现代橡胶隔膜

江畹兰 编译

(华南理工大学材料学院, 广东 广州 510641)

现代橡胶隔膜

江畹兰 编译

(华南理工大学材料学院, 广东 广州 510641)

阐述了广泛用于各技术领域，作为仪器敏感原件和控制器受力原件的隔膜用橡胶织物材料及隔膜的结构。文章谈到了选择聚合物基料，选择骨架材料及提高隔膜使用可靠性等多个方面的问题。

橡胶隔膜；橡胶织物材料；氢化丁腈橡胶；控制器

0 前 言

橡胶隔膜及橡胶织物复合隔膜，作为仪器的敏感原件及控制器的受力原件，被广泛用于航空、汽车、机床制造、化学工业及重型设备和运输机械制造业。除此以外，在国民经济的其他部门也得到了广泛的应用。

从技术上说，隔膜（俄联邦国家标准ГОСТ 21905-76）是指按一定外形固定的橡胶或橡胶织物复合的阻隔薄片。它能分隔两个不同压力的腔室，或将一个腔室与空间隔开，能将压力的变化变成位移或相反。

工业用的隔膜是调节器、膜阀及膜泵、制动器、自动锤、压力机、充压容器、钻探设备、压力容器等控制器的主要原件之一。由于它灵敏度高，所以无可替代地被用于控制仪器，显示仪器电介质变频器、电阻接触传感器、按钮开关、动力补偿仪器[1-3]。

橡胶隔膜具有奇异的性能，即它们的硬度低，可逆向大变形，可在宽域的温度范围内工作，高强度及高密封性等等，这就导致了人们选用橡胶来作为结构性高弹性材料。与金属隔膜相比，橡胶隔膜及橡胶织物复合隔膜本身的硬度较低，故较金属更适合作为在压力下工作的仪器的敏感元件。橡胶隔膜在压力作用下可以产生较大的轴向位移，用于控制仪器的工作[1]。目前，由于隔膜气动装置价廉、简单、紧凑耐用，正在顺利地取代活塞传动器。橡胶隔膜的工作寿命为6×106次～107次，而活塞传动器只有106次[4]。此类装置的动力隔膜可将压力转换成相应的机械力（如在控制器中）或相反，即将由机械力产生的轴向位移转换成压力或产生负压，使液体或气体流动。隔膜泵就是这样工作的。

1 隔膜的分类

隔膜可按其工作性能、结构及所用材料分类。按工作原理隔膜可分为直接作用和反向作用两类。前者用于改变产生位移的压力，后者将位移转换为压力[1,2]。

按隔膜的使用条件和用途，又可分成压力隔膜、补偿隔膜、隔膜泵及减震隔膜。

隔膜由二个主要元件（隔膜和法兰盘）组成。

按结构特点分类，隔膜则决定于隔膜本身的形状，可分为薄片形、波纹形、盘形、卷曲形、活塞形隔膜。当然，也可按其他特点分类，如按在仪器中的用途，可分成压力型隔膜、隔膜敏感原件，分离型隔膜等等。按制造隔膜的原材料，可将隔膜分为橡胶隔膜或橡胶织物隔膜等，图1为隔膜的主要种类。

图1 工业用隔膜的分类

材料选择取决于隔膜的用途及隔膜的工作形式，即是将压力转换成位移呢，还是相反。

根据隔膜的功能用途，某一些要求是明确的。但密封性、使用寿命和强度等性能则对所有的隔膜都是必须的要求。因为这些要求决定了隔膜的工作寿命。

要满足这些要求，必须正确选择隔膜的结构和尺寸、橡胶和骨架材料的种类及生产工艺。上述各项内容都是不可分割的，只有综合处理这些问题，才有可能生产出符合性能要求的现代隔膜。

由图1的分类可以看出，隔膜通常有薄片形和波纹形两种。后者只能有刚性中心，而对于薄片形隔膜，刚性中心有无都可以（见图2）。在刚性中心下方固定着二块金属圆片，它们被固定于与之同心的隔膜的几何中心和固定隔膜的外径上，以增大隔膜的有效面积FЭФ( 图2，В，Г)。FЭФ是指在压力P和增大的隔膜工作应力Q的作用下设定的活塞面积[4]。

隔膜的形状取决于隔膜的用途，其决定因素是所要求的位移值。这是因为在使用薄片形隔膜时，位移只能靠隔膜材料的拉伸获得，所以空程仅为隔膜直径的7%～9%。只有在使用盘形、波纹形或卷曲形隔膜时，才能获得较大的行程值。

薄片形隔膜用于隔开存放不同介质的腔室和有压差的腔室。隔膜的另一个作用是使压力变为动力。薄片形隔膜还具有减压的特性，故主要用于行程的起始阶段。在压力变为动力时，为使隔膜不致产生大的位移，一般采用刚性大的弹簧。

图2 隔膜的结构

隔膜通常可分为波纹形、拍合形、盘形等几种（见图2г、д、е、ж）。在这些结构中，隔膜刚性中心的移动靠隔膜形状的变化（弯曲）来实现。在选择隔膜形状时，材料的弹性及厚度有重要的意义。一方面，当圆角半径不大时，应力容易集中；另一方面，在锥体急剧增高时，橡胶织物材料容易起皱折，使引起位移的压力功与隔膜材料的变形功互相矛盾。材料厚度越大、硬度越高，则隔膜材料的变形功将越大。隔膜的刚性使仪器的指示灵敏度降低。因此，最好使用薄层隔膜及弹性材料，但是，这些要求受到橡胶材料强度性能的限制。使用橡胶织物材料制造隔膜，不但不损失弹性，还可显著提高隔膜的弹性。

2 对工业用隔膜的要求

隔膜结构的选择取决于它的功能，且每一种结构都应与一定的特征相吻合。

对隔膜的要求[1,2]包括其密封性、强度、灵敏度、硬度要稳定、有效面积恒定、低滞后损失、在工作温度范围内性能稳定、在周期性负荷下的较长使用寿命，对腐蚀性介质的稳定性等。

隔膜的用途及结构不同，上述要求也各有侧重点，但密封性、强度和使用寿命则是对所有隔膜的必须的要求。强度对受力型隔膜是非常重要的。因为在传递动力时，隔膜会承受很大的压力。波纹形隔膜应当满足所有综合性能的要求。所有隔膜及其用途归纳起来是承担两种主要功能：一类隔膜是作为仪表的敏感原件；另一类是在压力作用下传递动力的隔膜。波纹形隔膜属于第一类，其主要特点是在宽域的温度范围内具有灵敏度及弯曲稳定性。第二类为受力薄片形隔膜，强度是其主要性能要求。此种分类有利于集中力量来研究隔膜的主要问题。

3 生产工业用隔膜的原材料

生产封闭型控制机件常采用薄片形和波纹形的隔膜，要根据产品的使用要求来选择生产隔膜所用的原材料，如温度、工作介质的压力和类型、隔膜行程及封闭型控制机件或压力控制器的结构特点。

橡胶织物—亚麻布及其半成品常被用于生产隔膜。它是由二种不同类型的材料—橡胶及工业用织物粘接而成的复合材料。

3.1 织物

织物在橡胶-亚麻布结构中是受力层，故要具有强度和承载能力。选择亚麻布，在很大程度上决定于橡胶织物对外界作用的稳定性和产品的工作性能。

在设计隔膜半成品结构时，通常根据以下标准来选取织物骨架材料：

（1）保证所要求的使用性能（拉伸强度、伸长率、模量、磨耗性、撕裂强度、热稳定性等）；

（2）构成工业用织物的纤维及线束的化学特性；

（3）织物及其线束的结构

所有橡胶制品都要经过硫化。因此，橡胶制品中的骨架材料都必须在硫化加工过程中保持稳定。此外，除了增强性能及橡胶-织物材料间的粘合强度之外，织物还应具有光滑的、高质量的表面，避免出现各种缺陷，这也是对织物（隔膜）的必须的要求。因为织物的任何缺陷都会损害最终产品的质量（防水性、气密性及外观）。按规定，在10米长的织物上不得多于1个缺陷（跑线、挂线、断线、接头、污染、边缘拉紧或疏松等）[5,6]。

根据使用条件，隔膜用橡胶织物由天然纤维与合成纤维制得，由天然纤维制得的织物得到了广泛应用，这是因为它们有弹性（如丝绸）且耐折叠；但它们的强度低，且耐热性不够高（403K）[7]。

基于对当今纺织品市场的分析，和橡胶织物复合制品工业的结构特点，在生产当代隔膜时，主要选择了合成纤维，诸如聚酰胺、粘胶纤维、聚酯纤维及芳纶帘线[7]，或它们的混纺织物[2]作骨架材料。使用合成纤维织物可减轻重量并改善影响制品质量的指标，如拉伸强度、撕裂强度、变形时的挺性、弹性和耐热性等等。生产隔膜最多使用的合成纤维织物是聚酯和聚酰胺。

聚酯织物的强度不低于聚酰胺，前者具有高弹性，在紫外线作用和潮湿条件下，强度性能不变，但粘合性能差。为了提高粘合性能，需要采用特殊的浸胶处理工艺。热处理可使聚酯纤维的性能显著改善，如使结构紧凑，减少纤维中的空洞、降低热收缩率等，这些织物常与亚麻混合编织。

聚酰胺织物具有很高的强度，较天然织物要高出好几倍。同时，聚酰胺织物还具有高弹性和耐磨性，其纤维具有防霉性，表面光滑，但它与橡胶的粘合强度低，故其织物也需要经过专门的粘合处理，例如用酚醛树脂、乙烯吡啶胶乳或苯酚、环氧树脂等浸渍处理，聚酰胺织物常同亚麻布、斜纹布、席纹布交织加工。

在俄罗斯最常用的聚酰胺织物是卡普隆ТК-50、ТК-80、56003、56026、56026 РRА89 及56321[3]。

使用隔膜时发现，其工作寿命在多半情况下乃取决于橡胶层的稳定性，它比织物层的被破坏要快得多。

3.2 橡胶起密封作用并使隔膜在卸去负荷后恢复到原状

橡胶起弹性元件和高灵敏度的密封元件的作用。隔膜工作时，在宽域的温度范围内应使隔膜中的橡胶层保持完整性和弹性（高温作用下无老化裂纹，在低温或疲劳时无脆性破坏）。橡胶的另一作用是使隔膜在空气、燃油介质、油品及其它腐蚀性介质中保持稳定。在空气介质中工作（温度213K～353K）的隔膜可采用天然橡胶制造；而在燃油介质中工作的隔膜常用丁腈橡胶、氟橡胶或氟硅橡胶制造。在473K到523K温度下工作的隔膜，常用氟橡胶或氟硅橡胶制造。在低温下（从228K到213K）工作的隔膜，宜采用天然橡胶、丁腈橡胶或氯丁橡胶制造。当然，也可使用丁腈橡胶与氯丁橡胶或聚硫橡胶的并用胶[5]制造。

近年来，人们就此进行了大量的研究工作，以期采用在极端条件下仍能工作的特种橡胶（如氢化丁腈橡胶）替代通用橡胶。

根据俄罗斯技术条件ТУ38005206/6018-94及ТУ380056109-88，目前已开发并投入批量生产的工业用隔膜半成品是薄片形和波纹形的，其中的弹性体材料即为氢化丁腈橡胶。与丁腈橡胶和氟橡胶相比，前者在较宽域的温度范围（从-50℃至150℃）内，及在腐蚀性介质中能正常工作，可有效地解决重要的技术难题，提高各种橡胶制品的使用可靠性[3,9]。在生产弹性隔膜时，配方设计及工艺参数的选择是关键，是“橡胶-织物”体系的粘合强度能达到所要求的水平的保证。选择织物的弹性，应以织物和橡胶界面间没有应力集中为准。但由于不可能完全避免“橡胶-织物”界面上应力集中现象，故必须保证橡胶与织物的粘接强度。粘合问题存在于织物与橡胶的接合处，故不可能仅由某一个部门来彻底解决。

使用带官能团的聚合物胶粘剂，在其中加入树脂及其它预聚物添加剂，在覆盖胶中含有反应性活性基团，这些都有助于在橡胶帘线体系的界面间发生相间反应。为了提高织物与橡胶的粘接强度，可用浸渍组份材料对织物作补充处理，所谓浸渍组分材料，即含间苯二酚-甲醛树脂的胶乳[7]、橡胶的有机溶剂溶液，这其中还含有异氰酸酯或相应比例的增粘剂。

4 工业用橡胶隔膜的生产工艺

制造隔膜用的橡胶织物材料的主要生产工艺是挤出法（同时还使用胶浆），及在织物上贴合压延胶料并在硫化机中硫化。除此以外，工业上还常用组合方法生产织物，即先在挤出机上涂一两层胶浆，然后再把胶料贴合在织物上[6]。日本采用的贴胶方法，是使织物连续通过压力机，在压力下织物被贴上未硫化的橡胶，使橡胶沿织物运动方向斜向移动，并经挤出机挤出。此种方法可在织物上覆盖厚度小于1mm的未硫化胶料[11]。薄壁橡胶织物隔膜可用冲床冲切覆胶织物（单层或多层的）。

5 结束语

橡胶隔膜和橡胶织物隔膜，属于安装在仪表或机械的相应部件上的橡胶件，安装这些部件时会使橡胶件显著变形，这反映出橡胶件在使用时的力学性能。故仅仅评估弹性体复合材料的力学性能是不够的[1]。研究隔膜的工作机理及其检测方法，可确保其生产质量及使用时性能的稳定性。由于隔膜的特性从根本上说，取决于力学作用（形变值、受力特征及负荷状态）及非力学因素（温度、时间），故从材料学和橡胶制品结构的基本立场出发，顺利地确立及制订生产隔膜的结构参数和工艺参数，这就需要考虑在使用条件下橡胶织物材料性状的特性[2]。由于使用了现代的纺织材料和弹性体材料[3,9]，故可以扩大隔膜工作的温度范围及提高隔膜的使用寿命，从而可有效地提高装配了隔膜的装置的可靠性和有效性。

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[责任编辑：杨耀祖]

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1671-8232(2014)01-0028-05

2012-06-05

江畹兰（1934 - ），女，湖北省仙桃市人。1960年毕业于前苏联莫斯科罗蒙诺索夫精细化工学院。现任华南理工大学教授，从事聚合物结构与变化的研究。