纳米填料GW-9在橡胶减振器中的应用

高新文，王付胜，曹江勇（青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266114）



纳米填料GW-9在橡胶减振器中的应用

高新文，王付胜，曹江勇
（青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266114）

研究了纳米填料GW-9在橡胶减振器配方中的应用。研究表明，在配方中加入适量（20 份）纳米填料GW-9后能够提高胶料的物理力学性能和产品的耐疲劳性能。

纳米填料；橡胶减振器；配方

0　前　言

纳米材料是指粒径尺寸为纳米量级的超细微粒，其尺寸一般在1～100 nm之间。由于尺寸进入纳米量级，使纳米粒子具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面界面效应及宏观量子隧道效应，因而纳米粒子展现出许多奇异特性，并对高性能陶瓷、合金的研究开发产生了重要影响［1］。但纳米填料在橡胶减振器中的应用报道不多。本试验研究了纳米片状材料在橡胶减振器（结构如图1所示）配方中的应用，以期提高橡胶减振器的性能和使用寿命。

图1　橡胶减振器结构示意图

1　实　验

1.1主要原材料

天然橡胶（NR），海南天然橡胶产业集团有限公司产品；氧化锌，大连氧化锌厂产品；炭黑，上海卡博特化工有限公司产品；其他均为橡胶工业常用市售材料。

其中，纳米填料GW-9是福建长泰万泰矿物制品有限公司对天然微小结晶粒子（厚度20～40 nm，直径1～2 μm）矿物材料经过再聚集、组合形成的一种高径厚比的薄片状结构纳米材料。

1.2基本配方

基本配方（单位：份）：NR 100.0，氧化锌5.0，硬脂酸 2.5，炭黑N550 45.0，增塑剂 8.0，防老剂 5.0，硫磺 1.8，促进剂 1.6，纳米填料GW-9变量，其他 5.0。

1.3主要设备与仪器

3L密炼机，无锡阳明橡胶机械有限公司产品；GT-M2000-A型硫化仪、AI-7000S型电子拉力机和GT-7017-M型老化箱，高特威尔检测仪器有限公司产品；疲劳试验机，沧州兴航重工机械有限公司产品。

1.4试样制备

胶料采用二段混炼工艺混炼。一段混炼在密炼机中进行，加入小料、炭黑和GW-9；二段混炼在开炼机上进行，加入硫磺和促进剂。

检测试样在平板硫化机上硫化，硫化条件为150 ℃、15 min；产品在注射机上硫化，硫化条件为150 ℃、25 min。

1.5性能测试

静刚度试验：第1阶段，以5 mm/min的试验速度从0 N加载至100 N，位置清零，之后以同样的速度施加载荷至30 kN，然后卸载至100 N，如此循环2次；第2阶段，位置清零，以5 mm/min的试验速度从100 N加载至30 kN，再卸载至100 N；记录载荷-位移数据，取5 kN和25 kN的载荷-位移数值计算刚度。

疲劳试验：载荷控制正弦波，频率为5 Hz，疲劳试验载荷为0～10 kN。

其余各项基本性能均按照相应国家或行业标准进行测试。

2　结果与讨论

2.1纳米填料GW-9对混炼胶性能的影响

纳米填料GW-9用量对橡胶硫化特性的影响如表1所示。

表1　纳米填料GW-9用量对胶料硫化特性的影响

从表1中可以看出，随着纳米填料GW-9用量增加，胶料的t10和t90没有明显变化，这是因为纳米填料GW-9的pH为6～8，材料的中性特征保证了其对胶料硫化特性的影响较小。

纳米填料GW-9用量对胶料门尼黏度的影响如图2所示。

图2　纳米填料GW-9对胶料门尼黏度的影响

从图2中可以看出，随着纳米填料GW-9用量的增加，胶料门尼黏度呈增大趋势。当GW-9用量少于30份时，胶料门尼黏度增加幅度较小。这是由于纳米填料GW-9在生产过程中经过了插层处理，在用量较少时能够与橡胶形成独特的网状结构，避免了填料之间的团聚。

2.2纳米填料GW-9对硫化胶力学性能的影响

纳米填料GW-9用量对橡胶硬度的影响如图3所示。从图3中可以看出，胶料硬度随着纳米填料GW-9用量的增加呈线性增加，每增加5份纳米填料GW-9，硬度约增加1。

图3　纳米填料GW-9对胶料硬度的影响

纳米填料GW-9用量对橡胶拉伸强度和拉断伸长率的影响如图4和5所示。从图4和5中可以看出，纳米填料GW-9用量在0～20份时，随着GW-9用量的增加，胶料的拉伸强度和拉断伸长率变化不明显；当GW-9用量超过20份后，随着GW-9用量增加，胶料拉伸强度和拉断伸长率有明显下降。GW-9特殊的插层和表面化学处理使得橡胶与GW-9有很好的结合，能够形成橡胶-填料网络，从而使胶料能够保持较高的拉伸强度和拉断伸长率。但随着GW-9用量的过度增加，没有与橡胶结合的填料之间因出现团聚而导致拉伸强度和拉断伸长率下降。

图4　纳米填料GW-9对胶料拉伸强度的影响

图5　纳米填料GW-9对胶料拉断伸长率的影响

纳米填料GW-9用量对胶料撕裂强度的影响如图6所示。从图6中可以看出，随着GW-9用量的增加，胶料的撕裂强度呈现先增大后减小趋势。在GW-9用量为20份时撕裂强度出现最大值47 kN/m。纳米填料GW-9为片层结构，当GW-9与橡胶有很好的结合时，其片层结构可以阻止裂纹的扩展，从而提高胶料的撕裂强度。

纳米填料GW-9用量对胶料回弹性的影响如图7所示。从图7可以看出，随着纳米填料GW-9用量的增加，胶料回弹性呈现先增大后减小趋势，并在GW-9用量为20份时出现最大值70%。橡胶的高弹性是由卷曲分子构象的变化所致。由于橡胶分子间存在相互作用和内旋转阻力，会阻碍分子链的运动，因而作用在分子链上的力一部分用于克服分子链的变形，另一部分使分子链变形［2］。加入适量GW-9后形成的橡胶填料网络结构会减少橡胶分子间存在的相互作用和内旋转阻力，从而提高胶料的回弹性。

图6　纳米填料GW-9对胶料撕裂强度的影响

图7　纳米填料GW-9对胶料回弹性的影响

纳米填料GW-9用量对胶料恒定压缩永久变形的影响如图8所示。从图8可以看出，纳米填料GW-9用量小于20份时，随着GW-9用量增加，胶料恒定压缩永久变形变化不明显；当GW-9用量超过20份时，胶料恒定压缩永久变形随GW-9用量的增加明显增大。在GW-9用量少于20份时，填料与橡胶之间能够形成较为完善的网络结构，不会对胶料的恒定压缩永久变形产生不利影响；而当GW-9用量较多时会存在填料团聚现象，阻碍了橡胶分子链的自由运动，并在分子链运动时产生橡胶与填料之间的摩擦内耗，导致恒定压缩永久变形变大。

2.3纳米填料GW-9对硫化胶老化性能的影响

纳米填料GW-9用量对胶料老化性能的影响如表2所示。

图8　纳米填料GW-9对胶料恒定压缩永久变形的影响

表2　纳米填料GW-9用量对胶料老化性能影响

从表2可以看出，随着GW-9用量增加，胶料老化后拉伸强度变化率和拉断伸长率变化率呈增大趋势。这是因为在没有加入GW-9时，炭黑表面基团（醌基、羧基等）对高分子链的断裂具有催化作用，因此炭黑填充硫化胶的抗老化能力较差。当其与纳米粒子并用后，能够提高硫化胶的抗热氧老化性能［1］。

2.4纳米填料GW-9对橡胶减振器性能的影响

根据胶料性能试验结果，我们在新研制的橡胶减振器配方中加入20份纳米填料GW-9，优化配方后进行减振器产品试制，对试制的橡胶减振器进行刚度试验和耐疲劳试验，并与原配方生产的橡胶减振器进行对比。

橡胶减振器刚度对比试验结果如表3所示。从表3中可以看出，用两种配方生产的橡胶减振器的横向刚度和纵向刚度基本相同，均能满足技术规范要求。

表3　橡胶减振器刚度试验结果

橡胶减振器耐疲劳试验对比结果如表4所示。从表4中可以看出，用加入纳米填料GW-9新配方生产的橡胶减振器的耐疲劳性能明显优于原配方生产的橡胶减振器。试验表明，纳米填料GW-9在橡胶减振器胶料中应用后能够有效提高产品的耐疲劳性能。

表4　橡胶减振器疲劳试验结果

3　结　论

（1）在配方中加入纳米填料GW-9后，胶料的硫化特性没有明显变化。在纳米填料GW-9用量小于30份时，胶料门尼黏度随GW-9用量增加，变化不明显；而当纳米填料GW-9用量超过30份时，胶料门尼黏度随GW-9用量增加而明显增大。

（2）随着纳米填料GW-9用量增加，胶料硬度呈线性增加。每增加5份纳米填料GW-9，胶料硬度增加1。

（3）随着纳米填料GW-9用量增加，在用量不大于20份时，胶料拉伸强度、拉断伸长率和恒定压缩永久变形没有明显变化；用量超过20 份时，这几项性能则均有不同程度下降。胶料撕裂强度和回弹性随着纳米填料GW-9用量的增加呈先增大后减小趋势，在纳米填料GW-9用量为20份时出现最大值。老化性能随着纳米填料GW-9用量的增加而提高。

（4）与原橡胶减振器相比，配方中加入GW-9后橡胶减振器的纵向刚度和横向刚度基本相同，耐疲劳性能有明显提高。

Keуwords: Nano Filler； Rubber Vibration Mounts； Formulation

［1］贾红兵，金志刚，吉庆敏，等.新型无机纳米填料对SBR的补强性能［J］.橡胶工业，2000，47（11）：647-651.

［2］杨清芝主编.现代橡胶工艺学［M］.北京： 中国石化出版社，2004，47（11）：504.

［责任编辑：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