论文推荐丨肖勇明等：汽车发动机悬置用天然橡胶胶料配方的研究

作者简介

肖勇明（1990—），男，江西吉安人，博戈橡胶塑料（株洲）有限公司工程师，硕士，主要从事橡胶制品的胶料配方设计及工艺技术研究工作。

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近年来，随着汽车工业的发展，人们对汽车的噪声、振动与声振粗糙度（NVH）性能的要求更高，而减振制品的动静刚度比小是保障汽车的NVH性能的重要途径。汽车发动机悬置在高温环境下工作，长期使用温度接近100℃甚至更高，主机厂对发动机悬置的动静刚度比及耐高温性能也提出了更高的要求。天然橡胶（NR）由于其加工性能、弹性、耐疲劳性能好及阻尼因数小而广泛应用于汽车减振制品，但NR因双键含量较高，其耐老化性能较差。本工作对不同NR配方胶料的物理性能、动静刚度比和耐热空气老化性能进行研究，为发动机悬置用NR胶料配方设计提供一定参考。

1.1 原材料

NR，RSS1，印度尼西亚产品；炭黑N330，N550和N774，中昊黑元化工研究设计院炭黑分厂产品；其他，市售品。

1.2 主要设备与仪器

X（S）M-1型密炼机，青岛科高橡塑机械装备有限公司产品；50T型平板硫化机，江西萍乡无线电专用设备厂产品；MDR2000型无转子橡胶硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；Digi test II型数显硬度测试仪，德国博锐仪器公司产品；2.5 kN Zwick型电子万能试验机，德国ZwickRoell公司产品；GT-7017-ELU型电热鼓风干燥箱，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；EFH25-7-400V1型双轴刚度试验机，美国爱诺华公司产品。

1.3 配方

基本配方（用量/份）为：NR　100，氧化锌　5，硬脂酸　1，补强体系（变品种）　变量，防护体系（变品种）　变量，硫化体系（变品种）　变量。

1.4 试样制备

胶料在密炼机中混炼，加料顺序为：生胶、活性剂、防护体系、补强体系、硫化体系，总混炼时间为4～5 min。

胶料在平板硫化机上硫化，物理性能试样的硫化条件为160 ℃×t₉₀，刚度试样的硫化条件为160 ℃×（t₉₀＋4 min），试样室温下停放24 h后用于测试。

1.5 性能测试

（1）刚度按照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，采用剪切方式，两个试样对装。静刚度测试预加载3次，应变幅度为±8 mm，计算最后一次幅度为±2 mm时的刚度；动刚度测试频率为25 Hz，振幅为±0.1 mm。

（2）其他性能按照相应国家标准进行测试。

2.1 硫化体系对NR胶料性能的影响

不同硫化体系NR胶料的配方1—3的补强体系和防护体系相同，补强体系用量为29份，防护体系用量为7份。不同硫化体系NR胶料的物理性能、动静刚度比和热空气老化（100 ℃×72 h）性能分别如表1、图1和图2所示。

硫化体系对胶料性能影响主要表现为交联键种类及交联密度对胶料性能的影响。在胶料的交联网络结构中，交联键中的硫原子及游离硫越少，交联越牢固，胶料的弹性模量越大。从表1、图1和图2可以看出：配方1胶料的邵尔A型硬度及拉伸强度最大，动静刚度比最小，耐热空气老化性能较差，这是因为配方1的硫化体系为普通硫化体系，交联键以多硫键为主，交联密度大；配方3胶料的拉伸强度最小，动静刚度比最大，耐热空气老化性能最好，这是因为配方3的硫化体系为有效硫化体系，由于硫黄用量减小，促进剂用量增大，交联键以单硫键和双硫键为主；配方2的硫化体系为半有效硫化体系，硫黄与促进剂用量比为1/1，其胶料的交联键既具有适量的多硫键，又具有适量的双硫键和单硫键，物理性能、动静刚度比和耐热空气老化性能取得较好平衡，因此硫化体系选择在半有效硫化体系并进行调整。

2.2 补强体系对NR胶料性能的影响

不同补强体系NR胶料的配方4—7的防护体系相同，用量为7份；硫黄/促进剂用量比为1.7/1.5。不同补强体系NR胶料的物理性能、动静刚度比和耐热空气老化（100 ℃×72 h）性能分别如表2、图3和图4所示。

补强体系的炭黑粒径越小、比表面积越大，胶料的交联程度越高，弹性模量和刚度越大。从表2、图3和图4可以看出：炭黑N330补强配方4胶料的硬度和拉伸强度最大，动静刚度比最大；炭黑N774补强配方6胶料的硬度和拉伸强度最小，动静刚度比较小；不同炭黑补强胶料的耐热空气老化性能相差不大；炭黑N330/炭黑N774/白炭黑补强体系配方7胶料的综合性能最好，这是因为粒径小的炭黑N330为胶料提供了较大的拉伸强度，粒径大的炭黑N774为胶料提供良好工艺性能和低生热性能，白炭黑为胶料提供良好的动态力学性能，即炭黑N330/炭黑N774/白炭黑补强体系胶料的物理性能较好，动静刚度比最小，耐热空气老化性能最好。

2.3 防护体系NR胶料性能的影响

不同防护体系NR胶料的配方8—12的炭黑N330/炭黑N774/白炭黑用量比为11/18/5，硫黄/促进剂用量比为1.7/1.5。不同防护体系NR胶料的物理性能、动静刚度比和耐热空气老化（100 ℃×72 h）性能分别如表3、图5和图6所示。

防老剂可以显著改善胶料的耐老化性能，防老剂一般通过两种途径抑制氧化反应的进行：一种是终止已经生成的活性自由基，这类防老剂以胺类和酚类防老剂为主；另一种是分解不断生成的过氧化氢物，这类防老剂以硫醇和硫代酯防老剂为主。从表3、图5和图6可以看出：添加防老剂4020的胶料的动静刚度比较小，耐热空气老化性能较添加防老剂4010NA的胶料略优，并且防老剂4020用量增大时，胶料的耐热空气老化性能略有提升，而动静刚度比增幅不大；不添加防老剂MB的胶料的耐热空气老化性能下降明显；减小微晶蜡用量，胶料的耐热空气老化性能变化不大，但胶料的耐臭氧性能会显著下降；防老剂4020/防老剂RD/防老剂MB/微晶蜡用量比为2/1/1/1的防护体系胶料的动静刚度比最小，耐热空气老化性能最好。

2.4 硫化条件对NR胶料性能的影响

不同硫化条件NR胶料的物理性能、动静刚度比和耐热空气老化（100 ℃×72 h）性能分别如表4、图7和图8所示。胶料配方的炭黑N330/炭黑N774/白炭黑用量比为11/18/5，防老剂4020/防老剂RD/防老剂MB/微晶蜡用量比为2/1/1/1，硫黄/促进剂用量比为1.7/1.5。

从表4、图7和图8可以看出：对于硫化时间为t₉₀的硫化条件1，3，5胶料，当硫化温度为150 ℃时，胶料的拉伸强度最大，而动静刚度比最小，耐热空气老化性能最好；当硫化温度为160 ℃时，胶料的动静刚度比略有增大；当硫化温度为170 ℃时，胶料的拉伸强度下降，动静刚度比显著增大。当硫化温度分别为150，160和170 ℃时，对于硫化时间延长4 min的硫化条件2，4，6胶料，其拉伸强度和拉断伸长率减小，动静刚度比增大，耐热空气老化性能有所下降，硫化温度为170 ℃时的胶料变化最为明显，硫化温度为150 ℃时的胶料变化较小。分析原因可能是硫化温度越高和硫化时间越长，NR胶料越易出现硫化返原，橡胶氧化反应越剧烈，导致胶料的动静刚度比增大，耐热空气老化性能下降，因此硫化温度不宜超过160 ℃，硫化时间不宜过长。

（1）采用普通硫化体系的NR胶料的动静刚度比最小，采用有效硫化体系的NR胶料的耐热空气老化性能最好，采用半有效硫化体系（硫黄/促进剂用量比为1.7/1.5）的NR胶料的动静刚度比较小，耐热空气老化性能较好。

（2）补强体系的炭黑粒径越小，比表面积越大，NR胶料的动静刚度比越大。采用炭黑N330的NR胶料的动静刚度比最大，采用炭黑N550的NR胶料其次，采用炭黑N774的NR胶料的动静刚度比较小；采用炭黑N330/炭黑N774/白炭黑补强体系的NR胶料的动静刚度比最小，耐热空气老化性能最好。

（3）添加防老剂4020的NR胶料的动静刚度比最小，耐热空气老化性能较添加防老剂4010NA的NR胶料略优；添加防老剂MB可显著改善NR胶料的耐热空气老化性能；采用防老剂4020/防老剂RD/防老剂MB/微晶蜡防护体系的NR胶料的动静刚度比最小，耐热空气老化性能最好。

（4）升高硫化温度及延长硫化时间，NR胶料易出现硫化返原，导致其交联网络的破坏，从而致使其动静刚度比增大，耐热空气老化性能下降。

Research on NR Compound Formulas for Automotive Engine Suspension