張國(guó)文，賀春江，趙云行，王 瑋，吳會(huì)永，陳傳志

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081）

近年來(lái)，隨著我國(guó)軌道交通的發(fā)展，城市軌道交通車輛及高鐵動(dòng)車組保有量持續(xù)快速增長(zhǎng)。以天然橡膠（NR）為基材的軌道交通減震器在機(jī)車車輛上得到了大量的應(yīng)用，它們?yōu)闄C(jī)車車輛運(yùn)行提供彈性，顯著降低了行車過(guò)程中的噪聲，有效提高了乘坐舒適性。橡膠減震器在機(jī)車車輛用的一系和二系懸掛系統(tǒng)中多有應(yīng)用，如橡膠空氣彈簧、橡膠堆、橡膠墊、橫向止擋及橡膠關(guān)節(jié)等[1-2]。

NR屬于易燃材料，燃燒時(shí)生煙量大，最大平均熱釋放速率（MARHE）和毒性高，這對(duì)于運(yùn)行在地下的地鐵車輛及高速運(yùn)行的高鐵列車都構(gòu)成安全隱患，不利于火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員的疏散和逃生。因此，從軌道交通工具人員的逃生要求及安全性方面考慮，歐洲、美國(guó)及日本都建立了比較完善的軌道交通阻燃標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)減震器橡膠材料的阻燃性能都有嚴(yán)格要求。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 45545-2：2013明確要求金屬-橡膠復(fù)合減震器和空氣彈簧等產(chǎn)品需要滿足R9的要求，即MARHE小于90 kW·m-2，最大煙密度小于600，毒性指數(shù)小于1.8。國(guó)內(nèi)軌道交通相關(guān)阻燃標(biāo)準(zhǔn)體系和檢驗(yàn)監(jiān)督機(jī)制也在加緊建立和完善之中。隨著中國(guó)高鐵走出去戰(zhàn)略的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)機(jī)車車輛在國(guó)外市場(chǎng)的份額逐漸增大，使減震器橡膠材料的阻燃化任務(wù)更為緊迫。

復(fù)合阻燃劑FR105為磷氮系膨脹阻燃劑，具有阻燃效率高、MARHE和煙密度小等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于EN 45545-2：2013標(biāo)準(zhǔn)用阻燃NR材料的文獻(xiàn)報(bào)道較少[3-5]。

本工作研究氧化鋅、復(fù)合阻燃劑FR105和炭黑N660用量及硫化溫度對(duì)NR硫化膠物理性能和阻燃性能的影響，以期為阻燃NR材料的研究開發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，牌號(hào)WF，海南省農(nóng)墾集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；炭黑N660，卡博特化工（天津）有限公司產(chǎn)品；復(fù)合阻燃劑FR105，上海懋通實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品。

1.2 基本配方

NR 100，硬脂酸 1，防老劑RD 1.5，防老劑4010NA 1.5，微晶蠟 1.5，硫黃 2，促進(jìn)劑CZ 1.5，氧化鋅、炭黑N660和復(fù)合阻燃劑FR105變量。

1.3 試樣制備

采用上海科創(chuàng)機(jī)械設(shè)備有限公司的1 L密煉機(jī)混煉。先加入NR，塑煉30 s后加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑、阻燃劑等，混煉4 min，再加入硫黃和促進(jìn)劑，混煉1 min；膠料在開煉機(jī)上薄通3次，打3個(gè)三角包，出片，停放2 d后返煉8～10次?；鞜捘z在上海橡膠機(jī)械制造廠的25 t平板硫化機(jī)上硫化。

1.4 測(cè)試分析

邵爾A型硬度采用高鐵檢測(cè)儀器（東莞）有限公司的GT-GS-HB型邵爾A型硬度計(jì)按照GB/T 531.1—2008測(cè)試；拉伸性能采用上?；C(jī)械四廠的Dxll 10000型電子拉力試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 528—2009測(cè)試；MARHE采用英國(guó)火災(zāi)及燃燒特性測(cè)試科技有限公司（FTT）的錐型量熱儀按照ISO 5660-1：2015測(cè)試，試樣尺寸為100 mm×100 mm×4 mm，有焰燃燒，熱流量為25 kJ·m-2，加格柵；煙密度采用英國(guó)FTT公司的煙密度箱按照GB/T 8323.2—2008測(cè)試，試樣尺寸為75 mm×75 mm×4 mm，有火焰引燃；毒性指數(shù)采用英國(guó)FTT公司的傅里葉紅外光譜儀按照EN 45545-2：2013測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鋅用量

氧化鋅用量對(duì)NR硫化膠物理性能和阻燃性能的影響如表1所示。

表1 氧化鋅用量對(duì)NR硫化膠性能的影響

從表1可以看出，隨著氧化鋅用量的增大，硫化膠的硬度和拉伸強(qiáng)度總體增大，拉斷伸長(zhǎng)率逐漸減小。分析認(rèn)為，氧化鋅是NR硫化過(guò)程中的活化劑，其用量增大，硫化膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成得更完善，因此硬度和拉伸強(qiáng)度增大，拉斷伸長(zhǎng)率減小。從阻燃性能看，隨著氧化鋅用量的增大，硫化膠的MARHE、煙密度和毒性指數(shù)逐漸增大。

圖1所示為含不同用量氧化鋅試樣煙密度測(cè)試后的灰燼照片。

圖1 含不同用量氧化鋅試樣煙密度測(cè)試后的灰燼照片

從圖1可以看出，3份氧化鋅試樣膨脹均勻，碳層完整，而5份氧化鋅試樣有多處裂縫。分析認(rèn)為：氧化鋅的存在干擾了燃燒過(guò)程中碳層的形成；氧化鋅用量較大時(shí)形成的碳層不結(jié)實(shí)，在燃燒過(guò)程中容易破裂，使參與燃燒的NR量增大，因此MARHE和煙密度均隨氧化鋅用量的增大而增大。考慮到如果氧化鋅用量太小，硫化可能不充分，兼顧硫化膠的阻燃性能，氧化鋅用量以3份為宜。

2.2 復(fù)合阻燃劑FR105用量

復(fù)合阻燃劑FR105用量對(duì)NR硫化膠物理性能和阻燃性能的影響如表2所示。

表2 復(fù)合阻燃劑FR105用量對(duì)NR硫化膠性能的影響

從表2可以看出，隨著復(fù)合阻燃劑FR105用量的增大，硫化膠的硬度逐漸增大，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率均逐漸減小。分析認(rèn)為，阻燃劑顆粒比較粗，與橡膠界面的結(jié)合不如炭黑，因此其用量增大，對(duì)硫化膠的物理性能不利。

從表2還可以看出，隨著復(fù)合阻燃劑FR105用量的增大，硫化膠的MARHE、煙密度和毒性指數(shù)均先迅速減小而后趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為，阻燃劑用量增大到一定程度時(shí)形成碳層，再增大阻燃劑用量并不能線性提高阻燃性能。

綜合NR硫化膠的物理性能和阻燃性能，復(fù)合阻燃劑FR105用量以90份為宜。

2.3 炭黑N660用量

炭黑N660用量對(duì)NR硫化膠物理性能和阻燃性能的影響如表3所示。

表3 炭黑N660用量對(duì)NR硫化膠性能的影響

從表3可以看出，隨著炭黑N660用量的增大，硫化膠的硬度逐漸增大，拉伸強(qiáng)度略有增大，拉斷伸長(zhǎng)率逐漸減小，MARHE、煙密度和毒性指數(shù)均先減小后增大。

圖2所示為含不同用量炭黑N660試樣煙密度測(cè)試后的灰燼照片。

圖2 含不同用量炭黑N660試樣煙密度測(cè)試后的灰燼照片

從圖2可以看出，炭黑N660用量不同，煙密度測(cè)試后的灰燼外觀不同。炭黑用量小，碳層膨脹程度大；炭黑用量增大，則碳層膨脹程度小。分析認(rèn)為：炭黑本身也是碳結(jié)構(gòu)，且不易燃，有利于燃燒過(guò)程中形成碳層；但炭黑用量大，則增大了體系的粘度，使阻燃劑膨脹過(guò)程受阻。因此，炭黑用量增大到一定程度時(shí)，阻燃性能下降[6]。

綜合NR硫化膠的物理性能和阻燃性能，炭黑N660的最佳用量為20份。

2.4 硫化溫度

硫化溫度對(duì)NR硫化膠物理性能和阻燃性能的影響如表4所示。

表4 硫化溫度對(duì)NR硫化膠性能的影響

從表4可以看出，硫化溫度對(duì)硫化膠阻燃性能的影響不大，但對(duì)物理性能的影響較顯著。隨著硫化溫度的升高，硫化膠的硬度和拉伸強(qiáng)度總體減小，特別是當(dāng)硫化溫度高于140 ℃時(shí)，物理性能降幅較大，這是阻燃劑干擾了硫化過(guò)程。

考慮到硫化膠的物理性能和硫化效率，硫化溫度以140 ℃為宜。

2.5 減震器性能

采用氧化鋅用量3份、復(fù)合阻燃劑FR105用量90份、炭黑用量20份，在硫化條件為140 ℃×t90時(shí)，制備出阻燃NR材料，采用此阻燃NR材料制成了橡膠減震器（HXD3C大功率機(jī)車用垂直止擋），并與非阻燃橡膠減震器進(jìn)行性能對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 阻燃和非阻燃橡膠減震器性能對(duì)比

從表5可以看出，采用阻燃NR材料制備的減震器性能與非阻燃產(chǎn)品基本相當(dāng)。

3 結(jié)論

（1）隨著氧化鋅用量的增大，NR硫化膠的硬度和拉伸強(qiáng)度總體增大，拉斷伸長(zhǎng)率逐漸減小，MARHE、煙密度和毒性指數(shù)逐漸增大；氧化鋅的適宜用量為3份。

（2）隨著復(fù)合阻燃劑FR105用量的增大，NR硫化膠的硬度逐漸增大，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率逐漸減小，MARHE、煙密度和毒性指數(shù)均先減小而后趨于穩(wěn)定；復(fù)合阻燃劑FR105的適宜用量為90份。

（3）隨著炭黑N660用量的增大，NR硫化膠的硬度和拉伸強(qiáng)度增大，拉斷伸長(zhǎng)率減小，MARHE、煙密度和毒性指數(shù)均先減小后增大；炭黑N660的最佳用量為20份。

（4）隨著硫化溫度的升高，硫化膠的硬度和拉伸強(qiáng)度總體減小，阻燃性能變化不大；硫化溫度以140 ℃為宜。

（5）采用優(yōu)選的阻燃NR材料制備的減震器性能與非阻燃產(chǎn)品基本相當(dāng)。