聚酰胺/丁腈橡膠（NBR）并用膠在液壓軟管中的應用

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.沈陽橡膠研究設計院有限公司，遼寧 沈陽 110021)

SAEJ517標準規定的液壓軟管廣泛應用于工程機械、煤礦開采、油田開發、船舶、農業機械、機床以及移動和固定設備的液壓系統，從100R1到100R19系列，內徑尺寸從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成。目前在國內液壓軟管的內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，軟管生產廠所生產的每根液壓軟管在出廠之前都要按照標準的技術要求，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，以前50萬次就是一個很不錯的結果，而國外著名液壓軟管生產商制造的液壓軟管脈沖次數可達80萬次以上。從液壓軟管結構分析，軟管的內膠層性能如何是對液壓橡膠軟管的整體性能起到決定性作用。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，同等規格的液壓橡膠軟管價格是國內相同規格的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品的性能，我們全面分析了國內與國外的液壓軟管，并根據綜合分析和研發，從液壓軟管的內膠層入手，試驗研制了聚酰胺與丁腈橡膠共混的內膠層膠料，經多次試驗，優化與測試，采用我們優化配合制備的液壓軟管，諸項指標優良，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膠膠料配合、試驗數據以及中膠、外膠配方和典型軟管施工表制造工藝諸項研發的情況。

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做軟管的內膠層，而聚酰胺（俗稱尼龍）是指高分子鏈上具有酰胺重復結構單元的樹脂材料。聚酰胺具有優良的機械性能、自潤滑性能、吸震性，并且結晶度高、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品。鋼絲采用Φ0.3 mm鍍銅鋼絲，內卡爾特公司產品。其他配合劑均為海城化工助劑廠產品。

1.2 儀器與設備

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，北鎮市華隆橡膠機械有限公司；銷釘式冷喂料橡膠擠出機，內蒙古富特橡塑機械有限公司；脈沖試驗臺，沈陽橡膠研究設計院有限公司。

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，將輥距調整至0～0.5 mm，薄通3次；然后將輥距調至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力應變性能的測定》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 膠料配方設計

2.1 膠料性能指標

根據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技術文件，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 內膠膠料

內膠在液壓軟管中起到高壓介質作用下密封作用，應具有優異的耐油性，良好的耐疲勞、抗脈沖性能，較高的 定伸應力和抗撕裂性能，較小的應力松弛，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，物理性能數據見表3（力學性能數據）；表4為NBR/PA66并用膠的低溫性能數據；表5 是NBR/PA66共混膠的耐油性能數據；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是優選NBR33/PA66內膠配方的性能測定結果。

表2 SARJ517100 R13液壓軟管內膠配方對比

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

從表3數據看出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下的壽命，即使用為液壓軟管內膠可大幅提高產品的使用壽命。

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。可以看出由于在NBR中摻入PA66而提高了NBR的耐油性能。由于甲苯是NBR的優良溶劑，用甲苯作介質可更容易看出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 采用正交設計優化NBR33/PA66內膠配方的性能測試結果

2.2.2 中膠

中膠輔設在軟管結構中兩個增強層之間，用以隔離相鄰的骨架材料，以緩沖軟管在脈沖壓力反復作用下相互摩擦，改善軟管疲勞的膠層。中膠應當與骨架材料黏合良好、流動性好、工藝性好。可選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，故刪去試驗數據。

2.2.3 外膠

外膠主要起保護骨架層不受外界環境影響，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系列液壓軟管結構設計與制造

3.1 液壓軟管結構設計

依據SAEJ517 R13系列液壓軟管使用環境、工作壓力，結構設計為6層。鋼絲纏繞層，鋼絲采用直徑0.56 mm鍍銅鋼絲，內膠厚度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構圖參見圖2。軟管公稱內徑、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系列液壓軟管結構示意圖

表11 SAEJ517 R13系列液壓軟管規格以及相關技術指標

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，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℃溫度范圍內用于石油基液壓流體為介質的液壓設備，這種軟管應當有一層耐油合成橡膠內膠層，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構，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（內徑38 mm）

4 成品試驗

經過前面膠料試驗和對比，采用NBR33/PA66共混膠作為軟管內膠層，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，其軟管結構合理可靠，顯示出優異的工作性能。以上試驗數據初步描述了NBR/PA66共混膠作為液壓軟管內膠層的優越性。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膠層在受力作用下的使用壽命。

5 結論

以上實驗的數據初步描述了NBR/PA66共混膠的優異性能，突出的特點是高強度、優異的耐油性能、耐老化性能，特別所具有的高模量的內膠層可以明顯地提高在受力狀態下的內膠使用壽命；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液壓軟管的使用，從其混合性能來看具有如下優越性：

（1）具有可靠、優異工作性能，脈沖次數達到100萬次，依舊有優異的尺寸穩定性。

（2）作為液壓軟管可以在高寒地區的液壓系統、設備上應用，有極好的工作穩定性。

（3）具有優異的性價比，性能與Gates公司、Parker公司和Aeroquip公司同類產品相同，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滲透性能，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、油井封隔器等產品。