轨道用聚氨酯弹性垫板的研究开发.doc

轨道用聚氨酯弹性垫板的研究吴义春 李春兰 徐志磊 鲍建超 刘海蓉（北京科聚化工新材料有限公司，北京，102200）摘 要：本文通过低压发泡浇注机制备了高铁用弹性垫板，并分别考察了三官能度聚醚与两官能度聚醚以及两者之间的质量比例对弹性垫板老化前后拉伸强度、老化前后断裂伸长率、动静刚度比、压缩永久变形、工作电阻以及耐油性膨胀比的影响。实验发现：（1）随着三官能度聚醚质量的减少，两官能度聚醚质量的增加，弹性垫板老化前后拉伸强度逐渐降低；老化前后断裂伸长率、动静刚度比、压缩永久变形和耐油性膨胀比逐渐增加；工作电阻先增加而后下降；（2）当三官能度聚醚与两官能度聚醚的质量比例为20/80的时候，弹性垫板的综合性能比较好：弹性垫板老化前后的拉伸强度、老化前后断裂伸长率分别为：3.1MPa和3.05MPa，280.1%和191.1%，动静刚度比为1.38，压缩永久变形为3.21%，工作电阻为1.41012，耐油性膨胀比为3.2%。关键词：聚氨酯弹性垫板；断裂伸长率；动静刚度比；压缩永久变形；工作电阻；耐油性体积膨胀比高速铁路轨道根据轨道结构形式的不同，可分为有砟轨道和无砟轨道。有砟轨道是较为传统的结构形式，在国内外获得广泛应用，其建设费用低、噪声传播范围小、建设周期段，但随着铁路运营速度要求的提高，有砟轨道面临临界速度、桥上稳定性、道砟飞溅等问题难以解决1。无砟轨道是用耐久性好、塑性形变小的材料替代道砟材料的一种轨道结构形式，由于碎石道砟道床，轨道保持几何形状的能力提高，轨道稳定性相应提高，维修工作量减小，社会经济效益显著等优点，在国内外越来越受重视，已经成为高速铁路轨道结构的发展方向2-3。弹性垫板是一种微孔弹性体材料，此产品采用工厂预制、现场安装的工艺，铺设在型板轨道下，起到减小震动、降低噪音的作用（如图1所示）。 图1 高铁用弹性垫板在高铁上应用示意图目前弹性垫板已经应用到了高速铁路的建设当中了。本文通过低压发泡浇注机制备了高铁用弹性垫板，并分别考察了三官能度聚醚与两官能度聚醚以及两者之间的质量比例对弹性垫板老化前后拉伸强度、老化前后断裂伸长率、动静刚度比、压缩永久变形、工作电阻以及耐油性膨胀比的影响。1 实验部分1.1 实验原料Wannate 8617，工业品，北京科聚化工新材料有限公司；聚醚三醇TEP-3600，羟值28mgKOH/g，天津第三石油化工厂，工业品；聚醚三醇TEP-330N，羟值35mgKOH/g，天津第三石油化工厂，工业品；聚醚三醇TEP-3033，羟值34 mgKOH/g，天津第三石油化工厂，工业品；聚醚二醇TED-28，羟值28mgKOH/g，天津第三石油化工厂，工业品；聚醚二醇DL-2000，羟值56mgKOH/g；山东蓝星东大有限公司，工业品；聚醚二醇DL-1000，羟值112mgKOH/g；山东蓝星东大有限公司，工业品；1，4-丁二醇，日本三菱，工业品；催化剂三乙烯二胺，工业品，空气化工；匀泡剂：DABCO-3043，工业品，空气化工。1.2 弹性垫板的制备依次在容器内加入相应量的聚醚三醇、聚醚二醇、1，4-丁二醇、蒸馏水、催化剂以及匀泡剂，搅拌均匀后倒入SZST4-MF型聚氨酯发泡机A罐内；在SZST4-MF型聚氨酯发泡机B罐内加入Wannate 8617。通过发泡机控制面板，调整两个料罐的温度至40-42之间，调整B料罐计量泵转速并输入两个料的比例（B/A值），待发泡机循环半个小时后，设置搅拌转速8000rpm，向弹性垫板的模具中注料，随后模具在50的烘道中放置15min。弹性垫板的密度在0.79g/cm3左右。弹性垫板出模后，常温放置12h后，放入100烘箱中熟化3h，随后进行送样分析。1.3 弹性垫板的测试方法1.3.1 弹性垫板拉伸强度和断裂身伸长率的测试弹性垫板的拉伸强度和断裂伸长率测试按GB/T 10654的规定进行。每块垫板取6个试样，其中3个试样进行老化前性能测试，另外3个进行老化后性能测试。老化试验按照GB/T 3512的规定进行，老化条件为：1002,96h。老化完毕后试样需停放24h再进行测试。1.3.2 弹性垫板动静刚度比的测试方法（a）弹性垫板静刚度的测试 试验环境温度为232。 开始试验前，试验用所有部件和设备在232的环境中至少放置24h。 把试验装置安放在试验机上，安放顺序为：支承钢板、被测弹性垫板、加载钢板（确保加载钢板放置在被测弹性垫板起作用的区域上）、短钢轨（放置在加载钢板中央，长度方向垂直于弹性垫板长度方向）。 利用在短钢轨对角处布置两位移测试仪测试短钢轨的位移。预加载100kN，卸载，停留1min，再一次加载100kN，卸载，停留1min，而后正式进行试验。正式试验开始时，将两位移测试仪调零，而后以2-3kN/s的速度均匀加载。当载荷加至F1和F2时各停留1min，并分别记录短钢轨的位移D1i、D2i（均为两位移测试仪读数平均值）。如此反复试验三次，计算三次D1i、D2i的平均值，记为D1、D2。用下述公式计算静刚度：（b）弹性垫板动刚度的测试测试完弹性垫板的静刚度后，在同一台机器上进行弹性垫板动刚度的测试。正式测试前的准备工作同静刚度测试相同。正式试验，施加周期载荷20kN-70kN，加载频率4Hz，载荷循环1000次。在最后的100次载荷循环中，记录10个循环的实际施加载荷F1ai、F2ai和短钢轨的位移D3i、D4i（采用两个位移测试仪测量时，均为两个位移测试仪的平均值）。计算F1ai、F2ai、D3i、D4i的平均值，记为F1a、F2a、D3、D4。用下述公式计算动刚度：弹性垫板的动静刚度比计算公式为：KDY N/KSTA1.3.3弹性垫板压缩永久变形测试弹性垫板的压缩永久变形测试按GB/T 10653的规定进行。每块垫板取6个试样，分成两组进行测试。试验条件为：701，22h，压缩30%。1.3.4弹性垫板的工作电阻测试弹性垫板的工作电阻测试参照TB/T 2626的规定进行。1.3.5 弹性垫板的耐油性能测试弹性垫板的耐油性能测试按GB/T 1690的规定进行。试样为垫板实物，在浸泡前将两条对角线做好标记后进行测量并记为：L3和L4；浸泡后在同一位置进行测量并标记为：L1和L2，体积变化率的计算方法按规定中的式7进行。长度测量精度为0.02mm，试验介质为46#机油，试验条件为232，在机油中浸泡72h。2 结果与讨论2.1聚醚种类以及比例对弹性垫板老化前后拉伸强度的影响实验考查了三官能度聚醚、两官能度聚醚以及两种聚醚之间的比例对弹性垫板老化前后拉伸强度的影响。实验中的熟化条件为：100下3h，老化条件为：1002，96h。实验的结果如图2所示。图2聚醚种类以及聚醚之间比例对弹性垫板老化前后拉伸强度的影响图2是三官能度聚醚与两官能度聚醚以及二者之间的质量比对弹性垫板老化前后拉伸强度的影响。从图2中可以看出，老化后弹性垫板的拉伸强度比老化前的变小了。这很可能是由于老化破坏了弹性垫板的结构，使得弹性垫板老化后的拉伸强度降低；另外弹性垫板老化前与老化后的拉伸强度的趋势是随着三官能度聚醚含量减少，两官能度聚醚含量增加而逐渐增加，这是因为随着二官能度聚醚比例的增加，垫板交联密度降低，垫板的拉伸强度下降。2.2聚醚种类以及比例对弹性垫板老化前后断裂伸长率的影响实验考查了三官能度聚醚、两官能度聚醚以及两种聚醚之间的比例对弹性垫板老化前后拉伸强度的影响。实验中的熟化条件为：100下3h，老化条件为：1002，96h。实验的结果如图3所示。图3 聚醚种类以及聚醚之间比例对弹性垫板老化前后断裂伸长率的影响图3是三官能度聚醚与两官能度聚醚以及二者之间的质量比对弹性垫板老化前后断裂伸长率的影响。从图3中可以看出，老化后弹性垫板的断裂伸长率比老化前的变小了。 这很可能是由于老化破坏了弹性垫板的结构，使得弹性垫板老化后的断裂伸长率降低；另外弹性垫板老化前与老化后的断裂伸长率的趋势是随着三官能度聚醚含量减少，两官能度聚醚含量增加而逐渐增加，这是因为随着二官能度聚醚比例的增加，垫板交联密度降低，分子链柔韧性较好，断裂伸长率提高4。2.3聚醚种类以及比例对弹性垫板动静刚度比的影响弹性垫板的刚度指的是作用在垫板上的载荷与制品相应变形量的比值，该比值反映了垫板单位变形对载荷的承载能力，因此是衡量垫板力学性能的一个重要指标。弹性垫板的动静刚度比指的是动刚度值与静刚度的比值。实验考察了三官能度聚醚、两官能度聚醚以及两种聚醚之间的比例对弹性垫板动静刚度比影响。图4 聚醚种类以及聚醚之间比例对弹性垫板动静刚度比的影响图4是三官能度以及两官能度聚醚种类以及聚醚之间比例对弹性垫板动静刚度比的影响。从4可以看出，随着三官能度聚醚减少，两官能度聚醚的增加，弹性垫板的动静刚度比逐渐增加。当全三官能度聚醚时候，弹性垫板的动静刚度比最小（1.34），三官能度与两官能度聚醚质量比为20/80的次之（1.38），三官能度聚醚与两官能度聚醚质量比为80/20时候最高（1.77）。动静刚度比是判断弹性垫板优劣的一个非常重要性能指标，它是动刚度与静刚度的比值，其理论值是1，当比值是1时，即列车开动时人感觉列车仍是静止的，理论值是很难达到的，但是动静刚度比的比值应尽量低。所以从图4可以看出，当全三官能度聚醚或者三官能度聚醚与两官能度聚醚质量比为20/80时的配方体系较好。2.4聚醚种类以及比例对弹性垫板压缩永久变形的影响 压缩永久变形是试片消除所受应力后，放置一段时间后，其变形尺寸与原来尺寸的百分比。压缩永久是弹性垫板的一个重要指标。压缩永久变形的测试实验按照GB/T 10653的规定进行，每块垫板取6个试样，份两组进行测试。试验条件为：701，22h，压缩30%。图5聚醚种类以及聚醚之间比例对弹性垫板压缩永久变形的影响图5是三官能度以及两官能度聚醚种类以及聚醚之间比例对弹性垫板压缩永久变形的影响。从图5可以看出，全三官能度聚醚体系的弹性垫板压缩永久变形最低，全两官能度聚醚体系弹性垫板压缩永久变形最大，达到了5.47%，全三官能度聚醚制备弹性垫板的压缩变形最小，为2.96%，这很可能是由于三官能度聚醚体系的交联密度比两官能度的高5。另外从曲线趋势看出，随着三官能度聚醚减少，两官能度聚醚增加，弹性垫板的压缩永久变形逐渐增加。 2.5 聚醚种类以及比例对弹性垫板工作电阻的影响弹性垫板的工作电阻参照TB/T 2626的规定进行测试。图6 聚醚种类以及聚醚之间比例对弹性垫板工作电阻的影响(工作电阻单位是1012)图6是三官能度以及两官能度聚醚种类以及聚醚之间比例对弹性垫板工作电阻的影响。从图6可以看出全三官能度和全两官能度聚醚体系弹性垫板的工作电阻较好，分别达到了1.91012和1.81012，而当两种聚醚的质量比为50/50时，弹性垫板的工作电阻最小为1.31012，当两种聚醚质量比为80/20和20/80时的垫板工作电阻在最高值与最低值之间。2.6 聚醚种类以及比例对弹性垫板耐油性体积膨胀率的影响弹性垫板的耐油性体积膨胀比参照GB/T 1690的规定进行测试。图7 聚醚种类以及聚醚之间比例对弹性垫板耐油性体积膨胀率的影响图7是三官能度以及两官能度聚醚种类以及聚醚之间比例对弹性垫板耐油性膨胀率的影响。从图7可以看出，随着三官能度聚醚比例的减少，两官能度聚醚比例的增加，所制备弹性垫板的耐油性体积膨胀率逐渐增加。其中全三官能度聚醚制备弹性垫板的耐油性膨胀率最小（1.31%），全两官能度制备弹性垫板的耐油性膨胀率最大（3.36%）。这很可能是由于三官能度聚醚比例的减少，两官能度聚醚比例的增加，使得体系的交联度降低，限制分子链滑移能力降低，进而垫板抗耐油性膨胀能力下降。3 结论（1）随着三官能度聚醚量的减少，两官能度聚醚量的增加，弹性垫板老化前后拉伸强度逐渐降低；老化前后断裂伸长率、动静刚度比、压缩永久变形和耐油性膨胀比逐渐增加；工作电阻先增加而后下降。（2）当三官能度聚醚与两官能度聚醚的质量比例为20/80的时候，弹性垫板的综合性能比较好（优先考虑动静刚度比，然后考虑其他性能）：弹性垫板老化前后的拉伸强度、老化前后断裂伸长率分别为：3.1MPa和3.05MPa，280.1%和191.1%，动静刚度比为1.38，压缩永久变形为3.21%，工作电阻为1.410