EPDM吊耳的動靜剛度比影響因素分析

魏海東，袁繼賢，張潤譜，張瑞造

（1.浙江豐茂科技股份有限公司，浙江 余姚 315403；2.長沙永昌車輛零部件有限公司，湖南 長沙 410000；3.天津中和膠業有限公司，天津 301721）

橡膠吊耳通常用于汽車發動機排氣系統，與發動機尾氣出口相連接。發動機排氣系統溫度非常高，同時受到與發動機點火頻率一致的高頻率激勵。吊耳作為排氣系統的承重和隔振部件，起到隔離排氣管振動與限制排氣管位移的作用[1-3]。因此，橡膠吊耳必須要具有一定的剛度和強度，才能在高溫環境下長久地工作。橡膠吊耳的基本性能需包括合理的動靜剛度比、優異的耐熱性能、較高的抗拉強度和較長的使用壽命[4]。

吊耳一般采用三元乙丙橡膠（EPDM），EPDM具有很高的強度、優異的耐熱性能和化學穩定性、良好的耐候性能和耐臭氧性能，可在高低溫環境下長期使用，并且具有適應各種惡劣氣候的能力，被廣泛應用于各種減振產品中[5-8]。

靜載荷下抵抗變形的能力稱為靜剛度，動載荷下抵抗變形的能力稱為動剛度。如果干擾力變化很慢，即干擾力的頻率遠小于結構的固有頻率，動剛度與靜剛度基本相同。橡膠彈性體的動剛度一般大于靜剛度，動靜剛度比越趨近于1，振動傳遞效果越好。如果干擾力變化極快，即干擾力的頻率遠大于結構的固有頻率，結構變形較小，動剛度較大，相應動靜剛度比就較大[9-11]。當干擾力的頻率與結構的固有頻率相近時，會出現共振現象，此時動剛度最小，最易變形，其動變形可達靜變形的幾倍乃至十幾倍[12-13]。

后吊耳產品結構如圖1所示。目前橡膠吊耳通常采用注射工藝一體成型，模具分為上模、中模和下模。為確保橡膠吊耳的動靜剛度比在線可控，本工作在配方設計階段分析動靜剛度比的影響因素。

圖1 后吊耳產品的結構

1 實驗

1.1 主要原材料

EPDM（充100份油），牌號Keltan 4869C，阿朗新科高性能彈性體（常州）有限公司產品；牌號4045M，上海中石化三井彈性體有限公司產品。炭黑N550，青州市博奧炭黑有限責任公司產品。高補強白炭黑，安徽阜陽利普化工有限公司產品。過氧化物硫化劑BIBP-40，天津阿克蘇諾貝爾有限公司產品。

1.2 配方

試驗配方如表1所示。因為本研究產品較大，且生產模具為多腔注射模具，對膠料流動性要求比較高，因此5#配方添加了防焦劑，主要為了延長焦燒時間，改善膠料流動性。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

5 L密煉機和KL-10型開煉機，中國臺灣佰弘機械有限公司產品；XLB350×350×3型平板硫化機，青島海能機械制造有限公司產品；300 t注射成型機，磐石油壓工業股份有限公司產品；INJ-300T-FIFO型硫化儀和UT-2080型電子拉力實驗機，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品；LX-A型橡膠硬度計，上海六菱儀器廠產品；GT7017-ELU型精密高溫試驗機，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產品；MTS831型動靜剛度試驗機，美特斯工業系統（中國）有限公司產品。

1.4 試樣制備

膠料按一步法進行混煉，混煉在密煉機中進行，出片在開煉機上操作。先將兩種牌號EPDM在密煉機中混合，然后加小料，加壓0.5 MPa，混煉60 s，轉速為40 r·min-1；加炭黑和石蠟油，加壓0.5 MPa，混煉到130 ℃，轉速為40 r·min-1；提壓砣，排氣，降溫至70 ℃，轉速為25 r·min-1；加入硫化體系，加壓0.5 MPa，混煉到100 ℃，轉速為25 r·min-1；混煉均勻后排膠，在開煉機上薄通3遍，出片（80 mm×8 mm長條）。

膠料測試用試片在XLB350×350×3型平板硫化機上硫化，硫化條件為160 ℃/20 MPa×20 min；產品測試用吊耳在300 t注射成型機上硫化，硫化條件為160 ℃/20 MPa×20 min。

1.5 性能測試

動靜剛度比按照GB/T 9870.1—2006《硫化橡膠或熱塑性橡膠動態性能的測定 第1部分：通則》進行測試，靜剛度試驗條件為試驗溫度（20±3）℃，加載范圍 0～18 mm，測試速度 10 mm·min-1，預加載3次，計算取值變形范圍 2～8 mm；動剛度試驗條件為預加載 22 N，施加頻率0～300 Hz，振幅 ±0.1 mm。

其余各項性能均按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 硫化體系對EPDM硫化膠物理性能的影響

硫化體系對EPDM硫化膠物理性能的影響如表2所示。

表2 硫化體系對EPDM硫化膠物理性能的影響

從表2可以看出，采用硫黃硫化體系的1#配方硫化膠的壓縮永久變形勉強符合要求，但150 ℃的耐熱性能較差。這是因為硫化體系對EPDM硫化膠的耐熱性能和壓縮永久變形有很大影響，過氧化物硫化體系可產生碳-碳交聯鍵，能夠形成穩定的交聯網絡，因此，用過氧化物硫化的EPDM硫化膠的耐熱性能優于用硫黃硫化的EPDM硫化膠，且壓縮永久變形較小。

2.2 動靜剛度比的影響因素

硫化體系、補強體系、含膠率和交聯密度對EPDM吊耳產品的靜剛度、動剛度和動靜剛度比的影響如表3所示。

表3 硫化體系、補強體系、含膠率和交聯密度對EPDM吊耳產品靜剛度、動剛度和動靜剛度比的影響

2.2.1 硫化體系

從表3可見，在0～180 Hz低頻條件下，1#和2#配方產品的動靜剛度比差別較小，在180～300 Hz高頻條件下，1#和2#配方產品的動剛度差別較大。

2.2.2 補強體系

與天然橡膠高自補強性不同，EPDM必須加入足夠的補強劑才能獲得較高的強度和剛度。在炭黑補強EPDM膠料中添加部分白炭黑可以改善膠料的耐疲勞性能和抗撕裂性能。補強體系對EPDM膠料的動靜剛度比、阻尼性能和滯后性能影響較大。補強粒子與EPDM大分子鏈段間的內摩擦會使膠料的阻尼增大。補強粒子粒徑越小，比表面積越大，則補強粒子與橡膠分子的接觸面越大，物理結合點越多，觸變性越強，在動態應變中產生的滯后損失和補強粒子間的摩擦也越大，表現出阻尼因數、動剛度和靜剛度均較大。

從表3可以看出，在0～180 Hz低頻條件下，添加高補強白炭黑的4#配方產品與3#配方產品的動靜剛度比相近，但在180～300 Hz高頻條件下，4#配方產品的動剛度較大，這是因為高補強白炭黑的比表面積比炭黑N550大。

2.2.3 含膠率

含膠率對產品的動靜剛度比有很大影響。一般來說，在硬度相同的情況下，含膠率越高，橡膠分子間內摩擦越大，在高頻條件下的動剛度越大。但在高頻條件下動剛度過大容易引起共振。通常降低含膠率可以減小動剛度，這是因為補強劑用量增大會相應地減小橡膠分子間的內摩擦，橡膠與炭黑之間的摩擦變大，導致滯后損失增大，阻尼增大，動靜剛度比也相應增大。

分別對比表3中硬度相同的1#配方和3#配方以及4#配方和6#配方，含膠率越高，在180～300 Hz高頻條件下動剛度越大。4#配方與3#配方相比增加了白炭黑用量，0～180 Hz低頻條件下的動剛度減小，但180～300 Hz高頻條件下的動剛度不符合要求。因此5#配方增大了高補強白炭黑和石蠟油用量，降低了含膠率，以獲得理想的剛度性能。

2.2.4 交聯密度

從物理性能和動態性能考慮，如果只增大硫化劑的用量可以提高交聯密度，使膠料的剛度增大，阻尼因數和動靜剛度比減小。但過度交聯會使膠料的強度下降，疲勞壽命縮短，因此應嚴格地控制硫化劑的用量。針對過氧化物硫化體系，如果增大硫化劑用量的同時適當減小助交聯劑的用量，再結合高補強白炭黑的特點，能夠很好地平衡膠料的交聯密度。本研究用100%定伸應力表征交聯密度。

與4#配方產品相比，6#配方產品的過氧化物硫化劑用量較大，助交聯劑用量適當減小，比較兩者的動靜剛度比和100%定伸應力可知，過氧化物硫化劑用量比助交聯劑用量對交聯密度有更大影響，交聯程度與0～100 Hz低頻條件下的動靜剛度比呈正相關，在高頻區域也能極大地推遲共振的發生，降低動剛度的最大值。

3 結論

（1）在硬度相同的情況下，配方含膠率越高，EPDM吊耳產品在180～300 Hz頻率區間內的動剛度越大；100%定伸應力越小，在0～100 Hz頻率區間內的動靜剛度比越小。

（2）在適當增大過氧化物硫化劑用量的同時減小助交聯劑用量可以平衡EPDM膠料的交聯密度，使產品獲得合適的動靜剛度比。