天然橡膠/再生膠復合材料性能及在空氣彈簧中的應用*

2019-08-19 10:17:40呂寧寧林廣義劉彥昌

彈性體 2019年4期

呂寧寧，林廣義**，王佳，王宏，劉彥昌

(1.青島科技大學機電工程學院，山東青島 266061；2.山東省高分子材料先進制造重點實驗室，山東青島 266061)

空氣彈簧是通過在密閉的空間容器中充入空氣，利用空氣的可壓縮性實現彈性作用的一種非金屬彈簧[1-3]。在車輛懸掛系統中,空氣彈簧是關鍵部件，具有優良的彈性特性和良好的高度自適應性，可以降低車輛的自振頻率，確保車輛的地板面高度不隨載荷的變化而變化，且具有良好的吸振、隔振性能等，對提高車輛的乘座舒適性和減小噪聲有較好的效果[4-6]。

空氣彈簧主要由上、下蓋板和橡膠囊體組成。橡膠囊體是主要承受拉伸-壓縮循環作用力部件，由內層橡膠(氣密層)、外層橡膠、簾線層和成型鋼絲圈硫化而成。常用的空氣彈簧有囊式空氣彈簧、膜式空氣彈簧和混合式空氣彈簧三種[7-11]。

為了提高空氣彈簧外層膠的疲勞性能，黃良平等[12]主要探討了不同氯丁橡膠牌號、硫化體系、防護體系等對空氣彈簧物理機械性能、耐曲撓、耐老化、耐臭氧性能的影響，最后確定了空氣彈簧的優化配方，結果表明，用氯丁橡膠制備的空氣彈簧性能要優于天然橡膠(NR)試制的空氣彈簧。高茜等[13]研究了再生膠用量、硫化體系用量、防焦燒劑用量對混煉膠性能的影響，結果表明，加入20～30份的天然再生膠粉、4.45份硫化體系、0.3份防焦燒劑，可以使混煉膠的力學性能、耐疲勞、耐老化以及工藝安全性能得到保證。

本文通過無轉子流變儀、橡膠加工分析儀、動態熱機械分析儀、耐臭氧老化箱、曲撓試驗機等研究了空氣彈簧物理機械性能、耐老化性能、耐疲勞性能，確定了添加再生膠粉的用量，對空氣彈簧低成本配方的設計具有指導意義。

1 實驗部分

1.1 原料

NR：工業級，泰國詩董橡膠廠；炭黑N330：工業級，天津卡博特有限公司；再生膠粉：粒度為1.25～1.90 mm，市售；其他原料均為市售。

1.2 儀器及設備

開煉機：BL-6157型，東莞寶倫精密檢測儀器有限公司；平板硫化機：QLB-400×400×2型，上海第一橡膠機械廠；無轉子硫化儀：M2000AN型，中國臺灣高鐵測試儀器有限公司；拉伸試驗機：TS2005b型，臺灣聯通科技有限公司；橡膠加工分析儀(RPA)：RPA2000型，美國阿爾法科技公司；動態力學分析儀(DMA)：EPLEXOR 150 N型，德國GABO公司；曲撓試驗機：WPL-100型，揚州市韌恒機械廠；耐臭氧老化箱：HT/QL-100 型，北京恒泰豐科試驗設備有限公司。

1.3 實驗配方

實驗配方(質量份)為：NR 100，N330 30，ZnO 5，硬脂酸 2，石蠟 1，防護蠟 1,防老劑4010 2，防老劑RD 1，Si69 1，C5樹脂 4，硫磺 2，促進劑NOBS 1，促進劑DM 1，芳烴油 1，再生膠粉變量(0、5、10、20、30)。

1.4 混煉工藝

1.4.1 混煉

(1)將稱重好的NR開煉并切成細條；(2)在密煉機中加入NR(溫度為90 ℃，轉速為80 r/min)混煉1 min；(3)加入抗老化劑、石蠟、樹脂等小料混煉1 min；(4)依次加入N330混煉1 min；(5)最后加入芳烴油混煉1 min；(6)混合均勻后排出膠料。

1.4.2 開煉

在膠料冷卻后(一般冷卻2～3 h)，將其置于開煉機中并調節至最小輥筒距離。當膠料在開煉機的頂部堆積時，加入促進劑NOBS和DM、ZnO、硫磺。當硫化體系混合均勻后，薄通8～10次，然后下片冷卻8 h。

將混煉膠放入模具中，在平板硫化機(溫度為150 ℃，壓力為10 MPa，時間為1.3×tc90)上硫化，硫化完成后待用。

1.5 性能測試

1.5.1 硫化特性

采用臺灣高鐵公司生產的無轉子硫化儀進行測試，測試溫度為150 ℃，測試時間為1.3×tc90，頻率為1.66 Hz。

1.5.2 物理機械性能

拉伸性能按照GB/T 528—2009進行測試；邵爾A硬度按照GB/T 531—2009進行測試；將硫化膠裁片后放入70 ℃的熱氧老化箱中，老化96 h，測試老化前后性能變化率。

1.5.3 曲撓性能

曲撓性能按照HG 4—836進行測試，將硫化膠裁片后放入曲撓試驗機中，設定曲撓次數，依次增加曲撓次數，記錄出現裂口的等級。

1.5.4 RPA測試

RPA應變掃描:溫度為120 ℃，頻率為0.1 Hz,應變范圍為0.7%～70%；RPA頻率掃描：溫度為120 ℃，應變為7%，頻率為0.1～15 Hz。

1.5.5 DMA測試

溫度掃描時采用拉伸模式，頻率為10 Hz，靜態應變為5%，靜態應力為70 N，動態應變為0.25%，動態應力為60 N，溫度范圍為-65～65 ℃，升溫速率為2 ℃/min。

1.5.6 耐臭氧老化性能

耐臭氧老化箱溫度為40 ℃，時間為48 h,臭氧體積分數為0.47%。

1.5.7 成品疲勞性能

為檢測本配方膠料制備的空氣彈簧疲勞性能，將隨機抽取兩個成品，采用哈迪斯公司研發的雙工位空氣彈簧疲勞試驗機對成品進行檢測。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

由圖1可以看出，再生膠粉用量增加，焦燒時間(tc10)和正硫化時間(tc90)減少，這是因為再生膠粉的加入使膠料的含膠率降低，使膠料的交聯密度降低。未加入再生膠粉，膠料的tc90最長，硫化速度最慢，產品的加工效率最低，能耗較高。加入多份再生膠粉后，膠料的硫化速度加快，硫化時間縮短，能耗降低。

再生膠粉用量/份圖1 再生膠粉用量對膠料硫化性能的影響

2.2 物理機械性能

由表1可以看出，在保證混煉膠具有較好的物理機械性能、耐老化性能的前提下，為了節約生產成本，可加入再生膠粉的用量為20～30份。

表1 再生膠粉用量對膠料物理機械性能及老化性能的影響

2.3 RPA測試

2.3.1 RPA應變掃描

RPA應變掃描見圖2。

應變/%(a)

應變/%(b)圖2 不同再生膠粉用量下混煉膠RPA應變掃描

由圖2(a)可以看出，隨著加入再生膠粉用量的增加，混煉膠的彈性模量(G′)增大，說明加入再生膠粉，使得混煉膠的彈性變差，越來越難加工。加入20～30份再生膠粉，混煉膠的加工性最差，在生產中可以通過增加混煉時間來改善膠料混煉的均勻性。由圖2(b)可以看出，加入多份再生膠粉后，混煉膠的損耗因子(tanδ)減小，tanδ表征膠料分散性的好壞，未加再生膠粉的混煉膠，tanδ最大，膠料的分散性能最好，產品的性能也最好。

2.3.2 RPA頻率掃描

RPA頻率掃描見圖3。

頻率/Hz(a)

頻率/Hz(b)圖3 不同再生膠粉用量下混煉膠RPA頻率掃描

由圖3可以看出，隨著頻率的增加，G′增大，tanδ減小，原因是在NR中加入再生膠粉后，再生膠粉以微小的顆粒均勻地分散在膠料中，再生膠粉在橡膠基體中占據自由體積，使鏈段的活動能力下降，G′增大。通過再生膠粉粒子與NR以及其他組分良好地結合，使得膠料的黏結性、延伸性提高。隨著外力場頻率的增加，混煉膠中的鏈段活動能力越來越低，運動被凍結，相當于橡膠的玻璃態，因而G′逐漸增大，tanδ逐漸減小[14-17]。

2.3.3 RPA老化性能

將混煉膠放入熱氧老化箱中(溫度為100 ℃，時間為24 h)進行老化，老化前后G′的比值反映老化性能的好壞，比值大，分子鏈斷裂不嚴重，說明老化性能越好[18]。由圖4可以看出，隨著應變的增加，曲線呈下降趨勢，未加再生膠粉的膠料抗老化性能最好，加入再生膠粉后膠料的抗老化性能下降，隨著再生膠粉用量的增加，抗老化性能也越來越差。

應變/%圖4 不同再生膠粉用量下膠料老化前后G′的比值

2.4 DMA測試

不同再生膠粉用量下硫化膠的tanδ-溫度曲線如圖5所示。曲線峰頂對應的溫度為玻璃轉化溫度(Tg)。由圖5(a)可知，加入再生膠粉后，硫化膠的曲線峰值減小，Tg向左偏移且偏移程度隨著再生膠粉用量增大而增大，加入再生膠粉使硫化膠的分子鏈運動提前被凍結。0 ℃和60 ℃的tanδ值可以表征膠料的抗濕滑性能和滾動阻力性能[19]。由圖5(b)可知，在0 ℃時，未加再生膠粉和加入20份再生膠粉的tanδ值相差不大，這可以說明加入再生膠粉后，硫化膠的抗濕滑性能略微下降。

溫度/℃(a)

溫度/℃(b)圖5 不同再生膠粉用量下硫化膠的tan δ-溫度曲線

2.5 成品疲勞性能

采用哈迪斯公司自主研發的雙工位空氣彈簧疲勞試驗機對空氣彈簧成品進行疲勞測試，結果如表2所示。空氣彈簧在測試前以及測試期間，每24 h進行一次氣密性檢查，測量壓力和最大外徑。當24 h中壓力降低0.1 MPa或出現簾線外露時，即認為空氣彈簧出現疲勞失效。由表2可知，此配方生產的空氣彈簧成品，疲勞壽命達到650萬次左右，各項性能符合國家標準。