张亚茹，刘 静，黄青丹，王 勇，曾 炼

（广东电网有限责任公司 广州供电局电力试验研究院，广东 广州 510410）

六氟化硫（SF6）作为优良的绝缘和灭弧气体而广泛应用于高压电力设备[如气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）和气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）等]中。但近年来SF6由于较强的温室效应而被《京都议定书》列为必须限制使用的气体之一[1]。研究表明，新型的环保绝缘气体全氟异丁腈（C4F7N）绝缘性能良好，具有较低的全球变暖潜能值，同时C4F7N与其平衡气体二氧化碳（CO2）的混合气体作为SF6的替代品，拥有与SF6相当的电绝缘强度以及较低的毒性。因此，C4F7N/CO2混合气体作为SF6的替代品备受关注[2-7]。

橡胶材料由于其优异的弹性、易加工性、化学稳定性以及密封性能等，在电力设备中广泛应 用[8-10]。橡胶材料在一定的应力作用下产生较大的形变，能够补偿设备金属件之间的公差，同时其蠕变作用较小，能够保证在较低的接触应力下仍有较好的密封效果。目前国内外用于制造密封件的橡胶主要有：丁腈橡胶（NBR）、氟橡胶（FKM）、硅橡胶、三元乙丙橡胶（EPDM）和丁基橡胶等。段宏基等[11]对NBR在密封材料中的应用研究进展进行了综述，围绕高性能与功能化，系统地介绍了NBR的改性研究现状，为更高性能NBR密封材料的研究指明了方向。张晓军等[12]研究了FKM密封材料在加速老化条件下的性能变化，预测FKM密封件的贮存寿命为13.8年。赵志正[13]系统地分析了影响橡胶材料密封能力的外界因素，包括高、低温条件对橡胶材料性能的影响；腐蚀性物质作用下橡胶材料化学稳定性的改变；石油、硫化氢气体、胺等对橡胶材料的腐蚀破坏；胶种和橡胶材料物理性能等对密封件抗挤压能力的影响等，为在不同环境下使用的密封件橡胶材料的选择提供了借鉴经验。

然而，目前对应用于电力设备并完全处于绝缘气体环境中的橡胶密封件的密封性能研究较少。因此，本工作对3种橡胶材料—NBR，EPDM和FKM（均指硫化胶）对C4F7N和CO2的气密性进行测试分析，同时结合其红外光谱、橡胶材料颗粒的比表面积和孔容进行研究，分析3种橡胶材料对C4F7N和CO2的气密性，为使用C4F7N/CO2混合气体作为绝缘气体的电力设备的密封材料选择提供依据。

1 实验

1.1 主要原材料

NBR和FKM为市售品，EPDM由山东泰开高压开关有限公司提供，3种橡胶材料均裁剪成Φ18 mm×2 mm的圆片试样，C4F7N为批量生产的商品气体，纯度≥99%；CO2，纯度≥99.999%。

1.2 主要仪器

气相色谱-质谱联用（GC-MS）仪，美国安捷伦科技有限公司；VERTEX70型傅里叶变换红外光谱（FTIR）仪，德国布鲁克公司产品；N2等温吸附脱附测试仪，麦克默瑞提克（上海）仪器有限公司产品。

1.3 性能测试

自组的气体泄漏测试系统如图1所示。

首先将气体平衡腔内的气压用真空泵抽至20 kPa（绝对压力），然后充入待测气体至100 kPa，反复用待测气体冲洗系统5次，确保被充入待测气体含量超过99%。装上橡胶材料圆片试样，保持气体平衡腔的气体压力为200 kPa（绝对压力），在室温（25 ℃）条件下用GC-MS仪对气体取样口气体进行测试。

经过气体泄漏测试之后，取下橡胶材料圆片试样，对其进行表面和截面的FTIR分析。

将3种橡胶材料圆片试样分别裁剪成尺寸为2～3 mm的橡胶材料颗粒，进行N2等温吸附脱附测试，表征其比表面积和孔容。

2 结果与讨论

2.1 气密性

EPDM，NBR和FKM对C4F7N和CO2的气密性测试结果如图2所示。

从图2（a）和（b）可以看出，EPDM对C4F7N和CO2都有显著的泄漏，自120 h后，EPDM对C4F7N的泄漏速率显著增大，而50 h后，EPDM对CO2的泄漏速率显著增大。

从图2（c）和（d）可以看出：NBR对C4F7N的泄漏量显著小于EPDM，但仍然处于较高的水平；NBR对CO2的泄漏量与EPDM相当。

从图2（e）和（f）可以看出：FKM对C4F7N具有优异的气密性，在测试的180 h内，探测到微量的C4F7N泄漏；FKM对CO2具有轻微的泄漏，其泄漏量仅为EPDM和NBR对CO2泄漏量的1/40左右。

综上所述，目前电力设备中所用较多的密封材料EPDM和NBR对C4F7N和CO2的气密性均较差，而FKM对C4F7N和CO2的气密性显著优于前2种橡胶材料。

2.2 FTIR分析

经过泄漏测试后的EPDM，NBR和FKM表面和截面的FTIR谱如图3所示。

从图3可以看出：经过C4F7N泄漏测试后，EPDM和NBR的表面和截面谱线上，在波数为 1 256和1 259 cm-1处分别出现1个小峰，这是C—F的不对称伸缩振动峰[14-15]，说明C4F7N被吸附在橡胶材料之中；经过CO2泄漏测试后，EPDM和NBR的表面谱线在同一波数处出现了微弱的峰，这可能是因为C4F7N泄漏测试残留的C4F7N所致，而EPDM和NBR的截面谱线无C—F的不对称伸缩振动峰。

在FTIR谱线上，在波数为1 000～1 010 cm-1处为C—OH的特征吸收峰，这可能是橡胶材料的硫化剂过氧化物与橡胶发生交联反应的产物[14]。从图3可以看出，经过C4F7N泄漏测试之后，EPDM和NBR的表面和截面谱线出现明显的C—OH特征吸收峰，特别是表面谱线的—OH特征吸收峰更为明显，这可能是因为C4F7N中的—CN与—OH形成氢键，在C4F7N泄漏的过程中将含—OH的产物带出，同时—OH的存在也进一步促进对C4F7N的吸附作用，这也是气密性试验中EPDM在约120 h后才出现明显的C4F7N泄漏的原因。在NBR的表面和截面谱线上，在波数为1 537 cm-1处出现较强的吸收峰，这是橡胶助剂的C=N伸缩振动峰[16]，这说明气体透过橡胶材料时，橡胶助剂出现渗出情况。

从图3还可以看出，经过CO2泄漏测试后，FKM除表面谱线在波数为798 cm-1处出现1个明显的吸收峰外，其他谱线的特征与测试前谱线没有太大差别，表明FKM对C4F7N和CO2均具有较高的惰性及稳定性。

2.3 比表面积和孔容

为进一步研究3种橡胶材料对C4F7N和CO2泄漏速率不同的内在机理，分别制备了尺寸为2～3 mm（见图4）的橡胶材料颗粒进行N2等温吸附脱附测试。

采用N2等温吸附脱附法测试了橡胶材料颗粒的比表面积和孔容，结果如表1和图5所示。

从表1和图5可以看出：EPDM和NBR颗粒的累计孔容相等，为1.5 mm3·g-1，而FKM颗粒的累计孔容为0.4 mm3·g-1，较前2种橡胶材料颗粒的累计孔容大幅减小；EPDM颗粒的孔容微分最大值为0.180 0 mm3·（g·nm）-1，NBR颗粒的孔容微分最大值为0.085 0 mm3·（g·nm）-1，而FKM颗粒的孔容微分最大值为0.014 5mm3·（g·nm）-1，也比前两种橡胶材料颗粒的孔容微分最大值大幅减小；EPDM，NBR和FKM颗粒的比表面积分别为4.72，1.58和0.30 m2·g-1，其中EPDM颗粒的比表面积最大，这与其孔容最大相一致，而NBR颗粒的比表面积次之，FKM颗粒的比表面积最小。

表1 3种橡胶材料颗粒的比表面积和孔容Tab.1 Specific surface areas and pore volumes of three rubber material particles

综合得出，FKM较EPDM和NBR更为致密，这也是FKM的气密性佳的原因。

3 结论

通过3种橡胶材料对C4F7N和CO2的气密性测试结果，综合FTIR分析及其比表面积和孔容数据得出，FKM对C4F7N和CO2均具有较高的惰性和稳定性以及具有致密的微观结构、较小的比表面积，其气密性显著优于EPDM和NBR，更适合作为密封材料用于使用C4F7N和CO2作为绝缘气体的电力 设备。