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        國(guó)產(chǎn)對(duì)位芳綸STARAMID在汽車膠管中的應(yīng)用研究

        2016-04-12 03:50:56李蘭英林志嬌何鑫業(yè)孔令芳王鳳德
        高科技纖維與應(yīng)用 2016年6期
        關(guān)鍵詞:油劑剝離強(qiáng)度膠管

        李蘭英,林志嬌,何鑫業(yè),孔令芳,王鳳德

        (中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司,成都 610074)

        國(guó)產(chǎn)對(duì)位芳綸STARAMID在汽車膠管中的應(yīng)用研究

        李蘭英,林志嬌,何鑫業(yè),孔令芳,王鳳德

        (中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司,成都 610074)

        試驗(yàn)研究了國(guó)產(chǎn)對(duì)位芳綸STARAMID含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、纖維強(qiáng)力、表面處理劑類型、表面處理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)等對(duì)三元乙丙橡膠(EPDM)生產(chǎn)工藝和剝離強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明,纖維含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<7%,纖維強(qiáng)力(1 100 dtex)≥200 N,(1 870 dtex)≥300 N,油劑選用初沸點(diǎn)高于200 ℃的硬脂酸類油劑,油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~2%,可滿足膠管生產(chǎn)工藝要求,又滿足膠管剝離強(qiáng)度>2.5 kN/m的要求。

        對(duì)位芳綸;三元乙丙橡膠;汽車膠管;剝離強(qiáng)度

        0 引言

        我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展給汽車配套產(chǎn)品—膠管帶來(lái)了發(fā)展良機(jī),如果按每輛汽車至少使用20 m膠管計(jì)算,2014年國(guó)內(nèi)汽車新增量達(dá)到2.3×107輛,2015年預(yù)計(jì)新增2.5×107輛,對(duì)膠管的需求量就在5×108m以上,加上維修用膠管,市場(chǎng)潛力巨大。汽車膠管使用條件苛刻,性能要求高,尤其作為膠管增強(qiáng)層的纖維骨架材料要求具有以下特性: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(zhǎng)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。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)膠管企業(yè)通過(guò)引進(jìn)技術(shù)與自行開(kāi)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(shù)脂低滲油管等[2~3],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(guó)產(chǎn)化。但由于受傳統(tǒng)膠管制造方法及原材料選擇、成本等條件制約,作為汽車膠管增強(qiáng)層所使用的增強(qiáng)骨架材料仍以滌綸及錦綸為主,其中滌綸使用最為廣泛。用滌綸和錦綸增強(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)到耐壓要求[4]。

        為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的發(fā)展,近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)膠管生產(chǎn)企業(yè)紛紛尋求并引進(jìn)了高性能纖維作為膠管骨架增強(qiáng)材料,其中對(duì)位芳綸(杜邦牌號(hào)Kevelar,帝人牌號(hào)Twaron)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[1],迅速在汽車膠管中得到廣泛應(yīng)用,目前國(guó)內(nèi)膠管用的對(duì)位芳綸,均從國(guó)外進(jìn)口。進(jìn)口芳綸一是價(jià)格高,二是使用量受國(guó)外供貨商的限制;三是對(duì)位芳綸表面呈惰性,與橡膠粘合性能較差, 而膠管內(nèi)、外膠層間的粘合強(qiáng)度(剝離強(qiáng)度)的好壞直接影響膠管的耐久性能。這些條件進(jìn)一步限制了國(guó)內(nèi)膠管開(kāi)發(fā)和大量推廣。試驗(yàn)用中藍(lán)晨光生產(chǎn)的對(duì)位芳綸(牌號(hào)STARAMID)研究纖維的性能、表面處理對(duì)汽車膠管剝離強(qiáng)度的影響等,為國(guó)產(chǎn)對(duì)位芳綸在汽車膠管中的大力推廣應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

        1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        藍(lán)星(成都)新材料股份有限公司生產(chǎn)的不同性能、不同表面處理的1 100 dtex/668 f(Z向捻度120)STARAMID纖維。

        表面油劑:YAN-20(松本)、F-4946(竹本)、F-4946(竹本)和晨光AB(主要是物質(zhì)為硬脂酸)。

        膠料:三元乙丙(EPDM)生膠是石油提煉的合成橡膠。

        1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

        針織汽車膠管生產(chǎn)裝置(上海啟雄機(jī)械設(shè)備制造有限公司),工藝簡(jiǎn)要流程(膠管擠出機(jī)—內(nèi)膠—90針織機(jī)—膠管擠出機(jī)—外膠—冷卻水槽—牽引—膠管裁斷機(jī)—產(chǎn)品)

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 膠管制備實(shí)驗(yàn)

        使用不同含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同強(qiáng)力、不同表面處理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同表面處理劑的芳綸分別制成14 針針織制三元乙丙膠管并在160 ℃硫化0.5 h,測(cè)試膠管的剝離強(qiáng)度。

        1.2.2 膠管剝離強(qiáng)度測(cè)試

        測(cè)試方法采用GBT528=2009方法,測(cè)試設(shè)備采用SANS微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試膠管的剝離強(qiáng)度。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 纖維含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膠管剝離強(qiáng)度的影響

        將相同強(qiáng)力(215 N)、油劑種類(松本YAN-20)、含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)量(1.2%)但不同含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的STARAMID加捻纖維制成膠管,硫化之后測(cè)試膠管的性能,其結(jié)果列于表1中。

        從表1和圖1可以看出,纖維水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膠管剝離強(qiáng)度影響較大,在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)>9%時(shí),膠管剝離強(qiáng)度較低,在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)<8%,膠管剝離強(qiáng)度隨著纖維水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少而增大,到水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到5%后,膠管剝離強(qiáng)度趨于平緩。

        對(duì)位芳綸是一種帶微孔結(jié)構(gòu)的纖維,纖維的水分包括表面游離水和微孔內(nèi)結(jié)晶水。當(dāng)膠管在160 ℃硫化時(shí),內(nèi)層膠管和外層膠管之間的芳綸表面游離水汽化,形成氣泡,這樣減少了芳綸與橡膠黏結(jié)面積,從而使得芳綸與膠管間的黏結(jié)性能變差,相應(yīng)地會(huì)降低膠管的剝離強(qiáng)度。芳綸含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)>8%時(shí),表面游離水質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多,<5%時(shí),主要以結(jié)晶水為主。所以三元乙丙汽車膠管用芳綸以含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<7%為宜。

        表1 芳綸含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膠管剝離強(qiáng)度的影響

        2.2 芳綸強(qiáng)力對(duì)膠管剝離強(qiáng)度的影響

        將相同含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)(8%)、油劑種類(松本YAN-20)、含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.2%)和不同強(qiáng)力的STARAMID加捻制成膠管,硫化之后測(cè)試其剝離強(qiáng)度,結(jié)果列于表2中。

        研究表2和圖2發(fā)現(xiàn),芳綸強(qiáng)力對(duì)膠管的剝離強(qiáng)度影響較小,在強(qiáng)力>200 N后,膠管剝離強(qiáng)度增加不明顯。

        圖1 芳綸含水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)汽車膠管剝離強(qiáng)度的影響

        圖2 芳綸強(qiáng)度對(duì)汽車膠管剝離強(qiáng)度的影響

        2.3 不同芳綸表面處理劑對(duì)膠管生產(chǎn)工藝及剝離強(qiáng)度的影響

        將相同含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)(8%)、含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.2%)、強(qiáng)力(215 N)和不同表面處理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理的STARAMID加捻制成膠管,硫化之后測(cè)試膠管的剝離強(qiáng)度,結(jié)果列于表3中,不同油劑的熱失重分析見(jiàn)圖3。

        分析表3發(fā)現(xiàn),不同種類的油劑處理芳綸,生產(chǎn)出的膠管剝離強(qiáng)度不一樣,晨光AB油劑處理芳綸的膠管剝離強(qiáng)度最高,其次是竹本F-4946,而竹本F-4949和松本YAN-20最差。另外,用晨光AB油劑處理的芳綸在后續(xù)加工過(guò)程中耐磨性較好,不會(huì)產(chǎn)生毛屑,適合膠管連續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)。

        表2 芳綸強(qiáng)度對(duì)汽車膠管剝離強(qiáng)度的影響

        圖3 油劑熱失重(TG)分析

        表3 不同芳綸表面處理劑對(duì)膠管生產(chǎn)工藝及剝離強(qiáng)度的影響

        分析圖3發(fā)現(xiàn),在熱失重過(guò)程中,160 ℃之前晨光AB油劑失重最少,其次是竹本F-4946,而竹本F-4949和松本YAN-20熱失重較高。這主要是因?yàn)槌醴悬c(diǎn)低的油劑在膠管160 ℃加熱硫化時(shí),容易在膠料形成氣泡逃逸,從而降低了芳綸表面與橡膠的粘結(jié)性能,相應(yīng)的膠管剝離強(qiáng)度也降低。而晨光AB油劑在160 ℃時(shí)幾乎沒(méi)有失重物質(zhì),所以它的剝離強(qiáng)度最高。

        2.4 AB表面處理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膠管剝離強(qiáng)度的影響

        將相同強(qiáng)力(215 N)、油劑種類(晨光AB)、含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)(8%),不同油劑處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)的STARAMID加捻制成膠管,硫化之后測(cè)試膠管的性能,結(jié)果列于表4中。

        研究表4和圖4發(fā)現(xiàn),油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0~0.5%時(shí),膠管剝離強(qiáng)度能達(dá)到要求,但是不能滿足膠管連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)工藝要求;在油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)>0%~3%時(shí),膠管剝離強(qiáng)度先是隨著油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大,到2%后趨于平緩,當(dāng)油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)>3%之后,膠管的剝離強(qiáng)度反而明顯降低。這主要是因?yàn)槿冶鹉z是非極性橡膠,而晨光AB油劑主要成分為極性物質(zhì)硬脂酸,在濃度較低時(shí),少量作為促進(jìn)劑的硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí),有助達(dá)到硫化平衡作用,以及交聯(lián)密度的提高;但當(dāng)油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于3%時(shí),因發(fā)生促進(jìn)劑的遷移而可能發(fā)生噴霜現(xiàn)象,從而導(dǎo)致膠管的剝離強(qiáng)度降低。所以三元乙丙膠管用晨光AB油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)以1.0%~2.0%為宜。

        表4 AB表面處理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膠管剝離強(qiáng)度的影響

        圖4 晨光AB表面處理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膠管剝離強(qiáng)度的影響

        3 結(jié)論

        以藍(lán)星(成都)新材料有限公司生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)對(duì)位芳綸STARAMID纖維為原料,研究芳綸不同含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、強(qiáng)力、不同表面處理劑、表面處理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)等性能對(duì)三元乙丙(EPDM)汽車膠管生產(chǎn)工藝和剝離強(qiáng)度的影響,得到以下結(jié)論:

        STARAMID纖維含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<7%,纖維強(qiáng)力≥200 N,油劑選用初沸點(diǎn)高于200 ℃的硬脂酸類油劑,油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~2%時(shí),可滿足膠管生產(chǎn)工藝要求,同時(shí)又達(dá)到三元乙丙汽車用膠管剝離強(qiáng)度>2.5 kN/m的要求。

        [1] 鄭海波, 陳晉陽(yáng). 芳綸/聚酯混紡纖維在汽車膠管中的應(yīng)用[J]. CHINA RUBBER, 2011, 27(20): 21-23.

        [2] 謝忠麟. 國(guó)內(nèi)外汽車用膠管的種類及發(fā)展前景(一)[J].橡膠科技, 2008, 6(7): 1-5.

        [3] 謝忠麟. 國(guó)內(nèi)外汽車用膠管的種類及發(fā)展前景(二)[J].橡膠科技, 2008, 6(8): 1-5.

        [4] 于清溪. 膠管工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步(上)[J]. 橡膠技術(shù)與裝備, 2010, 36(3): 18-22.

        [5] 于清溪. 膠管工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步(下)[J]. 橡膠技術(shù)與裝備, 2010, 36(4): 15-23.

        The application research of domestic STARAMID para-aramid fi bre in automobile rubber hose

        LI Lan-ying, LIN Zhi-jiao, HE Xin-ye, Kong Ling-fang, WANG Feng-de
        ( China BlueStar Chengrand Research & Design Institute of Chemical Industry, Chengdu 610041 China )

        The influences of moisture content, fibre strength, surface treating agent type, surface treating agent content of domestic para-aramid named STARAMID on EPDM production process and peel strength are studied in this paper. As the results shows, when fibre moisture content lower than 7%, fibre strength higher than 200 N, steatic acid oil selected and oil content between 1% and 2%, the requirements of rubber hose production process and peel strength greater than 2.5 kN/m can be satisfied.

        para-aramid; EPDM; automobile rubber hose; peel strength

        TQ342.722

        A

        1007-9815(2016)06-0057-04

        定稿日期: 2016-12-25

        李蘭英(1976-),女,四川南充人,高級(jí)工程師,從事芳綸生產(chǎn)與應(yīng)用開(kāi)發(fā),(電子信箱)183836671@qq.com;

        何鑫業(yè),男,四川成都人,工程師,從事芳綸的應(yīng)用開(kāi)發(fā),(電子信箱)peter861225@gmail.com。

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