恒粘天然橡膠在橡膠軌枕墊中的應(yīng)用研究

陸 銘，周景潤(rùn)，王永偉，周其彬，蔡尚脈，錢(qián) 江，陳 宏

（1.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100143；2.上海華君橡膠科技有限公司，上海 200082）

天然橡膠（NR）在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，使生膠的塑性初值、相對(duì)分子質(zhì)量、門(mén)尼粘度和凝膠含量等增大，塑性保持率減小。由于NR的門(mén)尼粘度不穩(wěn)定，隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)增大NR的塑煉難度及其膠料的混煉和擠出不穩(wěn)定性，延長(zhǎng)混煉時(shí)間，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的一致性較差。在實(shí)際應(yīng)用中，為了降低NR的門(mén)尼粘度，必然強(qiáng)化NR的塑煉，從而延長(zhǎng)膠料的混煉時(shí)間，消耗更多的動(dòng)力，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性下降，生產(chǎn)效率降低，生產(chǎn)成本增加，長(zhǎng)期以來(lái)NR硬化被認(rèn)為是影響NR加工性能的主要因素[1-3]。

恒粘NR采用高品質(zhì)NR原料生產(chǎn)，其門(mén)尼粘度穩(wěn)定地控制在一定范圍內(nèi)，產(chǎn)品具有良好的物理性能。與通用NR相比，恒粘NR具有穩(wěn)定的門(mén)尼粘度，加工性能的穩(wěn)定性與一致性較好，可縮短塑煉時(shí)間，甚至完全免去塑煉工藝，直接減少加工費(fèi)用，降低操作次品率，增加產(chǎn)量。恒粘NR在輪胎領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多。由于國(guó)內(nèi)恒粘NR產(chǎn)量有限，目前其主要依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格昂貴。恒粘NR具有損耗因子小、動(dòng)態(tài)生熱低、拉伸強(qiáng)度高、彈性優(yōu)異、電絕緣性能好、動(dòng)態(tài)損失小、無(wú)毒且動(dòng)靜剛度較低的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于減震制品，如各種機(jī)械和儀表的減震墊、橋梁和建筑的減震支座以及其他橡膠制品中[4-10]。

橡膠因其阻尼性、滯后性和可發(fā)生可逆大變形性，在吸收和隔離震動(dòng)方面非常有效。從分子角度來(lái)看，橡膠的減震性主要源自其高彈性和粘彈性[11-15]。由于橡膠軌枕墊（簡(jiǎn)稱(chēng)軌枕墊）長(zhǎng)期暴露于大氣中或置于軌枕底，不斷經(jīng)受機(jī)車(chē)通過(guò)時(shí)的震動(dòng)和沖擊，因此要求其具有良好的耐自然老化、耐熱和耐寒性能以及彈性和緩沖、減震性能。恒粘NR可用于軌枕墊，其物理性能必須滿足TB/T 2626—1995/XG1—2018《鐵道混凝土軌枕下用橡膠墊板技術(shù)指標(biāo)》要求。

本工作研究幾種國(guó)產(chǎn)恒粘NR在軌枕墊中的應(yīng)用，并與進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

恒粘NR，CV3—7，上海華君橡膠科技有限公司產(chǎn)品；CV1，進(jìn)口產(chǎn)品。其他均為橡膠工業(yè)常用原材料。

1.2 試驗(yàn)配方

1.2.1 基本性能試驗(yàn)配方

恒粘NR的基本性能試驗(yàn)配方見(jiàn)表1。

表1 恒粘NR的基本性能試驗(yàn)配方 份Tab.1 Basic property test formulas of constant viscosity NR phr

1.2.2 軌枕墊膠料配方

恒粘NR的軌枕墊膠料配方見(jiàn)表2。

表2 恒粘NR的軌枕墊膠料配方 份Tab.2 Sleeper pad compound formulas of constant viscosity NR phr

1.3 主要設(shè)備和儀器

BB2型密煉機(jī)，日本神戶制鋼所產(chǎn)品；XK-160型開(kāi)煉機(jī)，廣東湛江機(jī)械制造集團(tuán)公司產(chǎn)品；MV2000型門(mén)尼粘度計(jì)、100S型硫化儀和T10型拉力試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司產(chǎn)品；Y-25型壓縮疲勞試驗(yàn)機(jī)，上海非金屬試驗(yàn)機(jī)廠產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

1.4.1 基本性能試驗(yàn)配方膠料

開(kāi)煉機(jī)輥筒表面溫度保持在（70±5）℃，將輥距調(diào)為0.2 mm，在不包輥的情況下將生膠薄通2次；將輥距調(diào)至1.4 mm，使生膠包輥，生膠包輥平滑后將輥距調(diào)至1.8 mm（持續(xù)4 min）；加氧化鋅、硬脂酸、硫黃和促進(jìn)劑TBBS，混煉4 min；從開(kāi)煉機(jī)每一端進(jìn)行3次3/4割刀（持續(xù)3 min）；從開(kāi)煉機(jī)上取下膠料，將輥距調(diào)至0.8 mm，將打卷膠料從開(kāi)煉機(jī)一端送入，過(guò)輥6次（持續(xù)2 min）；將膠料壓成約2.2 mm厚的膠片。

1.4.2 軌枕墊膠料

膠料采用2段混煉工藝。先將除硫黃、促進(jìn)劑外的所有組分在密煉機(jī)中混煉，密煉機(jī)溫度為80 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為80 r·min-1，混煉工藝為：NR（1 min）→小料、炭黑、油（4 min）→清掃（2 min）→排膠（150～170 ℃）；混煉膠立即轉(zhuǎn)入開(kāi)煉機(jī)上終煉，膠料冷卻后加入硫黃、促進(jìn)劑，薄通6次，下片。

1.5 性能測(cè)試

（1）恒粘NR的生膠門(mén)尼粘度。按照GB/T 15340—2008《天然、合成生膠取樣及其制樣方法》對(duì)恒粘NR生膠進(jìn)行均勻化：稱(chēng)?。?50±5）g恒粘NR，稱(chēng)量精度為0.1 g，將開(kāi)煉機(jī)輥距調(diào)至（1.3±0.15）mm，輥溫保持在（70±5）℃，恒粘NR過(guò)輥10次。其中，第2—9次過(guò)輥時(shí)，將膠片打卷后把膠卷一端放入輥筒過(guò)輥，將散落的生膠全部混入膠中；第10次過(guò)輥時(shí)下片，將膠片放入干燥器冷卻后重新稱(chēng)量，精確至0.1 g。然后，測(cè)試恒粘NR的生膠門(mén)尼粘度。

（2）膠料性能按照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 恒粘NR基本性能

2.1.1 生膠門(mén)尼粘度

CV1，CV3，CV4，CV5，CV6和CV7的生膠門(mén)尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]分別為59，62，58，60，60和55。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，6種恒粘NR的生膠門(mén)尼粘度均符合60±5的指標(biāo)要求，表明6種恒粘NR能夠保持恒定的門(mén)尼粘度。

2.1.2 混煉膠性能

恒粘NR混煉膠的性能見(jiàn)表3。

表3 恒粘NR混煉膠的性能Tab.3 Properties of constant viscosity NR compounds

門(mén)尼粘度反映了膠料的加工性能、相對(duì)分子質(zhì)量及其分布范圍，CN-1配方膠料的門(mén)尼粘度最小，其他配方膠料的門(mén)尼粘度相當(dāng)；門(mén)尼焦燒時(shí)間是混煉膠在加工溫度下早期的硫化特性，t5和t35分別表示混煉膠的門(mén)尼粘度下降至最小值后上升5和35個(gè)門(mén)尼值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，通常用Δt30（t35－t5）表示混煉膠的焦燒時(shí)間，CN-7配方膠料的焦燒時(shí)間最短，CN-6配方膠料次之，CN-1配方膠料最長(zhǎng)；t10為混煉膠的硫化誘導(dǎo)期，反映膠料的加工安全性，誘導(dǎo)期短，加工安全性差，誘導(dǎo)期太長(zhǎng)，會(huì)降低生產(chǎn)效率，CN-4配方膠料的t10最長(zhǎng)，加工安全性最好；t90為混煉膠的正硫化時(shí)間，CN-4配方膠料的t90最長(zhǎng)，CN-7配方膠料最短；Fmax－FL反映橡膠的交聯(lián)程度，CN-1配方膠料的交聯(lián)程度最小，CN-5配方膠料最大。

2.1.3 硫化膠性能

恒粘NR硫化膠的性能見(jiàn)表4。

表4 恒粘NR硫化膠的性能Tab.4 Properties of constant viscosity NR vulcanizates

從表4可以看出：各配方膠料的硬度相當(dāng)；CN-3配方膠料的500%定伸應(yīng)力最大，CN-1配方膠料最??；CN-3配方膠料的拉伸強(qiáng)度最大，CN-1配方膠料最?。籆N-5和CN-6配方膠料的拉斷伸長(zhǎng)率略大，CN-7配方膠料最?。籆N-1和CN-6配方膠料的撕裂強(qiáng)度略低，其他配方膠料相當(dāng)。其中CN-3配方膠料的物理性能最好。

綜上所述，5種國(guó)產(chǎn)恒粘NR膠料的性能略優(yōu)于國(guó)外恒粘NR膠料。

2.2 恒粘NR軌枕墊膠料的性能

2.2.1 混煉膠性能

恒粘NR軌枕墊混煉膠的性能見(jiàn)表5。

表5 恒粘NR軌枕墊混煉膠的性能Tab.5 Properties of constant viscosity NR sleeper pad compounds

從表5可以看出：GZ-1配方膠料的門(mén)尼粘度最小，其他配方膠料相當(dāng)；各配方膠料的焦燒時(shí)間和t90相當(dāng)；GZ-1配方膠料的交聯(lián)程度最小，GZ-4配方膠料最大。

2.2.2 硫化膠性能

恒粘NR軌枕墊硫化膠的性能見(jiàn)表6。

從表6可以看出：各配方膠料的硬度相當(dāng)；老化前GZ-4膠料的100%和200%定伸應(yīng)力最大；GZ-2配方膠料的拉伸強(qiáng)度最大，GZ-3配方膠料最小；GZ-2配方膠料的耐磨性能最好，其次是GZ-4配方膠料；GZ-2—GZ-4配方膠料的脆性溫度均低于GZ-1配方膠料，表明它們的低溫性能優(yōu)于GZ-1配方膠料；經(jīng)熱空氣老化后，GZ-3和GZ-4配方膠料的100%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度均大于GZ-1配方膠料。

表6 恒粘NR軌枕墊硫化膠的性能Tab.6 Properties of constant viscosity NR sleeper pad vulcanizates

綜上所述，4種配方軌枕墊膠料的物理性能均達(dá)到指標(biāo)要求，其中3種國(guó)產(chǎn)恒粘NR軌枕墊膠料的性能均優(yōu)于進(jìn)口恒粘NR軌枕墊膠料，采用CV-7的GZ-4配方的軌枕墊膠料的性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

（1）5種國(guó)產(chǎn)恒粘NR和進(jìn)口恒粘NR的生膠門(mén)尼粘度均符合指標(biāo)要求。

（2）恒粘NR基本性能測(cè)試結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)恒粘NR膠料的性能優(yōu)于進(jìn)口恒粘NR膠料。

（3）恒粘NR在軌枕墊中的應(yīng)用結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)恒粘NR軌枕墊膠料與進(jìn)口恒粘NR軌枕墊膠料的物理性能均達(dá)到指標(biāo)要求，其中國(guó)產(chǎn)恒粘NR軌枕墊膠料的性能優(yōu)于進(jìn)口恒粘NR軌枕墊膠料，采用國(guó)產(chǎn)CV-7的GZ-4配方軌枕墊膠料的性能最優(yōu)。