劉家新，王維相

(1.沈陽賽亞橡膠制品有限公司，遼寧 沈陽 110141；2.沈陽橡膠研究設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110021)

SAEJ517標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓軟管廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、煤礦開采、油田開發(fā)、船舶、農(nóng)業(yè)機(jī)械、機(jī)床以及移動和固定設(shè)備的液壓系統(tǒng)，從100R1到100R19系列，內(nèi)徑尺寸從5～76 mm，工作壓力從1.4～21 MPa。這類液壓橡膠軟管主要由一層耐油合成橡膠內(nèi)膠層、一層或多層鋼絲編織（或纏繞層）增強(qiáng)層以及耐磨、耐天候老化的外膠層所構(gòu)成。目前在國內(nèi)液壓軟管的內(nèi)膠層多由單一的丁腈橡膠（NBR）、鋼絲編織（纏繞）增強(qiáng)層、氯丁橡膠（CR）外膠層等合成橡膠制成。按照SAEJ517液壓軟管標(biāo)準(zhǔn)要求，軟管生產(chǎn)廠所生產(chǎn)的每根液壓軟管在出廠之前都要按照標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，須嚴(yán)格進(jìn)行液壓試驗，包括工作壓力、驗證壓力和爆破壓力試驗。通常在測定液壓軟管的性能時主要是考慮液壓脈沖次數(shù)，以前50萬次就是一個很不錯的結(jié)果，而國外著名液壓軟管生產(chǎn)商制造的液壓軟管脈沖次數(shù)可達(dá)80萬次以上。從液壓軟管結(jié)構(gòu)分析，軟管的內(nèi)膠層性能如何是對液壓橡膠軟管的整體性能起到?jīng)Q定性作用。目前我國高端工程機(jī)械市場的液壓橡膠軟管還多由國外液壓軟管主導(dǎo)，同等規(guī)格的液壓橡膠軟管價格是國內(nèi)相同規(guī)格的5～6倍。為盡快使我國的液壓橡膠軟管性能達(dá)到并超過國外同類產(chǎn)品的性能，我們?nèi)娣治隽藝鴥?nèi)與國外的液壓軟管，并根據(jù)綜合分析和研發(fā)，從液壓軟管的內(nèi)膠層入手，試驗研制了聚酰胺與丁腈橡膠共混的內(nèi)膠層膠料，經(jīng)多次試驗，優(yōu)化與測試，采用我們優(yōu)化配合制備的液壓軟管，諸項指標(biāo)優(yōu)良，脈沖試驗達(dá)到90萬次以上，性能達(dá)到或超過了國外同類液壓軟管。本文在詳細(xì)說明聚酰胺與丁腈橡膠并用作為內(nèi)膠膠料配合、試驗數(shù)據(jù)以及中膠、外膠配方和典型軟管施工表制造工藝諸項研發(fā)的情況。

1 實驗部分

1.1 原材料

丁腈橡膠是耐油性能較好的合成橡膠之一，液壓軟管普遍采用NBR做軟管的內(nèi)膠層，而聚酰胺（俗稱尼龍）是指高分子鏈上具有酰胺重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的樹脂材料。聚酰胺具有優(yōu)良的機(jī)械性能、自潤滑性能、吸震性，并且結(jié)晶度高、熔點高、耐磨耐熱性能好、耐油性能好。這里我們選擇了俄羅斯NBR-18、NBR-26，型號2665（丙烯腈含量26%，門尼黏度65），和NBR-40以及韓國LG-6280（丙烯腈含量33%），聚酰胺（尼龍66）選的河南平頂山神馬化纖有限公司產(chǎn)品。鋼絲采用Φ0.3 mm鍍銅鋼絲，內(nèi)卡爾特公司產(chǎn)品。其他配合劑均為海城化工助劑廠產(chǎn)品。

1.2 儀器與設(shè)備

XK-160開煉機(jī)，大連嘉爾新橡塑機(jī)械有限公司；密煉機(jī)，大連華韓橡塑機(jī)械有限公司；GBG-2SK-24 24錠快速鋼絲編織機(jī)，北鎮(zhèn)市華隆橡膠機(jī)械有限公司；銷釘式冷喂料橡膠擠出機(jī)，內(nèi)蒙古富特橡塑機(jī)械有限公司；脈沖試驗臺，沈陽橡膠研究設(shè)計院有限公司。

1.3 試樣制備

將生膠在開煉機(jī)上薄通壓合，至膠料表面形成光滑的包輥膠，輥距0.5～1 mm，混煉3～5 min；放寬輥距到2～4 mm，按投料順序投入配合劑；待配合劑全部進(jìn)入膠料里，將補(bǔ)強(qiáng)填充劑和軟化劑分批加入，最后加入硫磺，待全部混入后，將輥距調(diào)整至0～0.5 mm，薄通3次；然后將輥距調(diào)至3～4 mm，打三角包6個，下片冷卻。取試片在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件：143℃ ×30 min。

1.4 性能測定

膠料的拉伸性能按照GB/T528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》進(jìn)行測試；撕裂強(qiáng)度（褲形、直角形、新月形試樣）按照GB/T529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強(qiáng)度的測定》進(jìn)行測定；硬度按照GB/T531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》進(jìn)行測定；低溫脆性按單試樣法進(jìn)行測定；應(yīng)力松弛按照GB/T1685—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠在常溫或高溫下壓縮應(yīng)力松弛的測定》進(jìn)行測定；耐液體試驗按照GB/T1690—2010《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐液體試驗方法》進(jìn)行測定；橡膠軟管增強(qiáng)用鋼絲按照GB/T11182—2006進(jìn)行測定；橡膠軟管液壓試驗按照GB/T5563—2006進(jìn)行測定；無屈撓液壓脈沖試驗按照GB/T5568—2006《橡膠或塑料軟管及軟管組合體—無撓曲液壓脈沖試驗》進(jìn)行。

2 膠料配方設(shè)計

2.1 膠料性能指標(biāo)

根據(jù)SAEJ517-2013液壓軟管標(biāo)準(zhǔn)的具體性能要求，特別是SAE100R13系高壓軟管要求參照本公司相關(guān)技術(shù)文件，制定出了高壓、超高壓軟管用膠料物理性能指標(biāo)，見表1所示。

表1 高壓、超高壓軟管膠料物理機(jī)械性能

2.2 膠料選擇

2.2.1 內(nèi)膠膠料

內(nèi)膠在液壓軟管中起到高壓介質(zhì)作用下密封作用，應(yīng)具有優(yōu)異的耐油性，良好的耐疲勞、抗脈沖性能，較高的 定伸應(yīng)力和抗撕裂性能，較小的應(yīng)力松弛，良好的工藝性能和較高的物理機(jī)械性能。

因此選擇為烯腈含量較高凝性優(yōu)異的NBR。這里丁腈橡膠選擇丙烯腈含量為18、33和40的3種丁腈橡膠，聚酰胺（也稱為尼龍）選擇PA66，NBR和PA的重量（份額）比為80/20進(jìn)行配合。這里涉及了3個NBR不同丙烯腈含量測試與PA66并用配方，見表2，物理性能數(shù)據(jù)見表3（力學(xué)性能數(shù)據(jù)）；表4為NBR/PA66并用膠的低溫性能數(shù)據(jù)；表5 是NBR/PA66共混膠的耐油性能數(shù)據(jù)；表6是NBR/PA66共混膠熱空氣老化性能；表7是熱空氣老化后膠料拉斷伸長率變化；表8是優(yōu)選NBR33/PA66內(nèi)膠配方的性能測定結(jié)果。

表2 SARJ517100 R13液壓軟管內(nèi)膠配方對比

表 3 NBR18/PA66、NBR33/PA66與 NBR40/PA66共混膠的力學(xué)性能對比

從表3數(shù)據(jù)看出PA66對NBR具有明顯的補(bǔ)強(qiáng)作用，在NBR/PA66為80/20并用比時具有200%～300%的伸長率，模量較高。其中100%定伸強(qiáng)力都在6 MPa以上，這種并用膠的高模量可提高材料的受力狀態(tài)下的壽命，即使用為液壓軟管內(nèi)膠可大幅提高產(chǎn)品的使用壽命。

表4 NBR18/PA66、NBR33/PA66、NBR40/PA66并用膠和NBR18、NBR33以及NBR40的脆性溫度值對比

從表4指標(biāo)來看，在NBR中摻入PA66對共混膠的脆性溫度基本上沒有影響。

表5 NBR/PA66共混膠（不用丙烯腈含量）的耐油性能-耐甲苯性能（質(zhì)量變化率）

圖1的曲線變化直觀地描述了純NBR以及NBR/PA66共混膠耐甲苯的重量變化。可以看出由于在NBR中摻入PA66而提高了NBR的耐油性能。由于甲苯是NBR的優(yōu)良溶劑，用甲苯作介質(zhì)可更容易看出NBR改性前后的耐油性能變化，圖中曲線顯示NBR/PA66并用膠的耐油性能有大幅提升。

圖1 NBR和NBR/PA66并用膠耐甲苯性能對比

表6 純NBR和NBR/PA66共混膠的熱空氣老化性能對比

表7 熱空氣老化后純NBR和NBR/PA66并用膠的拉斷伸長率變化對比

表8 采用正交設(shè)計優(yōu)化NBR33/PA66內(nèi)膠配方的性能測試結(jié)果

2.2.2 中膠

中膠輔設(shè)在軟管結(jié)構(gòu)中兩個增強(qiáng)層之間，用以隔離相鄰的骨架材料，以緩沖軟管在脈沖壓力反復(fù)作用下相互摩擦，改善軟管疲勞的膠層。中膠應(yīng)當(dāng)與骨架材料黏合良好、流動性好、工藝性好。可選用中等丙烯腈含量的丁腈26。典型中膠配方見表9。

中膠選用的是典型成熟配方，故刪去試驗數(shù)據(jù)。

2.2.3 外膠

外膠主要起保護(hù)骨架層不受外界環(huán)境影響，要求耐磨、耐天候、臭氧老化、黏合性好。典型的外膠膠料配方參見表10。

表9 符合SAEJ517液壓軟管要求的中膠配方

3 SAEJ517 R13系列液壓軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造

3.1 液壓軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)SAEJ517 R13系列液壓軟管使用環(huán)境、工作壓力，結(jié)構(gòu)設(shè)計為6層。鋼絲纏繞層，鋼絲采用直徑0.56 mm鍍銅鋼絲，內(nèi)膠厚度3.5 mm，外膠厚度為3.6 mm，而中膠層厚度為0.3 mm。其R13系列高壓液壓軟管結(jié)構(gòu)圖參見圖2。軟管公稱內(nèi)徑、工作壓力、試驗壓力和爆破壓力見表11。

表10 符合SAEJ517液壓橡膠軟管外膠配方 份

圖2 SAEJ517 R13系列液壓軟管結(jié)構(gòu)示意圖

表11 SAEJ517 R13系列液壓軟管規(guī)格以及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

3.2 膠管制作工藝

R13系列液壓軟管采用硬芯法包尼龍水布硫化生產(chǎn)，其工藝流程圖參加圖3。

SAEJ517100 R13系列液壓軟管是高壓、超高壓液壓軟管，要求在-40～+121℃溫度范圍內(nèi)用于石油基液壓流體為介質(zhì)的液壓設(shè)備，這種軟管應(yīng)當(dāng)有一層耐油合成橡膠內(nèi)膠層，多層以交替方向纏繞的鋼絲增強(qiáng)層和一層耐油耐天候老化的外膠層結(jié)構(gòu)，鋼絲纏繞層之間鋪置中膠片以保證鋼絲相互磨耗，提高磨合，典型R13系列液壓軟管施工表（以內(nèi)徑38 mm為例）參見表12。

圖3 典型硬芯法鋼絲纏繞增強(qiáng)液壓軟管制造過程簡圖

表12 100R13鋼絲纏繞軟管施工表（內(nèi)徑38 mm）

4 成品試驗

經(jīng)過前面膠料試驗和對比，采用NBR33/PA66共混膠作為軟管內(nèi)膠層，用貝卡爾特強(qiáng)力為2 450～2 750 MPa、直徑0.56 mm鍍銅鋼絲作為軟管骨架材料，按施工表纏繞6層鋼絲，制備出超高壓液壓軟管，并按照GB/T 14904—2011《鋼絲增強(qiáng)的橡膠塑料軟管和軟管組合件屈撓液壓脈沖試驗》進(jìn)行了試驗，其中脈沖壓力46.55 MPa，脈沖頻率50次/min，試驗溫度（100±2）℃，實驗進(jìn)行了96萬次后，整根軟管無異常，其軟管結(jié)構(gòu)合理可靠，顯示出優(yōu)異的工作性能。以上試驗數(shù)據(jù)初步描述了NBR/PA66共混膠作為液壓軟管內(nèi)膠層的優(yōu)越性。這種共混膠突出的特點就是高強(qiáng)度、耐燃油、耐老化，其高模量明顯地提高了內(nèi)膠層在受力作用下的使用壽命。

5 結(jié)論

以上實驗的數(shù)據(jù)初步描述了NBR/PA66共混膠的優(yōu)異性能，突出的特點是高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐油性能、耐老化性能，特別所具有的高模量的內(nèi)膠層可以明顯地提高在受力狀態(tài)下的內(nèi)膠使用壽命；在NBR-18/PA66共混膠用PA66A改性NBR-18，既保持了NBR-18的耐低溫性能，同時又達(dá)到了NBR-40的耐油性能要求，特別適用于在高寒地區(qū)液壓軟管的使用，從其混合性能來看具有如下優(yōu)越性：

（1）具有可靠、優(yōu)異工作性能，脈沖次數(shù)達(dá)到100萬次，依舊有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。

（2）作為液壓軟管可以在高寒地區(qū)的液壓系統(tǒng)、設(shè)備上應(yīng)用，有極好的工作穩(wěn)定性。

（3）具有優(yōu)異的性價比，性能與Gates公司、Parker公司和Aeroquip公司同類產(chǎn)品相同，價格卻只有其40%。

（4）NBR/PA66共混膠，由于尼龍的加入極大地提高了軟管的抗?jié)B透性能，不僅可以制造和服SAEJ517的液壓軟管，還可以制造飛機(jī)加油軟管、加油機(jī)軟管、油井封隔器等產(chǎn)品。