黄 硕，曹 兰，黄江玲，周言和，高祥达，应 芳，王 亮

（1.东风汽车公司技术中心，湖北 武汉 430058；2.青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042；3.安徽中鼎减震橡胶技术有限公司，安徽 宁国 242300）

杜仲橡胶是一种具有橡塑二重性的优异高分子材料，分为天然杜仲橡胶和合成杜仲橡胶（TPI）两类。杜仲橡胶与天然橡胶（NR）化学成分相同，但分子结构不同，前者为反式聚异戊二烯，后者为顺式聚异戊二烯。杜仲橡胶是典型柔性链高分子，熔点低，与其他橡胶并用可明显降低混炼温度，大幅降低混炼胶生热，改善焦烧特性。杜仲橡胶具有与NR相等的碳-碳双键密度，因此可用相同种类和用量的硫化体系，且具有相似的硫化特性。

研究表明，天然杜仲橡胶的反式-1，4-结构含量和结晶度略高于TPI，二者常规物理性能相差不大[1]。少量杜仲橡胶与NR和丁苯橡胶等并用，可在保持胶料各项基本物理性能不变的情况下，明显降低滚动阻力和生热，大幅度提升材料的耐磨性能和耐疲劳性能。国内有报道将TPI加入到NR中，大大延长了硫化胶的伸张疲劳寿命[2]。

现代汽车大量使用各种减震橡胶制品以起到减震、降噪、提高舒适性和行驶稳定性的作用[3]，汽车底盘的扭力梁铰接为其中之一。扭力梁铰接主要由钢制外管、钢制内管和中间的橡胶层构成（见图1），钢制外管连接扭力梁，钢制内管连接车身金属支架，中间填充NR用于内外管之间的连接和减震。由于乘用车中扭力梁铰接长期受力，工况恶劣，铰接中起减震作用的NR胶料长期受到较大的动态应力作用，在车型开发和客户使用过程中常因动态疲劳而失效。本工作研究杜仲橡胶对扭力梁铰接耐动态疲劳性能的影响，以促进杜仲橡胶在汽车用减震橡胶件中的应用。

图1 扭力梁铰接剖面示意

1 实验

1.1 主要原材料

TPI，相对分子质量55万左右，青岛第派新材有限公司产品；NR，牌号为SVR3L，玉顺贸易有限公司提供；炭黑N339，上海卡博特化工有限公司产品；白炭黑，牌号1165，确成硅化学股份有限公司产品。

1.2 试验配方

生胶（变NR/TPI并用比） 100，炭黑N339 30，白炭黑 10，偶联剂Si69 1，氧化锌 5，硬脂酸 1，防老剂RD 1.5，防老剂4010NA 2，防老剂4020 2，微晶蜡B-10 2，橡胶分散剂D-4A 2，不溶性硫黄 3，促进剂CZ 1，防焦剂CTP 0.2。

1.3 主要设备和仪器

XSM-1/10～120型密炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司产品；XK-160型开炼机和XLB-D型平板硫化机，上海双翼橡塑机械有限公司产品；MDR2000型无转子硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；GT-GS-MB型邵尔硬度计（A型）、GTTCS-2000型电子拉力试验机、GT-7042-RE型弹性试验机、GT-7049型压缩变形试验机和GT-7011-DG型屈挠疲劳试验机（德墨西亚型），中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；MZ-4003B型橡胶立式疲劳试验机，江苏明珠试验机械有限公司产品；EPLEXOR型动态热机械分析仪，德国GABO公司产品；8 kN·m级液压伺服试验设备，德国Schenck公司产品；10 kN级拉压力传感器，南京华东电子集团有限公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 胶料的制备

NR母炼胶和TPI母炼胶分别在密炼机中制备，停放16 h后在密炼机中按配比加入NR母炼胶、TPI母炼胶、硬脂酸、防老剂、氧化锌、石蜡等进行混炼，然后置于开炼机上开炼；停放16 h后加入促进剂和硫化剂等再次混炼。转子转速保持在40～50 r·min-1。胶料在平板硫化机上硫化，硫化条件为160 ℃/10 MPa×11 min。

1.4.2 扭力梁铰接的制备

将NR/TPI混炼胶加入注射机中，注入放有表面磷化处理并涂胶粘剂金属骨架的模具后硫化成型，硫化条件为160 ℃/10 MPa×11 min。

1.5 测试分析

1.5.1 胶料性能

回弹值按照ASTM D 1054—2002《用回跳摆锤法测定橡胶弹性的实验方法》进行测试。其余各项性能均按照相应国家标准进行测试，压缩永久变形采用B型试样，压缩率 25%，测试条件100 ℃×22 h；伸张疲劳寿命和永久变形测试伸长率 100%，频率 5 Hz；动态力学性能测试采用拉伸模式，温度范围 -80～＋100 ℃，频率 3 Hz，升温速率 3 ℃·min-1，动态应变 2.5%，静态应变 5%。

1.5.2 产品性能

径向静刚度测试条件为：预载 0 N，加载力范围 -5～＋5 kN，速率 10 mm·min-1，计算范围 -980～＋980 N。轴向静刚度测试条件为：预载 0 N，加载力范围 -3～＋3 kN，速率10 mm·min-1，计算范围 -980～＋980 N。扭转刚度测试条件为：加载范围 0°～15°，速率30 （°）·min-1，计算范围 0°～1°。

扭力梁铰接的耐动态疲劳性能采用动态疲劳台架试验进行测试，主要试验设备为8 kN·m级液压伺服试验设备和10 kN级拉压力传感器，样品安装、台架和加载方式如图2所示。测试时沿铰接径向方向施加5 kN载荷，同时施加扭转运动，扭转角度为±5°，频率为1.8 Hz，试验次数为100万，试验中检查铰接的破坏情况，包括橡胶的撕裂、内衬套与橡胶之间的脱离、外衬套与橡胶的脱离等情况。

图2 扭力梁铰接疲劳耐久试验台架

2 结果与讨论

2.1 NR/TPI并用胶性能

2.1.1 物理性能

NR/TPI并用比对并用胶物理性能的影响如表1所示。

从表1可以看出，并用TPI后，NR/TPI并用胶的邵尔A型硬度在TPI用量为20份时略有提高，这是由于20份时TPI未全部参与硫化，仍有部分以微晶状态存在，而晶体TPI的邵尔A型硬度可达95度，因此表现为硬度增大。撕裂强度表现出随着TPI用量的增大先升高后降低的趋势，推测为用量较小时，TPI部分呈现微晶状态分散在橡胶基体中，可起到阻止撕裂裂纹扩张的作用，但随着TPI用量的进一步增大，晶体有聚集现象，导致撕裂强度下降。随着TPI用量的增大，并用胶的拉伸强度、拉断伸长率和热空气老化性能均呈现略微降低趋势；300%定伸应力、回弹值和压缩永久变形变化不大。

表1 NR/TPI并用胶的物理性能

2.1.2 耐屈挠疲劳性能

NR/TPI并用比对并用胶耐屈挠疲劳性能的影响如表2所示。

表2 NR/TPI并用胶屈挠疲劳次数 ×10-3

从表2可以看出，并用TPI后，胶料的耐屈挠疲劳性能优于NR胶料，且随着TPI用量的增大，NR/TPI并用胶出现6级龟裂的屈挠次数先增大后减小，当TPI用量为15份时，并用胶的耐屈挠龟裂性能达到峰值。

2.1.3 伸张疲劳性能

NR/TPI并用比对并用胶伸张疲劳性能的影响如表3所示。

从表3可以看出，并用了TPI后，胶料的伸张疲劳寿命延长，且随着TPI用量的增大，胶料的伸张疲劳寿命先延长后缩短，当TPI用量为15份时达到最优值，较NR胶料提升15%。从表3还可以看出，NR/TPI并用比为93/7和85/15的并用胶永久变形减小。

表3 NR/TPI并用胶的伸张疲劳性能

2.1.4 动态力学性能

NR/TPI并用比对并用胶动态力学性能的影响如图3所示，其中tanδ为损耗因子。

图3 NR/TPI并用胶的动态力学性能曲线

从图3可以看出，在20～100 ℃温度范围内，并用TPI后，胶料的tanδ降低，且在TPI用量为7份时，胶料的tanδ降低最明显，说明此时TPI/NR并用胶动态疲劳生热最小，将TPI与NR并用可以降低生热。

2.2 NR/TPI并用胶在汽车扭力梁铰接产品中的应用

2.2.1 静态力学性能

NR/TPI并用比对扭力梁铰接产品静态力学性能的影响如表4所示。

表4 扭力梁铰接产品的静态力学性能

从表4可以看出，并用TPI后，产品的静态力学性能变化不明显，在TPI用量为15份时产品的静刚度和扭转刚度均最优。

2.2.2 耐动态疲劳性能

NR/TPI并用比为100/0，93/7，85/15和80/20的扭力梁铰接的动态疲劳耐久寿命分别为35万、68万、92万和74万次。可以看出，并用了TPI的扭力梁铰接产品的耐动态疲劳性能有了显著提高，且随着TPI用量的增大，产品的耐动态疲劳性能先增强后减弱，加入15份TPI的产品耐动态疲劳性能最优，达到全NR产品的近3倍。

3 结语

（1）在NR中并用少量TPI，可以在保持原胶料物理性能基本不变的情况下，大幅提高伸张疲劳性能和耐屈挠疲劳性能，并改善内部生热状况。

（2）并用TPI可以显著改善扭力梁铰接耐动态疲劳性能，在汽车减震橡胶件中应用前景光明。