汽車用PA66冷卻軟管開發

張松峰 孫琦岳 孟玲玲 朱熠 黃憶南 麻文濤

（中國第一汽車集團有限公司研發總院，長春 130013）

1 前言

隨著節能減排和“雙碳”政策的提出和推進，新能源汽車的滲透率將進一步提升，純電動和混合動力汽車將進一步發展。作為新能源汽車的重要系統部件，電機、電池和電驅動系統的冷卻是整車企業關注的重點。當前，三電系統的冷卻主要以水冷為主，冷卻溫度＜80℃，這使得尼龍水管在新能源汽車冷卻系統中得到大量應用[1]。尼龍水管材料主要以PA12、PA612、PA11等長鏈尼龍材料為主，相比傳統的橡膠水管和金屬水管，尼龍水管具有輕量化、剛性好、容易布置、保溫性能優異的特點[2]。然而，PA12、PA612、PA11等長鏈尼龍材料的生產技術主要掌握在外國企業手中，國內無成熟的生產企業，同時材料價格昂貴、資源短缺、生產工藝復雜，因此開發尼龍水管用長鏈尼龍材料的替代材料具有非常重要的實際意義。

PA66材料是一種廣泛應用于汽車零部件、工程機械制造、儀器儀表、家具家電等行業的工程塑料，由于分子鏈中具有強極性的酰胺基團，基團之間廣泛形成的氫鍵使得PA66材料成為一種高結晶型聚合物，這也賦予了其優異的耐熱性、耐腐蝕性和物理力學性能。同時PA66材料的原材料易得且價格低廉，因此是尼龍水管用長鏈尼龍材料最適合的替代材料。然而，酰胺基團是較強的親水性基團，大量聚酰胺基團的存在，使得PA66材料在與冷卻液接觸時容易發生吸水變形和水解反應，同時PA66材料的韌性差，擠出成型性較差[3]。因此，針對PA66材料進行改性，解決上述問題是打破國外壟斷、實現成本降低最便捷有效的途徑之一。

PA66材料的分子鏈構成決定了其具有容易吸水、韌性差、易水解等缺點，隨著材料改性技術的發展，很多科研人員通過共聚改性、共混改性和填充改性來提升PA66材料的綜合性[4]。共混改性具有改性工藝簡單、效果明顯、改性材料種類多等優勢，因此被認為是上述3種改性方法中最簡單有效的改性方法。本文通過共混改性技術對PA66材料進行了耐水解和柔韌性的改性，研究了改性材料的基本物理性能和耐水解性，通過現有的尼龍管擠出生產線對PA66材料進行了擠出軟管的試制，成功開發了PA66汽車冷卻水管。

2 耐水解柔性PA66材料的開發

耐水解柔性PA66材料的開發是以PA66為主體材料，通過加入增韌劑和耐水解劑進行共混改性，進而提高了材料的韌性和耐水解性。增韌劑采用POE和POE-g-MAH的組合，采用特定質量配比的POE和POE-g-MAH能夠很好地發揮協同作用。POE材料是一種性能非常優異的增韌劑，但其與PA66材料的相容性較差，通過添加POE-g-MAH一方面可以增加POE的含量進一步增韌PA66，另一方面POE-g-MAH作為較好的相容劑可以使POE和PA66材料充分共混，從而使聚酰胺材料兼具良好的韌性和可擠出性。耐水解劑選用具有N=C=N基團的材料，N=C=N基團具有非常強的反應活性，可以與PA66材料體系中的端羧基、端羥基及水分子優先反應，避免了水分子及微量酸與PA66分子鏈的接觸，降低了催化分解反應發生的概率，同時，其與PA66分子鏈的端氨基、端羧基反應可以形成交聯網絡，對水分子具有阻隔作用，從而提高材料的耐水解性。在材料體系中還加入了抗老化劑、加工助劑和其它助劑，進一步提高了材料的綜合性能。

2.1 PA66改性材料的物理性能

根據改性過程中增韌劑、耐水解劑以及其它助劑的添加比例不同，開發了6種PA66改性材料，針對6種改性材料進行了基本的物理性能檢驗，具體性能檢驗結果見表1。

表1 開發的耐水解柔性PA66材料的物理性能

物理性能檢驗方法參照了3項國家標準，分別是GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的測定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》、GB/T 1040.2—2022《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》、GB/T 1043.1—2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分：非儀器化沖擊試驗》。

通過表1可以看出，6種改性材料的簡支梁無缺口沖擊強度均為無斷裂，這與純PA66材料相比，韌性有了較大的提高，證明共混改性的開發方案可以較好地提高材料的韌性。同時，在6種PA66改性材料中，PA66-6的拉伸強度和拉斷伸長率較其它改性材料低，因此不是最佳方案；PA66-2、PA66-5和PA66-6的簡支梁缺口沖擊強度均＜50 kJ/m2，說明其韌性仍然不足；其余的3種PA66改性材料，即PA66-1、PA66-3和PA66-4的密度、拉伸強度、拉斷伸長率3項指標基本一致，并且拉伸強度均＞30 MPa，同時簡支梁缺口沖擊強度也均＞50 kJ/m2，說明這3種材料的基本物理性能滿足冷卻水管的使用要求。

2.2 PA66改性材料的耐水解性能

耐水解性能是作為汽車冷卻水管材料最基本、最重要的性能之一，冷卻液與高溫的疊加工況容易使PA66材料發生水、醇解反應。表1所示的6種材料分別添加了不同比例的耐水解劑，以期達到理想的耐水解效果。針對6種材料的耐水解性進行了長時間耐冷卻液老化性試驗，驗證結果分別見圖1和圖2。耐水解性能試驗采用的是國標1A型樣條，在100℃的冷卻液（美孚-45℃防凍冷卻液）中浸泡一定的時間，每隔48 h取樣，按GB/T 1040.2—2022進行拉伸試驗，一共進行了528 h的試驗。

圖1 PA66改性材料耐冷卻液老化后拉伸強度變化

圖2 PA66改性材料耐冷卻液老化后斷裂伸長率變化

從圖1、圖2中可以看出，每種PA66改性材料在試驗的前100 h內均出現了拉伸強度的降低，而斷裂伸長率則先增大后降低，然后趨于穩定。這是由于PA66材料在進行干濕態轉換的過程中，韌性變大、硬度降低，從而導致拉伸強度降低、拉斷伸長率增大。表2列出了經過528 h的耐冷卻液試驗后6種PA66改性材料的拉伸強度和斷裂伸長率的變化率，材料性能變化率越小越能滿足長期使用要求的，綜合2項指標的結果，6種材料中PA66-3的耐冷卻液性相對較好。

表2 PA66改性材料耐冷卻液老化后性能指標變化率

通過材料基本物理性能與耐水解性能的綜合驗證，最終選擇了PA66-3作為試制用材料，進一步研究PA66改性材料的成型工藝和軟管性能。

3 PA66軟管成型工藝及性能研究

3.1 PA66軟管擠出工藝

使用常用的長鏈尼龍管擠出生產線對PA66改性材料進行了軟管擠出試制。軟管擠出具體涉及到如下8個步驟：原材料烘干、喂料、熔融塑化、口模擠出、定型、冷卻、牽引、切割，而后得到冷卻軟管，具體生產工藝流程見圖3所示。

圖3 軟管擠出生產工藝流程

擠出工藝參數見表3所示，PA66材料的特性是容易吸水，經過改性可以使其吸水性降低，為了進一步確保少量水對軟管擠出成型的影響，在喂料前增加了材料烘干處理，然后對擠出成型過程中的擠出機溫度、牽引速度等參數進行調整，最終成功試制了PA66擠出軟管（圖4）。PA66改性材料的熔點為250℃，分解溫度可達到300℃以上，因此，理論上的擠出溫度控制在250～300℃之間即可。擠出溫度高有助于熔體流動性的提高，從而使分子鏈移動速度快，分子鏈更大程度的處于無序狀態，從而使其在冷卻過程中結晶度低，有助于軟管韌性的提高；但當溫度過高時，部分分子鏈會發生斷裂降解，影響擠出軟管的力學性能。因此通過工藝試驗及分析，最終將擠出機各區溫度確定在260～290℃之間，法蘭、機頭和模具溫度控制在275℃左右。牽引速度對軟管擠出的工藝性能也有較大影響，牽引速度過快，對應擠出速度快，軟管容易出現橘皮現象（圖5），牽引速度慢則影響生產效率，通過工藝試驗，最終確定牽引速度為10～20 m/min。

圖5 PA66擠出管的橘皮現象

表3 擠出工藝參數

3.2 PA66軟管性能

針對試制的PA66擠出軟管進行了軟管性能檢驗，其中檢驗樣品為裝配相應規格快插接頭的PA66軟管（圖4b），檢驗方法和指標采用了行業常用的長鏈尼龍管檢驗方法，具體檢驗結果見表4所示。

圖4 PA66擠出軟管

從表4可以看出，PA66軟管的各項指標值均可以滿足當前汽車行業對長鏈尼龍管的要求。其室溫爆破強度可以達到2.68 MPa，耐冷卻液后的爆破強度仍＞1.81 MPa，證明其可以完全滿足冷卻水管工況對壓力的要求。快插接頭是尼龍管常用的連接方式，其具有安裝便捷、密封性好等優勢，PA66軟管與快插接頭的裝配拔脫力在室溫下可以達到680 N，在100℃的高溫條件也能達到282 N，這遠大于行業對長鏈尼龍管的要求，證明PA66軟管具有較好的裝配性能。整車的振動工況使尼龍冷卻水管需要滿足一定的低溫柔韌性要求，從表4可以看出，PA66軟管的低溫彎曲性能可以滿足行業指標值，證明其具有優異的低溫柔韌性。耐真空度性反映了PA66軟管的高剛性，從表4的檢驗結果可以看出，PA66軟管的耐真空度性完全滿足行業指標要求。

表4 PA66軟管性能

綜上可見，PA66軟管的性能達到了當前汽車行業對長鏈尼龍管的要求，說明其滿足整車應用的基本條件。

4 結束語

隨著汽車電動化的發展趨勢，新能源汽車將逐漸普及應用，其對汽車冷卻軟管的工況需求也發生了較大變化，主要在如下方面：冷卻軟管實際使用溫度降低，最高溫度將由燃油車的＞100℃降低到80℃以下；長續駛里程對整車輕量化的需求增加，質量較大的橡膠管將逐漸被替代；整車降低成本的需求將進一步加大。與長鏈尼龍軟管相比，開發的PA66軟管性能滿足要求，同時還可以實現材料成本降低40%以上，這使PA66軟管在未來汽車冷卻管路方面的應用將具有廣闊的前景。