孔晶，王永宁，宋鹏涛，谢逸，刘海华

(珠海罗西尼表业有限公司，广东珠海519015)

超高分子聚乙烯(简称“UPE”)［1－4］一般是指粘均分子量大于150万的线型聚乙烯，是综合性能最好的工程塑料之一，常被用作高分子摩擦符合材料基体，其优异的性能主要表现在:(1)耐冲击性能好;(2)耐磨损性能极好，是目前耐磨损性能最好的工程塑料之一;(3)摩擦系数小;(4)无味、无毒，因此也被手表制作师用于手表表壳的密封圈中;(5)耐各种化学药品的腐蚀，且吸水性极低，在水中不膨胀。

本文所述的手表表壳的密封圈主要用于表玻璃与表壳间的配合垫圈，在人们使用手表中会遇到各种环境的影响，比如近赤道的高温环境、强烈的紫外线照射、寒冷冬天室内外温差、海洋气候或人工汗液的侵蚀等，密封圈在遇到各种恶劣的环境会产生老化，目前对用于手表表壳密封圈的性能罕见报道，本文模拟各种气候和使用环境分析了UPE材质的密封圈的耐老化性能和力学性能，旨在为手表表壳中密封圈的使用提供理论参考依据。

1 实验部分

1.1 原材料

采用UPE材料制作的塑料密封圈。

1.2 试验方法

1.2.1紫外光暴露试验

该试验参照GB/T 16422.3－1997《塑料实验室光源暴露试验方法—第3部分:荧光紫外灯》进行。

抽取5个试样，在黑标准温度60℃±3℃下辐照暴露4h，然后，在黑标准温度50℃±3℃下无辐照冷凝暴露4h。如此循环15次，试验总时间为120h，试验在HK-UV型紫外线耐候试验箱中进行。试验后，观察密封圈是否变色，并测试试验后的断裂拉伸强度和断裂伸长率，求出密封圈的紫外光暴露试验后的老化系数。

1.2.2湿热老化试验

该试验参照GB/T 15905－1995《硫化橡胶湿热老化试验》进行。

抽取5个试样进行湿热老化性能测试，采用HK－80L型可程式恒温恒湿试验箱进行试验，将设备温度调至70℃，相对湿度调至93%±2%，稳定后，把试样呈自由状态悬挂在箱内进行老化试验，试样彼此之间的距离≥10mm，距离恒温箱壁≥100mm(之后试验均按此悬挂试样)。试验结束后，取出试样，测定其断裂拉伸强度和断裂伸长率，求出密封圈的湿热老化系数，并与老化前的数据进行对比。

1.2.3温度循环试验

该试验参照GB/T 15905－1995《硫化橡胶湿热老化试验》进行。

抽取5个试样进行温度循环测试，采用HK－80L型可程式恒温恒湿试验箱进行试验，该试验的循环温度下限为－(20±2)℃，上限为(40±2)℃，温度上下限升降以4h+4h进行交变循环，共循环3次，试验结束后，取出试样，测定其断裂拉伸强度和断裂伸长率，求出密封圈的温度循环老化系数，并与原始试样的数据进行对比。

1.2.4极限冷冻试验

抽取5个试样进行温度循环测试，采用HK－80L型可程式恒温恒湿试验箱进行试验，试验温度为－(30±2)℃，试验时间为30h，试验结束后，取出试样，测定其断裂拉伸强度和断裂伸长率，求出密封圈的温度循环老化系数，并与原始试样的数据进行对比。

1.2.5耐人工汗腐蚀性

所用人工汗溶液成分:氯化钠20g/L，氯化铵17.5g/L，尿素5g/L，醋酸2.5g/L，乳酸17.5g/L，用氢氧化钠溶液调节pH至4.7。

采用HK－058精密高温烘箱进行试验，试验温度为40±2℃，试验时间为48h，试验结束后，取出试样，观察试验后密封圈有无腐蚀、变色和长霉现象，用清水将人工汗液洗净，测定其断裂拉伸强度和断裂伸长率，并与原始试样的数据进行对比。

1.3 分析与测试

1.3.1 表面形貌

采用日本VHX－500F型超景深数码显微镜观察手表所用密封圈的表面放大形貌，并用数码相机拍摄全貌。

1.3.2 力学性能［5］测试与计算

采用电子拉力试验机，按照GB/T 528－2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》测试拉伸性能。

计算方法:

拉断伸长率用百分比的形式a来表示:

式中，a—密封圈拉断伸长率(%);

A—密封圈实验室条件下的拉断伸长长度(mm);

B—密封圈的自然长度(mm)。

1.3.3 老化系数的计算

老化系数使用E表示:

式中，E—密封圈老化系数(%);

C—密封圈老化试验或冷冻试验后的性能数据(mm);

D—密封圈老化试验或冷冻试验前的性能数据(mm)。

2 结果与讨论

2.1 UPE塑料密封圈的表面形貌及基本性能

本研究对UPE塑料密封圈的原始基本性能进行测试，因Zytel材料［6］是一种含玻璃纤维和凯夫拉尔的热塑胶，在手表表壳密封圈中也有着广泛应用，本文将UPE塑料密封圈与相同尺寸的传统Zytel材质密封圈的性能进行对比，图1为UPE和传统Zytel材质的密封圈宏观形貌，表1为UPE和传统Zytel材质密封圈在实验室条件下(温度为23℃，湿度60%)的力学性能数据表。可以看出，传统Zytel材质密封圈较易断裂，UPE材料的密封圈的断裂拉伸强度和断裂伸长率明显大于Zytel材料，可显著提高密封圈的使用可靠性。

图1 UPE和传统Zytel密封圈的宏观形貌Figure 1The macro profile of UPE and traditional Zytel seal ring

表1 UPE和传统Zytel密封圈的基本性能Table 1 Basic properties of UPE and traditional Zytel seal ring

因密封圈在表壳内部，表面的加工情况直接影响到零件之间的配合，同时，若O型料不易加工、较易产生毛刺则会直接影响机心的走时，因此表面加工情况对密封圈在手表中的使用尤为重要，图2为UPE密封圈表面200倍放大形貌，可以看出UPE塑料密封圈的加工纹路清晰、无毛刺，适合作为表壳内部材料使用。

图2 UPE塑料密封圈的表面放大形貌Figure 2The enlarge surface morphology of UPE plastic seal ring

2.2 紫外光暴露对UPE塑料密封圈性能的影响

图3 UPE塑料密封圈紫外光暴露试验前后的力学性能Figure 3Mechanical properties before and after UV light exposure test for UPE plastic seal ring

在人们佩戴手表时常受到室外紫外线的照射，尤其是在炎热的夏天，光照强度高，因此密封圈需具备良好的耐紫外光老化性能，图3为紫外光暴露试验前后的力学性能对照图，可以看出经过紫外光暴露120h后，断裂拉伸强度和拉断伸长率均有所降低，经计算，该项测试后密封圈的老化系数E为0.86，接近1，仍保持正常。可见该UPE塑料密封圈具有较好的耐紫外光老化性能。

2.3 湿热老化对UPE塑料密封圈性能的影响

在中国的南部地区，高温高湿使材料腐蚀老化，是一切材料的天敌，密封圈应具备在此环境甚至更加恶劣的环境下，可正常使用的性能。

图4为UPE塑料密封圈湿热老化试验的数据图。从图4可以看出，经过70(±2)℃，湿度为93%(±2%)的条件下老化72h后，该UPE塑料密封圈的断裂拉伸强度和拉断伸长率均略有下降，经计算，其老化系数E为0.96，极接近1，仍保持正常。可见UPE塑料密封圈具有较好的耐湿热性能，可在潮湿高温的条件下使用，而不易丧失其性能。

图4 UPE塑料密封圈湿热老化试验前后的力学性能Figure 4Mechanical properties before and after hygrothermal aging test for UPE plastic seal ring

2.4 温度循环对UPE塑料密封圈性能的影响

根据人们的实际使用环境，我们对其进行温度循环试验，经过3次温度循环后，密封圈的拉断伸长率较试验前变化不大，断裂拉伸强度由原始的60.8N降低至58.8N，伸长率由原始的230%降低至224%，如图5所示，经计算，其老化系数E为0.97，极接近1，其性能几乎未丧失，仍保持正常。可见UPE塑料密封圈有较好的耐温度循环性能。

图5 UPE塑料密封圈温度循环试验前后的力学性能Figure 5Mechanical properties before and after temperature cycle aging test for UPE plastic seal ring

2.5 极限冷冻对UPE塑料密封圈性能的影响

在中国的北部地区，冬季的气温会低至零下30℃～40℃左右［7］，而UPE塑料密封圈作为手表的密封圈，必须具备在此温度甚至更加恶劣的环境下，不丧失其性能的性能，因此，有必要对其进行极限冷冻试验。

本试验在－20℃的条件下冷冻30h后，迅速取出试样，该UPE塑料密封圈并没有出现硬化、变色和龟裂现象。

图6为UPE塑料密封圈极限冷冻试验前后的力学性能图。从图中可以看出，冷冻试验前后的断裂拉伸强度、拉断伸长率变化不大，断裂拉伸强度由原始的60.8N降低至54.9N，伸长率由原始的230%降低至223%，E≈1。由此可见，此UPE塑料密封圈具有较好的抗冷冻性能，可在低温条件下使用，而不易丧失其性能。

图6 UPE塑料密封圈极限冷冻试验前后的力学性能Figure 6Mechanical properties before and after limit freezing test for UPE plastic seal ring

2.6 人工汗对UPE塑料密封圈性能的影响

暴露于自然环境中使用的橡胶材料，会受到空气中水分或其他条件的影响，如在盐污地区，极易受到盐雾的影响，因而有必要分析其耐腐蚀性能［8］。

图7为UPE塑料密封圈耐人工汗腐蚀试验数据图。从图中可以看出，人工汗腐蚀试验48h后，该UPE塑料密封圈无变色、腐蚀现象，其断裂拉伸强度、拉断伸长率变化不大，断裂拉伸强度由原始的60.8N降低至52.9N，伸长率由原始的230%降低至221%，E≈1。由此可见，此UPE塑料密封圈的耐人工汗腐蚀性能较好。

图7 UPE塑料密封圈人工汗试验前后的力学性能Figure 7Mechanical properties before and after artificial sweat test for UPE plastic seal ring

3 结论

(a)UPE材料加工出的密封圈表面质量良好，UPE材料的断裂拉伸强度和断裂伸长率明显大于Zytel材料，可显著提高手表密封圈使用的可靠性。

(b)UPE塑料密封圈经过紫外光老化、湿热老化、温度循环老化和极限冷冻试验后的断裂拉伸强度、拉断伸长率均略有降低但变化不大，老化系数E均接近1。该UPE塑料密封圈具有较好的耐紫外光老化性能、耐湿热老化性能、耐温度循环老化性能和耐极限冷冻性能。

(c)人工汗腐蚀试验48h后，UPE塑料密封圈无变色、腐蚀现象，其断裂拉伸强度、拉断伸长率变化不大，老化系数E≈1。UPE塑料密封圈的耐人工汗腐蚀性能良好。

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