我國高速鐵路用橡膠墊板材料的研究現狀分析*

陳傳志，吉 媛，錢 征，楊海林，李 超，賀春江**

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 標準計量研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081)

高速鐵路中橡膠墊板起到提供軌道彈性及降低噪聲污染的作用，是扣件系統的重要組成部分。

有關橡膠墊板的研究主要集中在配方的研究方面。其中，有關填料種類、用量和表面處理技術對定伸應力、動靜剛度比的研究較多[1-7]，其次是防老劑、硫化工藝的優化[8-9]。近年來，由于國內橡膠墊板在高速鐵路上應用已經超過10年，有關老化的研究也逐漸備受關注[10-12]。

橡膠墊板屬于中鐵檢驗認證中心有限公司認證產品，在中鐵檢驗認證中心有限公司官網上可以查到，國內現有高速鐵路橡膠墊板生產企業8家。

本文收集了8家企業生產的RP5橡膠墊板，采用熱重分析儀分析了國內8家生產企業生產的RP5橡膠墊板的生膠含量和組成、補強劑和無機填料含量；用硫化儀分析了硫化特性；期望對橡膠墊板配方的研發和優化提供參考，并對橡膠墊板材料研究方向提出了合理化建議。

1 熱重分析實驗

采用德國耐馳儀器制造有限公司TG 209 F3 型差熱掃描量熱儀,按照GB/T14837.1—2014進行熱重分析和差熱分析。

采用無錫市蠡園電子化工設備有限公司MDR-2000型無轉子按照GB/T 16584—1996測定硫化特性，溫度155 ℃。

2 結果與討論

2.1 生膠組成

收集了國內8家企業2020年生產的RP5橡膠墊板，按照GB/T 14837.1—2014進行熱重分析和差熱分析。從熱重曲線可以得出有機物總質量分數信息，從差熱曲線峰的位置及數量，可以判斷總有機物中生膠的種類及比例[13]，具體如表1所示。

表1 有機物總量及DTA峰位置統計

從表1可以看出，有機物總量大致在44.12%至55.01%范圍內，從差熱曲線出峰數量看，有的墊板有2個峰，有的墊板有3個峰。393 ℃對應天然橡膠的最大熱分解溫度；470 ℃對應丁苯橡膠的熱分解溫度；480 ℃對應順丁橡膠的分解溫度。可以看出，6家采用天然橡膠與順丁橡膠并用，2家采用天然橡膠、丁苯橡膠和順丁橡膠三種膠并用。

分析認為，高速鐵路橡膠墊板產品標準TB/T 3395.3-2015中要求橡膠墊板動靜剛度比小于2，且-40 ℃壓縮耐寒系數不小于0.5， -35 ℃靜剛度變化率不大于20%。正是由于動靜剛度比和低溫性能要求，高速鐵路橡膠墊板在生膠選擇上與普通線路的橡膠墊板明顯不同。普通線路橡膠墊板以丁苯橡膠為主，而高速鐵路橡膠墊板以天然橡膠為主，并用丁苯橡膠和順丁橡膠。這是因為天然橡膠的動靜比遠小于丁苯橡膠，但由于天然橡膠低溫下容易結晶，靜剛度變化大，丁苯橡膠與順丁橡膠并用可以顯著降低低溫下靜剛度變化率、提高壓縮耐寒系數[14]。因此，目前國內廠家，高速鐵路橡膠墊板均采用以天然橡膠為主，且少量并用丁苯橡膠和順丁橡膠。

2.2 補強體系

橡膠墊板的補強劑為炭黑。收集了國內8家企業生產的RP5橡膠墊板，按照GB/T 14837.1-2014做熱重分析。炭黑樣品占總量的質量百分數如表2所示。

表2 橡膠墊板中的炭黑含量

分析認為，橡膠墊板有拉伸強度和200%定伸要求，而炭黑是最好的補強劑，因此，國內橡膠墊板配方中都使用炭黑。又由于橡膠墊板有工作電阻要求，炭黑的加入會降低電阻，因此炭黑不能無限量任意添加。從表2可以看出，用量為7.81%至32.31%。

越細的炭黑，達到相同電阻的用量越少。考慮到橡膠墊板還有動靜剛度比要求，粒徑太小的炭黑雖然補強效果好，但動靜剛度比大。隨著炭黑用量增加，工作電阻變化有一個臨界量，超過臨界量，炭黑在橡膠中形成網絡結構，工作電阻會急劇減小[15]。經過調研，目前國內橡膠墊板企業都用N330、N539、N550以及半補強炭黑，或者兩種并用。

2.3 無機填料

由于橡膠墊板有電阻要求，炭黑本身電阻很小，炭黑用量多，工作電阻減小，因此炭黑用量受到限制。填充無機填料即可以改善丁苯橡膠的加工工藝性，也可以降低成本。

收集了8家RP5橡膠墊板，按照GB/T 14837.1-2014做熱重分析。其中無機填料含量統計如表3所示。

表3 橡膠墊板中無機填料含量

從表3可以看出，8家企業橡膠墊板無機填料含量大致在9.08%～37.25%(質量分數)之間。分析認為，這是因為無機填料補強性差，加多了對物理性能不利，且加多了密度會增大，體積成本會增大，磨耗也會增大，因此無機填料添加量也會受限制。

2.4 硫化體系

測試了8個廠家橡膠墊板混煉膠的硫化曲線，如表4所示。焦燒時間在55～106 s之間，正硫化時間在283～333 s之間。

表4 55 ℃混煉膠的硫化曲線參數

經過調研，橡膠墊板的硫化體系目前都是硫磺硫化體系，且基本上以半有效硫化體系為主。促進劑多為TT、CZ、DM、DTDM中的2～3種并用為主。

分析認為，由于橡膠墊板邵爾A硬度都在70以上，混煉加工生熱大，為了避免出現焦燒，所以促進劑TT量很少，其用量多小于0.5份。8家橡膠墊板廠硫化時間在8～12 min之間，硫化溫度在150～160 ℃之間。

2.5 揮發性組分

測試了橡膠墊板膠料的熱重曲線，揮發性組分含量如表5所示。從熱重分析看，50 ℃至300 ℃區間熱失重率在3.6%至5.2%之間。50～300 ℃區間熱失重為揮發性組分，其中包括增塑劑、硫化體系的殘留物、結晶水等。考慮到增塑劑對橡膠墊板的200%定伸應力和動靜剛度比不利，因此推測一般橡膠墊板材料中不必使用增塑劑。

表5 橡膠墊板中揮發性組分含量

3 結 論

國內高速鐵路橡膠墊板，生膠含量在44.12～55.01%(質量分數，下同)之間，以天然橡膠為主并用部分丁苯橡膠或順丁橡膠；炭黑含量在7.81～32.31%之間，無機填料在9.08～37.25%之間，硫磺硫化體系，有機揮發分3.6%至5.2%之間。焦燒時間在55～106 s之間，正硫化時間在283～333 s之間。

4 建 議

(1)不同企業橡膠墊板加工過程中用到的設備各不相同，加工工序及工藝參數也有區別。目前有關材料組成-加工工藝間關系或規律的研究報導非常少。這個問題關系到成品率、加工效率和成本等因素，值得開展深入研究。

(2) 橡膠墊板材料組成與疲勞壽命對應關系研究尚未見文獻報道。高速鐵路橡膠墊板在國內應用已經超過10年，橡膠墊板壽命，墊板性能衰減規律與材料之間對應關系未見文獻研究。這個問題關系到墊板使用壽命、使用效果以及橡膠墊板材料今后的改進方向，值得開展深入研究。