芳纶与棉线混纺纤维在汽车胶管中的应用

平常心

芳纶/棉线混纺纤维在汽车胶管中的应用
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郑海波 陈晋阳
（安徽中鼎密封件股份有限公司 宁国 243000）

摘        要：为了增强胶管产品的耐压能力，往往在胶管制造过程中加入一层或多层纤维层
作为骨架材料。用于汽车胶管增强的骨架材料有很多种，如棉纤维、涤纶纤维、维纶纤维、 尼龙纤维、芳纶纤维等等。其中棉纤维、涤纶、维纶、尼龙等纤维与橡胶的粘合可以通过纤 维线的处理来提高，但芳纶纤维的表面处理相对较为复杂，且在提高粘合强度上的收效也甚 微。本文主要介绍了一种芳纶/棉纱混纺纤维的性能特点及其作为骨架材料在汽车胶管中的 应用情况。
$ a  A: e% @+ c! H  Q关键词：芳纶/棉线混纺纤维        芳纶纤维        汽车胶管        编织
- ?. t! g1 n% [
; _: |" p) F3 X' d: V
3 m4 I% V' a9 K* H- E  a2 C* X/ A, v
+ M1 |3 _8 ?1 U' I( J一．目前汽车用胶管存在的粘合问题 纤维作为骨架材料越来越广泛地应用于汽车胶管中，所用的纤维种类有棉纤维、涤纶、
: ~' H( o  w( [& |, w4 N维纶、尼龙、芳纶纤维等等，随着汽车工业的飞速发展，汽车零件装配的也越来越紧凑，发 动机舱的空间越来越小，因此对汽车胶管的耐热、耐压要求也越来越高，随之对增强骨架层 的耐热及强度要求也越来越高，现国内知名汽车主机厂越来越多地要求使用芳纶纤维材料作 为增强层。在胶管性能指标中有一重要性能要求，即内、外胶层间的粘合强度或内层、外层 胶料与增强纤维线间的粘合强度，此性能的好坏直接影响胶管的耐久性能。以往在使用棉、 涤纶、维纶、尼龙等纤维时，虽然有出现纤维线与胶料粘合不好的问题，但经过改善橡胶配 方及对纤维线进行表面处理等方式，基本可以解决橡胶与纤维线间的粘合。但对芳纶而言， 因其材料结构的特殊性，其表面非常光滑，不经处理的纤维几乎与橡胶不粘。同时，因芳纶 具有优异的抗酸、碱、化学试剂性能，也就是具有化学惰性，使得芳纶纤维的表面处理变得 异常困难，现有的技术已开发出各种方法来活化芳纶纤维的表面以达到与橡胶粘合的目的， 如化学浸渍、等离体处理、电晕处理等，但这些处理方式或者需要特殊且昂贵的设备如等离 子体发生器，或者需要复杂且危险的处理工艺如化学浸渍，因此最终处理纤维的成本也相对 较高。因此采用芳纶纤维增强的胶管在粘合上成为一个突出难题。

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+ X& e' d7 o  @: g
% h6 s: i2 P! q6 T8 p为解决这一难题，胶管生产企业及纤维供应商采取了很多措施，如采取在胶料配方上加
. N9 D) h% S8 L2 k2 ^入一些增粘剂，在编织线表面涂粘合剂，对芳纶线表面进行处理等等措施，但最终要么成本 较高，要么胶管产品在剥离强度性能改善上收效甚微。
二．芳纶混纺纤维的原理及性能特点 作为胶管产品所使用的纤维需具备以下几个特性：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耐疲劳程度有较 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。芳纶纤 维具有较高的强度、较好的耐疲劳性能、较低的伸长率及优异的耐高温性能，是胶管产品增 强纤维的首选材料，但因其特殊的化学惰性，在与橡胶粘合方面显得不够理想，单从改善胶 料配方及纤维表面处理的方式很难解决粘合问题，因此我们设想，能否从纤维混纺的角度解 决这一难题。我们与纤维供应商共同讨论，确定在现有的 1670dtex Kevlar 芳纶纤维基础上混 入一股短纤维的棉纤维，利用棉纤维与橡胶的易粘合特性来达到增强粘合的目的，同时，不 改变芳纶纤维的主体结构，仍然保持其优异的高强度、耐高温、耐酸碱性能。
2 r- Y& s" g0 O  }" q根据这一想法，我们制作了一些芳纶/棉线混纺纤维样品（见图 1），并进行了一些关键 性能检测，结果见表 1：
2 w/ g2 B% f: S4 I% l2 Z
& i6 R. U% U( s  G2 [

, P* p% p; [, g

7 D8 \/ n. ]. u8 p$ A（a）芳纶/棉线混纺纤维        （b）普通芳纶纤维 图 1 芳纶/棉线混纺纤维和普通芳纶纤维

0 {8 @2 E0 c0 r0 v0 Y- K& A
5 r' c1 y: V$ b

9 B8 _' n- X4 ~* J表 1        芳纶纤维和芳纶/棉线混纺纤维线性能对比


测试项目        1670dtex
Kevlar        1670dtex Kevlar+1 股 棉线混纺纤维       
备注
  @& \0 t) p" _  p
外观        淡黄色，光滑 表面       
1 n, K$ X8 ]; y淡黄色，表面有绒状细毛       
0 N8 ~0 O" g8 F扯断强度        294~311 N        286~293 N        拉伸速度：50mm/分钟
175℃×25 分钟 湿热收缩率       
0~0.2 %       
0.5~1.0 %        将 1 米长的线放在 175℃的蒸汽 硫化罐中 25 分钟后测长度变化
" s" o4 Y) P8 V! @6 n
" x. M6 Z6 g& t从测试结果来看，芳纶混纺纤维的强度基本无损失，湿热收缩率变大，但此收缩率能满
+ G" e5 Y9 H9 o1 K  ]  B足加工工艺要求，基本达到我们设定的目标。 三．芳纶混纺纤维在汽车胶管中的应用实例
6 \3 z( `/ `' R0 a0 R. Q3 c( w我们将此混纺纤维应用于动力转向系统中的回油管和吸油管中，橡胶材料为 CSM，结构 采用编织，产品的各项性能见表 2、表 3。
表 2        回油胶管性能对比

' ]! p+ }  W  y产品名称        动力转向回油管        规格        ø9×ø16.5
结        构        24 锭编织

5 q( f$ d4 T. J4 [! ~9 H; Z1 C序号       
试验项目       
! a% K5 g" L5 D4 {9 q3 R7 O指标        实测值
                        1670dtex Kevlar        混纺纤维
1        剥离强度        ≥2.5 N/mm        1.8~2.3        2.8~3.3
8 }* g3 y! k2 d* S/ z
2        -40℃×72h 低温弹性试验(4 秒内绕 8
  Y' t3 n. P/ N倍于外径的芯轴弯曲 1800)        内外胶层无裂
纹或破裂       
1 F5 m, f6 F8 B% _6 K1 z无裂纹       
/ G; z. d2 p$ Q6 V: _  k无裂纹
; [7 S# N2 U  V  `- ?% Z
0 u& t4 ^. C$ P0 \: e& _* R3        125℃×120h 热老化试验(4 秒内绕 8 倍
8 b! m$ c& o. d7 G& t  M于外径的芯轴弯曲 1800)        内外胶层无裂
纹或破裂       
无裂纹       
无裂纹
  i. h& Y, ^3 Q3 O/ {
+ T0 J4 S7 @+ y8 \4        耐臭氧 50pphm,40℃×72h 绕 8 倍于外
径的芯轴.        裸眼检查无
  V, U3 ~) u+ g- J2 f8 Y裂纹       
  o6 T: N; T7 F0 N无裂纹       
无裂纹
5        爆破压力        ≥7.0 MPa        12.3        12.0
. ~$ D2 b, i& a: T3 ^, S6        0.69Mpa 保压 1 分钟长度变化率        -10~+2 %        -1.3        -1.4
7 Z7 g7 H1 {$ }5 |; M* s
1 q! n; q' [9 v. a- i& F7        脉冲耐久试验：温度 135℃，压力：
- l0 i4 w) X1 l' I8 E1.2MPa，脉冲频率：30~40 次/分钟        22.5 万次无
破裂       
25 万次未破       
& _) s+ y0 B8 R+ h$ L3 n40 万次未破
8        100℃×22h 压缩永久变形        ≤75 %        84.5~89.1        66.7-71.2
9 H% u$ P6 N. O& ~2 @. ~


  _1 A: b- _, K表 3        吸油胶管性能对比
# S0 \% }4 D& q  H: x
6 j, k9 {; l+ r2 v6 V, p产品名称        动力转向吸油管        规格        Ø15.0×ø24.0
( D: W2 O  R3 h! O结        构        32 锭编织
) q" @" H# |1 t# W& }# I序
4 O5 ~" R, i# w) |号       
试验项目       
0 Q- O2 e& }0 A4 v: P2 X2 Q8 P指标        实测值
6 r% U7 B" w# A4 |# F                        1670dtex Kevlar        混纺纤维
1        剥离强度        ≥2.5 N/mm        2.0~2.5        2.9~3.5

' M& b+ g# s% m$ Y) r0 X& Y2        -40℃×72h 低温弹性试验(4 秒内绕 8 倍
于外径的芯轴弯曲 1800)        内外胶层无
9 ]5 y6 M2 _7 L4 q7 V! D" A# v5 Z裂纹或破裂       
$ V. {+ @4 Q* I7 Y$ v% p. s无裂纹       
& q; k& f- j( r1 U7 P2 j! L无裂纹
1 t4 B1 l' b1 u% Y% o# Q; B7 O( R
+ p; w! G, y  v8 o6 h: R3        125℃×120h 热老化试验(4 秒内绕 8 倍
* ?5 Q! a, a+ N于外径的芯轴弯曲 1800)        内外胶层无
裂纹或破裂       
3 ?9 r" o* ]# Q5 R! a/ m0 B无裂纹       
+ F+ ^6 n7 p4 X/ g6 d$ C. F6 H无裂纹

, B* u/ Z/ ~/ j4 p7 Y# i4        耐臭氧 50pphm,40℃×72h 绕 8 倍于外径
的芯轴.        裸眼检查无
裂纹       
无裂纹       
% S) ?9 ]4 @$ x$ D0 q1 S6 T7 j; R& G无裂纹
5        爆破压力        ≥7.0 MPa        8.5        8.3
6        0.69Mpa 保压 1 分钟长度变化率        -10~+2 %        -2.1        -2.2
7        100℃×22h 压缩永久变形        ≤75 %        79.8~85.6        69.4-73.9
8 o$ G3 {1 f3 d+ K2 L% k$ S


3 r7 L4 y: X: h+ u2 i
图 3        芳纶/棉线混纺纤维剥离后的图片        图 4 芳纶纤维剥离后的图片

: q; ?' M  _/ n  m7 F从表 3 及表 4 的性能对比可以看出，使用芳纶/棉线混纺纤维后，胶管的粘合强度明显增 强，压变性能提高，耐久试验性能大幅提高。用芳纶/棉线混纺纤维增强的胶管和用纯芳纶

( F- Y( R6 Z$ @; E8 m

. {/ i+ \! q1 I, P8 A6 c0 M8 n2 J纤维增强的胶管剥离后的图片比较见图 3、图 4，从图中可以看出两者的差异。使用芳纶/棉
2 f! R8 }' Z% p, ]  t+ E) Y线混纺纤维后，胶料渗透到纤维线中，内外层胶料粘合更加紧密，导致纤维损后才能剥离开 来。胶管压变性能也随之变好，最终对胶管的耐久性试验能产生直接影响。
; i8 ?" g9 z3 s4 P, ]四．结束语 采用混纺方法是改善芳纶纤维与橡胶基体粘合的一种重要途径。芳纶/棉线混纺纤维集
; m' N. m1 R# P+ X% J' [芳纶纤维的高强度、高耐热、低伸长率等优异特性和棉纤维易于粘合的特性于一体，在不增 加成本的情况下，取长补短，可以有效地提高胶管的粘合强度和耐久性能。它作为芳纶纤维 应用的一种新探索，将会在其它汽车胶管中得到广泛应用。
2 b0 [8 V1 ]/ A" c, X4 D) w4 q当然，对于使用工况更为苛刻的高温胶管，如涡轮增压中冷器胶管，因棉纤维的耐温局 限性，使得这种混纺纤维的使用受到限制，这需要纤维生产商和胶管生产企业共同寻找新的 解决途径。

czjml520

第一次接触胶管行业

stoneavid

学习下  感谢楼主分享~

乐熙

好文章，谢谢楼主分享

海贝

有点合金理念的味道，拜读了，谢谢。

a196589

一篇好文章，谢谢分享，请介绍一下目前国内工业化的厂家。

zlong2

非常好的信息，谢谢 ！

风云突变

学习学习学习学习

arron_mao

感谢楼主帖的文章。但是我想说的是这种方式，在其他行业早就用了N年了（聚酯长丝和短纤、棉纱混纺，尼龙和聚酯、棉纱等混纺）。这篇文章，我个人认为没什么内涵，太肤浅，而且中国人写东西，特别喜欢堆砌一些与文章主题无关的N多试验数据，此文就是一个典型。但是此文反而没有提到吸扁、低温屈挠、弯曲或疲劳性能是否因骨架增加一股棉纱而受影响，也没有提到在生产工艺和成本上增加的弊端。

风云突变

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