聚酰胺/丁腈橡膠（NBR）并用膠在液壓軟管中的應(yīng)用

劉家新，王維相

(1.沈陽賽亞橡膠制品有限公司，遼寧 沈陽 110141；2.沈陽橡膠研究設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110021)

SAEJ517標準規(guī)定的液壓軟管廣泛應(yīng)用于工程機械、煤礦開采、油田開發(fā)、船舶、農(nóng)業(yè)機械、機床以及移動和固定設(shè)備的液壓系統(tǒng)，從100R1到100R19系列，內(nèi)徑尺寸從5～76 mm，工作壓力從1.4～21 MPa。這類液壓橡膠軟管主要由一層耐油合成橡膠內(nèi)膠層、一層或多層鋼絲編織（或纏繞層）增強層以及耐磨、耐天候老化的外膠層所構(gòu)成。目前在國內(nèi)液壓軟管的內(nèi)膠層多由單一的丁腈橡膠（NBR）、鋼絲編織（纏繞）增強層、氯丁橡膠（CR）外膠層等合成橡膠制成。按照SAEJ517液壓軟管標準要求，軟管生產(chǎn)廠所生產(chǎn)的每根液壓軟管在出廠之前都要按照標準的技術(shù)要求，須嚴格進行液壓試驗，包括工作壓力、驗證壓力和爆破壓力試驗。通常在測定液壓軟管的性能時主要是考慮液壓脈沖次數(shù)，以前50萬次就是一個很不錯的結(jié)果，而國外著名液壓軟管生產(chǎn)商制造的液壓軟管脈沖次數(shù)可達80萬次以上。從液壓軟管結(jié)構(gòu)分析，軟管的內(nèi)膠層性能如何是對液壓橡膠軟管的整體性能起到?jīng)Q定性作用。目前我國高端工程機械市場的液壓橡膠軟管還多由國外液壓軟管主導(dǎo)，同等規(guī)格的液壓橡膠軟管價格是國內(nèi)相同規(guī)格的5～6倍。為盡快使我國的液壓橡膠軟管性能達到并超過國外同類產(chǎn)品的性能，我們?nèi)娣治隽藝鴥?nèi)與國外的液壓軟管，并根據(jù)綜合分析和研發(fā)，從液壓軟管的內(nèi)膠層入手，試驗研制了聚酰胺與丁腈橡膠共混的內(nèi)膠層膠料，經(jīng)多次試驗，優(yōu)化與測試，采用我們優(yōu)化配合制備的液壓軟管，諸項指標優(yōu)良，脈沖試驗達到90萬次以上，性能達到或超過了國外同類液壓軟管。本文在詳細說明聚酰胺與丁腈橡膠并用作為內(nèi)膠膠料配合、試驗數(shù)據(jù)以及中膠、外膠配方和典型軟管施工表制造工藝諸項研發(fā)的情況。

1 實驗部分

1.1 原材料

丁腈橡膠是耐油性能較好的合成橡膠之一，液壓軟管普遍采用NBR做軟管的內(nèi)膠層，而聚酰胺（俗稱尼龍）是指高分子鏈上具有酰胺重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的樹脂材料。聚酰胺具有優(yōu)良的機械性能、自潤滑性能、吸震性，并且結(jié)晶度高、熔點高、耐磨耐熱性能好、耐油性能好。這里我們選擇了俄羅斯NBR-18、NBR-26，型號2665（丙烯腈含量26%，門尼黏度65），和NBR-40以及韓國LG-6280（丙烯腈含量33%），聚酰胺（尼龍66）選的河南平頂山神馬化纖有限公司產(chǎn)品。鋼絲采用Φ0.3 mm鍍銅鋼絲，內(nèi)卡爾特公司產(chǎn)品。其他配合劑均為海城化工助劑廠產(chǎn)品。

1.2 儀器與設(shè)備

XK-160開煉機，大連嘉爾新橡塑機械有限公司；密煉機，大連華韓橡塑機械有限公司；GBG-2SK-24 24錠快速鋼絲編織機，北鎮(zhèn)市華隆橡膠機械有限公司；銷釘式冷喂料橡膠擠出機，內(nèi)蒙古富特橡塑機械有限公司；脈沖試驗臺，沈陽橡膠研究設(shè)計院有限公司。

1.3 試樣制備

將生膠在開煉機上薄通壓合，至膠料表面形成光滑的包輥膠，輥距0.5～1 mm，混煉3～5 min；放寬輥距到2～4 mm，按投料順序投入配合劑；待配合劑全部進入膠料里，將補強填充劑和軟化劑分批加入，最后加入硫磺，待全部混入后，將輥距調(diào)整至0～0.5 mm，薄通3次；然后將輥距調(diào)至3～4 mm，打三角包6個，下片冷卻。取試片在平板硫化機上硫化，硫化條件：143℃ ×30 min。

1.4 性能測定

膠料的拉伸性能按照GB/T528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》進行測試；撕裂強度（褲形、直角形、新月形試樣）按照GB/T529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定》進行測定；硬度按照GB/T531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》進行測定；低溫脆性按單試樣法進行測定；應(yīng)力松弛按照GB/T1685—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠在常溫或高溫下壓縮應(yīng)力松弛的測定》進行測定；耐液體試驗按照GB/T1690—2010《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐液體試驗方法》進行測定；橡膠軟管增強用鋼絲按照GB/T11182—2006進行測定；橡膠軟管液壓試驗按照GB/T5563—2006進行測定；無屈撓液壓脈沖試驗按照GB/T5568—2006《橡膠或塑料軟管及軟管組合體—無撓曲液壓脈沖試驗》進行。

2 膠料配方設(shè)計

2.1 膠料性能指標

根據(jù)SAEJ517-2013液壓軟管標準的具體性能要求，特別是SAE100R13系高壓軟管要求參照本公司相關(guān)技術(shù)文件，制定出了高壓、超高壓軟管用膠料物理性能指標，見表1所示。

表1 高壓、超高壓軟管膠料物理機械性能

2.2 膠料選擇

2.2.1 內(nèi)膠膠料

內(nèi)膠在液壓軟管中起到高壓介質(zhì)作用下密封作用，應(yīng)具有優(yōu)異的耐油性，良好的耐疲勞、抗脈沖性能，較高的 定伸應(yīng)力和抗撕裂性能，較小的應(yīng)力松弛，良好的工藝性能和較高的物理機械性能。

因此選擇為烯腈含量較高凝性優(yōu)異的NBR。這里丁腈橡膠選擇丙烯腈含量為18、33和40的3種丁腈橡膠，聚酰胺（也稱為尼龍）選擇PA66，NBR和PA的重量（份額）比為80/20進行配合。這里涉及了3個NBR不同丙烯腈含量測試與PA66并用配方，見表2，物理性能數(shù)據(jù)見表3（力學(xué)性能數(shù)據(jù)）；表4為NBR/PA66并用膠的低溫性能數(shù)據(jù)；表5 是NBR/PA66共混膠的耐油性能數(shù)據(jù)；表6是NBR/PA66共混膠熱空氣老化性能；表7是熱空氣老化后膠料拉斷伸長率變化；表8是優(yōu)選NBR33/PA66內(nèi)膠配方的性能測定結(jié)果。

表2 SARJ517100 R13液壓軟管內(nèi)膠配方對比

表 3 NBR18/PA66、NBR33/PA66與 NBR40/PA66共混膠的力學(xué)性能對比

從表3數(shù)據(jù)看出PA66對NBR具有明顯的補強作用，在NBR/PA66為80/20并用比時具有200%～300%的伸長率，模量較高。其中100%定伸強力都在6 MPa以上，這種并用膠的高模量可提高材料的受力狀態(tài)下的壽命，即使用為液壓軟管內(nèi)膠可大幅提高產(chǎn)品的使用壽命。

表4 NBR18/PA66、NBR33/PA66、NBR40/PA66并用膠和NBR18、NBR33以及NBR40的脆性溫度值對比

從表4指標來看，在NBR中摻入PA66對共混膠的脆性溫度基本上沒有影響。

表5 NBR/PA66共混膠（不用丙烯腈含量）的耐油性能-耐甲苯性能（質(zhì)量變化率）

圖1的曲線變化直觀地描述了純NBR以及NBR/PA66共混膠耐甲苯的重量變化?？梢钥闯鲇捎谠贜BR中摻入PA66而提高了NBR的耐油性能。由于甲苯是NBR的優(yōu)良溶劑，用甲苯作介質(zhì)可更容易看出NBR改性前后的耐油性能變化，圖中曲線顯示NBR/PA66并用膠的耐油性能有大幅提升。

圖1 NBR和NBR/PA66并用膠耐甲苯性能對比

表6 純NBR和NBR/PA66共混膠的熱空氣老化性能對比

表7 熱空氣老化后純NBR和NBR/PA66并用膠的拉斷伸長率變化對比

表8 采用正交設(shè)計優(yōu)化NBR33/PA66內(nèi)膠配方的性能測試結(jié)果

2.2.2 中膠

中膠輔設(shè)在軟管結(jié)構(gòu)中兩個增強層之間，用以隔離相鄰的骨架材料，以緩沖軟管在脈沖壓力反復(fù)作用下相互摩擦，改善軟管疲勞的膠層。中膠應(yīng)當與骨架材料黏合良好、流動性好、工藝性好?？蛇x用中等丙烯腈含量的丁腈26。典型中膠配方見表9。

中膠選用的是典型成熟配方，故刪去試驗數(shù)據(jù)。

2.2.3 外膠

外膠主要起保護骨架層不受外界環(huán)境影響，要求耐磨、耐天候、臭氧老化、黏合性好。典型的外膠膠料配方參見表10。

表9 符合SAEJ517液壓軟管要求的中膠配方

3 SAEJ517 R13系列液壓軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造

3.1 液壓軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)SAEJ517 R13系列液壓軟管使用環(huán)境、工作壓力，結(jié)構(gòu)設(shè)計為6層。鋼絲纏繞層，鋼絲采用直徑0.56 mm鍍銅鋼絲，內(nèi)膠厚度3.5 mm，外膠厚度為3.6 mm，而中膠層厚度為0.3 mm。其R13系列高壓液壓軟管結(jié)構(gòu)圖參見圖2。軟管公稱內(nèi)徑、工作壓力、試驗壓力和爆破壓力見表11。

表10 符合SAEJ517液壓橡膠軟管外膠配方 份

圖2 SAEJ517 R13系列液壓軟管結(jié)構(gòu)示意圖

表11 SAEJ517 R13系列液壓軟管規(guī)格以及相關(guān)技術(shù)指標

3.2 膠管制作工藝

R13系列液壓軟管采用硬芯法包尼龍水布硫化生產(chǎn)，其工藝流程圖參加圖3。

SAEJ517100 R13系列液壓軟管是高壓、超高壓液壓軟管，要求在-40～+121℃溫度范圍內(nèi)用于石油基液壓流體為介質(zhì)的液壓設(shè)備，這種軟管應(yīng)當有一層耐油合成橡膠內(nèi)膠層，多層以交替方向纏繞的鋼絲增強層和一層耐油耐天候老化的外膠層結(jié)構(gòu)，鋼絲纏繞層之間鋪置中膠片以保證鋼絲相互磨耗，提高磨合，典型R13系列液壓軟管施工表（以內(nèi)徑38 mm為例）參見表12。

圖3 典型硬芯法鋼絲纏繞增強液壓軟管制造過程簡圖

表12 100R13鋼絲纏繞軟管施工表（內(nèi)徑38 mm）

4 成品試驗

經(jīng)過前面膠料試驗和對比，采用NBR33/PA66共混膠作為軟管內(nèi)膠層，用貝卡爾特強力為2 450～2 750 MPa、直徑0.56 mm鍍銅鋼絲作為軟管骨架材料，按施工表纏繞6層鋼絲，制備出超高壓液壓軟管，并按照GB/T 14904—2011《鋼絲增強的橡膠塑料軟管和軟管組合件屈撓液壓脈沖試驗》進行了試驗，其中脈沖壓力46.55 MPa，脈沖頻率50次/min，試驗溫度（100±2）℃，實驗進行了96萬次后，整根軟管無異常，其軟管結(jié)構(gòu)合理可靠，顯示出優(yōu)異的工作性能。以上試驗數(shù)據(jù)初步描述了NBR/PA66共混膠作為液壓軟管內(nèi)膠層的優(yōu)越性。這種共混膠突出的特點就是高強度、耐燃油、耐老化，其高模量明顯地提高了內(nèi)膠層在受力作用下的使用壽命。

5 結(jié)論

以上實驗的數(shù)據(jù)初步描述了NBR/PA66共混膠的優(yōu)異性能，突出的特點是高強度、優(yōu)異的耐油性能、耐老化性能，特別所具有的高模量的內(nèi)膠層可以明顯地提高在受力狀態(tài)下的內(nèi)膠使用壽命；在NBR-18/PA66共混膠用PA66A改性NBR-18，既保持了NBR-18的耐低溫性能，同時又達到了NBR-40的耐油性能要求，特別適用于在高寒地區(qū)液壓軟管的使用，從其混合性能來看具有如下優(yōu)越性：

（1）具有可靠、優(yōu)異工作性能，脈沖次數(shù)達到100萬次，依舊有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。

（2）作為液壓軟管可以在高寒地區(qū)的液壓系統(tǒng)、設(shè)備上應(yīng)用，有極好的工作穩(wěn)定性。

（3）具有優(yōu)異的性價比，性能與Gates公司、Parker公司和Aeroquip公司同類產(chǎn)品相同，價格卻只有其40%。

（4）NBR/PA66共混膠，由于尼龍的加入極大地提高了軟管的抗?jié)B透性能，不僅可以制造和服SAEJ517的液壓軟管，還可以制造飛機加油軟管、加油機軟管、油井封隔器等產(chǎn)品。