恒粘天然橡胶在橡胶轨枕垫中的应用研究

2022-07-19周景润王永伟周其彬蔡尚脉

橡胶工业 2022年3期

陆铭，周景润，王永伟，周其彬，蔡尚脉，钱江，陈宏

（1.北京橡胶工业研究设计院有限公司，北京 100143；2.上海华君橡胶科技有限公司，上海 200082）

天然橡胶（NR）在长期贮存过程中会出现硬化现象，使生胶的塑性初值、相对分子质量、门尼粘度和凝胶含量等增大，塑性保持率减小。由于NR的门尼粘度不稳定，随着贮存时间的延长，会增大NR的塑炼难度及其胶料的混炼和挤出不稳定性，延长混炼时间，导致产品质量的一致性较差。在实际应用中，为了降低NR的门尼粘度，必然强化NR的塑炼，从而延长胶料的混炼时间，消耗更多的动力，导致产品质量稳定性下降，生产效率降低，生产成本增加，长期以来NR硬化被认为是影响NR加工性能的主要因素[1-3]。

恒粘NR采用高品质NR原料生产，其门尼粘度稳定地控制在一定范围内，产品具有良好的物理性能。与通用NR相比，恒粘NR具有稳定的门尼粘度，加工性能的稳定性与一致性较好，可缩短塑炼时间，甚至完全免去塑炼工艺，直接减少加工费用，降低操作次品率，增加产量。恒粘NR在轮胎领域的应用研究较多。由于国内恒粘NR产量有限，目前其主要依赖进口，价格昂贵。恒粘NR具有损耗因子小、动态生热低、拉伸强度高、弹性优异、电绝缘性能好、动态损失小、无毒且动静刚度较低的特点，被广泛应用于减震制品，如各种机械和仪表的减震垫、桥梁和建筑的减震支座以及其他橡胶制品中[4-10]。

橡胶因其阻尼性、滞后性和可发生可逆大变形性，在吸收和隔离震动方面非常有效。从分子角度来看，橡胶的减震性主要源自其高弹性和粘弹性[11-15]。由于橡胶轨枕垫（简称轨枕垫）长期暴露于大气中或置于轨枕底，不断经受机车通过时的震动和冲击，因此要求其具有良好的耐自然老化、耐热和耐寒性能以及弹性和缓冲、减震性能。恒粘NR可用于轨枕垫，其物理性能必须满足TB/T 2626—1995/XG1—2018《铁道混凝土轨枕下用橡胶垫板技术指标》要求。

本工作研究几种国产恒粘NR在轨枕垫中的应用，并与进口同类产品进行对比。

1 实验

1.1 原材料

恒粘NR，CV3—7，上海华君橡胶科技有限公司产品；CV1，进口产品。其他均为橡胶工业常用原材料。

1.2 试验配方

1.2.1 基本性能试验配方

恒粘NR的基本性能试验配方见表1。

表1 恒粘NR的基本性能试验配方份Tab.1 Basic property test formulas of constant viscosity NR phr

1.2.2 轨枕垫胶料配方

恒粘NR的轨枕垫胶料配方见表2。

表2 恒粘NR的轨枕垫胶料配方份Tab.2 Sleeper pad compound formulas of constant viscosity NR phr

1.3 主要设备和仪器

BB2型密炼机，日本神户制钢所产品；XK-160型开炼机，广东湛江机械制造集团公司产品；MV2000型门尼粘度计、100S型硫化仪和T10型拉力试验机，美国英斯特朗公司产品；Y-25型压缩疲劳试验机，上海非金属试验机厂产品。

1.4 混炼工艺

1.4.1 基本性能试验配方胶料

开炼机辊筒表面温度保持在（70±5）℃，将辊距调为0.2 mm，在不包辊的情况下将生胶薄通2次；将辊距调至1.4 mm，使生胶包辊，生胶包辊平滑后将辊距调至1.8 mm（持续4 min）；加氧化锌、硬脂酸、硫黄和促进剂TBBS，混炼4 min；从开炼机每一端进行3次3/4割刀（持续3 min）；从开炼机上取下胶料，将辊距调至0.8 mm，将打卷胶料从开炼机一端送入，过辊6次（持续2 min）；将胶料压成约2.2 mm厚的胶片。

1.4.2 轨枕垫胶料

胶料采用2段混炼工艺。先将除硫黄、促进剂外的所有组分在密炼机中混炼，密炼机温度为80 ℃，转子转速为80 r·min-1，混炼工艺为：NR（1 min）→小料、炭黑、油（4 min）→清扫（2 min）→排胶（150～170 ℃）；混炼胶立即转入开炼机上终炼，胶料冷却后加入硫黄、促进剂，薄通6次，下片。

1.5 性能测试

（1）恒粘NR的生胶门尼粘度。按照GB/T 15340—2008《天然、合成生胶取样及其制样方法》对恒粘NR生胶进行均匀化：称取（250±5）g恒粘NR，称量精度为0.1 g，将开炼机辊距调至（1.3±0.15）mm，辊温保持在（70±5）℃，恒粘NR过辊10次。其中，第2—9次过辊时，将胶片打卷后把胶卷一端放入辊筒过辊，将散落的生胶全部混入胶中；第10次过辊时下片，将胶片放入干燥器冷却后重新称量，精确至0.1 g。然后，测试恒粘NR的生胶门尼粘度。

（2）胶料性能按照相应的国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 恒粘NR基本性能

2.1.1 生胶门尼粘度

CV1，CV3，CV4，CV5，CV6和CV7的生胶门尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]分别为59，62，58，60，60和55。

从以上数据可以看出，6种恒粘NR的生胶门尼粘度均符合60±5的指标要求，表明6种恒粘NR能够保持恒定的门尼粘度。

2.1.2 混炼胶性能

恒粘NR混炼胶的性能见表3。

表3 恒粘NR混炼胶的性能Tab.3 Properties of constant viscosity NR compounds

门尼粘度反映了胶料的加工性能、相对分子质量及其分布范围，CN-1配方胶料的门尼粘度最小，其他配方胶料的门尼粘度相当；门尼焦烧时间是混炼胶在加工温度下早期的硫化特性，t5和t35分别表示混炼胶的门尼粘度下降至最小值后上升5和35个门尼值所对应的时间，通常用Δt30（t35－t5）表示混炼胶的焦烧时间，CN-7配方胶料的焦烧时间最短，CN-6配方胶料次之，CN-1配方胶料最长；t10为混炼胶的硫化诱导期，反映胶料的加工安全性，诱导期短，加工安全性差，诱导期太长，会降低生产效率，CN-4配方胶料的t10最长，加工安全性最好；t90为混炼胶的正硫化时间，CN-4配方胶料的t90最长，CN-7配方胶料最短；Fmax－FL反映橡胶的交联程度，CN-1配方胶料的交联程度最小，CN-5配方胶料最大。

2.1.3 硫化胶性能

恒粘NR硫化胶的性能见表4。

表4 恒粘NR硫化胶的性能Tab.4 Properties of constant viscosity NR vulcanizates

从表4可以看出：各配方胶料的硬度相当；CN-3配方胶料的500%定伸应力最大，CN-1配方胶料最小；CN-3配方胶料的拉伸强度最大，CN-1配方胶料最小；CN-5和CN-6配方胶料的拉断伸长率略大，CN-7配方胶料最小；CN-1和CN-6配方胶料的撕裂强度略低，其他配方胶料相当。其中CN-3配方胶料的物理性能最好。

综上所述，5种国产恒粘NR胶料的性能略优于国外恒粘NR胶料。

2.2 恒粘NR轨枕垫胶料的性能

2.2.1 混炼胶性能

恒粘NR轨枕垫混炼胶的性能见表5。

表5 恒粘NR轨枕垫混炼胶的性能Tab.5 Properties of constant viscosity NR sleeper pad compounds

从表5可以看出：GZ-1配方胶料的门尼粘度最小，其他配方胶料相当；各配方胶料的焦烧时间和t90相当；GZ-1配方胶料的交联程度最小，GZ-4配方胶料最大。

2.2.2 硫化胶性能

恒粘NR轨枕垫硫化胶的性能见表6。

从表6可以看出：各配方胶料的硬度相当；老化前GZ-4胶料的100%和200%定伸应力最大；GZ-2配方胶料的拉伸强度最大，GZ-3配方胶料最小；GZ-2配方胶料的耐磨性能最好，其次是GZ-4配方胶料；GZ-2—GZ-4配方胶料的脆性温度均低于GZ-1配方胶料，表明它们的低温性能优于GZ-1配方胶料；经热空气老化后，GZ-3和GZ-4配方胶料的100%定伸应力和拉伸强度均大于GZ-1配方胶料。