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涡轮增压器软管氟硅橡胶衬里的应用研究
涡轮增压器软管氟硅橡胶衬里的应用研究

 燃料价格在短期内的上涨和有限的全球石油供应造成的长期威胁,正在影响着汽车行业的发展趋势,即寻找能够进一步提高燃油效率、降低废气排放的技术。消费者对汽油价格的担忧以及,对于汽车尾气对环境影响的日益关注推动着世界各地的汽车研发人员不断研发矿物燃料的替代品如含乙醇燃料、氢动力汽车、由燃料和电力驱动的混合动力汽车等。
  涡轮增压发动机不失为另一条降低燃料/柴油消耗的途径。近年来,涡轮增压发动机已日益被接受。目前在西欧涡轮柴油汽车占客车产量的50%以上。在美国,越来越多的重型皮卡车使用涡轮增压发动机,而在大型拖车中应用更为普遍。
  涡轮增压技术的进步以及涡轮柴油机市场的发展,提高了对这些系统部件所采用材料性能和产量的需求。如使用环境的温度和压力要求都在提高,尤其要求灵活的软管部分在苛刻的环境中也能正常发挥性能。此外软管还需要具有防渗透性能,以抵御含有很强渗透性的石化物质和其他燃烧副产品的高温废气。
  涡轮增压器软管一般使用VMQ有机硅橡胶,并配以含氟弹性体衬里(FVMQ含氟有机硅或FKM碳氟化合物)。为了能够承受高温下的压力和振动,可使用单层或多层耐高温纤维(比如芳纶纤维),以提高软管的整体性能。
  对用于涡轮增压器软管的氟硅橡胶的要求日益苛刻而在应对这一挑战方面也取得了重大进展。以下将介绍氟硅橡胶卓越的耐高温机油特性、更高的工作温度、复合经济性以及对VMQ有机硅橡胶更高的粘接力。
  涡轮增压器软管是汽车发动机中要求最苛刻、成本最高的软管之一。软管成本高是因为软管的设计需要大量的软管层,此外,为保证液体的正常流动所需的弹性体成本也较高。
  许多以前使用AEM等丙烯酸橡胶的软管已经改为使用有机硅橡胶,以使胶管在更高温度下保持稳定的性能。这样就相应地需要采用含氟弹性体衬里,以提供必要的耐油性能。
  在多数情况下在软管结构中采用芳纶纤维以保持软管的形状和提供相应的强度有机硅橡胶用以保护纤维层并使软管具有弹性,能耐受极高的温度。对于在涡轮增压器软管中使用的有机硅橡胶,采用单组分高密度橡胶(HCR)。通常用压延机将橡胶和纤维贴合在一起,从而得到生产软管的半成品材料。由于连续处于170℃以上的温度条件,软管的中层和外层通常采用二甲基-乙烯基硅橡胶(VMQ)。在选择含氟弹性体衬里时,生产商和/或终端用户不得不选择氟硅橡胶(FVMQ),或氟橡胶(FKM)。图1为采用有机硅弹性体的典型TCH结构。


  由于软管衬里直接接触排放的废气,因此需要具备如下性能:
  耐高温
  耐油
  耐燃油
  各层之间的粘接力
  加工特性(压延和/或共挤出)
  耐高温特性
  由于含氟弹性体衬里需要承受与HCR层相似的温度因而需要具耐高温特性。一般最基本的要求是在200℃下老化七天之后,硬度、拉伸强度和扯断伸长率都不会发生大的变化。多数标准测试都是将材料置于高温条件下恒温一定时间,然后再测试其物理特性。通常都是等材料恢复室温后再测试其物理特性。
  耐油性
  涡轮增压器软管衬里需要具备的一个关键性能就是在与高温机油长时间接触后仍然保持稳定的性能。基本要求是衬里必须能够成为阻隔层,防止机油渗入软管的中层和外层。除这条基本要求外,还将试样完全浸入温度为150℃、175℃、200℃或更高温度的机油中,进行进一步的测试。现代机油的发展趋势是采用全合成级机油,内含具有卓越防腐性并能延长使用寿命的添加剂。这些添加剂包括:烷基二硫代磷酸锌、烷基或芳基改性胺和烷基苯酚。因此对橡胶性能的要求越来越苛刻。
  耐燃油性厂
  虽然软管衬里材料还需具有耐汽油燃料性,但这一性能的重要程度大大低于耐机油性。一般要求进行FuelC浸泡测试,许多氟硅橡胶材料在测试中都能取得满意的结果。
  体积膨胀率可能是与耐燃油性最相关的指标,可接受的数值为:经过七天常温(通常为23℃)燃油浸泡后体积膨胀率小于25%。对于氟硅橡胶而言,该指标很容易就能达到。
  层间粘接
  除良好的耐机油性以外各层之间的粘接力是含氟弹性体软管衬里的另一项重要指标。软管的完整性不仅依赖于较好的初始粘接强度,还依赖于在高温、机油和工作振动的影响下,其粘接强度的保持能力。
  在典型的粘接测试中,需要将未经硫化的HCR和FSR薄片贴合起来。然后再将这一复合材料在适度的压力下进行加压硫化,再将其切割成标准样条进行剥离测试,以定量测定两层材料之间的粘接强度。一般会用一小片塑料薄膜垫在两种材料之间开始剥离的一侧,以便拉力机的夹持器能够夹住材料两端。
  工艺特性
  氟硅橡胶的性能范围较宽,适于采用压延和挤出进行生产。硬度范围从很低的20ShoreA直到80ShoreA。这使其在针对特定的工艺特点而选取合适的材料时具有极大的灵活性。选用合适的配方能够得到生胶强度适当的材料,以最大程度地降低在进行挤出时软管的塌陷。
  将HCR和FsR材料作为软管的两层结合使用的一个重要优势是,两者的硫化速度非常相近。这对于各层之间的粘接来说非常重要,因为完全的粘接是在两层材料共硫化的过程中实现的。如果硫化速度不相同粘接则会在其中一层材料尚未完全硫化时形成。这将降低两层材料紧密接触和相互渗透的可能性。另外,HCR和FSR的硬度可以非常接近,也会促进两层材料的相互渗透。
  总之,FVMQ具有耐高温和耐高温机油的特性,具有很好的性价比。这些经过优化的FVMQ材料具有巨大的潜力,可以满足对涡轮增压系统部件的性能和数量不断增长的需求。
  未来的市场瞬息万变。客户的需求总是在不断变化,在结构、工艺、性能和经济性之间实现平衡比以前更加困难。判断某个解决方案的总体价值,应考虑技术性能和总的产品使用寿命成本。在原材料选择和产品生产的过程中,客户和FVMQ供应商之间应当紧密协作。