混煉溫度對橡膠墊板性能的影響

曲萌 陳傳志 張曉沛 王玨

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081）

混煉是橡膠墊板生產(chǎn)過程中的重要工序，其任務(wù)就是將配方中的生膠和各種助劑、炭黑、陶土等混合均勻。混煉決定了各種助劑、炭黑等在橡膠中分散的均勻性，影響到橡膠制品的剛度、外觀及動(dòng)態(tài)性能[1]。

橡膠墊板是軌道結(jié)構(gòu)中的重要部件。關(guān)于橡膠墊板的研究多集中在測試方法、配方等方面。方杭瑋等[2]研究發(fā)現(xiàn)，彈性墊層剛度均隨環(huán)境溫度的升高而減小，環(huán)境溫度在-40～-20℃變化對彈性墊層剛度的影響較為顯著。李子睿等[3]研究了溫度和加載頻率對彈性墊層剛度的影響規(guī)律，提出了降低這些因素影響的相應(yīng)措施。趙云行等[4]研究了有無表面改性劑以及不同種類表面改性劑對橡膠墊板動(dòng)態(tài)性能的影響規(guī)律。曲萌等[5]研究了炭黑、增塑劑和防老劑對橡膠墊板質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)精確控制炭黑、增塑劑和防老劑用量可以有效防止橡膠墊板質(zhì)量異常波動(dòng)。

有關(guān)混煉溫度對橡膠墊板性能的影響規(guī)律尚未見文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。橡膠墊板混煉膠中的結(jié)合膠含量反映橡膠與炭黑、陶土結(jié)合的牢固程度，門尼黏度與橡膠分子鏈有關(guān)。為保證橡膠墊板的正常使用性能和必要的使用壽命，防止壓潰、破損和磨損，還需要一定的硬度、強(qiáng)度和耐磨耗性能。硬度、200%定伸應(yīng)力反映了橡膠材料在外力作用下形變的大小，硬度、200%定伸應(yīng)力越高，橡膠材料受外力產(chǎn)生的形變就越小。拉伸強(qiáng)度是反映橡膠材料強(qiáng)度大小的重要指標(biāo)，拉伸強(qiáng)度越大，橡膠墊板強(qiáng)度越高。拉斷伸長率與拉伸強(qiáng)度有關(guān)，較高的拉斷伸長率可以保證橡膠材料在受到較大變形時(shí)不被破壞。阿克隆磨耗反映了橡膠墊板耐磨耗的能力，磨耗越小，橡膠墊板的使用壽命越長。工作電阻則反映了橡膠墊板的絕緣性能優(yōu)劣，工作電阻越高，線路的絕緣性越好。另外，橡膠墊板的主要功能是減振、緩沖和絕緣，動(dòng)靜剛度比反映了橡膠墊板減振、緩沖功能優(yōu)劣，動(dòng)靜比越小，軌道彈性越好，減振、緩沖效果越好，乘坐舒適性也越好。

目前國內(nèi)80余家橡膠墊板生產(chǎn)廠家采用的混煉溫度從90℃到135℃不等。為了探究最佳的混煉溫度，為優(yōu)化混煉工藝、降低能耗、提升和穩(wěn)定橡膠墊板質(zhì)量提供參考，本文對橡膠墊板混煉膠的結(jié)合膠含量、門尼黏度以及橡膠墊板硬度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率等材料性能進(jìn)行測試分析，研究混煉溫度對橡膠墊板性能的影響規(guī)律?？紤]到能耗及配方本身特點(diǎn)，本文研究的混煉溫度為80～120℃。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 橡膠墊板配方

橡膠墊板質(zhì)量配合比見表1。

表1 橡膠墊板質(zhì)量配合比

1.2 橡膠墊板制備工藝

將丁苯橡膠、氧化鋅、硬脂酸、硅69和防老劑按比例投入至容量為110 L的密煉機(jī)進(jìn)行混煉，恒定混煉溫度（控制精度±3℃）混煉5 min后，出片冷卻，在開煉機(jī)上加硫磺和促進(jìn)劑，混合均勻后出片，停放1 d后適當(dāng)返煉，在上海橡膠機(jī)械制造廠生產(chǎn)的300 t平板硫化機(jī)上硫化成橡膠墊板。硫化條件為：溫度160℃，時(shí)間10 min，硫化壓力15 MPa。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1）混煉膠材料性能

結(jié)合膠含量按照文獻(xiàn)[6]中的方法采用上海力辰儀器科技有限公司生產(chǎn)的JJ223BC型分析天平進(jìn)行測試。

門尼黏度按照GB/T 1232.1—2016《未硫化橡膠用圓盤剪切黏度計(jì)進(jìn)行測定第1部分：門尼黏度的測定》[7]采用濟(jì)南華興試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZB‐602型門尼黏度計(jì)進(jìn)行測試。

2）橡膠墊板材料性能

用3課時(shí)完成實(shí)驗(yàn)Ⅲ。該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要參考文獻(xiàn)[1],目的是希望學(xué)生深刻理解大數(shù)定律的含義,同時(shí)通過概率實(shí)驗(yàn)來求出一些復(fù)雜積分的近似值。

硬度按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法第1部分：邵氏硬度計(jì)法（邵爾硬度）》[8]采用北京時(shí)代山峰科技有限公司生產(chǎn)的LX‐A型邵氏硬度計(jì)進(jìn)行測試。

200%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、阿克隆磨耗、工作電阻和動(dòng)靜剛度比按照Q/CR 564—2017《彈條Ⅱ型扣件》[9]中相關(guān)方法測試。其中200%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率測試采用濟(jì)南華興試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的WDS‐20型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，阿克隆磨耗測試采用濟(jì)南華興試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)JMH‐76型阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，工作電阻測試采用上海精密儀器儀表有限公司生產(chǎn)的ZC36型高絕緣電阻測量儀，靜剛度和動(dòng)靜剛度比測試采用濟(jì)南華興試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的WDS‐300型材料疲勞試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混煉溫度對橡膠墊板混煉膠中結(jié)合膠含量的影響

混煉溫度從80℃升高到120℃，橡膠墊板混煉膠中結(jié)合膠含量的變化見表2。

表2 混煉溫度對橡膠墊板混煉膠中結(jié)合膠含量的影響

由表2可知：混煉溫度在80～100℃時(shí)，隨著混煉溫度升高，結(jié)合膠含量逐漸升高；混煉溫度達(dá)到100℃后，結(jié)合膠含量不再變化?；鞜挼哪康氖亲屘亢凇⑻胀恋忍盍显谙鹉z中均勻分散，并讓橡膠分子鏈浸潤、包覆在炭黑和陶土表面。在混煉過程中橡膠分子鏈與炭黑、陶土表面的羥基等活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而生成結(jié)合膠。結(jié)合膠越多，橡膠與炭黑、陶土結(jié)合得越牢固，炭黑和陶土在橡膠中分散得越均勻。橡膠分子鏈與炭黑、陶土表面的羥基等活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的快慢、程度與混煉溫度有關(guān)，混煉溫度升高，不僅有利于反應(yīng)進(jìn)行，還有利于生成更多結(jié)合膠。另外，混煉過程中，由于剪切力作用，炭黑和陶土的聚集體被打破，暴露出新的表面，橡膠與炭黑、陶土接觸面積增大，也有利于生成更多的結(jié)合膠。但溫度繼續(xù)升高到一定程度后，混煉膠的黏度隨著溫度升高而降低，剪切作用減弱，新的表面不再出現(xiàn)，結(jié)合膠的含量就趨于穩(wěn)定。因此，對結(jié)合膠含量而言，混煉溫度達(dá)到100℃即可，繼續(xù)升溫反而會(huì)增加混煉能耗。

2.2 混煉溫度對橡膠墊板混煉膠門尼黏度的影響

混煉溫度從80℃升高到120℃，橡膠墊板混煉膠門尼黏度的變化見表3。

表3 混煉溫度對橡膠墊板混煉膠門尼黏度的影響

由表3可知，隨著混煉溫度升高，橡膠墊板混煉膠門尼黏度逐漸降低，且溫度越高降低得越快。這是因?yàn)殚T尼黏度與橡膠分子鏈長度直接相關(guān)，橡膠分子鏈越長，門尼黏度越高[10]?；鞜掃^程中，在剪切力作用下，橡膠分子鏈會(huì)發(fā)生斷裂而變短?；鞜挏囟仍礁?，斷裂的趨勢越明顯。因此，門尼黏度隨著混煉溫度提高會(huì)降低，且降低幅度越來越大。

2.3 混煉溫度對橡膠墊板收縮率和外觀合格率的影響

混煉溫度從80℃升高到120℃，橡膠墊板收縮率及外觀合格率的變化見表4。

表4 混煉溫度對橡膠墊板收縮率及外觀合格率的影響

2.4 混煉溫度對橡膠墊板物理性能的影響

混煉溫度從80℃升高到120℃，橡膠墊板物理性能參數(shù)的變化見表5。

表5 混煉溫度對橡膠墊板物理性能的影響

由表5可知：隨著混煉溫度升高，硬度略有降低，但變化很小。200%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率都是先升高后降低，且均在100℃達(dá)到最大值；阿克隆磨耗和動(dòng)靜剛度比先降低后升高，且均在100℃達(dá)到最小值；工作電阻逐漸升高，超過100℃后趨于穩(wěn)定。在100℃以下時(shí)，混煉溫度的升高有利于炭黑、陶土的分散以及結(jié)合膠的生成，因此，橡膠墊板拉伸性能隨混煉溫度的升高逐漸升高，阿克隆磨耗和動(dòng)靜剛度比隨混煉溫度的升高逐漸降低?；鞜挏囟瘸^100℃，結(jié)合膠含量基本不變，但橡膠分子鏈斷裂量增多，由于分子鏈變短，橡膠分子鏈的纏結(jié)、分子鏈之間的物理結(jié)點(diǎn)變少，因此橡膠墊板拉伸性能降低，阿克隆磨耗升高。由于橡膠分子鏈斷裂變短，橡膠回彈性變差，橡膠墊板的動(dòng)靜剛度比也會(huì)升高。橡膠、陶土本身絕緣度高，而炭黑可以導(dǎo)電，所以橡膠墊板的工作電阻主要取決于炭黑在橡膠內(nèi)部形成的導(dǎo)電通路。炭黑分散得越均勻，電阻越大?；鞜挏囟瘸^100℃后工作電阻基本穩(wěn)定，說明混煉溫度達(dá)到100℃時(shí)炭黑已經(jīng)分散均勻，再繼續(xù)升溫對炭黑混煉均勻作用不大，反而會(huì)增加混煉能耗。

綜上，建議橡膠墊板混煉膠的最佳混煉溫度為100℃。

3 結(jié)論

1）隨著混煉溫度升高，橡膠墊板混煉膠中的結(jié)合膠含量先逐漸升高，超過100℃后趨于穩(wěn)定；門尼黏度逐漸降低。

2）隨著混煉溫度升高，橡膠墊板收縮率顯著降低，外觀合格率顯著升高。

3）隨著混煉溫度升高，橡膠墊板的硬度略有降低，但變化很??；200%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率先增大后減小，且均在100℃達(dá)到最大值；阿克隆磨耗和動(dòng)靜剛度比先減小后增大，且均在100℃達(dá)到最小值；工作電阻逐漸升高，超過100℃后趨于穩(wěn)定。

4）橡膠墊板混煉膠最佳混煉溫度為100℃。