用新型弹性体设计汽车隔震件

作者：Cabot公司 David Reynolds

欢迎访问e展厅 展厅 3 橡胶/轮胎展厅 天然橡胶, 橡胶颗粒, 硫化硅橡胶, 硅胶, 热塑性弹性体, ... 采矿、国防、汽车和航空工业的工程师和配方师可以使用卡博特（Cabot）的新型Transfinity弹性复合材料设计更为耐用和/或更小的产品。使用Transfinity复合材料取代传统橡胶化合物，能够大幅增加苛刻的隔震和耐磨应用中使用的橡胶部件的使用寿命。 由于具有特别卓越的耐用性能，Transfinity材料拓展了弹性部件和相关系统的设计范围。例如，在汽车应用中，工程师可以设计更小的轻型悬挂元件，降低汽车重量并提高燃油经济性。航空、海洋、铁路、国防和能源市场也可在隔震垫、减震支座和弹性联轴器等应用中使用Transfinity弹性复合材料而受益。 本文中，我们重点介绍Transfinity弹性复合材料与固态混合的弹性体化合物在结构方面有何不同。另外，我们将展示一种这些材料能够帮助汽车部件制造商满足新汽车平台性能要求的方式。 何为Transfinity弹性复合材料？ Transfinity产品是一种能够大幅提高弹性体耐用性的新材料，是采用弹性体乳胶和增强微粒（例如炭黑）制造的复合材料。Transfinity材料在结构上与传统母料不同，因为这些材料是采用获得专利的商业级液相混合工艺生产的。采用这种工艺能够最佳分散炭黑填料，以形成机械强度高于传统弹性体化合物的材料。 ◆ 传统弹性复合材料和固态混合工艺 将无机填料添加到弹性体，以便增强和提供强度。固态混合工艺的主要目标是将填料和其它成份集成、分布和分散到聚合物矩阵中。将填料均匀集成于弹性体中十分关键，因为填料分散质量直接影响最终化合物的机械性能（图1）。 集成填料的传统方法是固态混合（或者“干混合”）无机填料微粒（例如炭黑）和弹性体。炭黑是弹性材料的最常见增强填料，集成炭黑的混合工艺的目标是：（1）将炭黑原材料破碎为最小尺寸（集料）以在整个弹性体中均匀分布和分散集料（图2）；（2）集成固化剂和其它添加剂。 分散炭黑（或任何填料）需要大量的混合能量，因为混合无机填料和弹性体期间的输入能量必须足够高，以克服填料和填料之间的交互作用，例如范华德（Van der Waals）力。这种输入能量会造成弹性体退化（分子量降低）。因此，化合商被迫在优化分散（破碎所有结块炭黑以最大程度提高集料/聚合物的交互作用）和最大化聚合物的弹性特性（最低程度降低分子量退化）之间进行选择，参见图3。 事实上，采用传统混合工艺不可能实现炭黑填料的最佳分散。通过“固态”混合工艺生产的化合物不能完全分散炭黑（图4a）。 ◆ 液相混合制造一种新型弹性体 Transfinity弹性复合材料是采用Cabot开发的专利液相混合技术制造的一种产品，这种工艺在与天然橡胶混合之前在水成溶液中预分散了炭黑。结果，弹性复合材料的炭黑分散性能卓越，而弹性体矩阵分子量没有下降（图4b）。 液相混合工艺采用三个主要步骤，包括：在水中分散炭黑；以乳液形式密切混合炭黑集料和弹性体的小微粒；去除水，以形成固体弹性复合材料。 下一部分，我们将说明采用Transfinity复合材料制造的弹性体化合物在结构方面与传统弹性体化合物有何不同。 结构、特性与性能关系 采用液相混合工艺制造的新材料在结构方面与“固态”混合的化合物不同。Transfinity复合材料与传统化合物的结构特性区别是：（1）在整个弹性体矩阵中炭黑填料分配均匀；（2）炭黑填料分散到其最小尺寸（即集料）；以及（3）集成填料之后化合物中弹性体的分子量相对更高。 图4比较了传统干混合化合物与通过液相混合生产的Transfinity弹性复合材料的填料分散。采用Dispergrader炭黑分散度仪评估了分散质量，主要依赖橡胶样本切口表面的光学反射工作，被广泛用于量化宏观尺寸的非分散填料结块。与图4b所示的Transfinity弹性复合材料相比，图4a所示使用Dispergrader炭黑分散度仪获取的光学反射图显示存在许多非分散炭黑结块。非分散填料结块（例如图4a所示的结块）在周期变形期间作为应力集中器的可能性更高，并很快产生裂纹，因此限制了材料的耐用性。虽然需要优良的宏观分散最低程度降低系统内的应力集中，但是，需要卓越分散微观级填料集料，以提高机械增强性能。 不能使用Dispergrader炭黑分散度仪或电子显微镜等真正空间成像方法量化填充橡胶中炭黑的这种所谓的微观分散。我们依赖电阻（是弹性体矩阵中填料集料距离多远的一种测量方法）表明Transfinity弹性复合材料具有卓越的微观分散，参见图5。 由于炭黑的宏观和微观级分散大幅提高，设计工程师现在可以实现集成Transfinity材料的部件的机械特性的多种进步，包括提高增强性能和降低滞后作用、延迟开裂开始时间以及减缓裂纹扩散。 ◆ 提高增强性能和降低滞后作用 弹性体由于添加炭黑而实现的增强程度依赖于弹性复合材料中填料的分散以及聚合物/填料交互作用的范围。提高聚合物/填料的交互作用会导致填充弹性体增强更大，可以从100%至300%应变范围的应力与应变曲线斜率看出。与传统混合弹性化合物相比，从更高的M300/M100比率达到的Transfinity弹性复合材料的大幅改进填料微分散十分明显，参见图6a。 一般来说，传统混合弹性化合物使用极高表面面积和结构的炭黑填料，以达到最大增强程度。但是，较高表面面积填料产生不需要的结果，即由于滞后作用造成能量损失增加。需要提高填料分散程度，以打破增强和滞后作用之间的这种特性平衡。对于相同类型的炭黑和加载，与传统混合弹性化合物相比，提高Transfinity弹性复合材料的填料分散，能够使配方商达到较高增强程度和由于滞后作用产生的低能量损失（图6b）。 ◆ 延迟裂纹成核和降低裂纹扩展 消除弹性体矩阵大量非分散填料结块的一个直接结果是大幅提高起裂的阻力。图7a显示了根据ASTM D430-06试验方法使用Transfinity材料和传统混合弹性化合物起裂和发展到0.5毫米的变形周期数。Transfinity弹性复合材料展示耐用性大幅提高，开裂的阻力相对较高，确认不存在大量非分散填料结块。Transfinity材料的相对开裂阻力在增强添加剂更高负载时进一步提高，因为固态混合集成、分散和分布弹性体中的炭黑的能力受到限制，不需要降低其分子量。 正如大幅提高宏观级填料分散延迟裂纹核化一样，提高集料级微观分散能够提高机械增强程度，对于填充弹性体中的裂纹发展是一种极其关键的属性。在根据ASTM D813试验方法开展的切口发展试验中，在样品中切开一个0.25毫米宽的切口，测量了切口发展到0.8英寸的周期数。由于已经切开切口，材料对此试验的响应作为耐裂纹发展的形式出现。如图7b所示，Transfinity材料的切口从0.25毫米发展到0.8英寸使用的时间是传统混合弹性体化合物的两倍，表明耐裂纹发展性能大幅提高，因为微观分散提高。 ◆ 提高机械特性转换为动态应用中的弹性体部件耐用性更佳 由于提高增强性能、降低滞后作用以及由于几乎无故障填料分散导致的耐裂纹核化和耐裂纹发展性能，因此，Transfinity材料能够用于要求卓越弹性体性能的许多应用中。在此，我们考虑了广泛应用于汽车、航空和国防应用中的橡胶金属粘接部件（例如衬套）的示例。 此类应用中使用的弹性复合材料需要：（1）维持由于施加静态负载产生的较大变形；以及（2）维持摆动多轴负载下周期变形期间滞后作用导致的能量损失。可以通过选择弹性体内的合适填料和优化填料负载调整弹性复合材料的负载承受能力。 但是，除非优化填料分散，否则施加负载下面弹性复合材料之内的应力分布不均匀，非分散填料集料作为应力集中器，因此限制了衬套的耐用性。 在图8中，我们比较了采用传统弹性体化合物和Transfinity弹性复合材料制造的衬套的耐用性。根据密歇根理工大学Keeweenaw研究中心的标准协议试验了衬套。使用含有55 phr N234的传统混合弹性体化合物制造的衬套维持的施加负载未超过90,000周期。比较来说，使用Transfinity材料制造的衬套维持相同施加负载超过200,000周期。注意，化合物配料或配方没有经过特别优化，以展示提高耐用性。提高的耐用性是由于Transfinity弹性复合材料固有的提高机械强度造成的。在Transfinity材料的配料和配方经过特别优化以适用于应用功能的情况下，可以进一步提高性能属性。 扩展汽车部件设计的设计范围 Transfinity弹性复合材料实现的性能提高，能够帮助解决下一代汽车平台元件设计中出现的问题。由于石油价格继续飙升，大幅提高燃油经济性变得更为重要。小汽车销售量继续增加，制造商谋求降低所有重要系统的重量。同时，采用更为紧密的包装以及使用高效率的燃油涡轮增压发动机已经看到许多悬挂元件的要求工作温度上升。Transfinity材料能够处理更高应力，不会失效，因此能够设计的元件更小、更轻，在更高工作温度性能可靠。创新材料工程师和悬挂元件设计人员可以使用这种新材料转换其产品设计以及向汽车原始设备制造商交付独特的解决方案。(end)

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