新型高性能骨架材料芳綸在汽車膠管中的應(yīng)用

1、新型高性能骨架材料在汽車膠管中的應(yīng)用鄭海波 陳晉陽（安徽中鼎密封件股份有限公司 寧國 242300）摘要： 用于汽車膠管增強(qiáng)的骨架材料有很多種，如棉纖維、滌綸纖維、維綸纖維、尼龍纖維等等。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對膠管的耐溫、耐壓及耐久性能提出了更高的要求，上述這些纖維的性能已不能適應(yīng)汽車工業(yè)發(fā)展的需要，因此新型高性能纖維材料在汽車膠管產(chǎn)品中的應(yīng)用將會越來越廣泛。本文主要介紹了新型高性能纖維材料芳綸纖維的性能特點(diǎn)及其作為骨架材料在汽車膠管中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：芳綸纖維 汽車膠管 針織 編織 纏繞一纖維骨架材料在國內(nèi)汽車膠管中的應(yīng)用現(xiàn)狀在汽車上要裝配多種多樣的膠管，如燃料管、加熱器管、散熱器管、動(dòng)力轉(zhuǎn)向

2、管、渦輪增壓器膠管等等，用來完成燃料、水、氣等的輸送及動(dòng)力傳遞。每輛車大約需用70m膠管。由于是用于汽車中，使用條件苛刻，性能要求高，組裝要方便，質(zhì)量要求也越來越高。近些年來，國內(nèi)膠管企業(yè)通過引進(jìn)技術(shù)與自行開發(fā)，研制生產(chǎn)了一批適應(yīng)汽車使用要求的不同類型膠管，如空調(diào)管、液壓制動(dòng)管、水箱膠管、氟樹酯低滲油管等。這些膠管的生產(chǎn)，逐步改變了以前全部依賴進(jìn)口的局面，實(shí)現(xiàn)了部分膠管產(chǎn)品的國產(chǎn)化。但由于受傳統(tǒng)膠管制造方法及原材料選擇范圍小的條件制約，國內(nèi)膠管企業(yè)目前所使用的增強(qiáng)骨架材料仍以滌綸纖維及錦綸纖維為主，其中滌綸纖維使用最為廣泛。國內(nèi)滌綸纖維制造廠現(xiàn)已具備了從原絲生產(chǎn)到后道加捻、熱穩(wěn)定、浸膠等一整套

3、完整的工藝技術(shù)。錦綸纖維由于其濕熱收縮大的缺陷，使其在膠管中的應(yīng)用受到一定的限制，國內(nèi)所生產(chǎn)的錦綸纖維濕熱收縮率更大，因此不能在汽車膠管產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，目前部分使用錦綸纖維的膠管企業(yè)，仍以進(jìn)口為主。用滌綸纖維和錦綸纖維增強(qiáng)的膠管，受纖維本身的強(qiáng)度及耐熱性低的限制，使得膠管的耐壓能力、耐熱及耐久性能大打折扣，不能為中高檔轎車配套。尤其是汽車中的動(dòng)力轉(zhuǎn)向管這類使用壓力較高的膠管，采用滌綸和錦綸增強(qiáng)纖維就不能達(dá)耐壓要求。為了順應(yīng)國內(nèi)汽車工業(yè)的發(fā)展，近幾年來，國內(nèi)膠管生產(chǎn)企業(yè)紛紛尋求并引進(jìn)了高強(qiáng)度的芳綸纖維作為膠管骨架增強(qiáng)材料，芳綸纖維以其獨(dú)有的高強(qiáng)度，高模量、高耐溫及優(yōu)異的耐久性能，迅速在汽車膠

4、管中得到廣泛應(yīng)用。二汽車膠管用纖維骨架材料的特點(diǎn)及要求膠管的硫化方式有飽和蒸汽直接硫化法、熱烘道硫化法、微波連續(xù)硫化法、鹽浴硫化法等多種硫化方法，但對于具有復(fù)雜空間形狀的異型汽車膠管，硫化工藝仍然是采用傳統(tǒng)的飽和蒸汽直接硫化，因?yàn)榱蚧瘯r(shí)膠管直接接觸蒸汽，因此對于增強(qiáng)層的纖維有特殊要求，要求纖維在高溫、高壓及水蒸汽同時(shí)作用下，纖維不能降解且收縮率不能過大，否則膠管的耐壓性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，收縮率過大則膠管的外觀差且尺寸不易控制。根據(jù)汽車用異型膠管的制造工藝特點(diǎn)及產(chǎn)品的使用工況，作為膠管的增強(qiáng)纖維材料必須具備以下特點(diǎn)：1.具有足夠高的強(qiáng)度，以滿足膠管產(chǎn)品的耐壓要求。2.耐疲勞性好，提高異型膠管耐疲

5、勞性能與纖維材料本身的耐疲勞程度有較大的關(guān)系。3.伸長率低，以減小膠管在承壓狀態(tài)下的徑向膨脹。4.高溫穩(wěn)定性好，滿足直接蒸汽硫化的工藝要求。5.容易與橡膠粘合，使膠管的整體結(jié)構(gòu)緊密，提高耐久性能。國內(nèi)現(xiàn)有的常用纖維材料中，都不能同時(shí)滿足以上幾個(gè)性能要求。目前汽車膠管主要使用的增強(qiáng)材料滌綸和錦綸纖維，由于其在強(qiáng)度、伸長率及高溫穩(wěn)定性方面的缺陷，使得這種膠管產(chǎn)品無法在中高檔汽車上使用。國外新型纖維骨架材料芳綸纖維，正好能同時(shí)滿足以上大部分性能要求，因而使得其在汽車膠管產(chǎn)品中迅速得到廣泛應(yīng)用。三芳綸纖維的種類及性能特點(diǎn) 芳綸纖維全稱為"芳香族聚酰胺纖維"，英文為Aramid fi

6、ber。芳綸主要品種有聚間苯二甲酰間苯二胺纖維（間位芳香胺纖維）和聚對苯二甲酰對苯二胺纖維（對位芳香胺纖維）兩種，它是由美國杜邦（DuPont）公司20世紀(jì)60年代成功地開發(fā)出來并率先產(chǎn)業(yè)化，在此后30多年的時(shí)間里，芳綸纖維走過了由軍用戰(zhàn)略物資向民用物資過渡的歷程?，F(xiàn)在國外芳綸無論是研發(fā)水平還是規(guī)?；a(chǎn)都日趨成熟。在芳綸纖維生產(chǎn)領(lǐng)域，對位芳酰胺纖維發(fā)展最快，產(chǎn)能主要集中在日本和美國、歐洲。如美國杜邦的Kevlar纖維，荷蘭阿克蘇諾貝爾（Akzo Nobel）公司（已與日本帝人合并）的Twaron纖維，帝人公司的Technora纖維及俄羅斯的Terlon纖維等。間位芳酰胺纖維的品種有 Nome

7、x、Conex、Fenelon纖維等。美國的杜邦是芳綸開發(fā)的先驅(qū)，他們無論在新產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)規(guī)摸上，還是在市場占有率上都是世界一流水平，僅他們生產(chǎn)的Kevlar纖維，目前就有Kevlar-49、Kevlar-29等十多個(gè)牌號，每個(gè)牌號又有數(shù)十種規(guī)格的產(chǎn)品。用于膠管產(chǎn)品的芳綸纖維主要有Kevlar-29、Kevlar-49和Kevlar-129牌號。芳綸纖維具有超高強(qiáng)度、高模量和耐高溫、耐酸堿、重量輕等優(yōu)良性能，其強(qiáng)度是鋼絲的 7倍 ，模量為鋼絲或玻璃纖維的23倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，在450的溫度下，不分解，不融化。它具有良好的絕緣性和抗老化性能，具有很長的生命周期

8、。芳綸的發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是材料界一個(gè)非常重要的里程碑。在芳綸纖維家族中，最具有代表性的是美國杜邦公司生產(chǎn)Nomex和Kevlar。Nomex芳綸（芳綸1313，間位芳酰胺纖維）最早由美國杜邦公司研制成功，并于1967年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品注冊為Nomex®(諾美克斯)。它是一種柔軟潔白、纖細(xì)蓬松、富有光澤的纖維，外觀與普通化纖并無二致，卻集眾長于一身擁有超乎尋常的“特異功能”它最突出的特點(diǎn)就是耐高溫性能好，可在220高溫下長期使用而不老化，其電氣性能與機(jī)械性能的有效性可保持10年之久，而且尺寸穩(wěn)定性極佳，在250左右的熱收縮率僅為1%，短時(shí)間暴露于300高溫中也不會收縮、脆化、軟化或者

9、融熔，如此高的熱穩(wěn)定性在目前有機(jī)耐溫纖維中是絕無僅有的。Kevlar芳綸（芳綸1414，對位芳酰胺纖維）是美國杜邦公司在上世紀(jì)六十年代末研制出另一種高性能合成纖維，其商品于1972年首次問世，定名為Kevlar® (凱芙拉)。它外觀呈金黃色，貌似閃亮的金屬絲線，實(shí)際上是由剛性長分子構(gòu)成的液晶態(tài)聚合物。由于其分子鏈沿長度方向高度取向，并且具有極強(qiáng)的鏈間結(jié)合力，從而賦予纖維空前的高強(qiáng)度、高模量和耐高溫特性。它的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是材料界發(fā)展的一個(gè)的重要里程碑。芳綸1414有極高的強(qiáng)度，大于28克/旦，是鋼材的7倍，模量是鋼材或玻璃纖維的23倍，韌性是鋼材的2倍，而重量僅為鋼材的1/5。Kevla

10、r芳綸的連續(xù)使用溫度范圍極寬，在-196至204范圍內(nèi)可長期正常運(yùn)行。在150下的收縮率為0，在空氣中的分解溫度約427到482，在氮?dú)庀麓蠹s為538分解，它具有良好的絕緣性和抗腐蝕性，生命周期很長，因而贏得“合成鋼絲”的美譽(yù)。 圖1 Kevlar和鋼絲、滌綸、尼龍 圖2 Kevlar和鋼絲、滌綸、尼龍Nomex的應(yīng)力應(yīng)變曲線 在高溫空氣中的斷裂強(qiáng)度 圖3 Kevlar和鋼絲、滌綸、尼龍 圖4 Kevlar和滌綸、尼龍?jiān)?80干熱空氣中的熱在高溫空氣中的初始模量 老化對拉伸強(qiáng)度的影響（拉伸試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行） 圖5 不同溫度下Kevlar的強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系由于Kevlar比重小，強(qiáng)度高，耐熱性好

11、，并且對橡膠有良好的粘附性，所以成為最理想的汽車膠管增強(qiáng)纖維。四芳綸纖維材料在汽車膠管中的應(yīng)用形式汽車上用膠管有很多種類，有發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)膠管、燃油膠管、渦輪增壓器膠管、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用膠管、變速箱油冷管等等。凡在高溫及壓力下使用的膠管，多采用纖維增強(qiáng)方式結(jié)構(gòu)，隨著近幾年國內(nèi)汽車業(yè)的迅猛發(fā)展，國外高性能骨架纖維材料已逐步取代了其它類纖維材料，并大量地應(yīng)用于這幾類膠管中，以下是Kevlar纖維在汽車膠管中的應(yīng)用實(shí)例。 1燃油膠管。此類膠管在汽車中主要分成兩大部分，一部分是油箱加油管（FillIn Neck Hose），此種膠管裝配于汽車油箱上，使用溫度相對較低，壓力也僅是在加油的過程中承受一定

12、的壓力，但要求膠管對燃油的滲透性要低，因此此類膠管一般采用氟膠為內(nèi)層膠，厚度為0. 20 .7mm，在其上復(fù)合耐燃油滲透性好的氯醚橡膠（ECO），厚度為0. 5 1mm，再在其上針織一層芳綸纖維（如圖6），最外層用氯醚橡膠為復(fù)蓋層的結(jié)構(gòu)形式。另一部分是電噴管（Fuel Injection Hose），它裝配于發(fā)動(dòng)機(jī)倉內(nèi)，起向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)注入燃油的作用，由于此種膠管使用溫度較高，且工作壓力較大，且要求對燃油滲透性低，因此此類膠管內(nèi)層采用氟膠（FKM），中層為氯醚橡膠（ECO）與氟膠復(fù)合，再加一層芳綸纖維編織層增強(qiáng)（如圖7），最外面用氯醚橡膠包覆。 圖6 芳綸纖維針織形式 圖7 芳綸纖維編織形式2動(dòng)力

13、轉(zhuǎn)向管。動(dòng)力轉(zhuǎn)向管系統(tǒng)中用到三根橡膠管，如圖8，一根連接在轉(zhuǎn)向液油壺到轉(zhuǎn)向泵之間，稱為吸油管（Suction Hose）；一根連接在動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵與轉(zhuǎn)向器之間，稱為高壓管（High Pressure Hose）；另一根連接在轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向液壺之間，稱為回油管（Return 圖8 動(dòng)力轉(zhuǎn)向管裝配示意圖Hose）。吸油管的工作壓力較低，一般在0.1MPa左右，但其裝配位置靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，相對使用溫度較高，現(xiàn)多采用氯磺化聚乙烯橡膠（CSM）中間加Kevlar芳綸編織結(jié)構(gòu)形式。高壓管的工作壓力非常高，最高時(shí)達(dá)到18MPa，因此采用多層纖維編織或中間夾纖維布的結(jié)構(gòu)形式?；赜凸艿墓ぷ鲏毫υ?1.5MPa，多采用氯磺

14、化聚乙烯橡膠（CSM）或丙烯酸酯橡膠（AEM、ACM）中間加一層Kevlar芳綸編織結(jié)構(gòu)形式。動(dòng)力轉(zhuǎn)向管之所以選用芳綸纖維作為增強(qiáng)層，一方面是因?yàn)榉季]的高強(qiáng)度性能可以滿足膠管的耐高壓、高溫及耐久性能，另一方面通過使用高強(qiáng)度芳綸纖維，在保證耐壓的前提下可減少纖維增強(qiáng)層的層數(shù)，從而減少膠管的剛性，可以降低膠管產(chǎn)品使用過程中產(chǎn)生的噪音。3發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)用膠管。它是發(fā)動(dòng)機(jī)夾套和散熱器之間流通冷卻水的軟連接件。由于這類膠管直接裝配在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)，且長時(shí)間處于壓力脈沖循環(huán)的工作條件下，因此要求膠管有較高的耐壓、耐溫及脈沖耐久性能。早期的汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的空間較大，因此對膠管的耐溫性要求不是很苛刻

15、，一般采用硫黃硫化的三元乙丙橡膠（EPDM）加滌綸纖維增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。近年來，車型配置越來越高，且動(dòng)力越來越大，相對發(fā)動(dòng)機(jī)倉的空間變得很狹小，發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的熱量也越來越大，因此對冷卻循環(huán)系統(tǒng)的膠管的耐溫性要求有了大幅提高，因此過氧化物硫化的三元乙丙膠（EPDM）加Kevlar芳綸增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的膠管逐步取代了硫黃硫化的EPDM和滌綸纖維增強(qiáng)的膠管。由于此類膠管多為異型膠管，且部分需要變徑，為滿足加工工藝的要求，因此此類膠管多采用芳綸針織或纏繞（如圖6或圖9）的結(jié)構(gòu)形式。 圖9 纏繞結(jié)構(gòu)形式 4渦輪增壓器用CAC硅膠管。渦輪增壓是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪

16、壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入汽缸，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的壓力和密度增大了使燃料燃燒更充分，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。由于渦輪增壓管中通過的是發(fā)動(dòng)機(jī)排出的燃燒廢氣，溫度非常高，且有一定的工作壓力，因此此類膠管多是采用耐高溫的硅橡膠（VMQ）或氟硅膠（FVMQ）與Kevlar或Nomex芳綸纖維織成的簾布經(jīng)過壓延擦膠后，再經(jīng)過纏繞包布硫化的工藝制成多層芳綸布增強(qiáng)膠管（見圖10）。 圖10 渦輪增壓用CAC硅膠管五芳綸纖維作為增強(qiáng)層對膠管的性能的影響芳綸纖維增強(qiáng)膠管與普通纖維增強(qiáng)膠管相比，在耐壓及耐久性能上有很大提高，表1是16×3.5規(guī)格的膠管，采用同樣規(guī)格的滌綸和芳綸纖維

17、增強(qiáng)膠管耐壓性能的比較： 表1 芳綸纖維和滌綸纖維對膠管耐壓性能比較試驗(yàn)項(xiàng)目1000D滌綸纖維12針針織1000D Kevlar纖維12針針織爆破壓力(常溫)1.8MPa 2.6MPa150×168h熱老化后爆破壓力1.0MPa 2.4MPa脈沖耐久試驗(yàn)后爆破壓力脈沖條件:試驗(yàn)壓力:00.24MPa 介質(zhì)溫度:(135-5) 環(huán)境溫度:(85+5) 脈沖頻率:1.0±0.5Hz 脈沖次數(shù):150000次0.6MPa1.8MPa從以上數(shù)據(jù)可以看出，采用芳綸增強(qiáng)的膠管在耐壓、耐熱及耐久后的性能明顯提高。下圖為從運(yùn)行了13年后的汽車散熱器上拆下的芳綸針織管，累計(jì)公里數(shù)為250000Km， 圖11運(yùn)行13年后的膠管 圖12 剖面圖（左邊為使用13年后的膠管，右邊為同類新膠管）在整個(gè)運(yùn)行期間，膠管沒有發(fā)生問題或被替換過，剖面顯示膠管也沒有退化現(xiàn)象。只有芳綸纖維增強(qiáng)的汽車膠管才能有如此