欢迎来到荣格工业资源网
      
首页 >新闻>新闻详情

高温共聚酯弹性体替代橡胶

来源:荣格     发布时间:2018-02-24
分享到:
打开微信扫一扫并分享


为满足未来的平均燃料经济性(CAFE)标准需求,汽车代工生产商(OEM)使用的策略之一是在消费市场轻型车上部署涡轮增压引擎配置。带增压空气冷却腔(CAC)的涡轮增压是当今汽车制造商提高发动机效率的一个最划算的选择。添加涡轮增压,发动机在活塞进气冲程期间,吸入同样体积的空气,但由于空气被预压缩,可有更多的氧气供使用,可以有更多的汽油在燃烧循环期间燃烧。这会增加每个燃烧循环产生的能量。通过设计更少气缸的新发动机,可以在保持涡轮增压机车的输出功率的同时,降低油耗和减少车辆尾气排放量。

在涡轮中压缩空气的空气分子之间产生摩擦热量,通常约175℃。热增压管(HCD)用于将压缩空气从涡轮增压器转移到汽油和柴油发动机的增压空气冷却腔中。目前最先进的热增压管是一种采用多层织物增强橡胶软管包覆的刚性结构塑料管道或金属管道。橡胶是由丙烯酸、乙烯丙烯酸、硅或含氟聚合物基制成的,或在不同的层采用不同的橡胶配方组合。由于高热,织物通常采用聚芳酰胺纤维编织增强。整个层状结构的壁厚介于5到6毫米之间。该塑料在每个末端用不锈钢金属环加强以夹紧橡胶软管,以减轻装配接头蠕变破坏和任何相关的空气泄漏的风险。最终的热增压管是基于多达7或9层高度工程化的加工组件,用不同的材料,经几个不同的工序组装在一起。

这个昂贵而复杂的部件的一端被夹在发动机涡轮排气口或共振器上,并随引擎而动,另一个安装在装有增压空气冷却腔的底盘,固定在适当的位置上。为减轻发动机传动轴负载,热增压管必须有足够的灵活性,可在寒冷的温度下传递到配合部件。在高温下,热增压管必须承受在所有操作条件下的机械负荷和内部压力,这是在车辆制造上最苛刻的管道应用之一。这些热增压管每单位长度的重量、复杂性和成本相对于车辆上其它地方的管道来说是高的。

新的耐高温等级热塑性弹性体(HT TPC)热增压管组件只使用3层,替代多达9层的传统组件,大大简化了管道本身及其两端的配件。这显然令零件设计、加工和制造与组装变得简易。

热塑性共聚酯解决方案: 降低复杂性

帝斯曼工程塑料公司(DSM)以其传统吸气式发动机的尼龙材料组合,成为一个在进气歧管市场中的领导者。帝斯曼还可为从热塑性塑料制造的涡轮增压空气导入回路中的每个部件提供材料。帝斯曼的应用组合包括共振器、导管、增压空气冷却腔尾箱、节流阀体、废气门阀套、弯头、端部接头、托架等。对于热增压管,玻纤增强尼龙46、尼龙66和尼龙6传统上是供应的结构组件,用于夹紧橡胶罗口。所提供的材料包括管道的注塑等级或管道的吹塑等级,这取决于给定的发动机或车载平台的设计偏好。

自20世纪70年代热塑性弹性体(TPC)就已经在市场上广泛应用。传统的材料是聚醚型弹性体,在较低的温度范围下与橡胶竞争(图1)。通常,相对于诸如环氧氯丙烷橡胶或丁腈橡胶材料,这些类型的聚醚酯弹性体化学材料的成本和性能具有竞争力。它们由聚酯和二醇作为嵌段共聚物的缩合聚合过程制造。帝斯曼生产的材料从25硬度D,刚度25千帕,到74硬度D,刚度900千帕。帝斯曼在热塑性弹性体拥有全球领导地位,在热塑性弹性体市场上的商业名称为“Arnitel”。

图1、热塑性共聚酯弹性体与橡胶的成本/属性对比

有许多汽车应用使用热塑性弹性体,从内部组件到引擎罩部件如等角速万向节(CVJ)防尘套和传动轴防尘套,绝缘电线电缆和管道应用。“传统的”低温应用,其中聚醚基热塑性弹性体已经使用了许多年,也包括冷增压管(CCD)处理气流从增压空气冷却腔到节流阀体上。在这种情况下,管道内的空气温度是在增压空气冷却腔之后的出口空气温度,通常是约80℃。热塑性弹性体也可用于过滤器之后和涡轮增压机的冷侧进气口之前的清洁管道。在任何情形下,这些材料仅限于高约125℃的连续使用温度(CUT)。在连续使用温度被限定的情况下,阿伦尼乌斯图中显示3000小时后即到达选定的终点标准。

关于阿伦尼乌斯图,确定与热老化相结合所需的主要机械性能是关键的第一步。在这方面,注意力转向材料的拉伸伸长率。拉伸伸长率以及套管抗内压强度是美国两个管道法规的关键机械性能。保持断裂伸长率有助于确保管道在低温下不会开裂,也不会在高温下过早爆裂。

使用传统的聚醚型热塑性弹性体相同的终点标准来定义,新的耐高温等级热塑性弹性体具有175℃的连续使用温度。这是热塑性弹性体性能的巨大提高,整整高了约50℃(图2)。

图2、传统聚醚基TPC和有能力与丙烯酸橡胶和硅橡胶竞争的新型HT TPC的简化阿伦尼乌斯图的比较

图2、传统聚醚基TPC和有能力与丙烯酸橡胶和硅橡胶竞争的新型HT TPC的简化阿伦尼乌斯图的比较

简化的阿伦尼乌斯图值得进一步讨论。在这种情况下,将耐高温等级热塑性弹性体Arnitel HT 8027 与对照组(传统的聚醚型热塑性弹性体)进行比较。该对照产品的氧化老化行为可被认为是“传统热塑性弹性体中同类之最”。该图的终点标准是依照ISO 527-1/-2的拉伸试验,绝对断裂伸长率为100%。如果代工生产商将连续使用温度规定在1000小时,则Arnitel HT 8027 将具有192℃的连续使用温度,而作为对照组采用的传统热塑性弹性体仅为148℃。初步估计,Arnitel HT8027有了44℃的改善。如果客户将连续使用温度规定在3000小时,Arnitel HT 8027则具有175℃的连续使用温度,而该对照样品只有127℃,差异达48℃。这些观测是基于100% 的绝对断裂伸长率终点标准。如果代工生产商对终点标准有不同的要求,则曲线将作相应的移动。

自上世纪90年代中期以来,汽车工业一直在利用耐高温等级热塑性弹性体的性能在其它方面应用。最广泛采用的是车灯布线应用,其中D类电线(150℃至175℃)作为照明系统部件的需要。代工生产商在世界各地区使用耐高温等级热塑性弹性体作为主要的电线绝缘已在全球范围内接受了超过20年。帝斯曼采取耐高温等级热塑性弹性体的关键创新是容易被业界接受的在引擎盖下使用,并调整材料,使其适合三维吸气吹塑成型制管工艺。这项工作需要对聚合过程进行大量的工艺开发和升级,以便在市场规定的一致性水平下制造材料。

当将零件从橡胶转换为一个部件时,必须考虑到不同类别材料的优缺点。橡胶所具卓越的变形特点是与滞后现象相关的运动,而热塑性弹性体则不是。热塑性弹性体具有优异的挠曲疲劳相关的运动特点,而橡胶则不具备。因此,当将管道从耐高温橡胶转换为耐高温等级热塑性弹性体时,需要重新设计该部件,以利用其优点并减轻替代材料的弱点。由橡胶到热塑性弹性体的重新设计通常需要:

1、将原橡胶件的厚度减少1/2至1/6的壁厚;

2、有效地利用热塑性弹性体挠曲疲劳能力进行设计。

成功的愿景

在最基本的意义上,热增压管的功能是可靠地将压缩空气从涡轮增压机送到具最小压力降低的增压空气冷却腔。耐高温等级热塑性弹性体热增压管的目标是提供这一功能,伴随着系统成本降低,重量减少,降低复杂性和消除目前技术水平的橡胶管总成潜在的泄漏点。图3显示了一个复杂的橡胶管总成的示意图和一个简化的耐高温等级热塑性弹性体管设计。

图3、顶部示意图代表现有的刚性/柔性橡胶管道总成,而底部示意图表示的是设计用来替换它的HT TPC管道。除了成本节省和重量减轻外,在“整件”设计方案中还消除了潜在的泄漏通路并降低了子组件的复杂性

耐高温等级热塑性弹性体管道加工

为了实现这一愿景,耐高温等级热塑性弹性体必须满足热增压管的性能要求。如前所述,压力、温度、环境和诱发应力的要求都需要考虑,使材料能满足这一要求苛刻的应用。为满足这些要求,相关的开发工作侧重于满足两个基本评估标准:

1、对于基础材料,通过其使用寿命来获得材料的热负荷预期的影响,要求能保持长期热老化后的机械性能;

2、对于基础零部件,要进行压力、运动和温度测试,其目的是获得热增压管在其整个使用寿命的严格性能要求。

虽然热增压管还有特定的耐化学性及其声学性能要求,但这些方面的要求在本研究中并没有涵盖。

基础材料的热老化性能

如前所述,拉伸伸长率被确定为定义连续使用温度的临界材料性质。以一种最适合吹塑管的方式测量这种材料的性能,这在样品制备方面值得注意。在注射模塑ISO试样的情况下,人们早就认识到,在高压注射成型过程中,由于分子取向的影响,热塑性弹性体材料的力学性能受到了较大的冲击。由于分子取向起到了一定的作用,因此必须注意耐高温等级热塑性弹性体是以“并行于工艺流动方向”或者是以“垂直于工艺流动方向”为依据的模切试样进行拉伸试验。每种方法相关的应力应变曲线是不同的,关注这种或那种方法的理由是值得的。

为了评估哪个方向最适合代表吹塑热增压管的性能,进行了一项研究,以对从低压、吹塑件所得的试样的应力应变曲线到从“并行于工艺流动方向”和“垂直于工艺流动方向”的高压、注塑取得的试样的应力应变曲线作比较。

比较图4的应力应变曲线。结果表明,采用“垂直于工艺流动方向”的模切试样实际上是一种良好的替代物,可用于预测低压、吹塑过程的应力应变。此外,与“垂直于工艺流动方向”的模切试样相关的曲线形状常影响应力应变曲线的形状,这是在吹塑件的“周向”方向上取得的。这证明在周向方向的应力通常决定了管道的爆裂压力性能。

图4、比较从吹塑件中提取的试样数据与从注射成型件样品(“并行于工艺流动方向”和“垂直于工艺流动方向”)中提取的试样的数据所得的Arnitel TPC应力应变曲线

据此,先前讨论的阿伦尼乌斯图生成的数据是基于从垂直于流程的注塑板模切而成的试样。如前所述,阿伦尼乌斯图显示了适用于与涡轮增压汽油发动机热增压管相关的预期温度的属性保持性能。

零部件基本性能

随着耐高温等级热塑性弹性体热老化性能的提高,从零件设计的角度需考虑压力、移动和温度等方面的问题。该管道需要满足在极端低温,以及极端高温的性能要求。认识到这一点,着手设计的方法制定如下:

1、建立最小的标称零件厚度,提供足够的耐高温爆裂压力;

2、确认该部件在最小标称厚度下承受压力脉动的能力;

3、确认低温负荷传送到连接端接头的最低标称厚度是可以接受的。

虽然上文概述的方法是在处理热增压管复杂的性能要求方面的简化,但依据是可靠的,并有理由承认热塑性弹性体材料的动态机械热分析图(DMTA)。DMTA图提供了洞悉材料的能力,在高温下经得起短期的机械需求,同时也可了解在寒冷的温度下材料刚性方面的表现。图5显示了热塑性弹性体和耐高温等级热塑性弹性体材料的动态机械热分析图的图形对比。在审查动态机械热分析图时,考虑到传统的材料已被定位为冷增压管,达到峰值温度约为125℃。对于热增压管应用,对耐高温等级热塑性弹性体的要求被推到了图的右侧,接近高达190℃的峰值温度。在考虑这个65℃的增量温度,要注意到机械性能的相应下降,具体显示在动态机械热分析图中。

图5、TPC和HT TPC的DMTA图;该图提供了材料在宽温度范围内的机械性能相关的指引

在考虑峰值温度特性的情况下,首先关注高温抗爆裂压力表现。在确定高温抗爆裂压力的最小标称零件厚度时,考虑了薄壁压力容器的计算。虽然这种方法并没有充分捕捉到复杂的、吹塑零件的具体细节,但它确实提供了一个参照起点,可以认为是最小壁厚。通过这种方法,需要建立管道直径、温度和压力值。图6显示了一个基于4.2 巴的爆裂压力要求示例。在实际应用中,建立最小管道厚度作为出发点。

图6、基于温度、直径和假设4.2巴的爆裂压力要求的最小厚度建立的初步准则

建立一个基于高温性能的最小壁厚也有助于管道刚度的最小化。如动态力学热分析图所示,当温度变冷时,热塑性弹性体和耐高温等级热塑性弹性体材料的模数“E'”会增加。零件刚度是材料模数“E'”和截面模数“I”的函数。建立最小的耐高温等级热塑性弹性体管道厚度减少“I”,这反过来有助于弥补增加“E'”。这最终减轻了负载传递,这在寒冷的温度下是至关重要的。当然,同样引人注目的是,与橡胶管道总成相比,最小化壁厚有助于实现成本和重量降低的愿景。表1显示了给定截面的标称厚度如何影响质量(基于截面面积)以及负载传递(基于截面模数“I”)。管道长度、横截面变化、沿管长度的厚度变化以及弯管的数量和角度都影响着管道的负载传递性能。作为唯一的因素,截面模数“I”不适合定义一个给定的管道的负载传递性能,但它提供了一个方向的指示,对给定的材料其管道厚度减少将会产生如何有利的影响。

表 1、标称厚度降低对重量和截面模数影响汇总

还应指出的是,在热塑性弹性体冷增压管卷积的使用已有很长时间,这是一种提供部件柔顺性的方法,同时减轻了对端配件的传输负荷。虽然卷积可能仍然是含耐高温等级热塑性弹性体热增压管发展的一条可行的探索道路,但迄今为止的发展努力并没有把重点放在它们的实施上。相关的有限元分析(FEA)表明,与严格的管状管道相比,合并卷积的管道的预测应变水平显著提高。

结合高的、局部的材料应变(隐含卷积功能)与热增压管关联的已确认的压力和高温结合,激励迄今为止的验证工作,专心致至于管状管道设计。

零部件验证

采用上述方法,耐高温等级热塑性弹性体材料已表明通过与压力、移动和温度周期变化有关的代工生产商测试要求。这项测试不仅包含了内部压力脉动和强制管道在x、y、z方向运动,而且还通过低于﹣30℃的温度来循环管道,并达到了先前讨论阿伦尼乌斯图所捕获的范围内的预期操作温度。在这些情况下,工业级标准的快速连接端接头已被使用。对于零部件刚性,值得注意的是,耐高温等级热塑性弹性体管道在考虑固定点之间的长度时,成功地通过了长度/直径比为15:1 到10:1的OEM测试范围。

系统成本减少

如前所述,耐高温等级热塑性弹性体在热增压管的开发和验证的愿景是实现较低的系统成本、降低零件重量和减少泄漏通路,以替代目前使用的橡胶管道组件。为了正确理解系统成本降低的愿景,帝斯曼与外部顾问公司合作,以建立一个成本模型,用以比较耐高温等级热塑性弹性体管道解决方案和当今使用的橡胶管道组件之间的成本。

图7、混合管道系统与HT TPC管道系统成本比较总结

成本模型允许调整许多输入参数,包括厚度、管道长度、开销和生产率。成本模型,由部分供应商超过一次的验证表明,相比于目前使用的橡胶管道总成,耐高温等级热塑性弹性体解决方案可以提供引人注目的系统成本降低。在某些情况下,模型化的成本比较表明,耐高温等级热塑性弹性体解决方案的系统开销减少了32%。图7显示了成本模型输出的一个示例。

结论

综上所述, 耐高温等级热塑性弹性体管道解决方案包括:

★ 优异的性能在连续使用温度高达175℃仍得到保持,其峰值温度能力高达190℃

★ 低温下具柔韧性和延展性

★ 相对于橡胶,其高温性能可实现更薄的管道厚度,并可有高达50%的重量减少

★ 较少的潜在泄漏通路

★ 系统成本减少


0条评论

回到顶部