新型高性能骨架材料在汽车胶管中的应用郑海波 陈晋阳 （安徽中鼎密封件股份有限公司 宁国 242300） 摘要：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、尼龙纤维等等随着汽车工业的发展， 对胶管的耐温、耐压及耐久性能提出了更高的要求，上述这些纤维的性能已不能适应汽车工业发展的需要，因此新型高 性能纤维材料在汽车胶管产品中的应用将会越来越广泛本文主要介绍了新型高性能纤维材料芳纶纤维的性能特点及其 作为骨架材料在汽车胶管中的应用关键词：芳纶纤维 汽车胶管 针织 编织 缠绕一．纤维骨架材料在国内汽车胶管中的应用现状在汽车上要装配多种多样的胶管，如燃料管、加热器管、散热器管、动力转向管、涡 轮增压器胶管等等，用来完成燃料、水、气等的输送及动力传递每辆车大约需用70m胶 管由于是用于汽车中，使用条件苛刻，性能要求高，组装要方便，质量要求也越来越高 近些年来，国内胶管企业通过引进技术与自行开发，研制生产了一批适应汽车使用要求的 不同类型胶管，如空调管、液压制动管、水箱胶管、氟树酯低渗油管等这些胶管的生产， 逐步改变了以前全部依赖进口的局面，实现了部分胶管产品的国产化但由于受传统胶管 制造方法及原材料选择范围小的条件制约，国内胶管企业目前所使用的增强骨架材料仍以 涤纶纤维及锦纶纤维为主，其中涤纶纤维使用最为广泛。
国内涤纶纤维制造厂现已具备了 从原丝生产到后道加捻、热稳定、浸胶等一整套完整的工艺技术锦纶纤维由于其湿热收 缩大的缺陷，使其在胶管中的应用受到一定的限制，国内所生产的锦纶纤维湿热收缩率更 大，因此不能在汽车胶管产品中得到广泛应用，目前部分使用锦纶纤维的胶管企业，仍以 进口为主用涤纶纤维和锦纶纤维增强的胶管，受纤维本身的强度及耐热性低的限制，使 得胶管的耐压能力、耐热及耐久性能大打折扣，不能为中高档轿车配套尤其是汽车中的 动力转向管这类使用压力较高的胶管，采用涤纶和锦纶增强纤维就不能达耐压要求为了 顺应国内汽车工业的发展，近几年来，国内胶管生产企业纷纷寻求并引进了高强度的芳纶 纤维作为胶管骨架增强材料，芳纶纤维以其独有的高强度，高模量、高耐温及优异的耐久 性能，迅速在汽车胶管中得到广泛应用 二．汽车胶管用纤维骨架材料的特点及要求胶管的硫化方式有饱和蒸汽直接硫化法、热烘道硫化法、微波连续硫化法、盐浴硫化 法等多种硫化方法，但对于具有复杂空间形状的异型汽车胶管，硫化工艺仍然是采用传统 的饱和蒸汽直接硫化，因为硫化时胶管直接接触蒸汽，因此对于增强层的纤维有特殊要求， 要求纤维在高温、高压及水蒸汽同时作用下，纤维不能降解且收缩率不能过大，否则胶管 的耐压性能达不到设计要求，收缩率过大则胶管的外观差且尺寸不易控制。
根据汽车用异 型胶管的制造工艺特点及产品的使用工况，作为胶管的增强纤维材料必须具备以下特点： 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，提高耐久性能国内现有的常用纤维材料中，都不能同时满足以上几个性能要求目前汽车胶管主要 使用的增强材料涤纶和锦纶纤维，由于其在强度、伸长率及高温稳定性方面的缺陷，使得 这种胶管产品无法在中高档汽车上使用国外新型纤维骨架材料芳纶纤维，正好能同时满足以上大部分性能要求，因而使得其 在汽车胶管产品中迅速得到广泛应用三．芳纶纤维的种类及性能特点芳纶纤维全称为"芳香族聚酰胺纤维"，英文为Aramid fiber芳纶主要品种有聚间苯 二甲酰间苯二胺纤维（间位芳香胺纤维）和聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（对位芳香胺纤维） 两种，它是由美国杜邦（DuPont）公司20世纪60年代成功地开发出来并率先产业化，在 此后 30 多年的时间里，芳纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程。
现在国外 芳纶无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟在芳纶纤维生产领域，对位芳酰胺纤维 发展最快，产能主要集中在日本和美国、欧洲如美国杜邦的Kevlar纤维，荷兰阿克苏诺 贝尔（Akzo Nobel）公司（已与日本帝人合并）的Twaron纤维，帝人公司的Technora纤 维及俄罗斯的Terlon纤维等间位芳酰胺纤维的品种有Nomex、Conex、Fenelon纤维等 美国的杜邦是芳纶开发的先驱，他们无论在新产品的研发、生产规摸上，还是在市场占有 率上都是世界一流水平，仅他们生产的Kevlar纤维，目前就有Kevlar-49、Kevlar-29等十 多个牌号，每个牌号又有数十种规格的产品用于胶管产品的芳纶纤维主要有 Kevlar-29、 Kevlar-49 和 Kevlar-129 牌号芳纶纤维具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸碱、重量轻等优良性能，其强度是钢 丝的7倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2〜3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在450°C的温度下，不分解，不融化它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很 长的生命周期芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的里程碑在芳纶纤维家族中， 最具有代表性的是美国杜邦公司生产Nomex和Kevlar。
Nomex芳纶（芳纶1313，间位芳酰胺纤维）最早由美国杜邦公司研制成功，并于1967 年实现了工业化生产，产品注册为Nomex®（诺美克斯）它是一种柔软洁白、纤细蓬松、富 有光泽的纤维，外观与普通化纤并无二致，却集众长于一身拥有超乎寻常的“特异功能”它 最突出的特点就是耐高温性能好，可在220C高温下长期使用而不老化，其电气性能与机 械性能的有效性可保持10年之久，而且尺寸稳定性极佳，在250C左右的热收缩率仅为1%， 短时间暴露于300C高温中也不会收缩、脆化、软化或者融熔，如此高的热稳定性在目前 有机耐温纤维中是绝无仅有的Kevlar芳纶（芳纶1414，对位芳酰胺纤维）是美国杜邦公司在上世纪六十年代末研制 出另一种高性能合成纤维，其商品于 1972年首次问世，定名为 Kevlar® （凯芙拉）它外观 呈金黄色，貌似闪亮的金属丝线，实际上是由刚性长分子构成的液晶态聚合物由于其分 子链沿长度方向高度取向，并且具有极强的链间结合力，从而赋予纤维空前的高强度、高 模量和耐高温特性它的发现被认为是材料界发展的一个的重要里程碑芳纶1414有极高 的强度，大于28克/旦，是钢材的7倍，模量是钢材或玻璃纤维的2〜3倍，韧性是钢材的 2倍，而重量仅为钢材的1/5。
Kevlar芳纶的连续使用温度范围极宽，在-196C至204C范 围内可长期正常运行在150C下的收缩率为0,在空气中的分解温度约427C到482C， 在氮气下大约为538C分解，它具有良好的绝缘性和抗腐蚀性，生命周期很长，因而赢得“合 成钢丝”的美誉伸长• %SS -躅DACRON'” 涤纶尼龙钢丝100 200 30038 93 149试验温度图 1 Kevlar 和钢丝、涤纶、尼龙图 2 Kevlar 和钢丝、涤纶、尼龙700600 500 1 400-§ 300 200 100-钢丝100 200 30038 93 149试验温度%-嶼舉滋军探廉% -加舉探军<篠图 3 Kevlar 和钢丝、涤纶、尼龙图4 Kevlar和涤纶、尼龙在18O°C干热空气中的热老化对拉伸强度的影响（拉伸试验在室温下进行）4-（在室温下测试纱圾） 1 1―-~I 1 0100 200 300 400 500眾幫时间‘小时在高温空气中的初始模量2420-图5不同温度下Kevlar的强度与时间的关系由于Kevlar比重小，强度高，耐热性好，并且对橡胶有良好的粘附性，所以成为最理 想的汽车胶管增强纤维四．芳纶纤维材料在汽车胶管中的应用形式 汽车上用胶管有很多种类，有发动机冷却循环系统胶管、燃油胶管、涡轮增压器胶管 动力转向系统用胶管、变速箱油冷管等等。
凡在高温及压力下使用的胶管，多采用纤维增 强方式结构，随着近几年国内汽车业的迅猛发展，国外高性能骨架纤维材料已逐步取代了 其它类纤维材料，并大量地应用于这几类胶管中，以下是Kevlar纤维在汽车胶管中的应用 实例1.燃油胶管此类胶管在汽车中主要分成两大部分，一部分是油箱加油管（Fill In Neck Hose），此种胶管装配于汽车油箱上，使用温度相对较低，压力也仅是在加油的过程 中承受一定的压力，但要求胶管对燃油的渗透性要低，因此此类胶管一般采用氟胶为内层 胶，厚度为0. 2〜0 .7mm,在其上复合耐燃油渗透性好的氯醚橡胶（ECO）,厚度为0. 5〜 1mm,再在其上针织一层芳纶纤维（如图6）,最外层用氯醚橡胶为复盖层的结构形式另 一部分是电喷管（Fuel Injection Hose），它装配于发动机仓内，起向发动机内注入燃油的作 用，由于此种胶管使用温度较高，且工作压力较大，且要求对燃油渗透性低，因此此类胶 管内层采用氟胶（FKM）,中层为氯醚橡胶（ECO）与氟胶复合，再加一层芳纶纤维编织层增强（如图 7），最外面用氯醚橡胶包覆图6芳纶纤维针织形式图7芳纶纤维编织形式2.动力转向管。
动力转向管系统中用到三根橡胶管，如图8，一根连接在转向液油壶到转向泵之间，称为吸油管（Suction Hose）； 一根连接在动力转向泵与转向器之间，称为高压管（High Pressure Hose）；另一根连接在转向器与转向液壶之间，称为回油管（Return Hose）吸油管的工作压力较低，一般在O.IMPa左右，但其装配位置靠近发动机，相对使 用温度较高，现多采用氯磺化聚乙烯橡胶（CSM）中间加Kevlar芳纶编织结构形式高压 管的工作压力非常高，最高时达到18MPa,因此采用多层纤维编织或中间夹纤维布的结构 形式回油管的工作压力在1〜1.5MPa,多采用氯磺化聚乙烯橡胶（CSM）或丙烯酸酯橡 胶（AEM、ACM）中间加一层Kevlar芳纶编织结构形式动力转向管之所以选用芳纶纤 维作为增强层，一方面是因为芳纶的高强度性能可以满足胶管的耐高压、高温及耐久性能， 另一方面通过使用高强度芳纶纤维，在保证耐压的前提下可减少纤维增强层的层数，从而 减少胶管的刚性，可以降低胶管产品使用过程中产生的噪音图 8 动力转向管装配示意图3．发动机冷却循环系统用胶管它是发动机夹套和散热器之间流通冷却水的软连接件。
由于这类胶管直接装配在汽车发动机机舱内，且长时间处于压力脉冲循环的工作条件下， 因此要求胶管有较高的耐压、耐温及脉冲耐久性能早期的汽车，发动机机舱内的空间较 大，因此对胶管的耐温性要求不是很苛刻，一般采用硫黄硫化的三元乙丙橡胶（ EPDM） 加涤纶纤维增强的结构近年来，车型配置越来越高，且动力越来越大，相对发动机仓的 空间变得很狭小，发动机所产生的热量也越来越大，因此对冷却循环系统的胶管的耐温性 要求有了大幅提高，因此过氧化物硫化的三元乙丙胶（EPDM）加Kevlar芳纶增强结构的 胶管逐步取代了硫黄硫化的EPDM和涤纶纤维增强的胶管由于此类胶管多为异型胶管， 且部分需要变径，为满足加工工艺的要求，因此此类胶管多采用芳纶针织或缠绕（如图 6 或图 9）的结构形式图 9 缠绕结构形式4．涡轮增压器用 CAC 硅胶管涡轮增压是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸，进入发动机的空气的压力和密度增大了使燃料燃烧更充分，从而提高了发动机的输出功率由于涡轮增压管中通过的是发动机排出的燃烧废气，温度非常高，且有一 定的工作压力，因此此类胶管多是采用耐高温的硅橡胶（VMQ）或氟硅胶（FVMQ）与 Kevlar 或 Nomex 芳纶纤维织成的帘布经过压延擦胶后，再经过缠绕包布硫化的工艺制成多 层芳纶布增强胶管（见图 10）。
图 10 涡轮增压用 CAC 硅胶管五．芳纶纤维作为增强层对胶管的性能的影响芳纶纤维增强胶管与普通纤维增强胶管相比，在耐压及耐久性能上有很大提高，表 1是①16X3.5规格的胶管，采用同样规格的涤纶和芳纶纤维增强胶管耐压性能的比较：表 1 芳纶纤维和涤纶纤维对胶管耐压性能比较试验项目1000D涤纶纤维12针针织1000D Kevlar纤维12针针织爆破压力（常温）1.8MPa2.6MPa150°CX 168h热老化后爆破压力1.0MPa2.4MPa脉冲耐久试验后爆破压力脉冲条件：试验压力:0〜0.24MPa介质温度:（135-5）C环境温度:（85+5）C脉冲频率:1.0±0.5Hz脉冲次数:150000次0.6MPa1.8MPa从以上数据可以看出，采用芳纶增强的胶管在耐压、耐热及耐久后的性能明显提高下图为从运行了 13年后的汽车散热器上拆下的芳纶针织管，累计公里数为250000Km,图 11 运行 13 年后的胶管图 12 剖面图（左边为使用 13 年后的胶管，右边为同类新胶管）在整个运行期间，胶管没有发生问题或被替换过，剖面显示胶管也没有退化现象只有芳 纶纤维增强的汽车胶管才能有如此高的耐用性和可靠性，芳纶纤维特殊的高强度、高耐温 高耐久性能注定了它在今后的汽车行业中越来越广泛的应用。
六、结束语芳纶纤维作为一种新型高性能骨架材料用于汽车胶管中，将大大提高汽车胶管的各项 性能，从而提升汽车的综合性能尽管芳纶纤维有很多的优点，但其目前主要还是从国外 进口，价格昂贵，因此在很大程度上制约它了的广泛应用虽然国内也已经建立了初步的 芳纶纤维研发体系和生产基地，但其技术水平和产业化水平与发达国家相比还有相当大的 差距可期待的是，国内有关单位正在全力以赴开展研发和产业化工作，相信在不长的时 间内将会有高性能的国产芳纶纤维应用于汽车胶管。