朱景芬，潘宏麗編譯

（1.中國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)與應用》編輯部，甘肅 蘭州 730060）

FKM和AEM膠管在中冷器中的應用

朱景芬1，潘宏麗2編譯

（1.中國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、更強的粘接性、比FKM/VMQ更低的成本；在厭氧條件下，AEM在高達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，粘接性能達到了最佳均衡；在有機酸存在的情況下，不含金屬氧化物的過氧化物硫化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；黏附強度；老化

0 前 言

目前全球客車普遍采用柴油發(fā)動機和混合發(fā)動機、增加變速齒輪或無級變速齒輪的自動變速器、直接噴射式發(fā)動機及渦輪增壓器來改進燃油效率，尤其是渦輪增壓發(fā)動機的應用將會得到快速增長。本文重點關(guān)注了FKM和AЕM彈性體用于汽車渦輪增壓膠管時的獨特性能。

1 渦輪增壓器系統(tǒng)

渦輪增壓器系統(tǒng)是通過捕集內(nèi)燃機中擠壓蒸氣損耗的動能損失來運行的。渦輪增壓器采用葉輪帶動的渦輪來壓縮和增密進氣，以改進燃燒效率（見圖1）。

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

圖1 渦輪增壓器系統(tǒng)

早期的渦輪膠管設計時采用最低升壓。隨著電子點火和定時功能的出現(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，曲軸箱強制通風（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)（見圖2）。其后，設計渦輪膠管時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因為膠管內(nèi)膠層的傳熱，接近于排氣歧管或其他發(fā)熱發(fā)動機部件而被加熱（見圖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的潛在機會和需求。

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TCН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。

3 實 驗

3.1 聚合物及其配方

選擇3種FKM來評價其與AЕM和ACM的粘合性（見表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等助劑的預混物，F(xiàn)KM-F是生膠。

表1 FKM聚合物

被評價的FKM配方有5個，所列的配方均是以100份橡膠計量（見表2）。前2個配方評價用BpAF硫化的FKM-A和FKM-B；第3個評價過氧化物與助劑、BpAF雙體系硫化的FKM-F，表示為“FKM-B+PO”；后兩者評價過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金屬氧化物，表示為“FKM-F NMO”。

表2 FKM配方

選作評價的3種AЕM三聚物含有丙烯酸甲酯、乙烯和酸性硫化單體（見表3）。它們是：AЕM-G，標準黏性的胺類硫化三聚物；AЕMGХF，耐韌性改進型胺類硫化三聚物；AЕMНT，改進耐韌性及耐高溫的高黏性胺類硫化三聚物。選作評價的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是耐韌性改進型高黏性胺類硫化物。

表3 AEM和ACM聚合物

評價FKM黏性的配方有5個，所列的配方均是以100份橡膠計量（見表4）。無DOTG增塑配方中使用了DBU類硫化促進劑。此外，AЕM-НT配方中含有過氧化物和活性助劑、二胺硫化體系，表示為“AЕM-НT+PO”。

3.2 粘接試驗

在壓模機中，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，然后進行老化。試驗中，對2個試樣采用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度

粘接強度的測定沒有通用標準。按汽車OЕM渦輪膠管說明書規(guī)定，各層間粘接強度為1～3 N/mm。該說明書中還對膠管的老化粘接強度提出了要求，可接受的最小值為0.25 N/mm。本文中老化及未老化粘接強度均以2 N/mm為標準。

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

圖5 未老化試樣的粘接強度

4.2 老化試樣的粘接強度

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

圖6 180 ℃×70 h老化試樣的粘接強度

由圖7可知，于180 ℃下持續(xù)老化504 h，所有試樣的粘接強度都大幅度下降；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的粘接強度均高于閾值2 N/mm。200 ℃×168 h老化試樣的粘接試驗結(jié)果表明：只有AЕM-НT/FKM-A、AЕM-НT/FKM-B、AЕM-GХF/FKM-A的粘接強度值高于2 N/mm（見圖9）。另外，F(xiàn)KM/VMQ層壓試樣于200 ℃×72 h老化的粘接強度值達到或低于1.5 N/mm。

圖7 180 ℃×504 h老化試樣的粘接強度

圖8 200 ℃×72 h老化試樣的粘接強度

圖9 200 ℃×168 h老化試樣的粘接強度

綜上所述，在FKM中，氟含量與粘接強度之間具有輕微的負相關(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，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

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

向烘箱中通入氮氣，對AЕM應力-應變試樣進行厭氧條件下的耐溫試驗。圖10和圖11表明了有氧條件下，AЕM在空氣循環(huán)烘箱中，分別進行200 ℃×168 h及190 ℃×336 h老化，試樣的拉伸強度和拉斷伸長率大幅度下降。相比之下，在氮氣條件下老化，試樣的拉伸強度基本上保持不變，拉斷伸長率變化不大（見圖12和圖13）。

圖10 空氣老化后的拉伸強度

圖11 空氣老化后的拉斷伸長率

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、更強的粘接性、比FKM/VMQ膠管更低的成本。

圖12 氮氣老化后的拉伸強度

圖13 氮氣老化后的拉斷伸長率

2）為了模擬試驗膠管的中間層在厭氧條件下AЕM在有限的氧氣中試驗表明，AЕM在高達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，后者是更佳的選擇。

4）在有機酸存在的情況下，不含金屬氧化物的過氧化物硫化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氧化物硫化低氟彈性體FKM-B（VF 2氟含量相對高些）與AЕM-НT粘接時具有理想的粘接強度（粘接強度值大于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.

[責任編輯：翁小兵]

TQ 333.9

B

1671-8232(2014)09-0037-05

2013-10-30