混炼温度对橡胶垫板性能的影响

曲萌 陈传志 张晓沛 王珏

（中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所，北京 100081）

混炼是橡胶垫板生产过程中的重要工序，其任务就是将配方中的生胶和各种助剂、炭黑、陶土等混合均匀。混炼决定了各种助剂、炭黑等在橡胶中分散的均匀性，影响到橡胶制品的刚度、外观及动态性能[1]。

橡胶垫板是轨道结构中的重要部件。关于橡胶垫板的研究多集中在测试方法、配方等方面。方杭玮等[2]研究发现，弹性垫层刚度均随环境温度的升高而减小，环境温度在-40～-20℃变化对弹性垫层刚度的影响较为显著。李子睿等[3]研究了温度和加载频率对弹性垫层刚度的影响规律，提出了降低这些因素影响的相应措施。赵云行等[4]研究了有无表面改性剂以及不同种类表面改性剂对橡胶垫板动态性能的影响规律。曲萌等[5]研究了炭黑、增塑剂和防老剂对橡胶垫板质量的影响，发现精确控制炭黑、增塑剂和防老剂用量可以有效防止橡胶垫板质量异常波动。

有关混炼温度对橡胶垫板性能的影响规律尚未见文献报导。橡胶垫板混炼胶中的结合胶含量反映橡胶与炭黑、陶土结合的牢固程度，门尼黏度与橡胶分子链有关。为保证橡胶垫板的正常使用性能和必要的使用寿命，防止压溃、破损和磨损，还需要一定的硬度、强度和耐磨耗性能。硬度、200%定伸应力反映了橡胶材料在外力作用下形变的大小，硬度、200%定伸应力越高，橡胶材料受外力产生的形变就越小。拉伸强度是反映橡胶材料强度大小的重要指标，拉伸强度越大，橡胶垫板强度越高。拉断伸长率与拉伸强度有关，较高的拉断伸长率可以保证橡胶材料在受到较大变形时不被破坏。阿克隆磨耗反映了橡胶垫板耐磨耗的能力，磨耗越小，橡胶垫板的使用寿命越长。工作电阻则反映了橡胶垫板的绝缘性能优劣，工作电阻越高，线路的绝缘性越好。另外，橡胶垫板的主要功能是减振、缓冲和绝缘，动静刚度比反映了橡胶垫板减振、缓冲功能优劣，动静比越小，轨道弹性越好，减振、缓冲效果越好，乘坐舒适性也越好。

目前国内80余家橡胶垫板生产厂家采用的混炼温度从90℃到135℃不等。为了探究最佳的混炼温度，为优化混炼工艺、降低能耗、提升和稳定橡胶垫板质量提供参考，本文对橡胶垫板混炼胶的结合胶含量、门尼黏度以及橡胶垫板硬度、拉伸强度、拉断伸长率等材料性能进行测试分析，研究混炼温度对橡胶垫板性能的影响规律。考虑到能耗及配方本身特点，本文研究的混炼温度为80～120℃。

1 试样制备及试验方法

1.1 橡胶垫板配方

橡胶垫板质量配合比见表1。

表1 橡胶垫板质量配合比

1.2 橡胶垫板制备工艺

将丁苯橡胶、氧化锌、硬脂酸、硅69和防老剂按比例投入至容量为110 L的密炼机进行混炼，恒定混炼温度（控制精度±3℃）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，在上海橡胶机械制造厂生产的300 t平板硫化机上硫化成橡胶垫板。硫化条件为：温度160℃，时间10 min，硫化压力15 MPa。

1.3 试验内容及方法

1）混炼胶材料性能

结合胶含量按照文献[6]中的方法采用上海力辰仪器科技有限公司生产的JJ223BC型分析天平进行测试。

门尼黏度按照GB/T 1232.1—2016《未硫化橡胶用圆盘剪切黏度计进行测定第1部分：门尼黏度的测定》[7]采用济南华兴试验设备有限公司生产的ZB‐602型门尼黏度计进行测试。

2）橡胶垫板材料性能

用3课时完成实验Ⅲ。该实验的设计主要参考文献[1],目的是希望学生深刻理解大数定律的含义,同时通过概率实验来求出一些复杂积分的近似值。

硬度按照GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》[8]采用北京时代山峰科技有限公司生产的LX‐A型邵氏硬度计进行测试。

200%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率、阿克隆磨耗、工作电阻和动静刚度比按照Q/CR 564—2017《弹条Ⅱ型扣件》[9]中相关方法测试。其中200%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率测试采用济南华兴试验设备有限公司生产的WDS‐20型电子拉力试验机，阿克隆磨耗测试采用济南华兴试验设备有限公司生产JMH‐76型阿克隆磨耗试验机，工作电阻测试采用上海精密仪器仪表有限公司生产的ZC36型高绝缘电阻测量仪，静刚度和动静刚度比测试采用济南华兴试验设备有限公司生产的WDS‐300型材料疲劳试验机。

2 试验结果与分析

2.1 混炼温度对橡胶垫板混炼胶中结合胶含量的影响

混炼温度从80℃升高到120℃，橡胶垫板混炼胶中结合胶含量的变化见表2。

表2 混炼温度对橡胶垫板混炼胶中结合胶含量的影响

由表2可知：混炼温度在80～100℃时，随着混炼温度升高，结合胶含量逐渐升高；混炼温度达到100℃后，结合胶含量不再变化。混炼的目的是让炭黑、陶土等填料在橡胶中均匀分散，并让橡胶分子链浸润、包覆在炭黑和陶土表面。在混炼过程中橡胶分子链与炭黑、陶土表面的羟基等活性基团发生化学反应从而生成结合胶。结合胶越多，橡胶与炭黑、陶土结合得越牢固，炭黑和陶土在橡胶中分散得越均匀。橡胶分子链与炭黑、陶土表面的羟基等活性基团发生化学反应的快慢、程度与混炼温度有关，混炼温度升高，不仅有利于反应进行，还有利于生成更多结合胶。另外，混炼过程中，由于剪切力作用，炭黑和陶土的聚集体被打破，暴露出新的表面，橡胶与炭黑、陶土接触面积增大，也有利于生成更多的结合胶。但温度继续升高到一定程度后，混炼胶的黏度随着温度升高而降低，剪切作用减弱，新的表面不再出现，结合胶的含量就趋于稳定。因此，对结合胶含量而言，混炼温度达到100℃即可，继续升温反而会增加混炼能耗。

2.2 混炼温度对橡胶垫板混炼胶门尼黏度的影响

混炼温度从80℃升高到120℃，橡胶垫板混炼胶门尼黏度的变化见表3。

表3 混炼温度对橡胶垫板混炼胶门尼黏度的影响

由表3可知，随着混炼温度升高，橡胶垫板混炼胶门尼黏度逐渐降低，且温度越高降低得越快。这是因为门尼黏度与橡胶分子链长度直接相关，橡胶分子链越长，门尼黏度越高[10]。混炼过程中，在剪切力作用下，橡胶分子链会发生断裂而变短。混炼温度越高，断裂的趋势越明显。因此，门尼黏度随着混炼温度提高会降低，且降低幅度越来越大。

2.3 混炼温度对橡胶垫板收缩率和外观合格率的影响

混炼温度从80℃升高到120℃，橡胶垫板收缩率及外观合格率的变化见表4。

表4 混炼温度对橡胶垫板收缩率及外观合格率的影响

2.4 混炼温度对橡胶垫板物理性能的影响

混炼温度从80℃升高到120℃，橡胶垫板物理性能参数的变化见表5。

表5 混炼温度对橡胶垫板物理性能的影响

由表5可知：随着混炼温度升高，硬度略有降低，但变化很小。200%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率都是先升高后降低，且均在100℃达到最大值；阿克隆磨耗和动静刚度比先降低后升高，且均在100℃达到最小值；工作电阻逐渐升高，超过100℃后趋于稳定。在100℃以下时，混炼温度的升高有利于炭黑、陶土的分散以及结合胶的生成，因此，橡胶垫板拉伸性能随混炼温度的升高逐渐升高，阿克隆磨耗和动静刚度比随混炼温度的升高逐渐降低。混炼温度超过100℃，结合胶含量基本不变，但橡胶分子链断裂量增多，由于分子链变短，橡胶分子链的缠结、分子链之间的物理结点变少，因此橡胶垫板拉伸性能降低，阿克隆磨耗升高。由于橡胶分子链断裂变短，橡胶回弹性变差，橡胶垫板的动静刚度比也会升高。橡胶、陶土本身绝缘度高，而炭黑可以导电，所以橡胶垫板的工作电阻主要取决于炭黑在橡胶内部形成的导电通路。炭黑分散得越均匀，电阻越大。混炼温度超过100℃后工作电阻基本稳定，说明混炼温度达到100℃时炭黑已经分散均匀，再继续升温对炭黑混炼均匀作用不大，反而会增加混炼能耗。

综上，建议橡胶垫板混炼胶的最佳混炼温度为100℃。

3 结论

1）随着混炼温度升高，橡胶垫板混炼胶中的结合胶含量先逐渐升高，超过100℃后趋于稳定；门尼黏度逐渐降低。

2）随着混炼温度升高，橡胶垫板收缩率显著降低，外观合格率显著升高。

3）随着混炼温度升高，橡胶垫板的硬度略有降低，但变化很小；200%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率先增大后减小，且均在100℃达到最大值；阿克隆磨耗和动静刚度比先减小后增大，且均在100℃达到最小值；工作电阻逐渐升高，超过100℃后趋于稳定。

4）橡胶垫板混炼胶最佳混炼温度为100℃。