微孔橡膠墊板動靜剛度比的試驗研究

賀春江，張國文，陳 夢，毛昆朋，呂 博

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081)

微孔橡膠墊板動靜剛度比的試驗研究

賀春江，張國文，陳 夢，毛昆朋，呂 博

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081)

研究了硫磺用量、炭黑種類及用量、乙烯含量、發泡劑用量及發泡倍率對蘇州地鐵用微孔橡膠墊板動靜剛度比的影響。研究發現:隨著硫磺用量增大、炭黑用量減小、炭黑粒子變細及乙烯含量增高，微孔橡膠墊板的動靜剛度比都逐漸減小;隨著發泡劑用量增大，動靜剛度比先減小后增大，呈峰值變化。同時從能量損耗的角度對動靜剛度比與能量損耗的關系進行了定性分析，發現動靜剛度比與橡膠的損耗因子有很好的相關性，動靜剛度比其實是微孔橡膠墊板內耗大小的量度。

微孔橡膠墊板 動靜剛度比 損耗因子

為了降低鐵路給環境造成的噪聲污染及提高軌道彈性，地鐵和高鐵線路的扣件系統中多采用彈性體墊板，尤其是微孔橡膠墊板。微孔橡膠墊板制造技術的難點在于動靜剛度比的控制。目前，有關微孔橡膠墊板動靜剛度比的研究文獻報道相對較少。李鐵等［1］研究了硫化劑用量及填料種類對微孔橡膠墊板動靜剛度比的影響規律，賀春江等［2］研究了測試條件對微孔橡膠墊板動靜比的影響規律，王鑫等［3］研究了預聚體及擴鏈交聯劑的種類及用量對聚氨酯微孔彈性體墊板動靜剛度比的影響規律，張憲清等［4］研究了填料種類及并用比例對客運專線橡膠墊板動靜剛度比的影響，譚蓮影等［5］研究了硫化三要素及填膠量對EPDM微孔橡膠墊板動靜剛度比的影響。動靜剛度比的試驗需要用到液壓伺服疲勞試驗機，該設備昂貴，國內只有少數科研單位或大學才有，測試起來很不方便。由于研究工作不足缺乏理論指導，國內具有自主開發低動靜剛度比減振器尤其是微孔橡膠墊板能力的廠家非常少，該類產品的價格也較高。

本研究的目的在于系統研究材料配方因素及結構因素對微孔橡膠墊板動靜剛度比的影響，并對其影響機理進行了定性分析。希望能為低動靜剛度比微孔橡膠墊板的研發在原材料選擇、配方設計及工藝參數控制等方面提供參考借鑒。

1 試驗及檢測

1.1 試樣制備

主要原材料:三元乙丙橡膠，美國Lion Copolymer公司產品;碳黑，N774，N330，均為上?？ú┨鼗び邢薰井a品;發泡劑，OBSH，高郵市助劑廠產品;硫磺，天津有機化工廠產品;其他均為市售工業品。

制備工藝:采用二段發泡法制備。一段發泡溫度130℃，時間8 min;二段發泡溫度160℃，時間20 min。

基礎配方(質量份):乙丙橡膠100，氧化鋅5，硬脂酸1，石蠟油20，防老劑3，促進劑3.5，炭黑變量，硫磺變量。

1.2 試驗設備

MTS809材料試驗機，美國MTS公司產。

MDR2000無轉子硫化儀，美國埃爾法公司產。

1.3 試驗方法

靜剛度測試。預加靜載荷 70 kN，卸載，停留1 min，而后正式開始試驗。以2～3 kN/s的速度均勻加載，當載荷加至10 kN和50 kN時各停留1 min，記錄、計算出微孔橡膠墊板厚度變化 Δh。靜剛度 =(50-10)/Δh，取3次測試結果的平均值為微孔橡膠墊板的靜剛度，單位kN/mm。

動剛度測試。預加靜載荷 70 kN，卸載，停留1 min，而后正式開始試驗。施加周期載荷10～50 kN，加載頻率4 Hz，載荷循環1 000次，計算最后10次載荷循環中的動剛度，動剛度 =(50-10)/Δh，并取這10次試驗結果的平均值為微孔橡膠墊板的動剛度，單位kN/mm。

動靜剛度比=動剛度/靜剛度。

2 試驗結果與討論

2.1 硫磺用量對微孔橡膠墊板動靜剛度比的影響

硫磺用量對微孔橡膠墊板動靜剛度比和損耗因子的影響如圖1所示。從圖1可以看出，在1～2.5份范圍內，隨著硫磺用量增加，微孔橡膠墊板的動靜剛度比逐漸減小。

圖1 硫磺用量對動靜剛度比和損耗因子的影響

由于動態加載條件下微孔墊板的形變量總小于靜態測試條件下的形變量，所以測得的微孔墊板的動剛度總大于靜剛度，也就是動靜比總＞1。造成這種現象的根本原因是因為橡膠具有黏彈性，而非理想彈簧。橡膠是由眾多無規則線團狀的高分子鏈組成，在受到外力時因分子鏈間的摩擦作用，橡膠的應力與應變間存在滯后現象。這在宏觀上表現為在同樣的加載條件下，測試動剛度時橡膠的形變量總小于靜剛度測試時的形變量，也就是動靜剛度比＞1。

MDR 2000型無轉子硫化儀可以對橡膠產生固定角度的剪切循環應力，測得損耗因子tanδ，tanδ是黏性模量與彈性模量的比值。tanδ越大橡膠的彈性越差，能量損耗越大［6］。

同時圖1顯示，隨著硫磺用量增大，橡膠的損耗因子逐漸減小。分析認為:硫磺越多橡膠高分子鏈之間的交聯鍵越多，在外力作用下橡膠材料的變形越快，滯后越小而彈性越好，內摩擦造成的能量損耗也越小，所以損耗因子越小。從圖1還可以看出，微孔墊板的動靜剛度比與橡膠的損耗因子變化規律相同，具有很好的相關性。

2.2 炭黑種類及用量對動靜剛度比的影響

炭黑種類及用量對動靜剛度比的影響如圖2所示。從圖2可以看出，隨著炭黑用量增大，橡膠墊板的動靜剛度比都逐漸增大;N330炭黑的曲線始終在N774炭黑曲線的上方。

從圖2還可以看出，與動靜剛度比變化規律相同，隨著炭黑用量增大，橡膠的損耗因子逐漸增大，N330炭黑的曲線始終在N774炭黑曲線的上方。

圖2 炭黑用量對動靜剛度比和損耗因子的影響

分析認為:隨著炭黑用量增多，炭黑粒子變細(N774炭黑的粒徑大于N330炭黑的粒徑)，炭黑與橡膠界面越大，在外力作用下橡膠摩擦內耗現象越明顯，形變更加滯后于應變，損耗因子越大，動靜比越大。從圖2看，4條曲線均存在拐點，且 N330炭黑的拐點出現時炭黑的用量較低。損耗因子和動靜剛度比隨炭黑用量的變化規律是一樣的。分析認為:這是由于炭黑的量多到一定程度，形成網絡結構，黏彈滯后現象會顯著增大，而細粒子炭黑更容易形成網絡結構。所以動靜剛度比和損耗因子隨著炭黑用量逐漸增大，曲線存在拐點，且N330炭黑的拐點比N774炭黑的拐點出現得早。圖2顯示，動靜剛度比與橡膠材料的損耗因子具有很好的相關性。

2.3 生膠結構的影響

圖3顯示了乙丙橡膠乙烯含量對微孔橡膠墊板動靜剛度及損耗因子的影響。從圖3中可以看出，隨著乙丙橡膠乙烯含量增高，損耗因子和動靜剛度比都逐漸減小。

圖3 乙烯含量對動靜剛度比和損耗因子的影響

分析認為:乙丙橡膠的分子鏈主要由乙烯、丙烯及極少量的第三單體組成，乙烯、丙烯鏈段的含量決定了乙丙橡膠的很多宏觀性能。乙烯含量越多，丙烯含量越少，乙丙橡膠分子鏈則更柔順，更容易響應外力作用，變形較快，彈性較好，機械能損耗也越小。隨著乙丙橡膠乙烯含量增高，損耗因子和動靜剛度比都逐漸減小。這些現象進一步顯示，微孔橡膠墊板的動靜剛度比與橡膠材料的損耗因子具有很好的相關性。

由于微孔橡膠墊板的動靜剛度比與橡膠材料的損耗因子直接相關，認識到這一點對微孔橡膠墊板的原材料選擇、配方設計及工藝參數控制都有很好的指導作用。如在生膠的選擇上，優先選擇乙烯含量較高的生膠牌號;優先選擇粒徑較粗的炭黑且炭黑用量盡量少;提高橡膠的硫化程度和交聯密度等措施都有助于降低微孔橡膠墊板的動靜剛度比。凡是與損耗因子相關的檢測設備，如動態黏彈譜儀、橡膠加工流變儀、沖擊回彈儀及壓縮疲勞實驗機等，都可以用來做材料的篩選及配方優化。

2.4 發泡劑用量對動靜剛度比的影響

發泡劑用量對微孔橡膠墊板動靜剛度比的影響如圖4所示。由圖4可以看出，動靜剛度比隨著發泡劑用量先減小后增大，呈峰值變化。為了便于分析，可以把微孔橡膠墊板看成是橡膠和泡孔的復合體。一方面空氣氣泡提供彈性，使氣泡增加了微孔橡膠墊板的恢復能力。但是對于氣泡而言，空氣實際上并不是無內耗的理想氣體。能量損耗存在于兩個方面:首先，在往復力作用下，空氣壓縮恢復過程中會有部分機械能轉化為熱能;再者，微孔中空氣與橡膠壁摩擦生熱也會使部分機械能轉化為熱能而消耗。隨著發泡劑用量增大泡孔逐漸增多;微孔提供的彈性逐漸增大，所以動靜剛度比逐漸減小;微孔進一步增大，空氣與氣壁的接觸面積增大，空氣與氣壁摩擦生熱能量損耗也逐漸增大。亦即，動靜剛度比隨著發泡劑用量先減小后增大。

3 結論

動靜剛度比與膠料的損耗因子直接相關，它是能量損耗大小的量度。隨著硫磺用量增大、炭黑用量增多、炭黑粒子變細、乙丙橡膠的乙烯含量逐漸增大，微孔橡膠墊板的動靜剛度比逐漸減小;隨著發泡劑用量增多，動靜剛度比先減小后增大，呈峰值變化。本研究還表明，隨著發泡倍率增大，動靜剛度比逐漸減小并趨于平緩。

［1］李鐵，鄒華，張立群.EPDM硫化膠力學性能及動靜剛度比的研究［J］.合成橡膠工業，2005，28(2):105-109.

［2］賀春江，楊其全，毛昆朋.測試條件對微孔橡膠墊板動剛度及動靜剛度比的影響［J］.合成橡膠工業，2006，29(3):194-196.

［3］王鑫，毛昆朋，吳智強，等.低動靜剛度比的聚氨酯微孔彈性體的研究［J］.聚氨酯工業，2011，26(5):19-22.

［4］張憲清，賀春江，楊維堅.填料對客運專線橡膠墊板性能的影響研究［J］.鐵道建筑，2012(10):117-119.

［5］譚蓮影，程志，陳曉艷，等.硫化工藝對EPDM微孔橡膠墊板動靜剛度比的影響［J］.特種橡膠制品，2013，34(3):56-59.

［6］劉燕生.應用MDR2000硫化儀預測膠料的加工性和硫化膠的生熱及抗返原性［J］.輪胎工業，2005，25(11):690-692.

Experimental study on ratio of dynamic stiffness to static stiffness for micro-porous rubber pad

HE Chunjiang，ZHANG Guowen，CHEN Meng，MAO Kunpeng，Lü Bo

(Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The effect of the amount of sulfur，the type and the amount of carbon black，ethylene conten，the amount of foaming agent and foaming ratio on ratio of dynamic stiffness to static stiffness(Sd/Ss)of micro-porous rubber pad in Suzhou Subway was studied.It indicated that Sd/Ssdecreased gradually with the increase of ethylene content，the increase of the amount of sulfur or the decrease of the diameter and amount of carbon black.With the increase of amount of foaming agent，Sd/Ssdecreased at the beginning and then increased.Also，the releastionship between Sd/Ssand energy loss was analysized.The results indicated that there was a good correlation between the loss factor and Sd/Ss.The latter can be used to measure the internal friction of micro-porous rubber pad.

Micro-porous rubber pad;Ratio of dynamic stiffness to static stiffness;Loss factor

U213.5+32

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.07.33

1003-1995(2015)07-0117-03

2015-02-13;

2015-04-24

北京市自然科學基金資助項目(2142038)

賀春江(1976— )，男，新疆奎屯人，副研究員，碩士。

(責任審編 孟慶伶)