热反射耐热涂层在橡胶零件的应用
热反射耐热涂层在橡胶零件的应用
摘 要：热氧老化是橡胶最常见的失效原因之一，降低橡胶的环境温度，能提高橡胶的使用寿命。
热反射耐热涂层有极好的辐射热反射性能，能有效的降低热辐射对橡胶的影响，从而降低橡胶的内部温度，另外热反射涂层还能提高橡胶的高温耐疲劳性能、耐臭氧性能等。
汽车发动机排气系统中，排气管持续的辐射热，使周围环境温度较高，开展热反射涂层的应用研究，对高温环境下的橡胶应用，有重要的指导作用。
关键词：热反射涂层 HRC 橡胶 热氧老化 辐射热
热反射耐热涂层(简称HRC)有极好的辐射热反射性能，从而能降低物体内的温度。
目前对热反射涂层的应用研究较多，如在隔热玻璃、建筑外墙等方面的应用[1～2]，但很少有在橡胶表面的.应用研究。
本文主要研究HRC涂层在汽车辐射热系统中橡胶零件上的应用。
橡胶常见的老化模式有热氧老化，液体腐蚀老化，臭氧老化等，其中高温热老化是橡胶失效最主要原因[3]，因此，降低橡胶使用环境温度，能有效提高橡胶的寿命。
作为高分子弹性体，橡胶使用温度受主链分子内部结构决定，表1中橡胶使用温度是目前行业内比较认可的范围，要想通过配方提高其最高使用温度比较困难。
在整车开发过程中，当零部件材料确定后，主要是通过改善橡胶件温度场来延长其使用寿命。
汽车橡胶零件使用中，降低橡胶件温度场的方法，除了本文介绍的HRC涂层方案外，传统的方法还有：加隔热罩、更改风向、更改布置等，其优缺点对比见表2。
由表2可以看出，相比其他几种方案，HRC涂层易实施，不受空间限制，与常用的隔热罩相比，更有明显的减重效果。
因此，开展HRC涂层在橡胶零件上的应用研究，对汽车用橡胶在高温下应用有非常重大的意义。
1 HRC涂层对橡胶性能的影响研究
HRC由于其优异的热反射性能，能有效的降低辐射热下橡胶内部温度，提高橡胶耐疲劳性能。
另外，HRC涂层还能提高耐臭氧性能、耐液体性能等。
1.1 HRC对辐射热下橡胶内部温度影响的分析
整车排气系统中，排气管是重要的热源(如排气管预催表面，温度800 ℃～900 ℃)，其周围受到该热源辐射热的影响，环境温度均较高。
将橡胶件固定在排气管附近(约10 mm)，进行温度场试验验证，测试各工况下达到平衡后，橡胶件表面及内部温度。
橡胶外表面温度是长期辐射热平衡状态下该零件的环境温度，橡胶内部温度是测试HRC涂层中距表面约3～5 mm处的温度。
HRC热反射性能越好，达到平衡后内外温差越大。(图1，图2)
最后一个工况(怠速)中，吊耳内外温度均较低，没有实际考察意义外，其余工况中，达到平衡后，吊耳内外温差均较大。
其中第1种工况吊耳外温度最高(140℃)，内部温度降低最大(35 ℃);第13种工况吊耳外温度最低(103 ℃)，内部温度降低也较少(18 ℃)。
从以上结果可以看出，HRC涂层能有效降低辐射热对橡胶内温度的影响。
一般来说，辐射热越大，温度越高，HRC作用越明显。
2.2 HRC对橡胶件的高温疲劳性能影响
大多数橡胶件的热氧老化，不是在单一条件下完成，而是在在多种环境共同作用下进行的[4]。
高温疲劳老化，能有效模拟橡胶在综合环境下的老化性能。
将两组NR橡胶衬套置于100 ℃的高温箱中，载荷500±1200 N，频率5 Hz。
其中一组橡胶衬套为左右均不涂HRC的NR橡胶衬套，一组橡胶衬套为左橡胶衬套涂有HRC涂料，右橡胶衬套不涂HRC涂料。
测试150万次后橡胶衬套的变化情况。(图3)
试验后发现，没有涂层的橡胶衬套在100万次的时候，R角处就出现裂纹、脱胶等现象，而涂有耐热涂层的的橡胶衬套，到150万次的时候，仍没有裂纹和边缘破损。
具体结果如图4，图5。
从以上结果可以看出，HRC涂层能有效提高橡胶件在高温下的耐疲劳性能。
1.3 HRC对橡胶件耐臭氧性能影响
除热氧和高温疲劳外，臭氧也是橡胶老化的重要影响因素之一。
臭氧老化主要表现在橡胶表面，橡胶长时间和空气接触后，空气中的臭氧会和橡胶中双键发生反应，造成橡胶表面皲裂。
特别是在力的作用下，橡胶表面更易开裂老化。
HRC涂层，对橡胶有较好的表面保护作用，能阻隔空气中的臭氧和橡胶的接触，从而能提高橡胶的耐臭氧老化性能。
图6为橡胶件的臭氧老化后图片，可以看出，在臭氧浓度50×10-8下，拉伸20%，温度40 ℃的臭氧老化箱中，橡胶件放置70 h后表面出现开裂，而涂有HRC的橡胶件，在70 h后表面完好。
2 工艺介绍
HRC喷涂工艺主要分为：零件前处理、HRC喷涂、后处理几部分。
喷涂设备比较简单，主要是在生产线产品末端(产品硫化完后)加喷涂枪和产品固定装置。(图7)
该工艺和橡胶零件喷涂编码类似，但HRC喷涂关系到零件产品性能，其要求和过程控制更为严格。
3 结论
随着发动机涡轮增压系统的出现，发动机动力更加强劲，同时也导致前舱温度场的提高。
高温是橡胶老化失效最主要的原因之一，因此，这直接影响这一区域橡胶件的使用。
橡胶的最高使用温度，都有确定的范围。
在胶种确定的情况下，通过HRC涂层，能有效降低辐射热对橡胶的影响，降低橡胶内部温度，从而提高橡胶使用寿命。
另外，HRC涂层，还能有效提高橡胶高温耐疲劳性能、耐臭氧性能、耐液体疲劳性能等。
HRC喷涂工艺设备简单，如果量大的情况下，逐一喷涂对生产效率还是有一定影响。
对橡胶行业，HRC喷涂技术还属于崭新领域，缺乏相应的人才和经验，这些无疑影响其大规模的应用。
另外，HRC涂料价格较贵，是目前HRC涂层推广最大的难题。
相信随着技术的深入发展、涂料价格的不断下降等，HRC涂层技术必将在汽车橡胶零件上大量使用。
参考文献
[1] 侯翠红.红外反射涂料在玻璃上的隔热效果研究[J].郑州大学学报，2007，28(2).
[2]谢厚礼.复合外墙隔热涂料的制备和隔热性能研究[J].涂料工业，2001，41(3).
[3]王思静.橡胶老化机理与研究方法进展[J].合成材料老化与应用，2009，38(2)：23.
[4]牟传文.防震橡胶及其应用[M].中国铁道出版社，1982，10：29.
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