駱楊

(重慶嘉龍密封件有限公司，重慶 401120)

發(fā)動機皮帶輪和曲軸輪總成為金屬內圈、外圈，和中間減震圈。中間減震圈為橡膠層，其主要作用是在發(fā)動機啟動或者停止，以及加速或減速的時候起到緩沖隔振作用。這就需要橡膠層具有額定的固有頻率，規(guī)避共振現象，同時要具備良好的力學性能、抗蠕變性能，能抗拒內外圈的相對位移。

因為三元乙丙橡膠具有優(yōu)異的耐熱、耐老化性能，發(fā)動機曲軸皮帶輪減震圈主要采用三元乙丙橡膠作為主要的生膠。但三元乙丙橡膠具有成本相對較高、與金屬黏合較難的缺點。目前，天然橡膠具有相對較低的價格，并且與金屬的黏接性能好的特點，因此本項目以天然橡膠為生膠，通過正交實驗配方設計，研究制備綜合性能較好的皮帶輪減震圈。

1 實驗部分

1.1 配方設計思路

（1）膠種選擇：從膠料黏性上考慮選擇NR，煙膠和標膠由于分子量大，加工較難和生熱相對高，故選擇SVR-3L。

（2）補強填充：由于天然橡膠自身機械性能較好，根據該產品的性能需求故選用通用炭黑N550，為了進一步提高彈性和降低生熱，同時考慮成本，選擇搭配部分N774炭黑。

（3）軟化劑：軟化劑由于分子量小，起到內部潤滑作用，對疲勞性能有貢獻，但時對抗蠕變是不利的；綜合考慮到二次熱黏等因素，選取凡士林作為改善加工性和內潤滑劑。

（4）防老體系：由于采用二次熱黏工藝，不能使用噴出型物理防老劑，如微晶蠟；選用胺類防老劑4010NA, 4020和RD、MB、BHT等并用。

（5）硫化體系：傳統(tǒng)硫化體系由于多硫鍵和硫環(huán)的存在對制品耐熱不利，而半有效、有效體系的耐熱性提高，在低交聯(lián)度下蠕變打，對產品的扭矩性能不利，交聯(lián)密度提升后達到高定伸但是會喪失強伸性能。本配方采用過氧化物與半有效體系并用的方式，既保證了耐熱程度，保證了足夠的強伸性能。同時對高溫返原現象的彌補，可大大提高橡膠圈的硫化效率。

1.2 正交實驗設計

選擇DCP、硫磺、TMTD為因素，設計正交實驗表見表1所示。其余組分和用料為： SVR-3L，100；N550，40；N774，20；氧化鋅，5；硬脂酸，2；凡士林，3；防老劑，5。

表1 正交試驗因子-水平表

1.3 主要原材料

天然橡膠（SVR-3L）：越南；炭黑N550：卡博特、炭黑N774：卡博特、氧化鋅：99.5%、硬脂酸：800型，瀘天化、凡士林：韋伯力揚化工、防老劑均來自圣奧化學。

1.4 主要設備

X(S)K-160型開煉機和QLB-D400×400型電熱板硫化機，上海第一橡膠機械廠；P3555B2 型盤式硫化儀，北京環(huán)峰化工機械實驗廠；XL-100型拉力試驗機，廣州廣材實驗儀器有限公司；百分測厚儀，上海六菱儀器廠；401A型老化實驗箱，上海實驗儀器總廠。

1.5 試樣制作

取900 g天然膠在開煉機上塑煉，達到一定的可塑度后，取下停放24 h，該塑煉膠用作為母煉膠。將母煉膠分成9份，取一份，將其包輥一分鐘后加入活性劑，防老劑，然后再加入炭黑和凡士林，待其吃粉完成后清掃料盤；最后加入硫化劑打卷3次下片停放。以此類推完成剩余8個配方的混煉。取混煉膠放入試樣模具，置于硫化機內在一定的硫化時間、溫度和壓力下完成硫化得到試樣，其中t90+1 min作為正硫化時間，硫化溫度為170 ℃，壓力為8 MPa。

1.6 試樣測試：

（1）拉伸強度測試：采用電子拉力試驗機按GB/T528—2009測試拉伸強度、斷裂伸長率，拉伸速度為500 mm/min。

（2）熱老化性能：100 ℃×70 h熱老化采用401A型老化實驗箱按GB/T3512—2014進行。

（3）壓縮永久變形：100 ℃×22 h采用401A型老化實驗箱按照GB/T7759.1—2015進行。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果分析

發(fā)動機曲軸皮帶輪減震圈需要承受反復擠壓、拉伸的作用，并且有相對較高的工作溫度，因此減震圈的拉伸強度、斷裂伸長率、熱老化性能和壓縮永久形技術指標對發(fā)動機曲軸皮帶輪減震圈的使用壽命和發(fā)揮良好的工作性能有著重要的作用。本研究用天然橡膠取代價格高的三元乙丙橡膠，并考察了DCP、硫磺、TMTD三種不同的硫化劑并用對減震圈性能的影響，期望得到性價比高的發(fā)動機曲軸皮帶輪減震圈。

在所考察的3個因素中，TMTD對減震圈混煉膠的拉伸強度影響最大，硫磺影響次之，DCP影響最小。制備拉伸強度較高的減震圈混煉膠的條件為：1.5份DCP，1.2份硫磺，0.5份TMTD。通過對比發(fā)現，當DCP用量適中，混煉膠有相對較高的拉伸強度，硫磺用量相對多些對高拉伸強度更有利。

在熱氧老化過程，拉伸強度變化率越小，表明該混煉膠的耐熱氧老化性能越好。在所考察的3個因素中，DCP對減震圈混煉膠的拉伸強度熱氧老化影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。制備拉伸強度熱氧老化性能好的減震圈混煉膠的條件為： 1.5份DCP，0.8份硫磺，0.3份TMTD。通過對比發(fā)現，DCP用量越多，硫磺用量越少，減震圈混煉膠耐熱氧化性能越好。這是因為采用DCP硫化劑能生成穩(wěn)定的C—C或C—O—C鍵，而硫磺作為硫化劑生成的是熱不穩(wěn)定的S—S鍵。因此，通過配方設計，添加合適比例的DCP，達到改善天然橡膠的耐老化能力，從而取代耐老化性能好但價格高的三元乙丙橡膠。

在所考察的3個因素中，DCP對減震圈混煉膠的斷裂伸長率影響最大，TMTD影響次之，硫磺影響最小。制備斷裂伸長率較高的減震圈混煉膠的條件為： 1.0份DCP ，1.0份硫磺， 0.3份TMTD。同樣，分析減震圈混煉膠斷裂伸長率耐熱氧老化最優(yōu)的條件為：1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD，影響最大的是DCP，其次是硫磺，TMTD。

壓縮永久變形指標表征材料耐蠕變的能力，數值越小表示耐蠕變性能越好。對表2的壓縮永久變形結果進行極差分析，結果見表2。由表2可知，在所考察的3個因素中，DCP對減震圈混煉膠的壓縮永久變形影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。由表2中Pi值的比較可知，制備壓縮永久變形小的減震圈混煉膠的條件為：1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD。

表2 壓縮永久變形極差分析

當1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD時，混煉膠壓縮永久變形性能最佳，此時，相對應的拉伸強度為22.0 MPa，拉伸強度熱氧老化變化率1.3%，斷裂伸長率665.0%，斷裂伸長率熱氧老化變化率-12.3%，均具有較優(yōu)的性能指標。綜合以上分析，選擇1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD，即第5號實驗配方。

3 結論

以天然橡膠為基材制備了用于發(fā)動機曲軸皮帶輪的減震圈。通過正交試驗研究了減震圈混煉膠性能。

（1）在所考察的3個因素中，TMTD對減震圈混煉膠的拉伸強度影響最大，硫磺影響次之，DCP影響最小。DCP對減震圈混煉膠的拉伸強度熱氧老化影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。

（2）DCP對減震圈混煉膠的斷裂伸長率影響最大，TMTD影響次之，硫磺影響最小。對斷裂伸長率熱氧老化影響最大的是DCP，其次是硫磺，TMTD。

（3）DCP對減震圈混煉膠的壓縮永久變形影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。

（4）經綜合分析，選擇1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD作為最終配方，混煉膠具有較好的力學性能和耐熱氧化性能；減震圈具有較高扭矩，良好的黏接和動態(tài)疲勞性能。

針對本文探討的個別結論，可能存在歧義，尤其是胺類防老劑和DCP、硫磺三者之間的相互作用對整個膠料性能的影響不做深入探討。