熱反射耐熱涂層在橡膠零件上的應(yīng)用研究

李志虎 劉婷等

摘 要：熱氧老化是橡膠最常見的失效原因之一，降低橡膠的環(huán)境溫度，能提高橡膠的使用壽命。熱反射耐熱涂層有極好的輻射熱反射性能，能有效的降低熱輻射對(duì)橡膠的影響，從而降低橡膠的內(nèi)部溫度，另外熱反射涂層還能提高橡膠的高溫耐疲勞性能、耐臭氧性能等。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中，排氣管持續(xù)的輻射熱，使周圍環(huán)境溫度較高，開展熱反射涂層的應(yīng)用研究，對(duì)高溫環(huán)境下的橡膠應(yīng)用，有重要的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：熱反射涂層 HRC 橡膠 熱氧老化 輻射熱

中圖分類號(hào)：TQ33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0125-02

熱反射耐熱涂層（簡(jiǎn)稱HRC）有極好的輻射熱反射性能，從而能降低物體內(nèi)的溫度。目前對(duì)熱反射涂層的應(yīng)用研究較多，如在隔熱玻璃、建筑外墻等方面的應(yīng)用[1～2]，但很少有在橡膠表面的應(yīng)用研究。本文主要研究HRC涂層在汽車輻射熱系統(tǒng)中橡膠零件上的應(yīng)用。

橡膠常見的老化模式有熱氧老化，液體腐蝕老化，臭氧老化等，其中高溫?zé)崂匣窍鹉z失效最主要原因[3]，因此，降低橡膠使用環(huán)境溫度，能有效提高橡膠的壽命。

作為高分子彈性體，橡膠使用溫度受主鏈分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，表1中橡膠使用溫度是目前行業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的范圍，要想通過配方提高其最高使用溫度比較困難。在整車開發(fā)過程中，當(dāng)零部件材料確定后，主要是通過改善橡膠件溫度場(chǎng)來延長(zhǎng)其使用壽命。

汽車橡膠零件使用中，降低橡膠件溫度場(chǎng)的方法，除了本文介紹的HRC涂層方案外，傳統(tǒng)的方法還有：加隔熱罩、更改風(fēng)向、更改布置等，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2。

由表2可以看出，相比其他幾種方案，HRC涂層易實(shí)施，不受空間限制，與常用的隔熱罩相比，更有明顯的減重效果。因此，開展HRC涂層在橡膠零件上的應(yīng)用研究，對(duì)汽車用橡膠在高溫下應(yīng)用有非常重大的意義。

1 HRC涂層對(duì)橡膠性能的影響研究

HRC由于其優(yōu)異的熱反射性能，能有效的降低輻射熱下橡膠內(nèi)部溫度，提高橡膠耐疲勞性能。另外，HRC涂層還能提高耐臭氧性能、耐液體性能等。

1.1 HRC對(duì)輻射熱下橡膠內(nèi)部溫度影響的分析

整車排氣系統(tǒng)中，排氣管是重要的熱源（如排氣管預(yù)催表面，溫度800 ℃～900 ℃），其周圍受到該熱源輻射熱的影響，環(huán)境溫度均較高。

將橡膠件固定在排氣管附近（約10 mm），進(jìn)行溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試各工況下達(dá)到平衡后，橡膠件表面及內(nèi)部溫度。橡膠外表面溫度是長(zhǎng)期輻射熱平衡狀態(tài)下該零件的環(huán)境溫度，橡膠內(nèi)部溫度是測(cè)試HRC涂層中距表面約3～5 mm處的溫度。HRC熱反射性能越好，達(dá)到平衡后內(nèi)外溫差越大。（圖1，圖2）

最后一個(gè)工況（怠速）中，吊耳內(nèi)外溫度均較低，沒有實(shí)際考察意義外，其余工況中，達(dá)到平衡后，吊耳內(nèi)外溫差均較大。其中第1種工況吊耳外溫度最高（140℃），內(nèi)部溫度降低最大（35 ℃）；第13種工況吊耳外溫度最低（103 ℃），內(nèi)部溫度降低也較少（18 ℃）。

從以上結(jié)果可以看出，HRC涂層能有效降低輻射熱對(duì)橡膠內(nèi)溫度的影響。一般來說，輻射熱越大，溫度越高，HRC作用越明顯。

2.2 HRC對(duì)橡膠件的高溫疲勞性能影響

大多數(shù)橡膠件的熱氧老化，不是在單一條件下完成，而是在在多種環(huán)境共同作用下進(jìn)行的[4]。高溫疲勞老化，能有效模擬橡膠在綜合環(huán)境下的老化性能。

將兩組NR橡膠襯套置于100 ℃的高溫箱中，載荷500±1200 N，頻率5 Hz。其中一組橡膠襯套為左右均不涂HRC的NR橡膠襯套，一組橡膠襯套為左橡膠襯套涂有HRC涂料，右橡膠襯套不涂HRC涂料。測(cè)試150萬次后橡膠襯套的變化情況。（圖3）

試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，沒有涂層的橡膠襯套在100萬次的時(shí)候，R角處就出現(xiàn)裂紋、脫膠等現(xiàn)象，而涂有耐熱涂層的的橡膠襯套，到150萬次的時(shí)候，仍沒有裂紋和邊緣破損。具體結(jié)果如圖4，圖5。

從以上結(jié)果可以看出，HRC涂層能有效提高橡膠件在高溫下的耐疲勞性能。

1.3 HRC對(duì)橡膠件耐臭氧性能影響

除熱氧和高溫疲勞外，臭氧也是橡膠老化的重要影響因素之一。臭氧老化主要表現(xiàn)在橡膠表面，橡膠長(zhǎng)時(shí)間和空氣接觸后，空氣中的臭氧會(huì)和橡膠中雙鍵發(fā)生反應(yīng)，造成橡膠表面皸裂。特別是在力的作用下，橡膠表面更易開裂老化。

HRC涂層，對(duì)橡膠有較好的表面保護(hù)作用，能阻隔空氣中的臭氧和橡膠的接觸，從而能提高橡膠的耐臭氧老化性能。

圖6為橡膠件的臭氧老化后圖片，可以看出，在臭氧濃度50×10-8下，拉伸20%，溫度40 ℃的臭氧老化箱中，橡膠件放置70 h后表面出現(xiàn)開裂，而涂有HRC的橡膠件，在70 h后表面完好。

2 工藝介紹

HRC噴涂工藝主要分為：零件前處理、HRC噴涂、后處理幾部分。噴涂設(shè)備比較簡(jiǎn)單，主要是在生產(chǎn)線產(chǎn)品末端（產(chǎn)品硫化完后）加噴涂槍和產(chǎn)品固定裝置。（圖7）

該工藝和橡膠零件噴涂編碼類似，但HRC噴涂關(guān)系到零件產(chǎn)品性能，其要求和過程控制更為嚴(yán)格。

3 結(jié)論

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)的出現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力更加強(qiáng)勁，同時(shí)也導(dǎo)致前艙溫度場(chǎng)的提高。高溫是橡膠老化失效最主要的原因之一，因此，這直接影響這一區(qū)域橡膠件的使用。

橡膠的最高使用溫度，都有確定的范圍。在膠種確定的情況下，通過HRC涂層，能有效降低輻射熱對(duì)橡膠的影響，降低橡膠內(nèi)部溫度，從而提高橡膠使用壽命。另外，HRC涂層，還能有效提高橡膠高溫耐疲勞性能、耐臭氧性能、耐液體疲勞性能等。

HRC噴涂工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，如果量大的情況下，逐一噴涂對(duì)生產(chǎn)效率還是有一定影響。對(duì)橡膠行業(yè)，HRC噴涂技術(shù)還屬于嶄新領(lǐng)域，缺乏相應(yīng)的人才和經(jīng)驗(yàn)，這些無疑影響其大規(guī)模的應(yīng)用。

另外，HRC涂料價(jià)格較貴，是目前HRC涂層推廣最大的難題。相信隨著技術(shù)的深入發(fā)展、涂料價(jià)格的不斷下降等，HRC涂層技術(shù)必將在汽車橡膠零件上大量使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 侯翠紅.紅外反射涂料在玻璃上的隔熱效果研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28（2）.

[2]謝厚禮.復(fù)合外墻隔熱涂料的制備和隔熱性能研究[J].涂料工業(yè)，2001，41（3）.

[3]王思靜.橡膠老化機(jī)理與研究方法進(jìn)展[J].合成材料老化與應(yīng)用，2009，38（2）：23.

[4]牟傳文.防震橡膠及其應(yīng)用[M].中國(guó)鐵道出版社，1982，10：29.