新型高性能骨架材料在汽车胶管中的应用

发布于:2021-07-27 13:14:59

专题三民章

新型高性能骨架材料在汽车胶管中的应用
郑海波陈晋阳

安徽中鼎密封件股份有限公司

一、纤维骨架材料在国内汽车胶管中现状
在汽车上要装配多种多样的胶管,如燃料管、加热器管、散热器管、动力转向管、涡轮增压器 胶管等等,用来完成燃料、水、气等的输送及动力传递。每辆车大约需用 7 0m胶管。由于是用于汽 车中,使用条件苛刻,性能要求高,组装要方便,质量要求也越来越高。*些年来,国内胶管企业

通过引进技术与自行开发,研制生产了一批适应汽车使用要求的不同类型胶管,如空调管、液压制
动管、水箱胶管、氟树醋低渗油管等。这些胶管的生产,逐步改变了以前全部依赖进口的局面,实 现了部分跤管产品的国产化。但由于受传统胶管制造方法及原材料选择茹围小的条件制约,国内胶

管企业目前所使用的增强骨架材料仍以涤纶纤维及锦纶纤维为主,其中涤纶纤维使用最为广泛。国
内涤纶纤维制造厂现己具备了从原丝生产到后道加捻、热稳定、浸胶等一整套完整的工艺技术。锦 纶纤维由于其温热收缩大的缺陷,使其在胶管中的应后受到一定的限制,国内所生产的锦纶纤维湿
热收缩率更大,因此不能在汽车胶管产品中得到广泛应用,目前部分使用锦纶纤维的胶管企业,仍

以进口为主。用涤纶纤维和锦纶纤维增强的胶管 9受纤维本身的强度及耐热性低的限制,使得胶管 的耐压能力、耐热及耐久性能大打折扣,不能为中高档轿车配套。尤其是汽车中的动力转向管这类
使用压力较高的胶管,采用涤纶和锦纶增强纤维就不能达耐压要求。为了顺应国内汽车工业的发展, *几年来,国内胶管生产企业纷纷寻求并引进了高强度的芳纶纤维作为胶管骨架增强材料,芳纶纤 维以其独有的高强度,高模量、高耐温及优异的耐久性能,迅速在汽车胶管中得到广泛应用。

二、汽车胶管用纤维骨架材料的特点及要求
胶管的硫化方式有饱和蒸汽直接硫化法、热烘道硫化法、微波连续硫化法、盐浴硫化法等多种 硫化方法,但对于具有复杂空间形状的异型汽车胶管,硫化工艺仍然是采用传统的饱和蒸汽直接硫
化,因为硫化时胶管直接接触蒸汽,因此对于增强层的纤维有特殊要求,要求纤维在高温、高压及 水蒸汽同时作用下,纤维不能降解且收缩率不能过大,否则胶管的耐压性能达不到设计要求,收缩

率过大则胶管的外观差且尺寸不易控制。根据汽车用异型胶管的制造工艺特点及产品的使用工况,
作为胶管的增强纤维材料必须具备以下特点: 1 、 具有足够 高 的 强度 , 以 满足胶管产 品 的 耐压要 求 。

2 、 耐疲 劳 性好 , 提 高异 型胶管 耐疲 劳 性 能与 纤维材料本身 的 酣 疲劳程度有较大 的 关系 。3 、 伸 长率 低,以减小胶管在承压状态下的径向膨胀。 4、高温稳定性好,满足直接蒸汽硫化的工艺要求。 5、 容易与橡胶粘合,使胶管的整体结构紧密,提高耐久性能。

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国内现有的常用纤维材料中,都不能同时满足以上几个性能要求。目前汽车胶管主要使用的增

强材料涤纶和锦纶纤维,由于其在强度、伸长率及高温稳定性方面的缺陷,使得这种胶管产品无法
在中高档汽车上使用。

国外新型纤维骨架材料芳纶纤维,正好能同时满足以上大部分性能要求,因而使得其在汽车胶
管产品中迅速得到广泛应用。

三、芳纶纤维的种类及性能特点
芳纶纤维全称为"芳香族聚眈肢纤维",英文为 Ar am i d fiber 。 芳 纶主要 品 种有聚 间 苯二 甲 酷

间苯二眩纤维(间位芳香肢纤维)和聚对苯二甲耽对苯二月安纤维(对位芳香肢纤维)两种,它是由
美国杜邦 ( DuP ont )公司 2 0世纪 6 0年代成功地开发出来并率先产业化,在此后 3 0多年的时间里, 芳纶纤维走过了自军用战略物资向民用物资过渡的历程。现在国外芳纶无论是研发水*还是规模化 生产都日趋成熟。在芳纶纤维生产领域,对位芳耽肢纤维发展最快,产能主要集中在日本和美国、

欧洲。如美国杜邦的 Ke v l ar纤维,荷兰阿克苏诺贝尔 ( Akz o Nobel) 公 司 ( 己 与 日 本帝 人合并 ) 的
Twaron 纤维 , 帝 人公 司 的Technora 纤 维及俄 罗 斯 的Terlon 纤维等 。 间 位 芳 眈眩纤维 的 品 种有Nomex 、 Con町 、Fenelon 纤维等 。 美 国 的 杜邦是 芳 纶 开发 的 先 驱 , 他们 无论在新产 品 的 研发 、 生产 规摸上 ,
还是在市场占有率上都是世界一流水*,仅他们生产的 Ke v l ar纤维,目前'就有 Ke v l ar -49、 Ke v l ar -2 9

等十多个牌号,每个牌号又有数十种规格的产品。用于胶管产品的芳纶纤维主要有 Kev l ar- 2 9、
Kevlar-49 和Kevlar-129 牌 号 。

芳纶纤维具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的 7倍, 模量为钢丝或玻璃纤维的 2- 3倍,韧性是钢丝的 2倍,而重量仅为钢丝的 1 / 5左右,在 4 5 0 'C的温 度下,不分解,不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能,具有很长的生命周期。芳纶的发现,
被认为是材料界一个非常重要的里程碑。在芳纶纤维家族中,最具有代表性的是美国杜邦公司生产

Nomex l'日 Kev l ar 。
Nomex 芳 纶 ( 芳 纶1313 , 问 位 芳 酷胶纤维 ) 最早 由 美 国 杜邦 公 司 研制 成功 , 并 于1967 年 实现 了 工业化生产,产品注册为 Nome x①(诺美克斯〉。它是一种柔软洁白、纤细蓬松、富有光泽的纤维,

外观与普通化纤并无二致,却集众长于一身据有超乎寻常的"特异功能"它最突出的特点就是耐高 温性能好,可在 22 0 'C高温下长期使用而不老化,其电气性能与机械性能的有效性可保持 1 0年之久,

而且尺寸稳定性极佳,在 2 5 0 'C左右的热收缩率仅为 1 %,短时间暴露于 3 00 'C高温中也不会收缩、 脆化、软化或者融烙,如此高的热稳定性在目前有机耐温纤维中是绝无仅有的。

Kevlar 芳 纶 ( 芳 纶1414 , 对位 芳 自先肢纤维) 是美 国 杜邦 公 司 在 上世纪六十年代末研制 出 另 一种 高
性能合成纤维,其商品于 1 9 72年首次问世,定名为 Kev l ar? (凯芙拉)。它外观呈金黄色,貌似闪亮 的金属丝线,实际上是由刚性长分子构成的液晶态聚合物。由于其分子链沿长度方向高度取向,并

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且具有极强的链间结合力,从而赋予纤维空前的高强度、高模量和酣高温特性。它的发现被认为是

材料界发展的一个的重要里程碑。芳纶 1 4 1 4有极高的强度,大于 28克/旦,是钢材的 7倍,模量
是钢材或玻璃纤维的 2-3倍,韧性是钢材的 2倍,而重量仅为钢材的 1 / 5 0 Kevlar 芳纶 的连续使用 温度范围极宽,在一 1 96 °C 至 204 °C泣围内可长期正常运行。在 1 50 °C下的收缩率为 0,在空气中的分

解温度约 42 TC到 48 2 °C,在氯气下大约为 5 3 8 °C分解,它具有良好的绝缘性和抗腐蚀性,生命周期
很长,因而赢得"合成钢丝"的美誉。

由于 Kev l ar比重小,强度高,耐热性好,并且对橡胶有良好的粘附性,所以成为最理想的汽车
胶管增强纤维。

匹、芳纶纤维材料在汽车胶管中的应用形式
汽车上用胶管有很多种类,有发动机冷却循环系统胶管、燃油胶管、涡轮增压器胶管、动力转 向系统用胶管、变速箱油冷管等等。凡在高温及压力下使用的胶管?多采用纤维增强方式结构,随

着*几年国内汽车业的迅猛发展,国外高性能骨架纤维材料己逐步取代了其它类纤维材料,并大量
地应用于这几类胶管中,以下是 Kev l ar纤维在汽车胶管中的应用实例。 1 、 燃油 胶管 。 此类胶管在汽车 中 主耍分成两大部分 , 一部 分是油 箱加 油 管(Fill In NeckHose) ,

此种胶管装配于汽车油箱上,使用温度相对较低,压力也仅是在加泊的过程中承受一定的压力,但

要求胶管对燃油的渗透性要低,因此此类胶管一般采用氟胶为内层跤,厚度为 0 . 2-0 . 7mm,在其上 复合耐燃油渗透性好的氯瞠橡胶 (Eca) ,厚度为 0 . 5- 1阻,再在其上针织一层芳纶纤维,最外层用氯
由主橡胶为复盖层的结构形式。

另一部分是电喷管 (Fue l Injection Hose) ,它装自己于发动机仓内,起向发动机内注入燃油的作 用,由于此种胶管使用温度较高,旦工作压力较大,且要求对燃油漆透性假,因此此类胶管内层采 用氟胶 (FKM) ,中层为氯酶橡胶 (Eca)与氟胶复合,再加一层芳纶纤维编织层增强,最外面用氯隧橡
胶包覆。

2 、 动 力 转 向 管 。 动 力 转 向 管 系 统 中 用 到三根橡胶管 , 一根连接在转 向 液油 壶到 转 向 泵之间 , 称
为吸油管 (Suc t i on Hose) ;一根连接在动力转向泵与转向器之间,称为高压管(出 Pres sure Hose) ; gh 另一根连接在转向器与转向液壶之间,称为回油管 (Return Hose) 。 吸油 管 的工作压力 较低 , 一般在
O. 1MPa 左右 , 但其装配位置靠*发动机 , 相对使用 温度较高 , 现 多 采用 氯磺化聚 乙烯橡胶(CSM) 中

间加 Kev l ar芳纶编织结构形式。高压管的工作压力非常高,最高时达到
编织或中间夹纤维布的结构形式回油管的工作压力在

1 8MPa,因此采用多层纤维

1-1. 5MPa , 多 采用 氯磺化聚 乙烯橡胶(CSM)

或丙烯酸酶橡胶 (AEM、 ACM)中间加一层 Kev l ar芳纶编织结构形式。动力转向管之所以选用芳纶纤维
作为增强层,一方面是因为芳纶的高强度性能可以满足胶管的耐高压、高温及酣久性能,另一方面 通过使用高强度芳纶纤维,在保证耐压的前提下可减少纤维增强层的层数,从而减少胶管的刚性,
可以降低胶管产品使用过程中产生的噪音。

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3 、 发动 机冷却 循环系 统用 胶管 。 它 是发动机夹套和 散热 器之 间 流通冷却 水 的 软连接件 。 由 于这

类胶管直接装配在汽车发动机机舱内,且长时间处于压力脉冲循环的工作条件下,因此要求胶管有
较高的耐压、耐温及脉冲耐久性能 a早期的汽车,发动机机舱内的空间较大,因此对胶管的耐温性

要求不是很苛刻,一般采用硫黄硫化的三元乙丙橡跤 (EPDM)加涤纶纤维增强的结构。*年来,车型 配置越来越高,且动力越来越大,相对发动机仓的空间变得很狭小,发动机所产生的热量也越来越
大,因此对冷却循环系统的胶管的耐温性要求有了大幅提高,因此过氧化物硫化的兰元乙丙胶 (EPDM) 加 Ke v l ar芳纶增强结构的胶管逐步取代了硫黄疏化的 EPDM和涤纶纤维增强的胶管。由于此类胶管 多为异型胶管,且部分需要变径,为满足加工工艺的要求,因此此类管多采用芳纶针织或缠绕的结
构形式。

4 、 涡 轮增 压器用CAC 硅胶管 。 涡轮增压是利 用 发动机排 出 的 废气 惯性冲力 来推动 涡轮室 内 的 涡 轮,涡轮又带动向轴的叶轮 9口十轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入汽缸,进入发

动机的空气的压力和密度增大了使燃料燃烧更充分,从而提高了发动机的输出功率。由于涡轮增压 管中通过的是发动机排出的燃烧废气,温度非常高,且有一定的工作压力,因此此类胶管多是采用
耐高温的硅橡胶 (VMQ)或氟硅胶 (FVM)与 Kev l ar或 Nomex芳纶纤维织成的帘布经过压延擦胶后,再经

过缠绕包布硫化的工艺制成多层芳纶布增强胶管。

五、芳纶纤维作为增强层对胶管的性能的影响
芳纶纤维增强胶管与普通轩维增强胶管相比,在耐压及耐久性能上有很大提高,表 1是 φ 1 6 X

3. 5

规格 的胶管 ( 图 略) ,采用同样规格的涤纶和芳纶纤维增强胶管耐压性能的比较:

从以上数据可以看出,采用芳纶增强的胶管在耐压、耐热及耐久后的性能明显提高。下图为从
运行了 1 3年后的汽车散热器上拆下的芳纶针织管,累计公里数为 2 5 0 0 0 01旬,在整个运行期间,胶
管没有发生问题或被替换过,剖面显示胶管也没有退化现象。只有芳纶纤维增强的汽车股才能有如 此高的耐用性和可靠性,芳纶纤维特殊的高强度、高耐温、高耐久性能注定了它在今后的汽车行业

中越为越广泛的应用。(图略)

六、结束语
芳纶纤维作为一种新型高性能骨架材料用于汽车胶管中,将大大提高汽车胶管的各项性能,从而

提升汽车的综合性能。尽管芳纶纤维有假多的优点,但其目前主要还是从国外进口,价格昂贵,因此 在很大程度上制约它了的广泛应用。虽然国内也己经建立了初步的芳纶纤维研发体系和生产基地,但 其技术水*和产业化水*与发达国家相比还有相当大的差距。可期待的是,国内有关单位正在全力以
赴开展研发和产业化工作,相信不长的时间内将会有高性能的国产芳纶纤维应用于汽车胶管。

摘自《橡胶新材料工业? 2009-34 期

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