合成杜仲橡膠在汽車扭力梁鉸接中的應用

黃 碩，曹 蘭，黃江玲，周言和，高祥達，應 芳，王 亮

（1.東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430058；2.青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042；3.安徽中鼎減震橡膠技術有限公司，安徽 寧國 242300）

杜仲橡膠是一種具有橡塑二重性的優異高分子材料，分為天然杜仲橡膠和合成杜仲橡膠（TPI）兩類。杜仲橡膠與天然橡膠（NR）化學成分相同，但分子結構不同，前者為反式聚異戊二烯，后者為順式聚異戊二烯。杜仲橡膠是典型柔性鏈高分子，熔點低，與其他橡膠并用可明顯降低混煉溫度，大幅降低混煉膠生熱，改善焦燒特性。杜仲橡膠具有與NR相等的碳-碳雙鍵密度，因此可用相同種類和用量的硫化體系，且具有相似的硫化特性。

研究表明，天然杜仲橡膠的反式-1，4-結構含量和結晶度略高于TPI，二者常規物理性能相差不大[1]。少量杜仲橡膠與NR和丁苯橡膠等并用，可在保持膠料各項基本物理性能不變的情況下，明顯降低滾動阻力和生熱，大幅度提升材料的耐磨性能和耐疲勞性能。國內有報道將TPI加入到NR中，大大延長了硫化膠的伸張疲勞壽命[2]。

現代汽車大量使用各種減震橡膠制品以起到減震、降噪、提高舒適性和行駛穩定性的作用[3]，汽車底盤的扭力梁鉸接為其中之一。扭力梁鉸接主要由鋼制外管、鋼制內管和中間的橡膠層構成（見圖1），鋼制外管連接扭力梁，鋼制內管連接車身金屬支架，中間填充NR用于內外管之間的連接和減震。由于乘用車中扭力梁鉸接長期受力，工況惡劣，鉸接中起減震作用的NR膠料長期受到較大的動態應力作用，在車型開發和客戶使用過程中常因動態疲勞而失效。本工作研究杜仲橡膠對扭力梁鉸接耐動態疲勞性能的影響，以促進杜仲橡膠在汽車用減震橡膠件中的應用。

圖1 扭力梁鉸接剖面示意

1 實驗

1.1 主要原材料

TPI，相對分子質量55萬左右，青島第派新材有限公司產品；NR，牌號為SVR3L，玉順貿易有限公司提供；炭黑N339，上海卡博特化工有限公司產品；白炭黑，牌號1165，確成硅化學股份有限公司產品。

1.2 試驗配方

生膠（變NR/TPI并用比） 100，炭黑N339 30，白炭黑 10，偶聯劑Si69 1，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑RD 1.5，防老劑4010NA 2，防老劑4020 2，微晶蠟B-10 2，橡膠分散劑D-4A 2，不溶性硫黃 3，促進劑CZ 1，防焦劑CTP 0.2。

1.3 主要設備和儀器

XSM-1/10～120型密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；XK-160型開煉機和XLB-D型平板硫化機，上海雙翼橡塑機械有限公司產品；MDR2000型無轉子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；GT-GS-MB型邵爾硬度計（A型）、GTTCS-2000型電子拉力試驗機、GT-7042-RE型彈性試驗機、GT-7049型壓縮變形試驗機和GT-7011-DG型屈撓疲勞試驗機（德墨西亞型），中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；MZ-4003B型橡膠立式疲勞試驗機，江蘇明珠試驗機械有限公司產品；EPLEXOR型動態熱機械分析儀，德國GABO公司產品；8 kN·m級液壓伺服試驗設備，德國Schenck公司產品；10 kN級拉壓力傳感器，南京華東電子集團有限公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 膠料的制備

NR母煉膠和TPI母煉膠分別在密煉機中制備，停放16 h后在密煉機中按配比加入NR母煉膠、TPI母煉膠、硬脂酸、防老劑、氧化鋅、石蠟等進行混煉，然后置于開煉機上開煉；停放16 h后加入促進劑和硫化劑等再次混煉。轉子轉速保持在40～50 r·min-1。膠料在平板硫化機上硫化，硫化條件為160 ℃/10 MPa×11 min。

1.4.2 扭力梁鉸接的制備

將NR/TPI混煉膠加入注射機中，注入放有表面磷化處理并涂膠粘劑金屬骨架的模具后硫化成型，硫化條件為160 ℃/10 MPa×11 min。

1.5 測試分析

1.5.1 膠料性能

回彈值按照ASTM D 1054—2002《用回跳擺錘法測定橡膠彈性的實驗方法》進行測試。其余各項性能均按照相應國家標準進行測試，壓縮永久變形采用B型試樣，壓縮率 25%，測試條件100 ℃×22 h；伸張疲勞壽命和永久變形測試伸長率 100%，頻率 5 Hz；動態力學性能測試采用拉伸模式，溫度范圍 -80～＋100 ℃，頻率 3 Hz，升溫速率 3 ℃·min-1，動態應變 2.5%，靜態應變 5%。

1.5.2 產品性能

徑向靜剛度測試條件為：預載 0 N，加載力范圍 -5～＋5 kN，速率 10 mm·min-1，計算范圍 -980～＋980 N。軸向靜剛度測試條件為：預載 0 N，加載力范圍 -3～＋3 kN，速率10 mm·min-1，計算范圍 -980～＋980 N。扭轉剛度測試條件為：加載范圍 0°～15°，速率30 （°）·min-1，計算范圍 0°～1°。

扭力梁鉸接的耐動態疲勞性能采用動態疲勞臺架試驗進行測試，主要試驗設備為8 kN·m級液壓伺服試驗設備和10 kN級拉壓力傳感器，樣品安裝、臺架和加載方式如圖2所示。測試時沿鉸接徑向方向施加5 kN載荷，同時施加扭轉運動，扭轉角度為±5°，頻率為1.8 Hz，試驗次數為100萬，試驗中檢查鉸接的破壞情況，包括橡膠的撕裂、內襯套與橡膠之間的脫離、外襯套與橡膠的脫離等情況。

圖2 扭力梁鉸接疲勞耐久試驗臺架

2 結果與討論

2.1 NR/TPI并用膠性能

2.1.1 物理性能

NR/TPI并用比對并用膠物理性能的影響如表1所示。

從表1可以看出，并用TPI后，NR/TPI并用膠的邵爾A型硬度在TPI用量為20份時略有提高，這是由于20份時TPI未全部參與硫化，仍有部分以微晶狀態存在，而晶體TPI的邵爾A型硬度可達95度，因此表現為硬度增大。撕裂強度表現出隨著TPI用量的增大先升高后降低的趨勢，推測為用量較小時，TPI部分呈現微晶狀態分散在橡膠基體中，可起到阻止撕裂裂紋擴張的作用，但隨著TPI用量的進一步增大，晶體有聚集現象，導致撕裂強度下降。隨著TPI用量的增大，并用膠的拉伸強度、拉斷伸長率和熱空氣老化性能均呈現略微降低趨勢；300%定伸應力、回彈值和壓縮永久變形變化不大。

表1 NR/TPI并用膠的物理性能

2.1.2 耐屈撓疲勞性能

NR/TPI并用比對并用膠耐屈撓疲勞性能的影響如表2所示。

表2 NR/TPI并用膠屈撓疲勞次數 ×10-3

從表2可以看出，并用TPI后，膠料的耐屈撓疲勞性能優于NR膠料，且隨著TPI用量的增大，NR/TPI并用膠出現6級龜裂的屈撓次數先增大后減小，當TPI用量為15份時，并用膠的耐屈撓龜裂性能達到峰值。

2.1.3 伸張疲勞性能

NR/TPI并用比對并用膠伸張疲勞性能的影響如表3所示。

從表3可以看出，并用了TPI后，膠料的伸張疲勞壽命延長，且隨著TPI用量的增大，膠料的伸張疲勞壽命先延長后縮短，當TPI用量為15份時達到最優值，較NR膠料提升15%。從表3還可以看出，NR/TPI并用比為93/7和85/15的并用膠永久變形減小。

表3 NR/TPI并用膠的伸張疲勞性能

2.1.4 動態力學性能

NR/TPI并用比對并用膠動態力學性能的影響如圖3所示，其中tanδ為損耗因子。

圖3 NR/TPI并用膠的動態力學性能曲線

從圖3可以看出，在20～100 ℃溫度范圍內，并用TPI后，膠料的tanδ降低，且在TPI用量為7份時，膠料的tanδ降低最明顯，說明此時TPI/NR并用膠動態疲勞生熱最小，將TPI與NR并用可以降低生熱。

2.2 NR/TPI并用膠在汽車扭力梁鉸接產品中的應用

2.2.1 靜態力學性能

NR/TPI并用比對扭力梁鉸接產品靜態力學性能的影響如表4所示。

表4 扭力梁鉸接產品的靜態力學性能

從表4可以看出，并用TPI后，產品的靜態力學性能變化不明顯，在TPI用量為15份時產品的靜剛度和扭轉剛度均最優。

2.2.2 耐動態疲勞性能

NR/TPI并用比為100/0，93/7，85/15和80/20的扭力梁鉸接的動態疲勞耐久壽命分別為35萬、68萬、92萬和74萬次。可以看出，并用了TPI的扭力梁鉸接產品的耐動態疲勞性能有了顯著提高，且隨著TPI用量的增大，產品的耐動態疲勞性能先增強后減弱，加入15份TPI的產品耐動態疲勞性能最優，達到全NR產品的近3倍。

3 結語

（1）在NR中并用少量TPI，可以在保持原膠料物理性能基本不變的情況下，大幅提高伸張疲勞性能和耐屈撓疲勞性能，并改善內部生熱狀況。

（2）并用TPI可以顯著改善扭力梁鉸接耐動態疲勞性能，在汽車減震橡膠件中應用前景光明。