杜仲橡胶在减震材料及制品中的应用研究

陈彰斌，黄自华，董晶晶，李 远，杨 军

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

杜仲橡胶是产自杜仲树的天然高分子材料，在国际上被习惯地称为古塔波胶或巴拉塔胶，是目前除三叶天然橡胶（NR）之外世界上最具开发前景的第二天然橡胶。

杜仲橡胶化学组成与NR相同，但结构上互为异构体，NR为顺式1，4-结构，杜仲橡胶为反式1，4-结构，导致两者之间性能存在较大差异。杜仲橡胶由于易结晶，曾长期作为硬质塑料使用[1-2]。严瑞芳[3]发现了杜仲橡胶硫化过程的三阶段特性，分别对应3种性能及用途迥然的材料：热塑性材料、热弹性材料及橡胶型材料，进一步拓展了杜仲橡胶的应用领域[4-6]，如用作医用功能材料、形状记忆材料和绿色轮胎原料等。朱峰等[7]研究发现适量杜仲橡胶与NR及顺丁橡胶（BR）并用硫化胶定伸应力和硬度提高，滚动阻力和压缩生热降低，耐疲劳性能优异。

近年来，我国杜仲橡胶产业化取得了一系列实质性进展，河南灵宝、陕西安康等杜仲产业基地已实现批量化生产并供给国内外用户，湘西老爹生物有限公司、湖北老龙洞杜仲开发有限公司等企业即将建成百吨级杜仲橡胶生产装置，为杜仲橡胶在各领域的规模化应用奠定了坚实基础。青岛科技大学黄宝琛等[8]采用本体沉淀聚合方法合成高反式1，4-聚异戊二烯（TPI，又称人工合成杜仲橡胶）并成功实现了产业化[9-11]。

现代机车车辆大量使用各种减震橡胶制品作牵引、减震、支承之用[12]，杜仲橡胶具有动态生热低、动态疲劳性能好等特性。本工作研究杜仲橡胶对球形关节和空气弹簧耐疲劳性能的影响，以促进其在轨道交通减震制品领域的应用。

1 杜仲橡胶的特性

杜仲橡胶微观链结构最典型的三大特征是双键、链柔性和反式有序性[13]。由于杜仲橡胶分子链中存在双键，因此可采用硫黄硫化体系进行加工；链柔性是使其成为弹性体的基础；反式有序性使其具有较强的结晶性。其中链柔性和反式有序性是一对矛盾体，大分子链的有序性易导致结晶，使杜仲橡胶无法表现出宏观弹性，此时可以通过杜仲橡胶的双键进行硫化交联，通过控制交联程度来实现对结晶的抑制，使其成为柔软的弹性体。

杜仲橡胶基本特性及与TPI的对比见表1[14]。

从表1可以看出，杜仲橡胶的反式1，4-结构含量和结晶度略高于TPI，熔点明显低于TPI，二者常规物理性能相差不大。

表1 杜仲橡胶与TPI的基本特性对比

2 杜仲橡胶与其他橡胶并用

杜仲橡胶单纯用作可硫化的弹性体时，其综合性能并不理想，通常与其他橡胶并用。在减震橡胶制品中，杜仲橡胶常与NR或氯丁橡胶（CR）并用。

2.1 与NR并用

NR/杜仲橡胶并用比对硫化胶物理性能的影响如表2所示。从表2可以看出，随着杜仲橡胶用量的增大，硫化胶的邵尔A型硬度和撕裂强度略有提高，拉伸强度、拉断伸长率和压缩永久变形均呈现降低趋势，300%定伸应力和耐热空气老化性能变化不大。

表2 NR/杜仲橡胶并用比对硫化胶物理性能的影响

NR/杜仲橡胶并用比对硫化胶耐屈挠疲劳性能的影响如表3所示。从表3可以看出，随着杜仲橡胶用量的增大，NR/杜仲橡胶并用硫化胶无龟裂和出现6级龟裂的屈挠次数先增大后减小，当杜仲橡胶用量为20份时，并用胶的耐屈挠龟裂性能达到峰值。

表3 NR/杜仲橡胶并用比对硫化胶耐屈挠疲劳性能的影响

2.2 与CR并用

CR/杜仲橡胶并用比对硫化胶物理性能的影响如表4所示。从表4可以看出，在CR中并用20份杜仲橡胶后，硫化胶的邵尔A型硬度、300%定伸应力、拉伸强度和拉断伸长率略有降低，压缩永久变形增大，耐热空气老化性能变化不大。

表4 CR/杜仲橡胶并用比对硫化胶物理性能的影响

CR/杜仲橡胶并用比对硫化胶耐屈挠疲劳性能的影响如表5所示。从表5可以看出，杜仲橡胶用量为20份的CR/杜仲橡胶并用胶无龟裂和出现6级龟裂的屈挠次数均大幅提高。

表5 CR/杜仲橡胶并用比对硫化胶耐屈挠疲劳性能的影响

3 杜仲橡胶在轨道交通减震制品中的应用

3.1 球形关节

球形关节主要由金属芯轴（或内金属套筒）、金属外套及中间的橡胶层构成，是一种连接两个彼此能作多向运动的零件的联接件，在各类机车车辆转向架上大量应用。球形关节的最主要破坏形式是疲劳破坏，其承载特性伴随着胶料疲劳过程中的硬度、刚度等特性一起发生变化，最终失去承载能力。球形关节剖面如图1所示。

图1 球形关节剖面示意

机车转向架用球形关节疲劳载荷大，普通NR配方难以满足要求，将杜仲橡胶用于产品生产后，该球形关节顺利通过300万次疲劳试验，且刚度变化显著降低，具体产品检测结果见表6。

表6 杜仲橡胶对球形关节疲劳性能的影响

3.2 空气弹簧

空气弹簧是一种帘线增强的橡胶囊，内充压缩空气，利用气体的可压缩性起弹簧作用，是一种减震橡胶制品，其橡胶囊结构与无内胎轮胎相似，由内胶层、外胶层、帘布增强层及钢丝圈组成。耐屈挠龟裂性能是评价空气弹簧使用寿命的重要性能指标。空气弹簧剖面如图2所示。

图2 空气弹簧剖面示意

轨道交通机车车辆用空气弹簧通常采用CR作为主胶以达到耐老化的目的，杜仲橡胶与CR并用后用于空气弹簧的性能检测结果如表7所示。从表7可以看出，杜仲橡胶能显著改善胶料的耐屈挠性能以及产品的耐疲劳性能。

表7 并用杜仲橡胶空气弹簧胶料的耐屈挠性能及产品的耐疲劳性能

综上所述，杜仲橡胶在球形关节和空气弹簧中的应用取得了理想效果，产品耐疲劳性能得到大幅提高，应用前景令人期待。

4 结语

（1）分别在NR和CR中并用少量杜仲橡胶，可以在保持原胶料综合性能基本不变的前提下，大幅提高耐屈挠性能。

（2）并用杜仲橡胶可显著改善球形关节和空气弹簧产品的耐疲劳性能。