绝缘缓冲橡胶垫板低温性能影响因素研究

张远庆，乔立军，曹建伟，张合霞，冯 磊

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.哈齐铁路客运专线有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150090;3.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206;4.河北铁科翼辰橡胶制品有限公司，河北 石家庄 052160)

绝缘缓冲橡胶垫板低温性能影响因素研究

张远庆1，乔立军2，曹建伟3，张合霞3，冯 磊4

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.哈齐铁路客运专线有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150090;3.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206;4.河北铁科翼辰橡胶制品有限公司，河北 石家庄 052160)

高寒地区高速铁路扣件系统中的橡胶垫板性能受低温影响较大。通过不同配方和不同工艺的绝缘缓冲橡胶垫板的低温脆性试验研究了绝缘缓冲橡胶垫板低温性能的影响因素。研究结果表明:胶料中顺丁橡胶(BR)的含量越高，绝缘缓冲橡胶垫板的低温性能越好;增塑剂DOP，DOS和45#变压器油对绝缘缓冲橡胶垫板在-60℃的低温性能不利;选用不同生产厂家的炭黑对绝缘缓冲橡胶垫板低温性能的影响没有本质区别;低温慢速硫化工艺相对于高温快速硫化工艺更有利于绝缘缓冲橡胶垫板的低温性能。

橡胶垫板 配方 工艺 低温性能 增塑剂 炭黑

哈尔滨市冬季严寒干燥漫长，最冷月平均气温均低于-20℃左右，极端最低气温接近-40℃，最大冻结深度2.72 m［1］。目前正在建设中的哈齐客专处于高寒地区，夜间轨温比气温低2.5℃［2］。

研究表明［3］，在高速动荷载的反复作用下，轨道结构除应具有足够的强度外，轨道弹性的保持非常重要，而轨道弹性又主要来自于扣件的绝缘缓冲橡胶垫板(以下简称垫板)。当垫板用于高寒地区时，低温不利于橡胶分子链段的运动，弹性降低甚至失去弹性［4-5］，致使橡胶制品性能下降，因此，应深入研究垫板低温性能的影响因素，保证高寒地区高速铁路的运行安全。

对极性橡胶低温性能改进方面做的试验研究比较多［6-8］，主要是通过加入增塑剂改善橡胶的低温性能。本文研究非极性橡胶的低温性能，采用低温脆性温度来衡量垫板的低温性能，虽然不同的低温性能测试方法［9］对低温脆性温度有影响，但是并不会影响结论。一般在考虑橡胶产品低温性能时，首先考虑生胶的种类，然后是补强填充体系、增塑体系、工艺条件等因素。本文就上述因素对垫板低温耐寒性能的影响进行研究。研究过程中指标均满足《WJ-7型扣件零部件制造验收暂行技术条件》。该技术条件规定，垫板的邵尔A硬度应不小于90，垫板的摩擦系数应不小于0.40，垫板热空气老化(100℃，72 h)后的拉伸强度应不小于7.5 MPa，垫板的工作电阻应不小于109Ω，垫板的静刚度应不小于1 000 kN/mm。

1 垫板低温性能试验

1.1 主要原材料

顺丁橡胶(BR)9000，丁苯橡胶(SBR)1502E，高苯乙烯(HS)860，卡博特、德固赛、哥伦比亚和龙星4个厂家生产的炭黑N330，邻苯二甲酸二辛脂(DOP)，癸二酸二辛脂(DOS)，45#变压器油。

1.2 试验配方

在橡塑混合体中SBR，BR和HS并用，含有增塑剂的配方中，增塑剂用量为6份(质量份数，其它原材料的用量均为质量份数)。由于《WJ-7型扣件零部件制造验收暂行技术条件》中对垫板在硬度和工作电阻方面都有要求，因此补强填充体系在量的选择方面受到很大的限制，固定N330的量为18份;固定HS的量为20份。

1.3 主要仪器设备

密炼机XMY-150E，开炼机XK-660，真空热压成型机XJL-P-400T-VCF-2RT，橡胶低温脆性测定仪MZ-4068，电脑系统拉力试验机TCS-2000，老化试验箱GT-7017-EL。

1.4 工艺

为了防止胶料焦烧，小料在开炼机中加入。

1.5 测试分析

低温脆性按GB/T 1682的规定进行，在垫板成品上取样。测试结果分为无裂痕、有裂痕和断裂3种。选择-40℃，-50℃，-55℃和-60℃共4个测试温度。试样长为(25.0±0.5)mm，宽为(6.0±0.5)mm，厚为(2.0±0.3)mm。每块垫板取3个试样，要求均无破坏。

拉断伸长率按GB/T 528的规定进行，测试试样在垫板成品上取样。垫板热空气老化(100℃，72 h)后的拉断伸长率按GB/T 3512和GB/T 528的规定进行，在垫板成品上取样。

2 试验结果分析

2.1 配方的影响

2.1.1 胶料比例的影响

表1为不同BR含量垫板的低温脆性试验结果。可见，4种BR含量垫板的低温脆性温度的大小顺序为T0＞T20＞T22＞T25＞T30，当BR含量为0时，-40℃，-50℃，-55℃和-60℃4个温度下试样全部断裂;随着BR含量的增加，试样的低温脆性温度降低，低温性能有所改善，当BR含量达到25份时，4个温度下的试样都无裂痕。这是由于BR的分子链较SBR的柔顺，其玻璃化温度较低［10］，脆性温度也较低，能够降低垫板的低温脆性温度，改善垫板的低温性能。但是为了保证垫板邵尔A硬度不小于90，BR的含量不能过高。

表1 BR含量的影响

2.1.2 增塑剂的影响

选用BR为22份的配方，来研究增塑剂对垫板低温性能的影响。选用DOP，DOS和45#变压器油3种增塑剂，试验结果见表2。

表2 增塑剂的影响

由表2可见，含有DOP，DOS和45#变压器油3种增塑剂垫板的脆性温度均高于不含增塑剂垫板，并没有改善垫板在-60℃的低温性能。研究表明增塑剂能够改善极性橡胶的低温性能［6-8］，而此结果显示增塑剂DOP，DOS和45#变压器油对垫板的低温性能不利。这可能与DOP(-55℃)，DOS(-48℃)和45#变压器油(-45℃)三种增塑剂的凝固点比试验测试温度-60℃高有一定关系。在研究高寒地区的垫板时，不建议使用DOP，DOS和45#变压器油等类似的增塑剂。

2.1.3 炭黑的影响

炭黑等填料在一定程度上破坏了橡胶的本来性质，对垫板的低温性能是有影响的，但是垫板的邵尔A硬度要求不小于90，为此在做配方设计时，必须使用炭黑以提供硬度和拉伸强度。采用了BR含量25份、无增塑剂的配方，变换炭黑N330的生产厂家(卡博特、德固赛、哥伦比亚和龙星)，其它不变，进行垫板低温性能试验，结果见表3。由表3可见，采用卡博特、德固赛、哥伦比亚和龙星炭黑N330生产的垫板低温脆性温度均不高于-60℃。这4个生产厂家的炭黑对垫板的低温性能的影响并没有本质性的区别。

《WJ-7型扣件零部件制造验收暂行技术条件》中对垫板老化前和老化后的拉断伸长率并没有要求，但拉断伸长率能从侧面反映出垫板的弹性。

表3 不同生产厂家炭黑的影响

图1为采用炭黑试验配方生产的垫板老化前和老化后的拉断伸长率。

图1 垫板老化前和老化后的拉断伸长率

从图1可以看出，选用不同厂家炭黑生产的垫板在老化前和老化后的拉断伸长率几乎相同;垫板的拉断伸长率老化前在280%左右，老化后在100%左右。对于邵尔A硬度不小于90的橡胶制品来说，老化前280%的拉断伸长率已经很大了。这从侧面反映出，垫板虽然邵尔A硬度不小于90，却还能表现出橡胶所特有的弹性;垫板老化后仍有弹性，其在高速铁路中还可以起到缓冲作用。但是需要指出的是，老化前与老化后的拉断伸长率各自在什么范围内才能使橡胶制品的阻尼系数等合适，从而保证垫板在高速铁路中最大限度地发挥出其缓冲作用。对此还需深入研究。

2.2 硫化工艺条件的影响

选用BR为25份、无增塑剂的配方进行硫化工艺试验，结果见表4。

由表4可见，在155℃×11 min工艺条件下生产的垫板的低温脆性温度比在160℃×9 min工艺条件下生产的垫板低。说明低温慢速硫化工艺相对于高温快速硫化工艺更有利于垫板的低温性能。这是由于低温慢速硫化能给高分子的分子链段较长的时间，来打破由于硫化加压造成的分子链取向，从而对橡胶的低温性能有利。

表4 硫化工艺的影响

3 结论

1)胶料中BR的含量越高，垫板的低温性能越好。

2)增塑剂DOP，DOS和45#变压器油对提高垫板在-60℃的低温性能不利。

3)选用不同厂家炭黑对垫板的低温性能的影响没有本质性的区别。

4)低温慢速硫化工艺相对于高温快速硫化工艺更有利于垫板的低温性能。

［1］卢茂胜.哈齐客运专线轨道结构类型的选择分析［J］.铁道工程学报，2009(8):57-60.

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［3］卢祖文.高速铁路轨道技术综述［J］.铁道工程学报，2007 (1):41-54.

［4］李子睿，许绍辉，方杭玮，等.老化作用对无砟轨道扣件橡胶垫板刚度影响的试验研究［J］.铁道建筑，2013(6):142-143.

［5］杨清芝.现代橡胶工艺学［M］.1版.北京:中国石化出版社，1997.

［6］周易文，栗付平，蒋洪罡，等.增塑剂对氟醚橡胶性能的影响［J］.特种橡胶制品，2010，31(5):22-25.

［7］陆延，王阿娜.配合剂对丁腈橡胶低温性能的影响［J］.特种橡胶制品，2011，32(6):39-40，47.

［8］WHITTINGTON W H，田中牛.显著提高极性弹性体低温性能的酯类增塑剂［J］.橡胶参考资料，1984(4):41-47.

［9］陈平，刘国钧，周志诚，等.胶料不同低温性能测试方法结果比较［J］.世界橡胶工业，2009，36(9):43-44.

［10］谢遂志，刘登祥，周鸣峦.橡胶工业手册:第一分册［M］.1版.北京:化学工业出版社，1989.

Research on influential factors of low-temperature characteristics of insulating and buffering rubber pad

ZHANG Yuanqing1，QIAO Lijun2，CAO Jianwei3，ZHANG Hexia3，FENG Lei4
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Harbin-Qiqihar Railway Passenger Dedicated Line Co.，Ltd.，Harbin Helongjiang 150090，China; 3.Beijing Tieke Shougang Rail-tech Co.，Ltd.，Beijing 102206，China; 4.Hebei Tieke Yichen Rubber Products Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 052160，China)

In alpine regions，temperature stands out as a highly influential factor for the rubber pads of the fastening system for high speed railway.Testing experiments to insulating and buffering rubber pads made of different formula and manufactured by different techniques were carried out to determine their low-temperature performance.The results show that higher BR(butadiene-rubber)content brings up low-temperature performance of the rubber pads，while plasticizer DOP，plasticizer DOS and 45#transformer oil undermine the specimens'performance as the environmental temperature stands at-60℃.It has also been noticed that carbon blacks produced by different manufacturers do not have any visible impact on the specimens'performance;and the slow vulcanization technique carried out at low-temperature environment brings out better low-temperature performance of the specimen than fast vulcanization technique under high-temperature environment does.

Rubber pad;Formula;Technique;Low-temperature performance;Plasticizer;Carbon black

TQ333;TQ336;U213.5+32

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.27

1003-1995(2015)01-0123-04

(责任审编 葛全红)

2014-09-10;

2014-11-25

张远庆(1978—)，男，湖北麻城人，工程师。