低動靜剛度比天然橡膠減振功能配方技術(shù)研究和應(yīng)用

李國洪 向忠益 郭森

（十堰東森汽車密封件有限公司，十堰 442012）

1 前言

天然橡膠具有良好的彈性，較低的損失系數(shù)［1］，特別適合于汽車減震制品。隨著現(xiàn)代汽車進一步追求人性化、舒適化、環(huán)?；O(shè)計，汽車減震系統(tǒng)的目標越來越精細化，要求低噪音、易裝配、良好的減震效果、長久的使用壽命。傳統(tǒng)的天然橡膠配方材料已不能滿足產(chǎn)品正常使用要求。尤其汽車行駛速度越來越高，變化范圍越來越寬，汽車各部位震動頻率也隨之變化并升高，這就要求汽車減震系統(tǒng)在一定頻率范圍內(nèi)（0～150 Hz）均保持穩(wěn)定的減震功能效果，轉(zhuǎn)化為參數(shù)設(shè)計控制就是極低的動靜剛度比值，以此達到高低一致，動靜如一的減震功能效果。這樣，不但可以提升駕駛舒適性，而且提高產(chǎn)品使用壽命。目前低動靜剛度天然橡膠在國際汽車橡膠減震領(lǐng)域正得到廣泛應(yīng)用。

2 試驗部分

2.1 主要原材料及設(shè)備

天然橡膠SCRWF,云南農(nóng)墾供銷有限公司;丁苯橡膠SBR1500，吉林化學工業(yè)公司；順丁橡膠BR9000，北京燕山石化有限公司；氧化鋅99.7%（1型）,大連金石氧化鋅有限公司;半補強炭黑N774,青島歐勵友炭黑有限公司;DCP,江蘇道明化學有限公司。其它硫磺粉、促進劑TT、促進劑DM、硬脂酸、防老劑等均為普通工業(yè)化學用品。

XK-160橡膠開煉機,湛江機械廠;P-25-PCD平板硫化機,磐石油壓工業(yè)有限公司;UR-2010橡膠硫化儀,優(yōu)肯科技股份有限公司;GT-7080-S2自動門尼粘度計，GT-7017-NL高溫老化試驗箱,高鐵檢測儀器有限公司;LX-A型橡膠硬度計，上海六菱儀器廠；RGI-5型電子拉力試驗機，深圳瑞格爾有限公司。MTS831動態(tài)粘彈譜儀，美國MTS公司。

2.2 試樣制備

低動靜剛度比天然橡膠基本配方為：生膠100 g、硬脂酸1.0 g、防老劑2.0 g、操作助劑1.0 g、硫化促進劑5.0 g、炭黑，變量、氧化鋅，變量。在試驗室試驗階段，先將天然生膠在XK-160雙輥煉膠機上薄通4～5次，然后逐步加入配合劑，先加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑等小料，待配合劑分散完畢后，加入炭黑，最后加入促進劑和硫化劑。薄通5次出片，在室溫下停放24 h,然后進行返煉下料，并在平板硫化機上硫化試樣，硫化溫度160℃，硫化時間10 min，硫化壓力10 MPa。

2.3 性能測試

a.混煉膠硫化特性按GB/T 16584—1996《橡膠用無轉(zhuǎn)子硫化儀測定硫化特性》標準檢測；

b.密度按GB/T 533-2007《硫化橡膠或熱塑性橡膠密度的測定》；

c.門尼粘度按GB/T 1232.1-2016《未硫化橡膠用圓盤剪切粘度計進行測定第一部分：門尼粘度的測定》；

d.硬度按GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法》標準檢測；

e.扯斷強度和扯斷伸長率按GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》標準檢測；

f.熱空氣老化按GB/T 3512—2001《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗》標準檢測；

g.恒定壓縮永久變形按GB/T 7759—1996《硫化橡膠、熱塑性橡膠常溫、高溫和低溫下壓縮永久變形》標準檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同型號生膠對減振特性的影響

制作低動靜剛度比天然橡膠材料，在生膠類型選取上尤為關(guān)鍵。首先要關(guān)注生膠的滯后損失系數(shù)。表1分別是丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠和天然橡膠4種類型生膠的滯后損失系數(shù)。

表1 丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠和天然橡膠生膠的滯后損失系數(shù)

由上表1可見，天然橡膠和順丁橡膠的損失系數(shù)較小，所以，本研究主要以天然橡膠為主，并用部分順丁橡膠。

3.2 氧化鋅對天然橡膠減震特性的影響

氧化鋅一方面作為天然橡膠配方中通用的活性劑，往往不被重視。實質(zhì)上，氧化鋅對天然橡膠材料硫化均勻網(wǎng)構(gòu)程度起著決定性的影響作用。另一方面，氧化鋅作為熱傳導劑，合理進行配方設(shè)計，可有效改善天然橡膠材料動靜剛度比，所以，選取99.7%的高純度氧化鋅作為驗證材料。驗證結(jié)果見下表2。

表2 不同氧化鋅配比對天然橡膠材料性能的影響

由表2可見，隨氧化鋅用量增加，天然橡膠材料耐熱老化特性和壓縮永久變形特性持續(xù)向好。尤其是橡膠材料動靜剛度比緩慢下降。但另一方面，橡膠硬度上升，扯斷伸長率下降。標準剛度值也隨之上升。所以氧化鋅用量不宜過多，配比量在15 g為宜。

3.3 補強填充體系對天然橡膠減振特性的影響

3.3.1 補強填充劑型號對天然橡膠動靜剛度比的影響

炭黑作為天然橡膠傳統(tǒng)的補強劑，根據(jù)其結(jié)構(gòu)高低不同，選取N330、N550和N774進行基礎(chǔ)性能試驗，同時引入一種填充劑硅藻土Mh-0#進行對比驗證。

由表3可見，在相同配比用量下，炭黑結(jié)構(gòu)越高，天然橡膠材料硬度越高，標準動靜剛度比越大。而配有填充劑硅藻土Mh-0#的配方硬度最低，但由于其與天然橡膠的親合度不如炭黑緊密，標準動靜剛度比反而最高。所以，綜合對比之下，以半補強炭黑N774性能最佳。

表3 不同補強填充劑對天然橡膠材料性能的影響

3.3.2 補強填充劑用量對天然橡膠減振特性的影響

研究發(fā)現(xiàn)，不同硫化膠硬度對天然橡膠動靜剛度比也會產(chǎn)生不同結(jié)果影響。試驗采用半補強炭黑N774作為變量，在其它材料配方相同情況下，通過設(shè)計不同橡膠硬度，進行對比驗證，結(jié)果見表4。

由表4可見，隨著炭黑N774用量增加，天然橡膠材料硬度隨之增加，進而導致橡膠材料標準動靜剛度比增大。這主要是因為填充量增加，含膠率相對下降，即高分子彈性體材料比例下降所致。

表4 不同半補強炭黑N774配比量對天然橡膠材料性能的影響

3.4 軟化劑對天然橡膠減振特性的影響

試驗研究了高芳烴油、32號機油、8030環(huán)烷油，采用相同配方，每種軟化劑的配比均為5份，與不加任何軟化劑的配方做了對比驗證，結(jié)果見表5。

由表5可見，與不加軟化劑的配方相比，在其它材料相同配比用量下，加入軟化劑后會增大天然橡膠材料標準動靜剛度比，不同軟化劑之間差異不大。在驗證的三種不同型號軟化劑中，8030環(huán)烷油略優(yōu)于高芳烴油和32號機油。

表5 不同軟化劑對天然橡膠材料性能的影響

3.5 不同硫化體系對天然橡膠減振特性的影響

3.5.1 不同硫化體系對天然橡膠動靜剛度比性能的影響

試驗主要針對傳統(tǒng)硫磺硫化體系、過氧化物硫化體系和半有效硫化體系展開。在其它材料配方相同情況下，進行對比驗證，結(jié)果如下表6。

表6 不同硫化體系對天然橡膠材料性能的影響

由表6可見，傳統(tǒng)硫磺硫化體系硫化的天然橡膠材料動靜剛度比最大，半有效硫化體系次之，過氧化物硫化體系較好。而效果最好的是改進型半有效硫化體系。其天然橡膠材料標準動靜剛度比達到最低水平。

3.5.2 不同硫化體系對天然橡膠減振制品疲勞特性的影響

將硫磺硫化體系天然橡膠、過氧化物硫化體系天然橡膠和改進型半有效硫化體系天然橡膠加工制作為橡膠套總成-翻轉(zhuǎn)臂固定端制品，在相同條件下進行疲勞性能對比試驗。

由上表7可見，改進型半有效硫化體系加工的天然橡膠制品疲勞性能最好，而過氧化物硫化體系加工的天然橡膠制品疲勞性能最差。

表7 橡膠套總成-翻轉(zhuǎn)臂固定端產(chǎn)品疲勞試驗結(jié)果

3.6 混煉膠及制品加工工藝

3.6.1 混煉加工工藝

天然橡膠低動靜剛度比配方的混煉加工工藝和普通天然橡膠一樣沒有什么特別之處，重點在于加強各配合劑的分散均勻性，因為與普通天然橡膠相比，產(chǎn)品減振功能要求更高，如果配合劑分散不均，會導致橡膠材料疲勞性能下降，動靜剛度比上升。表8和表9為天然橡膠低動靜比配方的混煉加工工藝。

表8 天然橡膠低動靜剛度比配方的密煉加工工藝(XM-55L)

表9 天然橡膠低動靜剛度比配方開煉一段加工工藝（XK-660）

3.6.2 煉膠工藝對低動靜剛度比天然橡膠分散均勻性影響

圖1所示為一段煉膠工藝加工的混煉膠和二段煉膠工藝加工的混煉膠斷面顯微觀測圖。由圖1可見，一段混煉膠斷面可見大的白色亮光顆粒，而二段混煉膠斷面均勻，說明二段煉膠工藝加工的低動靜比天然橡膠分散均勻性優(yōu)于一段加工工藝。

圖1 不同煉膠工藝對配合劑分散效果的影響

3.6.3 產(chǎn)品粘合工藝

為保證產(chǎn)品疲勞壽命，尤其是針對半有效硫化體系粘合性能較傳統(tǒng)硫磺硫化體系差的特點，金屬骨架須先進行液體噴砂處理，噴砂壓力0.4～0.6 MPa，然后脫脂、清洗、干燥。均勻噴涂粘合劑，粘合劑底涂層選用CHEMLOK205，面涂

3.5.2.1 試驗條件

常溫下，徑向加載4 900 N，3 Hz；軸向2 450 N，0.5 Hz。

3.5.2.2 試驗要求

試驗100萬次后，產(chǎn)品剛度變化不得大于20%；產(chǎn)品的橡膠層不得脫膠、破碎；允許膠層的外層磨損，但磨損后橡膠厚度應(yīng)大于原膠層厚度的70%，金屬內(nèi)外筒不得出現(xiàn)破損或明顯變形。

3.5.2.3 試驗結(jié)果

橡膠套總成-翻轉(zhuǎn)臂固定端產(chǎn)品疲勞試驗結(jié)果見表7。層選用CHEMLOK6108。烘干條件（70～80）℃×（15～30）min。表11為粘合方案驗證結(jié)果。

表11 橡膠套總成-翻轉(zhuǎn)臂固定端產(chǎn)品粘合試驗結(jié)果

3.6.4 產(chǎn)品硫化工藝

表12為批量投入生產(chǎn)的低動靜剛度比橡膠配方混煉膠的典型硫化特性參數(shù)。配方采用改進型半有效硫化體系。

表12 低動靜剛度比天然橡膠批量應(yīng)用硫化特性（測試條件160℃×5 min）

由表12可見，低動靜剛度比天然橡膠具有充分的起硫抗焦燒加工安全時間（T10），而正硫化時間(T90)也相對較短，特別是門尼粘度相對較低，適合于壓注和注射加工。

產(chǎn)品采用注射硫化工藝，由于要求低動靜剛度比天然橡膠減震制品硫化均勻，疲勞性能好，硫化加工過程中不能產(chǎn)生氣泡。所以硫化溫度宜低不宜高，以150～160℃硫化較為適宜。另外，為提高排氣工藝性能，模具溢膠槽應(yīng)加寬加深（以Φ5～Φ10為宜）。橡膠半成品下料重量要根據(jù)具體產(chǎn)品適當控制，不能過輕或過重，過輕會影響膠料密實度，影響產(chǎn)品動靜剛度。過重時空氣不易排除，易產(chǎn)生氣泡，同樣影響產(chǎn)品剛度。

3.7 工業(yè)化應(yīng)用

目前，天然橡膠低動靜剛度比配方技術(shù)已成功國產(chǎn)化應(yīng)用于國內(nèi)多款某知名品牌汽車發(fā)動機懸置減震橡膠制品。

3.7.1 產(chǎn)品所要求的天然橡膠低動靜剛度比配方材料性能

天然橡膠低動靜剛度比配方材料物理機械性能見表13。

表13 天然橡膠低動靜剛度比配方材料物理機械性能

3.7.2 橡膠材料標準剛度特性

橡膠材料標準剛度特性見下表14~表17。

表14 橡膠材料標準靜剛度特性

表15 橡膠材料標準動剛度特性

表16 橡膠材料標準阻尼特性

表17 橡膠材料標準動靜剛度比特性

3.7.3 產(chǎn)品剛度特性

產(chǎn)品剛度特性見表18。

表18 產(chǎn)品剛度特性 N/mm

3.7.4 產(chǎn)品疲勞特性

a.試驗要求：W向預載-2 300 N,頻率3 Hz，循環(huán)次數(shù)不小于100萬次。樣件結(jié)果≥100萬次試驗后，總成不失敗，產(chǎn)品剛度變化不得大于20%。

表19 產(chǎn)品疲勞特性 N/mm

樣件經(jīng)過100萬次疲勞試驗后，總成未失效。

4 結(jié)論

a.通過合理配方設(shè)計，尤其采用改進型半有效硫化體系，可實現(xiàn)天然橡膠材料及其制品優(yōu)良的動靜剛度特性。在150 Hz高頻下，橡膠材料標準動靜剛度比可達到1.2以下。

b.通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使橡膠硬度目標合理定義在邵氏硬度A/測量時間3 s:45~55范圍內(nèi)，再輔以科學的混煉工藝、粘合工藝及硫化工藝技術(shù)，可使橡膠制品保持在一個寬頻率減震功能范圍，并持續(xù)有效。

c.低動靜剛度比天然橡膠減震功能制品可在汽車減震系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高低一致，動靜如一的高速寬頻駕駛舒適性能。