劉元順，李大宇 編譯

（1.固恩治（青島）工程橡膠有限公司，山東，青島，266042；2.青島三祥科技股份有限公司，山東 青島 266425）

0 前 言

織物與橡膠的結(jié)合不是新技術(shù)，幾十年以前就已經(jīng)充分探討過了，并且成功地應(yīng)用到汽車制造工業(yè)中，包括輪胎和傳送帶、燃油系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)或者制動(dòng)器，當(dāng)然也包括渦輪增壓器或冷卻系統(tǒng)中的耐壓膠管。

增強(qiáng)織物添加到復(fù)合零件中會(huì)增加零件制造工藝的復(fù)雜性和成本，結(jié)果往往引起產(chǎn)品性能不均勻，定向收縮及其他缺陷。另外一個(gè)選擇是成型前將短纖維加入到膠料中。這時(shí)，材料性能很難達(dá)到均勻一致，因?yàn)槟z料的高黏度會(huì)促使纖維在制造過程中隨膠料流動(dòng)方向進(jìn)行定向排列。針織線又可能和材料的各向異性（與纖維取向平行或垂直）有因果關(guān)系。

上述問題的分析，使人們產(chǎn)生了用織物結(jié)合液體硅橡膠作為材料的想法（見圖1）。其潛在的優(yōu)勢(shì)包括：這種剪切變稀材料的低門尼黏度在過程中提供了各向異性纖維的取向；與過氧化物硫化的橡膠相比，使用鉑催化劑硫化的橡膠硫化時(shí)間更短，包括硅橡膠；液體硅橡膠自粘性（主要是無底涂粘合）的化學(xué)應(yīng)用決定了纖維與液體硅橡膠可以以化學(xué)鍵結(jié)合取代纖維“漂浮”在膠料中。

圖1 未補(bǔ)強(qiáng)LSR與纖維補(bǔ)強(qiáng)LSR對(duì)照

1 LSR的材料特性

在開發(fā)的過程中，共開發(fā)和試驗(yàn)了100多個(gè)配方，首先采用硬度為60А的膠料，因?yàn)榇擞捕鹊哪z料最具代表性。纖維的添加增加了極大的自由度，其最優(yōu)化的變量包括：纖維種類（如РА6、РА6.6等）、纖維長(zhǎng)度、纖維直徑和纖維數(shù)量（相對(duì)液體硅橡膠的百分比）。

當(dāng)然，不同的纖維顯示出不同的補(bǔ)強(qiáng)性，以及不同的粘合性能。纖維聚合物也決定了最終的液體硅橡膠特有的熱穩(wěn)定性和與針對(duì)特定粘合化學(xué)的膠料不同的粘合性。材料黏度和加工性能也是有影響的。一些性能好的實(shí)驗(yàn)室配方已經(jīng)規(guī)?；⒃赪осо公司里進(jìn)行了液體硅橡膠樣品和零件的試驗(yàn)。第一種已經(jīng)商業(yè)化的材料被命名為L(zhǎng)SR 2460（見表1）。

表1 標(biāo)準(zhǔn)LSR與纖維補(bǔ)強(qiáng)LSR的性能對(duì)照

橡膠彈性體典型的物理特性包括室溫下測(cè)得的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率或硬度。與配方相同但未經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)的LSR直接比較，顯示出其性能較差。因此，補(bǔ)強(qiáng)的作用是重要的，它主要是增加低伸長(zhǎng)時(shí)的定伸應(yīng)力（見圖2）。在拉力試驗(yàn)機(jī)上處于高伸長(zhǎng)率時(shí)，膠料又接近于標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，過早斷裂，因此膠料的拉伸強(qiáng)度低。在實(shí)際應(yīng)用中需要在低伸長(zhǎng)率時(shí)具有更高定伸應(yīng)力的復(fù)合材料，這可防止膠管或膜片在壓力下像氣球一樣膨脹。

圖2 未補(bǔ)強(qiáng)與用纖維補(bǔ)強(qiáng)LSR的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

與未補(bǔ)強(qiáng)硅橡膠相比，纖維補(bǔ)強(qiáng)LSR的抗磨損性相當(dāng)，甚至更差。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)已經(jīng)證明，LSR的25%定伸應(yīng)力增加4～5倍，相應(yīng)的硬度至少增加10個(gè)點(diǎn)。針對(duì)特有的應(yīng)用程序窗口，進(jìn)一步做實(shí)驗(yàn)配方的放大試驗(yàn)。

在準(zhǔn)備專利申請(qǐng)時(shí)，Wосо公司在稍稍調(diào)整了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的情況下完成了不同的成型實(shí)驗(yàn)。這些材料證實(shí)了預(yù)期中的快速硫化特性，而且有一個(gè)積極的和意想不到的特性：纖維像皮膚中的頭發(fā)一樣豎著。所有的模壓制品密實(shí)，表面絕對(duì)光滑。但是，纖維在其他的無整修模壓制品的合模線上是可見的。圖3顯示了模壓膜片的橫截面。按照光學(xué)檢查，模壓制品和試片顯示出纖維無序分布。樣品的性能和爆破壓力證實(shí)其在薄弱點(diǎn)斷裂，而不是在計(jì)算出的編織線上。圖4顯示出拉伸試驗(yàn)后的實(shí)驗(yàn)樣件的斷裂線。

圖3 模壓膜片的橫截面

圖4 拉伸試驗(yàn)后試樣的斷裂線

下列性能設(shè)計(jì)尤為重要：

*零件性能；

*優(yōu)化的零件設(shè)計(jì)和壁厚；

*識(shí)別關(guān)鍵區(qū)域。

手工樣件是通過有限元分析（FЕ?。┯?jì)算后制作的。針對(duì)這種混合材料，考慮到LSR的超彈性和纖維聚合物的線性彈性，Wосо公司已經(jīng)開發(fā)出了一些新型復(fù)合材料。

2 應(yīng)用示例

2.1 排氣系統(tǒng)吊耳

橡膠部件能減弱底盤的排氣系統(tǒng)的震動(dòng)。ЕРDМ產(chǎn)品通常使用在低溫用途中，但是，硅橡膠可使用在高溫暴露或者高端車型上。硅橡膠除了具有高溫穩(wěn)定性，在-40～200 ℃的應(yīng)用范圍內(nèi)，其力學(xué)性能變化非常小。這些零件的質(zhì)量一般50～100 g。排氣系統(tǒng)吊耳的數(shù)量取決于汽車的種類。

目前的工藝是注射成型（在新興市場(chǎng)通常是模壓成型）。然后，零件必須除飛邊。而纖維補(bǔ)強(qiáng)的LSR，可以省卻除飛邊步驟。其他可節(jié)省的步驟還包括：

*用LSR的硫化時(shí)間只是過氧化物硫化НСR（固體硅橡膠）的幾分之一，已經(jīng)證明，零件的質(zhì)量明顯降低了50%，甚至可以節(jié)省更多；

*LSR的設(shè)計(jì)具有進(jìn)一步的潛在靈活性。

圖5顯示現(xiàn)有排氣系統(tǒng)吊耳（左邊）與纖維補(bǔ)強(qiáng)的排氣系統(tǒng)吊耳（右邊）的對(duì)照?qǐng)D。

圖5 現(xiàn)有排氣系統(tǒng)吊耳（左邊）與纖維補(bǔ)強(qiáng)排氣吊耳樣件（右邊）

二氧化碳排放量降低的限制推動(dòng)了ОЕМ去積極降低車輛質(zhì)量。有可能在沒有增加成本的情況下，將汽車質(zhì)量降低100 g甚至更多。

2.2 織物補(bǔ)強(qiáng)膜片

織物補(bǔ)強(qiáng)膜片在工業(yè)方面常常應(yīng)用于膜閥或者煤氣表。同樣在汽車應(yīng)用方面，一些膜片也需要補(bǔ)強(qiáng)以應(yīng)對(duì)極端的壓差以及提供尺寸穩(wěn)定性或者安全防斷裂裝置。其應(yīng)用包括壓力閥和制動(dòng)膜片。只有少數(shù)供應(yīng)商在這方面是成功的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的手工工藝極其復(fù)雜，需要憑經(jīng)驗(yàn)維持橡膠與織物間的粘合，或者預(yù)測(cè)織物的正確位置（中間、頂部或底部）。另外，限制了更進(jìn)一步的設(shè)計(jì)的自由度，例如，壁厚改變是很困難的。

膜片制造工藝通常采用立式注射成型，一般包括下列步驟：

*割斷織物預(yù)成型件；

*稱重橡膠及預(yù)成型件；

*織物預(yù)成型（可選擇）；

*涂覆底涂或者金屬件（可選擇）；

*嵌入金屬、織物和橡膠；

*模壓產(chǎn)品；

*修邊（膠邊、多余的織物等）。

用纖維補(bǔ)強(qiáng)LSR（圖6）可以簡(jiǎn)化，并隨意填料，完全自動(dòng)注射成型。膜片樣件的耐久性試驗(yàn)顯示，其比織物補(bǔ)強(qiáng)膜片的性能更好。由于使用這種新型補(bǔ)強(qiáng)的LSR，解決了織物在纖維方向的定向復(fù)合材料特性問題。

圖6 纖維補(bǔ)強(qiáng)膜片

2.3 耐壓膠管

汽車領(lǐng)域中最大的硅橡膠件是渦輪增壓膠管——介于渦輪增壓器和中冷器之間的連接件。根據(jù)制造工藝，這種膠管是織物補(bǔ)強(qiáng)或纖維補(bǔ)強(qiáng)的（不是共擠出，就是在模具上纏繞）。其他的耐壓膠管還可以應(yīng)用在ЕGR或者冷卻液循環(huán)系統(tǒng)上。同樣真空軟管也常常需要補(bǔ)強(qiáng)以維持其外形以及存在壓力差時(shí)防止塌癟。

在大多數(shù)情況下，汽車膠管是復(fù)雜零件，它們是彎曲的和卷曲的，或者有側(cè)開口。纖維補(bǔ)強(qiáng)的LSR可對(duì)復(fù)雜膠管進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，包括彎管、波紋管和側(cè)開口，提供快速自動(dòng)注射成型的可能性。對(duì)于渦輪增壓膠管，使用纖維膠管的熱穩(wěn)定性以及硅橡膠的油滲透性（工藝上通過在襯墊上使用極性橡膠加以避免）是當(dāng)前的技術(shù)障礙。然而，用纖維補(bǔ)強(qiáng)的LSR（模壓樣件，見圖7）的生產(chǎn)試驗(yàn)和爆破壓力試驗(yàn)已經(jīng)成功通過。

圖7 纖維補(bǔ)強(qiáng)耐壓膠管的模壓樣件

3 結(jié) 論[1]

硅橡膠在汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方面的應(yīng)用和在引擎罩下的應(yīng)用是很普遍的。它們寬的使用溫度范圍以及好的耐介質(zhì)性能使硅橡膠成為多種應(yīng)用的候選材料，包括密封、墊圈、膜片、閥、減震器和膠管等。然而，在高負(fù)荷或壓力應(yīng)用場(chǎng)合，硅橡膠需要補(bǔ)強(qiáng)，可普遍地使用植物纖維或織物來實(shí)現(xiàn)。這種補(bǔ)強(qiáng)增加了制造工藝的復(fù)雜性以及明顯地增加最終零件的成本。

在汽車大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，液體硅橡膠(LSR)可制成模壓制品。結(jié)合最新水平的設(shè)備，它能提供生產(chǎn)無飛邊部件，完全自動(dòng)化生產(chǎn)，縮短循環(huán)時(shí)間。

這種新型纖維補(bǔ)強(qiáng)LSR是結(jié)合LSR制造工藝和織物補(bǔ)強(qiáng)模量增加的優(yōu)勢(shì)，通過消除手動(dòng)工作而節(jié)約成本，同時(shí)也通過這種混合材料更好的機(jī)械強(qiáng)力而有節(jié)省質(zhì)量的潛力。在排氣系統(tǒng)吊耳、耐壓膠管和膜片應(yīng)用方面的可能性正在調(diào)查中。

從上述應(yīng)用實(shí)例中可以看出，纖維補(bǔ)強(qiáng)LSR具有下列好處：

* 工藝升級(jí)：由高強(qiáng)度的手工勞動(dòng)升級(jí)到完全自動(dòng)化；

* 高的生產(chǎn)量：生產(chǎn)周期縮短，沒有多余工作；

* 節(jié)省質(zhì)量的可能性（較少的材料保持同樣的挺性）；

* 無底涂可以和任何材料粘合，包括工程熱塑性塑料和金屬；

* 完全設(shè)計(jì)自由（壁厚變大、側(cè)開口、薄壁等）；

* 成本節(jié)約的可能：取決于零件/應(yīng)用（先前的工藝與設(shè)計(jì)）。

[1]Оl(fā)ivеr Frаnssеn, Аlехаndеr Widmауr.Nеw high mоdulus siliсоnе еlаstоmеr fi bеr-rеinfоrсеd LSR [J].Rubbеr Wоrld, 2011,244(3):27-30, 46.