汽车发动机扭转振动减振器用氯丁橡胶配方中使用次石墨的可能性

王 岚 编译

汽车发动机扭转振动减振器用氯丁橡胶配方中使用次石墨的可能性

王 岚 编译

经过研究和分析测试，在汽车发动机扭转振动减振器的氯丁橡胶配方中，用次石墨完全或部分取代金属氧化物（ZnO、MgO）是完全可以的。金属氧化物被取代后的胶料主要性能并不低于标准试样，而在粘接强度、模量、强度、耐热老化以及机械损耗角正切等方面甚至超过后者。

氯丁橡胶；减振器；次石墨；取代

现阶段所采用的减振用氯丁橡胶配方（用于降低汽车发动机曲轴上的应力），并不能完全符合现阶段对这类产品的苛刻的质量要求，例如，直接的减振性能要求，又如取决于一系列技术参数（耐油、耐苯、耐热等）的使用性能要求。

除此之外，这些配方本身价格相当昂贵，配方中含有俄罗斯所稀缺的需要进口的组分材料（MgO，ZnO）及不利于生态环境的润滑油（ΠΗ-6，各种炭黑）等，因此，现在急待解决的一项课题是寻找新的组分材料，它们不仅没有上述缺点，而且还能同时消除这些不足之处，以改善在复杂条件下工作的减振橡胶件的综合性能。

近年来所进行的研究显示，次石墨有可能是这种新的组分材料，它是一种天然的矿物质含碳化合物，在其组成当中含有多种金属氧化物，其中包括ZnO，MgO，氧化硅，硅酸盐，各种改性碳（石墨，漂白土，碳纳米管），以及由腐殖酸构成的有机成份（4%～5%），在其组成当中还含有硫（3%～4%）。其中的碳成分对橡胶性能发挥了常见的作用，同时还可减少配方中炭黑的数量，氧化物的存在可以部分或全部取代ZnO， MgO。由于次石墨中含有有机硫成份，故有可能变更润滑油ΠΗ-6及硫化物的含量。

在次石墨微粒表面上存在着活性顺磁中心以及金属氧化物，这就使得这种化合物具有了结构性，这种结构性促成了在氯丁橡胶内部生成了“橡胶-次石墨凝胶体”，从而提高了橡胶的减振（阻尼）作用。最终的结果是，加入矿物填料，使之在橡胶中形成了微观多相的硫化网络结构，这种网络结构对橡胶的减振性能产生积极的影响。

因此，此项研究的目的是探索在减振用氯丁橡胶配方中使用次石墨的可能性，以解决上述罗列的诸多问题。

研究采用了朱拉夫斯粤良工厂生产的次石磨[ТУ（技术条件）2169-002-00204493-2008]，平均粗细度为10～20微米，炭含量为30%～35%，氧化硅含量为55%～60%。在开放式着色辊上加入次石墨。

研究中制定了模拟的典型配方，其中各组分的变量范围（质量份）分别为：次石墨（0～40），高岭土（0～20）炭黑Π-514（30～50），MgO（0～4），ZnO（0～5）。配方各组分列于表1。用门尼黏度仪测定了每一种所研究的胶料的正硫化温度和时间。正如这些研究结果所显示的那样，正硫化时间为10～15 min，硫化温度160 ℃.

为了摸索是否有可能用次石墨完全取代上述配方（见表1）中的高岭土和部分取代炭黑Π-514，曾研究了含有不同比例炭黑Π-514、高岭土和次石墨的几种胶料（见表1中胶料2～4）。

在电热平板硫化机上硫化了表1中所列出的几种胶料，硫化条件：温度120 ℃，时间12 min。

表1 胶料组分

胶料及其硫化胶的各项性能在表2中列出。

表2 用次石墨取代高岭土和炭黑后的胶料及其硫化胶的诸项性能

列于表2中的试验分析数据说明，向所研究的配方中增加30质量份次石墨，与此同时，减少10质量份炭黑Π-514，并从配方中完全去除高岭土（20质量份），这样，可使减振橡胶的强度性能从15.6 MPa提高到16.7 MPa，邵尔A硬度从59降低到57，在压缩25%条件下，压缩永久变形指标保持不变，在70 ℃下老化72 h后，强度指标也没有降低。

向所研究的胶料中加入次石墨（30～40质量份），并从配方中完全剔除高岭土，减少炭黑Π-514的含量（30～40质量份），橡胶和金属的粘接强度大大提高（从42 MPa至49 MPa）。这一点对于金属橡胶减振器来说是极其重要的，这种效果乃初次显露。

将次石墨加入到减振橡胶中，在不同拉伸条件下其模量有所增大，但橡胶减振性能（tan δ，即压缩相对滞后损失）没有下降。用次石墨取代高岭土，可使tan δ值增大（见图1）。在振动频率1～30 Hz、温度50～70 ℃条件下，由30%次石墨和70%炭黑组成的填充体系可确保tan δ达最大值。

于是，可以断定，完全取代高岭土，把炭黑Π-514的用量削减到10～20质量份，同时再加入30～40质量份次石墨，便可制得具有实用价值的减振橡胶，其性能不仅不低于标准样品，而且有些指标还超越后者（如强度，硬度，与金属的粘接强度）。

图1 次石墨对氯丁减振橡胶tan δ的影响

用次石墨部分或全部取代氧化锌和氧化镁，同时完全舍去高岭土，把炭黑的用量维持在50质量份。如此这般有可能吗？请看研究结果（表3，胶料5、6）。

表3 胶料及其硫化胶的诸项性能（用次石墨部分或完全取代氧化锌和氧化镁）

研究了生胶料的各项性能，其中氧化锌和氧化镁被20质量份次石墨完全取代，并去除20质量份高岭土。结果表明，首先，当用次石墨取代炭黑和高岭土时，对于所研究的所有方案，与标样相比，在所研究的所有振动频率范围内，所有试验胶料的tan δ都有所增大（见图3）。这种情况尤其在如下配方中会显露出来，即配方中ZnΟ和MgO的含量低或者完全被取代。同时高岭土在配方中已不存在，而次石墨含量为20质量份，炭黑Π-514用量50质量份，在30 Hz和50 ℃条件下，标样的tan δ为0.18，而含ZnO（2.5质量份）和MgO（2.0质量份）的橡胶，或者两者完全被取代的橡胶的tan δ分别为0.212和0.195。

图2 炭黑和次石墨的比例与tan δ的相关性曲线

图3 氧化镁和氧化锌的含量对胶料tan δ的影响（次石墨和炭黑的含量固定不变，分别为20和50质量份）

加入次石墨和去除氧化物，实际上并不影响正硫化时间（10～12 min）。加入次石墨后门尼黏度有少许增大，这并不受氧化物含量的影响（标样门尼黏度为53.5，所研究胶料为62～64）。这样的结论也适用于最大转矩。

图4 在次石墨含量（20质量份）固定不变的条件下tan δ与氧化物含量的相关性曲线

从配方中拿掉ZnO和MgO并加入次石墨，硫化胶的强度会产生少量变化，（标样为15.6 MPa，所研究胶料为14～15 MPa）。

200%定伸应力显著增大，标样为5.7 MPa，完全不用氧化物的胶料的定伸应力增至10 MPa。

压缩相对滞后损失同样也增大了（标样为49.8%，完全不用氧化物的胶料的相对滞后损失为51.2%）。

当硬度和强度发生变化时，耐热老化性却依旧如故。

用次石墨部分或完全取代ZnO和MgO，在所研究的振动频率范围和温度条件下，机械损耗角正切得以增大。改变含次石墨（20质量份）的胶料中ZnO 和MgO含量，将大大影响tan δ。含 20质量份Π-514炭黑，2质量份MgO，2.5质量份ZnO的胶料的tan δ最大值可达0.212，而标样的tan δ则为0.18 。

图5 次石墨与（ZnO+MgO）含量比例关系对橡胶与金属粘接强度的影响

研究了次石墨和ZnO、MgO的含量对橡胶与金属粘接强度的影响，其结果颇有意义，该指标最大值为56.0 MPa（标样则为42.4 MPa）。图5中的相应关系曲线证实了这一结论。

综上所述，通过分析研究中所提供的所有参数，可以得出如下结论：用于制造扭转振动减振器的橡胶的标准配方中，含30～40质量份炭黑Π-514（标样中含50质量份），20～30质量份次石墨，2质量份MgO和2.5质量份ZnO。以此配方可以制得具有实用工业价值的减振橡胶，其主要性能并不逊于标样，而在与金属的粘接强度，模量，强度，耐热老化性，机械损耗角正切等方面都超过了标样。

此外，文中所研制的配方还具有生态意义（取代了炭黑和金属氧化物）和经济意义（次石墨价格大大低于炭黑Π-514和氧化物）。

[1] Никиmашина О.Г. Изучение возможности использования шунгита в рецептуре резин на основе полихлоропрена для депферов крутильных колеБаний в автомовильных д вигателях. [J] каучук и резина, 2012(4):19-23.

[责任编辑：张启跃]

TQ 330.38+3

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1671-8232(2015)04-0019-04

2014-03-31