姚春德;赵新峰;沈恩华;汤绪雯;张华
【摘 要】为研究甲醇汽油对汽车橡胶零部件的腐蚀和力学性能的影响,通过对几种现有车辆正在使用的橡胶元件进行甲醇汽油浸泡试验,观察橡胶元件形变随作用力的变化关系,并深入分析橡胶元件经过浸泡后变化的原因.结果表明,浸泡橡胶管的溶液析出的黑沉淀物包含有增强剂碳黑.由橡胶(NBR)+氯丁橡胶(CR)材料组成的橡胶管,和由三元氟橡胶(FKM)+编织层+氯醇橡胶(ECO)组成的橡胶管,受甲醇汽油中甲醇浓度影响较大,力学性能显著下降；多层PA12受掺入甲醇的影响较大,但对其掺入甲醇比例变化不敏感；甲醇汽油对气门油封无明显影响.%For studying the effect of methanol gasoline on the corrosion and mechanical properties of rubber parts in vehicles, an immersion test of several currently used rubber parts in methanol gasoline is conducted to observe the variation relationship between the deformation and acting force of rubber parts and to analyze the cause of change of rubber parts after immersion. The results show that the black precipitate of solution, in which rubber parts are immersed, contains carbon blaek; the rubber tube made of NBR + CR or F
KM + braided layer + ECO are rather significantly subjected to the effects of methanol concentration of methanol gasoline, leading to marked deterioration in mechanical performance; multi-layered PA12 is also greatly subjected to the effects of methanol but is not sensitive to the proportion of methanol added; while methanol has no apparent effects on the oil seals for intake and exhaust valves.
【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2012(034)010
【总页数】4页(P909-912)
【关键词】甲醇汽油;橡胶元件;力学分析
【作 者】姚春德;赵新峰;沈恩华;汤绪雯;张华
【作者单位】天津大学,内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;天津大学,内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;奇瑞汽车股份有限公司发动机工程研究院,芜湖241006;奇瑞
汽车股份有限公司发动机工程研究院,芜湖241006;奇瑞汽车股份有限公司发动机工程研究院,芜湖241006
【正文语种】中 文
前言
在我国甲醇主要是由煤制取，对于“富煤、贫油、少气”的能源国情，意义非常重大［1］。甲醇是无透明的含氧燃料，具有辛烷值高、C/H比小、层流火焰速度高、常规排放较好、理论混合气热值和汽油相近［2-4］等优点，可作为替代燃料用于汽油发动机。
在我国甲醇主要是与汽油掺混的方式用于汽车上，并且国家在2009年12月1日发布了《车用甲醇汽油M85》标准。但是，甲醇是一种有机溶剂，只含1个碳原子，具有极性羟基(OH)的含氧碳氢化合物。由于其具有极性，因此对汽车的某些橡胶部件具有溶胀作用。橡胶部件在汽车中是起密封和连接作用的，若一旦发生溶胀，不仅会影响材料的使用性能，而且容易导致燃料泄露，引起安全问题。因此，要使用甲醇燃料，一定要解决甲醇对橡胶件的溶胀问题。另外，对发动机其他橡胶部件，如气门油封等关键橡胶件，如受甲醇汽油腐蚀，
影响了零部件的力学性能，造成发动机烧机油，将会影响发动机寿命。国内关于甲醇汽油对汽车橡胶元件溶胀后的质量和体积的影响，已有不少的研究［5-7］，但是对其溶胀后的力学性能缺少一定的分析。本文中以现有整车供油系统的橡胶油管和发动机的气门油封作为在甲醇汽油中溶胀后的力学分析对象。
1 试验设备和方案
1.1 试验设备
试验汽油:93#汽油，M15甲醇汽油，M45甲醇汽油和M85甲醇汽油
试验对象:供油系统中的3种橡胶油管和气门油封，如图1所示。其材料分别为:1号管为内层橡胶(NBR)+外层氯丁橡胶(CR);2号管为内层三元氟橡胶管(FKM)+编织层+外层氯醇橡胶(ECO)，编织层主要是为了增强油管强度;3号管为尼龙管(PA12);气门油封型号为FP7510，材料为氟橡胶。
图1 需要浸泡的橡胶管路和气门油封
试验设备:量筒、容量瓶、镊子和电子万能试验机(CSS-44100型)。
1.2 试验方案
试验开始前，首先将供油管路依据材质的不同分为3组(分别为:管路1、管路2和管路3)。配制甲醇体积比为15%、45%和85%的3种甲醇汽油混合液。在室温下，分别将3组管路浸泡在汽油和3种比例甲醇汽油中，并密封保存15天。最后，将浸泡后的管路剖解成等长和等截面积的小段，用电子万能试验机测量浸泡过的管路的拉伸特性，试验中，电子试验机的拉伸速率设定为20mm/min。对于气门油封，同样放入纯汽油及甲醇体积比例为15%、45%和85%的3种比例甲醇汽油中，在室温下密封浸泡20天，定时观察其老化现象及油封和浸泡液的颜变化。将浸泡过的气门油封从浸泡液中取出，沥干，然后在电子万能试验机上进行压力试验，压缩速率设定为20mm/min，观察在施压后气门油封在压溃前的变形位移，以了解不同比例甲醇汽油对油封的力学特性的影响。由于甲醇汽油具有挥发性和分层现象，试验中对甲醇汽油进行定期更换。
2 试验结果和分析
2.1 橡胶管的浸泡结果和分析
发动机油封橡胶管在经过15天的甲醇汽油浸泡后，从外观上来看，橡胶管表面呈现黄。另外，观察浸泡溶液(图2)还发现，浸泡橡胶管后的甲醇汽油溶液颜普遍加深，甲醇的比例越高，溶液的颜越深。经过化学沉淀干燥后分析，检测到黑沉淀物成分主要为增强剂碳黑，说明橡胶管中的增强剂碳黑等被甲醇汽油溶液不同程度地析出了。
图2 浸泡后的溶液
燃油对橡胶的影响为:橡胶的耐某种燃料性主要取决于橡胶材料的结构和有机溶剂的化学性质，橡胶与溶剂的相互作用遵循相似相溶的原理，即认为与溶剂极性相近的橡胶容易溶解于该溶剂中，具有相似极性的溶液能溶解相同的溶质［8］。汽油中主要以正构烷烃为主，是非极性的，当加入甲醇后，混合燃料产生了极性，从分子间的相互作用的角度看，甲醇分子由于是极性小分子，首先浸入到橡胶分子链中，与链上的某些分子发生作用，从而削弱了橡胶分子之间的作用力，然后汽油分子再向其中扩散，甲醇和汽油分子综合作用，使橡胶管里的增强剂(碳黑)和防老剂等从橡胶管里析出来。从试验后所得液体燃料经过化学提取干燥，进行成分分析后可确认。碳黑主要作为橡胶材料的补强填充剂，以提高其物理机械性能。加入碳黑后，由于橡胶分子链缠绕在碳黑表面高2～3nm、宽3～5nm的尖锐棱角，
称为炭黑表面的“纳米结构”［9］，当管路受外力作用而产生形变时，橡胶靠炭黑表面的棱角结构对橡胶分子链活动范围的限制来抵御外力的作用［10］。而经过甲醇汽油浸泡过的橡胶管，碳黑从橡胶管中析出，减少了碳黑的补强作用，橡胶分子变得易滑动，外力的作用很容易使橡胶弹性体发生较大形变，伸长量增大，分子链间的内摩擦力增大，其滞后性增大，使得橡胶管变脆变硬，拉断力明显降低。
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