停放時(shí)間對(duì)空氣彈簧用氯丁橡膠粘合性能的影響

李 楠，吳明生

（青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042）

0 前 言

現(xiàn)今高鐵車(chē)輛中應(yīng)用最廣泛、最重要的減振部件之一就是高分子材料空氣彈簧。自誕生之日起，研究者就一直努力提高空氣彈簧的使用壽命，而影響空氣彈簧使用壽命的主要是氣囊的壽命。雖然隨著科技的進(jìn)步、氣囊材料的改進(jìn)，氣囊的使用壽命得到了大幅提高，但是從空氣彈簧破壞的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，還是集中在氣囊上（約占90%）?？諝鈴椈傻钠茐闹饕幸韵聨追N形式：（1）密封不牢導(dǎo)致氣囊從上下蓋板脫落；（2）氣囊在與上下蓋板的連接處疲勞斷裂；（3）受外界硬物沖擊破壞；（4）局部磨損破壞，主要發(fā)生在約束膜式的空氣彈簧上；（5）上下蓋板等受力產(chǎn)生裂紋；（6）其他破壞形式，主要是指空氣彈簧附件的破壞，如電磁閥失靈、控制系統(tǒng)失效、連接管路漏氣等[1]。

由于氯丁橡膠具有優(yōu)異的耐老化性能，因此空氣彈簧通常使用氯丁橡膠（CR）作為橡膠基體。CR不能單獨(dú)使用硫磺硫化體系，通常采用的是氧化鋅、氧化鎂過(guò)氧化物硫化體系[2]。研究了停放時(shí)間對(duì)CR膠片粘合性能的影響，即對(duì)空氣彈簧氣囊粘合性能的影響，為延長(zhǎng)空氣彈簧的使用壽命提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

氯丁橡膠，S-40V，日本電氣化學(xué)公司產(chǎn)品；炭黑，N330、N774，陜西黑貓?zhí)亢诋a(chǎn)品；氧化鎂，萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠產(chǎn)品；全精煉蠟58號(hào)、微晶蠟Antilux654、硬脂酸（SA）、防老劑A、芳烴油，均為橡膠工業(yè)市售品。

1.2 儀器設(shè)備

DGG-9053A型電熱恒濕鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；X(S)-160A型雙輥開(kāi)煉機(jī)，青島化工機(jī)械廠；GT-M2000-A型密閉模無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司；LCM-3C2-G03-LM型平板硫化機(jī)，深圳佳鑫電子設(shè)備科技有限公司；尼康SMZ1500體視顯微鏡，蘇州歐米特光電科技有限公司；JSM7500F掃描電鏡，日本JEOL公司。

1.3 基本配方

基本配方（單位：份）：CR，100.00；氧化鋅，6.25；氧化鎂，4.00；硬脂酸，0.80；防老劑A，3.00；N330，30.00；N774，23.00；全精煉蠟58號(hào)，1.00；Antilux654，1.50；芳烴油，10.00。

1.4 混煉膠的制備

采用雙輥開(kāi)煉機(jī)制備氯丁橡膠混煉膠，混煉工藝如下：首先在開(kāi)煉機(jī)上加入CR；待膠料包輥后，依次加入小料氧化鎂、硬脂酸、全精煉蠟、Antilux654、芳烴油、防老劑A；混煉均勻后加入炭黑，左右割膠各5次；混煉均勻后加入氧化鋅，調(diào)整輥距為最小，打三角包6次，下片。

1.5 硫化膠的制備與剝離

為考察不同停放時(shí)間對(duì)硫化膠粘合性能的影響，確定試驗(yàn)方案如下：（1）1#試樣室溫存放1 d；（2）2#試樣室溫存放2 d；（3）3#試樣室溫存放3 d；（4）4#試樣室溫存放6 d；（5）5#試樣室溫存放12 d。本次試驗(yàn)采用的方法是用一定的負(fù)荷對(duì)定寬定長(zhǎng)的兩試片均勻施加作用力, 然后在恒定剝離速度下測(cè)定剝離強(qiáng)度。

試樣制備方法如下：

（1）取膠料，用開(kāi)煉機(jī)以1:1速比壓成1.0 mm厚膠片,一面用0.2 mm聚乙烯（PE）膜作為保護(hù)層，另一面作為硫化粘貼面向上放置在密閉容器中，以防止表面污染。

（2）分別按預(yù)定方案處理后,將上述停放條件的膠片裁成長(zhǎng)11.3 cm、寬8.2 cm試樣5組，將兩膠片粘合面間夾一規(guī)格為長(zhǎng)9 cm、寬5 cm PE薄膜，該長(zhǎng)方形薄膜隔離部分即為剝離實(shí)驗(yàn)夾具夾持部分，硫化后將膠片用氣壓自動(dòng)切片機(jī)裁切成長(zhǎng)11.3 cm、寬2.7 cm的待測(cè)試樣。在強(qiáng)力拉力機(jī)上以50 mm/min的速度剝離。

1.6 分析與測(cè)試

（1）伸張疲勞測(cè)試

伸張疲勞性能按照GB/T 1688—2008在MZ4003B型橡膠立式疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為300次/min，形變量為100%。

（2）剝離性能測(cè)試

對(duì)硫化后的粘合試樣進(jìn)行剝離測(cè)試，速度50 mm/min。

（3）體視顯微鏡測(cè)試

對(duì)硫化膠切斷面進(jìn)行表征。

（4）掃描電鏡測(cè)試

對(duì)硫化膠拉伸試樣斷面噴金后進(jìn)行掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 伸張疲勞測(cè)試

圖1是不同停放時(shí)間硫化膠的伸張疲勞性能測(cè)試。由圖1可知，隨著停放時(shí)間的延長(zhǎng)，硫化膠的耐伸張疲勞性能呈現(xiàn)山峰型趨勢(shì)。最佳停放時(shí)間為2 d，此時(shí)的 2#試樣耐伸張疲勞性最好，耐伸張疲勞次數(shù)約為110萬(wàn)次；3#、4#、5#試樣耐疲勞性依次變差，依次為100.67萬(wàn)次、98.97萬(wàn)次、88.32萬(wàn)次；1#試樣耐伸張疲勞性最差，約為85萬(wàn)次。分析認(rèn)為，2 d的停放時(shí)間有利于減小膠料的收縮率，有利于膠料性能的均勻和穩(wěn)定，還能使膠料中的應(yīng)力得到松弛。對(duì)3#、4#、5#試樣來(lái)說(shuō)，停放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，膠料內(nèi)部配合助劑析出量增大，從而影響了膠料間的粘合，縮短了產(chǎn)品的使用壽命。

圖1 不同停放時(shí)間CR硫化膠的伸張疲勞性能測(cè)試

2.2 剝離性能測(cè)試

圖2 是停放了不同時(shí)間的CR硫化膠的剝離強(qiáng)度。由圖2可知，混煉膠片停放一段時(shí)間后硫化，硫化后膠片間的剝離強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。停放時(shí)間為2 d時(shí)，硫化膠片（即2#試樣）的剝離性能最好，為146.4 N-1。3#、4#、5#試樣的剝離強(qiáng)度逐漸降低，分別為142.3 N-1、131.7 N-1、120.8 N-1。這主要是由于膠料中起防護(hù)作用的石蠟析出所致。隨著停放時(shí)間的延長(zhǎng)，防護(hù)蠟在橡膠中的溶解度減小，會(huì)大量遷移到混煉膠表面，在表面析出的石蠟會(huì)影響膠片進(jìn)一步的粘合。2#試樣的剝離強(qiáng)度優(yōu)于1#試樣的，這是因?yàn)槭炍龀鲂枰欢ǖ臅r(shí)間，并且適當(dāng)?shù)耐７艜r(shí)間有利于減小膠料的收縮率，有利于膠料性能的均勻和穩(wěn)定，還能使膠料中的應(yīng)力得到松弛。

圖2 停放不同時(shí)間的CR硫化膠的剝離強(qiáng)度

2.3 體視顯微鏡與掃描電鏡分析

使用氣壓自動(dòng)切片機(jī)將4#膠片橫向切斷，并用體視顯微鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3（a）所示，在硫化后膠片中央部位發(fā)現(xiàn)有明顯的白色痕跡出現(xiàn)。這可能是因?yàn)槟z片停放時(shí)，由于配合劑在空氣中以及橡膠中的溶解度不同，在膠料內(nèi)部會(huì)有配合劑向膠料表面運(yùn)動(dòng)，在橡膠未硫化前在表面大量析出，在兩膠片貼合硫化后在中間形成噴出層。對(duì)該痕跡進(jìn)行掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，該層具有大量片層狀結(jié)構(gòu)[圖3（b）、（c）]，結(jié)合配方分析，該析出物符合石蠟析出的特征。

3 結(jié) 論

（1）停放時(shí)間對(duì)CR膠片粘合性能具有較大影響，當(dāng)停放時(shí)間為2 d時(shí)，膠片剝離強(qiáng)度和伸張疲勞性能最佳。

（2）隨著停放時(shí)間的延長(zhǎng)，石蠟會(huì)在硫化膠斷面大量析出，影響硫化膠的剝離性能與耐伸張疲勞性能。

圖3 停放時(shí)間為6 d的CR硫化膠（4#）的體視顯微鏡照片和掃描電鏡照片

[1]張利國(guó), 張嘉鐘, 賈力萍, 等. 空氣彈簧的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2007, 26(2): 146-151.

[2]劉印文, 劉振華. 氯丁橡膠配合, 加工與應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.