填料對客運專線橡膠墊板性能的影響研究

張憲清，賀春江，楊維堅

(1.中國鐵道科學研究院標準計量研究所，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京 100081)

近年來隨著客運專線里程的增加，客運專線的軌下用橡膠墊板的用量急劇增加。和普通橡膠墊板一樣，客運專線橡膠墊板主要用丁苯橡膠生產(chǎn)。但目前客運專線橡膠墊板的生產(chǎn)廠家較少，因而，減振橡膠墊板的開發(fā)具有較好的前景［1］。

無機填料是橡膠配方中重要的組成部分，它們在橡膠中起到填充、補強和改善工藝性等重要作用，它的性能直接影響到橡膠制品的使用性能。近年來隨著無機填料工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的橡膠用多功能填料［2-4］。薩博菲就是一種經(jīng)過表面改性處理、超細、淺色的無機填料。它對橡膠的親和性好，在橡膠中很容易分散，并且具有很好的補強作用。

本文以客運專線彈條Ⅳ型扣件RP4型橡膠墊板為例，研究了填料對客運專線橡膠墊板性能的影響，希望為橡膠墊板的生產(chǎn)及質(zhì)量控制提供參考。彈條Ⅳ型扣件RP4型橡膠墊板的技術條件如表1所示。

1 橡膠墊板性能試驗

1.1 試樣的制備

試驗所需原材料SBR1500由吉林化學工業(yè)公司產(chǎn);N550碳黑由河北沙河龍星化工集團有限公司產(chǎn)。陶土(5 000目)由河南省焦作市中站區(qū)紅山陶土廠產(chǎn);薩博菲、沉淀法白碳黑SL-175、偶聯(lián)劑Longsil 4C、滑石粉(5 000目)由上海懋通有限公司提供;其他為市場銷售產(chǎn)品?；九浞?SBR 100，氧化鋅5，硬脂酸1，古馬隆3，偶聯(lián)劑2，RD 1.5，4010NA 1.5，CZ 1.5，TT 1.2，S 0.5，碳黑及無機填料總量 110。硫化條件為160 ℃，8 min。

表1 彈條Ⅳ型扣件RP4型橡膠墊板技術條件

1.2 性能測試

參照《彈條Ⅳ型扣件RP4型橡膠墊板技術條件》測定，其中膠料性能均從RP4型橡膠墊板成品取樣;電阻、靜剛度及動靜剛度比采用 RP4型橡膠墊板測定。

1.3 儀器及設備

開煉機為S(X)K-160A型廣東湛江橡塑機械制造廠;25 t平板硫化機為上海橡膠機械制造廠;電子拉力實驗機DXLL10000型，XY-1橡膠硬度計由上海化工機械四廠制造;美國MTS公司材料疲勞實驗機;401A型老化實驗箱由江蘇啟東市雙棱測試設備廠制造;阿克隆磨耗實驗機由江都市天惠試驗機械有限公司制造。

2 試驗結果分析

2.1 不同無機填料對丁苯橡膠性能的影響

選擇了丁苯橡膠常用的三種無機填料(白炭黑、陶土及滑石粉)和近年來市場上新出現(xiàn)的無機補強填料薩博菲，在丁苯橡膠中做了性能對比。不同無機填料對丁苯橡膠性能的影響見表2。

表2 不同填料對丁苯橡膠墊板性能的影響

從4種無機填料對丁苯橡膠性能的影響來看，硬度、200%定伸應力及拉伸強度由大到小順序是:白碳黑、薩博菲、滑石粉和陶土;扯斷伸長率由大到小順序是陶土、薩博菲、滑石粉和白碳黑。成品靜剛度及動靜比由大到小順序都是白炭黑、薩博菲、滑石粉和陶土。可以看出，薩博菲的綜合性能最好。

這4種填料對丁苯橡膠性能影響比較大，主要是因為其結構的不同造成的。一般來說，填料的粒徑和幾何形狀這兩個參數(shù)對橡膠性能影響最大［2］。陶土和滑石粉是微米級的(片層直徑約2.7 μm，片層厚度約為200 nm)，而薩博菲和白炭黑是納米級的(片層厚度或粒徑約為40 nm)。因此，薩博菲和白炭黑的補強效果最好，填充了這兩種填料的丁苯橡膠拉伸強度最大。由于薩博菲是片層的結構，片層直徑與厚度比約為10∶1，在加工過程中容易沿外力方向取向，這使得填充了薩博菲的丁苯橡膠的200%定伸應力比白炭黑的要大。所以總的來說，薩博菲填充的丁苯橡膠的拉伸強度比較高并且200%定伸應力比較大。普通的橡膠墊板的技術要求TB/T 2626—1995及《客運專線橡膠墊板的暫行技術條件》中都規(guī)定了膠料必須具有高的200%定伸應力(≥9.5mPa)。為了達到這個指標，多加炭黑，容易造成電阻性能不合格;多加白碳黑容易造成硬度超標，且動靜比過大;多加其他無機填料，拉伸強度及扯斷伸長率下降較多，所以一般填料很難保證性能兼顧。而薩博菲用在丁苯橡膠中硬度比白碳黑的小，200%定伸應力及拉伸強度和扯斷伸長率比別的無機填料都要大，這為調(diào)整配方提供了較大可能。

2.2 薩博菲變量對丁苯橡膠性能的影響(見表3)

在110份填料內(nèi)，隨著薩博菲用量增加，N550炭黑的減少，扯斷伸長率和壓縮永久變形增大，而硬度及和200%定伸應力逐漸減小，熱空氣老化后扯斷伸長率變化率逐漸變好?？偟膩碚f薩博菲的補強性能和N550碳黑很接近。拉伸強度及老化性能無明顯變化。隨著炭黑用量減小，墊板的靜剛度逐漸減小，動靜比逐漸變小。綜合考慮，薩博特與 N550用量在35∶75最好。

表3 薩博菲用量對丁苯橡膠性能

隨著薩博菲用量增加，橡膠墊板的電阻逐漸增大。這是因為，炭黑是導電的，無機填料的電阻相比較而言非常大。不同無機填料的電阻雖然有區(qū)別，但相比之下，炭黑用量對橡膠墊板的電阻值起了決定性作用。因此，當炭黑份數(shù)比較少時，表2中幾個配方的電阻都很小，基本在一個數(shù)量級。表3中，炭黑多到一定份數(shù)，形成了導電的網(wǎng)絡通道，電阻會急劇下降［5］。因此，墊板這類產(chǎn)品炭黑用量不易太大，以N550為例，炭黑在40份以下為宜。在薩博菲問世以來，在以往的普通橡膠墊板配方中，人們往往采用細粒子的碳黑，如N330和N220，以保證膠料有足夠的拉伸強度和200%定伸應力，但碳黑多了電阻指標不合格或動靜比偏大，硬度太高也不能滿足規(guī)范要求。薩博菲的補強效果接近N550，定伸要比別的填料高很多，使強度和200%定伸應力對碳黑的依賴就小了，而且薩博菲的硬度比N550小，這樣硬度及電阻容易超標的問題自然就不存在了。所以薩博菲的成功應用克服了橡膠墊板同時要求高電阻、高定伸及高耐磨性的矛盾，普通技術人員就可調(diào)出滿足標準或技術要求的配方。

客運專線橡膠墊板技術條件與普通橡膠墊板的標準相比，有兩點不同:一是熱空氣老化實驗要求更嚴格，普通橡膠墊板的老化條件為100℃，72 h，且只規(guī)定了老化后的膠料的最低拉伸強度和扯斷伸長率，而客運專線橡膠墊板的老化條件為100℃，96 h，且規(guī)定了老化后拉伸強度及扯斷伸長率的保持率;二是客運專線橡膠墊板為了保證彈性規(guī)定了成品的動靜剛度比。

這兩點變化雖然增加了配方開發(fā)的難度，但如果有了薩博菲，問題也會迎刃而解。因為薩博菲的補強性比較好，定伸應力比較高，可以采用低硫高促硫化體系，對改善老化性和壓縮永久變形性能都很有利。在有薩博菲以前，很多橡膠墊板生產(chǎn)廠家為了提高定伸應力多采用高硫高促硫化體系，這樣老化性很難通過新的技術條件。以往很多墊板廠為了提高膠料強度采用白碳黑，而白碳黑加進去后動靜比非常大，且混煉膠的加工性能變差。薩博菲的動靜比要比N550碳黑還小，且力學性能接近。所以有了薩博菲，調(diào)整動靜比這個指標就比較容易了。由于使用了薩博菲，橡膠配方的各個指標性能有足夠的富裕，這對工廠大生產(chǎn)質(zhì)量控制也很有利。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)采用薩博菲生產(chǎn)橡膠墊板的企業(yè)有無錫路達減震器有限公司、無錫鐵華橡塑有限公司、河北翼辰實業(yè)集團有限公司等單位，他們的產(chǎn)品正應用于全國各地，在現(xiàn)場使用已經(jīng)超過4年，目前狀態(tài)良好。

3 結論

薩博菲由于顆粒尺寸是納米級的且為片狀結構，在橡膠中分散好，因而應用于客運專線橡膠墊板中具有拉伸強度高，應用于丁苯橡膠中具有拉伸強度高、定伸應力大、壓縮永久變形小及動靜比低的優(yōu)點，非常適合做鐵道橡膠墊板類產(chǎn)品。薩博菲與炭黑最佳比例為35∶75。

［1］賀春江，黨佳，裴頂峰，等.軌道交通發(fā)展對橡膠減震制品的需求展望［J］.中國橡膠，2009，25(2):7-9.

［2］梁基照.片狀無機粒子增強聚合物復合材料力學性能的研究進展［J］.塑料科技，2011，39(9):103-109.

［3］崔小明.橡膠補強填料—納米碳酸鈣的生產(chǎn)及改性技術進展［J］.中國橡膠，2010，26(9):33-37.

［4］程宏飛.我國高嶺土的研究進展［J］.化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2008，30(2):125-129.

［5］賀春江.青藏鐵路軌枕橡膠墊板的研制［J］.橡膠工業(yè)，2005，52(10):619-621.