橡胶在交通运输中的应用

橡胶在交通运输行业中的主要应用领域仍为汽车工业,主要用作轮胎、门窗密封条、胶管、减振制品、防尘罩、胶带、油封、皮碗、皮膜等。同时,诸如密封、胶管、胶带等在其他交通运输工具中也有广泛的应用。此处仅以橡胶在汽车工业中的应用为例进行介绍。
    橡胶占汽车用材料总质量的5%,每辆车上多达400~500 个橡胶件。随着环保和汽车多样化,橡胶的再生利用、耐热性以及进一步降低成本已成为汽车橡胶发展的主要课题。新型弹性体材料,如热塑性弹性体、高饱和丁腈橡胶在汽车上取得了长足的发展,其在汽车上用量已占汽车橡胶总消耗量的20~50%(除轮胎)。汽车上大量使用氟胶、硅胶、丙烯酸酯橡胶等高档胶和耐热弹性体仍是汽车橡胶发展的主流方向。

我国汽车工业对橡胶材料的需求量。

汽车轮胎方面,橡胶材料的使用目标为进一步推广汽车轮胎子午化,西欧已全部实现轮胎子午化,而我国子午化水平仅为40%。随着轮胎使用条件的提高,冬季防滑轮胎、超低滚动阻力轮胎、安全轮胎、双胎面花纹轮胎将进一步得到推广应用,其发展方向是节能、高速、稳定、轻量化、耐久性。为了节能,橡胶材料应具有滚动阻力小即高反弹性,然而轮胎高速稳定性却要求材料具有高耐蠕变即低反弹性,因此最近开发的末端改性的S-SBR材料有可能满足上述矛盾的性能要求。一般来说,胎面使用E-SBR、S-SBR、NR、异戊橡胶IR、胎体使用NR、聚丁二烯橡胶BR、IR等胶。节能性和安全性较好的硅橡胶和S-SBR 胶配合的轮胎材料也在研究开发中。
    汽车密封制品占汽车橡胶件质量的25~28%(除轮胎)。近来,具有耐臭氧、耐气候老化的EPDM胶广泛用于制造汽车门窗密封条,并逐步取代传统的NR和CR 胶。每辆轿车上平均使用40m长的各种密封条。由于热塑性弹性体材料具有着色和再生利用方便的特点,同时为了降低成本和保持美观,国内外厂商开始使用热塑性弹性体材料制造汽车门窗密封条。
    汽车工业中油封材料多用丁腈、氢化丁腈、丙烯酸酯橡胶耐油材料。由于耐热性能的提高,特殊橡胶如对氟橡胶的要求和品种日益扩大。
    汽车工业中各种胶管的使用量很大,根据其装配使用的位置有不同的要求,如耐油性、耐弯曲性、减振性以及耐热性能等,因此其材料种类也较多,如CR、NBR/PVC、EPDM、ECO(均聚氯醚橡胶)、ACM等橡胶。最近,为了降低成本和满足轻量化,开始使用TPO及TPEE,而且在形状设计方面充分考虑其制品的减振特性。水用软管有散热器软管、加热器软管, 大多使用SBR、EPDM胶。随着发动机室环境温度的提高,开始使用过氧化物硫化EPDM橡胶。制动软管一般使用SBR橡胶。近来,为了满足耐热性的要求和耐老化性,开始推广使用EPDM或EPDM/IIR橡胶,其使用量将会扩大。润滑油在车上使用的周边环境温度越来越高,抗氧剂等各种填加剂加入量也增加。NBR橡胶虽然具有优异的耐油性,但在有些抗氧填加剂中发生硬变,因此开始使用具有耐各种填加剂性能极好的ACM橡胶以及具有耐热和耐油性很好的氟橡胶。动力软向软管一般情况下,内皮用NBR,外皮用CR,但随温度和填加剂的变化,开始使用氢化丁腈HNBR/氯磺化聚乙烯CSM材料制造的软管。燃油管一般使用NBR橡胶,随着电子喷射装置的应用以及含氧元素燃料的增加,开始使用FPM、HNBR、CSM等橡胶。也可以使用内外皮不同的材料,外皮材料可用EPDM、TPO等材料。汽车空调用软管,随着空调介质由CFC-12转换成HFC-134a,而且压缩机润滑油也由矿物油转为PAG(聚烷撑二醇)润滑油,也从NBR橡胶转换成PA/EPDM共混改性材料。为了耐PAG润滑油,软管做成4层复合管,每层材料从内到外分别是PA/IIR/聚酯/EPDM。IIR材料耐水渗透性好。
    汽车用减振制品如缓冲块、胶垫、胶板等一般为NR和SBR材料。随着耐热性要求的提高,部分产品使用了EPDM,但其动态特性和耐久性不及NR,因此仍以NR为主。在理想的缓冲块材料还没有找到情况下,目前开始使用封入硅油的减振块,基本上能够满足现代汽车的防振要求。
    汽车防尘罩最重要的是要求材料耐候性好,而且根据使用部位需要耐屈折、耐油、耐磨。等速万向节一般用耐候的CR材料,但随耐热性要求的提高,欧美和日本部分车上开始使用TPEE。TPEE材料能够满足耐候、耐油、耐热的要求,同时可实现轻量化的目的。

汽车用胶带如V型传动带、齿型带材料要求强力高、模量大、热稳定性好。传统的材料是10 橡胶,但因其耐热性界限为110℃,因此近来开始使用耐热、耐久的HNBR橡胶。HNBR橡胶的耐热性比CR高40℃,其寿命也比CR橡胶长2倍。
    汽车用橡胶制品的需求量。

预计2010 年我国汽车年产量将达到600 万辆, 其中轿车约400 万辆。届时全国汽车保有量将达到4800万辆。橡胶材料在汽车生产中被用来制作轮胎、软管、皮带、密封条、油封圈及缓冲件等, 其中轮胎是最重要的部件之一, 约占汽车用橡胶量的60% 左右。
    预计2010 年, 汽车工业对橡胶轮胎的需求为9857万套, 轮胎所用乳聚丁苯橡胶及丁基橡胶,国内产量较低,不能全部满足需要;另外, 汽车门窗、密封条及软管需要使用耐候性好的三元乙丙橡胶,但国内只有少量生产;同步带、多楔带使用的氯丁橡胶、聚酯纤维及尼龙包布,国内产品质量尚不过关,无法满足汽车不断增加的需求。预计到2010 年,汽车工业所需各种橡胶为52107 万吨。
    汽车工业要求所采用的橡胶轮胎行驶里程不低于10万公里,要保证橡胶配件可在-54℃~135℃的空气或-40℃~149℃的油中能长期使用,因此,除了常用的丁腈橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶外,汽车工业越来越多的采用硅橡胶、氟橡胶、丙烯酸酯橡胶、氯醚橡胶等特种橡胶。

近年来,硅橡胶在汽车上的应用逐渐增多,一辆汽车有几百个硅橡胶制件,如在引进的奥地利Steyr(K29)重型汽车上,硅橡胶的用量为1.9kg/辆,上海桑塔纳轿车有机硅密封胶每年用量达16吨。硅橡胶在汽车上的主要用途是:利用单组分室温硫化(RTV-1)硅橡胶作密封,如发动机油盘(油底壳)和变速箱密封、桥壳结合密封、发动机阀盖罩密封、汽缸垫丝网印刷微密封、轿车前灯和尾灯组件的封装、风挡玻璃的密封,以及制作各种橡胶制件,如进气歧管连接防护橡胶围、离心机油滤清器O型圈、汽缸与曲轴O型圈等。
    氟橡胶在汽车动力系统中的应用主要包括曲轴密封、阀杆密封、水泵密封、传动密封、垫片(供油泵,摇杆盖);用于气缸内衬的O型圈;散热控制系统的零件;后轴齿轮密封。由于其良好的耐热性、耐油性、耐燃性、耐放射性性,氟橡胶也广泛的用作航空航天器的O形圈、旋转轴密封件、液压连接环软管、电气接线柱、电缆涂饰等用途。
    聚硫橡胶密封胶在航空工业密封材料中,作为飞机整体油箱、座舱和机身结构的密封,直升飞机旋翼防水密封等;在汽车工业密封材料中,作为汽车风挡玻璃密封剂、汽车顶棚搭接处密封、汽车底盘密封、车灯及后窗密封等。船舶工业密封剂中,航空母舰飞行甲板密封、扫雷舰双层板的粘接密封、游艇木制甲板和纤维玻璃钢的密封等;铁路运输业密封剂中,作为地下铁道防水密封剂,与环氧村脂并用做铁轨粘接密封、机车风挡玻璃及车窗中空玻璃粘接密封等;此外,在高速公路及机场跑道伸缩缝的联接密封、河道和贮水池及游泳他的混凝土接缝密封、管道密封、桥板伸缩缝的联接密封等也广泛地应用。
    传统的汽车制件及密封垫片使用耐油、耐热的合成橡胶,其典型产品为丁腈橡胶和氯丁橡胶。由干长期使用温度以120℃为限,不适合现代车辆的耐热要求。丙烯酸酯橡胶目前可达到在175℃下长期使用,也有在-25℃或-35℃下使用的耐寒型或超耐寒型产品。国外从上个世纪70年代起已开始将丙烯酸酯橡胶用于汽车工业,制造各种骨架封件、油冷器或加热器垫片、“O”型圈、“Y”型油封及油盘和轴承密封件。同目前汽车工业中仍使用的丁腈橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶相比,在耐热及耐油性能方面,丙烯酸酯橡胶优于丁腈橡胶、硅橡胶和氯丁橡胶,稍次于氟橡胶,但丙烯酸酯橡胶加工时不需要二次硫化就可改进其使用性能,并能减少混练、硫化加工对橡胶辊筒及模具的腐蚀,因此在其加工工艺性能、物理力学性能和价格方面优于氟橡胶。使用实践表明,丙烯酸酯橡胶制品在汽车上的应用,可明显改善汽车的运行状况,能有效地减少汽车故障的发生,同时也可减轻污染,保护环境和延长汽车寿命。
    除了在汽车工业上的应用外,丙烯酸酯橡胶还可用来制造飞机、摩托车等交通工具上使用的各种橡胶输油管、密封垫片、变速箱油封等部件。在电缆生产和施工中,丙烯酸酯橡胶可用作高压电力电缆及在地下埋设电缆的护套材料和堵水材料。
    氯醚相交作为特种橡胶,综合性能较好,广泛用于汽车、飞机及各种机械的垫圈、密封圈、“O”形圈、隔膜等。

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