熱塑性彈性材料在進(jìn)氣系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

江雅珍 季偉 于勤勤 尹超

摘 要：熱塑性彈性體材料既擁有類似塑料的可塑性，又具有類似橡膠的彈性，因此熱塑性彈性體在汽車制造工業(yè)中得到迅速的發(fā)展。文章調(diào)研了全動(dòng)態(tài)硫化型熱塑彈性體（TPV）材料性能和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)不同硬度等級(jí)的TPV進(jìn)行了較為全面的性能測(cè)試，分析了其在進(jìn)氣系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，同時(shí)將其在輕卡空濾器出氣管路上進(jìn)行了試用，結(jié)果表明其耐壓、密封、老化等性能完全滿足整車使用要求。

關(guān)鍵詞：熱塑性彈性體;進(jìn)氣管路;輕量化

中圖分類號(hào)：U465 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）14-166-04

Abstract： Thermoplastic elastomer material has both plastic-like plasticity and rubber-like elasticity，therefore thermo -plastic elastomers have developed rapidly in the automobile manufacturing industry. This paper investigates the properties and application status of fully dynamic vulcanized thermoplastic elastomer （TPV） material， the TPV with different hardness levels were tested comprehensively， and the feasibility of application in the intake system was analyzed. At the same time， fully dynamic vulcanized thermoplastic elastomer （TPV） material was tested on the air line of the light truck air filter， the results show that its pressure resistance， sealing， aging and other properties fully meet the requirements of the vehicle.

Keywords： Thermoplastic elastomer; Intake line; Lightweight

CLC NO.： U465 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-166-04

前言

汽車輕量化是汽車行業(yè)應(yīng)對(duì)環(huán)保壓力，減少燃油消耗的重要舉措之一，其中兩個(gè)具有代表性的手段分別為非金屬材料的廣泛應(yīng)用和集成化設(shè)計(jì)。在眾多的非金屬材料中，熱塑性彈性體材料擁有良好的應(yīng)用前景[1]。

本文通過對(duì)各車型進(jìn)氣管路使用要求以及對(duì)行業(yè)內(nèi)TPV材料性能及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研之后，選擇了兩種TPV材料進(jìn)行了性能測(cè)試，分析了其在卡車進(jìn)氣系統(tǒng)中的應(yīng)用可能性。

1 熱塑性彈性體材料分類及基本性能優(yōu)勢(shì)

熱塑性彈性體（Thermoplastic Elastomer）即TPE是一種用熱塑性塑料加工設(shè)備可以進(jìn)行成形加工，但其性能卻表現(xiàn)出橡膠一樣的彈性材料。由于TPE密度小，容易回收利用，性能又介于塑料和橡膠之間，近年來在汽車制造工業(yè)中得到迅速的發(fā)展[2]。其中，全動(dòng)態(tài)硫化型熱塑性彈性體（TPV）性能與三元乙丙橡膠類似，是目前最重要也是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的TPE材料[3]。

熱塑性彈性體根據(jù)硬相成分和軟相成分的不同可以得到不同類型的熱塑性彈性體，表1為不同類型的熱塑性彈性體與橡膠膠管的特性比較。

綜合表1可知，動(dòng)態(tài)硫化型熱塑性彈性體（TPV）的硬度范圍、使用溫度、壓縮永久變形、耐天候性能是最接近三元乙丙橡膠（EPDM）的熱塑彈性體材料，且具有一定的耐油性。

熱塑性彈性體較橡膠成型工藝簡單得多，同時(shí)可進(jìn)行重復(fù)利用。相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，同樣的零件采用TPE比采用橡膠生產(chǎn)效率可提高30%～100%，節(jié)約能耗10%～40%。同時(shí)其還具備輕量化，設(shè)計(jì)自由度大以及綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)。

因此，本課題主要圍繞全動(dòng)態(tài)硫化型熱塑性彈性體（TPV）替代EPDM制造進(jìn)氣系統(tǒng)膠管展開相關(guān)工作。

2 TPV熱塑性彈性體在進(jìn)氣系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)各段管路的使用條件及其對(duì)橡膠材料的要求

發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)主要由進(jìn)氣道、空濾器、增壓器、中冷器及其連接管路組成。其各段管路的典型工況如表2所示。

2.2 TPV材料概況

汽車行業(yè)是TPV材料最大市場，隨著汽車產(chǎn)品對(duì)節(jié)能環(huán)保、輕量化、使用壽命等要求的不斷提高，采用TPV材料替代傳統(tǒng)的EPDM制造進(jìn)氣膠管、車身密封條、各類護(hù)套和防塵罩等零部件（如圖2所示）的趨勢(shì)越來越明顯，尤其是在乘用車領(lǐng)域內(nèi)。商用車領(lǐng)域TPV材料的應(yīng)用推廣相對(duì)較慢，但目前也已開始進(jìn)氣系統(tǒng)膠管上使用，如一汽解放、北汽福田等都已經(jīng)或正在開發(fā)進(jìn)氣道波紋管等產(chǎn)品[4]。

3 TPV材料的性能測(cè)試

進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)波紋管或連接膠管多為薄壁中空結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，用TPV替代EPDM制造相關(guān)產(chǎn)品時(shí)吹塑工藝是最合適的成型方法。對(duì)于TPV，其吹塑加工性取決于連續(xù)相PP的比例，比例越高，軟化態(tài)的型坯強(qiáng)度越大，吹塑成型性越好，因此較高的硬度更有利于吹塑成型，用于吹塑成型的TPV牌號(hào)，其硬度一般在邵氏A70以上。

對(duì)于TPV材料，現(xiàn)有的國家或行業(yè)性能標(biāo)準(zhǔn)只有HG/T 4903-2016《動(dòng)態(tài)全硫化熱塑性彈性體材料（TPV）》，雖然規(guī)定了TPV材料的強(qiáng)度性能、耐熱老化性能、壓縮永久變形等性能，但其耐熱老化的試驗(yàn)溫度僅為50℃，無法反映材料的加速老化性能，對(duì)耐低溫性能也沒有規(guī)定。因此，本次測(cè)試的試驗(yàn)條件和技術(shù)要求參照了M3236《熱塑性彈性體TEV（全交聯(lián)聚烯烴）供貨技術(shù)條件》。

3.1 邵氏A70硬度級(jí)別測(cè)試結(jié)果

對(duì)國產(chǎn)廠家提供的邵氏A70級(jí)別的Microprene1064A測(cè)試結(jié)果如表3所示，其拉伸強(qiáng)度及其斷裂伸長率均不符合M3236要求，與目前膠管EPDM膠料相比也偏低。耐135℃×70h熱老化性能比較優(yōu)異，試驗(yàn)后各項(xiàng)指標(biāo)變化都在M3236要求范圍內(nèi)，硬度、拉伸強(qiáng)度變化較小。耐油測(cè)試的部分性能變化率雖然不滿足M3236要求，但其耐油溶脹性（體積變化）等指標(biāo)還是優(yōu)于耐油性極差的EPDM。

3.2 邵氏A85硬度級(jí)別

對(duì)兩廠家提供的邵氏A85硬度級(jí)別的TPV材料Santo -prene101-87A和Microprene1087A測(cè)試結(jié)果如表4所示。

該硬度下，兩廠家TPV材料的強(qiáng)度、耐熱、耐油性能均優(yōu)于EPDM;雖然國產(chǎn)試樣的耐熱老化和耐3號(hào)油部分指標(biāo)超出了M3226的要求，但與標(biāo)準(zhǔn)相差不大。進(jìn)口試樣TPV各項(xiàng)指標(biāo)都在M3226要求的范圍內(nèi)，并且其材料的強(qiáng)度、耐熱老化性能與國產(chǎn)比有較大優(yōu)勢(shì)。

3.3 邵氏D40硬度級(jí)別

對(duì)兩廠家提供的邵氏D40硬度級(jí)別的TPV材料Santop -rene103-40D和Microprene1040D測(cè)試結(jié)果如表5所示。

該硬度下，兩廠家提供的試樣與M3236的要求都有一定差距。進(jìn)口試樣的耐135℃熱老化性能優(yōu)異，試驗(yàn)后各項(xiàng)指標(biāo)變化較小。雖然其耐油性能超出標(biāo)準(zhǔn)要求，但與EPDM相比仍有很大提升;國產(chǎn)試樣耐熱老化和耐油性能都不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 TPV材料在進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用分析

TPV可在-55℃至+120℃的溫度范圍內(nèi)長期使用，最高可短時(shí)在+135℃下使用。較高硬度的TPV拉伸強(qiáng)度及其斷裂伸長率更高，替代EPDM時(shí)可以進(jìn)一步減小壁厚降低自重，尤其是進(jìn)口Santoprene TPV材料，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、耐熱老化性能。與EPDM相比，TPV的耐油性具有較大的優(yōu)勢(shì)，但與耐油性橡膠如丁腈橡膠（NBR）等相比，TPV耐油性較差，不能用于與油品持續(xù)接觸的場合。

應(yīng)用TPV替代EPDM完全可以滿足進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)增壓前各段管路的使用工況，主要包括進(jìn)氣道波紋管和連接膠管兩類產(chǎn)品。與EPDM硫化工藝相比，采用TPV吹塑工藝制造波紋管或連接膠管產(chǎn)品，減少了配料、煉膠、硫化等工序，其生產(chǎn)效率可提高30%以上，節(jié)約能耗10%-40%。同時(shí)有利于原材料一致性控制，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

對(duì)于波紋管，硬度一般為邵氏A50-70，低硬度利于硫化后產(chǎn)品的脫模。但邵氏A50-70硬度范圍的TPV的拉伸強(qiáng)度較低（約5至8MPa），若要達(dá)到EPDM拉伸強(qiáng)度約7-10MPa的要求，TPV硬度應(yīng)該在邵氏A85以上。采用更高硬度等級(jí)的TPV，不僅有利于吹塑成型，還可以適當(dāng)降低產(chǎn)品壁厚，減輕產(chǎn)品自重和降低材料成本。同時(shí)，由于產(chǎn)品剛性的提高，還可以取消其內(nèi)部的PP支撐圈，減少一道裝配工序以及相應(yīng)的材料和人工成本。據(jù)了解，一汽解放、北汽福田都已開發(fā)了TPV波紋管產(chǎn)品，硬度級(jí)別大約邵氏A87至90。

對(duì)于增壓前連接膠管，硬度一般為邵氏A60至70，由于減振和易裝配的要求需要一定的柔韌性，用高硬度TPV輕量化替代時(shí)，需重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。目前，TPV吹塑的管徑最大可做到300mm左右，但在超過200mm時(shí)內(nèi)徑難以控制，使用時(shí)不利于管路的整體密封，不適合用作空濾器出氣端膠管。TPV連接膠管目前主要在乘用車、輕卡等車型上應(yīng)用，重卡車型進(jìn)氣膠管外徑一般都超過200mm，應(yīng)用案例還比較少。

5 TPV在輕卡空濾器出氣管路上的應(yīng)用驗(yàn)證

我公司輕卡空濾器出氣膠管，受發(fā)動(dòng)機(jī)空間布置的限制，現(xiàn)為橡膠軟管+金屬管+橡膠軟管三段式結(jié)構(gòu)，輸送介質(zhì)為純凈空氣，介質(zhì)溫度為-40至（40～50）℃，工作溫度為-40至80℃，工作壓力約-10kPa，膠管材質(zhì)為EPDM（邵氏A60-70），通過模壓硫化工藝成型，各段管路之間用卡箍連接，整個(gè)裝配過程比較繁瑣，如圖3（a）所示。

若采用三維吹塑的工藝則可以一次性成型，可大量減少零件數(shù)量，簡化繁瑣的成型和裝配工序。由于三維吹塑模具費(fèi)用較高，目前只為銷量較高的一種機(jī)型開發(fā)了TPV膠管。

根據(jù)表5顯示的進(jìn)口Santoprene103-40D 性能檢驗(yàn)結(jié)果以及其與EPDM橡膠性能對(duì)比情況。分析對(duì)比材料性能以及使用工況，進(jìn)口Santoprene103-40D使用溫度為-60至135℃，可滿足空濾器出氣膠管使用工況;強(qiáng)度性能遠(yuǎn)高于EPDM，可通過適當(dāng)減小壁厚實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化;在（135℃×70h）下進(jìn)行耐老化試驗(yàn)，試驗(yàn)后硬度變化、拉伸強(qiáng)度變化率、扯斷伸長率變化率變化較小且均優(yōu)于EPDM;盡管其耐油性能超出M3236標(biāo)準(zhǔn)要求，但與EPDM相比仍有很大提升，具備

一定的耐油性。因此，故選用了該材料進(jìn)行空濾器出氣膠管的試制和驗(yàn)證，產(chǎn)品內(nèi)徑約（110至115）mm，壁厚由約5mm減到2.5mm。與EPDM膠管相比，雖然材料硬度有所提升，但通過管體中部的波紋段可保證整個(gè)管體的柔韌性和減振性。

TPV材質(zhì)新結(jié)構(gòu)的空濾器出氣管如圖3（b），通過優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了較好的輕量化效果，產(chǎn)品自重由1.7kg降低到了0.6kg，降重約65%。同時(shí)，由于零件數(shù)量減少、簡化成型工藝，綜合成本降低了約30%。

目前，該產(chǎn)品已進(jìn)行試裝50輛份，經(jīng)過對(duì)其進(jìn)行6個(gè)月的跟蹤，驗(yàn)證了其耐壓、密封、老化等使用性能可完全滿足整車使用要求。

參考文獻(xiàn)

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[3] 徐忠亮.動(dòng)態(tài)硫化熱塑性彈性體結(jié)構(gòu)與性能研究進(jìn)展[J].科學(xué)管理， 2019.6：377-380.

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