李愛(ài)民，田友峰，吳 兵，章于川

（1.安徽中鼎密封件股份有限公司，安徽 寧國(guó) 242300；2.安徽安大中鼎橡膠技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，安徽 合肥 230088）

樁腿耦合器（LMU,Leg Matting Units）是廣泛應(yīng)用于海洋結(jié)構(gòu)“浮托”（Float Over，比如海上采油平臺(tái)）安裝的重要裝置，它可以有效地緩沖組塊與平臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間垂直或水平碰撞。其主要由高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)和高彈性緩沖橡膠塊等元件組合而成，如圖1所示。LMU緩沖橡膠塊必需是由能承受大載荷、高彈性的硫化橡膠材料制造而成，從而起到均勻地傳遞載荷、有效地減緩“浮托”安裝時(shí)部件之間的沖擊，達(dá)到緩沖、保護(hù)安裝部件和基礎(chǔ)平臺(tái)免受碰損的功能和目的[1]。

LMU緩沖橡膠材料的研發(fā)關(guān)鍵是：

圖1 .樁腿耦合器LMU結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of LMU structure

（1）具有優(yōu)良抗壓強(qiáng)度和高彈性的橡膠材料配方設(shè)計(jì)，制造出的LMU緩沖橡膠塊可滿足工作過(guò)程中極大壓縮載荷的作用和相關(guān)環(huán)境條件的要求。

（2）LMU緩沖橡膠塊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，需達(dá)到緩沖橡膠塊指定的變形-載荷條件要求。

本項(xiàng)目LMU需要承受豎向靜載荷為2000噸（動(dòng)載荷500噸），同時(shí)需要保證橡膠緩沖塊變形量達(dá)到25%（壓縮250 mm）左右。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 原材料與儀器設(shè)備

1.1.1 原材料選擇

1.1.1.1 主體橡膠材料的選擇

表1 四種橡膠不同硬度試樣的配方編號(hào)Tab.1 Formula number of four rubber samples with different hardness

目前常用于作減振、緩沖元件的橡膠材料主要有天然橡膠NR、天然膠/丁苯橡膠NR/SBR并用膠、聚氨酯橡膠PUR、丁基橡膠IIR 4種[2]。根據(jù)本項(xiàng)目的載荷/變形條件，參照LMU緩沖橡膠塊實(shí)際有效承載面積，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取這四種橡膠材料，并各自設(shè)計(jì)三種不同硬度的配方，然后通過(guò)混煉、硫化制樣，測(cè)試其物理機(jī)械性能及壓縮形變性能，對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)與篩選，得到抗壓性能優(yōu)良的主體橡膠材料。試驗(yàn)方案如表1。

1.1.1.2 碳黑的選擇

碳黑是橡膠產(chǎn)品常用的補(bǔ)強(qiáng)填充劑，品種很多，性能各異，所以在材料配方優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通常應(yīng)選擇幾種不同特性的碳黑進(jìn)行優(yōu)化選擇[3]。

1.1.1.3 其他各種助劑的選擇

針對(duì)所選擇試驗(yàn)的四種主體橡膠，選擇各自最合適的硫化體系、加工體系和防老體系等各種助劑，通過(guò)優(yōu)化配合、混煉、硫化等工藝，制備三種符合設(shè)計(jì)硬度的系列編號(hào)硫化橡膠試樣。按照LMU緩沖橡膠研發(fā)關(guān)鍵的原則，通過(guò)測(cè)試結(jié)果比較分析，從中篩選出最合適的主體橡膠材料。

1.1.1.4 測(cè)試樣品的制備

將密煉好的四種主體橡膠的混煉膠，按照相關(guān)國(guó)標(biāo)GB經(jīng)過(guò)模壓成形→硫化→出模→修剪，得到研發(fā)過(guò)程中各種性能測(cè)試所需的樣品：試片（170 mm×120 mm×2 mm）用于裁制拉伸實(shí)驗(yàn)用啞鈴型試樣；樣塊（Ф40 mm×6 mm）用于壓縮試驗(yàn)（動(dòng)態(tài)載荷壓縮-變形曲線MTS測(cè)試）；樣塊（Ф29 mm×12.5 mm）用于壓縮永久變形和硬度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)有關(guān)圖、表。

1.1.2 儀器設(shè)備

加工成形設(shè)備：K1型密煉機(jī)（美國(guó)FARREL（法萊爾）公司）；P-V-3RT-2-PCD型平板硫化機(jī)（廣德磐石公司）。

測(cè)試儀器：GT-TS2000-M型電子拉力機(jī)（臺(tái)灣高鐵公司）；LX-A型橡膠硬度計(jì)（上海六菱公司）；MTS831型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)MTS公司）；ME104E型密度測(cè)定儀（瑞士梅特勒公司）。

1.2 主體橡膠材料的配方優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.2.1 采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化配方設(shè)計(jì)[4]

通過(guò)“2.1.1.1主體橡膠材料的選擇”的試驗(yàn)方案，優(yōu)選出天然/丁苯膠NR/SBR并用膠作為主體橡膠。為了進(jìn)一步提高并用主體橡膠的性能，采用正交法再對(duì)其制造配方進(jìn)行深入地優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)LMU工況條件的要求，需優(yōu)化得到承受載荷大、高強(qiáng)度的橡膠材料配方，為此設(shè)計(jì)了三因子三水平的正交實(shí)驗(yàn)方案，參見(jiàn)表2和表3。

表2 NR/SBR并用膠正交實(shí)驗(yàn)三因子三水平設(shè)計(jì)Tab.2 Orthogonal experiment of NR/SBR with three factors and three levels design

表3 NR/SBR并用膠的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.3 Orthogonal test design scheme of NR/SBR blend

1.2.2 正交實(shí)驗(yàn)各配方試樣的性能測(cè)試

1.2.2.1 物理機(jī)械性能測(cè)試

應(yīng)用電子拉力機(jī)對(duì)各配方的硫化試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以及硬度和密度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 四種橡膠硫化膠的物理機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果

1.2.2.2 動(dòng)態(tài)載荷壓縮-形變MTS測(cè)試（壓縮試驗(yàn)）

應(yīng)用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)MTS831對(duì)各個(gè)配方硫化試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，其動(dòng)態(tài)載荷壓縮-變形曲線結(jié)果見(jiàn)圖3。

1.2.2.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，確定LMU的最合適主體橡膠材料配方。

2 結(jié)果與討論

2.1 主體橡膠材料的膠種優(yōu)選確定

2.1.1 四種橡膠的硫化膠物理機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果與分析

表4是四種備選的主體橡膠材料分別根據(jù)表1所設(shè)計(jì)的硬度（邵A）而擬定的配方[5]，進(jìn)行混煉、硫化制備的一系列編號(hào)試樣測(cè)試物理機(jī)械性能的結(jié)果。

硫化膠的硬度不僅反映了它的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)——交聯(lián)度的高低，而且也是它的宏觀機(jī)械力學(xué)性能的綜合表現(xiàn)[6]。通常硫化膠的硬度高，剛度也大，承載的負(fù)荷相對(duì)較高，但也并不是硬度越高越好。實(shí)踐表明硬度過(guò)高的硫化橡膠，雖然承受載荷大，但易被壓壞；反之，硬度稍低一點(diǎn)的硫化膠橡膠，承受載荷雖然相對(duì)小一點(diǎn)，但不易壓壞。圖2是根據(jù)表4結(jié)果作出四種膠料硫化試樣的強(qiáng)度隨其硬度的變化曲線。

圖2 四種橡膠硫化試樣的強(qiáng)度隨硬度的變化Fig.2 Variation of strength of four rubber vulcanization specimens with hardness

圖2顯示四種不同配方橡膠材料的硫化膠，隨著硬度的增高，強(qiáng)度都呈下降趨勢(shì)。其中PUR和IIR，當(dāng)它們的硬度升到80度以后，扯斷強(qiáng)度就下降到它們的最低點(diǎn)，硬度再增加就會(huì)發(fā)生破壞。而NR、NR/SBR并用膠雖然強(qiáng)度不如聚氨酯膠，但它們的硬度分別要增加到87和88度，扯斷強(qiáng)度才下降到破壞的極限點(diǎn)。

2.1.2 四種橡膠的硫化膠壓縮試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果與分析

由于LMU緩沖橡膠塊工作時(shí)要承受高載荷的沖擊壓力，需起到緩沖高載荷作用，所以所選擇的主體橡膠材料必須要通過(guò)MTS壓縮-形變測(cè)試，以考核主體橡膠材料的承壓性能，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，四種橡膠（除了PUR膠的U003外）的不同硬度硫化試塊中，各自硬度最高的在相同載荷下壓縮量最小，尤其是NR/SBR并用膠的R006硫化試塊，在所有的試塊中壓縮量數(shù)最小，說(shuō)明NR/SBR并用膠在四種膠中承受壓縮載荷的能力最強(qiáng)。為了進(jìn)一步確認(rèn)選擇NR/SBR并用膠作為L(zhǎng)MU緩沖橡膠塊的主體材料，從四種橡膠壓縮數(shù)據(jù)結(jié)果中取硬度80±5的一組在同樣壓縮載荷下于同一坐標(biāo)圖中進(jìn)行比較，參見(jiàn)圖4。

圖3 .四種橡膠硫化試樣（Ф40 mm×6mm）的壓縮-形變曲線圖Fig.3 Four kinds of rubber vulcanization samples（Ф 40 mmx 6 mm）compression

圖4 四種橡膠硬度80±5度的硫化試樣壓縮-形變曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of the compression-deformation curves of four kinds of rubber vulcanized samples with the same hardness

圖4明顯對(duì)比出四種硬度相同的硫化膠試塊中，NR/SBR并用膠的壓縮變形量最小，因此它的承受載荷能力最大，NR僅次之。PUR和IIR的壓縮變形量很大，承受載荷能力很差，所以強(qiáng)度高的PUR并不適合做緩沖減震產(chǎn)品，吸震性能好的IIR強(qiáng)度、抗壓能力較差，也不適合做高載荷沖擊的緩沖橡膠。NR/SBR并用膠作為L(zhǎng)MU緩沖橡膠塊主體橡膠材料是比較理想的選擇。NR由于其分子鏈以順式-1，4結(jié)構(gòu)為主，鏈的柔順很好，具有優(yōu)良的彈性，回彈率在0℃～100℃可達(dá)50%～85%。NR在應(yīng)力作用下易取向結(jié)晶，具有自補(bǔ)強(qiáng)性，碳黑補(bǔ)強(qiáng)后的硫化膠拉伸強(qiáng)度可達(dá)到20～25 MPa，機(jī)械性能優(yōu)良，并且NR的壓縮生熱量也較低，減震、抗疲勞性能均較好。但是NR分子鏈的高度不飽和性使其易在UV光氧化和熱氧化作用下發(fā)生自由基鏈?zhǔn)浇到舛匣蛊湫阅芟陆?，壽命縮短。SBR是1,3-丁二烯與苯乙烯單體進(jìn)行共聚合得到的不飽和橡膠，但SBR分子鏈中含有的雙鍵比NR少，所以其熱氧化降解反應(yīng)比NR緩慢，同時(shí)其穩(wěn)定的苯環(huán)使UV光對(duì)SBR的光氧化老化不明顯，因此它的耐磨性、耐熱性、耐油性和耐老化性等均比NR好。SBR不具有自補(bǔ)強(qiáng)性，且由于主鏈上體積較大的苯環(huán)側(cè)基阻礙，使其在動(dòng)態(tài)力學(xué)條件下滯后損失較大，生熱較高，彈性低。但是SBR和NR相容性好，可以并用，通過(guò)它們相互協(xié)同，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可提高整體性能。NR和SBR價(jià)格都比較便宜，加工性能也比較好，所以NR/SBR并用膠也成為了LMU緩沖橡膠的首選。

2.2 主體橡膠材料——NR/SBR并用膠配方正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 正交實(shí)驗(yàn)的各試樣物理機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

因配方的硬度影響材料的機(jī)械強(qiáng)度和壓縮變形測(cè)試的結(jié)果，所以在壓縮測(cè)試之前要對(duì)橡膠配方的物理機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試，盡量保證各配方之間的硬度一致或者相差很小。測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 正交實(shí)驗(yàn)試樣物理機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果

由表5可見(jiàn)，RS-3、RS-5、RS-8試樣的扯斷強(qiáng)度均達(dá)到20 MPa，相應(yīng)的配方組合是A1B3C2、A2B2C2和A3B2C1。

2.2.2 正交實(shí)驗(yàn)各試樣的壓縮實(shí)驗(yàn)MTS的測(cè)試結(jié)果與分析

表5顯示，9種配方橡膠試樣的硬度基本一致，因此可以排除硬度對(duì)壓縮測(cè)試結(jié)果的影響。選取相同的壓縮量（均為1.5 mm）對(duì)這9種材料進(jìn)行壓縮測(cè)試，以它們所承受的載荷力作為試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)各組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析得到表6。

由表6極差R值大小順序（1507.7＞544.2＞463.3）可知：影響材料承載能力的因子主次關(guān)系為：B＞A＞C；RS-3承載壓力最大，Y=8 409.4 N。由于我們希望承載要大，所以指標(biāo)值希望大一些，故取A1=6860.8，B3=7613.2，C2=6 862.1。配方優(yōu)化組合初步選擇RS-3（配方A1B3C2），它的硫化膠不僅承受載荷能力高，并且扯斷強(qiáng)度也高達(dá)20.1 MPa，所以配方A1B3C2的優(yōu)化篩選組合較理想。

2.3 LMU緩震橡膠塊材料優(yōu)化配方A1B3C2的驗(yàn)證

為了確證經(jīng)優(yōu)化試驗(yàn)獲得的橡膠材料配方的先進(jìn)性和實(shí)用性，對(duì)其試樣進(jìn)行了單軸拉伸、單軸壓縮、雙軸拉伸、摩擦系數(shù)測(cè)試和不同環(huán)境因素（室溫、50℃和-5℃）對(duì)緩沖橡膠抗壓性能影響試驗(yàn)等驗(yàn)證測(cè)試，結(jié)果表明NR/SBR并用膠的A1B3C2配方材料均通過(guò)了這些嚴(yán)格的考核。

表6 對(duì)9種配方試樣的壓縮-形變?cè)囼?yàn)結(jié)果極差分析

3 結(jié)論

（1）本文通過(guò)對(duì)NR、NR/SBR、PUR和IIR等四種橡膠各三種硬度不同的硫化膠試樣進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)載荷壓縮-形變MTS測(cè)試，從中篩選出NR/SBR并用膠作為主體橡膠材料，可滿足LMU樁腿耦合器緩沖橡膠塊工作過(guò)程中極大壓縮載荷的作用和相關(guān)環(huán)境要求。

（2）采用三因子三水平的正交試驗(yàn)法進(jìn)一步優(yōu)化NR/SBR并用膠的配方設(shè)計(jì)。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：最佳配方是A1B3C2，即SBR并用量20份（pbw），硫化劑用量2.5份（pbw），碳黑牌號(hào)選用N660；影響緩沖橡膠塊（NR/SBR并用膠）材料承載能力的因子主次關(guān)系是B＞A＞C，即交聯(lián)劑用量為主要因子。

（3）該NR/SBR并用配方A1B3C2的硫化膠試樣均通過(guò)了嚴(yán)格的驗(yàn)證測(cè)試。