杜仲橡膠在減震材料及制品中的應用研究

陳彰斌，黃自華，董晶晶，李 遠，楊 軍

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

杜仲橡膠是產自杜仲樹的天然高分子材料，在國際上被習慣地稱為古塔波膠或巴拉塔膠，是目前除三葉天然橡膠（NR）之外世界上最具開發前景的第二天然橡膠。

杜仲橡膠化學組成與NR相同，但結構上互為異構體，NR為順式1，4-結構，杜仲橡膠為反式1，4-結構，導致兩者之間性能存在較大差異。杜仲橡膠由于易結晶，曾長期作為硬質塑料使用[1-2]。嚴瑞芳[3]發現了杜仲橡膠硫化過程的三階段特性，分別對應3種性能及用途迥然的材料：熱塑性材料、熱彈性材料及橡膠型材料，進一步拓展了杜仲橡膠的應用領域[4-6]，如用作醫用功能材料、形狀記憶材料和綠色輪胎原料等。朱峰等[7]研究發現適量杜仲橡膠與NR及順丁橡膠（BR）并用硫化膠定伸應力和硬度提高，滾動阻力和壓縮生熱降低，耐疲勞性能優異。

近年來，我國杜仲橡膠產業化取得了一系列實質性進展，河南靈寶、陜西安康等杜仲產業基地已實現批量化生產并供給國內外用戶，湘西老爹生物有限公司、湖北老龍洞杜仲開發有限公司等企業即將建成百噸級杜仲橡膠生產裝置，為杜仲橡膠在各領域的規模化應用奠定了堅實基礎。青島科技大學黃寶琛等[8]采用本體沉淀聚合方法合成高反式1，4-聚異戊二烯（TPI，又稱人工合成杜仲橡膠）并成功實現了產業化[9-11]。

現代機車車輛大量使用各種減震橡膠制品作牽引、減震、支承之用[12]，杜仲橡膠具有動態生熱低、動態疲勞性能好等特性。本工作研究杜仲橡膠對球形關節和空氣彈簧耐疲勞性能的影響，以促進其在軌道交通減震制品領域的應用。

1 杜仲橡膠的特性

杜仲橡膠微觀鏈結構最典型的三大特征是雙鍵、鏈柔性和反式有序性[13]。由于杜仲橡膠分子鏈中存在雙鍵，因此可采用硫黃硫化體系進行加工；鏈柔性是使其成為彈性體的基礎；反式有序性使其具有較強的結晶性。其中鏈柔性和反式有序性是一對矛盾體，大分子鏈的有序性易導致結晶，使杜仲橡膠無法表現出宏觀彈性，此時可以通過杜仲橡膠的雙鍵進行硫化交聯，通過控制交聯程度來實現對結晶的抑制，使其成為柔軟的彈性體。

杜仲橡膠基本特性及與TPI的對比見表1[14]。

從表1可以看出，杜仲橡膠的反式1，4-結構含量和結晶度略高于TPI，熔點明顯低于TPI，二者常規物理性能相差不大。

表1 杜仲橡膠與TPI的基本特性對比

2 杜仲橡膠與其他橡膠并用

杜仲橡膠單純用作可硫化的彈性體時，其綜合性能并不理想，通常與其他橡膠并用。在減震橡膠制品中，杜仲橡膠常與NR或氯丁橡膠（CR）并用。

2.1 與NR并用

NR/杜仲橡膠并用比對硫化膠物理性能的影響如表2所示。從表2可以看出，隨著杜仲橡膠用量的增大，硫化膠的邵爾A型硬度和撕裂強度略有提高，拉伸強度、拉斷伸長率和壓縮永久變形均呈現降低趨勢，300%定伸應力和耐熱空氣老化性能變化不大。

表2 NR/杜仲橡膠并用比對硫化膠物理性能的影響

NR/杜仲橡膠并用比對硫化膠耐屈撓疲勞性能的影響如表3所示。從表3可以看出，隨著杜仲橡膠用量的增大，NR/杜仲橡膠并用硫化膠無龜裂和出現6級龜裂的屈撓次數先增大后減小，當杜仲橡膠用量為20份時，并用膠的耐屈撓龜裂性能達到峰值。

表3 NR/杜仲橡膠并用比對硫化膠耐屈撓疲勞性能的影響

2.2 與CR并用

CR/杜仲橡膠并用比對硫化膠物理性能的影響如表4所示。從表4可以看出，在CR中并用20份杜仲橡膠后，硫化膠的邵爾A型硬度、300%定伸應力、拉伸強度和拉斷伸長率略有降低，壓縮永久變形增大，耐熱空氣老化性能變化不大。

表4 CR/杜仲橡膠并用比對硫化膠物理性能的影響

CR/杜仲橡膠并用比對硫化膠耐屈撓疲勞性能的影響如表5所示。從表5可以看出，杜仲橡膠用量為20份的CR/杜仲橡膠并用膠無龜裂和出現6級龜裂的屈撓次數均大幅提高。

表5 CR/杜仲橡膠并用比對硫化膠耐屈撓疲勞性能的影響

3 杜仲橡膠在軌道交通減震制品中的應用

3.1 球形關節

球形關節主要由金屬芯軸（或內金屬套筒）、金屬外套及中間的橡膠層構成，是一種連接兩個彼此能作多向運動的零件的聯接件，在各類機車車輛轉向架上大量應用。球形關節的最主要破壞形式是疲勞破壞，其承載特性伴隨著膠料疲勞過程中的硬度、剛度等特性一起發生變化，最終失去承載能力。球形關節剖面如圖1所示。

圖1 球形關節剖面示意

機車轉向架用球形關節疲勞載荷大，普通NR配方難以滿足要求，將杜仲橡膠用于產品生產后，該球形關節順利通過300萬次疲勞試驗，且剛度變化顯著降低，具體產品檢測結果見表6。

表6 杜仲橡膠對球形關節疲勞性能的影響

3.2 空氣彈簧

空氣彈簧是一種簾線增強的橡膠囊，內充壓縮空氣，利用氣體的可壓縮性起彈簧作用，是一種減震橡膠制品，其橡膠囊結構與無內胎輪胎相似，由內膠層、外膠層、簾布增強層及鋼絲圈組成。耐屈撓龜裂性能是評價空氣彈簧使用壽命的重要性能指標。空氣彈簧剖面如圖2所示。

圖2 空氣彈簧剖面示意

軌道交通機車車輛用空氣彈簧通常采用CR作為主膠以達到耐老化的目的，杜仲橡膠與CR并用后用于空氣彈簧的性能檢測結果如表7所示。從表7可以看出，杜仲橡膠能顯著改善膠料的耐屈撓性能以及產品的耐疲勞性能。

表7 并用杜仲橡膠空氣彈簧膠料的耐屈撓性能及產品的耐疲勞性能

綜上所述，杜仲橡膠在球形關節和空氣彈簧中的應用取得了理想效果，產品耐疲勞性能得到大幅提高，應用前景令人期待。

4 結語

（1）分別在NR和CR中并用少量杜仲橡膠，可以在保持原膠料綜合性能基本不變的前提下，大幅提高耐屈撓性能。

（2）并用杜仲橡膠可顯著改善球形關節和空氣彈簧產品的耐疲勞性能。