王 靜，康振冉，王 濤，危銀濤

[1.清華大學(xué) 車(chē)輛與運(yùn)載學(xué)院，北京 100084；2.易瑞博科技（北京）有限公司，北京 100083]

隨著汽車(chē)工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)的乘坐舒適性和平穩(wěn)性等有了更高的要求?？諝鈴椈勺鳛橐环N利用空氣壓縮彈性進(jìn)行工作的柔性彈性密閉容器件，在汽車(chē)的減震、緩沖和高頻隔震方面具有不可替代的作用[1-2]。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的汽車(chē)用空氣彈簧主要為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格較高。從空氣彈簧橡膠氣囊來(lái)看，國(guó)產(chǎn)空氣彈簧橡膠氣囊膠料所用膠種較多，如天然橡膠（NR）、順丁橡膠、氯丁橡膠（CR）、丁苯橡膠及其并用膠，制得的空氣彈簧橡膠氣囊的壁較厚，減震性能較差，而國(guó)外空氣彈簧橡膠氣囊膠料一般使用CR，制得的空氣彈簧橡膠氣囊的壁薄、質(zhì)輕、強(qiáng)度大。

2001年，貴州前進(jìn)橡膠有限公司開(kāi)發(fā)了NR/氯化丁基橡膠并用的客車(chē)空氣彈簧橡膠氣囊膠料的配方，膠料的物理性能和成品性能均達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品水平[3]。黃良平等[4]進(jìn)行了空氣彈簧橡膠氣囊膠料的配方設(shè)計(jì)及空氣彈簧的性能試驗(yàn)，優(yōu)化配方膠料的性能達(dá)到了Contitech公司的空氣彈簧橡膠氣囊膠料的性能指標(biāo)要求。王付勝等[5]優(yōu)化了空氣彈簧橡膠氣囊外層膠的配方，使空氣彈簧橡膠氣囊的耐老化性能得到提高。Vibracoustic公司使用CR膠料，采用注射和編制工藝，生產(chǎn)出強(qiáng)度高、壁超?。?.6 mm）的空氣彈簧橡膠氣囊。

本工作對(duì)汽車(chē)用空氣彈簧橡膠氣囊的NR/CR并用膠與CR膠料的性能進(jìn)行對(duì)比研究，以期開(kāi)發(fā)出能與國(guó)外空氣彈簧性能相當(dāng)?shù)南鹉z氣囊膠料的配方。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，1#煙膠片，泰國(guó)產(chǎn)品；CR，牌號(hào)CR126，德國(guó)朗盛公司產(chǎn)品；炭黑N330，N550和N660，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；白炭黑，山東聯(lián)科白炭黑有限公司產(chǎn)品；偶聯(lián)劑Si69，安徽硅寶有機(jī)硅新材料有限公司產(chǎn)品；氧化鋅和氧化鎂，分析純，山東陽(yáng)谷華泰化工股份有限公司產(chǎn)品；防老劑4020和促進(jìn)劑CBS，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備和儀器

BB-1600IM型密煉機(jī)和BL-6175-AL型開(kāi)煉機(jī)，寶輪精密檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；XLB-D型平板硫化機(jī)，湖州東方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；MDR2000型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；5965型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司產(chǎn)品；SS-8610型橡膠疲勞試驗(yàn)機(jī)，凱爾測(cè)控技術(shù)（天津）有限公司產(chǎn)品。

1.3 試樣制備

膠料分兩段混煉，一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r·min-1，混煉工藝為：生膠和小料→壓壓砣混煉25 s→提壓砣加炭黑和白炭黑→壓壓砣→提壓砣混煉至120 ℃（CR膠料不高于120℃）→壓壓砣→提壓砣混煉至135 ℃（CR膠料不高于120 ℃）→壓壓砣混煉至150 ℃（CR膠料不高于120 ℃）→排膠。二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，膠料包輥后左右割刀1次，加入硫黃和促進(jìn)劑，待吃料完全后，左右割刀3次，減小輥距，打三角包5次，調(diào)大輥距，膠料包輥，表面光滑無(wú)氣泡后下片。

膠料在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為160℃×10 min。

1.4 性能測(cè)試

（1）耐臭氧老化性能：按ISO 1431—1：2004測(cè)試，試驗(yàn)條件為：40 ℃×48 h，相對(duì)濕度 55%，臭氧體積分?jǐn)?shù) 50×10-8。

（2）疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)：對(duì)帶預(yù)制裂口的疲勞測(cè)試試樣（如圖1所示）進(jìn)行動(dòng)態(tài)循環(huán)加載試驗(yàn)，通過(guò)控制試樣內(nèi)裂尖部位的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力，并跟蹤裂紋擴(kuò)展軌跡，得到試樣的疲勞裂紋增長(zhǎng)速率與撕裂能之間的關(guān)系曲線，測(cè)試條件為：試樣尺寸

圖1 帶預(yù)制裂口的疲勞測(cè)試試樣Fig.1 Fatigue test specimen with prefabricated crack

150 mm×15 mm×2 mm，預(yù)制缺口長(zhǎng)度 25 mm，循環(huán)載荷頻率 10 Hz，試驗(yàn)溫度 23 ℃。對(duì)同一配方膠料取3個(gè)試樣進(jìn)行重復(fù)性裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。試驗(yàn)過(guò)程中逐步提高循環(huán)控制最大撕裂能，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展形態(tài)。

（3）其他性能均按照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠料的配方設(shè)計(jì)

空氣彈簧橡膠氣囊的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，在膠料混煉后需要經(jīng)過(guò)壓延、成型、烘坯和裝模硫化等工藝過(guò)程制成，因此要求膠料的焦燒時(shí)間長(zhǎng)、壓延時(shí)不粘輥以及成型時(shí)有粘性等?？諝鈴椈上鹉z氣囊可采用層芯噴注工藝制備，該工藝較為簡(jiǎn)單，操作方便，且生產(chǎn)的橡膠氣囊的壁較薄。

2.1.1 NR/CR并用膠的配方

NR/CR并用膠的配方見(jiàn)表1。

表1 NR/CR并用膠的配方 份Tab.1 Formulations of NR/CR blends phr

2.1.2 CR膠料的配方

CR膠料的配方（B配方，用于外層膠、簾布層膠、內(nèi)層膠）（用量/份）：CR 100，炭黑N330 12，炭黑N550 15，白炭黑 10，氧化鋅 5，氧化鎂4，硬脂酸 1，防老劑4020 3，微晶蠟 1.5，促進(jìn)劑CBS 1.5，其他 11。

2.2 膠料的性能

2.2.1 硫化特性和物理性能

不同配方膠料的硫化特性和物理性能見(jiàn)表2。

表2 不同配方膠料的硫化特性和物理性能Tab.2 Vulcanization characteristics and physical properties of compound with different formulations

從表2可以看出，與NR/CR并用膠相比，CR膠料的t90和硬度相近，300%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度增大，粘合性能和耐熱老化性能提高。

2.2.2 耐疲勞性能

在100%應(yīng)變下，不同配方膠料的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線如圖2所示。

圖2 不同配方膠料的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線Fig.2 Fatigue crack growth curves of compounds with different formulations

從圖2可以看出，配方B膠料的耐疲勞性能最好，配方A3硫化膠最差。可見(jiàn)CR膠料的耐疲勞性能優(yōu)于NR/CR并用膠。

不同配方膠料的疲勞裂紋增長(zhǎng)速率-撕裂能曲線如圖3所示，G為撕裂能（J·m-1），C為裂紋長(zhǎng)度（mm），N為疲勞次數(shù)。

圖3 不同配方膠料的疲勞裂紋增長(zhǎng)速率-撕裂能曲線Fig.3 Fatigue crack growth rate-tear energy curves of compounds with different formulations

從圖3可以看出，在裂紋增長(zhǎng)速率迅速增大的區(qū)域[6-10]，NR/CR并用膠的裂紋急劇增大，說(shuō)明撕裂能增大到一定程度后，可能是NR/CR界面處不牢固，使得膠料的抗疲勞破壞能力大大減小[11-14]。

不同配方膠料的疲勞極限曲線如圖4所示。膠料常處于大變形狀態(tài)，若平均應(yīng)變保持在0.5以上，從圖4可知控制應(yīng)變振幅在0.5以下時(shí)CR膠料的疲勞壽命仍能達(dá)到10萬(wàn)次；應(yīng)變振幅在0.2以下時(shí)，不管是CR膠料，還是NR/CR并用膠，膠料的疲勞壽命都可達(dá)到100萬(wàn)次。

圖4 不同配方膠料的疲勞極限曲線Fig.4 Fatigue limit curves of compounds with different formulations

2.3 空氣彈簧橡膠氣囊

目前，CR膠料及NR/CR并用膠在空氣彈簧橡膠氣囊中的應(yīng)用均處于產(chǎn)品試制階段。NR/CR并用膠采用傳統(tǒng)壓延工藝制備橡膠氣囊，預(yù)期生產(chǎn)出的橡膠氣囊的壁厚約為2 mm，CR膠料采用層芯噴注工藝制備橡膠氣囊，預(yù)期生產(chǎn)出的橡膠氣囊的壁厚約為1.6 mm。

3 結(jié)論

本研究配方的汽車(chē)用空氣彈簧橡膠氣囊膠料的物理性能良好，CR膠料的性能優(yōu)于NR/CR并用膠，兩種配方膠料均用于樣品試制。NR/CR并用膠和CR膠料分別采用傳統(tǒng)壓延工藝和層芯噴注工藝生產(chǎn)空氣彈簧橡膠氣囊。