申一彤 王月華 仇 鵬，，3 董全霄，，3* 和 健 高衛(wèi)峰

(1.河北鐵科翼辰新材科技有限公司 河北石家莊052160)

(2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所 北京100081)

(3.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司 北京102206)

聚氨酯彈性墊板為無(wú)砟軌道中WJ-8型扣件系統(tǒng)中重要零部件，用于鋼軌和混凝土軌枕之間，為其提供必要的彈性[1-2]。制備聚氨酯彈性墊板通常采用澆注模壓成型方式，通過(guò)低壓澆注機(jī)按照一定比例將多元醇與異氰酸酯組合料混合均勻后澆注到模具中，在一定溫度下固化發(fā)泡成型，得到一種微孔彈性體材料。生產(chǎn)工藝直接影響聚氨酯彈性墊板的性能。

本試驗(yàn)使用低壓發(fā)泡澆注機(jī)制備了WJ-8B聚氨酯彈性墊板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)彈性墊板)，在原材料配方不變的情況下，探究了彈性墊板生產(chǎn)過(guò)程中各種工藝因素如水分、模溫、A/B料混合比例(A為多元醇組合料，B為二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)預(yù)聚體，混合比例均為質(zhì)量比)、澆注重量及熟化環(huán)境溫度對(duì)其性能的影響。試驗(yàn)選取靜剛度、壓縮永久變形、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、尺寸收縮率等檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行分析討論，確定了影響彈性墊板性能的主要因素，并為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及設(shè)備

聚四氫呋喃二醇(PTMG，Mn＝2 000)，上海麥克林生化科技有限公司；二苯基甲烷二異氰酸酯MDI-50，萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司；1，4-丁二醇，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；二月桂酸二丁基錫，廣東云星生物技術(shù)有限公司；雙(二甲氨基乙基)醚，康迪斯化工(湖北)有限公司；抗氧化劑1010，濟(jì)南愛(ài)敏化工有限公司。以上均為工業(yè)級(jí)。聚碳酸亞丙酯二醇(Mn＝3 000)，自制。

KAS型聚氨酯澆注機(jī)，青島泰光機(jī)械有限公司；870KF型卡氏水分儀，瑞士萬(wàn)通公司；E45.305E型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司；TCS-2000型電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)、GT-7017-EL型老化試驗(yàn)箱，高鐵檢測(cè)儀器(東莞)有限公司。

1.2 樣品制備

A料制備方法:將聚碳酸亞丙酯二醇60份，聚四氫呋喃二醇30份，1，4-丁二醇9份，蒸餾水0.15～0.25份，二月桂酸二丁基錫0.05份，雙(二甲氨基乙基)醚0.1份，抗氧劑1010 0.5份，勻泡劑0.15份倒入塑料容器，以3 000 r/min的速率攪拌10 min。

B料制備方法:首先將聚碳酸亞丙酯二醇和聚四氫呋喃二醇混合物(質(zhì)量比2∶1)在110℃下真空脫水2～3 h，測(cè)定水分小于0.1%后，冷卻至50～60℃，加入MDI-50，逐漸升溫至70℃，在氮?dú)鈼l件下反應(yīng)1～2 h，測(cè)定NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12%即停止反應(yīng)，降溫出料。

將A料預(yù)熱至40℃，B料預(yù)熱至45℃，測(cè)量并調(diào)整A料中的水含量，當(dāng)原料溫度與水分合適后將A、B料分別注入澆注機(jī)料罐，模具在烘道中預(yù)熱至指定溫度，然后設(shè)定所需的澆注比例及澆注重量，并取樣計(jì)量進(jìn)行確認(rèn)；再啟動(dòng)設(shè)備對(duì)模具完成澆注，自動(dòng)合模并鎖好夾緊鉗，進(jìn)入烘道中進(jìn)行熱固化，時(shí)間為15 min。自動(dòng)開(kāi)模取出產(chǎn)品，并停放在指定環(huán)境溫度下12 h。彈性墊板實(shí)物如圖1所示。

圖1 彈性墊板實(shí)物圖

1.3 性能測(cè)試

彈性墊板的性能需滿(mǎn)足《高速鐵路扣件第5部分:WJ-8型扣件》TB/T 3395.1—2015中的要求，具體指標(biāo)如表1所示。

表1 彈性墊板性能指標(biāo)

每組分別選取2件彈性墊板做壓縮永久變形、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率性能測(cè)試，最終結(jié)果取平均值。

拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率按照GB/T 10654—2001進(jìn)行測(cè)試。每件彈性墊板取3個(gè)試樣進(jìn)行性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果取中位數(shù)。

壓縮永久變形按照GB/T 10653—2001方法C進(jìn)行測(cè)試。每塊墊板取6個(gè)試樣，分成兩組進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)條件為:(70±1)℃，22 h，壓縮率30%。

靜剛度按照TB/T 3395.1—2015中的檢驗(yàn)方法測(cè)試，每組分別選取3件彈性墊板測(cè)試。

每組選取10件彈性墊板完成尺寸測(cè)量，其中只記錄彈性墊板的長(zhǎng)度，取平均數(shù)作為最終尺寸，并結(jié)合模具尺寸進(jìn)行線(xiàn)性收縮率的計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 A料水分的影響

本實(shí)驗(yàn)在A/B料質(zhì)量比為100∶90、模溫65℃、澆注量340 g、熟化環(huán)境23℃條件下，考察A料水分對(duì)彈性墊板性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表2，A料水分對(duì)彈性墊板密度的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。

表2 A料水分對(duì)彈性墊板性能的影響

圖2 A料水分對(duì)彈性墊板密度的影響

由表2可見(jiàn)，當(dāng)A料中水分從0.14%增加至0.22%時(shí)，彈性墊板拉斷伸長(zhǎng)率基本不變，而靜剛度、拉伸強(qiáng)度、收縮率隨之降低，壓縮永久變形隨之增大。由圖2可見(jiàn)，隨著水分的增加，彈性墊板密度呈降低趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)A料中水分增加時(shí)，相當(dāng)于發(fā)泡劑增加[3]，彈性墊板密度降低，靜剛度隨之降低；受泡孔結(jié)構(gòu)變化影響，其拉伸強(qiáng)度、收縮率隨之降低，壓縮永久變形隨之增大。綜合考慮，A料水分以0.18%為宜，此條件下彈性墊板的性能達(dá)到要求，且尺寸穩(wěn)定性較好。

2.2 A/B料混合比例的影響

本實(shí)驗(yàn)在A料水分0.18%、模溫65℃、澆注量340 g、熟化環(huán)境23℃條件下，考察A/B料混合質(zhì)量比對(duì)彈性墊板性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 A/B料質(zhì)量比對(duì)彈性墊板性能的影響

由表3可見(jiàn)，當(dāng)預(yù)聚體用量增加，A/B料混合質(zhì)量比從100∶86變?yōu)?00∶94時(shí)，彈性墊板靜剛度隨之增大，壓縮永久變形、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、收縮率隨之降低。這是因?yàn)锽組分比例提高，硬段含量隨之增加，反應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)聚力較大的氨基甲酸酯，極性基團(tuán)的增加導(dǎo)致氫鍵增加、物理交聯(lián)度增加，彈性墊板靜剛度增加[4－6]，泡孔結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，彈性墊板冷卻時(shí)收縮率降低，壓縮永久變形也呈降低趨勢(shì)。而在拉伸過(guò)程中可能因?yàn)槌霈F(xiàn)應(yīng)力集中，使得拉伸強(qiáng)度及拉斷伸長(zhǎng)率降低。綜合考慮生產(chǎn)波動(dòng)，靜剛度指標(biāo)處于中值時(shí)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)較小，所以當(dāng)A/B料混合質(zhì)量比選擇100∶90時(shí)彈性墊板綜合性能較好。

2.3 澆注量的影響

本實(shí)驗(yàn)在A料水分為0.18%、A/B料質(zhì)量比為100∶90、模溫為65℃、熟化環(huán)境為23℃條件下，考察澆注量對(duì)彈性墊板性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 澆注量對(duì)彈性墊板性能的影響

由表4可見(jiàn)，當(dāng)澆注量從320 g增加至360 g時(shí)，彈性墊板的靜剛度、拉伸強(qiáng)度明顯增大，而壓縮永久變形、收縮率減小，拉斷伸長(zhǎng)率基本不變。這是因?yàn)闈沧⒘康脑黾?，發(fā)泡過(guò)程受到模具空間和壓力限制，使得彈性墊板密度增大，靜剛度隨之增大，力學(xué)強(qiáng)度提高，壓縮永久變形減小，收縮率減小。綜合分析，當(dāng)澆注量選擇340 g時(shí)彈性墊板的綜合性能較好。

2.4 模溫的影響

本實(shí)驗(yàn)在A料水分為0.18%、A/B料混合質(zhì)量比為100∶90、澆注重量為340 g、熟化環(huán)境為23℃條件下，考察模溫對(duì)彈性墊板性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 模溫對(duì)彈性墊板性能的影響

由表5可見(jiàn)，當(dāng)模溫從55℃增加至75℃時(shí)，彈性墊板的壓縮永久變形、收縮率有增大趨勢(shì)，而靜剛度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率較為穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著模溫的增加，模溫與原料溫度相差越大，導(dǎo)致彈性墊板各部分反應(yīng)不均勻，使得彈性墊板收縮率、壓縮永久變形略有增大。且在實(shí)際生產(chǎn)中，模具溫度過(guò)低導(dǎo)致型腔內(nèi)產(chǎn)品容易出現(xiàn)缺膠情況；而模具溫度過(guò)高，使得反應(yīng)速度過(guò)快，氣泡在模具內(nèi)不能及時(shí)排出，導(dǎo)致產(chǎn)品表面容易出現(xiàn)氣泡缺陷。綜合考慮，當(dāng)模溫選擇65℃時(shí)，彈性墊板綜合性能較好。

2.5 熟化環(huán)境溫度的影響

本實(shí)驗(yàn)在A料水分為0.18%、A/B料質(zhì)量比為100∶90、澆注量340 g、模溫65℃條件下，考察熟化環(huán)境溫度對(duì)彈性墊板性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 熟化環(huán)境溫度對(duì)彈性墊板性能的影響

由表6可見(jiàn)，隨著熟化環(huán)境溫度的提高，彈性墊板靜剛度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率基本不變；壓縮永久變形呈輕微的減小趨勢(shì)，這是因?yàn)閺椥詨|板出模后反應(yīng)未完全，高溫有利于反應(yīng)的延續(xù)，同時(shí)有利于無(wú)定型鏈的重新取向形成規(guī)整排列[7]，使得其壓縮永久變形減小。收縮率隨著熟化環(huán)境溫度的增大而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)閺椥詨|板出模后，環(huán)境溫度偏低，導(dǎo)致墊板內(nèi)的泡孔會(huì)收縮并穩(wěn)固定型，使得彈性墊板在環(huán)境溫度較低時(shí)收縮率偏大；而當(dāng)環(huán)境溫度偏高時(shí)，有利于固化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，熟化環(huán)境溫度高于23℃則可能因交聯(lián)程度增加，使得收縮率有增大趨勢(shì)。綜合考慮，熟化環(huán)境溫度選擇23℃時(shí)，彈性墊板性能及尺寸穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)論

當(dāng)水分為0.18%、A/B料質(zhì)量比為100∶90、澆注量為340 g、模溫為65℃、在烘道中時(shí)間為15 min、23℃環(huán)境溫度下后熟化12 h時(shí)，聚氨酯彈性墊板綜合性能較好，其拉伸強(qiáng)度大于3.2 MPa，壓縮永久變形約3.23%，靜剛度在23.4 kN/mm左右，收縮率約0.77%。其中模溫及熟化環(huán)境溫度對(duì)彈性墊板性能影響較小，在保證產(chǎn)品外觀(guān)的情況下，適當(dāng)改變模溫有利于尺寸調(diào)整，保證12 h熟化環(huán)境溫度恒定使得彈性墊板尺寸穩(wěn)定性較好。