填充體系對橡膠懸置元件性能的影響

龐 松，田安偉，楊靈斌，何 琪，李恒榮，劉佳麗

（1.建新趙氏科技股份有限公司，浙江 寧波 315000；2.北京橡膠工業研究設計院有限公司，北京 100143）

發動機作為汽車主要的振動和噪聲源之一[1-2]，在為汽車提供動力的同時，也伴隨著強烈的振動。振動一方面會通過車架傳遞到車廂內，使乘客產生疲勞感；另一方面也會影響汽車的操縱性能、行車安全性和零部件的使用壽命[3-5]。因此，降低汽車的振動和噪聲水平，提高車輛的乘坐舒適性已成為車輛設計的方向之一。

動力總成懸置系統是指動力總成與車架之間的軟連接系統[6-7]，其性能好壞直接關系到發動機及路面振動向車體的傳遞。汽車懸置件的性能在很大程度上取決于所用減振橡膠材料的性能[8]。一方面，橡膠材料的動靜剛度比[9-11]對懸置件的振動傳遞和減振效果有很大影響[12]；另一方面，減振橡膠材料在使用過程中會受到發動機傳來的高溫和振動影響而發生動態形變，因此橡膠材料的耐老化性能與懸置件的使用壽命密切相關。

填充體系[13-15]作為減振橡膠材料的重要組成部分，對膠料的物理性能、動靜剛度比和耐老化性都具有顯著影響，且填料種類和用量的影響程度存在很大差異。本工作以天然橡膠（NR）作為主體材料，研究填料種類、用量和并用比對NR膠料性能的影響，旨在為研發低動靜剛度比和耐老化性能優良的高性能橡膠懸置元件提供參考。

1 實驗

1.1 原材料

NR，牌號CV60，華君橡膠科技（上海）有限公司產品；炭黑N550，N774和N990，歐勵隆工程炭（青島）有限公司產品；白炭黑，牌號VN3，青島德固賽化學有限公司產品；硬脂酸、偶聯劑、氧化鋅、防老劑、促進劑和硫黃等，市售品。

1.2 試驗配方

單一填料填充體系和并用填料填充體系配方分別如表1和2所示。

表1 單一填料填充體系配方 份

表2 并用填料填充體系配方 份

1.3 主要設備和儀器

Farrel K1型3.5 L密煉機，美國法雷爾公司產品；XLB-30型平板硫化機，余姚華泰橡塑機械有限公司產品；MFR100＋型無轉子硫化儀，上海諾甲儀器儀表有限公司產品；MV-2000型智能門尼粘度儀，無錫蠡園電子化工設備有限公司產品；E42.503E型電子拉力機和MTS 831型彈性體試驗機，美斯特工業系統（中國）有限公司產品；PH301T型老化烘箱，廣州五所環境儀器有限公司產品。

1.4 試樣制備

采用兩段工藝制備混煉膠。一段混煉在密煉機中進行，初始混煉溫度為100 ℃，轉子轉速為45 r·min-1，依次加入生膠、填料、偶聯劑、活性劑、防老劑，在150 ℃下混煉5 min后排膠；二段混煉在開煉機上進行，一段混煉膠薄通后包輥，加入促進劑，割膠并打三角包，混煉均勻后加入硫黃，薄通5—6遍，調整合適的輥距，出片，室溫下停放24 h。

混煉膠采用平板硫化機進行硫化，硫化溫度為160 ℃，物理性能試樣硫化時間為t90＋2 min，動靜剛度比試樣硫化時間為3t90。

1.5 性能測試

（1）硫化特性。采用無轉子硫化儀進行測試，測試條件為160 ℃×30 min，確定試樣的硫化時間及硫化速率。

（2）物理性能。硬度采用硬度計按照GB/T 531.1—2008進行測試；拉伸強度和拉斷伸長率采用電子拉力試驗機按照GB/T 528—2009進行測試，拉伸速率為500 mm·min-1；撕裂強度按照GB/T 529—2008進行測試，拉伸速率為100 mm·min-1。

（3）耐熱空氣老化性能。采用老化烘箱按照GB/T 3512—2014進行測試，老化條件為100 ℃ ×72 h。

（4）動靜剛度比。采用MTS系統公司的MTS 831型彈性體試驗機進行測試，試樣尺寸為Φ50 mm×25 mm，試驗環境溫度為（23±2） ℃。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

不同填料填充混煉膠的硫化特性如表3所示。

表3 不同填料填充混煉膠的硫化特性

從表3可以看出，炭黑N990膠料的門尼粘度較小，說明其加工性能較好，這是由于炭黑N990具有3種炭黑中最大的粒徑。炭黑N550膠料的Fmax－FL最大，反映其交聯密度最高，這可歸因于炭黑N550粒徑較小，補強效果好。白炭黑的補強性能低于炭黑，因此白炭黑膠料的交聯密度最小。

不同用量炭黑N550填充混煉膠的硫化特性如表4所示。

表4 不同用量炭黑N550填充混煉膠的硫化特性

從表4可以看出，隨著炭黑N550用量增大，膠料的門尼粘度增大，Fmax－FL也增大，這是因為更多的炭黑傾向于團聚，同時也會形成更多的物理交聯點。

炭黑N774與白炭黑并用填充混煉膠的硫化特性如表5所示。

表5 炭黑N774與白炭黑并用填充混煉膠的硫化特性

從表5可以看出，當固定炭黑N774用量為10份時，隨著白炭黑用量逐漸增大，膠料的門尼粘度和交聯密度增大。

2.2 物理性能

不同填料填充硫化膠的物理性能如表6所示。

表6 不同填料填充硫化膠的物理性能

從表6可以看出，最小填料用量的炭黑N550膠料反而表現出最高的硬度和拉斷伸長率，這可歸因于炭黑N550的粒徑小，補強效果好。此外，炭黑N990膠料的拉伸強度、撕裂強度與拉斷伸長率均顯著小于其余膠料，這與炭黑N990粒徑大、比表面積小、膠料交聯密度低有關。

不同用量炭黑N550填充硫化膠的物理性能如表7所示。

表7 不同用量炭黑N550填充硫化膠的物理性能

從表7可以看出，隨著炭黑N550用量增大，膠料的硬度、定伸應力和撕裂強度增大，拉斷伸長率減小，這是由于炭黑N550與橡膠分子鏈之間形成了更多的物理交聯點。當炭黑N550用量為30份時，硫化膠的拉伸強度最大，繼續增大炭黑N550用量，拉伸強度減小，這可歸因于高用量時炭黑粒子間距離更近，更易發生團聚而形成缺陷。

炭黑N774與白炭黑并用填充硫化膠的物理性能如表8所示。

表8 炭黑N774與白炭黑并用填充硫化膠的物理性能

從表8可以看出，當炭黑N774用量為10份時，隨著白炭黑用量增大，硫化膠的拉伸強度無明顯變化，撕裂強度總體呈增大趨勢。由于白炭黑與橡膠分子鏈間形成更多的物理交聯點，因此硫化膠的硬度與定伸應力增大，拉斷伸長率減小。對比C0S38與C10S30配方硫化膠的物理性能發現，在總填料用量接近的情況下，兩者具有相近的硬度與定伸應力，但純白炭黑填充硫化膠的拉伸強度明顯高于白炭黑與炭黑N774并用填充硫化膠。

2.3 耐老化性能

單一填料填充硫化膠的耐老化性能如表9所示。

表9 單一填料填充硫化膠的耐老化性能 %

從表9可以看出，炭黑N990膠料的拉伸強度保持率最大、拉斷伸長率保持率較大，耐老化性能優于炭黑N774和N550膠料，這可能是由于填料粒徑小，更容易在高溫老化過程中發生再聚集，導致膠料性能下降。白炭黑膠料的耐老化性能優異，拉伸強度保持率僅次于炭黑N990膠料。炭黑N550用量對膠料耐老化性能的影響無明顯規律，當炭黑N550用量為20或40份時，膠料的耐老化性能較好。

2.4 動靜剛度比

不同硫化膠的動靜剛度比如圖1所示。

圖1 不同硫化膠的動靜剛度比

從圖1（a）可以看出，對于單一填料填充體系，硫化膠的動靜剛度比從大到小依次為A-30，B，C，D。研究表明，膠料的動靜剛度比本質上是源于其滯后損失。膠料的滯后損失主要歸因于橡膠分子鏈間的摩擦、橡膠分子鏈與填料間的摩擦、填料間的摩擦。炭黑粒徑越大，填料間相互作用越小，不易形成填料網絡，滯后損失也越小。白炭黑填充膠料的滯后損失小，動靜剛度比也較小。從圖1（b）可以看出，隨著炭黑N550用量的增大，硫化膠的動靜剛度比增大，這可歸因于填料間摩擦的增大，粘彈滯后現象明顯。從圖1（c）可以看出，隨著白炭黑用量的增大，硫化膠的動靜剛度比增大。

不同硫化膠的動靜剛度比-硬度曲線如圖2所示。

圖2 不同硫化膠的動靜剛度比-硬度曲線

從圖2可以看出，炭黑N774與白炭黑并用硫化膠的動靜剛度比隨著硬度增大而增大。在相同硬度下，純白炭黑填充硫化膠的動靜剛度比小于炭黑N774與白炭黑并用填充硫化膠，這與白炭黑的補強作用弱于炭黑有關。

3 結論

（1）隨著炭黑粒徑的增大，填料補強效果降低，膠料的門尼粘度和交聯密度減小，硫化膠的耐老化性能提高，動靜剛度比減小。

（2）隨著炭黑N550用量的增大，硫化膠的硬度、定伸應力和撕裂強度提高，動靜剛度比增大，當炭黑N550用量為30份時，硫化膠的拉伸強度最大，但耐老化性能較差。

（3）對于炭黑N774與白炭黑并用填充體系，隨著白炭黑用量增大，膠料的門尼粘度和交聯密度增大；硫化膠的拉伸強度無明顯變化，撕裂強度總體提高，動靜剛度比顯著增大。

（4）在相同硬度下，純白炭黑填充硫化膠的動靜剛度比小于炭黑N774與白炭黑并用填充硫化膠。