納米填料GW-9在橡膠減振器中的應(yīng)用

高新文，王付勝，曹江勇（青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266114）

?

納米填料GW-9在橡膠減振器中的應(yīng)用

高新文，王付勝，曹江勇
（青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266114）

研究了納米填料GW-9在橡膠減振器配方中的應(yīng)用。研究表明，在配方中加入適量（20 份）納米填料GW-9后能夠提高膠料的物理力學(xué)性能和產(chǎn)品的耐疲勞性能。

納米填料；橡膠減振器；配方

0　前　言

納米材料是指粒徑尺寸為納米量級的超細(xì)微粒，其尺寸一般在1～100 nm之間。由于尺寸進(jìn)入納米量級，使納米粒子具有小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)，因而納米粒子展現(xiàn)出許多奇異特性，并對高性能陶瓷、合金的研究開發(fā)產(chǎn)生了重要影響［1］。但納米填料在橡膠減振器中的應(yīng)用報(bào)道不多。本試驗(yàn)研究了納米片狀材料在橡膠減振器（結(jié)構(gòu)如圖1所示）配方中的應(yīng)用，以期提高橡膠減振器的性能和使用壽命。

圖1　橡膠減振器結(jié)構(gòu)示意圖

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1主要原材料

天然橡膠（NR），海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，大連氧化鋅廠產(chǎn)品；炭黑，上海卡博特化工有限公司產(chǎn)品；其他均為橡膠工業(yè)常用市售材料。

其中，納米填料GW-9是福建長泰萬泰礦物制品有限公司對天然微小結(jié)晶粒子（厚度20～40 nm，直徑1～2 μm）礦物材料經(jīng)過再聚集、組合形成的一種高徑厚比的薄片狀結(jié)構(gòu)納米材料。

1.2基本配方

基本配方（單位：份）：NR 100.0，氧化鋅5.0，硬脂酸 2.5，炭黑N550 45.0，增塑劑 8.0，防老劑 5.0，硫磺 1.8，促進(jìn)劑 1.6，納米填料GW-9變量，其他 5.0。

1.3主要設(shè)備與儀器

3L密煉機(jī)，無錫陽明橡膠機(jī)械有限公司產(chǎn)品；GT-M2000-A型硫化儀、AI-7000S型電子拉力機(jī)和GT-7017-M型老化箱，高特威爾檢測儀器有限公司產(chǎn)品；疲勞試驗(yàn)機(jī)，滄州興航重工機(jī)械有限公司產(chǎn)品。

1.4試樣制備

膠料采用二段混煉工藝混煉。一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，加入小料、炭黑和GW-9；二段混煉在開煉機(jī)上進(jìn)行，加入硫磺和促進(jìn)劑。

檢測試樣在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為150 ℃、15 min；產(chǎn)品在注射機(jī)上硫化，硫化條件為150 ℃、25 min。

1.5性能測試

靜剛度試驗(yàn)：第1階段，以5 mm/min的試驗(yàn)速度從0 N加載至100 N，位置清零，之后以同樣的速度施加載荷至30 kN，然后卸載至100 N，如此循環(huán)2次；第2階段，位置清零，以5 mm/min的試驗(yàn)速度從100 N加載至30 kN，再卸載至100 N；記錄載荷-位移數(shù)據(jù)，取5 kN和25 kN的載荷-位移數(shù)值計(jì)算剛度。

疲勞試驗(yàn)：載荷控制正弦波，頻率為5 Hz，疲勞試驗(yàn)載荷為0～10 kN。

其余各項(xiàng)基本性能均按照相應(yīng)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2　結(jié)果與討論

2.1納米填料GW-9對混煉膠性能的影響

納米填料GW-9用量對橡膠硫化特性的影響如表1所示。

表1　納米填料GW-9用量對膠料硫化特性的影響

從表1中可以看出，隨著納米填料GW-9用量增加，膠料的t10和t90沒有明顯變化，這是因?yàn)榧{米填料GW-9的pH為6～8，材料的中性特征保證了其對膠料硫化特性的影響較小。

納米填料GW-9用量對膠料門尼黏度的影響如圖2所示。

圖2　納米填料GW-9對膠料門尼黏度的影響

從圖2中可以看出，隨著納米填料GW-9用量的增加，膠料門尼黏度呈增大趨勢。當(dāng)GW-9用量少于30份時(shí)，膠料門尼黏度增加幅度較小。這是由于納米填料GW-9在生產(chǎn)過程中經(jīng)過了插層處理，在用量較少時(shí)能夠與橡膠形成獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，避免了填料之間的團(tuán)聚。

2.2納米填料GW-9對硫化膠力學(xué)性能的影響

納米填料GW-9用量對橡膠硬度的影響如圖3所示。從圖3中可以看出，膠料硬度隨著納米填料GW-9用量的增加呈線性增加，每增加5份納米填料GW-9，硬度約增加1。

圖3　納米填料GW-9對膠料硬度的影響

納米填料GW-9用量對橡膠拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率的影響如圖4和5所示。從圖4和5中可以看出，納米填料GW-9用量在0～20份時(shí)，隨著GW-9用量的增加，膠料的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率變化不明顯；當(dāng)GW-9用量超過20份后，隨著GW-9用量增加，膠料拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率有明顯下降。GW-9特殊的插層和表面化學(xué)處理使得橡膠與GW-9有很好的結(jié)合，能夠形成橡膠-填料網(wǎng)絡(luò)，從而使膠料能夠保持較高的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率。但隨著GW-9用量的過度增加，沒有與橡膠結(jié)合的填料之間因出現(xiàn)團(tuán)聚而導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率下降。

圖4　納米填料GW-9對膠料拉伸強(qiáng)度的影響

圖5　納米填料GW-9對膠料拉斷伸長率的影響

納米填料GW-9用量對膠料撕裂強(qiáng)度的影響如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著GW-9用量的增加，膠料的撕裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。在GW-9用量為20份時(shí)撕裂強(qiáng)度出現(xiàn)最大值47 kN/m。納米填料GW-9為片層結(jié)構(gòu)，當(dāng)GW-9與橡膠有很好的結(jié)合時(shí)，其片層結(jié)構(gòu)可以阻止裂紋的擴(kuò)展，從而提高膠料的撕裂強(qiáng)度。

納米填料GW-9用量對膠料回彈性的影響如圖7所示。從圖7可以看出，隨著納米填料GW-9用量的增加，膠料回彈性呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，并在GW-9用量為20份時(shí)出現(xiàn)最大值70%。橡膠的高彈性是由卷曲分子構(gòu)象的變化所致。由于橡膠分子間存在相互作用和內(nèi)旋轉(zhuǎn)阻力，會(huì)阻礙分子鏈的運(yùn)動(dòng)，因而作用在分子鏈上的力一部分用于克服分子鏈的變形，另一部分使分子鏈變形［2］。加入適量GW-9后形成的橡膠填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)減少橡膠分子間存在的相互作用和內(nèi)旋轉(zhuǎn)阻力，從而提高膠料的回彈性。

圖6　納米填料GW-9對膠料撕裂強(qiáng)度的影響

圖7　納米填料GW-9對膠料回彈性的影響

納米填料GW-9用量對膠料恒定壓縮永久變形的影響如圖8所示。從圖8可以看出，納米填料GW-9用量小于20份時(shí)，隨著GW-9用量增加，膠料恒定壓縮永久變形變化不明顯；當(dāng)GW-9用量超過20份時(shí)，膠料恒定壓縮永久變形隨GW-9用量的增加明顯增大。在GW-9用量少于20份時(shí)，填料與橡膠之間能夠形成較為完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不會(huì)對膠料的恒定壓縮永久變形產(chǎn)生不利影響；而當(dāng)GW-9用量較多時(shí)會(huì)存在填料團(tuán)聚現(xiàn)象，阻礙了橡膠分子鏈的自由運(yùn)動(dòng)，并在分子鏈運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生橡膠與填料之間的摩擦內(nèi)耗，導(dǎo)致恒定壓縮永久變形變大。

2.3納米填料GW-9對硫化膠老化性能的影響

納米填料GW-9用量對膠料老化性能的影響如表2所示。

圖8　納米填料GW-9對膠料恒定壓縮永久變形的影響

表2　納米填料GW-9用量對膠料老化性能影響

從表2可以看出，隨著GW-9用量增加，膠料老化后拉伸強(qiáng)度變化率和拉斷伸長率變化率呈增大趨勢。這是因?yàn)樵跊]有加入GW-9時(shí)，炭黑表面基團(tuán)（醌基、羧基等）對高分子鏈的斷裂具有催化作用，因此炭黑填充硫化膠的抗老化能力較差。當(dāng)其與納米粒子并用后，能夠提高硫化膠的抗熱氧老化性能［1］。

2.4納米填料GW-9對橡膠減振器性能的影響

根據(jù)膠料性能試驗(yàn)結(jié)果，我們在新研制的橡膠減振器配方中加入20份納米填料GW-9，優(yōu)化配方后進(jìn)行減振器產(chǎn)品試制，對試制的橡膠減振器進(jìn)行剛度試驗(yàn)和耐疲勞試驗(yàn)，并與原配方生產(chǎn)的橡膠減振器進(jìn)行對比。

橡膠減振器剛度對比試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，用兩種配方生產(chǎn)的橡膠減振器的橫向剛度和縱向剛度基本相同，均能滿足技術(shù)規(guī)范要求。

表3　橡膠減振器剛度試驗(yàn)結(jié)果

橡膠減振器耐疲勞試驗(yàn)對比結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，用加入納米填料GW-9新配方生產(chǎn)的橡膠減振器的耐疲勞性能明顯優(yōu)于原配方生產(chǎn)的橡膠減振器。試驗(yàn)表明，納米填料GW-9在橡膠減振器膠料中應(yīng)用后能夠有效提高產(chǎn)品的耐疲勞性能。

表4　橡膠減振器疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)　論

（1）在配方中加入納米填料GW-9后，膠料的硫化特性沒有明顯變化。在納米填料GW-9用量小于30份時(shí)，膠料門尼黏度隨GW-9用量增加，變化不明顯；而當(dāng)納米填料GW-9用量超過30份時(shí)，膠料門尼黏度隨GW-9用量增加而明顯增大。

（2）隨著納米填料GW-9用量增加，膠料硬度呈線性增加。每增加5份納米填料GW-9，膠料硬度增加1。

（3）隨著納米填料GW-9用量增加，在用量不大于20份時(shí)，膠料拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率和恒定壓縮永久變形沒有明顯變化；用量超過20 份時(shí)，這幾項(xiàng)性能則均有不同程度下降。膠料撕裂強(qiáng)度和回彈性隨著納米填料GW-9用量的增加呈先增大后減小趨勢，在納米填料GW-9用量為20份時(shí)出現(xiàn)最大值。老化性能隨著納米填料GW-9用量的增加而提高。

（4）與原橡膠減振器相比，配方中加入GW-9后橡膠減振器的縱向剛度和橫向剛度基本相同，耐疲勞性能有明顯提高。

Keуwords: Nano Filler； Rubber Vibration Mounts； Formulation

［1］賈紅兵，金志剛，吉慶敏，等.新型無機(jī)納米填料對SBR的補(bǔ)強(qiáng)性能［J］.橡膠工業(yè)，2000，47（11）：647-651.

［2］楊清芝主編.現(xiàn)代橡膠工藝學(xué)［M］.北京： 中國石化出版社，2004，47（11）：504.

［責(zé)任編輯：朱 胤］

Nano Filler GW-9 for Rubber Vibration Mounts Application

Gao Xinwen，Wang Fusheng，Cao Jiangyong
（Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.，Ltd.，Qingdao 266114，China）

The application of nano fi ller GW-9 in rubber vibration mounts compound was studied.The test results showed that，the mechanical properties and fatigue properties can be improved when adding proper amount（20 phr）GW-9 in the formula.

TQ 336.4+2

A

1671-8232（2016）04-0019-05

2015-10-20