在热缩管的世界中,有一组数据常常被人提及,那就是200℃。普通的聚乙烯热缩管,在125摄氏度左右的时候就会出现性能下降的情况,但是有一种叫做氟橡胶热缩管的产品,在200摄氏度甚至是更高温度的情况下都可以长时间地使用,并且它的耐高温性非常好。当人们第一次听说到这款产品的性能的时候就会产生疑问:这不就是一个很薄的一层橡胶管嘛,怎么会有那么好的耐高温性呢?真正的理解到它的背后是材料科学原理的时候,大多数人会跟我一样的沉默不语。由于其具有耐高温的能力,并非只是简单地用“材料比较好”来解释,而是在分子结构上完全不一样。
首先来看一下普通的建筑材料为什么会“怕热”。
要想了解氟橡胶的耐温性能,就要知道普通的热缩管材料,在高温之下会怎样。
普通的热缩管一般用的是聚烯烃类材料,从本质上来说就是长链的碳氢化合物。分子链之间的主要联系是较弱的分子间的相互作用力来维持的。当温度上升的时候,分子链的热运动会变大,在达到一定的温度之后,链段之间的相互滑动就开始了,从而使得材料变得柔软、可塑性增强,并且还会出现粘稠的现象。当温度进一步上升时,分子链自身也会出现氧化分解的现象,从而使材料变得越来越脆、开裂、粉化。
因此普通的热缩管所能承受的最大温度是受两个因素影响的:分子链能否轻易地移动、分子链能不能很容易地断裂。聚烯烃在两个地方都没有占据优势的位置,因此它的耐温等级就不可能提高到更高的级别了。
二、氟橡胶分子结构的原因是天生耐高温三个原因
氟橡胶能够在高温下依然保持稳定的原因在于它特殊的分子结构中,并可以用一句话来总结出这三个词:耐热性、稳定性以及化学惰性。
第一种就是氟原子的“盾牌效应”。
在氟橡胶分子链上的碳原子周围所连有的氢原子都被大量的用作氟原子了。氟是元素周期表里电负性最大的一种元素,和碳结合而成的碳氟键,在所有的有机化合物当中是最强的一种化学键之一,它的键能远远大于一般的碳氢键。以碳氢键为例,它就像一条普通的棉线一样;而碳氟键则更加类似于一根高强钢丝绳。高温所供给的能量可以拉断棉线,但是很难把钢缆给拉断。分子链的骨架被这些个“钢缆”紧紧地绑住了,在高温之下也很难发生裂解现象,这是由于氟橡胶具有很高的耐热性而产生的根本原因。
第二个就是氟原子所形成的一层很厚的保护膜。
氟原子和氢原子相比,虽然键合比较牢固,但是它的体积比较大。当氟原子集中分布在分子链外面的时候,就会形成一层坚固的“盔甲”,把里面的碳链骨架包住。这样一层防护使氧、水、油和各种化学物质不能靠近碳链进行反应。普通的材料,在高温下发生的老化现象,本质上就是氧化反应加快的一种过程,而氟橡胶表面被氟原子所屏蔽,使得氧化反应的途径受到阻碍,大部分都被堵塞了。因此它不但抗热性好,而且对油和腐蚀都有很好的抵抗力——三个方面的保护来自于同一种结构原理。
第三、稳定性的交联网络。
氟橡胶生胶经由硫化过程之后,在分子链间形成了一定的数目化学交联点,并且形成了一个三维网状结构。和网络、聚乙烯等材料进行辐射交联相似,但是它的耐热性要好很多。当温度上升的时候,尽管分子链段的热运动会变大,但是由于交联点的存在使得整个“网络”被紧紧地包裹着,并没有因为温度升高而变得柔软、塌陷或者失去弹力。这是由于氟橡胶在200摄氏度的时候仍然保持柔软,并且不会像普通的塑料一样融化流淌的原因。
第三部分 200度代表什么意思:一个直接对比
数字一般没有具体的感观体验,可以举个例子来对比一下:家里的烤箱最高温度大约是230摄氏度左右;汽车发动机舱经过长距离、高转速行驶之后,在某些部位的温度可以达到120℃~150℃之间;一些工业烤箱、注塑机周围的环境温度为150~200℃左右。
在这种环境下普通的热缩管会怎么样呢?几月之内管壁慢慢变得硬而易碎,颜色也从黑色变成了灰色和白色,并且轻轻一折就会产生裂缝,从而降低其绝缘性。但是氟橡胶热缩管在这种环境下能够长时间地运行,并且仍然保持着柔软、有弹性的特性。寿命上的差异,并非是数量上的不同,而是一种本质的区别。
第四种高温以外的价值就是耐油性
氟橡胶热缩管还有一项经常被人忽视的功能——抗油、抗化学品的能力。发动机舱、液压站、变速箱周围的地方由于高温的原因里面充满了机油、液压油和燃油蒸汽等。普通的材料接触到油脂之后就会发生溶胀现象,分子链会被油脂中的分子“钻空子”一样地挤出来,体积变大、强度降低,很快就报废了。但是氟橡胶具有非常坚固的氟原子屏蔽层,使得油分子无法通过该屏障进入内部,因此它在长时间接触油脂之后仍然保持稳定状态。
这就可以解释一个行业的现象,在高温、含有油脂的地方,例如发动机附近电线电缆保护的情况下,一般只用到氟橡胶这样的管材来完成任务。氟橡胶热缩套管是同类型的产品之一,在结构和规格上有一定的差别,但是它们的核心都是针对一个应用场景而言的,在温度较高、油脂较多的地方使用得最多的就是用到这种材料上了。
第五个问题就是:它与PVDF热缩管有什么样的联系呢?
说到耐高温热缩管的时候,另外一个经常用来进行对比的产品就是PVDF热缩管了。它是用聚偏氟乙烯作原材料制成的一种产品,在里面含有很多氟元素,它的耐温可以达到大约175摄氏度左右,并且具有很强的抗化学腐蚀的能力,在电池、电容等等零部件上都有很广泛的使用范围。
两者之间的差别可以用这样的方式来解释:PVDF是半结晶性硬质氟塑料,在管壁上比较坚硬,“耐高温”的等级处于中间水平;氟橡胶是弹性体,管壁柔韧、耐高温、抗腐蚀能力强。当环境温度低于175℃且没有油脂污染时,PVDF热缩管一般具有较好的性价比;当温度在200℃左右或者环境中有大量的润滑油时,氟橡胶就更加安全了。另外,在应用中有湿气和密封要求的话,就需要结合双壁热缩管带有胶层的设计思路来进行综合选择,并且还可以考虑到带有胶层的高温材料。把材料和结构这两个方面结合起来进行选择,并且要对整个选型的方法论有一个全面的认识。
顺便说一下,在热缩管大家族里还有一种防滑握持效果很好的花纹热缩管,它可以解决的就是摩擦和手感的问题,并不是用来抗高温的,在选择的时候不需要把它们弄混了。
第六条 使用过程中的一些常识性提示
再好的材料也必须用对方法才行,以下是一些基本的知识需要记住:
第一种情况,在加热收缩的时候,温度要足够但是不能太高。氟橡胶热缩管的收缩温度比一般的要高一些,在加热的时候如果不够充分就会导致收缩不到位,所以建议用到热风枪来均匀地加热,并且不要用明火局部灼烧。
第二点要分清楚的是连续耐高温和瞬时耐高温之间的不同之处。产品的标称温度为200℃一般是指长时间连续工作的最高允许温度,并不是说可以在短时间内达到更高的温度而不影响正常使用。
第三点是存储的时候不能被阳光直射。尽管氟橡胶本身的抗老化能力很强,但是长时间受到紫外线的影响仍然会对表面性能造成一定的影响,在一般的仓库储存条件下就可以保持很长时间。
第四点是尺寸匹配仍然需要遵守一些基本的原则:在收缩之前能够顺利地套进去,在收缩之后又会非常紧实地贴合在一起,并且多余的量也刚刚好。
结语
关于标题中的问题:氟橡胶热缩管为什么可以承受200摄氏度呢?答案就隐藏于最微小之处,即碳氟键所具有的极高的键能、氟原子形成的致密屏障以及交联网络所提供的结构稳定性。三个因素一起起作用的时候,温度已经不是材料的对手了,普通的材料和它之间存在的差异,并不能通过工艺改进来弥补。
掌握了上述的知识之后,再去观察到发动机舱内或者工业设备中的那些默默无闻的工作着的黑乎乎的管线状物体的时候,也许就会多一份敬畏之心了吧。每一种新材料的发展都是一次分子世界的重新构建,在选择合适的材料之后,就等于给设备带来了长久可靠的运转保障。

