朱建，薛長鳴，羅英哲，張宸睿

上海亞大汽車塑料制品有限公司，上海 201708

0 引言

自20世紀60年代起，汽車行業(yè)相繼實行了尾氣排放法規(guī)以改善大氣環(huán)境質(zhì)量。隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴格，汽車輕量化技術(shù)是降低能耗、減少排放行之有效的措施。由于尼龍管路具有質(zhì)量輕、成本低、材料可回收利用、環(huán)境友好等優(yōu)勢，在進氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、制動系統(tǒng)得到廣泛應用，近年來在新能源汽車冷卻系統(tǒng)逐漸推廣應用。環(huán)境中水分影響尼龍管機械性能，當車輛在南方高濕天氣運行時，尼龍管路耐壓性能會有所下降，有承壓破裂風險;當車輛在沙漠等干燥環(huán)境下運行時，尼龍管路易受路面石子沖擊破裂。李暉等研究表明吸水率對尼龍材料的彎曲強度、拉伸強度、缺口沖擊強度有顯著影響，吸水率增加導致拉伸強度衰減以及抗沖擊性能提高。朱本瑋等研究表明水分對PA66強度影響與環(huán)境濕度相關(guān)，相對濕度越大，PA66拉伸強度下降越大。馬小豐等研究表明聚合物分子鏈低溫條件下的活動性變小，由鏈段運動變?yōu)殒湽?jié)運動，彈性和韌性減弱，脆性易折嚴重影響了尼龍材料的低溫使用性能。林博的研究表明隨著浸水溫度的升高，浸水時間的延長，尼龍材料的吸水率提高，沖擊強度增大，拉伸強度降低。尼龍管車用環(huán)境工況多變，環(huán)境中水分對其耐壓性能影響較大。一般對于力學性能要求較高的應用場景，采用長碳鏈尼龍或改性尼龍減少環(huán)境中水分的影響，同時為了滿足材料滲透、介質(zhì)相容性要求，多采用多層共擠技術(shù)尼龍管方案。例如：汽車燃油供給系統(tǒng)為了滿足低燃油滲透率要求，選用EVOH作為阻隔層材料，廣泛采用PA12-TIE-EVOH-TIE-PA12五層結(jié)構(gòu)的多層管。

多層尼龍管設計同樣需要充分考慮吸濕后強度與放濕后韌性衰減問題。文中著重研究了外層PA612多層尼龍管吸濕和放濕力學性能變化，確保管路在各濕度條件下的力學性能能夠滿足應用需求。

1 試驗部分

1.1 試驗樣件

亞大自制多層共擠尼龍管，規(guī)格16×1.5，外層PA612，中間層EVOH，內(nèi)層ETFE。

1.2 主要試驗設備

含水率測試設備：C30型，METTLER TOLEDO公司；

室溫爆破試驗機：HBS-S-HLT-20型，深圳市弗賽特檢測設備有限公司；

溫度烘箱：CT6025PF型，重慶銀河試驗儀器有限公司。

1.3 含水率測試

截取管材，切成小塊并擦干表面，放入水分含量分析設備樣品槽，樣品在105 ℃恒溫條件下加熱蒸發(fā)，直至蒸發(fā)水汽量趨于最小，不大于20 μg/min，具體測試方法參照ISO 15512中B2。

1.4 機械性能測試

室溫爆破：將管材一端密封，另一端連接到設備，在試驗室室溫條件下向管材內(nèi)部加壓，加壓速率為7 MPa/min，直至管材破裂。

2 試驗結(jié)果討論

2.1 車用多層尼龍管含水率變化的可逆性

多層尼龍管吸收空氣中的水分，同時不斷向空氣中釋放水蒸氣。當吸濕大于放濕，整體表現(xiàn)為吸濕;當吸濕小于放濕，整體表現(xiàn)為放濕。含水率隨時間變化關(guān)系如圖1所示。由圖可以看出，曲線2管材初始含水率高于曲線1管材初始含水率，同樣放置在23 ℃、50%濕度環(huán)境中，曲線1表現(xiàn)為吸濕，曲線2表現(xiàn)為放濕，約600 h后，曲線1和曲線2含水率趨于穩(wěn)定到達平衡狀態(tài)。曲線2放濕到達平衡狀態(tài)的含水率要高于曲線1吸濕到達平衡狀態(tài)的含水率，存在吸濕含水率滯后現(xiàn)象。放濕時，無定型區(qū)酰胺基團與水分子已經(jīng)形成氫鍵，不易脫水，因而保留了一部分水分子。多層尼龍管含水率高會向環(huán)境中釋放水分，含水率低會從環(huán)境中吸收水分，吸濕和放濕是可逆的。但是，吸濕滯后性會導致多層尼龍管的含水率不能夠完全恢復到先前吸濕平衡點。

圖1 含水率隨時間變化關(guān)系

2.2 車用多層管含水率變化對耐壓性能影響

含水率與室溫爆破壓力的數(shù)值關(guān)系:

=10556-0135e3196

(1)

式中：為尼龍管室溫爆破壓力，MPa；

為含水率，%。

為0.984 6，管材爆破壓力隨著含水率的升高整體表現(xiàn)為降低。當含水率為0～0.6%，爆破壓力無明顯下降。在23 ℃、50%濕度條件下，吸濕到平衡含水率0.51%，說明23 ℃、50%濕度環(huán)境中，外層PA612多層尼龍管耐壓性能基本不受影響。

爆破壓力隨含水率變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 爆破壓力隨含水率變化關(guān)系

2.3 車用多層尼龍管室溫吸濕耐壓安全系數(shù)

尼龍管路車用工況環(huán)境濕度在0～100%范圍內(nèi)變化，管材長期處于吸濕和放濕狀態(tài)，耐壓性能處于波動變化。管材耐壓性能主要與管材各層厚度以及各層材料力學性能有關(guān)。各層材料確定后，為了確保全濕度變化范圍內(nèi)，管材耐壓性能滿足使用需求，各層材料層厚設計尤為關(guān)鍵。

對于單層管，可以采用DIN 73378中的公式設計層厚。對于本文采用的多層共擠尼龍管，使用中徑公式設計層厚。當徑比不大于1.5，基于中徑公式計算的耐壓值與按Tresca全屈服壓力得到的耐壓值相差不大?；谥袕焦?，多層共擠管耐壓性能按以下方公式計算：

(2)

式中：為管材耐壓計算值，MPa；

為管材層序號；

為第層層厚，mm；

為第層材料強度，MPa；

為第層外徑，mm。

依據(jù)公式(2)，23 ℃、50%濕度下，此次試驗用的管材耐壓計算值為9.5 MPa。

表1為23 ℃、50%濕度下各層材料的拉伸強度。

表1 23 ℃、50%濕度下各層材料的拉伸強度 單位:MPa

表2為管材室溫爆破試驗結(jié)果。由表2可知，放濕到平衡與計算值偏差1.12%，吸濕到平衡與計算值偏差5.16%，放濕到平衡與理論計算值接近;管材60 ℃水中浸泡772 h后，室溫爆破壓力平均值為6.76 MPa，最小值為6.71 MPa。耐壓計算值是管材60 ℃水中浸泡772 h實測爆破值的1.4倍。

表2 管材室溫爆破試驗結(jié)果 單位:MPa

吸濕耐壓安全系數(shù)計算公式為：

(3)

式中：為吸濕耐壓安全系數(shù)；

為管材耐壓計算值，MPa；

為瞬時壓力峰值，MPa。

為了保證管路吸濕耐壓性能安全，管路設計時，依據(jù)公式(3)，外層PA612多層尼龍管室溫吸濕耐壓安全系數(shù)取1.8～2。

3 結(jié)論

車用外層PA612多層共擠尼龍管吸濕或放濕過程，管材含水率出現(xiàn)變化，影響管路的耐壓強度。研究結(jié)果為管路先期強度設計提供參考。通過分析，得到以下結(jié)論：

(1)吸濕和放濕過程是可逆的，不過含水率的變化存在吸濕滯后性，同溫濕度環(huán)境，放濕后含水率不能夠完全回復到吸濕后含水率水平。在一定程度上，吸濕滯后性導致多層尼龍管強度衰減。

(2)車用外層PA612多層尼龍管含水率升高，爆破壓力則下降;含水率小于0.6%時，耐壓性能基本不受影響。

(3)車用外層PA612低吸水率多層尼龍管常溫吸濕耐壓性能設計安全系數(shù)取1.8～2。