熱塑性彈性材料在進氣系統中的應用研究

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中得到迅速的發展。文章調研了全動態硫化型熱塑彈性體（TPV）材料性能和應用現狀，并對不同硬度等級的TPV進行了較為全面的性能測試，分析了其在進氣系統中應用的可行性，同時將其在輕卡空濾器出氣管路上進行了試用，結果表明其耐壓、密封、老化等性能完全滿足整車使用要求。

關鍵詞：熱塑性彈性體;進氣管路;輕量化

中圖分類號：U465 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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應對環保壓力，減少燃油消耗的重要舉措之一，其中兩個具有代表性的手段分別為非金屬材料的廣泛應用和集成化設計。在眾多的非金屬材料中，熱塑性彈性體材料擁有良好的應用前景[1]。

本文通過對各車型進氣管路使用要求以及對行業內TPV材料性能及應用現狀進行調研之后，選擇了兩種TPV材料進行了性能測試，分析了其在卡車進氣系統中的應用可能性。

1 熱塑性彈性體材料分類及基本性能優勢

熱塑性彈性體（Thermoplastic Elastomer）即TPE是一種用熱塑性塑料加工設備可以進行成形加工，但其性能卻表現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中得到迅速的發展[2]。其中，全動態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展最快、應用最廣泛的TPE材料[3]。

熱塑性彈性體根據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，動態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，同時可進行重復利用。相關資料統計，同樣的零件采用TPE比采用橡膠生產效率可提高30%～100%，節約能耗10%～40%。同時其還具備輕量化，設計自由度大以及綜合成本低等優點。

因此，本課題主要圍繞全動態硫化型熱塑性彈性體（TPV）替代EPDM制造進氣系統膠管展開相關工作。

2 TPV熱塑性彈性體在進氣系統中的應用研究

2.1 發動機進氣系統各段管路的使用條件及其對橡膠材料的要求

發動機的進氣系統主要由進氣道、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

汽車行業是TPV材料最大市場，隨著汽車產品對節能環保、輕量化、使用壽命等要求的不斷提高，采用TPV材料替代傳統的EPDM制造進氣膠管、車身密封條、各類護套和防塵罩等零部件（如圖2所示）的趨勢越來越明顯，尤其是在乘用車領域內。商用車領域TPV材料的應用推廣相對較慢，但目前也已開始進氣系統膠管上使用，如一汽解放、北汽福田等都已經或正在開發進氣道波紋管等產品[4]。

3 TPV材料的性能測試

進氣系統內波紋管或連接膠管多為薄壁中空結構，結構相對復雜，用TPV替代EPDM制造相關產品時吹塑工藝是最合適的成型方法。對于TPV，其吹塑加工性取決于連續相PP的比例，比例越高，軟化態的型坯強度越大，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，其硬度一般在邵氏A70以上。

對于TPV材料，現有的國家或行業性能標準只有HG/T 4903-2016《動態全硫化熱塑性彈性體材料（TPV）》，雖然規定了TPV材料的強度性能、耐熱老化性能、壓縮永久變形等性能，但其耐熱老化的試驗溫度僅為50℃，無法反映材料的加速老化性能，對耐低溫性能也沒有規定。因此，本次測試的試驗條件和技術要求參照了M3236《熱塑性彈性體TEV（全交聯聚烯烴）供貨技術條件》。

3.1 邵氏A70硬度級別測試結果

對國產廠家提供的邵氏A70級別的Microprene1064A測試結果如表3所示，其拉伸強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熱老化性能比較優異，試驗后各項指標變化都在M3236要求范圍內，硬度、拉伸強度變化較小。耐油測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）等指標還是優于耐油性極差的EPDM。

3.2 邵氏A85硬度級別

對兩廠家提供的邵氏A85硬度級別的TPV材料Santo -prene101-87A和Microprene1087A測試結果如表4所示。

該硬度下，兩廠家TPV材料的強度、耐熱、耐油性能均優于EPDM;雖然國產試樣的耐熱老化和耐3號油部分指標超出了M3226的要求，但與標準相差不大。進口試樣TPV各項指標都在M3226要求的范圍內，并且其材料的強度、耐熱老化性能與國產比有較大優勢。

3.3 邵氏D40硬度級別

對兩廠家提供的邵氏D40硬度級別的TPV材料Santop -rene103-40D和Microprene1040D測試結果如表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。進口試樣的耐135℃熱老化性能優異，試驗后各項指標變化較小。雖然其耐油性能超出標準要求，但與EPDM相比仍有很大提升;國產試樣耐熱老化和耐油性能都不符合標準要求。

4 TPV材料在進氣系統內的應用分析

TPV可在-55℃至+120℃的溫度范圍內長期使用，最高可短時在+135℃下使用。較高硬度的TPV拉伸強度及其斷裂伸長率更高，替代EPDM時可以進一步減小壁厚降低自重，尤其是進口Santoprene TPV材料，具有優異的強度、耐熱老化性能。與EPDM相比，TPV的耐油性具有較大的優勢，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接觸的場合。

應用TPV替代EPDM完全可以滿足進氣系統內增壓前各段管路的使用工況，主要包括進氣道波紋管和連接膠管兩類產品。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品，減少了配料、煉膠、硫化等工序，其生產效率可提高30%以上，節約能耗10%-40%。同時有利于原材料一致性控制，提升產品質量。

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

對于增壓前連接膠管，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，需重新設計產品結構。目前，TPV吹塑的管徑最大可做到300mm左右，但在超過200mm時內徑難以控制，使用時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、輕卡等車型上應用，重卡車型進氣膠管外徑一般都超過200mm，應用案例還比較少。

5 TPV在輕卡空濾器出氣管路上的應用驗證

我公司輕卡空濾器出氣膠管，受發動機空間布置的限制，現為橡膠軟管+金屬管+橡膠軟管三段式結構，輸送介質為純凈空氣，介質溫度為-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，可大量減少零件數量，簡化繁瑣的成型和裝配工序。由于三維吹塑模具費用較高，目前只為銷量較高的一種機型開發了TPV膠管。

根據表5顯示的進口Santoprene103-40D 性能檢驗結果以及其與EPDM橡膠性能對比情況。分析對比材料性能以及使用工況，進口Santoprene103-40D使用溫度為-60至135℃，可滿足空濾器出氣膠管使用工況;強度性能遠高于EPDM，可通過適當減小壁厚實現產品輕量化;在（135℃×70h）下進行耐老化試驗，試驗后硬度變化、拉伸強度變化率、扯斷伸長率變化率變化較小且均優于EPDM;盡管其耐油性能超出M3236標準要求，但與EPDM相比仍有很大提升，具備

一定的耐油性。因此，故選用了該材料進行空濾器出氣膠管的試制和驗證，產品內徑約（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管體的柔韌性和減振性。

TPV材質新結構的空濾器出氣管如圖3（b），通過優化設計取得了較好的輕量化效果，產品自重由1.7kg降低到了0.6kg，降重約65%。同時，由于零件數量減少、簡化成型工藝，綜合成本降低了約30%。

目前，該產品已進行試裝50輛份，經過對其進行6個月的跟蹤，驗證了其耐壓、密封、老化等使用性能可完全滿足整車使用要求。

參考文獻

[1] 李尹熙.熱塑性彈性體及其在汽車上的應用[J].汽車工藝與材料， 2001，11：1-5.

[2] 呂東，陳濤，孟祥光，畢明昕.重型商用車發動機進氣管路強度分析[J].智能制造，2017，2：45-48.

[3] 徐忠亮.動態硫化熱塑性彈性體結構與性能研究進展[J].科學管理， 2019.6：377-380.

[4] 朱熠，滕騰.熱塑性彈性體在汽車行業的應用進展[J].材料應用， 2014.12：39-45.