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熱反射耐熱涂層在橡膠零件的應用
熱反射耐熱涂層在橡膠零件的應用
摘 要：熱氧老化是橡膠最常見的失效原因之一，降低橡膠的環境溫度，能提高橡膠的使用壽命。
熱反射耐熱涂層有極好的輻射熱反射性能，能有效的降低熱輻射對橡膠的影響，從而降低橡膠的內部溫度，另外熱反射涂層還能提高橡膠的高溫耐疲勞性能、耐臭氧性能等。
汽車發動機排氣系統中，排氣管持續的輻射熱，使周圍環境溫度較高，開展熱反射涂層的應用研究，對高溫環境下的橡膠應用，有重要的指導作用。
關鍵詞：熱反射涂層 HRC 橡膠 熱氧老化 輻射熱
熱反射耐熱涂層(簡稱HRC)有極好的輻射熱反射性能，從而能降低物體內的溫度。
目前對熱反射涂層的應用研究較多，如在隔熱玻璃、建筑外墻等方面的應用[1～2]，但很少有在橡膠表面的應用研究。
本文主要研究HRC涂層在汽車輻射熱系統中橡膠零件上的應用。
橡膠常見的老化模式有熱氧老化，液體腐蝕老化，臭氧老化等，其中高溫熱老化是橡膠失效最主要原因[3]，因此，降低橡膠使用環境溫度，能有效提高橡膠的壽命。
作為高分子彈性體，橡膠使用溫度受主鏈分子內部結構決定，表1中橡膠使用溫度是目前行業內比較認可的范圍，要想通過配方提高其最高使用溫度比較困難。
在整車開發過程中，當零部件材料確定后，主要是通過改善橡膠件溫度場來延長其使用壽命。
汽車橡膠零件使用中，降低橡膠件溫度場的方法，除了本文介紹的HRC涂層方案外，傳統的方法還有：加隔熱罩、更改風向、更改布置等，其優缺點對比見表2。
由表2可以看出，相比其他幾種方案，HRC涂層易實施，不受空間限制，與常用的隔熱罩相比，更有明顯的減重效果。
因此，開展HRC涂層在橡膠零件上的應用研究，對汽車用橡膠在高溫下應用有非常重大的意義。
1 HRC涂層對橡膠性能的影響研究
HRC由于其優異的熱反射性能，能有效的降低輻射熱下橡膠內部溫度，提高橡膠耐疲勞性能。
另外，HRC涂層還能提高耐臭氧性能、耐液體性能等。
1.1 HRC對輻射熱下橡膠內部溫度影響的分析
整車排氣系統中，排氣管是重要的熱源(如排氣管預催表面，溫度800 ℃～900 ℃)，其周圍受到該熱源輻射熱的影響，環境溫度均較高。
將橡膠件固定在排氣管附近(約10 mm)，進行溫度場試驗驗證，測試各工況下達到平衡后，橡膠件表面及內部溫度。
橡膠外表面溫度是長期輻射熱平衡狀態下該零件的環境溫度，橡膠內部溫度是測試HRC涂層中距表面約3～5 mm處的溫度。
HRC熱反射性能越好，達到平衡后內外溫差越大。(圖1，圖2)
最后一個工況(怠速)中，吊耳內外溫度均較低，沒有實際考察意義外，其余工況中，達到平衡后，吊耳內外溫差均較大。
其中第1種工況吊耳外溫度最高(140℃)，內部溫度降低最大(35 ℃);第13種工況吊耳外溫度最低(103 ℃)，內部溫度降低也較少(18 ℃)。
從以上結果可以看出，HRC涂層能有效降低輻射熱對橡膠內溫度的影響。
一般來說，輻射熱越大，溫度越高，HRC作用越明顯。
2.2 HRC對橡膠件的高溫疲勞性能影響
大多數橡膠件的熱氧老化，不是在單一條件下完成，而是在在多種環境共同作用下進行的[4]。
高溫疲勞老化，能有效模擬橡膠在綜合環境下的老化性能。
將兩組NR橡膠襯套置于100 ℃的高溫箱中，載荷500±1200 N，頻率5 Hz。
其中一組橡膠襯套為左右均不涂HRC的NR橡膠襯套，一組橡膠襯套為左橡膠襯套涂有HRC涂料，右橡膠襯套不涂HRC涂料。
測試150萬次后橡膠襯套的變化情況。(圖3)
試驗后發現，沒有涂層的橡膠襯套在100萬次的時候，R角處就出現裂紋、脫膠等現象，而涂有耐熱涂層的的橡膠襯套，到150萬次的時候，仍沒有裂紋和邊緣破損。
具體結果如圖4，圖5。
從以上結果可以看出，HRC涂層能有效提高橡膠件在高溫下的耐疲勞性能。
1.3 HRC對橡膠件耐臭氧性能影響
除熱氧和高溫疲勞外，臭氧也是橡膠老化的重要影響因素之一。
臭氧老化主要表現在橡膠表面，橡膠長時間和空氣接觸后，空氣中的臭氧會和橡膠中雙鍵發生反應，造成橡膠表面皸裂。
特別是在力的作用下，橡膠表面更易開裂老化。
HRC涂層，對橡膠有較好的表面保護作用，能阻隔空氣中的臭氧和橡膠的接觸，從而能提高橡膠的耐臭氧老化性能。
圖6為橡膠件的臭氧老化后圖片，可以看出，在臭氧濃度50×10-8下，拉伸20%，溫度40 ℃的臭氧老化箱中，橡膠件放置70 h后表面出現開裂，而涂有HRC的橡膠件，在70 h后表面完好。
2 工藝介紹
HRC噴涂工藝主要分為：零件前處理、HRC噴涂、后處理幾部分。
噴涂設備比較簡單，主要是在生產線產品末端(產品硫化完后)加噴涂槍和產品固定裝置。(圖7)
該工藝和橡膠零件噴涂編碼類似，但HRC噴涂關系到零件產品性能，其要求和過程控制更為嚴格。
3 結論
隨著發動機渦輪增壓系統的出現，發動機動力更加強勁，同時也導致前艙溫度場的提高。
高溫是橡膠老化失效最主要的原因之一，因此，這直接影響這一區域橡膠件的使用。
橡膠的最高使用溫度，都有確定的范圍。
在膠種確定的情況下，通過HRC涂層，能有效降低輻射熱對橡膠的影響，降低橡膠內部溫度，從而提高橡膠使用壽命。
另外，HRC涂層，還能有效提高橡膠高溫耐疲勞性能、耐臭氧性能、耐液體疲勞性能等。
HRC噴涂工藝設備簡單，如果量大的情況下，逐一噴涂對生產效率還是有一定影響。
對橡膠行業，HRC噴涂技術還屬于嶄新領域，缺乏相應的人才和經驗，這些無疑影響其大規模的應用。
另外，HRC涂料價格較貴，是目前HRC涂層推廣最大的難題。
相信隨著技術的深入發展、涂料價格的不斷下降等，HRC涂層技術必將在汽車橡膠零件上大量使用。
參考文獻
[1] 侯翠紅.紅外反射涂料在玻璃上的隔熱效果研究[J].鄭州大學學報，2007，28(2).
[2]謝厚禮.復合外墻隔熱涂料的制備和隔熱性能研究[J].涂料工業，2001，41(3).
[3]王思靜.橡膠老化機理與研究方法進展[J].合成材料老化與應用，2009，38(2)：23.
[4]牟傳文.防震橡膠及其應用[M].中國鐵道出版社，1982，10：29.
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