天然橡膠/反式1，4-聚異戊二烯并用比對軌道隔震墊阻尼層膠料性能的影響

吳結(jié)義，李曉曉，吳明生

（青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042）

隨著城市軌道交通路網(wǎng)的加密，鐵路振動(dòng)對附近居住人群、古建筑、精密儀器的影響日益受到關(guān)注[1]。2002年，德國聯(lián)邦環(huán)境局一項(xiàng)民意測試表明，65%的居民受公路交通噪聲干擾，37%的居民受航空交通噪聲干擾，23%的居民受鐵路噪聲干擾[2]。軌道隔震墊是一種應(yīng)用于高鐵和地鐵軌道及高架橋的橡膠隔震墊，該隔震墊阻尼層阻尼能力較強(qiáng)，且能衰減列車高速通過時(shí)的高頻振動(dòng)，在軌道車輛系統(tǒng)中起牽引、懸掛、隔震、緩沖作用。軌道隔震墊阻尼層膠料主要成分是天然橡膠（NR），在周期性應(yīng)力和形變作用下會(huì)發(fā)生疲勞老化，加速橡膠制品破壞，縮短制品使用壽命[3]。

反式1，4-聚異戊二烯（TPI）的化學(xué)組分與NR相同，只是分子鏈中雙鍵的構(gòu)型相反，二者的相容性很好。TPI在結(jié)晶度約為35%時(shí)是具有高硬度、高拉伸強(qiáng)度的結(jié)晶型聚合物[4]。將NR與TPI并用，可以在保持NR優(yōu)良性能的同時(shí)，提高耐疲勞性能和降低生熱。本工作著重考察NR/TPI并用比對軌道隔震墊阻尼層膠料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，牌號(hào)STR CV60，泰國進(jìn)口產(chǎn)品；TPI，門尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]為80，青島第派新材料有限公司產(chǎn)品；炭黑N330，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備與儀器

S（X）K-160A型兩輥開煉機(jī)，上海輕工機(jī)械技術(shù)研究所產(chǎn)品；XSM-500型橡塑實(shí)驗(yàn)密煉機(jī)，上海科創(chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；HS-100TRTMO型平板硫化機(jī)，佳鑫電子設(shè)備科技（深圳）有限公司產(chǎn)品；XLB型平板硫化機(jī)，青島第三橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；GT-M2000-A型無轉(zhuǎn)子硫化儀、AI-7000S型電子拉力機(jī)和GT-7011-D型疲勞試驗(yàn)機(jī)，中國臺(tái)灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；401-A型老化試驗(yàn)箱，上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠產(chǎn)品；EKT-2002GF型壓縮生熱儀，中國臺(tái)灣曄中科技股份有限公司產(chǎn)品；MTS830型力學(xué)測試與模擬儀，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)配方

NR/TPI 100，炭黑N330 9.33，氧化鋅4.7，硬脂酸 4.38，防焦劑 0.3，微晶蠟 1.1，硫黃 1.95，促進(jìn)劑 1.3，其他 9.85。其中1#—5#配方NR/TPI并用比分別為100/0（實(shí)際生產(chǎn)配方），95/5，90/10，85/15和80/20。

1.4 材料制備

1.4.1 混煉膠

密煉：將密煉機(jī)升溫至90 ℃，設(shè)定轉(zhuǎn)速為77 r·min-1，總密煉時(shí)間為5.5 min。先將NR和TPI塑煉1 min，然后加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑、防焦劑及其他助劑混合90 s，最后加入炭黑混煉3 min，排膠。

開煉：將密煉后的膠料置于開煉機(jī)上包輥翻煉1 min，加入硫黃和促進(jìn)劑混煉4 min，混勻后薄通打三角包5次，下片。

1.4.2 硫化試樣

拉伸性能、撕裂強(qiáng)度和耐老化性能測試試樣硫化條件為150 ℃/10 MPa×（t90＋2 min）；回彈值、壓縮永久變形、靜剛度和壓縮蠕變性能測試試樣硫化條件為150 ℃/10 MPa×（t90＋5 min）。

1.5 性能測試

各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 門尼粘度及硫化特性

NR/TPI并用比對軌道隔震墊阻尼層膠料門尼粘度和硫化特性的影響如表1所示。

表1 NR/TPI并用比對軌道隔震墊阻尼層膠料門尼粘度和硫化特性（150 °C）的影響

從表1可以看出，隨著TPI用量的增大，膠料的焦燒時(shí)間及正硫化時(shí)間稍有延長，表明TPI的硫化速率比NR稍慢。這是由于NR中含有促進(jìn)硫化的非橡膠成分，而TPI中沒有。隨著TPI用量的增大，膠料的ML，MH及門尼粘度隨著TPI用量的增大而增大，這可能與TPI為反式1，4-結(jié)構(gòu)有關(guān)。反式1，4-結(jié)構(gòu)使TPI在常溫下易于結(jié)晶，在混煉時(shí)TPI晶體熔化，改善了膠料的流動(dòng)性，減少了NR鏈的斷裂，膠料中橡膠成分的含量保持在較高水平，轉(zhuǎn)矩和門尼粘度值高。MH－ML在一定程度上表示交聯(lián)密度的大小，可以看出，隨著TPI用量的增大，膠料的交聯(lián)密度逐漸增大。

2.2 物理性能

NR/TPI并用比對軌道隔震墊阻尼層膠料物理性能的影響如表2所示。

表2 NR/TPI并用比對軌道隔震墊阻尼層膠料物理性能的影響

從表2可以看出，隨著TPI用量的增大，膠料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，說明交聯(lián)密度增大會(huì)降低TPI的結(jié)晶性及分子鏈規(guī)整性，從而導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降。膠料的拉斷伸長率先在一定范圍內(nèi)隨著TPI用量的增大而增大，當(dāng)TPI用量超過15份時(shí)則出現(xiàn)較大幅度的下降。與1#配方膠料相比，2#—5#配方膠料的300%定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度均增大，回彈值和邵爾A型硬度變化較小。對比可以看出，當(dāng)NR/TPI并用比為95/5時(shí)，膠料基本保持在純NR膠料的物理性能水平。

2.3 耐老化性能

NR/TPI并用比對軌道隔震墊阻尼層膠料耐老化性能（老化條件為100 ℃×72 h）的影響如表3所示。

表3 軌道隔震墊阻尼層膠料老化后的性能變化

從表3可以看出，相比未并用TPI的1#配方膠料，2#—5#配方膠料的拉伸強(qiáng)度變化率和拉斷伸長率變化率均增大。當(dāng)TPI用量為5份時(shí)，NR/TPI并用硫化膠的拉伸強(qiáng)度變化率和拉斷伸長率變化率在4個(gè)并用膠中最小，當(dāng)TPI用量超過5份后，并用膠的拉伸強(qiáng)度變化率明顯增大，耐老化性能明顯降低。

2.4 動(dòng)態(tài)疲勞性能

2.4.1 壓縮疲勞性能

NR/TPI并用比對軌道隔震墊阻尼層膠料壓縮疲勞溫升和壓縮永久變形的影響如圖1所示。

圖1 硫化膠的壓縮疲勞溫升和壓縮永久變形

從圖1可以看出，隨著TPI用量的增大，硫化膠的壓縮疲勞溫升呈明顯下降趨勢。分析原因是由于TPI的結(jié)晶性使分子鏈有序程度提高，滯后損失減小，因此壓縮疲勞溫升降低。2#—5#配方膠料的壓縮永久變形均低于1#配方膠料，說明加入TPI還有利于減小膠料的壓縮永久變形。

2.4.2 耐屈撓疲勞性能

NR/TPI并用比對軌道隔震墊阻尼層膠料耐屈撓疲勞性能的影響如圖2所示。

圖2 硫化膠的耐屈撓疲勞性能

從圖2可以看出，相比未添加TPI的1#配方膠料，2#和3#配方膠料出現(xiàn)1級裂口和6級裂口的屈撓次數(shù)均增大，4#和5#配方膠料出現(xiàn)1級裂口的次數(shù)比1#配方膠料小，疲勞壽命稍有下降。即當(dāng)NR/TPI并用比為95/5時(shí)，膠料出現(xiàn)1級裂口和6級裂口的屈撓次數(shù)與未添加TPI膠料相比有較大幅度的提高；當(dāng)TPI用量超過5份時(shí)膠料的疲勞壽命明顯下降。這可能是當(dāng)TPI用量超過5份時(shí)，其微晶造成的缺陷增加，這些缺陷在屈撓過程中易形成應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞破壞，從而降低了膠料的耐屈撓疲勞性能。

2.5 疲勞靜剛度損失率

橡膠減震制品的疲勞曲線在循環(huán)次數(shù)超過107次后也并不一定呈水平狀，因此疲勞試驗(yàn)不能以制品疲勞破壞為終止點(diǎn)，而是在試驗(yàn)進(jìn)行到一定次數(shù)后，對制品進(jìn)行性能檢驗(yàn)，如滿足要求，即認(rèn)為壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求。橡膠材料的彈性模量或剛度隨著循環(huán)次數(shù)的增大而不斷降低，往往在材料發(fā)生破壞前，其強(qiáng)度或剛度已經(jīng)降至難以承受額定載荷的程度，因此在疲勞試驗(yàn)中，需要對其彈性模量或剛度值進(jìn)行測量，以掌握其破壞程度。通常采用下式計(jì)算靜剛度損失率[5]：

式中 ΔK——靜剛度損失率；

K1，K2——分別為疲勞試驗(yàn)前后的靜剛度。

NR/TPI并用比對硫化膠疲勞后靜剛度以及相比純NR膠料的靜剛度變化率的影響如圖3所示，根據(jù)隔震墊實(shí)際使用環(huán)境和硫化試樣尺寸設(shè)定條件如下：疲勞頻率 10 Hz，壓力 0.5 kN，溫度23 ℃，疲勞次數(shù) 2×105。疲勞后的靜剛度損失率分別為11.4%，7.7%，10.2%，9.7%和15.6%。

從圖3可以看出，隨著TPI用量的增大，膠料的靜剛度呈增大趨勢，且相對純NR膠料的靜剛度變化率隨TPI用量的增大明顯增大，這可能是由TPI的結(jié)晶性引起的。

圖3 硫化膠的靜剛度及相對純NR膠料的靜剛度變化率

實(shí)際生產(chǎn)要求靜剛度變化率小于10%，即試驗(yàn)?zāi)z料相比純NR膠料（實(shí)際生產(chǎn)配方膠料）的靜剛度變化率要小于10%，TPI用量過大不能保持隔震墊原有的剛度水平。另一方面，從靜剛度損失率來看，當(dāng)TPI用量小于15份時(shí)有利于降低硫化膠的靜剛度損失率（理論上只要ΔK≤40%便可認(rèn)為該試樣符合設(shè)計(jì)壽命要求，實(shí)際上根據(jù)隔震墊實(shí)際工況要求100萬次屈撓后ΔK≤20%），且TPI用量為5份時(shí)最佳。這說明在一定范圍內(nèi)將TPI添加到阻尼層膠料中有利于提高隔震墊疲勞后靜剛度保持率。

3 結(jié)論

（1）隨著TPI用量的增大，膠料的t90呈現(xiàn)增大趨勢，硫化時(shí)間延長。

（2）隨著TPI用量的增大，硫化膠的壓縮疲勞溫升和壓縮永久變形逐漸降低。當(dāng)NR/TPI并用比為95/5時(shí)，膠料的物理性能和耐老化性能保持良好，屈撓疲勞壽命提高了約26%。

（3）隨著TPI用量的增大，硫化膠的靜剛度增大，但TPI用量過大會(huì)失去原有剛度水平。TPI用量為5份對降低隔震墊的疲勞靜剛度損失率效果最佳。