填料对客运专线橡胶垫板性能的影响研究

2012-09-05张宪清贺春江杨维坚

铁道建筑 2012年10期

张宪清，贺春江，杨维坚

(1.中国铁道科学研究院标准计量研究所，北京 100081;2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

近年来随着客运专线里程的增加，客运专线的轨下用橡胶垫板的用量急剧增加。和普通橡胶垫板一样，客运专线橡胶垫板主要用丁苯橡胶生产。但目前客运专线橡胶垫板的生产厂家较少，因而，减振橡胶垫板的开发具有较好的前景［1］。

无机填料是橡胶配方中重要的组成部分，它们在橡胶中起到填充、补强和改善工艺性等重要作用，它的性能直接影响到橡胶制品的使用性能。近年来随着无机填料工业的发展，出现了很多新的橡胶用多功能填料［2-4］。萨博菲就是一种经过表面改性处理、超细、浅色的无机填料。它对橡胶的亲和性好，在橡胶中很容易分散，并且具有很好的补强作用。

本文以客运专线弹条Ⅳ型扣件RP4型橡胶垫板为例，研究了填料对客运专线橡胶垫板性能的影响，希望为橡胶垫板的生产及质量控制提供参考。弹条Ⅳ型扣件RP4型橡胶垫板的技术条件如表1所示。

1 橡胶垫板性能试验

1.1 试样的制备

试验所需原材料SBR1500由吉林化学工业公司产;N550碳黑由河北沙河龙星化工集团有限公司产。陶土(5 000目)由河南省焦作市中站区红山陶土厂产;萨博菲、沉淀法白碳黑SL-175、偶联剂Longsil 4C、滑石粉(5 000目)由上海懋通有限公司提供;其他为市场销售产品。基本配方:SBR 100，氧化锌5，硬脂酸1，古马隆3，偶联剂2，RD 1.5，4010NA 1.5，CZ 1.5，TT 1.2，S 0.5，碳黑及无机填料总量 110。硫化条件为160 ℃，8 min。

表1 弹条Ⅳ型扣件RP4型橡胶垫板技术条件

1.2 性能测试

参照《弹条Ⅳ型扣件RP4型橡胶垫板技术条件》测定，其中胶料性能均从RP4型橡胶垫板成品取样;电阻、静刚度及动静刚度比采用 RP4型橡胶垫板测定。

1.3 仪器及设备

开炼机为S(X)K-160A型广东湛江橡塑机械制造厂;25 t平板硫化机为上海橡胶机械制造厂;电子拉力实验机DXLL10000型，XY-1橡胶硬度计由上海化工机械四厂制造;美国MTS公司材料疲劳实验机;401A型老化实验箱由江苏启东市双棱测试设备厂制造;阿克隆磨耗实验机由江都市天惠试验机械有限公司制造。

2 试验结果分析

2.1 不同无机填料对丁苯橡胶性能的影响

选择了丁苯橡胶常用的三种无机填料(白炭黑、陶土及滑石粉)和近年来市场上新出现的无机补强填料萨博菲，在丁苯橡胶中做了性能对比。不同无机填料对丁苯橡胶性能的影响见表2。

表2 不同填料对丁苯橡胶垫板性能的影响

从4种无机填料对丁苯橡胶性能的影响来看，硬度、200%定伸应力及拉伸强度由大到小顺序是:白碳黑、萨博菲、滑石粉和陶土;扯断伸长率由大到小顺序是陶土、萨博菲、滑石粉和白碳黑。成品静刚度及动静比由大到小顺序都是白炭黑、萨博菲、滑石粉和陶土。可以看出，萨博菲的综合性能最好。

这4种填料对丁苯橡胶性能影响比较大，主要是因为其结构的不同造成的。一般来说，填料的粒径和几何形状这两个参数对橡胶性能影响最大［2］。陶土和滑石粉是微米级的(片层直径约2.7 μm，片层厚度约为200 nm)，而萨博菲和白炭黑是纳米级的(片层厚度或粒径约为40 nm)。因此，萨博菲和白炭黑的补强效果最好，填充了这两种填料的丁苯橡胶拉伸强度最大。由于萨博菲是片层的结构，片层直径与厚度比约为10∶1，在加工过程中容易沿外力方向取向，这使得填充了萨博菲的丁苯橡胶的200%定伸应力比白炭黑的要大。所以总的来说，萨博菲填充的丁苯橡胶的拉伸强度比较高并且200%定伸应力比较大。普通的橡胶垫板的技术要求TB/T 2626—1995及《客运专线橡胶垫板的暂行技术条件》中都规定了胶料必须具有高的200%定伸应力(≥9.5mPa)。为了达到这个指标，多加炭黑，容易造成电阻性能不合格;多加白碳黑容易造成硬度超标，且动静比过大;多加其他无机填料，拉伸强度及扯断伸长率下降较多，所以一般填料很难保证性能兼顾。而萨博菲用在丁苯橡胶中硬度比白碳黑的小，200%定伸应力及拉伸强度和扯断伸长率比别的无机填料都要大，这为调整配方提供了较大可能。

2.2 萨博菲变量对丁苯橡胶性能的影响(见表3)

在110份填料内，随着萨博菲用量增加，N550炭黑的减少，扯断伸长率和压缩永久变形增大，而硬度及和200%定伸应力逐渐减小，热空气老化后扯断伸长率变化率逐渐变好。总的来说萨博菲的补强性能和N550碳黑很接近。拉伸强度及老化性能无明显变化。随着炭黑用量减小，垫板的静刚度逐渐减小，动静比逐渐变小。综合考虑，萨博特与 N550用量在35∶75最好。

表3 萨博菲用量对丁苯橡胶性能

随着萨博菲用量增加，橡胶垫板的电阻逐渐增大。这是因为，炭黑是导电的，无机填料的电阻相比较而言非常大。不同无机填料的电阻虽然有区别，但相比之下，炭黑用量对橡胶垫板的电阻值起了决定性作用。因此，当炭黑份数比较少时，表2中几个配方的电阻都很小，基本在一个数量级。表3中，炭黑多到一定份数，形成了导电的网络通道，电阻会急剧下降［5］。因此，垫板这类产品炭黑用量不易太大，以N550为例，炭黑在40份以下为宜。在萨博菲问世以来，在以往的普通橡胶垫板配方中，人们往往采用细粒子的碳黑，如N330和N220，以保证胶料有足够的拉伸强度和200%定伸应力，但碳黑多了电阻指标不合格或动静比偏大，硬度太高也不能满足规范要求。萨博菲的补强效果接近N550，定伸要比别的填料高很多，使强度和200%定伸应力对碳黑的依赖就小了，而且萨博菲的硬度比N550小，这样硬度及电阻容易超标的问题自然就不存在了。所以萨博菲的成功应用克服了橡胶垫板同时要求高电阻、高定伸及高耐磨性的矛盾，普通技术人员就可调出满足标准或技术要求的配方。

客运专线橡胶垫板技术条件与普通橡胶垫板的标准相比，有两点不同:一是热空气老化实验要求更严格，普通橡胶垫板的老化条件为100℃，72 h，且只规定了老化后的胶料的最低拉伸强度和扯断伸长率，而客运专线橡胶垫板的老化条件为100℃，96 h，且规定了老化后拉伸强度及扯断伸长率的保持率;二是客运专线橡胶垫板为了保证弹性规定了成品的动静刚度比。

这两点变化虽然增加了配方开发的难度，但如果有了萨博菲，问题也会迎刃而解。因为萨博菲的补强性比较好，定伸应力比较高，可以采用低硫高促硫化体系，对改善老化性和压缩永久变形性能都很有利。在有萨博菲以前，很多橡胶垫板生产厂家为了提高定伸应力多采用高硫高促硫化体系，这样老化性很难通过新的技术条件。以往很多垫板厂为了提高胶料强度采用白碳黑，而白碳黑加进去后动静比非常大，且混炼胶的加工性能变差。萨博菲的动静比要比N550碳黑还小，且力学性能接近。所以有了萨博菲，调整动静比这个指标就比较容易了。由于使用了萨博菲，橡胶配方的各个指标性能有足够的富裕，这对工厂大生产质量控制也很有利。

据不完全统计，目前国内采用萨博菲生产橡胶垫板的企业有无锡路达减震器有限公司、无锡铁华橡塑有限公司、河北翼辰实业集团有限公司等单位，他们的产品正应用于全国各地，在现场使用已经超过4年，目前状态良好。