混煉溫度對橡膠墊板性能的影響

曲萌 陳傳志 張曉沛 王玨

（中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所，北京 100081）

混煉是橡膠墊板生產過程中的重要工序，其任務就是將配方中的生膠和各種助劑、炭黑、陶土等混合均勻。混煉決定了各種助劑、炭黑等在橡膠中分散的均勻性，影響到橡膠制品的剛度、外觀及動態性能[1]。

橡膠墊板是軌道結構中的重要部件。關于橡膠墊板的研究多集中在測試方法、配方等方面。方杭瑋等[2]研究發現，彈性墊層剛度均隨環境溫度的升高而減小，環境溫度在-40～-20℃變化對彈性墊層剛度的影響較為顯著。李子睿等[3]研究了溫度和加載頻率對彈性墊層剛度的影響規律，提出了降低這些因素影響的相應措施。趙云行等[4]研究了有無表面改性劑以及不同種類表面改性劑對橡膠墊板動態性能的影響規律。曲萌等[5]研究了炭黑、增塑劑和防老劑對橡膠墊板質量的影響，發現精確控制炭黑、增塑劑和防老劑用量可以有效防止橡膠墊板質量異常波動。

有關混煉溫度對橡膠墊板性能的影響規律尚未見文獻報導。橡膠墊板混煉膠中的結合膠含量反映橡膠與炭黑、陶土結合的牢固程度，門尼黏度與橡膠分子鏈有關。為保證橡膠墊板的正常使用性能和必要的使用壽命，防止壓潰、破損和磨損，還需要一定的硬度、強度和耐磨耗性能。硬度、200%定伸應力反映了橡膠材料在外力作用下形變的大小，硬度、200%定伸應力越高，橡膠材料受外力產生的形變就越小。拉伸強度是反映橡膠材料強度大小的重要指標，拉伸強度越大，橡膠墊板強度越高。拉斷伸長率與拉伸強度有關，較高的拉斷伸長率可以保證橡膠材料在受到較大變形時不被破壞。阿克隆磨耗反映了橡膠墊板耐磨耗的能力，磨耗越小，橡膠墊板的使用壽命越長。工作電阻則反映了橡膠墊板的絕緣性能優劣，工作電阻越高，線路的絕緣性越好。另外，橡膠墊板的主要功能是減振、緩沖和絕緣，動靜剛度比反映了橡膠墊板減振、緩沖功能優劣，動靜比越小，軌道彈性越好，減振、緩沖效果越好，乘坐舒適性也越好。

目前國內80余家橡膠墊板生產廠家采用的混煉溫度從90℃到135℃不等。為了探究最佳的混煉溫度，為優化混煉工藝、降低能耗、提升和穩定橡膠墊板質量提供參考，本文對橡膠墊板混煉膠的結合膠含量、門尼黏度以及橡膠墊板硬度、拉伸強度、拉斷伸長率等材料性能進行測試分析，研究混煉溫度對橡膠墊板性能的影響規律。考慮到能耗及配方本身特點，本文研究的混煉溫度為80～120℃。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 橡膠墊板配方

橡膠墊板質量配合比見表1。

表1 橡膠墊板質量配合比

1.2 橡膠墊板制備工藝

將丁苯橡膠、氧化鋅、硬脂酸、硅69和防老劑按比例投入至容量為110 L的密煉機進行混煉，恒定混煉溫度（控制精度±3℃）混煉5 min后，出片冷卻，在開煉機上加硫磺和促進劑，混合均勻后出片，停放1 d后適當返煉，在上海橡膠機械制造廠生產的300 t平板硫化機上硫化成橡膠墊板。硫化條件為：溫度160℃，時間10 min，硫化壓力15 MPa。

1.3 試驗內容及方法

1）混煉膠材料性能

結合膠含量按照文獻[6]中的方法采用上海力辰儀器科技有限公司生產的JJ223BC型分析天平進行測試。

門尼黏度按照GB/T 1232.1—2016《未硫化橡膠用圓盤剪切黏度計進行測定第1部分：門尼黏度的測定》[7]采用濟南華興試驗設備有限公司生產的ZB‐602型門尼黏度計進行測試。

2）橡膠墊板材料性能

用3課時完成實驗Ⅲ。該實驗的設計主要參考文獻[1],目的是希望學生深刻理解大數定律的含義,同時通過概率實驗來求出一些復雜積分的近似值。

硬度按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》[8]采用北京時代山峰科技有限公司生產的LX‐A型邵氏硬度計進行測試。

200%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率、阿克隆磨耗、工作電阻和動靜剛度比按照Q/CR 564—2017《彈條Ⅱ型扣件》[9]中相關方法測試。其中200%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率測試采用濟南華興試驗設備有限公司生產的WDS‐20型電子拉力試驗機，阿克隆磨耗測試采用濟南華興試驗設備有限公司生產JMH‐76型阿克隆磨耗試驗機，工作電阻測試采用上海精密儀器儀表有限公司生產的ZC36型高絕緣電阻測量儀，靜剛度和動靜剛度比測試采用濟南華興試驗設備有限公司生產的WDS‐300型材料疲勞試驗機。

2 試驗結果與分析

2.1 混煉溫度對橡膠墊板混煉膠中結合膠含量的影響

混煉溫度從80℃升高到120℃，橡膠墊板混煉膠中結合膠含量的變化見表2。

表2 混煉溫度對橡膠墊板混煉膠中結合膠含量的影響

由表2可知：混煉溫度在80～100℃時，隨著混煉溫度升高，結合膠含量逐漸升高；混煉溫度達到100℃后，結合膠含量不再變化。混煉的目的是讓炭黑、陶土等填料在橡膠中均勻分散，并讓橡膠分子鏈浸潤、包覆在炭黑和陶土表面。在混煉過程中橡膠分子鏈與炭黑、陶土表面的羥基等活性基團發生化學反應從而生成結合膠。結合膠越多，橡膠與炭黑、陶土結合得越牢固，炭黑和陶土在橡膠中分散得越均勻。橡膠分子鏈與炭黑、陶土表面的羥基等活性基團發生化學反應的快慢、程度與混煉溫度有關，混煉溫度升高，不僅有利于反應進行，還有利于生成更多結合膠。另外，混煉過程中，由于剪切力作用，炭黑和陶土的聚集體被打破，暴露出新的表面，橡膠與炭黑、陶土接觸面積增大，也有利于生成更多的結合膠。但溫度繼續升高到一定程度后，混煉膠的黏度隨著溫度升高而降低，剪切作用減弱，新的表面不再出現，結合膠的含量就趨于穩定。因此，對結合膠含量而言，混煉溫度達到100℃即可，繼續升溫反而會增加混煉能耗。

2.2 混煉溫度對橡膠墊板混煉膠門尼黏度的影響

混煉溫度從80℃升高到120℃，橡膠墊板混煉膠門尼黏度的變化見表3。

表3 混煉溫度對橡膠墊板混煉膠門尼黏度的影響

由表3可知，隨著混煉溫度升高，橡膠墊板混煉膠門尼黏度逐漸降低，且溫度越高降低得越快。這是因為門尼黏度與橡膠分子鏈長度直接相關，橡膠分子鏈越長，門尼黏度越高[10]。混煉過程中，在剪切力作用下，橡膠分子鏈會發生斷裂而變短。混煉溫度越高，斷裂的趨勢越明顯。因此，門尼黏度隨著混煉溫度提高會降低，且降低幅度越來越大。

2.3 混煉溫度對橡膠墊板收縮率和外觀合格率的影響

混煉溫度從80℃升高到120℃，橡膠墊板收縮率及外觀合格率的變化見表4。

表4 混煉溫度對橡膠墊板收縮率及外觀合格率的影響

2.4 混煉溫度對橡膠墊板物理性能的影響

混煉溫度從80℃升高到120℃，橡膠墊板物理性能參數的變化見表5。

表5 混煉溫度對橡膠墊板物理性能的影響

由表5可知：隨著混煉溫度升高，硬度略有降低，但變化很小。200%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率都是先升高后降低，且均在100℃達到最大值；阿克隆磨耗和動靜剛度比先降低后升高，且均在100℃達到最小值；工作電阻逐漸升高，超過100℃后趨于穩定。在100℃以下時，混煉溫度的升高有利于炭黑、陶土的分散以及結合膠的生成，因此，橡膠墊板拉伸性能隨混煉溫度的升高逐漸升高，阿克隆磨耗和動靜剛度比隨混煉溫度的升高逐漸降低。混煉溫度超過100℃，結合膠含量基本不變，但橡膠分子鏈斷裂量增多，由于分子鏈變短，橡膠分子鏈的纏結、分子鏈之間的物理結點變少，因此橡膠墊板拉伸性能降低，阿克隆磨耗升高。由于橡膠分子鏈斷裂變短，橡膠回彈性變差，橡膠墊板的動靜剛度比也會升高。橡膠、陶土本身絕緣度高，而炭黑可以導電，所以橡膠墊板的工作電阻主要取決于炭黑在橡膠內部形成的導電通路。炭黑分散得越均勻，電阻越大。混煉溫度超過100℃后工作電阻基本穩定，說明混煉溫度達到100℃時炭黑已經分散均勻，再繼續升溫對炭黑混煉均勻作用不大，反而會增加混煉能耗。

綜上，建議橡膠墊板混煉膠的最佳混煉溫度為100℃。

3 結論

1）隨著混煉溫度升高，橡膠墊板混煉膠中的結合膠含量先逐漸升高，超過100℃后趨于穩定；門尼黏度逐漸降低。

2）隨著混煉溫度升高，橡膠墊板收縮率顯著降低，外觀合格率顯著升高。

3）隨著混煉溫度升高，橡膠墊板的硬度略有降低，但變化很小；200%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率先增大后減小，且均在100℃達到最大值；阿克隆磨耗和動靜剛度比先減小后增大，且均在100℃達到最小值；工作電阻逐漸升高，超過100℃后趨于穩定。

4）橡膠墊板混煉膠最佳混煉溫度為100℃。