车用多层共挤尼龙管含水率对机械性能的影响

朱建，薛长鸣，罗英哲，张宸睿

上海亚大汽车塑料制品有限公司，上海 201708

0 引言

自20世纪60年代起，汽车行业相继实行了尾气排放法规以改善大气环境质量。随着环保法规日益严格，汽车轻量化技术是降低能耗、减少排放行之有效的措施。由于尼龙管路具有质量轻、成本低、材料可回收利用、环境友好等优势，在进气系统、燃油系统、制动系统得到广泛应用，近年来在新能源汽车冷却系统逐渐推广应用。环境中水分影响尼龙管机械性能，当车辆在南方高湿天气运行时，尼龙管路耐压性能会有所下降，有承压破裂风险;当车辆在沙漠等干燥环境下运行时，尼龙管路易受路面石子冲击破裂。李晖等研究表明吸水率对尼龙材料的弯曲强度、拉伸强度、缺口冲击强度有显著影响，吸水率增加导致拉伸强度衰减以及抗冲击性能提高。朱本玮等研究表明水分对PA66强度影响与环境湿度相关，相对湿度越大，PA66拉伸强度下降越大。马小丰等研究表明聚合物分子链低温条件下的活动性变小，由链段运动变为链节运动，弹性和韧性减弱，脆性易折严重影响了尼龙材料的低温使用性能。林博的研究表明随着浸水温度的升高，浸水时间的延长，尼龙材料的吸水率提高，冲击强度增大，拉伸强度降低。尼龙管车用环境工况多变，环境中水分对其耐压性能影响较大。一般对于力学性能要求较高的应用场景，采用长碳链尼龙或改性尼龙减少环境中水分的影响，同时为了满足材料渗透、介质相容性要求，多采用多层共挤技术尼龙管方案。例如：汽车燃油供给系统为了满足低燃油渗透率要求，选用EVOH作为阻隔层材料，广泛采用PA12-TIE-EVOH-TIE-PA12五层结构的多层管。

多层尼龙管设计同样需要充分考虑吸湿后强度与放湿后韧性衰减问题。文中着重研究了外层PA612多层尼龙管吸湿和放湿力学性能变化，确保管路在各湿度条件下的力学性能能够满足应用需求。

1 试验部分

1.1 试验样件

亚大自制多层共挤尼龙管，规格16×1.5，外层PA612，中间层EVOH，内层ETFE。

1.2 主要试验设备

含水率测试设备：C30型，METTLER TOLEDO公司；

室温爆破试验机：HBS-S-HLT-20型，深圳市弗赛特检测设备有限公司；

温度烘箱：CT6025PF型，重庆银河试验仪器有限公司。

1.3 含水率测试

截取管材，切成小块并擦干表面，放入水分含量分析设备样品槽，样品在105 ℃恒温条件下加热蒸发，直至蒸发水汽量趋于最小，不大于20 μg/min，具体测试方法参照ISO 15512中B2。

1.4 机械性能测试

室温爆破：将管材一端密封，另一端连接到设备，在试验室室温条件下向管材内部加压，加压速率为7 MPa/min，直至管材破裂。

2 试验结果讨论

2.1 车用多层尼龙管含水率变化的可逆性

多层尼龙管吸收空气中的水分，同时不断向空气中释放水蒸气。当吸湿大于放湿，整体表现为吸湿;当吸湿小于放湿，整体表现为放湿。含水率随时间变化关系如图1所示。由图可以看出，曲线2管材初始含水率高于曲线1管材初始含水率，同样放置在23 ℃、50%湿度环境中，曲线1表现为吸湿，曲线2表现为放湿，约600 h后，曲线1和曲线2含水率趋于稳定到达平衡状态。曲线2放湿到达平衡状态的含水率要高于曲线1吸湿到达平衡状态的含水率，存在吸湿含水率滞后现象。放湿时，无定型区酰胺基团与水分子已经形成氢键，不易脱水，因而保留了一部分水分子。多层尼龙管含水率高会向环境中释放水分，含水率低会从环境中吸收水分，吸湿和放湿是可逆的。但是，吸湿滞后性会导致多层尼龙管的含水率不能够完全恢复到先前吸湿平衡点。

图1 含水率随时间变化关系

2.2 车用多层管含水率变化对耐压性能影响

含水率与室温爆破压力的数值关系:

=10556-0135e3196

(1)

式中：为尼龙管室温爆破压力，MPa；

为含水率，%。

为0.984 6，管材爆破压力随着含水率的升高整体表现为降低。当含水率为0～0.6%，爆破压力无明显下降。在23 ℃、50%湿度条件下，吸湿到平衡含水率0.51%，说明23 ℃、50%湿度环境中，外层PA612多层尼龙管耐压性能基本不受影响。

爆破压力随含水率变化关系如图2所示。

图2 爆破压力随含水率变化关系

2.3 车用多层尼龙管室温吸湿耐压安全系数

尼龙管路车用工况环境湿度在0～100%范围内变化，管材长期处于吸湿和放湿状态，耐压性能处于波动变化。管材耐压性能主要与管材各层厚度以及各层材料力学性能有关。各层材料确定后，为了确保全湿度变化范围内，管材耐压性能满足使用需求，各层材料层厚设计尤为关键。

对于单层管，可以采用DIN 73378中的公式设计层厚。对于本文采用的多层共挤尼龙管，使用中径公式设计层厚。当径比不大于1.5，基于中径公式计算的耐压值与按Tresca全屈服压力得到的耐压值相差不大。基于中径公式，多层共挤管耐压性能按以下方公式计算：

(2)

式中：为管材耐压计算值，MPa；

为管材层序号；

为第层层厚，mm；

为第层材料强度，MPa；

为第层外径，mm。

依据公式(2)，23 ℃、50%湿度下，此次试验用的管材耐压计算值为9.5 MPa。

表1为23 ℃、50%湿度下各层材料的拉伸强度。

表1 23 ℃、50%湿度下各层材料的拉伸强度 单位:MPa

表2为管材室温爆破试验结果。由表2可知，放湿到平衡与计算值偏差1.12%，吸湿到平衡与计算值偏差5.16%，放湿到平衡与理论计算值接近;管材60 ℃水中浸泡772 h后，室温爆破压力平均值为6.76 MPa，最小值为6.71 MPa。耐压计算值是管材60 ℃水中浸泡772 h实测爆破值的1.4倍。

表2 管材室温爆破试验结果 单位:MPa

吸湿耐压安全系数计算公式为：

(3)

式中：为吸湿耐压安全系数；

为管材耐压计算值，MPa；

为瞬时压力峰值，MPa。

为了保证管路吸湿耐压性能安全，管路设计时，依据公式(3)，外层PA612多层尼龙管室温吸湿耐压安全系数取1.8～2。

3 结论

车用外层PA612多层共挤尼龙管吸湿或放湿过程，管材含水率出现变化，影响管路的耐压强度。研究结果为管路先期强度设计提供参考。通过分析，得到以下结论：

(1)吸湿和放湿过程是可逆的，不过含水率的变化存在吸湿滞后性，同温湿度环境，放湿后含水率不能够完全回复到吸湿后含水率水平。在一定程度上，吸湿滞后性导致多层尼龙管强度衰减。

(2)车用外层PA612多层尼龙管含水率升高，爆破压力则下降;含水率小于0.6%时，耐压性能基本不受影响。

(3)车用外层PA612低吸水率多层尼龙管常温吸湿耐压性能设计安全系数取1.8～2。