納米微珠二氧化硅用量對空氣彈簧用天然橡膠膠料性能的影響

高新文，裴世鵬，鄭立霞

（山東智衡減振科技股份有限公司，山東 青島 266114）

裝配空氣彈簧的車輛在曲折路面上行駛時由于空氣彈簧具有剛度特性和減震性能，可以使車輛具有較好的行駛平順性和穩定性[1]，并可保證輪胎與路面的良好接觸，有效減少車輛對路面的破壞[2-3]，進而提高車輛在高速行駛時的操縱性和安全性。

隨著汽車工業的發展，空氣彈簧在汽車上的應用越來越廣泛，尤其在美國、德國和日本等發達國家生產的高速客車和城市客車上的使用率已經達到100%，在中、重型貨車以及掛車上的使用率超過80%[4-5]。隨著GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》強制性標準的實施，我國汽車用空氣彈簧將迎來快速發展，預計在未來10年內，空氣彈簧將普遍裝配在各種類型的汽車上，其普及率將達到歐洲的現代水平[6]。

與原有鋼彈簧懸掛系統相比，空氣彈簧減振懸架具有質量小、彈性好和剛度低的特點，其裝配車輛高速行駛時輪胎與地面的附著性好、制動距離短[7-8]，但空氣彈簧的耐疲勞性能和使用壽命仍是短板[9]。

本工作將納米微珠二氧化硅添加至空氣彈簧用天然橡膠（NR）膠料中，研究納米微珠二氧化硅用量對NR膠料加工性能和物理性能以及空氣彈簧耐疲勞性能的影響，以期為提高汽車空氣彈簧用膠料的耐屈撓性能和延長空氣彈簧的使用壽命提供參考。

1 實驗

1.1 原材料

NR，牌號SCR5，海南天然橡膠產業集團股份有限公司產品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石化齊魯石油化工公司產品；炭黑N550，上海卡博特化工有限公司產品；氧化鋅，大連氧化鋅廠產品；納米微珠二氧化硅，青島泰洋圣化工有限公司產品；其他材料均為市售品。

納米微珠二氧化硅是一種球形二氧化硅，平均直徑為120 nm，這種球形結構填料添加至橡膠中，可以降低膠料在動態過程中產生的摩擦力。納米微珠二氧化硅在掃描電子顯微鏡（SEM）下的微觀結構如圖1所示。

圖1 納米微珠二氧化硅的微觀結構Fig.1 Microstructure of nanobead silica

1.2 配方

NR 60，BR 40，炭黑N55045，納米微珠二氧化硅 變量，氧化鋅 5，硬脂酸 2.5，增塑劑 8，酚醛樹脂 2.5，防老劑RD 2.5，防老劑40202.5，硫黃 2.2，促進劑CBS 0.6，促進劑MBTS 1，其他 5。

1.3 主要設備和儀器

1 L密煉機，利拿機械（東莞）實業有限公司產品；GT-M2000-A型硫化儀、AI-7000S型電子拉力機和GT-7017-M型老化箱，高特威爾檢測儀器（青島）有限公司產品；UM-2050型門尼粘度儀，優肯科技股份有限公司產品；LX-A型橡膠邵氏硬度計，無錫錫晶橡塑測量儀器廠產品；MZ-4003B型屈撓試驗機，江蘇明珠試驗機械有限公司產品；SDZ0025型疲勞試驗機，中機試驗裝備股份有限公司產品。

（3）能源強度存在β收斂，即區域間能源強度的差異在逐漸縮小。產業的規模性轉移不僅改變了產業的空間布局，而且將先進的技術和成熟的管理經驗帶到了承接地，區域產業轉移可能存在技術溢出效應，從而減慢產業承接地能源強度的增長速度。

1.4 試樣制備

膠料采用兩段混煉工藝混煉，一段混煉在密煉機中進行，先加入橡膠，再加入小料、炭黑N550和納米微珠二氧化硅；二段混煉在開煉機上進行，一段混煉膠在開煉機上包輥后加入硫黃、促進劑CBS和促進劑MBTS，混煉均勻后下片，得到的NR混煉膠在室溫下停放16 h后備用。

物理性能試樣直接在平板硫化機上硫化，硫化條件為160 ℃/12 MPa×10 min。

空氣彈簧試樣先在空氣彈簧專用成型機上成型，再在平板硫化機上硫化，硫化條件為165 ℃/2.2 MPa×10 min。

1.5 性能測試

NR膠料各項性能測試均執行相應國家標準。

空氣彈簧的耐常溫疲勞性能測試條件為：載荷控制SIN波，頻率 3 Hz，振幅 ±20 mm，空氣內壓 1 MPa，環境箱溫度 （23±2） ℃。

空氣彈簧的耐高溫疲勞性能測試條件為：載荷控制SIN波，頻率 2 Hz，振幅 ±17 mm，空氣內壓 0.7 MPa，環境箱溫度 （80±5） ℃。

2 結果與討論

2.1 納 米微珠二氧化硅用量對NR膠料硫化特性和門尼粘度的影響

納米微珠二氧化硅用量對NR膠料硫化特性的影響如表1所示。

表1 納米微珠二氧化硅用量對NR膠料硫化特性的影響Tab.1 Effect of nanobead silica amounts on vulcanization characteristics of NR compounds

從表1可以看出：隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR膠料的FL和Fmax呈增大趨勢，但增幅不大，其中FL的小幅增大說明納米微珠二氧化硅對膠料流動性的影響比一般補強填料要小[10]；NR膠料的t10和t90變化不大。

納米微珠二氧化硅用量對NR膠料門尼粘度的影響如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR膠料的門尼粘度呈略增大趨勢，這與NR膠料的FL變化趨勢相一致。

圖2 納米微珠二氧化硅用量對NR膠料門尼粘度的影響Fig.2 Effect of nanobead silica amounts on Mooney viscosities of NR compounds

2.2 納 米微珠二氧化硅用量對NR硫化膠物理性能的影響

納米微珠二氧化硅用量對NR硫化膠邵爾A型硬度和300%定伸應力的影響分別如圖3和4所示。

從圖3和4可以看出：NR硫化膠的邵爾A型硬度隨著納米微珠二氧化硅用量的增大呈先減小后增大趨勢，且增大階段增幅較小，納米微珠二氧化硅用量每增大7～10份，硫化膠的邵爾A型硬度可增大1度，這是因為納米微珠二氧化硅呈球形結構，其對NR的補強效果較差造成的，因此空氣彈簧用NR膠料中添加少量納米微珠二氧化硅可忽略其對硫化膠邵爾A型硬度的影響；納米微珠二氧化硅用量對NR硫化膠的300%定伸應力無明顯影響。

圖3 納米微珠二氧化硅用量對NR硫化膠 邵爾A型硬度的影響Fig.3 Effect of nanobead silica amounts on Shore A hardnesses of NR vulcanizates

圖4 納米微珠二氧化硅用量對NR硫化膠 300%定伸應力的影響Fig.4 Effect of nanobead silica amounts on tensile stresses at 300% elongation of NR vulcanizates

納米微珠二氧化硅用量對NR硫化膠的拉伸強度和拉斷伸長率的影響如圖5所示。

圖5 納米微珠二氧化硅用量對NR硫化膠拉伸強度和 拉斷伸長率的影響Fig.5 Effect of nanobead silica amounts on tensile strengths and elongations at break of NR vulcanizates

從圖5可以看出：隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR硫化膠的拉伸強度和拉斷伸長率都呈減小趨勢；當納米微珠二氧化硅用量為20份時，NR硫化膠的拉伸強度為19.7 MPa，已經不能滿足GB/T 13061—2017《商用車空氣懸架用空氣彈簧技術規范》中空氣彈簧橡膠的拉伸強度不小于20 MPa的要求，因此在空氣彈簧用NR膠料中納米微珠二氧化硅用量要小于20份。

納米微珠二氧化硅的用量對NR硫化膠耐屈撓性能的影響如圖6所示。

圖6 納米微珠二氧化硅用量對NR硫化膠 耐屈撓性能的影響Fig.6 Effect of nanobead silica amounts on flexure resistance of NR vulcanizates

從圖6可以看出，隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR硫化膠的屈撓次數先增大后減小，在其用量為10～15份時，NR硫化膠的耐屈撓性能較佳。填充填料的硫化膠的物理性能主要取決于填料的結構、分散形態、橡膠-填料相互作用[11-12]，即填料的結構、粒徑和表面活性是影響其在橡膠中補強的三大要素[13-15]，因此納米微珠二氧化硅的球形結構以及其粒徑都對NR硫化膠的耐屈撓性能有直接的影響。

在硫化膠屈撓過程中納米微珠的球形結構可以為橡膠分子提供潤滑作用（如圖7所示），從而降低NR硫化膠在屈撓過程中的生熱，提高NR硫化膠的耐屈撓性能；當納米微珠二氧化硅用量超過15份時，NR硫化膠的拉伸強度下降明顯，納米微珠二氧化硅的潤滑作用不足以彌補NR硫化膠的拉伸強度下降對耐屈撓性能產生的影響，導致NR硫化膠的耐屈撓性能降低；當納米二氧化硅用量為20份時，NR硫化膠的屈撓壽命為64.2萬次，其耐屈撓性能仍比未添加納米微珠二氧化硅的NR硫化膠的耐屈撓性能提高了23%。

圖7 納米微珠二氧化硅的潤滑機理示意Fig.7 Schematic diagram of lubrication mechanism of nanobead silica

2.3 空氣彈簧的耐疲勞性能

根據NR膠料的加工性能和物理性能的分析結果，本工作以未添加納米微珠二氧化硅的1#配方NR膠料和添加10份納米微珠二氧化硅的2#配方NR膠料作為空氣彈簧的內外層膠，經膠料壓延、成型、硫化和組裝工序制成空氣彈簧后，對空氣彈簧進行耐常溫疲勞性能試驗，結果如表2所示。

從表2可以看出：常溫（23 ℃）下，1#配方膠料的空氣彈簧在疲勞290萬次時開始出現簾線外露，其耐疲勞性能不能滿足GB/T 13061—2017中規定的臺架疲勞壽命長于300萬次的要求；2#配方膠料的空氣彈簧在疲勞368萬次時出現漏氣（內壓由1 MPa下降至0.9 MPa）。綜合來看，在空氣彈簧用NR膠料中加入10份納米微珠二氧化硅可以明顯提高空氣彈簧的耐常溫疲勞性能。

表2 空氣彈簧的耐常溫疲勞性能Tab.2 Fatigue resistances of air springs at room temperature

1#和2#配方膠料的空氣彈簧耐常溫疲勞試驗后的狀態如圖8所示。

圖8 空氣彈簧耐常溫疲勞試驗后的狀態Fig.8 States of air springs after room temperature fatigue resistance tests

1#和2#配方膠料的空氣彈簧的耐高溫疲勞性能試驗結果如表3所示。

從表3可以看出，高溫（80 ℃）下，1#配方膠料的空氣彈簧疲勞43萬次時爆裂，2#配方膠料的空氣彈簧疲勞52萬次時出現簾線外漏。可以得出，NR的高溫疲勞壽命由43萬次增長至52萬次，其耐高溫疲勞性能提高了21%。

表3 空氣彈簧的耐高溫疲勞性能Tab.3 Fatigue resistances of air springs at high temperature

1#和2#配方膠料的空氣彈簧耐高溫疲勞試驗后的狀態如圖9所示。

圖9 空氣彈簧耐高溫疲勞試驗后的狀態Fig.9 States of air springs after high temperature fatigue resisitance tests

3 結論

（1）隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR膠料的FL，Fmax和門尼粘度略增大，t10和t90變化不大，即NR膠料的硫化特性和門尼粘度未發生明顯變化。

（2）隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR硫化膠的邵爾A型硬度先略減小后略增大，300%定伸應力無明顯變化，拉伸強度和拉斷伸長率呈減小趨勢，納米微珠二氧化硅用量小于20份的空氣彈簧用NR膠料的拉伸強度可達到國家標準要求；當納米微珠二氧化硅用量為10～15份時，NR硫化膠的耐屈撓性能最佳。

（3）在NR膠料中加入10份納米微珠二氧化硅制備的空氣彈簧，其耐常溫疲勞性能和耐高溫疲勞性能都明顯提高。