水平力分散型橡膠支座的膠料配方優(yōu)化和極限剪切性能分析

郭 勇，趙雅婷

（中裕鐵信交通科技股份有限公司，河北 衡水 053000）

水平力分散型橡膠支座由膠料與鋼板疊層硫化而成[1-6]，其具有以下特點(diǎn)：（1）豎向剛度大，以避免建筑物搖擺或垂直共振；（2）水平剛度小，可避開(kāi)地震干擾，達(dá)到隔離建筑物的目的；（3）水平極限變位能力強(qiáng)，避免在地震時(shí)失效[7-16]。本工作從膠料的抗硫化返原性能及膠料與鋼板粘合強(qiáng)度兩方面確定水平力分散型橡膠支座的膠料優(yōu)化配方以及適宜的膠粘劑膠膜厚，并對(duì)橡膠支座的水平極限剪切性能進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），牌號(hào)SCR WF，云南農(nóng)墾集團(tuán)有限責(zé)任公司產(chǎn)品；丁苯橡膠（SBR），牌號(hào)1502，中國(guó)石化齊魯分公司產(chǎn)品；炭黑N774，上?？ú┨鼗び邢薰井a(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

NR/SBR 100，炭黑N774 35，氧化鋅 5，硬脂酸 1.5，環(huán)烷油 15，防老劑4010NA 2，防老劑RD 2，硫黃 1，促進(jìn)劑 變品種、變量。

1.3 主要設(shè)備和儀器

1.5L Kneader 密煉機(jī)和KL-6×14 型雙輥開(kāi)煉機(jī)，佰弘機(jī)械（上海）有限公司產(chǎn)品；XLB-500×500型平板硫化機(jī)，邢臺(tái)維斯特機(jī)械有限公司產(chǎn)品；M-3000A型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；WDW-200C型電子拉力機(jī)，上海華龍測(cè)試儀器有限公司產(chǎn)品；401A型熱空氣老化箱，江都市精藝試驗(yàn)機(jī)械有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

將NR和SBR加入密煉機(jī)中混煉均勻后，依次加入小料（氧化鋅、硬脂酸、防老劑4010NA、防老劑RD）、炭黑N774、環(huán)烷油、硫黃、促進(jìn)劑，混合均勻后膠料排至開(kāi)煉機(jī)上，倒膠3遍后下片。膠料停放12 h后在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為145 ℃×20 min。

1.5 性能測(cè)試

膠料各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠料配方優(yōu)化

水平力分散型橡膠支座屬于厚橡膠制品，其長(zhǎng)時(shí)間高溫硫化會(huì)使膠料的交聯(lián)鍵斷裂而發(fā)生硫化返原現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降，在橡膠支座承受剪切力時(shí)會(huì)產(chǎn)生膠料與鋼板剝離或膠料開(kāi)裂 現(xiàn)象。

2.1.1 NR/SBR并用比對(duì)膠料性能的影響

不同膠種膠料的抗硫化返原性能和耐熱性能不同，在相同硫化條件下，SBR、順丁橡膠（BR）和NR膠料的抗硫化返原性能依次降低，因此在厚橡膠制品長(zhǎng)時(shí)間硫化過(guò)程中，不同膠種膠料的性能變化不同。NR膠料具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及與鋼板粘合性能，是橡膠支座生產(chǎn)中使用最為廣泛的膠料，NR與SBR的并用膠的抗返原性能和耐熱性能顯著提高。

NR/SBR并用比對(duì)膠料硫化特性的影響如表1所示。

膠料的R越小，表征膠料的抗硫化返原能力越高。由表1可以看出，隨著SBR用量的增大，膠料的R減小，表明膠料的抗硫化返原性能提高，在硫化過(guò)程中能夠更好地保持原有性能，膠料的物理性能不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間的高溫硫化而降低。

SBR/NR并用比對(duì)膠料物理性能的影響如表2所示。

表2 NR/SBR并用比對(duì)膠料物理性能的影響Tab.2 Effect of NR/SBR blending ratios on physical properties of compounds

從表2可以看出，隨著SBR用量的增大，膠料的拉伸強(qiáng)度和和拉斷伸長(zhǎng)率降低，老化后的拉伸強(qiáng)度變化率和拉斷伸長(zhǎng)率變化率減小，表明SBR的加入提高了膠料的抗硫化返原性能和耐熱性能。

綜合考慮膠料的硫化特性和物理性能，后續(xù)試驗(yàn)選用NR/SBR并用比為60/40。

2.1.2 促進(jìn)劑對(duì)膠料性能的影響

硫化體系是影響膠料抗硫化返原性能的重要因素。雖然有效硫化體系可以降低NR膠料的硫化返原趨勢(shì)，但是減小硫黃用量會(huì)降低膠料與鋼板的粘合強(qiáng)度及膠料的耐疲勞性能，因此本研究在半有效硫化體系的基礎(chǔ)上將硫黃用量減至1份，調(diào)整促進(jìn)劑品種和用量。促進(jìn)劑對(duì)膠料硫化特性的影響如表3所示。

表3 促進(jìn)劑對(duì)膠料硫化特性的影響Tab.3 Effect of accelerators on vulcanization characteristics of compounds

由表3可以看出：促進(jìn)劑CBS與DM并用減小了膠料的R，提高了膠料的抗硫化返原性能；促進(jìn)劑CBS與含硫促進(jìn)劑DTDM并用，使得膠料中單硫鍵、雙硫鍵、多硫鍵的構(gòu)成更加合理，促進(jìn)劑DTDM的嗎啉基對(duì)氧化的阻斷作用可賦予膠料更優(yōu)異的抗硫化返原性能，從而膠料可以在高溫下長(zhǎng)時(shí)間硫化。

促進(jìn)劑對(duì)膠料物理性能的影響如表4所示。

表4 促進(jìn)劑對(duì)硫化膠物理性能的影響Tab.4 Effect of accelerators on physical properties of compounds

由表4可以看出，促進(jìn)劑CBS與DTDM并用可以賦予膠料良好的物理性能和耐熱老化性能。

綜合考慮膠料的硫化特性和物理性能，后續(xù)試驗(yàn)選用促進(jìn)劑CBS/DTDM并用比為4/1。

橡膠支座的優(yōu)化配方為：NR/SBR 100（NR/SBR并用比為60/40），炭黑N774 35，氧化鋅 5，硬脂酸 1.5，環(huán)烷油 15，防老劑RD 2，防老劑4010NA 2，硫黃 1，促進(jìn)劑CBS/DTDM 5（促進(jìn)劑CBS/DTDM并用比為4/1）。

優(yōu)化配方膠料的硫化曲線（140 ℃）如圖1 所示。

由圖1可以看出，優(yōu)化配方膠料的硫化曲線比較平坦，720 min硫化結(jié)束時(shí)，優(yōu)化配方膠料的R為5.4%，能夠滿足橡膠支座長(zhǎng)時(shí)間高溫硫化的工藝需求。

2.2 膠料與鋼板的粘合性能分析

2.2.1 膠粘劑膜厚對(duì)膠料與鋼板剝離強(qiáng)度的 影響

膠粘劑選用底涂和面涂結(jié)合的雙層膠粘劑，鋼板表面經(jīng)過(guò)拋丸處理后涂刷膠粘劑。膠粘劑膜厚對(duì)膠料與鋼板剝離強(qiáng)度的影響見(jiàn)表5。

表5 膠粘劑膜厚對(duì)膠料與鋼板剝離強(qiáng)度的影響Tab.5 Effect of adhesive film thicknesses on peel strengths between compound and steel plate N·mm-1

由表5可以看出，在底涂膜厚為10～15 μm、面涂膜厚為25～30 μm的條件下，膠料與鋼板的剝離強(qiáng)度最高，且長(zhǎng)時(shí)間硫化后膠料與鋼板的剝離強(qiáng)度下降率最小。分析認(rèn)為：底涂膠粘劑屬于高模量膠粘劑，面涂膠粘劑屬于低模量膠粘劑，高模量膠粘劑膜厚較小時(shí)，膠膜具有較高的抗張強(qiáng)度，因此底涂膜厚不宜過(guò)大；低模量膠粘劑膜厚增大會(huì)產(chǎn)生較高的剝離強(qiáng)度，但當(dāng)膜厚超過(guò)一定范圍時(shí)，膠粘劑本身會(huì)發(fā)生開(kāi)裂破壞，從而影響橡膠支座的整體粘合性能。因此，膠粘劑膜厚需要根據(jù)工藝條件調(diào)試。

2.2.2 膠粘劑膜厚對(duì)膠料與鋼板剪切模量的 影響

膠粘劑膜厚對(duì)膠料與鋼板剪切模量的影響見(jiàn)表6。

由表6可以看出：隨著底涂和面涂膜厚的增大，硫化時(shí)間較短時(shí)膠料與鋼板的剪切模量基本沒(méi)有變化；當(dāng)硫化時(shí)間延長(zhǎng)后，膠料與鋼板的剪切模量先提高后降低，因此膠粘劑膜厚需要控制在合理范圍內(nèi)，底涂膜厚為10～15 μm、面涂膜厚為25～30 μm較適宜。

表6 膠粘劑膜厚對(duì)膠料與鋼板剪切模量的影響Tab.6 Effect of adhesive film thicknesses on shear modulus of compound and steel plate N·mm-1

2.3 支座性能分析

采用優(yōu)化配方試制LNR400，LNR600 和LNR800水平力分散型橡膠支座，橡膠支座的豎向剛度和水平剛度見(jiàn)表7（剪切位移為100%）。

從表7可以看出，不同規(guī)格型號(hào)的橡膠支座的豎向剛度和水平剛度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表7 橡膠支座的豎向剛度和水平剛度Tab.7 Vertical tiffnesse and horizontal stiffnesses of rubber bearings kN·mm-1

將LNR 600水平力分散型橡膠支座進(jìn)行100%剪切位移、200%剪切位移、300%剪切位移和400%極限剪切位移測(cè)試，橡膠支座的滯回曲線見(jiàn)圖2。

進(jìn)一步試驗(yàn)得出，LNR 600橡膠支座在100%剪切位移、200%剪切位移、300%剪切位移和400%極限剪切位移下的水平剛度分別為0.91，0.85，0.85和0.96 kN·mm-1。可以看出，隨著剪切位移增大，橡膠支座的水平剛度先下降，但當(dāng)達(dá)到極限剪切位移400%時(shí)，橡膠支座的水平剛度提高。在不同剪切位移下，橡膠支座的水平剛度偏差在±15%內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

（1）NR與SBR并用和促進(jìn)劑CBS與DTDM并用，可顯著提高水平力分散型橡膠支座膠料的抗硫化返原性能和耐熱性能，綜合考慮膠料的硫化特性和物理性能，確定橡膠支座膠料優(yōu)化配方的NR/SBR并用比為60/40，促進(jìn)劑CBS/DTDM并用比為4/1。

（2）膠粘劑膜厚影響膠料與鋼板的剝離強(qiáng)度和剪切模量，適宜的膠粘劑底涂膜厚為10～15 μm、面涂膜厚為25～30 μm。

（3）試制的LNR 600水平力分散型橡膠支座在100%剪切位移、200%剪切位移、300%剪切位移、400%極限剪切位移條件下，水平剛度分別為0.91，0.85，0.85和0.96 kN·mm-1，水平剛度偏差均在±15%范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。