空气弹簧用氯丁橡胶/天然橡胶并用胶的性能研究

2022-07-19王明辉秦秀伟

橡胶工业 2022年7期

王明辉，秦秀伟

（青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛 266500）

近年来，随着汽车制造工业的飞速发展，汽车技术逐步向轻量化、环保化、舒适化和经济化发展，客户对整车的使用要求也越来越高，舒适性和操控性以及个性化设计成为汽车行业的发展方向。空气弹簧是在橡胶气囊形成的柔性密闭空间中充入压缩空气，利用空气的可压缩性实现弹簧作用的一种非金属弹簧，具有缓冲、减震等功能。车用空气弹簧因刚度可变、自振频率低、高度可控等优点，用于车辆悬架装置中以改善车辆的动力性，并显著提高运行舒适性和平顺性。但是为了保证车辆行驶的稳定性和乘客的安全性，绝大部分空气弹簧未达到使用年限就需进行更换。气囊外层橡胶龟裂是空气弹簧常见的问题之一，因此延长恶劣环境下空气弹簧气囊的使用寿命成为重要的研究课题。

空气弹簧胶料的主体材料一般为天然橡胶（NR）和氯丁橡胶（CR）。NR具有优异的物理性能和耐疲劳性能、良好的加工性能、较低的价格[1-3]，但由于分子主链不饱和，NR的耐候性能和耐臭氧性能较差；CR具有优异的物理性能、耐热性能、耐臭氧性能和耐天候老化性能，但CR的耐低温性能较差，且由于极性氯原子的存在，其在加工时对温度敏感，胶料的混炼操作困难[4-13]。因此，将NR和CR并用可实现性能互补。CR/NR并用胶可较好地应用于空气弹簧[14-15]。

本工作针对空气弹簧用CR/NR并用胶，研究CR/NR并用比对并用胶门尼粘度、硫化特性、物理性能、耐热空气老化性能和耐臭氧性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

NR，牌号CV60，华君橡胶科技（上海）有限公司提供；CR，牌号DCR40A，日本电化株式会社产品；炭黑N330和N774，美国卡博特公司产品。

1.2 试验配方

CR/NR 100（并用比分别为100/0，85/15，75/25，65/35，55/45，45/55），炭黑N330 30，炭黑N774 25，氧化锌 5，硬脂酸 1.5，微晶蜡2，防老剂RD 1.5，防老剂4010NA 1，防老剂3100 1.5，硫黄 0.6，促进剂DM 0.5，其他6.4。

1.3 主要设备和仪器

SXK-160型开炼机，广东利拿实业有限公司产品；1 L密炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司产品；HS-50T-NTMO型平板硫化机，佳鑫科技有限公司产品；MV-3000型门尼粘度试验机和M-3000A型无转子硫化仪，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品；TCS-2000型电子拉力试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；Heat Event F 60/60型热空气老化箱，德国Votschtechnik公司产品；3MR-3RVB-140型臭氧老化箱，德国Argentox公司产品。

1.4 试样制备

方案1：将CR投入密炼机（密炼室初始温度55℃）中塑炼1 min，然后加入NR塑炼0.5 min，继续加入氧化锌、硬脂酸、防老剂等小料及部分炭黑混炼约1 min，最后加入剩余炭黑混炼6 min后排胶（115 ℃）。混炼胶在开炼机上进行冷却开炼，然后加入硫黄和促进剂，胶料混炼均匀后薄通5次、打卷3次，下片。

方案2：将CR和NR先分别与配合剂在密炼机中混炼，再将两种母炼胶按比例在开炼机上进行混炼，最后在开炼机上冷却下片。

混炼胶停放16 h后使用平板硫化机硫化，硫化条件为155 ℃/10 MPa×10 min。

1.5 性能测试

硫化特性按照GB/T 16584—1996进行测试；门尼粘度按照GB/T 1232.1—2016进行测试；邵尔A型硬度按照GB/T 531.1—2009进行测试；拉伸性能按照GB/T 528—2009进行测试；耐热空气老化性能按照GB/T 3512—2014进行测试；压缩永久变形按照GB/T 7759.1—2015进行测试；耐静态臭氧性能按照GB/T 7762—2014进行测试；耐动态臭氧性能按照GB/T 13642—2015进行测试；耐低温性能按照GB/T 15256—2014进行测试。

2 结果与讨论

2.1 门尼粘度

门尼粘度反映了胶料的加工性能，门尼粘度高，胶料的加工生热快，容易焦烧；门尼粘度低，胶料的粘性大，容易粘辊，因此控制胶料合理的门尼粘度对其加工性能和物理性能至关重要。空气弹簧用胶料需要进行压延加工处理，因此更需具有合适的门尼粘度。CR/NR并用比对并用胶门尼粘度的影响如图1所示（混炼工艺为方案1）。

从图1可以看出，随着CR/NR并用比的减小，并用胶的门尼粘度有所减小，但未发生明显变化，这表明CR与适量NR并用，并用胶的加工性能无需重新设计，门尼粘度的稳定性保证了并用胶混炼和压延过程的稳定性。

2.2 硫化特性

CR/NR并用比对并用胶硫化特性（155 ℃）的影响如表1所示（混炼工艺为方案1）。

表1 CR/NR并用比对并用胶硫化特性的影响Tab.1 Influence of CR/NR blending ratios on vulcanization characteristics of blends

从表1可以看出：各CR/NR并用比下，并用胶的FL和Fmax变化不大，说明CR与NR可实现共硫化；随着CR/NR并用比的减小，并用胶的t10和t90明显缩短，表明并用胶的硫化速度加快，但也出现焦烧风险，因此选择合适的CR/NR并用比以确保并用胶加工安全性尤为重要。

2.3 物理性能

CR/NR并用比对并用胶物理性能的影响如表2所示（混炼工艺为方案1）。

从表2可以看出，随着CR/NR并用比的减小，并用胶的邵尔A型硬度和100%定伸应力略有减小，拉伸强度和拉断伸长率呈增大趋势，这是因为NR和CR均属于结晶橡胶，具有自补强性，自身具有优异的力学性能，但在炭黑填充时，NR的力学性能比CR更好。在100 ℃×70 h热空气老化下，随着CR/NR并用比的减小，并用胶的耐热空气老化性能降低，这是由于NR为不饱和橡胶，对热氧的抵抗性低，耐高温性能低于CR。并用胶的耐臭氧性能随着CR/NR并用比的减小而下降，这是因为NR分子活性高，更易受到臭氧的攻击，而CR分子中的氯原子有3对未成键的孤对电子，可以与紧邻的C=C双键共轭，同时对次邻的—CH2—的自由基进攻有屏蔽作用，因此CR自身具有较好的耐臭氧性能。并用胶的耐低温性能随着CR/NR并用比的减小而提高，这是因为CR分子结构规整性和极性，内聚力大，耐寒性能差，而NR因为分子链柔顺性，玻璃化温度低，耐低温性能优异。

表2 CR/NR并用比对并用胶物理性能的影响Tab.1 Influence of CR/NR blending ratios on physical properties of blends

综上所述，CR/NR并用比为75/25时，并用胶的耐臭氧性能和耐低温性能优异，综合物理性能好。

2.4 混炼工艺对并用胶性能的影响

以CR/NR并用比为75/25的生胶体系，研究混炼工艺对并用胶拉伸强度的影响，结果图2所示（硫化温度为155 ℃）。

从图2可以看出，方案2混炼工艺的并用胶的拉伸强度大，这是因为两种橡胶共混时，当二者内聚能相差较大时，岛相分子容易萎缩，紧抱成团，与海相分子存在明显的界面。CR与NR相容性较差，对炭黑浸润能力也不同，并用胶采用直接共混的工艺难以混合均匀，但提前将两者分别进行混炼制成母炼胶，再进行共混，就可以有效改善并用胶的加工性能，进而提高并用胶的物理性能。