摘要：本文主要介紹了氣瓶閥門(mén)閥芯常用密封材料的性能、密封材料的選擇原則及實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法。

氣瓶閥門(mén)閥芯的密封件是閥門(mén)最關(guān)鍵的零件，尤其是材料的選擇更為重要。現(xiàn)階段，最常用的氣瓶閥門(mén)閥芯的密封材料有聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、尼龍66等材料。這三種密封材料，性能各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)特征和使用環(huán)境不同來(lái)進(jìn)行選擇。

一、常用密封材料的性能

聚四氟乙烯(F4，PTFE)具有一系列優(yōu)良的使用性能：適用溫度范圍廣，在-196～260℃的較廣溫度范圍內(nèi)均保持優(yōu)良的力學(xué)性能；耐腐蝕性能強(qiáng)，除熔融的堿金屬外，聚四氟乙烯幾乎不受任何化學(xué)試劑腐蝕，例如在濃硫酸、硝酸、鹽酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均無(wú)變化，也幾乎不溶于所有的溶劑；耐候性能好，不吸潮，不燃，對(duì)氧、紫外線(xiàn)均極穩(wěn)定；潤(rùn)滑性能好，具有塑料中最小的摩擦系數(shù)（0.04）；阻燃性能好，適合于氧化性強(qiáng)的氣體介質(zhì)。不過(guò)，該材料機(jī)械性質(zhì)較軟，表面能非常低；同時(shí)該材料在高溫下會(huì)裂解產(chǎn)生劇毒的副產(chǎn)物氟光氣和全氟異丁烯等。

聚三氟氯乙烯（PCTFE）同樣具有優(yōu)良的使用性能，與PTFE相比機(jī)械性能和表面能大大的提高；耐低溫的性能更好，能適用于超低溫氣體介質(zhì)；耐化學(xué)性能稍遜于PTFE，但仍?xún)?yōu)于其他塑料；耐高溫性能不如PTFE，在100℃以上會(huì)出現(xiàn)軟化的現(xiàn)象，在高溫下（140℃）遇氯磺酸、熔融苛性堿、新生元素氟以及發(fā)煙硫酸都是不穩(wěn)定的，高溫高壓下能被四氯化碳、己烷、環(huán)己酮及苯類(lèi)芳香族溶劑溶解。

尼龍66（PA66）機(jī)械強(qiáng)度高，韌性好；自潤(rùn)性、耐摩擦性好；具有很好的自潤(rùn)性，摩擦系數(shù)小；彈性好，耐疲勞性好，可經(jīng)得住數(shù)萬(wàn)次的雙撓曲；耐腐蝕性能佳，有較強(qiáng)的耐堿能力。不過(guò)該材料不具有阻燃性，會(huì)產(chǎn)生燃燒；且吸水率較高。目前市場(chǎng)上有各種阻燃尼龍材料，作為閥芯的密封材料以杜邦的V0級(jí)阻燃尼龍為佳。

二、常用密封材料的選擇原則

氣瓶閥門(mén)廣泛應(yīng)用于氧化性、酸性、堿性、溶解性、易燃性等各種性能的介質(zhì)，閥芯密封件在閥的啟閉過(guò)程要承受較大擠壓力，聚三氟氯乙烯材料因具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的阻燃性能、較強(qiáng)的耐腐蝕性能，綜合性能優(yōu)良，可普遍地應(yīng)用于常溫環(huán)境下的工業(yè)氣瓶閥門(mén)。氟四氟乙烯材料因機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，適用于環(huán)境溫度較高、口徑較小、壓力較低、具有氧化性介質(zhì)的閥門(mén)。尼龍66各項(xiàng)性能較好，也可廣泛應(yīng)用于多個(gè)種類(lèi)氣瓶閥門(mén)，但因其不具阻燃性，不能應(yīng)用于具有氧化性介質(zhì)的閥門(mén) 。下面列出一些特殊環(huán)境和用途的閥門(mén)閥芯密封材料的選擇建議：

1、液氧、液氮、液化CNG等低溫液化氣體因溫度會(huì)達(dá)到-196℃，采用低溫性能較好的聚三氟氯乙烯比較合適；

2、因氟材料在高溫下會(huì)裂解產(chǎn)生有毒氣體，聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯材料的密封件不建議應(yīng)用于醫(yī)用、呼吸用氣體閥門(mén)，目前歐洲的相關(guān)法規(guī)已明確規(guī)定氟材料不得應(yīng)用于醫(yī)用、呼吸用氣體閥門(mén)。

3、醫(yī)用氧氣具有氧化性，沒(méi)有阻燃性能的密封材料在氣體高速流動(dòng)的摩擦下可能會(huì)發(fā)生激燃。因聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯材料不能應(yīng)用于醫(yī)用、呼吸用氣體閥門(mén)，具有V0級(jí)阻燃性能的杜邦尼龍66通過(guò)多年的實(shí)際應(yīng)用是一個(gè)相對(duì)理想的選擇。

4、對(duì)于一些在使用環(huán)節(jié)中要承受短時(shí)間高溫（100℃以上）的閥門(mén)（如高純氣體氣瓶為了保證瓶?jī)?nèi)的純凈，在充氣前要加熱到100℃烘瓶及進(jìn)行10小時(shí)的抽真空），不建議采用聚三氟氯乙烯材料，因該材料在100℃會(huì)出現(xiàn)軟化，機(jī)械強(qiáng)度大大下降。

5、因尼龍66材料的吸水率較高，應(yīng)用于含水較高及溫差較大的環(huán)境，可能出現(xiàn)閥門(mén)密封件脫落的現(xiàn)象。如必須采用該材料，則應(yīng)通過(guò)改進(jìn)密封件的固定方式來(lái)降低脫落的可能性。

6、有些氣體在開(kāi)采、制造過(guò)程中會(huì)混有其他物質(zhì)，在選擇密封材料時(shí)應(yīng)分析現(xiàn)有市場(chǎng)中氣體的實(shí)際現(xiàn)狀，綜合判斷該材料是否適合相應(yīng)的氣體介質(zhì)。

三、密封材料的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法

密封材料在應(yīng)用于新的介質(zhì)之前，為了驗(yàn)證該材料是否適合該介質(zhì)，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估實(shí)驗(yàn)。

1、介質(zhì)相容性試驗(yàn)

每次取3只樣品，進(jìn)行體積變化試驗(yàn)。首先，在室溫條件下將其放在小直徑線(xiàn)環(huán)上，用萬(wàn)分之一的天平分別稱(chēng)取樣品的空氣中質(zhì)量（M₁）；然后，將樣品在無(wú)水乙醇中浸沒(méi)一次，取出放入蒸餾水中，分別稱(chēng)取其在水中的質(zhì)量（M₂）。將樣品擦干后，浸入25℃±3℃的正戊烷（分析純）液體中保持72h，將樣品逐個(gè)從液體中取出，每取出一只試樣，在30s內(nèi)立即擦干，并放在同一線(xiàn)環(huán)上稱(chēng)取其空氣中質(zhì)量（M₃）；隨后，立刻將其在無(wú)水乙醇中浸沒(méi)一次，然后放入蒸餾水中，稱(chēng)取其水中質(zhì)量（M₄）。體積變化率計(jì)算見(jiàn)公式（1）：

取3個(gè)試樣的平均值作為試驗(yàn)的結(jié)果，體積變化率應(yīng)不大于20%。

與體積變化試驗(yàn)采用同一組試樣同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。在完成體積變化試驗(yàn)后，將樣品置于40℃±3℃的空氣中至少保持48h，然后在室溫條件下直至質(zhì)量恒定，記錄最終稱(chēng)量值(M₂′)。質(zhì)量變化率按公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

質(zhì)量變化率 = …………………（2）

取3個(gè)試樣的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，質(zhì)量損失率應(yīng)不大于5%。

2、氧氣激燃試驗(yàn)

用于氧氣介質(zhì)的閥門(mén)密封材料可通過(guò)氧氣激燃試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，氧氣壓力激燃試驗(yàn)按以下步驟：

a）試驗(yàn)前應(yīng)檢查氧氣激燃試驗(yàn)裝置的升壓情況，在裝置中各部件的相互作用情況以及試驗(yàn)儀表情況，符合試驗(yàn)裝置的壓力循環(huán)特性如圖7和圖8所示后，將閥裝到試驗(yàn)裝置上。

b）試驗(yàn)介質(zhì)為純度大于等于99.5%的氧氣，其碳?xì)浠衔锓螱B/T 3863，試驗(yàn)壓力為閥的公稱(chēng)工作壓力，氧氣加溫至60℃±3℃。

c）60℃±3℃的氧氣通過(guò)啟動(dòng)快速開(kāi)啟閥（20ms），經(jīng)過(guò)內(nèi)徑為5mm，長(zhǎng)1000mm的銅管直接進(jìn)入被試驗(yàn)的閥。這個(gè)試驗(yàn)閥要承受從大氣壓力到閥的公稱(chēng)工作壓力的20次壓力循環(huán)（閥關(guān)閉和打開(kāi)各20次，開(kāi)啟時(shí)進(jìn)氣口要封住）。試驗(yàn)結(jié)束后，把試樣閥拆開(kāi)并仔細(xì)檢查，包括內(nèi)部各零件，無(wú)點(diǎn)燃、無(wú)灼焦的痕跡。

1—— 閥的進(jìn)氣口；

2——預(yù)熱裝置；

3——溫度控制器；

4——壓力表；

5—— 溫度計(jì)；

6—— 氧氣容器；

7—— 觸動(dòng)器；

8—— 快速開(kāi)關(guān)閥；

9—— 降壓閥；

10—— 銅管（內(nèi)徑5mm）；

11—— 試樣閥；

3、氧氣老化試驗(yàn)

將非金屬零件放入密封容器內(nèi)，抽真空至13.3 Pa以下，然后充入氧氣（純度≥99.5%）壓力至（1.8～1.9）MPa，放入溫度為70℃±2℃的高溫箱內(nèi)，當(dāng)容器內(nèi)的溫度平穩(wěn)后，調(diào)節(jié)容器的壓力至2MPa，然后連續(xù)放置96h；取出后冷卻至常溫，在25倍的放大鏡下檢查應(yīng)無(wú)裂紋。

4、還應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定性能試驗(yàn)，如強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)等。

綜上所述，氣瓶閥門(mén)閥芯密封材料關(guān)系到閥門(mén)密封性能、用戶(hù)使用安全，其選擇應(yīng)充分考慮介質(zhì)的特性、使用場(chǎng)合、環(huán)境溫度等因素，并應(yīng)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)論證。