PTFE油封技术发展趋势

1929年，德国Walther Simmer博士发明了密封材料为橡胶的骨架油封(见图1)，骨架油封使用的橡胶材料主要有氟橡胶及橡胶。橡胶成本较低，但其耐高温性能较差；氟橡胶的耐高温性能虽然有明显改善，但成本较高。2种橡胶材料均有耐磨性较差、使用寿命较短的缺陷。

随着现代汽车工业的飞速发展，汽车发动机凸轮轴及曲轴的工况条件也更加苛刻，对密封的可靠性提出了更高的要求，它要求密封唇不仅耐介质性能及耐高低温优越，而且在高温、高线速度下摩擦阻力小、密封可靠、使用寿命长。用氟橡胶制造的曲轴密封已经很难满足汽油发动机的寿命要求，尤其在涡轮增压柴油发动机这种更极端工况下无法满足使用要求。此外，在航空发动机、螺杆空气压缩机等设备旋转轴的密封中，传统橡胶油封已经不能完全满足使用要求，人们开始尝试用填充聚四氟乙烯材料作为密封唇制作油封。

图1　传统橡胶包覆骨架油封

Fig 1　Traditional rubber coated skeleton oil seal

为克服橡胶骨架油封的泄漏问题，美国Mather National等公司在20世纪70年代先后研制成功用填充聚四氟乙烯材料制作的油封(见图2)。

图2　聚四氟乙烯油封

Fig 2　PTFE oil seal

1　聚四氟乙烯特点

聚四氟乙烯(PTFE)属于四氟乙烯单体的共聚物，主要有如下优点：

(1)化学稳定性好：耐强酸、强碱、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂。

(2)使用温度范围广：最高使用温度260 ℃，最低使用温度-260 ℃。

(3)摩擦特性好：摩擦因数非常小，而且动静摩擦因数基本相等。

(4)优异的耐老化性能和抗辐射性能。

(5)良好的不黏性。

(6)优异的电绝缘性能：介电性能极为优良。

由于纯PTFE耐磨性很差，因此要想作为旋转轴用动密封唇，必需对其进行填充改性处理。填充改性分为无机物填充改性和有机物填充改性，在PTFE纯料中加入碳素纤维、玻璃纤维、二硫化钼、石墨等称为无机物填充改性，在PTFE纯料中加入聚苯硫醚或聚苯脂等称为有机物填充改性。填充改性能够很好地提高PTFE的耐磨性能，同时又可以提高材料的钢性及导热性，从而提高油封的使用寿命。

2　PTFE油封的发展过程

军工行业是最早使用PTFE材料的，而PTFE作为静密封材料始于20世纪50年代。由于PTFE具有优异的自润滑性，因此，20世纪50年代乙烯压缩机的气缸密封用活塞环选用了PTFE填充材料，效果非常明显，活塞环的耐磨性明显改善，使用寿命大幅度提高，从此PTFE材料开始得以推广应用，随后逐渐推广到其他领域的密封件中。

20世纪70年代，一些国外的公司陆续开始研究PTFE唇油封，例如：日本荒井公司(NOK)用PTFE 压制成棒料，经过车削加工成圆形薄片，然后模压成为与橡胶油封形状类似的产品，这被称为第一代PTFE油封。由于PTFE材料刚性明显高于橡胶，回弹性很差，且不耐磨，无法满足油封跟随旋转轴高速回转的要求。

第二代PTFE油封是日本荒井公司在橡胶骨架油封的基础上做出的相关改进，即在橡胶油封内密封唇口侧粘贴上一层PTFE 膜片，将橡胶良好的弹性与PTFE的低摩擦性有机结合在一起，属于一种新型的橡塑密封结构。其唇口的线速度高达25 m/s，耐压差为0.35 MPa，即使在无油润滑的状态下，依然可以保证较好的密封效果。这种结构生产工艺相对复杂，生产成本相对较高，而且黏贴工艺的可靠性较难保证，未能得到良好的推广应用。

第三代PTFE油封也是日本荒井公司研制的，其特点是用PTFE 压制成棒料，经过车削加工成圆形薄片，然后模压成一个喇叭状薄膜，薄膜外圈用螺旋弹簧包裹一圈，以提供唇口对旋转轴的抱紧力。该结构的PTFE油封，由于螺旋弹簧对轴的抱紧力偏大，油封的使用寿命较短，而且该结构比较复杂，未能广泛推广。

第四代PTFE油封产品是美国Mather公司1975 年研制出的，其特点与第三代PTFE油封类似，也是用PTFE 压制成棒料，经过车削加工成圆形薄片，然后模压成一个喇叭状薄膜，先在外壳的内侧底面安装橡胶弹性垫圈，然后放上模压好的喇叭状薄膜，再用内骨架压紧该喇叭状薄膜，最后将外壳翻边压制成型(见图3)。与第三代PTFE油封相比，第四代PTFE油封结构简单，无需螺旋弹簧提供密封唇对轴的抱紧力，密封唇与轴的接触面相对较长，由于PTFE的自润滑性优良，内唇口不易因摩擦产生的高温而损坏。

第五代PTFE油封产品(见图4)于20世纪80年代研制成功，也是在第四代PTFE油封的基础上做出的重大改进。其特点是内唇口带有“反旋螺纹槽”，属于流体动力型油封，而第四代PTFE油封产品由于内唇口光滑，无“反旋螺纹槽”，因此密封效果一般。“反旋螺纹槽”的作用是给外泄到轴表面的油膜一个反向推力，从而阻止油膜外泄以及将外泄的油膜送回密封腔。第五代PTFE油封产品是流体动力学分析理论在油封领域应用的成果，使唇形旋转密封技术获得重大突破。目前国外的PTFE油封内唇口的螺旋槽基本采用模压成型，而国内PTFE油封内唇口的螺旋槽常用车削螺纹型。

图3　第四代PTFE油封
Fig 3　Fourth generation PTFE oil seal

图4　第五代PTFE油封
Fig 4　Fifth generation PTFE oil seal

不同的PTFE 油封结构型式，适应于不同的应用场合，比如：高压场合选择双唇结构，带防尘唇的结构主要用于灰尘多的场合，而双向唇结构用于密封2种不同介质的场合。

3　国内外PTFE油封研究状况

3.1　国外PTFE油封研究状况

目前，国外已经有比较成熟的聚四氟乙烯油封产品运用于航空发动机、汽车发动机及螺杆式空气压缩机等领域，国外从事该方面研究的著名公司有瑞典的特瑞宝、美国的卡勒克及法国的圣戈班等。

3.1.1　密封材料

特瑞宝公司的PTFE油封为特康泛力PDR系列，密封材料是在经过检验的TURCON材料基础上开发一系列特殊改性的材料，优化了摩擦和磨损特性，能够提供优良的密封性能，尤其适合于高速的圆周运动，可应用于有油、少油及无油等工况，在食品、化工、制药及半导体等行业得到广泛应用。代表的牌号有：T25、T40、T78及M83，主要填充材料有碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚合物、润滑剂及颜料。美国的卡勒克公司的PTFE油封为PS-SEAL系列，密封材料采用了该公司专利改性PTFE材料——GYLON，该系列产品是专门为高转速、高压力以及强腐蚀工况设计的，普通橡胶通常无法满足要求。主要填充材料有碳纤维、玻璃纤维、硫酸钡、二硫化钼及Econol。

3.1.2　密封结构

卡勒克(Garlock)及特瑞宝(Trelleborg)的PTFE油封的结构相对比较多，包括单唇、双唇(同向及反向)等，其主要结构如图5、6所示。

图5　卡勒克PTFE油封结构示意图

Fig 5　The sketch map of PTFE oil seal structure of Garlock (a)>PTFE oil seal with two lips of identical directions;(b)PTFE oil seal with two lips of opposite directions;(c)PTFE oil seal with one lip; (d)PTFE oil seal with one lip of opposite direction

图6　特瑞宝PTFE油封结构示意图

Fig 6　The sketch map of PTFE oil seal structure of Trelleborg (a)PTFE oil seal with one lip;(b)PTFE oil seal with two lips of identical directions;(c)PTFE oil seal with two superimposed lips;(d)PTFE oil seal with two lips of opposite directions;(e)PTFE oil seal with one dust lip

从图5及图6可以看出，两家国外公司的PTFE油封提供了多种结构形式，用户可以根据产品使用工况(压力、防尘等)，选择不同的PTFE油封结构。两者最大的差别在于，特瑞宝的PTFE油封，唇口内壁刻有“反旋螺纹槽”，属于第五代油封，而卡勒克PTFE油封以第四代无“反旋螺纹槽”为主。

3.2　国内PTFE油封研究状况

3.2.1　密封材料

广州机械科学研究院是我国机械行业技术归口单位之一，从20世纪80年代初就开始从事PTFE研究和产品开发工作，负责过国家“六五”、“ 七五”、“八五”相关PTFE材料的科技攻关项目。其中，在“十一五”国家科技攻关项目中承担了“重大冶金装备AGC油缸密封件关键技术研究”，开展AGC油缸PTFE组合密封研制，目前产品广泛应用于国内多家大型钢铁厂中；“十二五”承担了国家科技攻关项目“大型及行走式工程机械密封关键技术研究与应用”的子课题“PTFE材料及成型工艺技术研究”，为“三一”、“徐工”、“厦工”等工程机械企业提供PTFE密封产品。自2000年以来，广州机械科学研究院先后承担科技部技术开发研究专项、广东省科技攻关项目、广州市科技计划项目、广州机械科学研究院基金项目等十几个项目，完成了PTFE油封、PTFE油缸密封、长寿命无油润滑高压压缩机密封件、聚合物纳米复合材料及高性能PTFE摩擦密封件、高精高速高效机床用导轨软带等的研制和批量生产，积累了丰富的研究经验。

2010年，广州机械科学研究院完成广东省科技计划项目“发动机等高温高速高压设备用PTFE油封的研制” ，顺利通过验收，其技术指标如表1所示。

表1　发动机等高温高速高压设备用PTFE油封技术参数

Table 1　PTFE oil seal parameters for high temperature,high speed and high pressure equipment of engine

3.2.2　密封结构

国内研制的PTFE 油封主要应用于汽车发动机行业及螺杆空气压缩机行业，汽车发动机油封旋转速度更高，而螺杆空气压缩机油封承受的压力大。国内关于螺杆空气压缩机油封结构的资料极少，结构设计时除了考虑唇口高速旋转外，必须保证唇口的承压能力。

广州机械科学研究院从20世纪80年代初就开始从事PTFE材料研发和结构研究工作，自2008年开始承担广东省科技计划项目“发动机等高温高速高压设备用PTFE油封的研制”。在项目研究过程中，利用有限元分析方法，结合台架试验验证，形成了具有独立自主的知识产权的PTFE油封材料配方及结构设计专利(见图7)，并制订相关的企业标准、PTFE油封台架试验方法、PTFE物理性能检验规范及PTFE油封产品生产工艺。

图7　广州机械科学研究院PTFE油封结构及外观图

Fig 7　PTFE oil seal structure and appearance of GMERI

上海捷赢密封技术有限公司引进意大利派福特集团的技术，在PTFE油封研究及推广方面处于国内先进水平，其主要产品的结构见图8。

图8　上海捷赢PTFE油封结构示意图

Fig 8　The sketch map of PTFE oil seal structures of Shanghai Jieying

3.3　国内外PTFE油封的差距

20 世纪80 年代后期，PTFE 油封的研制工作才在国内部分汽车配套厂家开始起步，由于基础薄弱，再加上起步晚，又无验证手段，因此国内PTFE油封的技术水平与国外相比，差距是全方位的，主要表现在：

(1)外观方面，无论是金属冲压骨架的外观，还是PTFE密封内唇口的“反旋螺纹槽”纹路的清晰度方面，国产PTFE油封的外观与进口件依然有较大差距。

(2)材料配方方面，由于国内从事PTFE密封材料配方研究的单位很少，而能从事高速PTFE油封密封唇口专用料配方研究的单位更少，再加上国产件推广应用缓慢，因此材料配方研发的整体水平与国外有一定差距。

(3)有限元分析方面，国内从事橡塑密封有限元分析研究起步于21世纪初，目前能够掌握橡塑密封有限元分析应用软件的单位很少，尤其是掌握高速PTFE油封有限元数值分析应用软件的单位更少，有限元分析软件应用水平相对较低，尚处于起步阶段。

(4)寿命验证方面，目前国内的油封试验台，最高转速一般在10 000 r/min，油封唇口的线速度一般不超过30 m/s，与真正意义上的高速油封的线速度差距明显。由于不具备验证手段，结构研究、材料研发及有限元分析结果是否与实际吻合不得而知，因此是否需要改进无判断依据，如何改进更无从谈起。

4　PTFE油封的发展趋势

由于PTFE油封卓越的性能，并且与普通橡胶油封有互换性，因此它在苛刻工况下取代橡胶油封是必然趋势。

在目前的航空发动机传动附件中，其传动轴上的PTFE油封不仅要求承受一定的压力，而且对唇口的速度及温度要求也越来越高。随着航空业的飞速发展，最高转速及最高瞬时温度的进一步提高将是必然趋势。由此可见，运用有限元分析方法，优化PTFE油封的密封结构，研发适合的材料配方，结合模拟实验台架验证，将是高速、高温PTFE油封未来需要攻克的关键点。

4.1　PTFE油封总体方案设计

今后，PTFE油封总体技术方案应该从流体动力学分析、结构深层次研发、唇口材料的深层次应用及台架试验验证4个方面入手(见图9)，针对改善高转速下油封的跟随性、高温下唇口过盈力的保持及降低高线速度下唇口磨损3个方面进行重点技术研究，通过对油封腰部韧性、唇口回复性及油封润滑状态等核心技术要素的控制，来保证产品达到使用要求的性能与寿命。

图9　PTFE油封研究的总体方案图

Fig 9　Overall scheme diagram for the study of PTFE oil seals

4.2　研究方法和技术途径

(1)提高高转速下的油封跟随性。改善油封腰部结构设计，提高油封腰部的韧性，以改善油封的动态跟随性能；选用二代氟材料，提高唇口材料的韧性，改善材料的动态响应性能。

(2)保证高温下的唇口过盈力。选用二代氟材料，合理改性，提高唇口材料的高温蠕变性能；对唇口材料进行技术处理，提高唇口“记忆”及回复特性。

(3)降低高线速度下的唇口磨损。运用有限元分析工具，进行高速下唇口的流体动力学研究，改善唇口密封时的润滑状态，从而减少唇口磨损；降低唇口材料的摩擦因数，提高唇口材料的耐磨性。

5　结束语

由于PTFE材料不仅适用于一般工况条件，而且在高温、超低温、高压、高速和特种介质等工况条件下仍然具有良好的密封作用，因此PTFE油封将一直是高端油封发展的主流，具有非常广阔的应用前景。

航空及汽车是我国快速发展的产业，高性能的PTFE 油封对这2个产业有重要的支撑作用。目前，在PTFE 油封材料的研究方面，国内与国外比较还存在较大差距，迫切需要加强国内的产学研合作，掌握高速PTFE油封有限元分析方法，开发出一定压力下的高速、高温油封试验台，研制出具有国际竞争力和自主知识产权的PTFE油封产品，制定出PTFE油封产品及材料的行业标准，规范和指导今后的PTFE油封产品开发。

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