压力差、介质成分等。很多阀门的密封部分使用橡胶材料，选择正确的橡胶密封材料，是保证阀门密封性能和使用寿命可靠性的关键性因素之一。

常用的橡胶密封材料有三元乙丙橡胶、丁腈橡胶（NBR）、硅橡胶(VMQ)、氟橡胶(FKM或者FPM)和氯丁橡胶(CR)等。这些橡胶的特性各不相同。在很多设计手册中都有关于它们性能的详细综述[1，2]，在此不再赘述。本文将着重从设计的角度出发，从下列5个主要因素来探讨如何选择最优的橡胶材料,包括：使用温度、介质、硬度、压缩永久变形和耐磨性。

使用温度

橡胶材料只有在适合它的工作温度范围内才能保持弹性和柔韧性，从而实现密封。如果使用温度过低，橡胶圈会变硬，弹性减小。当温度低到一定程度，橡胶甚至会脆化。如果使用温度过高，橡胶圈则易被氧化、热老化、或者与所密封流体发生化学反应，从而使橡胶物理化学性能和机械性能降低，最后失去密封功能。表1列出了常见橡胶材料的工作温度。由于橡胶配方多种多样，每个公司的产品性能都可能有一些差异，所以表中所列出的温度数值仅供参考。此外，使用环境中与橡胶接触的介质也会改变橡胶的性能，比如，某些油类会缓慢渗透到橡胶密封圈中，降低橡胶圈的低温脆化温度，使橡胶圈在密封该油时比在空气中能耐受的温度更低。

自润滑和通用级EPDM摩擦系数比较（本数据在铝板上测得。如果使用不同的基板，数据可能会有差异）

介质

橡胶密封圈必须要耐受与其直接接触的介质。除了被密封的物质外，介质还包括可能与橡胶件接触的润滑油、清洁剂、或者系统清洗时所用的溶剂等。

由于阀门应用广泛，与橡胶密封件接触的介质种类也很多，比如酸、碱、醇、油脂、有机溶剂、水、蒸汽、氧气等。如果介质的成分简单，只有一种或者一类流体，那么密封件的选择要相对容易些。比如，如果介质是乙醇（酒精）或者其水溶液，那么三元乙丙橡胶、硅橡胶、丁腈橡胶和氰化丁腈橡胶都可以作为备选材料。如果介质中有多种化学品，那么还要考虑橡胶密封圈是否能耐受这些化学品。比如系统中除了有乙醇还有异丙醇（两者均为醇类物质），那么应该考虑三元乙丙橡胶或者硅橡胶（丁腈橡胶和氰化丁腈橡胶对异丙醇的耐受就不如这两个好了）。有很多专著研究讨论了各种材料对不同化学介质的耐受程度[3，4]。

如果不确定密封圈材料对某种液体介质的耐受程度，可以做浸胀试验，即在特定的温度下，将橡胶件浸泡在介质中数天或者更长。如果该橡胶件不耐受这种介质，一般在高温下7~14天后，橡胶件会有体积、重量、硬度、形状等变化，甚至可能会分解。

如果被密封的介质是气体，那么就需要考虑气体在密封件中的透气率。表2比较了几种常用橡胶材料对各种常见气体的渗透性。由于渗透率和橡胶具体配方密切相关，所以表中所列出的温度数据仅供参考。

又如橡胶产品要直接接触食物或者饮用水，那么其材料和配方必须无毒害，而且不能给食品添加任何气味。随着科技的发展和人们健康意识的提高，世界各国对与食品接触材料的安全性也越来越重视。很多国家和地区对这类与食品直接接触的橡胶产品都有相应的法规和认证。比如：我国的GB4806.1-94食品用橡胶制品卫生标准；美国食品和药物管理局FDA法规177.2600与食品反复接触的橡胶产品；德国要求与饮用水接触的材料必须被KTW认证等。另外，美国和欧盟都有法规来限制橡胶制品中N-亚硝胺类物质（致癌物）的含量。

硬度

同样的橡胶材料，配方不一样的话，最后的产品硬度也可能不同。橡胶硬度常用邵尔A（Shore A）来表示，各种材料常见的硬度范围是40~90邵尔A。但要注意的是，通用级氟橡胶的最低硬度为55邵尔A，而特殊硅橡胶的硬度可以低到10邵尔A。

通常说来，如果橡胶配方近似的话，硬度较低的橡胶比较柔顺，但是耐磨性较差；硬度高的产品拉伸模量一般较高，压缩永久变形性能较好。但这些都不是绝对的，有两个原因：一是，密封件的实际硬度有时很难准确测到；二是，耐磨性、模量、压缩永久变形等性能和材料的种类及配方密切相关。

压缩永久变形

压缩永久变形是表征橡胶制品性能的重要指标之一。它不但能反应出橡胶件经受压力载荷后恢复原始形状的能力，还能反应出橡胶产品的质量（是否完全硫化）。该测试一般是将已知高度的橡胶样品压缩到规定程度，在一定的温度下保持一段时间，然后解除压力，让试样在自由状态中回复，再测试样品的最终高度。常用的测试标准有ASTM D395、ISO815和GB/T 7759等。一般来说，在同样的测试条件下，数值越低，抗压缩永久变形的性能越好。

如果在使用中，橡胶件会反复经受“压力载荷-消除”这一过程的话，压缩永久变形性能差的橡胶件就可能会很快失去密封能力。另外，在实际使用中，压缩永久变形可能会被橡胶件在介质中的体积溶胀所部分抵消。这时压缩永久变形的数值大小就不一定最重要的参数，需要综合考虑产品的耐溶剂性能、阀门压力、耐磨性能等其他情况。

耐磨性

耐磨性对动密封来说是一个重要的指标。对橡胶耐磨性来说，有多种的标准测试，比如GB/T1689和GB/T9867。但是经验表明，这些标准测试的结果有时与实际情况不符，最好的办法还是在材料经验基础上，加上橡胶件的功能测试。表3列出了了几种常见材料的耐磨性供参考。由表可见聚氨酯橡胶的耐磨性最好，硅胶的耐磨性很差。

当然这里的结论也不是绝对的，因为配方对橡胶耐磨性影响很大。通过在橡胶配方中添加一些特殊成分，橡胶产品的耐磨性也能被显著提高。比如图1中的自润滑EPDM比通用级具有更低的表面摩擦系数。这种自润滑产品比单纯的涂抹润滑油效果要好，因为润滑油的效果一般是暂时的，因其在使用中会被很快消耗，而自润滑产品中含有特殊添加成分，可以保证产品表面较长时间保持光滑。

小结

以上列举的只是一些常见的因素。每个产品都有其特殊性，设计者应该根据具体的使用条件来选择合适的材料。比如，如果密封圈在安装时需要拉伸，那还需要考虑零件的抗拉强度、伸长率等性能。再如，环境中的臭氧浓度较高（电动马达的火花就能产生臭氧），那么丁腈橡胶就不合适了。因为臭氧会与丁腈橡胶发生化学反应，而使其失去密封性能。

现在材料科技日新月异，有不少新型材料逐渐出现在市场上，但是到目前为止还没有一种橡胶材料能够满足所有的要求。例如，丁腈橡胶的耐油性和耐低温性不可兼得。由于丁腈橡胶的特殊结构，如果需要提高它的耐油性，就会损失其部分耐低温性能。这时，设计人员就需要综合考虑零件设计、加工方法和橡胶配方等多方面因素，分清主次而选择最优方案。

最后，设计人员在选择密封件材料的过程中，还应该考虑向有经验的橡胶件供应商咨询。一个良好的橡胶供应商，除了能提供材料方面的帮助，还能提出有用的建议，比如橡胶件的设计方案是否合理、是否容易生产等，从而进一步优化产品设计。

综上所述，在机械密封中，必须根据实际情况来选择橡胶密封件材料。如果有一个经验丰富的橡胶密封件制造商相助，整个设计选材过程一定会事倍功半。

【参考文献】

[1] 陈德才, 崔德荣.机械密封设计制造与使用[M].北京： 机械工业出版社, 1993
[2] 顾永泉.机械密封实用技术[M].北京： 机械工业出版社, 2001
[3] 左景伊, 左禹. 腐蚀数据与选材手册[M].北京： 化学工业出版社, 1995
[4] 徐祥发.机械密封手册[M].南京： 东南大学出版社, 1990
[5] Liesl K. Massey. Permeability properties of plastics and elastomers: a guide to packaging and barrier materials, William Andrew, 2003
[6] Alexander Lebovits. The Permeability of Polymers to Gases, Vapours and Liquids[j]. Modern Plastics, 1966(3)： 139-213
[7]明尼苏达橡塑，Elastomers and Thermoplastics Engineering Design Guide（弹性体和热塑性塑料工程设计指南）