空气弹簧橡胶气囊胶料的配方研究.pdf

橡胶工业CHINA RUBBER INDUSTRY803第70卷第10期Vol.70 No.102023年10月O c t.2023空气弹簧橡胶气囊胶料的配方研究王静1，康振冉2，王涛2，危银涛11.清华大学 车辆与运载学院，北京 100084；2.易瑞博科技（北京）有限公司，北京 100083摘要：对汽车用空气弹簧橡胶气囊胶料的配方进行研究。结果表明：与天然橡胶（NR）/氯丁橡胶（CR）并用胶相比，CR胶料的300%定伸应力和拉伸强度增大，耐热老化性能和耐疲劳性能提高；在空气弹簧橡胶气囊的试制中，NR/CR并用胶采用传统压延工艺制备，预期生产出的橡胶气囊壁厚约为2 mm，CR胶料采用层芯喷注工艺制备，预期生产出的橡胶气囊壁厚约为1.6 mm。关键词：空气弹簧；橡胶气囊；氯丁橡胶；天然橡胶；耐疲劳性能中图分类号：TQ336.42 文章编号：1000-890X（2023）10-0803-05文献标志码：ADOI：10.12136/j.issn.1000-890X.2023.10.0803随着汽车工业和交通运输业的高速发展，人们对汽车的乘坐舒适性和平稳性等有了更高的要求。空气弹簧作为一种利用空气压缩弹性进行工作的柔性弹性密闭容器件，在汽车的减震、缓冲和高频隔震方面具有不可替代的作用1-2。目前国内市场上的汽车用空气弹簧主要为进口产品，价格较高。从空气弹簧橡胶气囊来看，国产空气弹簧橡胶气囊胶料所用胶种较多，如天然橡胶（NR）、顺丁橡胶、氯丁橡胶（CR）、丁苯橡胶及其并用胶，制得的空气弹簧橡胶气囊的壁较厚，减震性能较差，而国外空气弹簧橡胶气囊胶料一般使用CR，制得的空气弹簧橡胶气囊的壁薄、质轻、强度大。2001年，贵州前进橡胶有限公司开发了NR/氯化丁基橡胶并用的客车空气弹簧橡胶气囊胶料的配方，胶料的物理性能和成品性能均达到国外产品水平3。黄良平等4进行了空气弹簧橡胶气囊胶料的配方设计及空气弹簧的性能试验，优化配方胶料的性能达到了Contitech公司的空气弹簧橡胶气囊胶料的性能指标要求。王付胜等5优化了空气弹簧橡胶气囊外层胶的配方，使空气弹簧橡胶气囊的耐老化性能得到提高。Vibracoustic公司使用CR胶料，采用注射和编制工艺，生产出强度高、壁超薄（1.6 mm）的空气弹簧橡胶气囊。本工作对汽车用空气弹簧橡胶气囊的NR/CR并用胶与CR胶料的性能进行对比研究，以期开发出能与国外空气弹簧性能相当的橡胶气囊胶料的配方。1实验1.1主要原材料 NR，1#烟胶片，泰国产品；CR，牌号CR126，德国朗盛公司产品；炭黑N330，N550和N660，江西黑猫炭黑股份有限公司产品；白炭黑，山东联科白炭黑有限公司产品；偶联剂Si69，安徽硅宝有机硅新材料有限公司产品；氧化锌和氧化镁，分析纯，山东阳谷华泰化工股份有限公司产品；防老剂4020和促进剂CBS，山东尚舜化工有限公司产品。1.2主要设备和仪器BB-1600IM型密炼机和BL-6175-AL型开炼机，宝轮精密检测仪器有限公司产品；XLB-D型平基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（52003142）作者简介：王静（1989），女，山东济宁人，清华大学助理研究员，博士，主要从事高分子材料的合成、表征及性能研究。E-mail：引用本文：王静，康振冉，王涛，等.空气弹簧橡胶气囊胶料的配方研究J.橡胶工业，2023，70（10）：803-807.Citation：WANG Jing，KANG Zhenran，WANG Tao，et al.Study on formulations of rubber bladder compounds for air springJ.China Rubber Industry，2023，70（10）：803-807.OSID开放科学标识码(扫码与作者交流)产品设计804 橡胶工业 2023年第70卷板硫化机，湖州东方机械有限公司产品；MDR2000型无转子硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；5965型电子万能材料试验机，美国英斯特朗公司产品；SS-8610型橡胶疲劳试验机，凯尔测控技术（天津）有限公司产品。1.3试样制备胶料分两段混炼，一段混炼在密炼机中进行，转子转速为90 rmin-1，混炼工艺为：生胶和小 料压压砣混炼25 s提压砣加炭黑和白炭黑压压砣提压砣混炼至120 （CR胶料不高于120 ）压压砣提压砣混炼至135 （CR胶料不高于120 ）压压砣混炼至150 （CR胶料不高于120 ）排胶。二段混炼在开炼机上进行，胶料包辊后左右割刀1次，加入硫黄和促进剂，待吃料完全后，左右割刀3次，减小辊距，打三角包5次，调大辊距，胶料包辊，表面光滑无气泡后下片。胶料在平板硫化机上硫化，硫化条件为160 10 min。1.4性能测试（1）耐臭氧老化性能：按ISO 14311：2004测试，试验条件为：40 48 h，相对湿度55%，臭氧体积分数5010-8。（2）疲劳裂纹扩展试验：对带预制裂口的疲劳测试试样（如图1所示）进行动态循环加载试验，通过控制试样内裂尖部位的裂纹扩展驱动力，并跟踪裂纹扩展轨迹，得到试样的疲劳裂纹增长速率与撕裂能之间的关系曲线，测试条件为：试样尺寸150 mm15 mm2 mm，预制缺口长度25 mm，循环载荷频率10 Hz，试验温度23。对同一配方胶料取3个试样进行重复性裂纹扩展试验，试验结果取平均值。试验过程中逐步提高循环控制最大撕裂能，并实时监测裂纹扩展形态。图1带预制裂口的疲劳测试试样Fig.1Fatigue test specimen with prefabricated crack（3）其他性能均按照相应的国家标准进行 测定。2结果与讨论2 1胶料的配方设计空气弹簧橡胶气囊的生产工艺复杂，在胶料混炼后需要经过压延、成型、烘坯和装模硫化等工艺过程制成，因此要求胶料的焦烧时间长、压延时不粘辊以及成型时有粘性等。空气弹簧橡胶气囊可采用层芯喷注工艺制备，该工艺较为简单，操作方便，且生产的橡胶气囊的壁较薄。2.1.1NR/CR并用胶的配方NR/CR并用胶的配方见表1。表1NR/CR并用胶的配方 份Tab.1Formulations of NR/CR blendsphr组分配方编号A1A2A3NR507070CR503030炭黑N330101015炭黑N660253030白炭黑0100偶联剂Si69020氧化锌554氧化镁300.5硬脂酸1.522防老剂402054.54.5硫黄22.51.5促进剂CBS111其他366注：A1外层胶，A2帘布层胶，A3内层胶。2.1.2CR胶料的配方CR胶料的配方（B配方，用于外层胶、帘布层胶、内层胶）（用量/份）：CR100，炭黑N33012，炭黑N55015，白炭黑10，氧化锌5，氧化镁4，硬脂酸1，防老剂40203，微晶蜡1.5，促进剂CBS1.5，其他11。2.2胶料的性能2.2.1硫化特性和物理性能不同配方胶料的硫化特性和物理性能见表2。从表2可以看出，与NR/CR并用胶相比，CR胶料的t90和硬度相近，300%定伸应力和拉伸强度增大，粘合性能和耐热老化性能提高。2.2.2耐疲劳性能在100%应变下，不同配方胶料的疲劳裂纹扩展曲线如图2所示。从图2可以看出，配方B胶料的耐疲劳性能最第 10 期 王静等 空气弹簧橡胶气囊胶料的配方研究 805表2不同配方胶料的硫化特性和物理性能Tab.2Vulcanization characteristics and physical properties of compound with different formulations项目配方编号A1A2A3B硫化仪数据（160）ts2/min2.012.772.712.65t90/min7.067.896.876.98硫化胶性能邵尔A型硬度/度59615660300%定伸应力/MPa10.5210.368.7011.60拉伸强度/MPa25.6526.9725.8828.91拉断伸长率/%578560591603H抽出力/N7986100 7 d热老化后邵尔A型硬度变化/度5653拉伸强度变化率/%1011107拉断伸长率变化率/%1516149臭氧老化等级0110100万次屈挠龟裂等级00000?10?451510203025602025303540455055?mm3214配方编号：1A1；2A2；3A3；4B。图2不同配方胶料的疲劳裂纹扩展曲线Fig.2Fatigue crack growth curves of compounds withdifferent formulations好，配方A3硫化胶最差。可见CR胶料的耐疲劳性能优于NR/CR并用胶。不同配方胶料的疲劳裂纹增长速率-撕裂能曲线如图3所示，G为撕裂能（Jm-1），C为裂纹长度（mm），N为疲劳次数。从图3可以看出，在裂纹增长速率迅速增大的区域6-10，NR/CR并用胶的裂纹急剧增大，说明撕裂能增大到一定程度后，可能是NR/CR界面处不牢固，使得胶料的抗疲劳破坏能力大大减小11-14。不同配方胶料的疲劳极限曲线如图4所示。胶料常处于大变形状态，若平均应变保持在0.5以上，从图4可知控制应变振幅在0.5以下时CR胶料的疲劳寿命仍能达到10万次；应变振幅在0.2以下时，不lgG2.03.53.02.5?3.0?5.5?5.0?4.5?3.5?4.0lg?dC?dN?3412注同图2。图3不同配方胶料的疲劳裂纹增长速率-撕裂能曲线Fig.3Fatigue crack growth rate-tear energy curves ofcompounds with different formulations管是CR胶料，还是NR/CR并用胶，胶料的疲劳寿命都可达到100万次。2.3空气弹簧橡胶气囊目前，CR胶料及NR/CR并用胶在空气弹簧橡胶气囊中的应用均处于产品试制阶段。NR/CR并用胶采用传统压延工艺制备橡胶气囊，预期生产出的橡胶气囊的壁厚约为2 mm，CR胶料采用层芯喷注工艺制备橡胶气囊，预期生产出的橡胶气囊的壁厚约为1.6 mm。3结论本研究配方的汽车用空气弹簧橡胶气囊胶料的物理性能良好，CR胶料的性能优于NR/CR并用胶，两种配方胶料均用于样品试制。NR/CR并用胶和CR胶料分别采用传统压延工艺和层芯喷注工艺生产空气弹簧橡胶气囊。参考文献：1 丁志华，游世辉.磁流变弹性体橡胶空气弹簧的结构设计J.机械设计与制造，2008（10）：17-18.DING Z H，YOU S H.Structural design of magnetorheological elastomers air springJ.Machinery Design&Manufacture，2008（10）：17-18.2 叶伟强，曹宽宽，邓益民，等.磁流变弹性体汽车减振实验装置设计及实验研究J.机械科学与技术，2011，30（6）：1011-1015.YE W Q，CAO K K，DENG Y M，et al.Deignand experimental study of an automobile vibration reduction system basedon mageto-rheological elastomerJ.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2011，30（6）：1011-1015.3 陈亚洲.汽车用橡胶空气弹簧胶料配方的研究J.橡胶工业，806 橡胶工业 2023年第70卷2001，48（10）：612-614.CHEN Y Z.Formulation of rubber air-spring for automobileJ.China Rubber Industry，2001，48（10）：612-614.4 黄良平，唐先贺，杨军.空气弹簧橡胶气囊配方的研究J.橡胶工业，2004，51（3）：162-164.HUANG L P，TANG X H，YANG J.Formulation of rubber bladder for air springJ.China Rubber Industry，2004，51（3）：162-164.5 王付胜，朱鹏刚，李吉刚.空气弹簧橡胶气囊外层胶配方优化设 计J.橡胶工业，2011，58（5）：301-306.WANG F S，ZHU P G，LI J G.Optimized design of outer layer formula of rubber diaphragm for air springJ.China Rubber Industry，2011，58（5）：301-306.6 ZHANG W，GONG X L，SUN T L，et al.Effect of cyclic deformation on magnetorheological elastomersJ.Chinese Journal of Chemical Physics，2010，23（2）：226-230.7 WANG T，ZHU Z W.A new type of nonlinear hysteretic model for magnetorheological elastomer and its 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Materials，1983，37（3）：267-276.10 NI Z C，GONG X L，LI J F，et al.Study on a dynamic stiffness-tuning absorber with squeeze-strain enhanced magnetorheological elastomerJ.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2009，20（10）：1187-1194.11 SAINUMSAI W，TOKI S，MNUAYPORNSRI S，et al.Dependence of the onset of strain-induced crystallization of natural rubber and its synthetic analogue on crosslink and entanglement by using synchrotron X-rayJ.Rubber Chemistry and Technology，2017，90（4）：728-742.12 HUNEAU B，MASQUELIER I，MARCO Y，et al.Fatigue crack initiation in a carbon black-filled natural rubberJ.Rubber Chemistry and Technology，2016，89（1）：126-141.13 SJBERG M M，KARI L.Non-linear behavior of a rubber isolator system using fractional derivativesJ.Vehicle System Dyamics，2002，37（3）：217-236.14 PAN X Y，SHANGGUAN W B，CHAI G Z，et al.Dynamic modeling of carbon black filled rubber vibration isolator based on hyperelasticity，fractional derivative and friction modelJ.Journal of Vibration and Shock，2007，26（10）：6-10.收稿日期：2023-05-22第 10 期 王静等 空气弹簧橡胶气囊胶料的配方研究 807Study on Formulation of Rubber Bladder Compounds for Air SpringWANG Jing1，KANG Zhenran2，WANG Tao2，WEI Yintao11.Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.E-Rubber Technology（Beijing）Co.，Ltd，Beijing 100083，ChinaAbstract：The formulation of the rubber bladder compounds for automotive air springs was studied.The results showed that compared with the natural rubber（NR）/chloroprene rubber（CR）blend，the tensile stress at 300%and tensile strength of the CR compound increased，the heat aging resistance and fatigue resistance were improved.In the trial production of the rubber bladder for air spring，the NR/CR blend was prepared by the traditional calendering process，the expected wall thickness of the rubber bladder produced was about 2 mm，while CR compound utilized a layer core injection process，and the expected wall thickness of the rubber bladder produced was about 1.6 mm.Key words：air spring；rubber bladder；CR；NR；fatigue resistance北橡院主办期刊 橡胶工业 被全球最大的文摘与引文数据库Scopus收录2023年7月，橡胶工业（英文刊名China Rubber Industry）被 荷 兰 文 摘 与 引 文 数 据 库（Scopus）正式收录。Scopus是目前全球规模最大的同行评议出版物文摘和引文数据库，也是世界五大文献检索系统之一。Scopus因其功能强大而受到全球学术界普遍关注，其数据在世界大学排行榜、中国高被引学者榜单、高校学科评估等方面均得到广泛应用；基于该数据库的CiteScore（引用分）正逐渐成为科学引文索引（SCI）的Impact Factor（影响因子）相并列的学术评价指标。橡胶工业 主办单位为北京橡胶工业研究设计院有限公司，创刊于1953年，是我国橡胶行业创刊较早、专业性和权威性较高的学术期刊之一。2003年和2005年荣获第二、第三届国家期刊奖百种重点期刊，是中国期刊方阵双奖期刊。2002年、2006年、2011年和2015年荣获第五第八届全国石油和化工行业优秀期刊一等奖，2020年和2023年入选“全国石油和化工行业期刊100强排行榜”和“技术期刊50强排行榜”，并被评为“RCCSE中国核心学术期刊”，且连年入选“中国科技核心期刊”。在数据库和文摘杂志收录方面，橡胶工业除了早年文摘被美国 化学文摘（CA）和英国橡胶和塑料文摘（RAPRA）收录，全文被知网、万方、维普、超星数据库收录以外，2020年以来进一步加大国际化步伐，陆续被国际重要数据库收录。2020年 橡胶工业 被日本科学技术振兴机构数据库（JST）收录，2022年陆续被美国 乌利希期刊指南（Ulrichsweb）、美国全学科学术全文数据库（EBSCO）、哥白尼索引期刊数据库（ICI World of Journals）、哥白尼精选数据库（ICI Master List）收录。中国学术期刊影响因子年报（自然科学与工程技术2022版）显示，橡胶工业 学术影响力明显提升，在化学工程（TQ）类的177种统计源期刊中，橡胶工业 影响力指数（CI）上升到第22名，在Q1分区，为近年来最好名次；复合影响因子为1.986，综合影响因子为1.572，均排177种TQ类期刊的第2名。中国科学技术信息研究所发布的2022年版中国科技期刊引证报告（核心版）自然科学卷 显示，在高聚物工程学科的12本中国科技核心期刊中，橡胶工业 核心影响因子为0.71，学科排第5名，综合评价总分排第6名，处于橡胶领域期刊领先水平。Scopus具有严格的遴选标准和程序，橡胶工业 跻身该全球权威数据库，表明期刊在通向国际舞台的征程中迈出了重要一步。Scopus及时、权威的信息服务，也将有助于进一步提升 橡胶工业 上刊载的科研新成果、新观点在国际上的传播度和影响力。（本刊编辑部）