江雅珍 季伟 于勤勤 尹超

摘 要：热塑性弹性体材料既拥有类似塑料的可塑性，又具有类似橡胶的弹性，因此热塑性弹性体在汽车制造工业中得到迅速的发展。文章调研了全动态硫化型热塑弹性体（TPV）材料性能和应用现状，并对不同硬度等级的TPV进行了较为全面的性能测试，分析了其在进气系统中应用的可行性，同时将其在轻卡空滤器出气管路上进行了试用，结果表明其耐压、密封、老化等性能完全满足整车使用要求。

关键词：热塑性弹性体;进气管路;轻量化

中图分类号：U465  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）14-166-04

Abstract： Thermoplastic elastomer material has both plastic-like plasticity and rubber-like elasticity，therefore thermo -plastic elastomers have developed rapidly in the automobile manufacturing industry. This paper investigates the properties and application status of fully dynamic vulcanized thermoplastic elastomer （TPV） material， the TPV with different hardness levels were tested comprehensively， and the feasibility of application in the intake system was analyzed. At the same time， fully dynamic vulcanized thermoplastic elastomer （TPV） material was tested on the air line of the light truck air filter， the results show that its pressure resistance， sealing， aging and other properties fully meet the requirements of the vehicle.

Keywords： Thermoplastic elastomer; Intake line; Lightweight

CLC NO.： U465  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）14-166-04

前言

汽車轻量化是汽车行业应对环保压力，减少燃油消耗的重要举措之一，其中两个具有代表性的手段分别为非金属材料的广泛应用和集成化设计。在众多的非金属材料中，热塑性弹性体材料拥有良好的应用前景[1]。

本文通过对各车型进气管路使用要求以及对行业内TPV材料性能及应用现状进行调研之后，选择了两种TPV材料进行了性能测试，分析了其在卡车进气系统中的应用可能性。

1 热塑性弹性体材料分类及基本性能优势

热塑性弹性体（Thermoplastic Elastomer）即TPE是一种用热塑性塑料加工设备可以进行成形加工，但其性能却表现出橡胶一样的弹性材料。由于TPE密度小，容易回收利用，性能又介于塑料和橡胶之间，近年来在汽车制造工业中得到迅速的发展[2]。其中，全动态硫化型热塑性弹性体（TPV）性能与三元乙丙橡胶类似，是目前最重要也是发展最快、应用最广泛的TPE材料[3]。

热塑性弹性体根据硬相成分和软相成分的不同可以得到不同类型的热塑性弹性体，表1为不同类型的热塑性弹性体与橡胶胶管的特性比较。

综合表1可知，动态硫化型热塑性弹性体（TPV）的硬度范围、使用温度、压缩永久变形、耐天候性能是最接近三元乙丙橡胶（EPDM）的热塑弹性体材料，且具有一定的耐油性。

热塑性弹性体较橡胶成型工艺简单得多，同时可进行重复利用。相关资料统计，同样的零件采用TPE比采用橡胶生产效率可提高30%～100%，节约能耗10%～40%。同时其还具备轻量化，设计自由度大以及综合成本低等优点。

因此，本课题主要围绕全动态硫化型热塑性弹性体（TPV）替代EPDM制造进气系统胶管展开相关工作。

2 TPV热塑性弹性体在进气系统中的应用研究

2.1 发动机进气系统各段管路的使用条件及其对橡胶材料的要求

发动机的进气系统主要由进气道、空滤器、增压器、中冷器及其连接管路组成。其各段管路的典型工况如表2所示。

2.2 TPV材料概况

汽车行业是TPV材料最大市场，随着汽车产品对节能环保、轻量化、使用寿命等要求的不断提高，采用TPV材料替代传统的EPDM制造进气胶管、车身密封条、各类护套和防尘罩等零部件（如图2所示）的趋势越来越明显，尤其是在乘用车领域内。商用车领域TPV材料的应用推广相对较慢，但目前也已开始进气系统胶管上使用，如一汽解放、北汽福田等都已经或正在开发进气道波纹管等产品[4]。

3 TPV材料的性能测试

进气系统内波纹管或连接胶管多为薄壁中空结构，结构相对复杂，用TPV替代EPDM制造相关产品时吹塑工艺是最合适的成型方法。对于TPV，其吹塑加工性取决于连续相PP的比例，比例越高，软化态的型坯强度越大，吹塑成型性越好，因此较高的硬度更有利于吹塑成型，用于吹塑成型的TPV牌号，其硬度一般在邵氏A70以上。

对于TPV材料，现有的国家或行业性能标准只有HG/T 4903-2016《动态全硫化热塑性弹性体材料（TPV）》，虽然规定了TPV材料的强度性能、耐热老化性能、压缩永久变形等性能，但其耐热老化的试验温度仅为50℃，无法反映材料的加速老化性能，对耐低温性能也没有规定。因此，本次测试的试验条件和技术要求参照了M3236《热塑性弹性体TEV（全交联聚烯烃）供货技术条件》。

3.1 邵氏A70硬度级别测试结果

对国产厂家提供的邵氏A70级别的Microprene1064A测试结果如表3所示，其拉伸强度及其断裂伸长率均不符合M3236要求，与目前胶管EPDM胶料相比也偏低。耐135℃×70h热老化性能比较优异，试验后各项指标变化都在M3236要求范围内，硬度、拉伸强度变化较小。耐油测试的部分性能变化率虽然不满足M3236要求，但其耐油溶胀性（体积变化）等指标还是优于耐油性极差的EPDM。

3.2 邵氏A85硬度级别

对两厂家提供的邵氏A85硬度级别的TPV材料Santo -prene101-87A和Microprene1087A测试结果如表4所示。

该硬度下，两厂家TPV材料的强度、耐热、耐油性能均优于EPDM;虽然国产试样的耐热老化和耐3号油部分指标超出了M3226的要求，但与标准相差不大。进口试样TPV各项指标都在M3226要求的范围内，并且其材料的强度、耐热老化性能与国产比有较大优势。

3.3 邵氏D40硬度级别

对两厂家提供的邵氏D40硬度级别的TPV材料Santop -rene103-40D和Microprene1040D测试结果如表5所示。

该硬度下，两厂家提供的试样与M3236的要求都有一定差距。进口试样的耐135℃热老化性能优异，试验后各项指标变化较小。虽然其耐油性能超出标准要求，但与EPDM相比仍有很大提升;国产试样耐热老化和耐油性能都不符合标准要求。

4 TPV材料在进气系统内的应用分析

TPV可在-55℃至+120℃的温度范围内长期使用，最高可短时在+135℃下使用。较高硬度的TPV拉伸强度及其断裂伸长率更高，替代EPDM时可以进一步减小壁厚降低自重，尤其是进口Santoprene TPV材料，具有优异的强度、耐热老化性能。与EPDM相比，TPV的耐油性具有较大的优势，但与耐油性橡胶如丁腈橡胶（NBR）等相比，TPV耐油性较差，不能用于与油品持续接触的场合。

应用TPV替代EPDM完全可以满足进气系统内增压前各段管路的使用工况，主要包括进气道波纹管和连接胶管两类产品。与EPDM硫化工艺相比，采用TPV吹塑工艺制造波纹管或连接胶管产品，减少了配料、炼胶、硫化等工序，其生产效率可提高30%以上，节约能耗10%-40%。同时有利于原材料一致性控制，提升产品质量。

对于波纹管，硬度一般为邵氏A50-70，低硬度利于硫化后产品的脱模。但邵氏A50-70硬度范围的TPV的拉伸强度较低（约5至8MPa），若要达到EPDM拉伸强度约7-10MPa的要求，TPV硬度应该在邵氏A85以上。采用更高硬度等级的TPV，不仅有利于吹塑成型，还可以适当降低产品壁厚，减轻产品自重和降低材料成本。同时，由于产品刚性的提高，还可以取消其内部的PP支撑圈，减少一道装配工序以及相应的材料和人工成本。据了解，一汽解放、北汽福田都已开发了TPV波纹管产品，硬度级别大约邵氏A87至90。

对于增压前连接胶管，硬度一般为邵氏A60至70，由于减振和易装配的要求需要一定的柔韧性，用高硬度TPV轻量化替代时，需重新设计产品结构。目前，TPV吹塑的管径最大可做到300mm左右，但在超过200mm时内径难以控制，使用时不利于管路的整体密封，不适合用作空滤器出气端胶管。TPV连接胶管目前主要在乘用车、轻卡等车型上应用，重卡车型进气胶管外径一般都超过200mm，应用案例还比较少。

5 TPV在轻卡空滤器出气管路上的应用验证

我公司轻卡空滤器出气胶管，受发动机空间布置的限制，现为橡胶软管+金属管+橡胶软管三段式结构，输送介质为纯净空气，介质温度为-40至（40～50）℃，工作温度为-40至80℃，工作压力约-10kPa，胶管材质为EPDM（邵氏A60-70），通过模压硫化工艺成型，各段管路之间用卡箍连接，整个装配过程比较繁琐，如图3（a）所示。

若采用三维吹塑的工艺则可以一次性成型，可大量减少零件数量，简化繁琐的成型和装配工序。由于三维吹塑模具费用较高，目前只为销量较高的一种机型开发了TPV胶管。

根据表5显示的进口Santoprene103-40D 性能检验结果以及其与EPDM橡胶性能对比情况。分析对比材料性能以及使用工况，进口Santoprene103-40D使用温度为-60至135℃，可满足空滤器出气胶管使用工况;强度性能远高于EPDM，可通过适当减小壁厚实现产品轻量化;在（135℃×70h）下进行耐老化试验，试验后硬度变化、拉伸强度变化率、扯断伸长率变化率变化较小且均优于EPDM;尽管其耐油性能超出M3236标准要求，但与EPDM相比仍有很大提升，具備

一定的耐油性。因此，故选用了该材料进行空滤器出气胶管的试制和验证，产品内径约（110至115）mm，壁厚由约5mm减到2.5mm。与EPDM胶管相比，虽然材料硬度有所提升，但通过管体中部的波纹段可保证整个管体的柔韧性和减振性。

TPV材质新结构的空滤器出气管如图3（b），通过优化设计取得了较好的轻量化效果，产品自重由1.7kg降低到了0.6kg，降重约65%。同时，由于零件数量减少、简化成型工艺，综合成本降低了约30%。

目前，该产品已进行试装50辆份，经过对其进行6个月的跟踪，验证了其耐压、密封、老化等使用性能可完全满足整车使用要求。

参考文献

[1] 李尹熙.热塑性弹性体及其在汽车上的应用[J].汽车工艺与材料， 2001，11：1-5.

[2] 吕东，陈涛，孟祥光，毕明昕.重型商用车发动机进气管路强度分析[J].智能制造，2017，2：45-48.

[3] 徐忠亮.动态硫化热塑性弹性体结构与性能研究进展[J].科学管理， 2019.6：377-380.

[4] 朱熠，滕腾.热塑性弹性体在汽车行业的应用进展[J].材料应用， 2014.12：39-45.