填充體系對橡膠懸置元件性能的影響

龐 松，田安偉，楊靈斌，何 琪，李恒榮，劉佳麗

（1.建新趙氏科技股份有限公司，浙江 寧波 315000；2.北京橡膠工業(yè)研究設計院有限公司，北京 100143）

發(fā)動機作為汽車主要的振動和噪聲源之一[1-2]，在為汽車提供動力的同時，也伴隨著強烈的振動。振動一方面會通過車架傳遞到車廂內，使乘客產生疲勞感；另一方面也會影響汽車的操縱性能、行車安全性和零部件的使用壽命[3-5]。因此，降低汽車的振動和噪聲水平，提高車輛的乘坐舒適性已成為車輛設計的方向之一。

動力總成懸置系統(tǒng)是指動力總成與車架之間的軟連接系統(tǒng)[6-7]，其性能好壞直接關系到發(fā)動機及路面振動向車體的傳遞。汽車懸置件的性能在很大程度上取決于所用減振橡膠材料的性能[8]。一方面，橡膠材料的動靜剛度比[9-11]對懸置件的振動傳遞和減振效果有很大影響[12]；另一方面，減振橡膠材料在使用過程中會受到發(fā)動機傳來的高溫和振動影響而發(fā)生動態(tài)形變，因此橡膠材料的耐老化性能與懸置件的使用壽命密切相關。

填充體系[13-15]作為減振橡膠材料的重要組成部分，對膠料的物理性能、動靜剛度比和耐老化性都具有顯著影響，且填料種類和用量的影響程度存在很大差異。本工作以天然橡膠（NR）作為主體材料，研究填料種類、用量和并用比對NR膠料性能的影響，旨在為研發(fā)低動靜剛度比和耐老化性能優(yōu)良的高性能橡膠懸置元件提供參考。

1 實驗

1.1 原材料

NR，牌號CV60，華君橡膠科技（上海）有限公司產品；炭黑N550，N774和N990，歐勵隆工程炭（青島）有限公司產品；白炭黑，牌號VN3，青島德固賽化學有限公司產品；硬脂酸、偶聯(lián)劑、氧化鋅、防老劑、促進劑和硫黃等，市售品。

1.2 試驗配方

單一填料填充體系和并用填料填充體系配方分別如表1和2所示。

表1 單一填料填充體系配方 份

表2 并用填料填充體系配方 份

1.3 主要設備和儀器

Farrel K1型3.5 L密煉機，美國法雷爾公司產品；XLB-30型平板硫化機，余姚華泰橡塑機械有限公司產品；MFR100＋型無轉子硫化儀，上海諾甲儀器儀表有限公司產品；MV-2000型智能門尼粘度儀，無錫蠡園電子化工設備有限公司產品；E42.503E型電子拉力機和MTS 831型彈性體試驗機，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司產品；PH301T型老化烘箱，廣州五所環(huán)境儀器有限公司產品。

1.4 試樣制備

采用兩段工藝制備混煉膠。一段混煉在密煉機中進行，初始混煉溫度為100 ℃，轉子轉速為45 r·min-1，依次加入生膠、填料、偶聯(lián)劑、活性劑、防老劑，在150 ℃下混煉5 min后排膠；二段混煉在開煉機上進行，一段混煉膠薄通后包輥，加入促進劑，割膠并打三角包，混煉均勻后加入硫黃，薄通5—6遍，調整合適的輥距，出片，室溫下停放24 h。

混煉膠采用平板硫化機進行硫化，硫化溫度為160 ℃，物理性能試樣硫化時間為t90＋2 min，動靜剛度比試樣硫化時間為3t90。

1.5 性能測試

（1）硫化特性。采用無轉子硫化儀進行測試，測試條件為160 ℃×30 min，確定試樣的硫化時間及硫化速率。

（2）物理性能。硬度采用硬度計按照GB/T 531.1—2008進行測試；拉伸強度和拉斷伸長率采用電子拉力試驗機按照GB/T 528—2009進行測試，拉伸速率為500 mm·min-1；撕裂強度按照GB/T 529—2008進行測試，拉伸速率為100 mm·min-1。

（3）耐熱空氣老化性能。采用老化烘箱按照GB/T 3512—2014進行測試，老化條件為100 ℃ ×72 h。

（4）動靜剛度比。采用MTS系統(tǒng)公司的MTS 831型彈性體試驗機進行測試，試樣尺寸為Φ50 mm×25 mm，試驗環(huán)境溫度為（23±2） ℃。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

不同填料填充混煉膠的硫化特性如表3所示。

表3 不同填料填充混煉膠的硫化特性

從表3可以看出，炭黑N990膠料的門尼粘度較小，說明其加工性能較好，這是由于炭黑N990具有3種炭黑中最大的粒徑。炭黑N550膠料的Fmax－FL最大，反映其交聯(lián)密度最高，這可歸因于炭黑N550粒徑較小，補強效果好。白炭黑的補強性能低于炭黑，因此白炭黑膠料的交聯(lián)密度最小。

不同用量炭黑N550填充混煉膠的硫化特性如表4所示。

表4 不同用量炭黑N550填充混煉膠的硫化特性

從表4可以看出，隨著炭黑N550用量增大，膠料的門尼粘度增大，F(xiàn)max－FL也增大，這是因為更多的炭黑傾向于團聚，同時也會形成更多的物理交聯(lián)點。

炭黑N774與白炭黑并用填充混煉膠的硫化特性如表5所示。

表5 炭黑N774與白炭黑并用填充混煉膠的硫化特性

從表5可以看出，當固定炭黑N774用量為10份時，隨著白炭黑用量逐漸增大，膠料的門尼粘度和交聯(lián)密度增大。

2.2 物理性能

不同填料填充硫化膠的物理性能如表6所示。

表6 不同填料填充硫化膠的物理性能

從表6可以看出，最小填料用量的炭黑N550膠料反而表現(xiàn)出最高的硬度和拉斷伸長率，這可歸因于炭黑N550的粒徑小，補強效果好。此外，炭黑N990膠料的拉伸強度、撕裂強度與拉斷伸長率均顯著小于其余膠料，這與炭黑N990粒徑大、比表面積小、膠料交聯(lián)密度低有關。

不同用量炭黑N550填充硫化膠的物理性能如表7所示。

表7 不同用量炭黑N550填充硫化膠的物理性能

從表7可以看出，隨著炭黑N550用量增大，膠料的硬度、定伸應力和撕裂強度增大，拉斷伸長率減小，這是由于炭黑N550與橡膠分子鏈之間形成了更多的物理交聯(lián)點。當炭黑N550用量為30份時，硫化膠的拉伸強度最大，繼續(xù)增大炭黑N550用量，拉伸強度減小，這可歸因于高用量時炭黑粒子間距離更近，更易發(fā)生團聚而形成缺陷。

炭黑N774與白炭黑并用填充硫化膠的物理性能如表8所示。

表8 炭黑N774與白炭黑并用填充硫化膠的物理性能

從表8可以看出，當炭黑N774用量為10份時，隨著白炭黑用量增大，硫化膠的拉伸強度無明顯變化，撕裂強度總體呈增大趨勢。由于白炭黑與橡膠分子鏈間形成更多的物理交聯(lián)點，因此硫化膠的硬度與定伸應力增大，拉斷伸長率減小。對比C0S38與C10S30配方硫化膠的物理性能發(fā)現(xiàn)，在總填料用量接近的情況下，兩者具有相近的硬度與定伸應力，但純白炭黑填充硫化膠的拉伸強度明顯高于白炭黑與炭黑N774并用填充硫化膠。

2.3 耐老化性能

單一填料填充硫化膠的耐老化性能如表9所示。

表9 單一填料填充硫化膠的耐老化性能 %

從表9可以看出，炭黑N990膠料的拉伸強度保持率最大、拉斷伸長率保持率較大，耐老化性能優(yōu)于炭黑N774和N550膠料，這可能是由于填料粒徑小，更容易在高溫老化過程中發(fā)生再聚集，導致膠料性能下降。白炭黑膠料的耐老化性能優(yōu)異，拉伸強度保持率僅次于炭黑N990膠料。炭黑N550用量對膠料耐老化性能的影響無明顯規(guī)律，當炭黑N550用量為20或40份時，膠料的耐老化性能較好。

2.4 動靜剛度比

不同硫化膠的動靜剛度比如圖1所示。

圖1 不同硫化膠的動靜剛度比

從圖1（a）可以看出，對于單一填料填充體系，硫化膠的動靜剛度比從大到小依次為A-30，B，C，D。研究表明，膠料的動靜剛度比本質上是源于其滯后損失。膠料的滯后損失主要歸因于橡膠分子鏈間的摩擦、橡膠分子鏈與填料間的摩擦、填料間的摩擦。炭黑粒徑越大，填料間相互作用越小，不易形成填料網絡，滯后損失也越小。白炭黑填充膠料的滯后損失小，動靜剛度比也較小。從圖1（b）可以看出，隨著炭黑N550用量的增大，硫化膠的動靜剛度比增大，這可歸因于填料間摩擦的增大，粘彈滯后現(xiàn)象明顯。從圖1（c）可以看出，隨著白炭黑用量的增大，硫化膠的動靜剛度比增大。

不同硫化膠的動靜剛度比-硬度曲線如圖2所示。

圖2 不同硫化膠的動靜剛度比-硬度曲線

從圖2可以看出，炭黑N774與白炭黑并用硫化膠的動靜剛度比隨著硬度增大而增大。在相同硬度下，純白炭黑填充硫化膠的動靜剛度比小于炭黑N774與白炭黑并用填充硫化膠，這與白炭黑的補強作用弱于炭黑有關。

3 結論

（1）隨著炭黑粒徑的增大，填料補強效果降低，膠料的門尼粘度和交聯(lián)密度減小，硫化膠的耐老化性能提高，動靜剛度比減小。

（2）隨著炭黑N550用量的增大，硫化膠的硬度、定伸應力和撕裂強度提高，動靜剛度比增大，當炭黑N550用量為30份時，硫化膠的拉伸強度最大，但耐老化性能較差。

（3）對于炭黑N774與白炭黑并用填充體系，隨著白炭黑用量增大，膠料的門尼粘度和交聯(lián)密度增大；硫化膠的拉伸強度無明顯變化，撕裂強度總體提高，動靜剛度比顯著增大。

（4）在相同硬度下，純白炭黑填充硫化膠的動靜剛度比小于炭黑N774與白炭黑并用填充硫化膠。