停放時間對空氣彈簧用氯丁橡膠粘合性能的影響

李 楠，吳明生

（青島科技大學高分子科學與工程學院，山東 青島 266042）

0 前 言

現今高鐵車輛中應用最廣泛、最重要的減振部件之一就是高分子材料空氣彈簧。自誕生之日起，研究者就一直努力提高空氣彈簧的使用壽命，而影響空氣彈簧使用壽命的主要是氣囊的壽命。雖然隨著科技的進步、氣囊材料的改進，氣囊的使用壽命得到了大幅提高，但是從空氣彈簧破壞的統計數據來看，還是集中在氣囊上（約占90%）?？諝鈴椈傻钠茐闹饕幸韵聨追N形式：（1）密封不牢導致氣囊從上下蓋板脫落；（2）氣囊在與上下蓋板的連接處疲勞斷裂；（3）受外界硬物沖擊破壞；（4）局部磨損破壞，主要發生在約束膜式的空氣彈簧上；（5）上下蓋板等受力產生裂紋；（6）其他破壞形式，主要是指空氣彈簧附件的破壞，如電磁閥失靈、控制系統失效、連接管路漏氣等[1]。

由于氯丁橡膠具有優異的耐老化性能，因此空氣彈簧通常使用氯丁橡膠（CR）作為橡膠基體。CR不能單獨使用硫磺硫化體系，通常采用的是氧化鋅、氧化鎂過氧化物硫化體系[2]。研究了停放時間對CR膠片粘合性能的影響，即對空氣彈簧氣囊粘合性能的影響，為延長空氣彈簧的使用壽命提供參考。

1 試 驗

1.1 原料

氯丁橡膠，S-40V，日本電氣化學公司產品；炭黑，N330、N774，陜西黑貓炭黑產品；氧化鎂，萊陽經濟技術開發區精細化工廠產品；全精煉蠟58號、微晶蠟Antilux654、硬脂酸（SA）、防老劑A、芳烴油，均為橡膠工業市售品。

1.2 儀器設備

DGG-9053A型電熱恒濕鼓風干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司；X(S)-160A型雙輥開煉機，青島化工機械廠；GT-M2000-A型密閉模無轉子硫化儀，臺灣高鐵科技股份有限公司；LCM-3C2-G03-LM型平板硫化機，深圳佳鑫電子設備科技有限公司；尼康SMZ1500體視顯微鏡，蘇州歐米特光電科技有限公司；JSM7500F掃描電鏡，日本JEOL公司。

1.3 基本配方

基本配方（單位：份）：CR，100.00；氧化鋅，6.25；氧化鎂，4.00；硬脂酸，0.80；防老劑A，3.00；N330，30.00；N774，23.00；全精煉蠟58號，1.00；Antilux654，1.50；芳烴油，10.00。

1.4 混煉膠的制備

采用雙輥開煉機制備氯丁橡膠混煉膠，混煉工藝如下：首先在開煉機上加入CR；待膠料包輥后，依次加入小料氧化鎂、硬脂酸、全精煉蠟、Antilux654、芳烴油、防老劑A；混煉均勻后加入炭黑，左右割膠各5次；混煉均勻后加入氧化鋅，調整輥距為最小，打三角包6次，下片。

1.5 硫化膠的制備與剝離

為考察不同停放時間對硫化膠粘合性能的影響，確定試驗方案如下：（1）1#試樣室溫存放1 d；（2）2#試樣室溫存放2 d；（3）3#試樣室溫存放3 d；（4）4#試樣室溫存放6 d；（5）5#試樣室溫存放12 d。本次試驗采用的方法是用一定的負荷對定寬定長的兩試片均勻施加作用力, 然后在恒定剝離速度下測定剝離強度。

試樣制備方法如下：

（1）取膠料，用開煉機以1:1速比壓成1.0 mm厚膠片,一面用0.2 mm聚乙烯（PE）膜作為保護層，另一面作為硫化粘貼面向上放置在密閉容器中，以防止表面污染。

（2）分別按預定方案處理后,將上述停放條件的膠片裁成長11.3 cm、寬8.2 cm試樣5組，將兩膠片粘合面間夾一規格為長9 cm、寬5 cm PE薄膜，該長方形薄膜隔離部分即為剝離實驗夾具夾持部分，硫化后將膠片用氣壓自動切片機裁切成長11.3 cm、寬2.7 cm的待測試樣。在強力拉力機上以50 mm/min的速度剝離。

1.6 分析與測試

（1）伸張疲勞測試

伸張疲勞性能按照GB/T 1688—2008在MZ4003B型橡膠立式疲勞試驗機上進行測試，拉伸速率為300次/min，形變量為100%。

（2）剝離性能測試

對硫化后的粘合試樣進行剝離測試，速度50 mm/min。

（3）體視顯微鏡測試

對硫化膠切斷面進行表征。

（4）掃描電鏡測試

對硫化膠拉伸試樣斷面噴金后進行掃描。

2 結果與討論

2.1 伸張疲勞測試

圖1是不同停放時間硫化膠的伸張疲勞性能測試。由圖1可知，隨著停放時間的延長，硫化膠的耐伸張疲勞性能呈現山峰型趨勢。最佳停放時間為2 d，此時的 2#試樣耐伸張疲勞性最好，耐伸張疲勞次數約為110萬次；3#、4#、5#試樣耐疲勞性依次變差，依次為100.67萬次、98.97萬次、88.32萬次；1#試樣耐伸張疲勞性最差，約為85萬次。分析認為，2 d的停放時間有利于減小膠料的收縮率，有利于膠料性能的均勻和穩定，還能使膠料中的應力得到松弛。對3#、4#、5#試樣來說，停放時間過長，膠料內部配合助劑析出量增大，從而影響了膠料間的粘合，縮短了產品的使用壽命。

圖1 不同停放時間CR硫化膠的伸張疲勞性能測試

2.2 剝離性能測試

圖2 是停放了不同時間的CR硫化膠的剝離強度。由圖2可知，混煉膠片停放一段時間后硫化，硫化后膠片間的剝離強度呈現先增大后減小的趨勢。停放時間為2 d時，硫化膠片（即2#試樣）的剝離性能最好，為146.4 N-1。3#、4#、5#試樣的剝離強度逐漸降低，分別為142.3 N-1、131.7 N-1、120.8 N-1。這主要是由于膠料中起防護作用的石蠟析出所致。隨著停放時間的延長，防護蠟在橡膠中的溶解度減小，會大量遷移到混煉膠表面，在表面析出的石蠟會影響膠片進一步的粘合。2#試樣的剝離強度優于1#試樣的，這是因為石蠟析出需要一定的時間，并且適當的停放時間有利于減小膠料的收縮率，有利于膠料性能的均勻和穩定，還能使膠料中的應力得到松弛。

圖2 停放不同時間的CR硫化膠的剝離強度

2.3 體視顯微鏡與掃描電鏡分析

使用氣壓自動切片機將4#膠片橫向切斷，并用體視顯微鏡進行觀察，結果如圖3（a）所示，在硫化后膠片中央部位發現有明顯的白色痕跡出現。這可能是因為膠片停放時，由于配合劑在空氣中以及橡膠中的溶解度不同，在膠料內部會有配合劑向膠料表面運動，在橡膠未硫化前在表面大量析出，在兩膠片貼合硫化后在中間形成噴出層。對該痕跡進行掃描電鏡觀察發現，該層具有大量片層狀結構[圖3（b）、（c）]，結合配方分析，該析出物符合石蠟析出的特征。

3 結 論

（1）停放時間對CR膠片粘合性能具有較大影響，當停放時間為2 d時，膠片剝離強度和伸張疲勞性能最佳。

（2）隨著停放時間的延長，石蠟會在硫化膠斷面大量析出，影響硫化膠的剝離性能與耐伸張疲勞性能。

圖3 停放時間為6 d的CR硫化膠（4#）的體視顯微鏡照片和掃描電鏡照片

[1]張利國, 張嘉鐘, 賈力萍, 等. 空氣彈簧的現狀及其發展[J]. 振動與沖擊, 2007, 26(2): 146-151.

[2]劉印文, 劉振華. 氯丁橡膠配合, 加工與應用[M]. 北京：化學工業出版社，2002.