我國(guó)高速鐵路用橡膠墊板材料的研究現(xiàn)狀分析*

陳傳志，吉 媛，錢 征，楊海林，李 超，賀春江**

(1.中國(guó)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；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

高速鐵路中橡膠墊板起到提供軌道彈性及降低噪聲污染的作用，是扣件系統(tǒng)的重要組成部分。

有關(guān)橡膠墊板的研究主要集中在配方的研究方面。其中，有關(guān)填料種類、用量和表面處理技術(shù)對(duì)定伸應(yīng)力、動(dòng)靜剛度比的研究較多[1-7]，其次是防老劑、硫化工藝的優(yōu)化[8-9]。近年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)橡膠墊板在高速鐵路上應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)10年，有關(guān)老化的研究也逐漸備受關(guān)注[10-12]。

橡膠墊板屬于中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司認(rèn)證產(chǎn)品，在中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司官網(wǎng)上可以查到，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有高速鐵路橡膠墊板生產(chǎn)企業(yè)8家。

本文收集了8家企業(yè)生產(chǎn)的RP5橡膠墊板，采用熱重分析儀分析了國(guó)內(nèi)8家生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的RP5橡膠墊板的生膠含量和組成、補(bǔ)強(qiáng)劑和無(wú)機(jī)填料含量；用硫化儀分析了硫化特性；期望對(duì)橡膠墊板配方的研發(fā)和優(yōu)化提供參考，并對(duì)橡膠墊板材料研究方向提出了合理化建議。

1 熱重分析實(shí)驗(yàn)

采用德國(guó)耐馳儀器制造有限公司TG 209 F3 型差熱掃描量熱儀,按照GB/T14837.1—2014進(jìn)行熱重分析和差熱分析。

采用無(wú)錫市蠡園電子化工設(shè)備有限公司MDR-2000型無(wú)轉(zhuǎn)子按照GB/T 16584—1996測(cè)定硫化特性，溫度155 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 生膠組成

收集了國(guó)內(nèi)8家企業(yè)2020年生產(chǎn)的RP5橡膠墊板，按照GB/T 14837.1—2014進(jìn)行熱重分析和差熱分析。從熱重曲線可以得出有機(jī)物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)信息，從差熱曲線峰的位置及數(shù)量，可以判斷總有機(jī)物中生膠的種類及比例[13]，具體如表1所示。

表1 有機(jī)物總量及DTA峰位置統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，有機(jī)物總量大致在44.12%至55.01%范圍內(nèi)，從差熱曲線出峰數(shù)量看，有的墊板有2個(gè)峰，有的墊板有3個(gè)峰。393 ℃對(duì)應(yīng)天然橡膠的最大熱分解溫度；470 ℃對(duì)應(yīng)丁苯橡膠的熱分解溫度；480 ℃對(duì)應(yīng)順丁橡膠的分解溫度?？梢钥闯?，6家采用天然橡膠與順丁橡膠并用，2家采用天然橡膠、丁苯橡膠和順丁橡膠三種膠并用。

分析認(rèn)為，高速鐵路橡膠墊板產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3395.3-2015中要求橡膠墊板動(dòng)靜剛度比小于2，且-40 ℃壓縮耐寒系數(shù)不小于0.5， -35 ℃靜剛度變化率不大于20%。正是由于動(dòng)靜剛度比和低溫性能要求，高速鐵路橡膠墊板在生膠選擇上與普通線路的橡膠墊板明顯不同。普通線路橡膠墊板以丁苯橡膠為主，而高速鐵路橡膠墊板以天然橡膠為主，并用丁苯橡膠和順丁橡膠。這是因?yàn)樘烊幌鹉z的動(dòng)靜比遠(yuǎn)小于丁苯橡膠，但由于天然橡膠低溫下容易結(jié)晶，靜剛度變化大，丁苯橡膠與順丁橡膠并用可以顯著降低低溫下靜剛度變化率、提高壓縮耐寒系數(shù)[14]。因此，目前國(guó)內(nèi)廠家，高速鐵路橡膠墊板均采用以天然橡膠為主，且少量并用丁苯橡膠和順丁橡膠。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)體系

橡膠墊板的補(bǔ)強(qiáng)劑為炭黑。收集了國(guó)內(nèi)8家企業(yè)生產(chǎn)的RP5橡膠墊板，按照GB/T 14837.1-2014做熱重分析。炭黑樣品占總量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如表2所示。

表2 橡膠墊板中的炭黑含量

分析認(rèn)為，橡膠墊板有拉伸強(qiáng)度和200%定伸要求，而炭黑是最好的補(bǔ)強(qiáng)劑，因此，國(guó)內(nèi)橡膠墊板配方中都使用炭黑。又由于橡膠墊板有工作電阻要求，炭黑的加入會(huì)降低電阻，因此炭黑不能無(wú)限量任意添加。從表2可以看出，用量為7.81%至32.31%。

越細(xì)的炭黑，達(dá)到相同電阻的用量越少?？紤]到橡膠墊板還有動(dòng)靜剛度比要求，粒徑太小的炭黑雖然補(bǔ)強(qiáng)效果好，但動(dòng)靜剛度比大。隨著炭黑用量增加，工作電阻變化有一個(gè)臨界量，超過(guò)臨界量，炭黑在橡膠中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，工作電阻會(huì)急劇減小[15]。經(jīng)過(guò)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)橡膠墊板企業(yè)都用N330、N539、N550以及半補(bǔ)強(qiáng)炭黑，或者兩種并用。

2.3 無(wú)機(jī)填料

由于橡膠墊板有電阻要求，炭黑本身電阻很小，炭黑用量多，工作電阻減小，因此炭黑用量受到限制。填充無(wú)機(jī)填料即可以改善丁苯橡膠的加工工藝性，也可以降低成本。

收集了8家RP5橡膠墊板，按照GB/T 14837.1-2014做熱重分析。其中無(wú)機(jī)填料含量統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 橡膠墊板中無(wú)機(jī)填料含量

從表3可以看出，8家企業(yè)橡膠墊板無(wú)機(jī)填料含量大致在9.08%～37.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))之間。分析認(rèn)為，這是因?yàn)闊o(wú)機(jī)填料補(bǔ)強(qiáng)性差，加多了對(duì)物理性能不利，且加多了密度會(huì)增大，體積成本會(huì)增大，磨耗也會(huì)增大，因此無(wú)機(jī)填料添加量也會(huì)受限制。

2.4 硫化體系

測(cè)試了8個(gè)廠家橡膠墊板混煉膠的硫化曲線，如表4所示。焦燒時(shí)間在55～106 s之間，正硫化時(shí)間在283～333 s之間。

表4 55 ℃混煉膠的硫化曲線參數(shù)

經(jīng)過(guò)調(diào)研，橡膠墊板的硫化體系目前都是硫磺硫化體系，且基本上以半有效硫化體系為主。促進(jìn)劑多為TT、CZ、DM、DTDM中的2～3種并用為主。

分析認(rèn)為，由于橡膠墊板邵爾A硬度都在70以上，混煉加工生熱大，為了避免出現(xiàn)焦燒，所以促進(jìn)劑TT量很少，其用量多小于0.5份。8家橡膠墊板廠硫化時(shí)間在8～12 min之間，硫化溫度在150～160 ℃之間。

2.5 揮發(fā)性組分

測(cè)試了橡膠墊板膠料的熱重曲線，揮發(fā)性組分含量如表5所示。從熱重分析看，50 ℃至300 ℃區(qū)間熱失重率在3.6%至5.2%之間。50～300 ℃區(qū)間熱失重為揮發(fā)性組分，其中包括增塑劑、硫化體系的殘留物、結(jié)晶水等。考慮到增塑劑對(duì)橡膠墊板的200%定伸應(yīng)力和動(dòng)靜剛度比不利，因此推測(cè)一般橡膠墊板材料中不必使用增塑劑。

表5 橡膠墊板中揮發(fā)性組分含量

3 結(jié) 論

國(guó)內(nèi)高速鐵路橡膠墊板，生膠含量在44.12～55.01%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)之間，以天然橡膠為主并用部分丁苯橡膠或順丁橡膠；炭黑含量在7.81～32.31%之間，無(wú)機(jī)填料在9.08～37.25%之間，硫磺硫化體系，有機(jī)揮發(fā)分3.6%至5.2%之間。焦燒時(shí)間在55～106 s之間，正硫化時(shí)間在283～333 s之間。

4 建 議

(1)不同企業(yè)橡膠墊板加工過(guò)程中用到的設(shè)備各不相同，加工工序及工藝參數(shù)也有區(qū)別。目前有關(guān)材料組成-加工工藝間關(guān)系或規(guī)律的研究報(bào)導(dǎo)非常少。這個(gè)問(wèn)題關(guān)系到成品率、加工效率和成本等因素，值得開展深入研究。

(2) 橡膠墊板材料組成與疲勞壽命對(duì)應(yīng)關(guān)系研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。高速鐵路橡膠墊板在國(guó)內(nèi)應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)10年，橡膠墊板壽命，墊板性能衰減規(guī)律與材料之間對(duì)應(yīng)關(guān)系未見文獻(xiàn)研究。這個(gè)問(wèn)題關(guān)系到墊板使用壽命、使用效果以及橡膠墊板材料今后的改進(jìn)方向，值得開展深入研究。