王 静，康振冉，王 涛，危银涛

[1.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]

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 r·min-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 1431—1：2004测试，试验条件为：40 ℃×48 h，相对湿度 55%，臭氧体积分数 50×10-8。

（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

图1 带预制裂口的疲劳测试试样Fig.1 Fatigue test specimen with prefabricated crack

150 mm×15 mm×2 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。

（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。

2.1.1 NR/CR并用胶的配方

NR/CR并用胶的配方见表1。

表1 NR/CR并用胶的配方 份Tab.1 Formulations of NR/CR blends phr

2.1.2 CR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）：CR 100，炭黑N330 12，炭黑N550 15，白炭黑 10，氧化锌 5，氧化镁4，硬脂酸 1，防老剂4020 3，微晶蜡 1.5，促进剂CBS 1.5，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。

表2 不同配方胶料的硫化特性和物理性能Tab.2 Vulcanization characteristics and physical properties of compound with different formulations

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。

图2 不同配方胶料的疲劳裂纹扩展曲线Fig.2 Fatigue crack growth curves of compounds with different formulations

从图2可以看出，配方B胶料的耐疲劳性能最好，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（J·m-1），C为裂纹长度（mm），N为疲劳次数。

图3 不同配方胶料的疲劳裂纹增长速率-撕裂能曲线Fig.3 Fatigue crack growth rate-tear energy curves of compounds with different formulations

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。

图4 不同配方胶料的疲劳极限曲线Fig.4 Fatigue limit curves of compounds with different formulations

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。