弹条Ⅰ型扣件轨下垫板压缩永久变形的影响因素研究.pdf

为研究低压缩永久变形的轨下垫板的配方及硫化体系，采用热空气老化试验箱等设备，分析了胶种、无机填料种类、偶联剂用量、硫化剂配比及硫化时间对轨下垫板压缩永久变形的影响规律。结果表明：丁苯橡胶的压缩永久变形优于天然橡胶；纳米高岭土压缩永久变形显著优于白炭黑、碳酸钙和煅烧陶土；偶联剂最佳用量为1份；硫磺和促进剂TE最佳比例为0.8 1.2；硫化时间以10 min为宜。研究结果可以为轨下垫板压缩永久变形的改善提供参考。关键词：橡胶垫板；压缩永久变形；无机填料；硫化体系；硫化时间中图分类号：U213.5+3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.03.012轨下垫板用在混凝土轨枕与钢轨之间，为轨道提供弹性，是扣件系统重要的组成部分1-2。轨下垫板的相关研究多集中在结构设计与仿真计算、动静比调控、寿命模拟与评价、加工助剂和防老剂等助剂、加工工艺的影响等方面3-16。压缩永久变形是橡胶在外力作用下发生的不可逆变形，其本质是橡胶分子发生了断裂、重排等化学变化。橡胶分子链中双键的反应活性比单键的活性大，双键含量越高，越容易发生化学反应，分子链结构越容易发生变化。目前有关轨下垫板压缩永久变形的专项研究较少。和原有标准TB/T 26261995 铁道混凝土枕轨下用橡胶垫板技术条件 相比，TB/T 14952020 弹条I型扣件 把轨下垫板压缩永久变形的技术要求从30%修改为20%。压缩永久变形指标的提高使大部分生产企业需要调整配方，为了改善压缩永久变形，生产企业大多使用促进剂二硫化四甲基秋兰姆（TT），但TT焦烧时间短，在密炼机中投料容易焦烧；二乙基二硫代氨基甲酸碲（TE）是一种耐焦烧性能和压缩永久变形性能优良的促进剂，可以替代TT，已经在车辆减振器等制品中有应用文献报导17。采用热空气老化试验箱、厚度计等设备，研究胶种、无机填料种类、偶联剂用量、硫化体系及硫化时间对轨下垫板压缩永久变形的影响规律，期望为轨下垫板生产企业改进配方提供参考。1 试样制备及测试方法 1.1原材料丁苯橡胶，牌号1502，吉林化学工业股份有限公司；炭黑，牌号N330，卡博特化工（上海）有限公司；纳米高岭土，牌号PW98，上海懋通实业有限公司；偶联剂，牌号LONSIL 4C，上海懋通实业有限公司；硫磺（S，牌号400M），二乙基二硫代氨基甲酸碲（TE，牌号YC），2，2，4三甲基1，2二氢化喹啉聚合物（RD，牌号SY-100），蔚林新材料科技股份有限公司；其他为市售工业品。1.2试样制备工艺依据表1配方，将橡胶、偶联剂、氧化锌、硬脂酸、炭黑、无机填料、偶联剂、防老剂（RD）投入110 L密炼机进行混炼，混炼5 min后，出片冷却，在开炼机上加硫磺和促进剂，混合均匀后出片，停放1 d后适当返炼，在300 t平板硫化机上先硫化再制备所需压缩永久变形试样。硫化条件：温度160，压力15 MPa。1.3测试方法轨下垫板压缩永久变形测试按照TB/T 14952020的要求进行，用压缩夹具将试样压缩50%，放入100 文章编号：2097-0846（2023）03006604收稿日期：20221026；修回日期：20230324基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目（2022YJ251）第一作者：陈传志（1976），男，副研究员，硕士。E-mail：第 3 期陈传志等：弹条型扣件轨下垫板压缩永久变形的影响因素研究热空气老化箱中 24 h，之后取出夹具，在室温下停放0.5 h，然后打开夹具，停放2 h后测量。2 试验结果与分析 2.1胶种的影响丁苯橡胶和天然橡胶都是轨下垫板常用的胶种。由于天然橡胶具有结晶性，因此拉伸强度较大。很多轨下垫板厂家采用天然橡胶来获得较高的拉伸强度和定伸应力。硫化体系相同时，两种橡胶的压缩永久变形性能不同，不同橡胶胶种对轨下垫板压缩永久变形的影响见表2。从表2可见，丁苯橡胶的压缩永久变形为15.3%，而天然橡胶的压缩永久变形比较大，为21.6%。天然橡胶是异戊二烯共聚而成，天然橡胶中每个结构单元都有一个双键，也就是每4个碳原子里就有一个双键；丁苯橡胶是丁二烯与苯乙烯共聚而成，双键只存在于丁二烯结构单元里，常用的丁苯橡胶 SBR 1502里只含76.5%丁二烯，且丁苯橡胶中含有大的苯环，对双键活性有影响，因此丁苯橡胶的反应活性远低于天然橡胶。轨下垫板在储存和使用过程中会受到热、氧、紫外线等侵蚀。丁苯橡胶由于含双键少，因此链结构变化较小，压缩永久变形较小。设计配方时，从压缩永久变形方面考虑，应尽量减少使用天然橡胶。2.2无机填料种类的影响轨下垫板由于有工作电阻要求，炭黑的使用量受到限制，但为了改善混炼胶的加工性，降低成本，轨下垫板中必须加入无机填料。纳米高岭土、沉淀法白炭黑、碳酸钙和煅烧陶土是橡胶工业里常用的无机填料，它们也广泛应用于轨下垫板的生产中。无机填料种类对轨下垫板压缩永久变形的影响见表3。从表3可以看出，按压缩永久变形从大到小的顺序，无机填料依次是沉淀法白炭黑、碳酸钙、煅烧陶土和纳米高岭土。和炭黑相比，无机填料表面缺乏高活性的反应基团，无法和橡胶分子链形成紧密的化学结合，因此无机填料表面的分子链容易发生滑移，从而产生永久变形。纳米高岭土是一种层状硅酸盐，具有较大的比表面积，且表面经过多种表面活性剂包覆，使得它能和橡胶分子具有很好的亲和性，因此压缩永久变形非常小。PW98型纳米高岭土目前已在多家高速铁路橡胶垫板生产企业及普通轨下垫板企业得到应用。2.3偶联剂用量的影响偶联剂用量对轨下垫板压缩永久变形的影响见表4。随着偶联剂从0份增长至3份，压缩永久变形先减小后增大，其中1份时压缩永久变形为15.3%，性能最佳。偶联剂是含硫的硅烷类表面活性剂，它不但可以表3不同无机填料试样的压缩永久变形配方配方2配方3配方4配方5压缩永久变形/%15.328.925.522.4注：硫化时间10 min。表1试验配方单位：份配方123456789101112丁苯橡胶100100100100100100100100100100100天然橡胶100氧化锌555555555555硬脂酸111111111111RD222222222222炭黑303030303030303030303030偶联剂111110231111纳米高岭土808080808080808080沉淀法白炭黑80碳酸钙80煅烧陶土80S1.21.21.21.21.21.21.21.22.01.60.80.4TE0.80.80.80.80.80.80.80.800.41.21.6表2不同胶种试样的压缩永久变形配方配方1配方2压缩永久变形/%21.615.3注：硫化时间10 min。67高速铁路新材料第 2 卷和无机填料结合，也可以参与橡胶的硫化反应，因此它的加入使得无机填料和橡胶分子之间通过化学键紧密结合18。但由于偶联剂里含硫，硫碳键的键能不高，高温下会出现还原现象，结构发生破坏重排，因此用量增多，压缩永久变形增大，最佳用量为1份。2.4硫化剂的影响促进剂TE和硫磺并用比对压缩永久变形的影响见表5。从表 5可见，在硫磺和 TE总量 2份情况下，随着TE用量增大，压缩永久变形逐渐减小。橡胶硫化后形成空间网络结构，分子链之间通过硫键连接，这些硫键有单硫、双硫和多硫键，它们的键能不同，从单硫键到双硫键、多硫键，键能依次减小，反应活性增加，更容易被热破坏19。促进剂TE越多，单硫键和双硫键在交联网络中所占比率越多，因此压缩永久变形越小。但TE过多，存在垫板成品容易喷霜、垫板半成品胶料容易焦烧以及成本较高等问题，因此适宜用量为硫磺与TE比例为0.8 1.2。2.5硫化时间的影响采用配方2，研究了硫化时间对压缩永久变形的影响，见表6。从表6可见，随着硫化时间延长，压缩永久变形逐渐减小后趋于稳定。硫化剂和促进剂发生反应，需要一定的温度和时间条件，只有当它们充分反应后才能形成最优交联网络。轨下垫板厚度一般在10.010.5 mm，热量从表面到内部需要一定的时间。国内大多数垫板厂硫化时间在8 min左右，为改善压缩永久变形，建议在固定的温度和压力下，硫化时间延长至10 min。3 结论（1）同样硫化体系情况下，丁苯橡胶的压缩永久变形小于天然橡胶。（2）纳米高岭土PW98的压缩永久变形显著小于白炭黑、碳酸钙和煅烧陶土。（3）偶 联 剂 可 以 降 低 压 缩 永 久 变 形，最 佳 用量1份。（4）硫磺和TE的最佳配比为0.8 1.2。（5）硫化最佳时间为10 min。参考文献：1 王鹏，张均，姜志国，等.高铁轨道板系统用高分子材料 J.化学推进剂与高分子材料，2016，14（4）：32-382 陈传志，吉媛，钱征，等.我国高速铁路用橡胶垫板材料的研究现状分析 J.弹性体，2021，31（3）：78-803 罗惠峰，石广田，张小安，等.轨下垫板参数对轨道结构垂向振动影响研究 J.兰州交通大学学报，2019，38（1）：88-944 栗尚明，杨麒陆.地铁列车速度对扣件系统垂向动刚度的影响 J.铁道建筑，2020，60（12）：130-1335 黄良平，王雪飞，程海涛.低动静刚度比橡胶垫板的研制J.橡胶工业，2013，60（5）：296-300.6 凡艳丽，张远庆，于毫勇.基于加速老化试验的高速铁路用橡胶垫板老化寿命预测 J.铁道建筑，2021，61（2）：117-121.7 王丹，方杭玮，孙照亮，等.典型环境条件对WJ7型扣件B类橡胶垫板静刚度的影响J.铁道建筑，2020，60（12）：134-1378 薛治宇，高伟峰，冯磊，等.防老剂在高铁客运专线橡胶垫板中的应用研究 J.塑料助剂，2016（4）：33-35.9 赵云行，贺春江，陈传志.表面改性剂对橡胶垫板动态性能的影响 J.2020，60（5）：127-130.10 张远庆，乔立军，曹建伟，等.绝缘缓冲橡胶垫板低温性能影响因素研究 J.铁道建筑，2015，（1）：123-126.11 曲萌，陈传志.橡胶垫板生产常见质量问题分析及对策J.铁道技术监督，2013，41（12）：41-43.12 张宪清，贺春江，杨维坚.填料对客运专线橡胶垫板性能的影响研究 J.铁道建筑，2012（10）：117-119.13 陈传志，曲萌，党佳，等.橡胶加工助剂MT222对橡胶垫板胶料性能的影响 J.橡胶工业，2021，68（8）：604-607.14 曲萌，陈传志，张晓沛，等.混炼温度对橡胶垫板性能的影响 J.铁道建筑，2021，61（1）：123-125.表4不同偶联剂含量试样的压缩永久变形配方配方2配方6配方7配方8压缩永久变形/%15.316.221.824.7注：硫化时间 10 min。表6硫化时间对试样压缩永久变形的影响硫化时间/min68101214压缩永久变形/%20.617.615.314.214.1表5不同促进剂TE和硫磺并用比试样的压缩永久变形配方配方2配方9配方10配方11配方12压缩永久变形/%15.331.317.614.214.1注：硫化时间10 min。68第 3 期陈传志等：弹条型扣件轨下垫板压缩永久变形的影响因素研究15 薛治宇，高伟峰，冯磊，等.防老剂在高铁客运专线橡胶垫板中的应用研究 J.塑料助剂，2016（4）：33-3516 张宪清，贺春江，杨维坚.填料对客运专线橡胶垫板性能的影响研究 J.铁道建筑，2012，52（10）：117-11917 李晓强.促进剂TE在天然橡胶大型厚制品胶料中的应用J.特种橡胶制品，2003，24（6）：12-15.18 赵云行，贺春江，陈传志，等.表面改性剂对橡胶垫板动态性能的影响 J.铁道建筑，2020，60（5）：127-13019 杨清芝.实用橡胶工艺学 M.北京：化学工业出版社，2005.Study on Influencing Factors of Compression Set of Rubber Pad of Type Fastening with Bar-spring ClipsCHEN Chuanzhi1，JI Yuan2，CUI Shukun3，BAI Tao1，QIAN Zheng1（1.Standards and Metrology Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China；2.Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China；3.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China）Abstract：The purpose of this work was to study the vulcanization system of rubber pad with low compression and permanent deformation.The influence of rubber type,inorganic fillers,coupling agent dosage,curing system and curing time on the compression set of rubber pad was studied by using hot air aging test chamber and other equipments.The results show that the compression set of rubber pad with SBR is better than that with NR and the compression set of rubber pad with nano-kaolin is better than that with silica,calcium carbonate and calcined clay.The optimum dosage of coupling agent is 1 phr.The optimum ratio of sulfur to TE is 0.81.2 and the optimum curing time is 10 min.This work can provide a reference for the improvement of the compression set of rubber pad.Keywords：rubber pad;compression set;inorganic filler;curing system;curing time(责任编辑 陈梦)69