专利名称：用具对位芳族聚酰胺纤维之复合绳增强的软管的制作方法
技术领域：
本发明涉及用具对位芳族聚酰胺纤维之复合绳增强的软管，所述软管具有高耐爆破压力和良好的体积膨胀性，适合用作动力转向管。
背景技术：
近年来，随着汽车工业的迅速发展，软管被广泛地应用于多种汽车部件以供传输带压液体或气体，例如，机动车散热器和加热器软管、空调软管、刹车软管和动力转向管等。 通常这些软管组件包括一层管芯层、一层或多层的增强层、和在所述增强层上至少一层的外覆层。所述增强层通常采用人造纤维或钢丝材料的线绳形成，这些线绳以针织、机织、编织或螺旋缠绕在所述管芯层上来增加软管的耐压性。所述软管的管芯层和外覆层通常采用热塑性树脂或是由弹性基材形成。对于低压至中压软管，通常采用聚酯、尼龙、人造丝或维尼纶(Vinylon)纤维作为所述的增强层材料。对于高压或超高压软管，则使用具有高强度的纤维，例如，对位芳族聚酰胺和钢丝等。但是用于动力转向管(一种高压油管)的增强层材料却优选使用尼龙纤维。因为动力转向管在受压的初始阶段，尼龙纤维所形成的增强层可藉管体的膨胀来缓解瞬间升高的内压。SAE J188规定，I型的动力转向管需满足最小3cc/f00t和最大8cc/f00t的体积膨胀要求；II型的动力转向管需满足最小Scc/foot和最大17cc/f00t的体积膨胀要求。美国专利申请2008/0314470公开一种适用于动力转向的软管，所述软管包含管芯层、外覆层、和一层纤维增强层，但不排除多于一层增强层之结构；所述软管采用耐高温的热塑性树脂作为其管芯层和外覆层的材料，而用于增强层的优选纤维则是3600旦的尼龙纤维。但是，由于动力转向管同时需要满足耐高压要求，一层尼龙纤维的增强层无法满足这种耐高压要求，结果工业上的实际应用只得使用至少两层的尼龙纤维层以达到耐高压要求。SAE J188标准规定，动力转向管需要采用两层纤维编织结构的增强层以满足41. 4MPa 的耐爆破压力要求。美国专利US7，614，公开了动力转向管采用了两层由尼龙或聚酯编织形成的增强层。其他例如美国专利US4，273，160和US6，631，742也公开了类似地使用两层纤维增强层的动力转向管。从功能的角度来说，两层纤维增强层常发生负荷转移的问题。如果两层纤维增强层的材料与编织方式完全一样，内层通常比外层承受较多的负荷，而外层只发挥了其50% 的功效。为了解决负荷转移的问题，美国专利US5，660，210公开了使用具有不同性质的两层纤维增强层，其中内层比外层更易伸展，由此使得负荷能够被转移到外层。美国专利 US4, 273，160公开了类似的技术方案。但是这些技术方案会增加材料上的处理和生产难度。 此外，为保证两层增强层能够平均分担负荷需要采取非常严苛的工艺参数。在许多情况下，在两层纤维增强层之间还需要一层中间橡胶层，使纤维与橡胶之间有较好的粘结，并减少两层纤维层之间的相互磨损，由此增加软管的使用寿命。但是再增加一层橡胶层显然增加原材料和生产的成本、以及生产工艺的难度，所得到的软管也变得
更加厚重。软管例如动力转向管若采用单层纤维增强层比起用双层纤维增强层的优势在于不涉及负荷转移的问题、节省生产成本、和简化生产工艺。但是，仅使用高强度的纤维，例如对位芳族聚酰胺、或钢丝等形成软管的单层纤维增强层，所获得的软管虽然满足耐爆破压力的要求，然而却无法满足体积膨胀性的要求。因此现有技术至今无法提供仅有单层纤维增强层的软管作为动力转向管、并同时达到工业上对其耐爆破压力和体积膨胀的要求。
发明内容
本发明提供一种软管，其包括至少一层管芯层、至少一层外覆层、和位于管芯层和外覆层之间的单层纤维增强层，所述纤维增强层包含由至少一股对位芳族聚酰胺纤维和至少一股断裂伸长率大于等于15%的高伸长纤维捻合在一起形成的复合绳，所述复合绳的加捻系数为4. 5-12 ；所述软管的管芯层和外覆层由弹性基材形成。由于本发明采用由至少一股对位芳族聚酰胺纤维和至少一股高伸长纤维捻合在一起形成的复合绳来构成所述的纤维增强层，使得所制得的软管只采用单层纤维增强层就能同时满足工业上对动力转向管的耐爆破压力和体积膨胀的要求。所获得的软管的耐爆破压力范围为大于等于41. 4MPa,体积膨胀范围在8. 97MPa的内压下为3-17cc/f00t。本发明的软管可以理想地用作动力转向管。
图1是本发明的软管的一个实施方式的立体剖视图；图2是本发明的软管的一个实施方式的立体剖视图；图3-图5是本发明的软管的一个实施方式中纤维增强层的示意图；图6-图8是本发明的软管的几种实施方式中纤维增强层中复合绳的结构示意图。
具体实施例方式除非另外说明，本发明提到的所有的出版物、专利申请、专利和其它参考文献都以引用的方式全文结合入本文中，相当于全文呈现于本文。除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域普通技术人员通常所理解的同样含义。在抵触的情况下，以本说明书包括定义为准。除非另外说明，所有的百分数、份数、比例等都以重量计。当以范围、优选范围、或者优选的数值上限以及优选的数值下限的形式表述某个量、浓度或其它值或参数的时候，应当理解相当于具体揭示了通过将任意一对范围上限或优选数值与任意范围下限或优选数值结合起来的任何范围，而不考虑该范围是否具体揭示。除非另外指出，本文所列出的数值范围旨在包括范围的端点，和该范围之内的所有整数和分数。在本文中，术语“由……形成“或“由……构成”等同于“包含/包括”。本文中所用的术语“包括”、“包含”、“具有”、“有”“含有”或它们的任意其他变体，是意图包括非排它性的包含。例如，包含一系列要素的组合物、过程、方法、制件或设备并不一定只限于那些要素， 而是还可以包括没有明确列出的或者这些组合物、过程、方法、制件或设备所固有的其他要素。而且，除非明确表示相反含义，否则，“或”是指包含“或”而非排它性的“或”。例如，以下任何一条件都满足条件A或B :A为真(或存在)且B为假(或不存在)，A为假(或不存在)且B为真(或存在)，以及A和B都为真(或存在)。除非有另外的说明，本发明的材料、方法和实施例仅仅是示例性的，而非限制性的。虽然在本发明的实施或测试中可以采用类似于或等同于本文所述的那些方法和材料， 但本说明书下文已描述了合适的方法和材料。本发明的软管包括至少一层管芯层、单层的纤维增强层、和至少一层外覆层。图 1-图2表示了本发明的一个实施方式中的软管的立体剖视图，其中1表示软管、2表示管芯层、3表示纤维增强层、4表示外覆层、10表示纤维增强层中的复合绳。本发明的软管采用了单层的纤维增强层，所述纤维增强层包含由至少一股对位芳族聚酰胺纤维和至少一股断裂伸长率大于等于15%的高伸长纤维捻合在一起形成的复合绳，所述复合绳的加捻系数为4. 5-12。在本申请中，术语“芳族聚酰胺纤维”是指由酰胺键或酰亚胺键连接芳香族基团所构成的线型高分子经纺丝制得的纤维，其中至少85%的酰胺键或酰亚胺键直接与两个芳环相连接，且当存在酰亚胺键时，其数目不超过酰胺键。在本发明中，对复合绳中所使用的对位芳族聚酰胺纤维没有特别的限制。优选一股对位芳族聚酰胺纤维的线密度范围为200-3500旦，更优选600-2000旦；断裂强力范围为 18-28克力/旦；和/或断裂伸长率范围为1. 5-5. 0%。所述复合绳优选含有1-10股、更优选1-5股对位芳族聚酰胺纤维。典型的对位芳族聚酰胺纤维例如但不限于由杜邦公司生产的Kevlar 系列纤维。在本发明中，所述高伸长纤维是指具有大于等于15%的断裂伸长率，优选具有 15-40%的断裂伸长率的任何合适的纤维。所述的高伸长纤维优选是至少一种选自聚酯、尼龙和间位芳族聚酰胺纤维的纤维。优选一股高伸长纤维的线密度范围为200-3500旦，更优选500-2000旦；断裂强力范围为3-10克力/旦；和/或断裂伸长率范围为15-40%，更优选18-35%。所述复合绳优选含有1-10股、更优选1-5股高伸长纤维。典型的高伸长聚酯纤维例如但不限于由Performance Fibers公司生产的聚酯纤维。典型的高伸长尼龙纤维包括尼龙6与尼龙66纤维，可购自下述制造厂商，例如但不限于神马公司和Kordsa公司。典型的高伸长间位芳族聚酰胺纤维例如但不限于由杜邦公司生产的Nomex 和由帝人公司生产的Twaron 。在本申请中，术语“旦”或“旦尼尔”(denier)是指在9000米未加捻的纤维所具有重量的克数。通常旦数越大，其纤维越粗。由多股纤维组成的股线，其旦数是所含多股纤维的总和。例如，一根由3股1500旦的纤维合并在一起之后捻合而得的股线，即算为一根 4500旦的股线。不过，实际上通过加捻，该股线的单位长度内的重量会比4500旦略高。术语“捻合在一起”是指构成复合绳的至少一股经初捻的对位芳族聚酰胺纤维和至少一股经初捻或未初捻的高伸长纤维复捻而形成的结构。术语“初捻”是指构成复合绳的各股纤维各自的加捻过程；术语“复捻”是指构成复合绳的所有纤维合并在一起之后形成复合绳的加捻过程。为避免混爻，当构成复合绳的至少一股的高伸长纤维或股线虽未经初捻(即无捻)，其与至少一股经初捻的对位芳族聚酰胺纤维合并在一起之后，形成复合绳的加捻过程仍称为“复捻”。在初捻阶段，当使用两股以上对位芳族聚酰胺纤维时，各股对位芳族聚酰胺纤维可以分别加捻或合并在一起之后加捻；当使用两股以上高伸长纤维时，各股高伸长纤维可以均不加捻、分别加捻或合并在一起之后加捻。所述复捻的方式包括的一种方式是使构成复合绳的至少一股经初捻的对位芳族聚酰胺纤维和至少一股经初捻或未初捻的高伸长纤维合并在一起之后捻合，视所述对位芳族聚酰胺纤维与高伸长纤维的线密度、股数、捻度差，可形成结构例如如图6-图8所示的复合绳。在图6-图8中，10表示复合绳、100表示对位芳族聚酰胺纤维、200表示高伸长纤维。所述复合绳中对位芳族聚酰胺纤维和高伸长纤维的初捻的捻度可以相同或不同， 初捻的方向可以相同或不同；复合绳的复捻的方向通常与对位芳族聚酰胺纤维的初捻方向相反。术语“捻度”是指纤维或股线在一米长度内所具有的捻数(twist per meter, TPM), 其单位为捻/米。在本发明所述的复合绳中，对位芳族聚酰胺纤维的初捻的加捻系数(twist multiplier, TM)为4. 5_12，优选5-8. 5 ；高伸长纤维的初捻的加捻系数为0_12 ；复合绳的加捻系数为4. 5-12，优选5-8. 5。对于比重相同的纤维之加捻系数，例如本发明的对位芳族聚酰胺纤维或高伸长纤维的初捻而言，其计算方式如下
权利要求
1.一种软管，其包括至少一层管芯层、至少一层外覆层、和位于管芯层和外覆层之间的单层纤维增强层，所述纤维增强层包含由至少一股对位芳族聚酰胺纤维和至少一股断裂伸长率大于等于15%的高伸长纤维捻合在一起形成的复合绳，所述复合绳的加捻系数为 4. 5-12 ；所述软管的管芯层和外覆层由弹性基材形成。
2.如权利要求1所述的软管，其中所述复合绳中每股所述的对位芳族聚酰胺纤维满足下述至少一种条件线密度为200-3500旦，断裂强力为18-28克力/旦，和断裂伸长率为1.5-5.0%。
3.如权利要求1所述的软管，其中所述的复合绳中每股所述的高伸长纤维满足下述至少一种条件线密度为200-3500旦，断裂强力为3-10克力/旦，和断裂伸长率为15-40%。
4.如权利要求1或3所述的软管，其中所述高伸长纤维为一种或多种选自聚酯、尼龙和间位芳族聚酰胺纤维的纤维。
5.如权利要求1所述的软管，其中所述复合绳的加捻系数为5-8.5。
6.如权利要求1所述的软管，其中所述的复合绳中所述至少一股对位芳族聚酰胺纤维占复合绳总重量的30-80%，所述至少一股高伸长纤维占复合绳总重量的20-70%。
7.如权利要求1或6所述的软管，其中所述的复合绳由至少一股对位芳族聚酰胺纤维和至少一股聚酯纤维捻合而成，其中所述至少一股对位芳族聚酰胺纤维占复合绳总重量的 50-80%,所述至少一股聚酯纤维占复合绳总重量的20-50%。
8.如权利要求1或6所述的软管，其中所述的复合绳由至少一股对位芳族聚酰胺纤维和至少一股间位芳族聚酰胺纤维捻合而成，其中所述至少一股对位芳族聚酰胺纤维占复合绳总重量的30-70%，所述至少一股间位芳族聚酰胺纤维占复合绳总重量的30-70%。
9.如权利要求1或6所述的软管，其中所述的复合绳由至少一股对位芳族聚酰胺纤维和至少一股尼龙纤维捻合而成，其中所述至少一股对位芳族聚酰胺纤维占复合绳总重量的 35-75 %，所述至少一股尼龙纤维占复合绳总重量的25-65 %。
10.如权利要求1所述的软管，其中所述的复合绳任选地在其至少部分表面涂覆有粘合剂。
11.如权利要求1所述的软管，其中所述的复合绳任选地在形成所述的纤维增强层之前经热处理，热处理的温度为100-250°c，热处理的时间为1-120分钟。
12.如权利要求1所述的软管，其中所述纤维增强层由所述的复合绳通过针织、编织、 和/或螺旋缠绕工艺而形成。
13.如权利要求1所述的软管，其中用于所述管芯层和外覆层的弹性基材各自独立地选自天然橡胶、聚氨酯/脲弹性体、氯丁橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氯化聚乙烯、三元乙丙橡胶、AEM聚合物、氯磺化聚乙烯类聚合物、丙烯酸酯类聚合物、硅橡胶和氟化弹性体， 或上述任何两种或多种的组合物。
14.如权利要求1所述的软管，其耐爆破压力范围为大于等于41.4MPa，体积膨胀范围在 8. 97MPa 的内压下为 3_17cc/foot。
15.如权利要求1或14所述的软管，其是动力转向管。
16.一种软管组件，其包括如权利要求1或14所述的软管、套在其两端的软管连接器与卡箍。
17.如权利要求16所述的软管组件，其是动力转向管组件。
全文摘要
本发明涉及用具对位芳族聚酰胺纤维之复合绳增强的软管，所述软管包括至少一层管芯层、至少一层外覆层、和位于管芯层和外覆层之间的单层纤维增强层，所述纤维增强层包含由至少一股对位芳族聚酰胺纤维和至少一股高伸长纤维捻合在一起形成的复合绳。本发明的软管具有高耐爆破压力和良好的体积膨胀性。
文档编号B32B27/02GK102563236SQ2010106131
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者施骏捷, 黎学东 申请人:杜邦公司