EPDM吊耳的动静刚度比影响因素分析

魏海东，袁继贤，张润谱，张瑞造

（1.浙江丰茂科技股份有限公司，浙江 余姚 315403；2.长沙永昌车辆零部件有限公司，湖南 长沙 410000；3.天津中和胶业有限公司，天津 301721）

橡胶吊耳通常用于汽车发动机排气系统，与发动机尾气出口相连接。发动机排气系统温度非常高，同时受到与发动机点火频率一致的高频率激励。吊耳作为排气系统的承重和隔振部件，起到隔离排气管振动与限制排气管位移的作用[1-3]。因此，橡胶吊耳必须要具有一定的刚度和强度，才能在高温环境下长久地工作。橡胶吊耳的基本性能需包括合理的动静刚度比、优异的耐热性能、较高的抗拉强度和较长的使用寿命[4]。

吊耳一般采用三元乙丙橡胶（EPDM），EPDM具有很高的强度、优异的耐热性能和化学稳定性、良好的耐候性能和耐臭氧性能，可在高低温环境下长期使用，并且具有适应各种恶劣气候的能力，被广泛应用于各种减振产品中[5-8]。

静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度。如果干扰力变化很慢，即干扰力的频率远小于结构的固有频率，动刚度与静刚度基本相同。橡胶弹性体的动刚度一般大于静刚度，动静刚度比越趋近于1，振动传递效果越好。如果干扰力变化极快，即干扰力的频率远大于结构的固有频率，结构变形较小，动刚度较大，相应动静刚度比就较大[9-11]。当干扰力的频率与结构的固有频率相近时，会出现共振现象，此时动刚度最小，最易变形，其动变形可达静变形的几倍乃至十几倍[12-13]。

后吊耳产品结构如图1所示。目前橡胶吊耳通常采用注射工艺一体成型，模具分为上模、中模和下模。为确保橡胶吊耳的动静刚度比在线可控，本工作在配方设计阶段分析动静刚度比的影响因素。

图1 后吊耳产品的结构

1 实验

1.1 主要原材料

EPDM（充100份油），牌号Keltan 4869C，阿朗新科高性能弹性体（常州）有限公司产品；牌号4045M，上海中石化三井弹性体有限公司产品。炭黑N550，青州市博奥炭黑有限责任公司产品。高补强白炭黑，安徽阜阳利普化工有限公司产品。过氧化物硫化剂BIBP-40，天津阿克苏诺贝尔有限公司产品。

1.2 配方

试验配方如表1所示。因为本研究产品较大，且生产模具为多腔注射模具，对胶料流动性要求比较高，因此5#配方添加了防焦剂，主要为了延长焦烧时间，改善胶料流动性。

表1 试验配方 份

1.3 主要设备和仪器

5 L密炼机和KL-10型开炼机，中国台湾佰弘机械有限公司产品；XLB350×350×3型平板硫化机，青岛海能机械制造有限公司产品；300 t注射成型机，磐石油压工业股份有限公司产品；INJ-300T-FIFO型硫化仪和UT-2080型电子拉力实验机，中国台湾优肯科技股份有限公司产品；LX-A型橡胶硬度计，上海六菱仪器厂产品；GT7017-ELU型精密高温试验机，中国台湾高铁科技股份有限公司产品；MTS831型动静刚度试验机，美特斯工业系统（中国）有限公司产品。

1.4 试样制备

胶料按一步法进行混炼，混炼在密炼机中进行，出片在开炼机上操作。先将两种牌号EPDM在密炼机中混合，然后加小料，加压0.5 MPa，混炼60 s，转速为40 r·min-1；加炭黑和石蜡油，加压0.5 MPa，混炼到130 ℃，转速为40 r·min-1；提压砣，排气，降温至70 ℃，转速为25 r·min-1；加入硫化体系，加压0.5 MPa，混炼到100 ℃，转速为25 r·min-1；混炼均匀后排胶，在开炼机上薄通3遍，出片（80 mm×8 mm长条）。

胶料测试用试片在XLB350×350×3型平板硫化机上硫化，硫化条件为160 ℃/20 MPa×20 min；产品测试用吊耳在300 t注射成型机上硫化，硫化条件为160 ℃/20 MPa×20 min。

1.5 性能测试

动静刚度比按照GB/T 9870.1—2006《硫化橡胶或热塑性橡胶动态性能的测定 第1部分：通则》进行测试，静刚度试验条件为试验温度（20±3）℃，加载范围 0～18 mm，测试速度 10 mm·min-1，预加载3次，计算取值变形范围 2～8 mm；动刚度试验条件为预加载 22 N，施加频率0～300 Hz，振幅 ±0.1 mm。

其余各项性能均按相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 硫化体系对EPDM硫化胶物理性能的影响

硫化体系对EPDM硫化胶物理性能的影响如表2所示。

表2 硫化体系对EPDM硫化胶物理性能的影响

从表2可以看出，采用硫黄硫化体系的1#配方硫化胶的压缩永久变形勉强符合要求，但150 ℃的耐热性能较差。这是因为硫化体系对EPDM硫化胶的耐热性能和压缩永久变形有很大影响，过氧化物硫化体系可产生碳-碳交联键，能够形成稳定的交联网络，因此，用过氧化物硫化的EPDM硫化胶的耐热性能优于用硫黄硫化的EPDM硫化胶，且压缩永久变形较小。

2.2 动静刚度比的影响因素

硫化体系、补强体系、含胶率和交联密度对EPDM吊耳产品的静刚度、动刚度和动静刚度比的影响如表3所示。

表3 硫化体系、补强体系、含胶率和交联密度对EPDM吊耳产品静刚度、动刚度和动静刚度比的影响

2.2.1 硫化体系

从表3可见，在0～180 Hz低频条件下，1#和2#配方产品的动静刚度比差别较小，在180～300 Hz高频条件下，1#和2#配方产品的动刚度差别较大。

2.2.2 补强体系

与天然橡胶高自补强性不同，EPDM必须加入足够的补强剂才能获得较高的强度和刚度。在炭黑补强EPDM胶料中添加部分白炭黑可以改善胶料的耐疲劳性能和抗撕裂性能。补强体系对EPDM胶料的动静刚度比、阻尼性能和滞后性能影响较大。补强粒子与EPDM大分子链段间的内摩擦会使胶料的阻尼增大。补强粒子粒径越小，比表面积越大，则补强粒子与橡胶分子的接触面越大，物理结合点越多，触变性越强，在动态应变中产生的滞后损失和补强粒子间的摩擦也越大，表现出阻尼因数、动刚度和静刚度均较大。

从表3可以看出，在0～180 Hz低频条件下，添加高补强白炭黑的4#配方产品与3#配方产品的动静刚度比相近，但在180～300 Hz高频条件下，4#配方产品的动刚度较大，这是因为高补强白炭黑的比表面积比炭黑N550大。

2.2.3 含胶率

含胶率对产品的动静刚度比有很大影响。一般来说，在硬度相同的情况下，含胶率越高，橡胶分子间内摩擦越大，在高频条件下的动刚度越大。但在高频条件下动刚度过大容易引起共振。通常降低含胶率可以减小动刚度，这是因为补强剂用量增大会相应地减小橡胶分子间的内摩擦，橡胶与炭黑之间的摩擦变大，导致滞后损失增大，阻尼增大，动静刚度比也相应增大。

分别对比表3中硬度相同的1#配方和3#配方以及4#配方和6#配方，含胶率越高，在180～300 Hz高频条件下动刚度越大。4#配方与3#配方相比增加了白炭黑用量，0～180 Hz低频条件下的动刚度减小，但180～300 Hz高频条件下的动刚度不符合要求。因此5#配方增大了高补强白炭黑和石蜡油用量，降低了含胶率，以获得理想的刚度性能。

2.2.4 交联密度

从物理性能和动态性能考虑，如果只增大硫化剂的用量可以提高交联密度，使胶料的刚度增大，阻尼因数和动静刚度比减小。但过度交联会使胶料的强度下降，疲劳寿命缩短，因此应严格地控制硫化剂的用量。针对过氧化物硫化体系，如果增大硫化剂用量的同时适当减小助交联剂的用量，再结合高补强白炭黑的特点，能够很好地平衡胶料的交联密度。本研究用100%定伸应力表征交联密度。

与4#配方产品相比，6#配方产品的过氧化物硫化剂用量较大，助交联剂用量适当减小，比较两者的动静刚度比和100%定伸应力可知，过氧化物硫化剂用量比助交联剂用量对交联密度有更大影响，交联程度与0～100 Hz低频条件下的动静刚度比呈正相关，在高频区域也能极大地推迟共振的发生，降低动刚度的最大值。

3 结论

（1）在硬度相同的情况下，配方含胶率越高，EPDM吊耳产品在180～300 Hz频率区间内的动刚度越大；100%定伸应力越小，在0～100 Hz频率区间内的动静刚度比越小。

（2）在适当增大过氧化物硫化剂用量的同时减小助交联剂用量可以平衡EPDM胶料的交联密度，使产品获得合适的动静刚度比。