改性煅燒高嶺土在車鉤支撐裝置用橡膠材料中的應用與性能研究

張世鑫

（中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

煅燒高嶺土是高嶺土經煅燒脫水、除去揮發性雜質而制得的。與普通高嶺土相比，煅燒高嶺土不僅化學穩定性和電絕緣性提高，而且具有潔白度高、密度小、比表面積大、吸油性能好和光性特殊等特點，在涂料、塑料和造紙等行業應用廣泛。美國、日本和英國等發達國家早已大量生產和應用煅燒高嶺土，而我國近幾年才開始煅燒高嶺土及其表面改性產品的應用[1-2]。

蔡啟振等[3]研究了經煅燒與表面改性處理后高嶺土作高絕緣PVC電纜填充材料的技術可行性。結果表明，中、低品位松陽高嶺土（三氧化二鋁質量分數約為0.23）經適當煅燒和表面包覆處理后，可用以填充高絕緣PVC電纜材料。

本工作制備改性煅燒高嶺土/炭黑/天然橡膠（NR）/順丁橡膠（BR）/三元乙丙橡膠（EPDM）復合材料，對其性能進行研究，并應用于動車組車鉤支撐裝置。

1 實驗

1.1 主要原材料

NR，1#煙膠片，印度尼西亞產品；BR，牌號9000，齊魯石油化學工業公司產品；EPDM，牌號4045，吉林化學工業股份有限公司產品；炭黑N550和N330，上海卡博特化工有限公司產品；改性煅燒高嶺土（粒徑15 μm，二氧化硅質量分數0.5），工業級，北京至誠坤泰科技發展有限公司產品。

1.2 基本配方

NR 70，BR 25，EPDM 5，炭 黑N330 30，炭黑N550 25，氧化鋅 10，硬脂酸 2，芳烴油 2，偶聯劑Si69 2，微晶蠟 2，防老劑RD 2，防老劑4010NA 2，防老劑MB 1，抗硫化返原劑SDT/S 少量，硫黃 少量，促進劑DM 少量，改性煅燒高嶺土 變量。

1.3 主要設備和儀器

XK-160型開煉機和XLB型平板硫化機，大連華韓橡塑機械有限公司產品；ZWL-Ⅲ型無轉子硫化儀，江都市振邦試驗機械廠產品；RG1-30A型微機控制電子萬能試驗機和CMT5305型剛度試驗機，深圳三思縱橫科技有限公司產品；LX-A型邵氏硬度計，深圳稻田儀器有限公司產品；401A型熱老化實驗箱，揚州市俊平試驗機械有限公司產品；ZC-90F型高阻儀，揚州索亞電氣有限公司產品。

1.4 試樣制備

（1）取適量改性煅燒高嶺土，過篩后放入100℃烘箱中持續烘烤24 h。分別按改性煅燒高嶺土用量為0，10，20，30和40份取料。

（2）將NR進行一段、二段塑煉，然后與BR和EPDM合煉。將原料按順序投入開煉機中混煉20 min，打3個三角包，打3個膠卷后下片，晾膠停放。

（3）將混煉膠放入模具，在平板硫化機上硫化，條件為140 ℃/12 MPa×20 min，脫模后自然冷卻。

（4）將混煉膠定量放入支撐裝置模具中，在平板硫化機上硫化，條件為135 ℃/15 MPa×50 min，脫模后自然冷卻。

1.5 性能測試

拉伸性能測試按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》進行，耐熱老化性能測試按照GB/T 3512—2001《硫化橡膠或熱塑性橡膠 加熱老化和耐熱試驗》進行，電阻性能測試按照GB/T 1692—2008《硫化橡膠 絕緣電阻率的測定》進行，動車組用支撐裝置復合材料壽命測試按照GB/T 20028—2005《硫化橡膠或熱塑性橡膠 應用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》進行。

動車組用支撐裝置產品由頂板、橡膠層和底板組成，將橡膠支撐裝置產品放置于試驗臺上（見圖1），加載壓頭與承載板接觸并加載約50 N后，位移和載荷清零，然后以15 mm·min-1的速度垂向加載至位移為30 mm（卸載速度設定為25～30 mm·min-1），從正式加載至位移0～30 mm時的載荷-變形曲線取點，計算相應位移時產品的垂向剛度。

圖1 橡膠支撐裝置垂向剛度示意

2 結果與討論

2.1 改 性煅燒高嶺土用量對NR/BR/EPDM并用膠性能的影響

2.1.1 拉伸性能

改性煅燒高嶺土用量為0，10，20，30和40份時，NR/BR/EPDM并用膠拉伸強度分別為17.0，19.0，20.0，22.0和17.5 MPa?？梢钥闯觯弘S著改性煅燒高嶺土用量的增大，并用膠的拉伸強度先增大后減小，在改性煅燒高嶺土用量為30份時達到最大值，此時其分散性和相容性達到最好；繼續增大改性煅燒高嶺土用量，團聚情況增加，進而產生應力集中，復合材料容易斷裂。這說明加入適量的改性煅燒高嶺土對NR/BR/EPDM并用膠有補強作用。

2.1.2 耐熱老化性能

不同改性煅燒高嶺土用量的NR/BR/EPDM并用膠的耐熱老化性能見表1。

表1 不同改性煅燒高嶺土用量的NR/BR/EPDM并用膠老化前后拉斷伸長率 %

由表1可以看出，隨著改性煅燒高嶺土用量的增大，并用膠的耐熱老化性能不斷提高，在試驗范圍內，當改性煅燒高嶺土用量為40份時，耐熱老化性最好。這說明改性煅燒高嶺土可提高NR/BR/EPDM并用膠的耐熱老化性能。

2.1.3 電阻性能

改性煅燒高嶺土用量為0，10，20，30和40份時NR/BR/EPDM并用膠的電阻分別為1×104，1×105，1×106，1×107和1×108Ω?？梢钥闯?，隨著改性煅燒高嶺土用量的增大，并用膠的電阻不斷增大。改性煅燒高嶺土用量越大，并用膠的電絕緣性能越好。改性煅燒高嶺土為多組分無機物，二氧化硅質量分數高達0.5，改性煅燒高嶺土的加入有助于NR/BR/EPDM并用膠電絕緣性能的提高。

2.2 動車組用支撐裝置性能

2.2.1 剛度

動車組車鉤體系中的支撐裝置在車鉤部位起連接和支撐作用。支撐裝置產品由金屬和橡膠通過硫化組成，橡膠主要提供彈性，起到減震降噪的作用，而金屬骨架材料主要提供剛性并為安裝提供支撐。為滿足對支撐裝置的可靠性、可用性、維護性和安全性的要求，制備改性煅燒高嶺土/炭黑/NR/BR/EPDM復合材料，并對動車組用支撐裝置剛度進行測試，結果見圖2。

圖2 動車組用支撐裝置剛度測試結果

從圖2可以看出：在位移0～30 mm階段，隨著壓縮變形的增大，垂向載荷隨之增大，基本呈線性增長；壓縮形變量為30 mm時，其垂向載荷為25.074 kN，即位移0～30 mm割線段的剛度為0.835 kN·mm-1。試驗結束后，動車組用支撐裝置表面無開裂、脫膠等異?，F象，使用改性煅燒高嶺土/炭黑/NR/BR/EPDM復合材料制備的動車組用支撐裝置具有良好的剛度和耐壓性能，滿足動車組車鉤的設計要求。

2.2.2 使用壽命

應用阿累尼烏斯圖推算材料壽命：在選定的測試溫度下，將所選的壓縮永久變形數值變化看作是時間（t）的函數，繼續該步驟直至達到相應性能的臨界值為止，從而得出在該溫度下老化的失效時間。以所獲得的失效時間與溫度的函數作出阿累尼烏斯圖，所得到的直線可以外推到使用溫度下的失效時間，見圖3和4。

圖3 復合材料性能保持率與老化時間的關系曲線

以每個測試溫度達到臨界值時間的對數與相

應的測試溫度作圖，將所得直線外推可得到使用溫度下的估計壽命（熱老化壽命）。由圖4可見，60℃時對應的時間對數為4.95，熱老化壽命＝104.95＝89 125 h＝10.17年。改性煅燒高嶺土/炭黑/NR/BR/EPDM復合材料在工況溫度下使用壽命達到10年之久，符合設計要求，適用于制備動車組用支撐裝置。

圖4 復合材料的阿累尼烏斯圖（時間-溫度曲線）

3 結論

（1）改性煅燒高嶺土對NR/BR/EPDM并用膠具有一定的補強作用，可作為補強劑使用，當改性煅燒高嶺土用量為30份時，膠料的拉伸強度達到最大值，為22.0 MPa。

（2）添加改性煅燒高嶺土可使NR/BR/EPDM并用膠具有較好的耐熱老化性能，當改性煅燒高嶺土為40份時，膠料的耐熱老化性能最好。

（3）改性煅燒高嶺土能有效提高NR/BR/EPDM并用膠的電絕緣性能，當改性煅燒高嶺土用量為40份時，其電阻為1×108Ω。

（4）改性煅燒高嶺土/炭黑/NR/BR/EPDM復合材料制備的動車組用支撐裝置具有良好的剛度和耐壓性能以及較長的使用壽命，滿足動車組車鉤系統的設計要求，符合動車組運行工況要求。