CN110461586B - 高压紧凑的螺旋液压软管 - Google Patents

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Abstract

软管(100)包括从其中穿过限定中心纵向轴线(102)的内管(104)，并且由硫化橡胶和多个与该中心纵向轴线(102)基本上平行取向的棒状颗粒、以及其他典型材料形成。该内管(104)具有在约0.5mm至约1.5mm之间的管壁厚度(t)，并且将该多个棒状颗粒以按重量计10％或更少的量掺入。该软管(100)进一步包括直接围绕该内管(104)的结系层(110)，围绕该结系层(110)的第一增强层(130a)，以及围绕该第一增强层(130a)的至少第二增强层(130b)。中间层(150a)***在该第一增强层(130a)与该第二增强层(130b)之间，并且该中间层(150a)将该第一增强层(130a)粘合到该第二增强层(130b)上。外侧覆盖层(140)围绕该第二增强层(130b)以及任何附加的层。

Description

高压紧凑的螺旋液压软管
技术领域
本披露总体上涉及的领域是用于低、中、或特别是高压应用的柔性橡胶软管，并且更特别涉及其具有紧凑的设计的构造。
背景技术
本部分提供背景信息以便于更好地理解本披露的各个方面。应当理解，本文件的此部分中的陈述将从这个角度阅读，并且不作为承认现有技术。
柔性橡胶软管在各种液压流体传输应用和其他流体传输应用中使用用于输送流体压力，用于“高”压应用的这些流体压力的范围通常为从约4000psi(28MPa)至8000psi(55MPa)或更大。在基本构造中，本文典型地涉及的类型的软管被成形为具有被编织的或螺旋卷绕的增强材料的一个或多个外层围绕的管状的内管或芯，该增强材料可以是金属丝或金属合金丝或者天然纤维或合成纤维。增强层进而由围绕的最外层护套或覆盖层保护，该最外层护套或覆盖层可以具有与内管相同或不同的材料。该覆盖层还提供了具有增加的耐磨性的软管。
在相对于热塑性塑料的“橡胶”软管构造的情况下，内管可以提供为由可硫化天然橡胶材料、或更典型地合成橡胶材料(如丁腈橡胶或氯丁橡胶)形成。可以将此种材料或共混物常规地挤出并冷却或固化以形成内管。在一些情况下，管可以在心轴上十字头挤出用于支撑，或者以其他方式在随后的成形操作中使用空气压力和/或降低的加工温度来支撑。
内管可以从挤出机输送通过编织机和/或螺旋卷绕机以用于用丝和/或纤维材料或共混物，如单丝、纱线、帘线、纱线-丝复合材料、或粗纱的一个或多个围绕层对其增强。此类增强层经常在张力下施加并且典型地可以由尼龙、聚酯、聚亚苯基苯并双噁唑、聚乙酸乙烯酯或芳族聚酰胺纱线或高拉伸钢或其他金属丝的交织编织或螺旋卷绕形成。可硫化橡胶的相对薄的粘合中间层或其他中间层可以在每个增强层之间挤出或以其他方式施加以将每一层粘合到下一层。
在增强层和中间层的编织、卷绕、或其他施加之后，任选地可以施加外覆盖层或护套。可以形成为十字头挤出物、湿气固化的或基于溶剂的浸渍的涂层、或螺旋卷绕的包裹物的此种覆盖层典型地包含耐磨的合成橡胶、或热塑性塑料如聚氨酯。在该覆盖层的施加之后，加热如此形成的软管构造以使橡胶层硫化并且由此将该构造固结成一体的软管结构。
在正常使用中，如在移动或工业液压应用中，本文涉及的类型的软管可以暴露于不能总被预测的各种环境因素和机械应力。对于软管的完整性和性能最重要的是使得在其构成零件之间实现强粘合。然而，虽然将这些零件粘合在一起是重要的，但同样重要的是不使软管过硬以致于使其易于扭结或疲劳，或者以其他方式可用于某些应用。
当前的紧凑的螺旋软管设计使用多层材料。软管通常以橡胶内管开始，并且纺织编织物或纱罗织物的层覆盖该管，这阻止丝的末端在螺旋过程期间穿透该管。橡胶结系胶(tie gum)覆盖纺织编织物或纱罗织物以发展管与丝的第一层之间的粘附性，并且将丝的多个层围绕着软管螺旋卷绕，其中橡胶摩擦层在丝的每个层之间施加。最后软管被耐候且耐磨的橡胶的外层覆盖。因此，常规的内管化合物需要纺织编织物或纱罗织物以在丝螺旋过程期间保护柔软的未固化的管。纺织编织物或纱罗织物在螺旋丝过程期间防止丝的末端穿透到生坯管中。此保护性层对于制造此类软管是昂贵的增加的成本和过程。
因此，希望的是具有以较少的步骤用较少的材料制造的并且展现出化学特性和物理特性的严格平衡的软管。事实上，随着软管的商业应用继续增加，据信软管构造的改进将在许多行业中深受欢迎。尤其希望的将是柔性且轻质，还在各种移动和工业应用中耐外部应力的构造。
发明内容
提供本发明内容以便介绍在下面的具体实施方式中进一步说明的概念的选择。本发明内容不旨在鉴别所要求保护的主题的关键或本质特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
在本披露的第一方面，软管包括从其中穿过限定中心纵向轴线的内管，并且由硫化橡胶和多个与中心纵向轴线基本上平行取向的棒状颗粒、以及其他典型材料形成。该内管具有在约0.5mm至约1.5mm之间的管壁厚度(t)，并且多个棒状颗粒以基于该内管的总重量按重量计10％或更少的量，或甚至以基于该内管的总重量按重量计从1％至7％的量掺入。该软管进一步包括直接围绕该内管的结系层、围绕该结系层的第一增强层、以及围绕该第一增强层的至少第二增强层。中间层***在该第一增强层与该第二增强层之间，并且该中间层将该第一增强层粘合到该第二增强层上。外侧覆盖层围绕该第二增强层以及任何附加的层。
在一些方面中，软管具有壁厚度(T)，并且管壁厚度t包括小于约25％的软管壁厚度。在一些情况下，硫化橡胶包括丙烯腈丁二烯橡胶(NBR)、氢化NBR(HNBR)、交联NBR(XNBR)、或其共聚物及其共混物。形成内管的橡胶可以具有至少约1100psi的模量以及至少约2900psi的拉伸强度。
在一些方面中，第一增强层和第二增强层中的每一个是螺旋卷绕的。第一增强层可以沿第一卷绕方向螺旋卷绕，并且第二增强层可以沿与第一卷绕方向相反的第二卷绕方向螺旋卷绕。在一些情况下，第一增强层以相对于纵向轴线的正角铺设，并且第二增强层以相对于纵向轴线的负角铺设。第一增强层和第二增强层之一的角度可以在约45°与65°之间，并且第一增强层和第二增强层中的另一个的角度在约-45°与-65°之间。第一增强层可以包括第一金属或金属合金丝的一根或多根长丝，并且第二增强层线包括与第一金属或金属合金丝相同或不同的第二金属或金属合金丝纤维的一根或多根长丝。
在一些情况下，软管具有由内管限定的内径，并且其中该内径在从约6mm至约51mm之间，并且该软管的额定工作压力可以为从约28MPa至约55MPa。
多个棒状颗粒可以选自碳颗粒、芳族聚酰胺颗粒以及液晶聚合物颗粒中的一种或多种，并且包含在多个棒状颗粒中的颗粒可以具有从约1.5mm至约5mm的平均长度以及从约5至约7微米的平均直径。
在本披露的另一方面，软管包括从其中穿过限定中心纵向轴线的内管，并且由硫化橡胶和多个与中心纵向轴线基本上平行取向的棒状颗粒、以及其他典型材料形成。该多个棒状颗粒以基于该内管的总重量按重量计10％或更少的量掺入，其中包含在该多个棒状颗粒中的颗粒具有从约1.5mm至约5mm的平均长度以及从约5至约7微米的平均直径。该软管进一步包括直接围绕该内管的结系层、围绕该结系层的第一增强层、以及围绕该第一增强层的至少第二增强层。中间层***在该第一增强层与该第二增强层之间，并且该中间层将该第一增强层粘合到该第二增强层上。外侧覆盖层围绕该第二增强层以及任何附加的层。该内管的轴向模量可以高于该内管在与该中心纵向轴线的垂直方向上的模量。
该多个棒状颗粒可以选自碳颗粒、芳族聚酰胺颗粒、以及液晶聚合物颗粒中一种或多种。该硫化橡胶可以包括丙烯腈丁二烯橡胶(NBR)、氢化NBR(HNBR)、交联NBR(XNBR)、或其共聚物及其共混物。
在本披露的又另一个方面，软管包括从其中穿过限定中心纵向轴线的内管，并且包括硫化的氢化丙烯腈丁二烯橡胶和多个与中心纵向轴线基本上平行取向的棒状颗粒、以及其他典型材料。该多个棒状颗粒以基于该内管的总重量按重量计10％或更少的量掺入。该软管进一步包括直接围绕该内管的结系层、围绕该结系层的第一增强层、以及围绕该第一增强层的至少第二增强层。中间层***在该第一增强层与该第二增强层之间，并且该中间层将该第一增强层粘合到该第二增强层上。外侧覆盖层围绕该第二增强层以及任何附加的层。该多个棒状颗粒可以选自碳颗粒、芳族聚酰胺颗粒、以及液晶聚合物颗粒中一种或多种。包含在该多个棒状颗粒中的颗粒可以具有从约1.5mm至约5mm的平均长度以及从约5至约7微米的平均直径。
附图说明
以下将参照附图描述本披露的某些实施例，其中相似的附图标记表示相似的元件。然而，应当理解，附图展示了本文描述的各种实施方式并且不旨在限制本文所描述的各种技术的范围，并且：
图1以透视图展示了根据本披露的一些方面的软管；并且，
图2以截面视图描绘了根据本披露的一些方面的在图2中展示的软管。
具体实施方式
以下变体说明本质上仅仅是说明性的，并且决不旨在限制本披露的范围、其应用或用途。本文中呈现描述和实例仅为了阐明本披露的不同实施例的目的，并且不应被解释为对本披露的范围和适用性的限制。在本披露的发明内容和此具体实施方式中，每个数值应该一次被读作由术语“约”修饰的那样(除非已经明确地被如此修饰)，并且然后再次读作如没有被如此修饰的那样，除非在上下文中另外指明。此外，在本披露的发明内容和该具体实施方式中，应当理解，列出或描述为有用的、合适的等的浓度或量或值范围意图是在该范围内的全部浓度或量或值(包括端点)被认为是已经进行了陈述的。例如，“从1至10的范围”将被读为指示沿着在约1与约10之间的连续体的每一个可能的数字。因此，即使在该范围内的特定数据点，或者甚至没有在该范围内的数据点被明确地指明或仅仅是指几个特定点，应当理解，诸位发明人领会且理解，在该范围内的任何和所有数据点被认为是已经被指定的，并且诸位发明人拥有整个范围和在该范围内的所有点。
除非明确相反地说明，否则“或”是指包括性的或并且不是排他性的或。例如，通过以下任意一种情况都可以满足条件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与B均为真(或存在)。
此外，使用“一个/一种(a/an)”用来描述本文实施例的元件和部件。这样做仅仅为了方便起见，并且给出根据本披露的概念的一般含义。此说明应被解读为包括一个/种或至少一个/种，并且单数还包括复数，除非另有说明。
本文中使用的术语和词组是为了描述的目的并且不应被解释为在范围上的限制。语言诸如“包括(including)”、“包含(comprising)”、“具有(having)”、“含有(containing)”或“涉及(involving)”及其变体旨在是广泛的并且包括其后列出的主题、等效物、和未被列出的附加主题。
此外，如本文所使用的，对“一个(one)实施例”或“一个(an)实施例”的任何提及意味着在至少一个实施例中包括与该实施例有关所描述的具体元件、特征、结构或特性。在说明书中的不同地方出现的短语“在一个实施例中”不一定是指同一个实施例。
出于说明目的，本文涉及的紧凑的橡胶软管构造的方案与构形结合描述为特别适用于高压(即在约4000-8000psi之间(28-55MPa))移动或工业液压应用中。然而，应当理解，本披露的方面可以找到以其他软管构造用于各种或一般的液压或其他流体输送的用途。因此在那些此类其他应用内的使用应该被认为明确在本披露的范围内。
现在参照附图，其中相应的附图标记用于在几个视图中指定相应的元件，其中等效元件用主要或顺序的字母数字标记表示，根据本披露的代表性软管构造总体上在100处以图1的剖视图和图2的径向截面视图示出。在基本尺寸中，软管100沿中心纵向轴线102轴向延伸到无限长度，并且在图2的径向截面视图中具有分别以“Di”和“Do”表示的选定的内径和外径。内径和外径尺寸可以根据所涉及的特定流体输送应用而变化，但通常对于许多高压液压应用，将为对于内径Di在约0.25-2英寸(6-51mm)之间，以及对于外径Do在约0.5-3英寸之间(13-76mm)，其中在其之间的总壁厚度“T”为从约0.12至约0.5英寸(3-13mm)。
如在图1和图2的不同视图中可以看出，软管100被构造为围绕管状内层(即内管或芯104)形成的，该软管管状内层可以为单层或多层构造，并且通常包括硫化橡胶。在任一构造中，内管104具有圆周外芯管表面106以及圆周内芯管表面108，这限定了软管100的内径Di。壁厚度在外芯管表面106与内芯管表面108之间限定，如在图2的截面视图中以“t”表示。可以在约0.02-0.05英寸(0.5-1.25mm)之间的此种厚度t可以是提供所需压力额定值和溶剂、气体和/或液体渗透阻力所必需的最小值。其中如所述，对于许多尺寸的软管100，软管100的总壁厚度T是在约0.12-0.5英寸(3-13mm)之间，因此管壁厚度t可以包括小于约25％的壁厚度T，其余部分由增强层和粘合层、以及任何覆盖层组成，这些对于软管来满足尺寸、所希望的压力额定值和/或适用的工业标准是所必需的。设置在内管104上的是围绕内管104的结系层110。
内管或芯104进一步包括多个夹杂于其中的棒状颗粒，并且其与内管104的中心纵向轴线102基本上平行取向。在一些方面中，多个棒状颗粒以基于内管的总重量按重量计10％或更少的量掺入，或甚至以基于内管的总重量按重量计从1％至7％的量掺入。在一些情况下，棒状颗粒可以具有从约1.5mm至约5mm的平均长度以及从约5至约7微米的平均直径。然而，棒状颗粒的任何合适的尺寸均在本披露的精神和范围内。
当与不具有此类棒状颗粒的内管相比时，形成棒状颗粒的材料可以选自提供显著增加的材料模量特性的材料。此类棒状颗粒的一些非限制性实例包括但不限于碳颗粒或石墨颗粒、聚芳酰胺颗粒、基于液晶聚合物的颗粒等。碳颗粒或石墨颗粒具有一起键合成晶体的碳原子，这些晶体大致与棒状颗粒的长轴线平行排列，因为该晶体排列给予颗粒高强度与体积比率(使得其在其尺寸下牢固)。碳颗粒的特性，如高刚度、高拉伸强度、轻重量、高耐化学性、耐高温度性以及低热膨胀在制造一些根据本披露的软管实施例以及此类软管的性能两者中提供益处。
液晶聚合物(LCP)材料的非限制性实例是从仓敷株式会社(Kuraray Co.,Ltd)可获得的
Figure BDA0002214237530000071
其是通过4-羟基苯甲酸和6-羟基萘-2-甲酸缩聚产生的芳香族聚酯。缩合产物是具有以下结构的聚酯/聚芳酯：
Figure BDA0002214237530000072
用于内管104的组合物的材料抵抗重复的高压脉冲循环并且靠配件牢固地密封，尽管管壁规格是薄的。此外，在制造中，在硫化之前的生坯强度足以允许螺旋丝直接在内管104上增强，而不需要纺织编织物或纱罗织物的保护层。然而，在一些情况下，可能希望使用在内管的外表面106上设置的纺织编织物或纱罗织物。
在本披露的方面中，与HNBR管化合物混合的碳棒状颗粒对于增加生坯强度并允许螺旋丝在不使用纺织编织物或纱罗织物的保护层的情况下加工是有效的。当HNBR橡胶化合物挤出成管的形状时，棒状颗粒至少基本上沿着管的长度(即中心纵向轴线)纵向对齐。这在沿着中心纵向轴线的挤出方向上产生非常高的拉伸和模量特性。这些特性减少在高压脉冲循环下的管变形，这防止了管中的小孔并延长了软管的寿命。高纵向强度还更好地将配件保持在软管的末端上持续更长的组件寿命。
由于棒状颗粒的独特特性，仅需要少量的此类颗粒来获得足够用于加工的生坯强度。因此，在一些实施例中，在管上编织纺织纱线或施加纱罗织物作为保护层的额外的过程是不需要的。棒状颗粒的量可以是任何合适的量，包括基于内管的总重量按重量计10％或更少的量，或甚至以基于内管的总重量按重量计从1％至7％的量掺入。
虽然图1和图2中展示的实施例描绘了紧凑的高压软管，但需要用于加工的高生坯强度和在硫化之后的高模量的任何软管应用将受益于将棒状颗粒添加到化合物，并且这在本披露的范围内。
再次参考图1和图2，如在不同的视图中可以看出，软管100被构造成围绕管状内层(即内管或芯104)形成的，该软管管状内层可以具有单层或多层构造。在任一构造中，内管104具有圆周外芯管表面106以及圆周内芯管表面108，这限定了软管10的内径Di。壁厚度在外芯管表面106与内芯管表面108之间限定，如在图2的截面视图中以“t”表示。可以在约0.02-0.05英寸(0.5-1.25mm)之间的此种厚度t可以是提供所需压力额定值和溶剂、气体和/或液体穿透阻力所必需的最小值。其中如所述，对于许多尺寸的软管100，软管100的总壁厚度T是在约0.12-0.5英寸(3-13mm)之间，因此管壁厚度t可以包括小于约25％的壁厚度T，其余部分由增强层和粘合层、以及任何覆盖层组成，这些对于软管来满足尺寸、所希望的压力额定值和/或适用的工业标准是所必需的。
内管104可以作为挤出的或以其他方式形成的可硫化的、耐化学性的合成橡胶提供。如本文所使用的，“耐化学性”应理解为意指抵抗溶胀、龟裂、应力开裂、腐蚀或以其他方式经受有机溶剂和烃如液压流体的腐蚀的能力。合适的材料包括丙烯腈丁二烯橡胶(NBR)，以及改性的NBR，如氢化NBR(HNBR)和交联NBR(XNBR)以及其共聚物和其共混物。例如，此类共混物可以是与氯化的聚乙烯(CPE)、聚氯乙烯(PVC)或聚氯丁二烯(CR)中的一种或多种共混的XNBR或HNBR。
在其原始形式，即未混配的形式中，NBR可以具有在约19％-36％之间的中至高的丙烯腈(ACN)含量，以及至少约90的门尼粘度((ML 1+4)@212°F(100℃))。此种粘度允许橡胶材料与在按化合物的总重量计约15％-66％之间的一种或多种增强填充剂混配。此类填充剂中的每一种可以独立地作为粉末或作为薄片、纤维、或其他微粒形式或作为这些形式的混合物提供。典型的此类增强填充剂包括炭黑、粘土、和纸浆纤维。对于粉末，可以是直径、估算直径、筛网、网眼、长度或微粒的其他尺寸的填充剂的平均粒度范围可以在约10-500nm之间。
取决于设想的具体应用的需要，附加的填充剂和添加剂可以包括在橡胶化合物的配制品中。可以是官能的或惰性的此类填充剂和添加剂可以包括固化剂或固化体系、润湿剂或表面活性剂、增塑剂、加工油、颜料、分散剂、染料和其他着色剂、遮光剂、发泡剂或消泡剂、抗静电剂、交联剂(如钛酸盐)、扩链油(chain extending oils)、增粘剂、流动调节剂、颜料、润滑剂、硅烷、和其他试剂、稳定剂、乳化剂、抗氧化剂、增稠剂、和/或阻燃剂。材料的配制品可以在常规的混合装置中作为橡胶和填充剂组分以及任何附加的填充剂或添加剂的混合物配混。作为硫化并用在约15％-66％之间的炭黑填充剂填充的。
关于在图1和图2中示出的螺旋卷绕的构造，在内管104上提供至少两个并且典型地四个(如所述)或最高达六个或更多个增强层130a-d。增强层130中的每一个可以常规地形成为编织的、针织的、包裹的或如示出的螺旋的，即成螺旋形地卷绕的例如从1至约180根的末端单丝、连续复丝，即纱线、股线、帘线、粗纱、线、带或帘布层、或纤维材料的短“纤维”股线。在层130a-d中可以相同或不同的纤维材料可以是天然或合成的聚合物材料，如尼龙、棉、聚酯、聚酰胺、芳族聚酰胺、聚烯烃、聚乙烯醇(PVA)、聚乙酸乙烯酯、或聚亚苯基苯并双噁唑(PBO)、或共混物、钢(其可以是不锈钢的或电镀的)、黄铜(锌或镀锌的)、或其他金属丝、或其共混物。
在图1和图2的所展示的螺旋卷绕构造100中，其还可以含有附加的挤出的、螺旋的、编织的、和/或针织的层(未示出)，增强层130a-d成对地反向卷绕以便平衡扭转扭曲作用。对于螺旋卷绕层130a-d中的每一个，优选地单丝金属或金属合金丝的从1至约180个平行末端可以在张力下沿一个方向成螺旋形地卷绕(即左卷绕或右卷绕)，其中接下来紧接其后的层130以相反方向卷绕。内增强层130a可以如在图1中所示的直接在内管104的外表面106上或者在中间织物、箔、膜、结系层、或其他层上卷绕。
当在软管100中相继卷绕时，层130a-d各自可以具有预定的倾角，相对于软管100的纵向轴线102所测量的，在图1中对于层130a和130c以-θ表示的，并且对于层130b和130d以θ表示的。对于典型的应用，倾角θ将在约45°-65°之间选择，但特别是可以根据希望的软管100的强度、伸长率、重量和体积膨胀特征的收敛选择。通常，高于约54.7°的更高的倾角展现出软管在压力下减小的径向膨胀，但增加的轴向伸长率。对于高压应用，由于将伸长率最小化至约原始软管长度的±3％，因此约54.7°的“中性”倾角通常是优选的。层130中的每一个可以以相同或不同的绝对倾角卷绕，并且已知的是各自增强层的倾角可以变化以影响软管的物理特性。然而，在优选的构造中，提供大致相同但在连续层中为反向的增强层130a-d的倾角。
其中增强层130为编织的、卷绕的或针织的张力和区域覆盖率可以变化以实现所希望的柔性，该柔性可以通过软管100的弯曲半径、挠曲力等等来测量。对于在图1和图2中描绘的螺旋卷绕层130a-d，构成丝或其他末端通常将以大于约70％覆盖率施加。
在所展示的可能特别适用于高压液压应用的构造中，增强层130a-d中的每一个可以从单丝碳或不锈钢丝的一端螺旋卷绕，该单丝碳或不锈钢丝具有大体上圆形的截面，该截面具有在约0.008-0.04英寸(0.2-1mm)之间的直径。作为如此形成的，层130a-d中的每一个因此可以具有丝直径厚度的厚度。虽然示出了圆形丝，但可替代地“扁平丝”构造可以使用具有矩形、正方形或其他多边形截面的丝采用。还可以使用低轮廓椭圆形或椭圆的丝。为了更好控制软管100的伸长和收缩，并且为了改进的脉冲疲劳寿命，内增强层130a可以通过内管104的熔化，即硫化，机械的、化学的、或胶粘剂粘合或其组合或以其他方式粘合到芯管104的外表面106。在一些方面中，此种粘合用在增强层130a与内管104的外表面106之间设置的结系层110实现。
在其中在增强层130a与内管104的外表面106之间设置结系层110的那些实施例中，结系层110可以由一种或多种的粘合树脂形成，该粘合树脂在增强层130a与外表面106之间提供以实现整个这些层上的粘合。此类树脂的代表性实例包括经过氧化物固化的化合物的
Figure BDA0002214237530000101
以及经硫固化的化合物的
Figure BDA0002214237530000102
在一些方面中，最外层增强层130d可以被覆套在以140表示的同轴围绕的保护覆盖层或护套的一个或多个层内，该保护覆盖层或护套具有圆周内部表面142以及相对的圆周外部144，这限定了软管外径Do。取决于其构造，覆盖层140可以被喷射施加、浸涂、十字头挤出或共挤出、或以其他方式常规地挤出、螺旋或纵向即“卷烟”包裹、或编织在增强层130d上作为例如0.02-0.15英寸(0.5-3.8mm)厚的以下各项的层：纤维，玻璃，经陶瓷或金属填充的或未填充的耐磨热塑性的(即可熔融加工的)或热固性的可硫化天然橡胶或合成橡胶，如氟聚合物橡胶、氯磺酸酯橡胶、聚丁二烯橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、腈橡胶、聚异戊二烯橡胶、和丁腈橡胶；共聚物橡胶，如乙烯-丙烯(EPR)、乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)、腈-丁二烯(NBR)和苯乙烯-丁二烯(SBR)；或共混物，如乙烯或丙烯-EPDM、EPR、或NBR；以及前述任一种的共聚物和共混物。术语“合成橡胶”还应理解为涵盖可替代地可以宽泛地分类为热塑性弹性体或热固性弹性体的材料，这些热塑性弹性体或热固性弹性体如聚氨酯、硅酮、氟硅酮、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)、和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、以及其他展现出橡胶状特性的聚合物(如增塑的尼龙、聚酯、乙烯乙酸乙烯酯、和聚氯乙烯)。如本文所使用的，术语“弹性体”是描述其展现出柔顺性、弹性或压缩变形、低压缩形变、柔性的橡胶状特性以及在变形之后恢复的能力(即应力松弛)的常规含义。“耐磨的”意指用于形成覆盖层140的此种材料可以具有在约60-98肖氏A硬度之间的硬度。
形成覆盖层140的任何材料可以负载有金属颗粒、炭黑、或另外的导电微粒、薄片、或纤维填充剂以便使软管100导电用于静态耗散或其他应用。可以呈螺旋的或“卷烟包裹的”带的形式或以其他方式提供的单独的导电纤维或树脂层(未示出)还可以包括在在芯104与内增强层130a之间、在增强层130之间、或在最外增强层130d与覆盖层140之间的软管构造100中。
与将芯104粘合到内增强层130a上、或粘合到其间的织物层或其他层上类似，可以将覆盖层140的内部表面142粘合到最外增强层130d上。这种粘合也可以通过熔化，化学的、机械的、物理的或胶粘手段，或其组合或其他手段进行。
在软管100内的增强层130a-d中的每一个可以被如化学地和/或机械地粘合到其紧接其后的层130上以便提供引起的内部或外部应力的更高效的输送。此种粘合可以通过提供呈中间胶粘剂、树脂、或其他中间层150a-c的形式的粘合剂实现。在说明性实施例中，此种粘合剂可以作为呈可熔融加工的或可硫化材料形式的胶粘剂提供，其被挤出或以其他方式以熔融的、软化的、未固化的或部分未固化的或以其他方式的可流动相施加在增强层130a-d中的每一个上以形成相应的中间层150a-c。每个此种中间层150可以具有在约1-25密耳(0.025-0.64mm)之间的厚度。然后可以将对应的增强层130卷绕在对应的中间层150(在其还处于软化相时)上。可替代地，在热塑性中间层150的情况下，可以将该层在卷绕增强层130之前再加热以实现其再软化。
具体地，可以选择高温或低温性能、柔性、或以其他方式与增强层130和/或内管104以及覆盖层140的相容性的形成中间层150的材料。合适的材料包括天然橡胶和合成橡胶、以及热塑性(即可熔融加工)或热固性(即可硫化)的树脂，这些树脂应理解为还宽泛地包括可以分类为弹性体或热熔体的材料。代表性的此类树脂包括增塑的或未增塑的聚酰胺(如尼龙6、66、11和12)、聚酯、共聚酯、乙烯乙酸乙烯酯、乙烯三元共聚物、聚丁烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚烯烃、氟聚合物、热塑性弹性体、工程热塑性硫化橡胶、热塑性热熔体、共聚物橡胶、共混物，如乙烯或丙烯-EPDM、EPR、或NBR、聚氨酯以及硅酮。在热塑性树脂的情况下，此类树脂典型地将展现出软化点或熔点，即在约77℃-250℃之间的维卡温度。对于不具有明确定义的熔融峰的无定形树脂或其他热塑性树脂，术语熔点还与玻璃化转变点互换使用。
在各自的层104、任选的结系层110、130a、150a、130b、150b、130c、150c、130d以及140中的每一个以此顺序挤出、卷绕、或以其他方式相继形成的情况下，在施加覆盖层140后，可以将软管100加热以将橡胶层硫化并且由此将构造固结成一体的软管结构。
因此，描述了说明性橡胶软管构造，该构造具有最紧凑设计但仍是柔性的。此种构造可以如根据以下评定：SAE J517或J1754，ISO 3862或J1745，和/或DIN EN 856下或适用于各种应用中的其他方式，这些应用如规定在约4000-8000psi(28-55MPa)之间的相对高的工作压力的移动或工业液压装置或者另外的用于各种气动、真空、车间气源、一般工业、维护和汽车应用，如空气、油、防冻剂和燃料。
这种独特化合物设计可以用于高压油钻探应用中，如节流和压井软管或旋转钻探软管。它还可以用于高压紧凑的编织液压软管中。在本发明中，将碳纤维添加到HNBR化合物中，而其他类型的纤维和聚合物组合可以配制用于不同的软管应用。
实例
为了进一步说明本披露的一些实施例和方面的性质的目的，生成以下实验数据，并且不意图作为对其范围的限制。制备以下实例以说明根据本披露的一些方面的用于制造的改进的内管特性以及高性能软管。
在以下实例中，在第一遍(pass)中，如表1中所指示，在密炼机中混合组分的非生产性共混物。将非生产性批次在从约280°F至约290°F的温度下滴加。此后，在第二遍中，将附加的组分添加到非生产性共混物中，通过在密炼机中混合来形成产品共混物。将生产性批次在从约210°F至约230°F的温度下滴加。用于这些实例(实例1至实例8)的成分在表1中提供。此后提供了用于非生产性和生产性共混物的配混中的成分的说明/可获得性。
然后使生产性共混物成形为2mm厚的片材，并以‘生坯’形式或者未固化形式测试生坯强度，或在约320°F的温度下固化30分钟。对固化的实例片材或未固化的实例进行物理特性测试，其中值在下表2和3中指示。“用颗粒”进行的任何评估意指该评估用以与多个棒状颗粒的取向平行的方向施加的应力或力进行。根据ASTM D412对拉伸(psi)、伸长率％、Mod 5(psi)、Mod 10(psi)、Mod 25(psi)、Mod 50(psi)和Mod 100(psi)进行评估。肖氏A根据ASTM D2240进行，撕裂模口C(磅力/英寸)根据ASTM D624进行，体积溶胀率％根据ASTMD471进行并且液压油Tellus 46根据ASTM D471进行。
表1
Figure BDA0002214237530000131
Figure BDA0002214237530000141
1Zetpol 2030L，从瑞翁化学株式会社(Zeon Chemicals L.P.)可获得的
2Zetpol 2020EP，从瑞翁化学株式会社可获得的
3Zetpol 2010L，从瑞翁化学株式会社可获得的
4Zeoforte ZSC 2295，从瑞翁化学株式会社可获得的
5Zeoforte ZSC 2395，从瑞翁化学株式会社可获得的
6尺寸为1.5mm至5mm长度以及5至7微米的直径的颗粒，来自TORAYCATM，基于聚丙烯腈的碳材料
Figure BDA0002214237530000142
从范德比尔特化学品有限公司(Vanderbilt Chemicals,LLC.)可获得的
Figure BDA0002214237530000143
从范德比尔特化学品有限公司可获得的
Figure BDA0002214237530000144
从索夫林化学品公司(Sovereign Chemical Company)可获得的
Figure BDA0002214237530000145
从朗盛公司(LANXESS Corporation)可获得的
11TOTM增塑剂，由EastmanTM可获得的
12DUREZ 12687，从住友电木株式会社(SUMITOMO BAKELITE CO.,LTD.)可获得的
13Ricobond 1756HS，从道达尔克雷威利公司(Total Cray Valley)可获得的
14Rhenocure EF(DBDB)-60，从莱茵化学公司(Rhein Chemie)可获得的
15Vulcup 40C-SP2，从阿科玛公司(Arkema Inc.)可获得的
16TMTM，从阿克罗化学公司(Akrochem Corp.)可获得的
17OBTS，从阿克罗化学公司可获得的
18DCBS，从阿克罗化学公司可获得的
19MC-98硫，从阿克罗化学公司可获得的
20Ricobond 1756HS，从道达尔克雷威利公司可获得的
Figure BDA0002214237530000151
Figure BDA0002214237530000161
对于实例1至实例8进行的评估示出，增加的碳棒状颗粒含量导致拉伸、模量、肖氏A、和撕裂模口C增加。尽管伸长率在更高的碳棒状颗粒负载下减小，但材料仍保持足够的伸长率而在动态性能中具有柔性。通过掺入碳棒状颗粒实现的独特的特性组合对于获得软管的高动态性能是重要的。除了改进动态性能之外，碳棒状颗粒还使得未固化的橡胶在制造软管的一个或多个螺旋步骤期间可加工。在实例1至3中，化合物生坯强度随着碳棒状颗粒含量百分比增加而增加。还非常重要的是注意在没有任何纤维的情况下，化合物生坯强度不足以加工。在实例4至8中，通过碳棒状颗粒掺入可以观察到对化合物生坯强度的类似益处。
使用以上实例8的材料制备紧凑的螺旋软管。实例8的材料用于挤出具有1.20mm+/-0.05mm的厚度,以及25.6mm+/-0.06mm的内径的内管。然后将纱罗织物(聚酯稀松编织RFL浸渍的材料)施加在内管上，并且将结系层施加于纱罗织物上，其中该结系层具有0.30mm+/-0.05mm的厚度。结系层由NBR/SBR/BR聚合物与水合二氧化硅、间苯二酚、和六亚甲基四胺粘合体系的共混物组成。结系层被设计成在一侧与HNBR管对外摩擦层具有优异的粘附性，如下所述。
将0.56mm黄铜涂覆的丝螺旋织造增强层施加在结系层上，并且将具有0.30mm+/-0.05mm的厚度的摩擦层施加在黄铜涂覆的丝螺旋编织增强层上。摩擦层是由SBR聚合物与水合二氧化硅、间苯二酚、和六亚甲基四胺粘合体系组成的材料。随后施加五个黄铜涂覆的丝螺旋织造增强层和摩擦材料层，产生六个黄铜涂覆的丝螺旋编织增强层，其中摩擦层施加在其上。然后将具有1.20mm+/-0.05mm的厚度的XNBR覆盖层挤出在整个软管上，这产生具有35.7mm+/-0.5mm的外径的紧凑的螺旋软管。
然后使紧凑的螺旋软管通过经由一对配件将软管的两端密封地固定到压力循环装置上经受重复的循环压力脉冲测试。将紧凑的螺旋软管暴露于1,000,000次压力脉冲循环，每次循环斜升至约47MPa。紧凑的螺旋软管在1,000,000次压力脉冲循环期间保持其结构完整性，并且没有观察到软管的故障。
为了说明和描述的目的，已经提供了对实施例的前述描述。提供示例性实施例，使得本披露将是充分彻底的，并且将范围传达给本领域技术人员。阐述许多具体细节，例如特定部件、装置和方法的实例，以提供对本披露的实施例的彻底理解，但并不旨在是穷尽的或限制本披露。应当理解，在本披露的范围内的是具体实施例的单独的元件或特征通常不限于该具体实施例，而是在适用的情况下是可互换的并且可以在所选择的实施例(即使不是明确示出或描述的)中使用。本披露也可以以许多方式变化。此类变化不被视为偏离本披露，并且所有此类修改旨在被包括在本披露的范围内。
虽然上面已经详细描述了本披露的几个实施例，但是本领域普通技术人员将容易地理解，在实质上不脱离本披露的传授内容的情况下，许多修改是可能的。因此，此类修改旨在被包括在如权利要求中限定的本披露的范围内。

Claims (14)

1.一种软管(100)，包括：
从其中穿过限定中心纵向轴线(102)的内管(104)，并且包括硫化橡胶和多个与该中心纵向轴线(102)基本上平行取向的棒状颗粒，其中该内管(104)具有在0.5mm至1.5mm之间的管壁厚度(t)，并且其中该多个棒状颗粒以基于该内管(104)的总重量按重量计10％或更少的量掺入，其中所述多个棒状颗粒为碳颗粒或石墨颗粒，该碳颗粒或石墨颗粒具有一起键合成晶体的碳原子，这些晶体与棒状颗粒的长轴线平行排列；
直接围绕该内管(104)的结系层(110)；
围绕该结系层(110)的第一增强层(130a)；
围绕该第一增强层(130a)的至少第二增强层(130b)；
在该第一增强层与该第二增强层(130b)之间***的中间层(150a)，该中间层(150a)将该第一增强层(130a)粘合到该第二增强层(130b)上；以及，
围绕该第二增强层(130b)的覆盖层(140)。
2.根据权利要求1所述的软管(100)，其中，该软管(100)具有壁厚度(T)，并且该管壁厚度(t)包括小于25％的该软管(100)壁厚度。
3.根据权利要求1或2所述的软管(100)，其中，该硫化橡胶包括丙烯腈丁二烯橡胶(NBR)、氢化NBR(HNBR)、交联NBR(XNBR)、或其共聚物及其共混物。
4.根据权利要求1或2所述的软管(100)，其中，该多个棒状颗粒以基于该内管(104)的总重量按重量计从1％至7％的量掺入。
5.根据权利要求1或2所述的软管(100)，其中，该硫化橡胶具有在12MPa下的模量和至少18MPa的拉伸强度。
6.根据权利要求1或2所述的软管(100)，其中，该第一增强层(130a)和该第二增强层(130b)中的每一个是螺旋卷绕的。
7.根据权利要求6所述的软管(100)，其中：
该第一增强层(130a)沿第一卷绕方向螺旋卷绕；并且
该第二增强层(130b)沿与该第一卷绕方向相反的第二卷绕方向螺旋卷绕。
8.根据权利要求7所述的软管(100)，其中：
该第一增强层(130a)以相对于该纵向轴线的正角铺设；并且，
该第二增强层(130b)以相对于该纵向轴线的负角铺设。
9.根据权利要求8所述的软管(100)，其中：
该第一增强层(130a)和该第二增强层(130b)之一的角度在45°与65°之间；并且
该第一增强层(130a)和该第二增强层(130b)中的另一个的角度在-45°与-65°之间。
10.根据前述权利要求1或2所述的软管(100)，其中：
该第一增强层(130a)包括第一金属或金属合金丝的一根或多根长丝；并且，
该第二增强层(130b)线包括与该第一金属或金属合金丝相同或不同的第二金属或金属合金丝纤维的一根或多根长丝。
11.根据前述权利要求1或2所述的软管(100)，其中，该软管(100)具有被该内管(104)限定的内径，并且其中，该内径是在从6mm至51mm之间。
12.根据前述权利要求1或2所述的软管(100)，其中，该软管(100)的额定工作压力为从28MPa至55MPa。
13.根据权利要求12所述的软管(100)，其中，在经受47MPa下的1,000,000次压力脉冲循环之后，该软管(100)保持结构完整性。
14.根据权利要求1或2所述的软管(100)，其中，包含在该多个棒状颗粒中的颗粒具有从1.5mm至5mm的平均长度以及从5至7微米的平均直径。
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