空氣彈簧用氯丁橡膠/天然橡膠并用膠的性能研究

王明輝，秦秀偉

（青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266500）

近年來(lái)，隨著汽車制造工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車技術(shù)逐步向輕量化、環(huán)?；?、舒適化和經(jīng)濟(jì)化發(fā)展，客戶對(duì)整車的使用要求也越來(lái)越高，舒適性和操控性以及個(gè)性化設(shè)計(jì)成為汽車行業(yè)的發(fā)展方向?？諝鈴椈墒窃谙鹉z氣囊形成的柔性密閉空間中充入壓縮空氣，利用空氣的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈簧作用的一種非金屬?gòu)椈?，具有緩沖、減震等功能。車用空氣彈簧因剛度可變、自振頻率低、高度可控等優(yōu)點(diǎn)，用于車輛懸架裝置中以改善車輛的動(dòng)力性，并顯著提高運(yùn)行舒適性和平順性。但是為了保證車輛行駛的穩(wěn)定性和乘客的安全性，絕大部分空氣彈簧未達(dá)到使用年限就需進(jìn)行更換。氣囊外層橡膠龜裂是空氣彈簧常見的問(wèn)題之一，因此延長(zhǎng)惡劣環(huán)境下空氣彈簧氣囊的使用壽命成為重要的研究課題。

空氣彈簧膠料的主體材料一般為天然橡膠（NR）和氯丁橡膠（CR）。NR具有優(yōu)異的物理性能和耐疲勞性能、良好的加工性能、較低的價(jià)格[1-3]，但由于分子主鏈不飽和，NR的耐候性能和耐臭氧性能較差；CR具有優(yōu)異的物理性能、耐熱性能、耐臭氧性能和耐天候老化性能，但CR的耐低溫性能較差，且由于極性氯原子的存在，其在加工時(shí)對(duì)溫度敏感，膠料的混煉操作困難[4-13]。因此，將NR和CR并用可實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)。CR/NR并用膠可較好地應(yīng)用于空氣彈簧[14-15]。

本工作針對(duì)空氣彈簧用CR/NR并用膠，研究CR/NR并用比對(duì)并用膠門尼粘度、硫化特性、物理性能、耐熱空氣老化性能和耐臭氧性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，牌號(hào)CV60，華君橡膠科技（上海）有限公司提供；CR，牌號(hào)DCR40A，日本電化株式會(huì)社產(chǎn)品；炭黑N330和N774，美國(guó)卡博特公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

CR/NR 100（并用比分別為100/0，85/15，75/25，65/35，55/45，45/55），炭黑N330 30，炭黑N774 25，氧化鋅 5，硬脂酸 1.5，微晶蠟2，防老劑RD 1.5，防老劑4010NA 1，防老劑3100 1.5，硫黃 0.6，促進(jìn)劑DM 0.5，其他6.4。

1.3 主要設(shè)備和儀器

SXK-160型開煉機(jī)，廣東利拿實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；1 L密煉機(jī)，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；HS-50T-NTMO型平板硫化機(jī)，佳鑫科技有限公司產(chǎn)品；MV-3000型門尼粘度試驗(yàn)機(jī)和M-3000A型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，高鐵檢測(cè)儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品；TCS-2000型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；Heat Event F 60/60型熱空氣老化箱，德國(guó)Votschtechnik公司產(chǎn)品；3MR-3RVB-140型臭氧老化箱，德國(guó)Argentox公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

方案1：將CR投入密煉機(jī)（密煉室初始溫度55℃）中塑煉1 min，然后加入NR塑煉0.5 min，繼續(xù)加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑等小料及部分炭黑混煉約1 min，最后加入剩余炭黑混煉6 min后排膠（115 ℃）?；鞜捘z在開煉機(jī)上進(jìn)行冷卻開煉，然后加入硫黃和促進(jìn)劑，膠料混煉均勻后薄通5次、打卷3次，下片。

方案2：將CR和NR先分別與配合劑在密煉機(jī)中混煉，再將兩種母煉膠按比例在開煉機(jī)上進(jìn)行混煉，最后在開煉機(jī)上冷卻下片。

混煉膠停放16 h后使用平板硫化機(jī)硫化，硫化條件為155 ℃/10 MPa×10 min。

1.5 性能測(cè)試

硫化特性按照GB/T 16584—1996進(jìn)行測(cè)試；門尼粘度按照GB/T 1232.1—2016進(jìn)行測(cè)試；邵爾A型硬度按照GB/T 531.1—2009進(jìn)行測(cè)試；拉伸性能按照GB/T 528—2009進(jìn)行測(cè)試；耐熱空氣老化性能按照GB/T 3512—2014進(jìn)行測(cè)試；壓縮永久變形按照GB/T 7759.1—2015進(jìn)行測(cè)試；耐靜態(tài)臭氧性能按照GB/T 7762—2014進(jìn)行測(cè)試；耐動(dòng)態(tài)臭氧性能按照GB/T 13642—2015進(jìn)行測(cè)試；耐低溫性能按照GB/T 15256—2014進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 門尼粘度

門尼粘度反映了膠料的加工性能，門尼粘度高，膠料的加工生熱快，容易焦燒；門尼粘度低，膠料的粘性大，容易粘輥，因此控制膠料合理的門尼粘度對(duì)其加工性能和物理性能至關(guān)重要?？諝鈴椈捎媚z料需要進(jìn)行壓延加工處理，因此更需具有合適的門尼粘度。CR/NR并用比對(duì)并用膠門尼粘度的影響如圖1所示（混煉工藝為方案1）。

從圖1可以看出，隨著CR/NR并用比的減小，并用膠的門尼粘度有所減小，但未發(fā)生明顯變化，這表明CR與適量NR并用，并用膠的加工性能無(wú)需重新設(shè)計(jì)，門尼粘度的穩(wěn)定性保證了并用膠混煉和壓延過(guò)程的穩(wěn)定性。

2.2 硫化特性

CR/NR并用比對(duì)并用膠硫化特性（155 ℃）的影響如表1所示（混煉工藝為方案1）。

表1 CR/NR并用比對(duì)并用膠硫化特性的影響Tab.1 Influence of CR/NR blending ratios on vulcanization characteristics of blends

從表1可以看出：各CR/NR并用比下，并用膠的FL和Fmax變化不大，說(shuō)明CR與NR可實(shí)現(xiàn)共硫化；隨著CR/NR并用比的減小，并用膠的t10和t90明顯縮短，表明并用膠的硫化速度加快，但也出現(xiàn)焦燒風(fēng)險(xiǎn)，因此選擇合適的CR/NR并用比以確保并用膠加工安全性尤為重要。

2.3 物理性能

CR/NR并用比對(duì)并用膠物理性能的影響如表2所示（混煉工藝為方案1）。

從表2可以看出，隨著CR/NR并用比的減小，并用膠的邵爾A型硬度和100%定伸應(yīng)力略有減小，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率呈增大趨勢(shì)，這是因?yàn)镹R和CR均屬于結(jié)晶橡膠，具有自補(bǔ)強(qiáng)性，自身具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但在炭黑填充時(shí)，NR的力學(xué)性能比CR更好。在100 ℃×70 h熱空氣老化下，隨著CR/NR并用比的減小，并用膠的耐熱空氣老化性能降低，這是由于NR為不飽和橡膠，對(duì)熱氧的抵抗性低，耐高溫性能低于CR。并用膠的耐臭氧性能隨著CR/NR并用比的減小而下降，這是因?yàn)镹R分子活性高，更易受到臭氧的攻擊，而CR分子中的氯原子有3對(duì)未成鍵的孤對(duì)電子，可以與緊鄰的C=C雙鍵共軛，同時(shí)對(duì)次鄰的—CH2—的自由基進(jìn)攻有屏蔽作用，因此CR自身具有較好的耐臭氧性能。并用膠的耐低溫性能隨著CR/NR并用比的減小而提高，這是因?yàn)镃R分子結(jié)構(gòu)規(guī)整性和極性，內(nèi)聚力大，耐寒性能差，而NR因?yàn)榉肿渔溔犴樞?，玻璃化溫度低，耐低溫性能?yōu)異。

表2 CR/NR并用比對(duì)并用膠物理性能的影響Tab.1 Influence of CR/NR blending ratios on physical properties of blends

綜上所述，CR/NR并用比為75/25時(shí)，并用膠的耐臭氧性能和耐低溫性能優(yōu)異，綜合物理性能好。

2.4 混煉工藝對(duì)并用膠性能的影響

以CR/NR并用比為75/25的生膠體系，研究混煉工藝對(duì)并用膠拉伸強(qiáng)度的影響，結(jié)果圖2所示（硫化溫度為155 ℃）。

從圖2可以看出，方案2混煉工藝的并用膠的拉伸強(qiáng)度大，這是因?yàn)閮煞N橡膠共混時(shí)，當(dāng)二者內(nèi)聚能相差較大時(shí)，島相分子容易萎縮，緊抱成團(tuán)，與海相分子存在明顯的界面。CR與NR相容性較差，對(duì)炭黑浸潤(rùn)能力也不同，并用膠采用直接共混的工藝難以混合均勻，但提前將兩者分別進(jìn)行混煉制成母煉膠，再進(jìn)行共混，就可以有效改善并用膠的加工性能，進(jìn)而提高并用膠的物理性能。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)CR/NR并用比為75/25時(shí)，并用膠的耐臭氧性能和耐低溫性能優(yōu)異，綜合物理性能好。

（2）將CR和NR分別混煉制成母煉膠后再進(jìn)行共混，會(huì)使并用膠具有更好的加工性能和力學(xué)性能。