橡胶管的种类大全及未来发展方向.doc

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橡胶管的种类大全及未来发展方向胶管工艺进展的推动力来自应用要求和环保要求的不断提高。应用要求主要包括环境温度、压力、弯曲半径、输送介质、脉冲寿命、胶管内径等。环保要求主要涉及汽车工业，包括介质的渗透性、废气排放、介质(如燃油和制冷剂)的变化；机械设备领域也存在液压流体的变化，如可生物降解液压流体的出现。　　从总体上看，胶管的基本结构没有明显变化，因此加工工艺和设备也相应地没有本质的变化。但是，为了适应某一或某些要求，具体的胶管结构也有适当的调整，如层数的增加和钢丝或纤维铺放状态的变化，从而对加工机械也做了一系列相应的调整。　　变化最大的是原材料，尤其是在汽车用胶管中。许多传统上使用的通用橡胶材料已不能适应变化了的应用要求和环保要求，一些特种橡胶如硅橡胶、氟橡胶、乙烯乙酸乙酯共聚物、氢化丁腈橡胶等，愈来愈多地被采用；具有防渗透性能的热塑性塑料也作为一种额外层加入胶管结构中。芳酰胺纤维也开始愈来愈多地用于汽车用胶管、飞机用胶管和其他胶管中。应该说，在过去30多年时间里，材料的探索和研究，不仅是橡胶材料，还包括配合剂和增强材料，一直在进行着，并且取得了丰硕的成果，基本上达到了与应用要求和环保要求同步发展的程度。1汽车用胶管　　20世纪70年代，汽车燃油胶管所面临的问题主要是酸性汽油。当时，燃油胶管主要使用丁腈橡胶，而酸性汽油所产生的过氧化氢对丁腈橡胶具有强烈的腐蚀作用，尤其是在高温下。因此，拜耳和宝兰山公司相继采用向丁腈橡胶中添加防老剂和生产结合防老剂丁腈橡胶等方法来解决这个问题，并且取得了一定的效果。　　从1990年开始，汽车所面临的问题已不是酸性汽油的问题，而主要是空气污染和大气臭氧层破坏的问题。为此，制定了京都议定书，各国相继采取了一系列相应的措施。　　2006年10月，EURO4欧洲排放标准生效。2006年12月末，欧盟议会批准了新的更严格的汽车排放法一EuR05。该法将于2009年9月1日生效，但对通用体育运动车、救护车、残疾人用车和公共服务用车有3年过渡期，将于2012年9月生效。该法还包括EURO6，对柴油汽车的氧化氮(NOx)排放提出了更严格的要求，将于2014年生效。　　EURO5将强制所有新的柴油汽车从2011年开始安装微粒过滤器，使微粒排放达到汽油汽车的水平。EURO5允许柴油汽车的NOx排放量最高250mg／km，为汽油汽车的5倍。到2014年EURO6生效时，柴油汽车的NOx排放量将降低到汽油汽车的3．5倍，最终达到80mg／km，稍高于汽油汽车的70mg／km。　　美国加利福尼亚等卅I的防污染标准比EURO6更严格。美国于2006年提出了部分零排放汽车的要求。这些法规的制定，使汽车制造厂对汽车的各个系统进行了一系列相应的改进和增加，从而迫使胶管生产厂采用新的材料和结构，以适应汽车制造厂的要求。1.1生物柴油胶管 　　2001年，欧盟一致同意支持使用生物燃料，其战略目标是，到2020年普通燃料的20％将由生物燃料取代，以便减少二氧化碳(C02)的排放和减少对进口天然燃料的依赖。美国最近也提倡采用生物燃料。所谓生物燃料，系指由生物物质(植物或动物基可生物降解的物质)生产的液体或气体燃料，目前主要指生物柴油。生物柴油可归类为脂肪酸甲酯(FAME)。FAME是一种长链脂肪酸的单烷基酯的混合物，是植物油或动物脂肪(三酸甘油酯)与甲醇或乙醇相反应而形成的酯(生物柴由)。现在，一般说来，欧洲使用油菜籽油生产油菜籽油甲酯(RME)，而美国则使用豆油生产豆油甲酯(SME)。生物柴油可以纯的(100％)生物柴油(B100))JI以使用，如德国和奥地利，也可与天然柴油混合使用(如B20，为20％生物柴油与80％天然柴油的混合物)。　　美国现在使用的主要是E85生物柴油，由85％乙醇与15％汽油混合而成。美国最近已经制定了提高车用可再生燃料的标准，规定2007年美国境内出售的汽车燃料总量的4．07％(213．7亿升)必须来自再生资源，到2012年将增加到314亿升。美国现在有100多家生产乙醇燃料的工厂，乙醇燃料的原材料主要是玉米。预计2008年将消耗大约1-3亿吨玉米，相当于美国全国产量的一半。　　在温度、空气和水的作用下，生物柴油会降解，降解产物对橡胶材料有很强的腐蚀作用。　　燃油胶管，除了要求耐高温性能之外，还要求耐燃油性能和耐燃油渗透性能。现在，燃油胶管所使用的橡胶材料主要是氯醇橡胶(ECO)、丙烯酸酯橡胶(ACM)和氢化丁腈橡胶(HNBR)，取代了丁腈橡胶(NBR)(内胶层)和氯丁橡胶(CR)(外胶层)。这些橡胶可耐150℃温度。最近，瑞翁公司开发出了一种丙烯酸橡胶NipolAR，可耐175℃温度。现在，氟橡胶已广泛用于汽车燃油胶管，主要是因为其耐燃油，尤其是耐生物柴油，以及耐燃油渗透性能。但是，考虑到氟橡胶价格昂贵，为降低成本，氟橡胶只作为内衬层，通过共挤出方法或其他方法附加到燃油胶管的内胶层内侧上。氟橡胶内衬很薄，一般为0．2—0．7ram。　　为了适应汽车的需要，杜邦公司开发出了新的“先进聚合物结构”(APA)工艺，生产一种过氧化物硫化(亦称加成硫化)特种氟橡胶，用于汽车生物柴油胶管和涡轮增压器胶管。达因昂公司也开发出了一种新工艺，生产过氧化物硫化氟橡胶，其耐生物柴油性能优于普通氟橡胶。达纳和尼塔·摩尔公司采用聚乙烯萘二甲酸酯(PBN)生产燃油箱内和燃油输送系统用软管。这是一种多层结构软管，由尼龙l2内衬层、粘合层、PBN中间层、粘合层和尼龙12外覆层构成，具有良好的耐燃油渗透性，据称，在渗透性、静电放电、重量和成本方面优于氟橡胶多层软管。1.2涡轮增压器用胶管　　近年来，涡轮增压柴油汽车在不断增加。在欧洲，2003年装配涡轮增压器的柴油机占柴油机的12％，预计到2008年增加到60％以上。涡轮增压发动机是利用废气驱动气泵，压缩环境空气进入气缸，使燃油充分燃烧，提高发动机的功率输出。空气在压缩机与发动机之间需要冷却，以增加空气的密度，使之含有更多的氧气。高温侧的压缩空气非常热，正常为210℃，峰值为230℃，即使冷却器外侧的温度也为160℃，峰值180℃。　　涡轮增压器胶管的结构是内衬层、防渗透层、内胶层、增强层和外胶层。高温侧胶管的内衬层一般使用氟橡胶或氟硅橡胶，外胶层使用硅橡胶，增强层则开始使用芳酰胺纤维。有些汽车的涡轮增压器胶管也使用乙烯乙酸乙酯共聚物。乙烯乙酸乙酯共聚物能耐180℃，硅橡胶则为250℃，阿文公司开发的一种新材料能耐230℃，填补了二者之间的空白。 1.3空调系统用胶管　　欧洲关于氢氟碳排放的环保法规将在2008年生效，要求汽车制造厂在2008年以后装配低排放的空调系统，目标是将现在的排放量减少90％。制冷剂从氟里昂12转变为四氟乙烷R134a，目的是消除氯排放对大气层的影响。现在将面临新的变化。欧洲预计从2011年开始依法装配CO2制冷剂空调系统。使用CO2制冷剂，汽车空调系统会工作地更有效、更环保，可使氢氟碳排放减少99％。据预计，第一个CO2冷剂空调系统模型车将是下一代BMW7系列(2007年)，下一代梅赛德斯一奔驰E级和奥迪A8型汽车将在2009年装配。　　在CO2制冷剂空调系统中，条件的变化和CO2密度的剧减，会引起爆破性分解，从而损坏聚合物材料，因此要求对胶管进行专门设计。德国大陆公司开发出一种CO2制冷剂空凋胶管，其结构是防CO2渗透层、弹性体内胶层、芳酰胺纤维增强层和弹性体外胶层。弹性体层使用EPDM，防渗透层和内胶层应耐制冷剂用油。　　这种胶管，低压侧的渗透速率为0．21g／y，高压侧为0．79g／y，而汽车工业目前要求的渗透速率为1g／y。　　CO2制冷剂空调系统要求使用新的压缩机，其压力为目前使用压缩机的6-9倍。因此，这种胶管的最大难题是必须开发在14MPa以上压力下仍保持密封的管接头，以防止在管接头处出现泄漏。1.4　选择性催化降低排放系统用胶管　　为了改进目前所使用的发动机以适应现在和将来的柴油机废气排放的要求，开发出了一种选择性催化降低排放系统(SCR)。这种系统使用脲溶液协助将氧化氮(NOx)转化为蒸汽和氮。　　将来的载重车将装配一个单独的贮罐，盛装脲溶液，通过一胶管管路将其计量泵人催化剂注射系统。这种系统可使NOx和烃排放量减少至少80％，微粒排放量减少至少40％，从而使NOx排放量降低到EURO4／1规定的3．5g／kWh以下。　　脲溶液贮罐与泵之间的胶管可加热，胶管和介质同时加热，以防溶液冻结(脲的冻结点为一l1．5℃)。　　这种胶管的结构是，防渗透层、EPDM内胶层、纤维增强层和埋置有电热线的EPDM外胶层。装配这种系统的大多数载重车制造厂已符合EURO5的要求。欧洲的Renault、沃尔沃、EvoBus和戴姆勒一克莱斯勒已装配这种系统，美国的福特等汽车制造厂正在试验这一技术。在欧洲，这种系统在商用车辆和大客车中将愈来愈普及。　1.5车体灵活控制装置用胶管　　　国外开发出一种车体灵活控制装置，用于减小拐弯时车体倾斜，以保持车辆平衡。在这种装置中有一个整体液压系统，液压流体相当热，并且压力呈脉动状态，对胶管的要求非常苛刻。戴姆勒一克莱斯勒公司已经使用这种装置，BMW汽车也有类似装置。这是高档轿车的一个重大趋势，并且逐渐向中档轿车推广。这是胶管在汽车中的一个新应用。 1.6防渗透胶管　　汽车对大气的污染，除了废气排放，就是燃油、制冷剂和其他流体向大气中的渗透。因此，汽车燃油系统、空调系统和其他一些系统用的胶管一般都带有防渗透层。这已成为这些胶管的普遍结构形式。　　燃油胶管一般以氟橡胶作为内衬，处于内胶层的内侧，一是为了耐燃油，二是为了防燃油渗透。R134a制冷剂空调胶管，防渗透层一般为热塑性塑料，处于两层弹性体内胶层之间。涡轮增压器胶管和选择性催化降低排放系统用胶管也有防渗透层，已如前述。1.7供应整个管线系统　　国外汽车用胶管生产公司，自20世纪80年代初开始，从只向汽车制造厂供应胶管逐渐转变为供应整个管线系统，用德国大陆公司的话说，“向大众汽车出售l2米胶管的日子已经一去不复返了”。他们认为，胶管虽然是汽车不同系统的一个重要部件，但却是一种低价值的产品；供应装配有胶管的燃油管线系统、空调管线系统和动力转向管线系统等，能提高利润，也方便汽车制造厂的装配。　　例如，2002年，欧洲汽车用胶管销售额中，燃油管线系统5亿欧元，其中燃油胶管1．6亿欧元，占32％；空调管线系统6-3亿欧元，其中空调胶管0．9亿欧元，占14．29％。北美汽车用胶管销售额中，燃油管线系统6亿美元，其中燃油胶管1．92亿美元，占32％；空调管线系统8亿美元，其中空调胶管1．44亿美元，占18％。亚洲汽车用胶管销售额中，燃油管线系统3．6亿美元，其中燃油胶管1．2亿美元，占33．33％；空调管线系统6亿美元，其中空调胶管0．96亿美元，占l6％。　　这种转变，不只是公司机构设置的问题，其中也包含着工艺的完善。2其他用途胶管2.1液压胶管　　近些年来，设备制造厂对液压胶管有一些新的要求，其中有:　　(1)设备如工程机械制造厂正试图把更多的部件组装在更小的空间中，因此要求胶管的弯曲半径愈来愈小，而预期使用寿命则愈来愈长。　　(2)液压流体出现了一些变化，可生物降解流体已开始使用，因此要求胶管能够承受更具腐蚀性的可生物降解流体。　　(3)由于胶管在工程机械上大多安装在前后的暴露部位，因此外胶层具有更好耐磨性能的胶管愈来愈普及。　　近年来，致密型钢丝编织液压胶管的使用愈来愈多，因此已被编制到标准SAE100R16和100R17中。其实，这种类型胶管早在1970年代就已由艾罗奎普公司商品化生产，其牌号是FC310Hi— Pac。据报道，这种致密型钢丝编织结构与普通编织结构的不同之处是，钢丝股交叉处的空间为钢丝所充满，从而一层编织层的强度就相当于两层普通编织层(SAE100R2)，而且其编织层的外径和整个胶管的外径就相对较小，不但胶管重量较轻，而且弯曲半径较小，更适合于在较小的空间装配。SAE100R2与100R16和100R17胶管外径和最小弯曲半径的比较见表1。　　现在，为适应最小弯曲半径的要求，许多公司都在生产这种致密型钢丝编织胶管。例如，奥地利山姆普瑞特公司已生产符合SAE100R16和100R17的胶管。lOOR16的最大工作压力因内径大小而异，而100R17则不分内径大小均为21MPa，二者的编织层数根据设计可为一层或两层。山姆普瑞特公司的SAE100R16胶管为两层钢丝编织结构；而100R17胶管，内径在1／2英寸以下的为一层钢丝编织结构，内径在5／8英寸以上的为两层钢丝编织结构。2.2海上浮式输油胶管　　海上输油胶管分为海底输油胶管、水下半浮式输油胶管和水面全浮式输油胶管。海底输油胶管的增强层为互锁式钢片条缠绕结构，外层为聚氨酯弹性体，用于从海底井口向岸上输送原油。水下半浮式输油胶管用于海上定点系泊浮箱水下管线，为外浮体结构，根据水下管线不同形状而在相应部位安装外浮体。水面输油胶管一端安装在浮箱上，另一端通向油轮，为全浮式输油胶管。现在，全浮式输油胶管为整体浮式胶管，浮体为海绵层，在制造过程中附在管体上，外面包覆外胶层，与管体成一整体结构。　　目前，世界上最先进的海上整体浮式输油胶管是原邓禄普公司(后属于凤凰公司)生产的带有报警系统的双层管体胶管。这种胶管由主管体、副管体和海绵浮体层构成。主管体与副管体之间是分离的，在其问安装有电子报警系统，一旦原油从主管体泄漏，原油即进人主管体与副管体之间，使胶管外径增大，同时引发电子报警系统发出灯光和声响警报，以便减压继续输油，然后再更换损坏的胶管。　　原邓禄普公司根据有限元分析(FEA)，对管接头和管接头与胶管结合部进行了改进。原来管接头有四个方形锁定环，现改为两个圆形锁定环，同时对管接头端部进行了改进，以减轻这些部位的应力集中，从而减少因应力集中而引起的增强层和内胶层损坏的可能性。　　特大口径的双层结构整体浮式海上输油胶管，集胶管工艺之大成，是胶管工艺的最高最集中的体现。在这种胶管中，浸胶织物缓冲层、钢丝帘线增强层、钢丝螺旋线层、内胶层／中胶层／外胶层、浮体层、胶管端部额外增强层的铺放，胶管增强层在管接头上通过化学(贴合胶片)和机械(钢丝捆扎和焊接)方法的锁定等，都体现出先进的胶管成型工艺，保证了胶管在近海海况下的安全使用。3胶管工艺装备3.1胶管成型设备　　近年来，国外胶管成型设备在设计上有了一些改进。玛格纳泰克公司的RB一2旋转式编织机和WSW—III型钢丝缠绕机，以及麦尔公司的MR—l1型编织机已在世界上广泛使用，我国也进口了大量的这三种设备。　　玛格纳泰克公司又开发出了wSw—IV型钢丝缠绕机。WSW—IV比WSW— III转速提高33％，达到100rpm，更换时间缩短5O％(每盘3O～4O分钟)，产品外径范围为7．6～114．3ram，生产能力有很大提高。　　WSW—III和WSW—IV生产能力的比较见表2。　　意大利VP公司制造一种新型钢丝缠绕机，有24锭和36锭两种规格，缠绕盘转速为90rpm。其基本结构与玛格纳泰克公司的WSW—III型相似，主要区别是锭子结构和缠绕口型。每个锭子同时引出若干根钢丝，同时铺放在胶管上，类似编织机的锭子，而不是象普通缠绕机那样每个锭子只引出一根钢丝。据称，其优点是能够保证钢丝以均匀的张力铺放在胶管上，并且不会引起钢丝背股。3.2WSW钢丝预成型装置　　玛格纳泰克公司在原有的标准型钢丝预成型装置的基础上，又设计出软芯法钢丝预成型装置和大口径胶管钢丝预成型装置。wSw—III和wSw—IV型钢丝缠绕机，装配这两种预成型装置，无需对缠绕机进行任何改装。3.3RB一2型编织机用电子控制系统一MfCS　　MICS为玛格纳泰克国际控制系统，采用使用可编程逻辑控制器(PLC)的电子控制系统，控制RB-2型编织生产线。每个模块由通过图形运行逻辑(GML)软件与PLC通信的伺服驱动器驱动。使用系统逻辑控制器(SLC)转换阶梯信号发生器逻辑为处理器编程。该控制系统监视所有标准的玛格纳泰克报警状态以及牵引机的生产速度和编织机盘的转速。该控制系统是扩展式的，将来可扩展到监控和数据采集(SCADA)程序包、PC数据互换和联网能力。　　这种电子控制系统能记录运行时间和预定结束时间；在达到规定的产品长度时自动停机；监测运行统计，可使操作人计算产品缺陷之间“好胶管”的长度；保存停机记录，帮助对机器进行故障检查和排除；向操作人报警引起停机的产品缺陷位置；汇总数据、停机记录、生产记录和维修／力Ⅱ注润滑油记录；提醒机器加致润滑油／保养；指示机器最佳更换钢丝／纱线位置；可进行中央监控。3.4BW一8型钢丝合股机和Magna—ELC电子控制放线装置　　BW一8型是一种可电子控制的钢丝合股机，其最大锭子转速为2250rpm，最大锭子法兰直径190mm，横杆长度254mm，导线能力3-24根0．2-0．6ram钢丝。软件可保证在最大锭子转速和最大钢丝线性速度限度内操作。使用机械放线装置时恒定钢丝速度为520m／min，使用Magna—ELC电子控制放线装置时恒定钢丝速度为700m／min。通过伺服电机对导程进行电子控制。产品存储器能存储5O种不同的产品。独特的激光法兰检测系统能设定每个锭子的横向往返位置。操作人可将钢丝直径、根数和钢丝总长度输入到数据库中，将其保存在存储器中，以备使用。　　Magna— ELC电子控制放线装置，最大钢丝速度为700m／min，张力范围为1．1～1．6kg。将所需的张力输入到按钮电位计中。负荷传感器测量运行张力，并将读数输送到控制系统中。控制系统将其与所需张力进行比较，将结果输出到控制系统中，将适当的电压输出到磁性粒子制动器上，以控制张力。3.5内胶层共挤出工艺　　随着汽车用燃油胶管、空调胶管和其他类型胶管内胶层普遍采用两层结构或三层结构，有的甚至四层结构，共挤出工艺获得了广泛的应用。虽然多层内胶层结构中的内衬或防渗透层可用压延胶片成型，但是考虑到生产效率和内衬或防渗透层的厚度极小，共挤出工艺是最佳选择。由于内胶层的各层之间的粘合性能是非常重要的，并且内衬或防渗透层所用橡胶如氟橡胶与其他类型橡胶不一定相容，往往需要使用适当的粘合剂。这使得共挤出工艺多少比一般的共挤出过程要复杂化一些。3.6包树脂硫化法　　软芯法生产钢丝编织胶管和纤维编织／缠绕胶管，过去通常采用包铅硫化法，以使管壁致密和外观光滑美观。但是，铅有污染环境之虞，因此近年来胶管生产厂家开始青睐包树脂硫化法。其实，包树脂硫化在1980年代已有专利报道，只是近年来开始商品化使用。这种方法的基本原理与包铅法相同，只是所用材料由铅改为树脂O树脂也可重复使用，并且对环境不会构成污染，是一种较好的替代材料。3.7胶管壁厚／直径的自动监控装置　　胶管内胶层壁厚和直径的自动监测和控制对于胶管的生产非常重要。激光和超声波壁厚／直径自动监测和控制装置已商品化生产，并且为胶管生产厂所普遍采用。4计算机在胶管结构设计和胶料配方设计中的应用4.1胶管结构的有限元分析　　胶管结构的有限元分析(FEA)可由胶管生产厂或机械设备和汽车制造厂进行。　　原邓禄普公司开发出三个计算机FEA模型，分别对管接头、管体和胶管与管接头结合部进行结构分析。通过对其海上浮式输油胶管进行分析，找出了影响胶管组合件性能的一些因素，并采取了相应的改进措施，使其海上输油胶管的结构设计更趋合理，管接头的结构设计更趋完善，保证了胶管在苛刻的近海条件下的性能和安全。　　机械设备制造厂对其90％的总成，包括装配有胶管的液压等总成，使用数字模拟方法进行精确的模型模拟和评估。但是，他们的FEA分析软件需要很多参数，要求胶管生产厂予以提供。 　　在汽车中，部件的动态运动影响胶管的设计。因此，汽车制造厂如沃尔沃使用FEA检验部件(包括胶管)所承受的力。他们使用计算机对部件动态行为进行模型模拟，然后再用原型样件进行物理试验，以确认模拟模型，再将结果报告给胶管生产厂和部件制造厂，从而缩短整个设计时间。4.2胶料配方的计算机设计　　计算机在胶料配方设计中的应用已很普及，不少公司与软件公司相结合，开发出了配方设计软件。　　设计人员根据产品性能的要求和配合的数据，并且与其他参数如硫化数据、试验方法、材料成本等相结合，在计算机上进行模拟推演，再通过实际配方进行实验，然后投人生产。这样做，不但可以使配方最佳化，而且大大降低配方设计成本，缩短开发时间。