車用多層共擠尼龍管含水率對機(jī)械性能的影響

朱建，薛長鳴，羅英哲，張宸睿

上海亞大汽車塑料制品有限公司，上海 201708

0 引言

自20世紀(jì)60年代起，汽車行業(yè)相繼實行了尾氣排放法規(guī)以改善大氣環(huán)境質(zhì)量。隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，汽車輕量化技術(shù)是降低能耗、減少排放行之有效的措施。由于尼龍管路具有質(zhì)量輕、成本低、材料可回收利用、環(huán)境友好等優(yōu)勢，在進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、制動系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，近年來在新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)逐漸推廣應(yīng)用。環(huán)境中水分影響尼龍管機(jī)械性能，當(dāng)車輛在南方高濕天氣運行時，尼龍管路耐壓性能會有所下降，有承壓破裂風(fēng)險;當(dāng)車輛在沙漠等干燥環(huán)境下運行時，尼龍管路易受路面石子沖擊破裂。李暉等研究表明吸水率對尼龍材料的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度有顯著影響，吸水率增加導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度衰減以及抗沖擊性能提高。朱本瑋等研究表明水分對PA66強(qiáng)度影響與環(huán)境濕度相關(guān)，相對濕度越大，PA66拉伸強(qiáng)度下降越大。馬小豐等研究表明聚合物分子鏈低溫條件下的活動性變小，由鏈段運動變?yōu)殒湽?jié)運動，彈性和韌性減弱，脆性易折嚴(yán)重影響了尼龍材料的低溫使用性能。林博的研究表明隨著浸水溫度的升高，浸水時間的延長，尼龍材料的吸水率提高，沖擊強(qiáng)度增大，拉伸強(qiáng)度降低。尼龍管車用環(huán)境工況多變，環(huán)境中水分對其耐壓性能影響較大。一般對于力學(xué)性能要求較高的應(yīng)用場景，采用長碳鏈尼龍或改性尼龍減少環(huán)境中水分的影響，同時為了滿足材料滲透、介質(zhì)相容性要求，多采用多層共擠技術(shù)尼龍管方案。例如：汽車燃油供給系統(tǒng)為了滿足低燃油滲透率要求，選用EVOH作為阻隔層材料，廣泛采用PA12-TIE-EVOH-TIE-PA12五層結(jié)構(gòu)的多層管。

多層尼龍管設(shè)計同樣需要充分考慮吸濕后強(qiáng)度與放濕后韌性衰減問題。文中著重研究了外層PA612多層尼龍管吸濕和放濕力學(xué)性能變化，確保管路在各濕度條件下的力學(xué)性能能夠滿足應(yīng)用需求。

1 試驗部分

1.1 試驗樣件

亞大自制多層共擠尼龍管，規(guī)格16×1.5，外層PA612，中間層EVOH，內(nèi)層ETFE。

1.2 主要試驗設(shè)備

含水率測試設(shè)備：C30型，METTLER TOLEDO公司；

室溫爆破試驗機(jī)：HBS-S-HLT-20型，深圳市弗賽特檢測設(shè)備有限公司；

溫度烘箱：CT6025PF型，重慶銀河試驗儀器有限公司。

1.3 含水率測試

截取管材，切成小塊并擦干表面，放入水分含量分析設(shè)備樣品槽，樣品在105 ℃恒溫條件下加熱蒸發(fā)，直至蒸發(fā)水汽量趨于最小，不大于20 μg/min，具體測試方法參照ISO 15512中B2。

1.4 機(jī)械性能測試

室溫爆破：將管材一端密封，另一端連接到設(shè)備，在試驗室室溫條件下向管材內(nèi)部加壓，加壓速率為7 MPa/min，直至管材破裂。

2 試驗結(jié)果討論

2.1 車用多層尼龍管含水率變化的可逆性

多層尼龍管吸收空氣中的水分，同時不斷向空氣中釋放水蒸氣。當(dāng)吸濕大于放濕，整體表現(xiàn)為吸濕;當(dāng)吸濕小于放濕，整體表現(xiàn)為放濕。含水率隨時間變化關(guān)系如圖1所示。由圖可以看出，曲線2管材初始含水率高于曲線1管材初始含水率，同樣放置在23 ℃、50%濕度環(huán)境中，曲線1表現(xiàn)為吸濕，曲線2表現(xiàn)為放濕，約600 h后，曲線1和曲線2含水率趨于穩(wěn)定到達(dá)平衡狀態(tài)。曲線2放濕到達(dá)平衡狀態(tài)的含水率要高于曲線1吸濕到達(dá)平衡狀態(tài)的含水率，存在吸濕含水率滯后現(xiàn)象。放濕時，無定型區(qū)酰胺基團(tuán)與水分子已經(jīng)形成氫鍵，不易脫水，因而保留了一部分水分子。多層尼龍管含水率高會向環(huán)境中釋放水分，含水率低會從環(huán)境中吸收水分，吸濕和放濕是可逆的。但是，吸濕滯后性會導(dǎo)致多層尼龍管的含水率不能夠完全恢復(fù)到先前吸濕平衡點。

圖1 含水率隨時間變化關(guān)系

2.2 車用多層管含水率變化對耐壓性能影響

含水率與室溫爆破壓力的數(shù)值關(guān)系:

=10556-0135e3196

(1)

式中：為尼龍管室溫爆破壓力，MPa；

為含水率，%。

為0.984 6，管材爆破壓力隨著含水率的升高整體表現(xiàn)為降低。當(dāng)含水率為0～0.6%，爆破壓力無明顯下降。在23 ℃、50%濕度條件下，吸濕到平衡含水率0.51%，說明23 ℃、50%濕度環(huán)境中，外層PA612多層尼龍管耐壓性能基本不受影響。

爆破壓力隨含水率變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 爆破壓力隨含水率變化關(guān)系

2.3 車用多層尼龍管室溫吸濕耐壓安全系數(shù)

尼龍管路車用工況環(huán)境濕度在0～100%范圍內(nèi)變化，管材長期處于吸濕和放濕狀態(tài)，耐壓性能處于波動變化。管材耐壓性能主要與管材各層厚度以及各層材料力學(xué)性能有關(guān)。各層材料確定后，為了確保全濕度變化范圍內(nèi)，管材耐壓性能滿足使用需求，各層材料層厚設(shè)計尤為關(guān)鍵。

對于單層管，可以采用DIN 73378中的公式設(shè)計層厚。對于本文采用的多層共擠尼龍管，使用中徑公式設(shè)計層厚。當(dāng)徑比不大于1.5，基于中徑公式計算的耐壓值與按Tresca全屈服壓力得到的耐壓值相差不大。基于中徑公式，多層共擠管耐壓性能按以下方公式計算：

(2)

式中：為管材耐壓計算值，MPa；

為管材層序號；

為第層層厚，mm；

為第層材料強(qiáng)度，MPa；

為第層外徑，mm。

依據(jù)公式(2)，23 ℃、50%濕度下，此次試驗用的管材耐壓計算值為9.5 MPa。

表1為23 ℃、50%濕度下各層材料的拉伸強(qiáng)度。

表1 23 ℃、50%濕度下各層材料的拉伸強(qiáng)度 單位:MPa

表2為管材室溫爆破試驗結(jié)果。由表2可知，放濕到平衡與計算值偏差1.12%，吸濕到平衡與計算值偏差5.16%，放濕到平衡與理論計算值接近;管材60 ℃水中浸泡772 h后，室溫爆破壓力平均值為6.76 MPa，最小值為6.71 MPa。耐壓計算值是管材60 ℃水中浸泡772 h實測爆破值的1.4倍。

表2 管材室溫爆破試驗結(jié)果 單位:MPa

吸濕耐壓安全系數(shù)計算公式為：

(3)

式中：為吸濕耐壓安全系數(shù)；

為管材耐壓計算值，MPa；

為瞬時壓力峰值，MPa。

為了保證管路吸濕耐壓性能安全，管路設(shè)計時，依據(jù)公式(3)，外層PA612多層尼龍管室溫吸濕耐壓安全系數(shù)取1.8～2。

3 結(jié)論

車用外層PA612多層共擠尼龍管吸濕或放濕過程，管材含水率出現(xiàn)變化，影響管路的耐壓強(qiáng)度。研究結(jié)果為管路先期強(qiáng)度設(shè)計提供參考。通過分析，得到以下結(jié)論：

(1)吸濕和放濕過程是可逆的，不過含水率的變化存在吸濕滯后性，同溫濕度環(huán)境，放濕后含水率不能夠完全回復(fù)到吸濕后含水率水平。在一定程度上，吸濕滯后性導(dǎo)致多層尼龍管強(qiáng)度衰減。

(2)車用外層PA612多層尼龍管含水率升高，爆破壓力則下降;含水率小于0.6%時，耐壓性能基本不受影響。

(3)車用外層PA612低吸水率多層尼龍管常溫吸濕耐壓性能設(shè)計安全系數(shù)取1.8～2。