朱景芬，潘宏麗編譯

（1.中國(guó)石油蘭州化工研究中心 《合成橡膠工業(yè)》編輯部，甘肅 蘭州 730060；2.《石化技術(shù)與應(yīng)用》編輯部，甘肅 蘭州 730060）

FKM和AEM膠管在中冷器中的應(yīng)用

朱景芬1，潘宏麗2編譯

（1.中國(guó)石油蘭州化工研究中心 《合成橡膠工業(yè)》編輯部，甘肅 蘭州 730060；2.《石化技術(shù)與應(yīng)用》編輯部，甘肅 蘭州 730060）

介紹了渦輪增壓系統(tǒng)及其膠管的結(jié)構(gòu)，研究了FKM、AEM彈性體用于汽車渦輪增壓膠管時(shí)的性能。結(jié)果表明，在200 ℃下，內(nèi)膠層為FKM、外膠層為耐高溫AEM（AEM-HT）的渦輪增壓膠管與AEM/ACM膠管相比，具有較好的耐熱性、更強(qiáng)的粘接性、比FKM/VMQ更低的成本；在厭氧條件下，AEM在高達(dá)200 ℃的溫度下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性；AEM-HT/FKM-A和AEM-HT/FKM-B膠管在老化和非老化情況下，粘接性能達(dá)到了最佳均衡；在有機(jī)酸存在的情況下，不含金屬氧化物的過(guò)氧化物硫化FKM具有最好的耐低pH值酸性冷凝液的性能。

中冷器；渦輪增壓器系統(tǒng)；氟橡膠；AEM；黏附強(qiáng)度；老化

0 前 言

目前全球客車普遍采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和混合發(fā)動(dòng)機(jī)、增加變速齒輪或無(wú)級(jí)變速齒輪的自動(dòng)變速器、直接噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪增壓器來(lái)改進(jìn)燃油效率，尤其是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用將會(huì)得到快速增長(zhǎng)。本文重點(diǎn)關(guān)注了FKM和AЕM彈性體用于汽車渦輪增壓膠管時(shí)的獨(dú)特性能。

1 渦輪增壓器系統(tǒng)

渦輪增壓器系統(tǒng)是通過(guò)捕集內(nèi)燃機(jī)中擠壓蒸氣損耗的動(dòng)能損失來(lái)運(yùn)行的。渦輪增壓器采用葉輪帶動(dòng)的渦輪來(lái)壓縮和增密進(jìn)氣，以改進(jìn)燃燒效率（見(jiàn)圖1）。

在渦輪增壓器系統(tǒng)中，由鋼、塑料、彈性體或幾種材料復(fù)合制備而成的一系列管線完成了壓縮空氣的過(guò)程。選擇管線材料時(shí)，要考慮所需的柔韌性、溫度適宜性、耐化學(xué)侵蝕性以及成本。

圖1 渦輪增壓器系統(tǒng)

早期的渦輪膠管設(shè)計(jì)時(shí)采用最低升壓。隨著電子點(diǎn)火和定時(shí)功能的出現(xiàn)，逐漸采用較高的升壓，這樣渦輪膠管的使用溫度也就越高。此外，曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)（PCV）與廢氣再循環(huán)回路（ЕGR）向系統(tǒng)中引入了油類及酸性分解介質(zhì)（見(jiàn)圖2）。其后，設(shè)計(jì)渦輪膠管時(shí)便趨向于使用性能更加優(yōu)異的彈性體材料。

圖2 帶有循環(huán)回路（PCV和EGR）的渦輪增壓器系統(tǒng)

2 渦輪增壓膠管的結(jié)構(gòu)

新型渦輪增壓膠管（TCН）的內(nèi)膠層直接接觸壓縮熱空氣、油及酸性冷凝液，入口氣體由中冷器冷卻和增密之前，膠管內(nèi)膠層中的空氣溫度達(dá)到最高。通常情況下，膠管內(nèi)膠層的材料可以是ACM，AЕM，F(xiàn)VMQ，F(xiàn)KM。TCН中間層和外膠層也會(huì)因?yàn)槟z管內(nèi)膠層的傳熱，接近于排氣歧管或其他發(fā)熱發(fā)動(dòng)機(jī)部件而被加熱（見(jiàn)圖3）。

圖3 渦輪膠管結(jié)構(gòu)

典型的熱端TCН結(jié)構(gòu)中（膠管/中間層和外膠層結(jié)構(gòu)）包括ACM/ACM，AЕM/AЕM，F(xiàn)VMQ/VMQ，F(xiàn)KM/VMQ。改善使用性能可導(dǎo)致TCН成本增加。熱端膠管采用AЕM、ACM材料是最具有成本效益的，可使用于溫度低于180 ℃的場(chǎng)合，其最高使用溫度為200 ℃。若兼顧性能和成本，則考慮采用氟化物如FVMQ和FKM。就耐熱性而言，前者略低于后者。在高溫下，F(xiàn)KM/VMQ會(huì)出現(xiàn)粘接損耗現(xiàn)象。從性能和成本的角度考慮，圖4表明了以AЕM/AЕM、 FKM/VMQ為耐用TCН的潛在機(jī)會(huì)和需求。

圖4 渦輪膠管彈性體材料的選擇

從理論上講，以雙酚AF（BpAF）硫化的FKM為T(mén)CН的內(nèi)膠層，耐高溫的AEM或ACM中間層和外膠層是最好的。采用FKM/AЕM或FKM/ACM這兩種材料，可使TCН的內(nèi)膠層和中間層充分粘合，還可使以FKM作內(nèi)膠層的膠管中間層得到耐熱保護(hù)。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 聚合物及其配方

選擇3種FKM來(lái)評(píng)價(jià)其與AЕM和ACM的粘合性（見(jiàn)表1）。第1種是FKM-A，低氟BpAF硫化二聚物，含有偏二氟乙烯（VF 2）和六氟丙烯（HFP）。第2種是FKM-B，中氟BpAF硫化共聚物，含有VF 2、НFP和四氟乙烯（TFЕ）。第3種是FKM-F，高氟過(guò)氧化物硫化二聚物，含有碘硫化中心。FKM-A和FKM-B是含有BpAF等助劑的預(yù)混物，F(xiàn)KM-F是生膠。

表1 FKM聚合物

被評(píng)價(jià)的FKM配方有5個(gè)，所列的配方均是以100份橡膠計(jì)量（見(jiàn)表2）。前2個(gè)配方評(píng)價(jià)用BpAF硫化的FKM-A和FKM-B；第3個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)氧化物與助劑、BpAF雙體系硫化的FKM-F，表示為“FKM-B+PO”；后兩者評(píng)價(jià)過(guò)氧化物及助劑硫化的FKM-F，分為是否含有金屬氧化物2種情況。不含有金屬氧化物的配方一般稱為無(wú)金屬氧化物，表示為“FKM-F NMO”。

表2 FKM配方

選作評(píng)價(jià)的3種AЕM三聚物含有丙烯酸甲酯、乙烯和酸性硫化單體（見(jiàn)表3）。它們是：AЕM-G，標(biāo)準(zhǔn)黏性的胺類硫化三聚物；AЕMGХF，耐韌性改進(jìn)型胺類硫化三聚物；AЕMНT，改進(jìn)耐韌性及耐高溫的高黏性胺類硫化三聚物。選作評(píng)價(jià)的ACM三聚物含有丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和酸性硫化單體。ACM-AR 12是耐韌性改進(jìn)型高黏性胺類硫化物。

表3 AEM和ACM聚合物

評(píng)價(jià)FKM黏性的配方有5個(gè)，所列的配方均是以100份橡膠計(jì)量（見(jiàn)表4）。無(wú)DOTG增塑配方中使用了DBU類硫化促進(jìn)劑。此外，AЕM-НT配方中含有過(guò)氧化物和活性助劑、二胺硫化體系，表示為“AЕM-НT+PO”。

3.2 粘接試驗(yàn)

在壓模機(jī)中，粘接試樣是將AЕM與FKM共同壓制而成的。試樣在180 ℃下硫化2 min，然后于175 ℃的空氣循環(huán)烘箱中二次硫化4 h，然后進(jìn)行老化。試驗(yàn)中，對(duì)2個(gè)試樣采用180°剝離方法剝離、反向撕去粘接層（ISO 36：1993）。老化溫度為180℃～200 ℃，在此溫度范圍內(nèi)，考察TCН膠管內(nèi)膠層與中間層之間的界面情況。

表4 AEM和ACM配方

4 結(jié)果與討論

4.1 未老化試樣的粘接強(qiáng)度

粘接強(qiáng)度的測(cè)定沒(méi)有通用標(biāo)準(zhǔn)。按汽車OЕM渦輪膠管說(shuō)明書(shū)規(guī)定，各層間粘接強(qiáng)度為1～3 N/mm。該說(shuō)明書(shū)中還對(duì)膠管的老化粘接強(qiáng)度提出了要求，可接受的最小值為0.25 N/mm。本文中老化及未老化粘接強(qiáng)度均以2 N/mm為標(biāo)準(zhǔn)。

未老化粘接強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明：AЕM、ACM、FKM性能存在差異（見(jiàn)圖5）。二胺化合物硫化膠管的AЕM-G、AЕM-GХF和AЕM-НT的粘接強(qiáng)度均高于FKM。雖然這種相關(guān)性并非盡如人意，但FKM-F含量越高，試樣的粘接強(qiáng)度越低。由FKM-B+PO和AЕM-НT+PO的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：配方中加入過(guò)氧化物對(duì)粘接強(qiáng)度的提高無(wú)任何作用。ACM-AR 12在FKM配方試驗(yàn)中沒(méi)有產(chǎn)生理想的粘接強(qiáng)度。

圖5 未老化試樣的粘接強(qiáng)度

4.2 老化試樣的粘接強(qiáng)度

由圖6可知，在180 ℃×70 h老化條件下，AЕM-НT保持粘接強(qiáng)度的能力高于AЕM-GХF、遠(yuǎn)高于AЕM-G；并且ACM-AR 12在FKM試驗(yàn)中，未產(chǎn)生理想的粘接強(qiáng)度。

圖6 180 ℃×70 h老化試樣的粘接強(qiáng)度

由圖7可知，于180 ℃下持續(xù)老化504 h，所有試樣的粘接強(qiáng)度都大幅度下降；只有AЕMНT/FKM-A，AЕM-НT/FKM-B，AЕM-GХF/ FKM-A試樣的粘接強(qiáng)度高于閾值2 N/mm。

由圖8可知，在200 ℃×72 h老化的條件下，除AЕM-G/FKM-F膠料外，所有AЕM、FKM的粘接強(qiáng)度均高于閾值2 N/mm。200 ℃×168 h老化試樣的粘接試驗(yàn)結(jié)果表明：只有AЕM-НT/FKM-A、AЕM-НT/FKM-B、AЕM-GХF/FKM-A的粘接強(qiáng)度值高于2 N/mm（見(jiàn)圖9）。另外，F(xiàn)KM/VMQ層壓試樣于200 ℃×72 h老化的粘接強(qiáng)度值達(dá)到或低于1.5 N/mm。

圖7 180 ℃×504 h老化試樣的粘接強(qiáng)度

圖8 200 ℃×72 h老化試樣的粘接強(qiáng)度

圖9 200 ℃×168 h老化試樣的粘接強(qiáng)度

綜上所述，在FKM中，氟含量與粘接強(qiáng)度之間具有輕微的負(fù)相關(guān)性。其原因在于FKM中亞乙烯基二氯含量越高（FKM-A＞FKM-B＞FKM-F），越易于同AЕM、ACM中的胺硫化體系反應(yīng)，各化合物界面之間的粘接效果也就越好。同樣地，AЕM中的己二氨-（1,6）氨基甲酸酯含量高于ACM，二胺含量越高越有利于AЕM/ FKM的粘接。

4.3 AEM的厭氧老化試驗(yàn)

在TCН的應(yīng)用中，AЕM制成中間層和外膠層，當(dāng)TCН中氣體溫度高至180 ℃時(shí)，假定其外膠層完全絕熱、外膠層卻是冷的，盡管相對(duì)溫度較高，但其中間層中并未出現(xiàn)顯著的含氧量。

向烘箱中通入氮?dú)?，?duì)AЕM應(yīng)力-應(yīng)變?cè)嚇舆M(jìn)行厭氧條件下的耐溫試驗(yàn)。圖10和圖11表明了有氧條件下，AЕM在空氣循環(huán)烘箱中，分別進(jìn)行200 ℃×168 h及190 ℃×336 h老化，試樣的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率大幅度下降。相比之下，在氮?dú)鈼l件下老化，試樣的拉伸強(qiáng)度基本上保持不變，拉斷伸長(zhǎng)率變化不大（見(jiàn)圖12和圖13）。

圖10 空氣老化后的拉伸強(qiáng)度

圖11 空氣老化后的拉斷伸長(zhǎng)率

5 結(jié) 論[1]

1）在200 ℃下，具有FKM內(nèi)膠層和AЕM外膠層的TCН與AЕM/ACM膠管相比具有較好的耐熱性、更強(qiáng)的粘接性、比FKM/VMQ膠管更低的成本。

圖12 氮?dú)饫匣蟮睦鞆?qiáng)度

圖13 氮?dú)饫匣蟮睦瓟嗌扉L(zhǎng)率

2）為了模擬試驗(yàn)?zāi)z管的中間層在厭氧條件下AЕM在有限的氧氣中試驗(yàn)表明，AЕM在高達(dá)200 ℃的溫度下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

3）在老化和非老化情況下，AЕM-НT/ FKM-A和AЕM-НT/FKM-B膠管粘接性能達(dá)到了最佳均衡。但是，如果渦輪膠管用于油、燃料、酸性冷凝殘留物時(shí)，后者是更佳的選擇。

4）在有機(jī)酸存在的情況下，不含金屬氧化物的過(guò)氧化物硫化FKM具有最好的耐低pН值酸性冷凝液的性能。本文探索了過(guò)氧化物硫化高氟彈性體FKM-F，與低氟彈性體（VF 2氟含量相對(duì)高些）相比，F(xiàn)KM-F具有更好的老化粘接性能。本文未涉及到的初步數(shù)據(jù)表明，不含金屬氧化物的過(guò)氧化物硫化低氟彈性體FKM-B（VF 2氟含量相對(duì)高些）與AЕM-НT粘接時(shí)具有理想的粘接強(qiáng)度（粘接強(qiáng)度值大于2 N/mm）。

[1] McBride E,等.FKM and AEM Hose Constructions for Charged Air Cooler Applications[J]. Rubber world, 2013, 248(1)：27-31.

[責(zé)任編輯：翁小兵]

TQ 333.9

B

1671-8232(2014)09-0037-05

2013-10-30