絕緣緩沖橡膠墊板低溫性能影響因素研究

張遠(yuǎn)慶，喬立軍，曹建偉，張合霞，馮 磊

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.哈齊鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150090;3.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206;4.河北鐵科翼辰橡膠制品有限公司，河北 石家莊 052160)

絕緣緩沖橡膠墊板低溫性能影響因素研究

張遠(yuǎn)慶1，喬立軍2，曹建偉3，張合霞3，馮 磊4

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.哈齊鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150090;3.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206;4.河北鐵科翼辰橡膠制品有限公司，河北 石家莊 052160)

高寒地區(qū)高速鐵路扣件系統(tǒng)中的橡膠墊板性能受低溫影響較大。通過(guò)不同配方和不同工藝的絕緣緩沖橡膠墊板的低溫脆性試驗(yàn)研究了絕緣緩沖橡膠墊板低溫性能的影響因素。研究結(jié)果表明:膠料中順丁橡膠(BR)的含量越高，絕緣緩沖橡膠墊板的低溫性能越好;增塑劑DOP，DOS和45#變壓器油對(duì)絕緣緩沖橡膠墊板在-60℃的低溫性能不利;選用不同生產(chǎn)廠家的炭黑對(duì)絕緣緩沖橡膠墊板低溫性能的影響沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別;低溫慢速硫化工藝相對(duì)于高溫快速硫化工藝更有利于絕緣緩沖橡膠墊板的低溫性能。

橡膠墊板 配方 工藝 低溫性能 增塑劑 炭黑

哈爾濱市冬季嚴(yán)寒干燥漫長(zhǎng)，最冷月平均氣溫均低于-20℃左右，極端最低氣溫接近-40℃，最大凍結(jié)深度2.72 m［1］。目前正在建設(shè)中的哈齊客專處于高寒地區(qū)，夜間軌溫比氣溫低2.5℃［2］。

研究表明［3］，在高速動(dòng)荷載的反復(fù)作用下，軌道結(jié)構(gòu)除應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度外，軌道彈性的保持非常重要，而軌道彈性又主要來(lái)自于扣件的絕緣緩沖橡膠墊板(以下簡(jiǎn)稱墊板)。當(dāng)墊板用于高寒地區(qū)時(shí)，低溫不利于橡膠分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，彈性降低甚至失去彈性［4-5］，致使橡膠制品性能下降，因此，應(yīng)深入研究墊板低溫性能的影響因素，保證高寒地區(qū)高速鐵路的運(yùn)行安全。

對(duì)極性橡膠低溫性能改進(jìn)方面做的試驗(yàn)研究比較多［6-8］，主要是通過(guò)加入增塑劑改善橡膠的低溫性能。本文研究非極性橡膠的低溫性能，采用低溫脆性溫度來(lái)衡量墊板的低溫性能，雖然不同的低溫性能測(cè)試方法［9］對(duì)低溫脆性溫度有影響，但是并不會(huì)影響結(jié)論。一般在考慮橡膠產(chǎn)品低溫性能時(shí)，首先考慮生膠的種類，然后是補(bǔ)強(qiáng)填充體系、增塑體系、工藝條件等因素。本文就上述因素對(duì)墊板低溫耐寒性能的影響進(jìn)行研究。研究過(guò)程中指標(biāo)均滿足《WJ-7型扣件零部件制造驗(yàn)收暫行技術(shù)條件》。該技術(shù)條件規(guī)定，墊板的邵爾A硬度應(yīng)不小于90，墊板的摩擦系數(shù)應(yīng)不小于0.40，墊板熱空氣老化(100℃，72 h)后的拉伸強(qiáng)度應(yīng)不小于7.5 MPa，墊板的工作電阻應(yīng)不小于109Ω，墊板的靜剛度應(yīng)不小于1 000 kN/mm。

1 墊板低溫性能試驗(yàn)

1.1 主要原材料

順丁橡膠(BR)9000，丁苯橡膠(SBR)1502E，高苯乙烯(HS)860，卡博特、德固賽、哥倫比亞和龍星4個(gè)廠家生產(chǎn)的炭黑N330，鄰苯二甲酸二辛脂(DOP)，癸二酸二辛脂(DOS)，45#變壓器油。

1.2 試驗(yàn)配方

在橡塑混合體中SBR，BR和HS并用，含有增塑劑的配方中，增塑劑用量為6份(質(zhì)量份數(shù)，其它原材料的用量均為質(zhì)量份數(shù))。由于《WJ-7型扣件零部件制造驗(yàn)收暫行技術(shù)條件》中對(duì)墊板在硬度和工作電阻方面都有要求，因此補(bǔ)強(qiáng)填充體系在量的選擇方面受到很大的限制，固定N330的量為18份;固定HS的量為20份。

1.3 主要儀器設(shè)備

密煉機(jī)XMY-150E，開(kāi)煉機(jī)XK-660，真空熱壓成型機(jī)XJL-P-400T-VCF-2RT，橡膠低溫脆性測(cè)定儀MZ-4068，電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)TCS-2000，老化試驗(yàn)箱GT-7017-EL。

1.4 工藝

為了防止膠料焦燒，小料在開(kāi)煉機(jī)中加入。

1.5 測(cè)試分析

低溫脆性按GB/T 1682的規(guī)定進(jìn)行，在墊板成品上取樣。測(cè)試結(jié)果分為無(wú)裂痕、有裂痕和斷裂3種。選擇-40℃，-50℃，-55℃和-60℃共4個(gè)測(cè)試溫度。試樣長(zhǎng)為(25.0±0.5)mm，寬為(6.0±0.5)mm，厚為(2.0±0.3)mm。每塊墊板取3個(gè)試樣，要求均無(wú)破壞。

拉斷伸長(zhǎng)率按GB/T 528的規(guī)定進(jìn)行，測(cè)試試樣在墊板成品上取樣。墊板熱空氣老化(100℃，72 h)后的拉斷伸長(zhǎng)率按GB/T 3512和GB/T 528的規(guī)定進(jìn)行，在墊板成品上取樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 配方的影響

2.1.1 膠料比例的影響

表1為不同BR含量墊板的低溫脆性試驗(yàn)結(jié)果。可見(jiàn)，4種BR含量墊板的低溫脆性溫度的大小順序?yàn)門(mén)0＞T20＞T22＞T25＞T30，當(dāng)BR含量為0時(shí)，-40℃，-50℃，-55℃和-60℃4個(gè)溫度下試樣全部斷裂;隨著B(niǎo)R含量的增加，試樣的低溫脆性溫度降低，低溫性能有所改善，當(dāng)BR含量達(dá)到25份時(shí)，4個(gè)溫度下的試樣都無(wú)裂痕。這是由于BR的分子鏈較SBR的柔順，其玻璃化溫度較低［10］，脆性溫度也較低，能夠降低墊板的低溫脆性溫度，改善墊板的低溫性能。但是為了保證墊板邵爾A硬度不小于90，BR的含量不能過(guò)高。

表1 BR含量的影響

2.1.2 增塑劑的影響

選用BR為22份的配方，來(lái)研究增塑劑對(duì)墊板低溫性能的影響。選用DOP，DOS和45#變壓器油3種增塑劑，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 增塑劑的影響

由表2可見(jiàn)，含有DOP，DOS和45#變壓器油3種增塑劑墊板的脆性溫度均高于不含增塑劑墊板，并沒(méi)有改善墊板在-60℃的低溫性能。研究表明增塑劑能夠改善極性橡膠的低溫性能［6-8］，而此結(jié)果顯示增塑劑DOP，DOS和45#變壓器油對(duì)墊板的低溫性能不利。這可能與DOP(-55℃)，DOS(-48℃)和45#變壓器油(-45℃)三種增塑劑的凝固點(diǎn)比試驗(yàn)測(cè)試溫度-60℃高有一定關(guān)系。在研究高寒地區(qū)的墊板時(shí)，不建議使用DOP，DOS和45#變壓器油等類似的增塑劑。

2.1.3 炭黑的影響

炭黑等填料在一定程度上破壞了橡膠的本來(lái)性質(zhì)，對(duì)墊板的低溫性能是有影響的，但是墊板的邵爾A硬度要求不小于90，為此在做配方設(shè)計(jì)時(shí)，必須使用炭黑以提供硬度和拉伸強(qiáng)度。采用了BR含量25份、無(wú)增塑劑的配方，變換炭黑N330的生產(chǎn)廠家(卡博特、德固賽、哥倫比亞和龍星)，其它不變，進(jìn)行墊板低溫性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，采用卡博特、德固賽、哥倫比亞和龍星炭黑N330生產(chǎn)的墊板低溫脆性溫度均不高于-60℃。這4個(gè)生產(chǎn)廠家的炭黑對(duì)墊板的低溫性能的影響并沒(méi)有本質(zhì)性的區(qū)別。

《WJ-7型扣件零部件制造驗(yàn)收暫行技術(shù)條件》中對(duì)墊板老化前和老化后的拉斷伸長(zhǎng)率并沒(méi)有要求，但拉斷伸長(zhǎng)率能從側(cè)面反映出墊板的彈性。

表3 不同生產(chǎn)廠家炭黑的影響

圖1為采用炭黑試驗(yàn)配方生產(chǎn)的墊板老化前和老化后的拉斷伸長(zhǎng)率。

圖1 墊板老化前和老化后的拉斷伸長(zhǎng)率

從圖1可以看出，選用不同廠家炭黑生產(chǎn)的墊板在老化前和老化后的拉斷伸長(zhǎng)率幾乎相同;墊板的拉斷伸長(zhǎng)率老化前在280%左右，老化后在100%左右。對(duì)于邵爾A硬度不小于90的橡膠制品來(lái)說(shuō)，老化前280%的拉斷伸長(zhǎng)率已經(jīng)很大了。這從側(cè)面反映出，墊板雖然邵爾A硬度不小于90，卻還能表現(xiàn)出橡膠所特有的彈性;墊板老化后仍有彈性，其在高速鐵路中還可以起到緩沖作用。但是需要指出的是，老化前與老化后的拉斷伸長(zhǎng)率各自在什么范圍內(nèi)才能使橡膠制品的阻尼系數(shù)等合適，從而保證墊板在高速鐵路中最大限度地發(fā)揮出其緩沖作用。對(duì)此還需深入研究。

2.2 硫化工藝條件的影響

選用BR為25份、無(wú)增塑劑的配方進(jìn)行硫化工藝試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)，在155℃×11 min工藝條件下生產(chǎn)的墊板的低溫脆性溫度比在160℃×9 min工藝條件下生產(chǎn)的墊板低。說(shuō)明低溫慢速硫化工藝相對(duì)于高溫快速硫化工藝更有利于墊板的低溫性能。這是由于低溫慢速硫化能給高分子的分子鏈段較長(zhǎng)的時(shí)間，來(lái)打破由于硫化加壓造成的分子鏈取向，從而對(duì)橡膠的低溫性能有利。

表4 硫化工藝的影響

3 結(jié)論

1)膠料中BR的含量越高，墊板的低溫性能越好。

2)增塑劑DOP，DOS和45#變壓器油對(duì)提高墊板在-60℃的低溫性能不利。

3)選用不同廠家炭黑對(duì)墊板的低溫性能的影響沒(méi)有本質(zhì)性的區(qū)別。

4)低溫慢速硫化工藝相對(duì)于高溫快速硫化工藝更有利于墊板的低溫性能。

［1］盧茂勝.哈齊客運(yùn)專線軌道結(jié)構(gòu)類型的選擇分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(8):57-60.

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［4］李子睿，許紹輝，方杭瑋，等.老化作用對(duì)無(wú)砟軌道扣件橡膠墊板剛度影響的試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2013(6):142-143.

［5］楊清芝.現(xiàn)代橡膠工藝學(xué)［M］.1版.北京:中國(guó)石化出版社，1997.

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［7］陸延，王阿娜.配合劑對(duì)丁腈橡膠低溫性能的影響［J］.特種橡膠制品，2011，32(6):39-40，47.

［8］WHITTINGTON W H，田中牛.顯著提高極性彈性體低溫性能的酯類增塑劑［J］.橡膠參考資料，1984(4):41-47.

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［10］謝遂志，劉登祥，周鳴巒.橡膠工業(yè)手冊(cè):第一分冊(cè)［M］.1版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

Research on influential factors of low-temperature characteristics of insulating and buffering rubber pad

ZHANG Yuanqing1，QIAO Lijun2，CAO Jianwei3，ZHANG Hexia3，F(xiàn)ENG Lei4
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Harbin-Qiqihar Railway Passenger Dedicated Line Co.，Ltd.，Harbin Helongjiang 150090，China; 3.Beijing Tieke Shougang Rail-tech Co.，Ltd.，Beijing 102206，China; 4.Hebei Tieke Yichen Rubber Products Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 052160，China)

In alpine regions，temperature stands out as a highly influential factor for the rubber pads of the fastening system for high speed railway.Testing experiments to insulating and buffering rubber pads made of different formula and manufactured by different techniques were carried out to determine their low-temperature performance.The results show that higher BR(butadiene-rubber)content brings up low-temperature performance of the rubber pads，while plasticizer DOP，plasticizer DOS and 45#transformer oil undermine the specimens'performance as the environmental temperature stands at-60℃.It has also been noticed that carbon blacks produced by different manufacturers do not have any visible impact on the specimens'performance;and the slow vulcanization technique carried out at low-temperature environment brings out better low-temperature performance of the specimen than fast vulcanization technique under high-temperature environment does.

Rubber pad;Formula;Technique;Low-temperature performance;Plasticizer;Carbon black

TQ333;TQ336;U213.5+32

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.27

1003-1995(2015)01-0123-04

(責(zé)任審編 葛全紅)

2014-09-10;

2014-11-25

張遠(yuǎn)慶(1978—)，男，湖北麻城人，工程師。