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CN106008911A - 钢轨扣件用垫板材料及其制备方法和用途 - Google Patents

钢轨扣件用垫板材料及其制备方法和用途 Download PDF

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CN106008911A
CN106008911A CN201610341796.6A CN201610341796A CN106008911A CN 106008911 A CN106008911 A CN 106008911A CN 201610341796 A CN201610341796 A CN 201610341796A CN 106008911 A CN106008911 A CN 106008911A
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CN
China
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component
backing plate
isocyanate
plate material
parts
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CN201610341796.6A
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杜卫超
毛昆朋
赵云行
马运章
徐超
贾颖华
陈梦
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China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS
Metals and Chemistry Research Institute of CARS
Beijing CARS Advanced Material Technology Co Ltd
Original Assignee
China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS
Metals and Chemistry Research Institute of CARS
Beijing CARS Advanced Material Technology Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种钢轨扣件用垫板材料及其制备方法和用途。本发明的垫板材料包括或由A组分和B组分制成，其中，A组分由如下质量份数的原料制成：A‑1扩链剂，100份，A‑2水，0‑50份，A‑3匀泡剂，10‑100份，A‑4催化剂，0.1‑2份，B组分由B‑1聚醚多元醇和B‑2异氰酸酯反应制成，其中所述B组分的异氰酸根的含量为1％‑10％(w/w)；其中，B组分中异氰酸根的物质的量与A组分中羟基的物质的量的比为1.05‑1.15。本发明的聚氨酯材料具有更好的耐磨特性、疲劳特性和回弹特性，另外由本发明聚氨酯材料制备的新型小半径曲线垫板增加了纤维增强层，其可以大幅度增加垫板抵抗横向变形的能力，同时还能提高垫板的刚度从而减少垂向变形。

Description

钢轨扣件用垫板材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于铁路钢轨扣件技术领域，具体涉及一种钢轨扣件用垫板材料及其制备方法和用途。
背景技术
轨下垫板是钢轨扣件中的重要部件，主要起到减振缓冲的功能。轮轨冲击产生的振动全部经由轨下垫板向下传递，良好质量的轨下垫板在保持轨道弹性的同时，可以很好地衰减轮轨振动，吸收能量，减少轮轨冲击对轨道结构的破坏。小半径曲线垫板用于小半径弯道区域，除了承受正常的车重产生的垂向力以外，还需承受转弯离心力造成的水平方向的横向力，因此，其使用条件非常苛刻。
目前，现有轨下垫板多采用实心的沟槽结构，也有部分采用平板结构或板钉结构，内里无夹层，在纵向力和横向力的同时作用下，内部无支撑结构，极容易被压溃，造成切枕等事故。
此外，现有轨下垫板多使用橡胶材料，如天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶等，也有少量使用聚氨酯制作，其原料异氰酸酯多采用MDI。但是现有轨下垫板的材料的刚度及耐疲劳性能不足以适应小半径曲线部位苛刻的条件，使用寿命往往是其它一般路段垫板使用寿命的几分之一到十几分之一。
鉴于小半径曲线地段的苛刻条件，小半径曲线垫板除了承受正常的车重产生的垂向力以外，还需承受转弯离心力造成的水平方向的横向力。然而由于现有垫板结构及材料不能满足现场使用要求，小半径曲线垫板在短时间内压溃失效现象较为普遍。本发明通过对垫板结构和材料的改良，使这种垫板能够适应小半径曲线的要求，延长了其使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种钢轨扣件用垫板材料及其制备方法和用途。本发明的钢轨扣件用垫板材料适用于小半径曲线垫板。
因此，本发明的一个目的是提供钢轨扣件用垫板材料，该材料适用于小半径曲线垫板。
本发明的另一个目的是提供制备上述钢轨扣件用垫板材料的方法。
本发明的再一个目的是提供上述钢轨扣件用垫板材料的用途，即将所述钢轨扣件用垫板材料制备成垫板，所述垫板内部可添加有增强层，且所述垫板可以为平板结构。
实现本发明目的的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种钢轨扣件用垫板材料，该垫板材料包括或由A组分和B组分制成，其中，A组分由如下质量份数的原料制成：
B组分由B-1聚醚多元醇和B-2异氰酸酯反应制成，其中所述B组分的异氰酸根的含量为1％-10％(w/w)，该异氰酸根的含量是指B-1聚醚多元醇和B-2异氰酸酯反应之后系统中剩余的异氰酸根的含量；
其中，B组分中异氰酸根的物质的量与A组分中羟基的物质的量的比为1.05-1.15；
优选地，上述垫板材料中，所述A组分由如下质量份数的原料制成：
更优选地，所述A组分由如下质量份数的原料制成：
最优选地，所述A组分由如下质量份数的原料制成：
优选地，所述B组分的异氰酸根含量为2％-8％(w/w)；
更优选地，所述B组分的异氰酸根含量为5％(w/w)；
优选地，B组分中异氰酸根的物质的量与A组分中羟基的物质的量的比为1.05-1.10；
更优选地，B组分中异氰酸根的物质的量与A组分中羟基的物质的量的比为1.05；
优选地，上述垫板材料中，所述A-1选自官能度为2的醇中的一种或多种；更优选地，所述A-1选自1，4-丁二醇、乙二醇、丙二醇(例如1,2-丙二醇或1,3-丙二醇)和1,4-环己二醇中的一种或多种；进一步优选地，所述A-1选自1,4-丁二醇、乙二醇和1,3-丙二醇中的一种或多种；最优选地，所述A-1为1,4-丁二醇。
优选地，上述垫板材料中，所述A-3为硅油。
优选地，上述垫板材料中，所述A-4选自三乙烯二胺、二吗啉二乙基醚、N-甲基咪唑、异辛酸铅、二月桂酸二异丁基锡、辛酸亚锡和醋酸钾中的一种或多种；更优选地，所述A-4为三乙烯二胺。
优选地，上述垫板材料中，所述B-1选自分子量为500-4000的聚醚多元醇中的一种或多种；更优选地，所述B-1选自分子量为1000-2000的聚醚多元醇中的一种或多种；或者所述B-1选自分子量为500-4000的聚四氢呋喃二醇中的一种或多种；更优选地，所述B-1为分子量为2000的聚四氢呋喃二醇。
优选地，上述垫板材料中，所述B-2选自甲苯二异氰酸酯、萘二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种；更优选地，所述B-2为萘二异氰酸酯。
另一方面，本发明提供一种上述垫板材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)将组分B-1聚醚多元醇加热至100-140℃，真空脱水2-3h；
2)将步骤1)得到的产品保持在100-140℃下，加入组分B-2异氰酸酯，体系先降温后升温，在体系温度达到100-140℃时，保持20-60min；
3)20-60min后体系降温至70℃，得到组分B；
4)将步骤3)得到的组分B与A-1扩链剂、A-2水、A-3匀泡剂和A-4催化剂快速混合，即得。
在一个具体实施方案中，所述垫板材料的制备方法如下：
1)PTMG2000(分子量为2000的聚四氢呋喃二醇)加热至130℃，真空脱水2h；
2)将步骤1)得到的产品保持在130℃下，直接加入计量好的NDI(萘二异氰酸酯)，加入后体系会出现降温现象，然后由于反应放热会出现体系升温的现象，在体系温度达到130℃时，保持30min；
3)30min后体系开始降温，降至70℃时作为B组分备用；
4)将料温70℃的B组分与计量好的1,4-丁二醇、水、硅油和催化剂快速混合好，即得。
再一方面，本发明提供所述的垫板材料用于制备钢轨扣件用垫板的用途；优选地，所述垫板为小半径曲线垫板；更优选地，所述垫板内部包含增强层，所述增强层优选为纤维增强层，更优选为布。
又一方面，本发明提供一种垫板，该垫板由所述的垫板材料制备而成；优选地，所述垫板为小半径曲线垫板；更优选地，所述垫板内部包含增强层，所述增强层优选为纤维增强层，更优选为布。
优选地，所述增强层以横向或纵向的不连续或连续方式存在于垫板内部；更优选地，所述增强层以横向或纵向连续分布的方式存在于垫板内部。
再又一方面，本发明提供一种所述垫板的制备方法，该方法包括：将所述的垫板材料倒入布置有增强层的温度为70-120℃，优选为100℃的垫板模具中，保持30min，出模，在70-120℃下，优选100℃下固化12-16h，优选15h，即得。
在一个具体实施方案中，所述垫板的制备方法如下：
1)PTMG2000(分子量为2000的聚四氢呋喃二醇)加热至100-140℃，真空脱水2h；
2)将步骤1)得到的产品保持在100-140℃下，直接加入计量好的NDI(萘二异氰酸酯)，加入后体系会出现降温现象，然后由于反应放热会出现体系升温的现象，在体系温度达到100-140℃计时20-60min；
3)20-60min后体系开始降温，降至60-80℃时作为B组分备用；
4)将布固定于上下模具之间，两端长于模具尺寸，并将布两端抻直，保持布在模具中平直。
5)将步骤3)得到的料温60-80℃的B组分与计量好的1,4-丁二醇、水、硅油和催化剂快速混合好，倒入70-120℃的垫板模具中；
6)在模具中约30min后，垫板可出模，出模后固化条件为(70-120)℃×(12-16)h。
目前常用的轨下垫板是橡胶材料，其耐磨性能、回弹性能和耐疲劳性能等方面无法达到现场使用的要求。本发明的聚氨酯材料具有更好的耐磨特性、疲劳特性和回弹特性。
另外，在由本发明聚氨酯材料制备的新型小半径曲线垫板中增加了纤维增强层，其可以大幅度增加垫板抵抗横向变形的能力，同时还能提高垫板的刚度从而减少垂向变形。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明的垫板的一个实施方案的正视截面图；
图2为本发明的垫板的一个实施方案的俯视图；
图3为普通垫板在既有线上使用1年后的效果图；
图4为本发明的垫板在既有线上使用1年后的效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1本发明的钢轨扣件用垫板材料
一种钢轨扣件用垫板材料，该垫板材料由A组分和B组分制成，其中，A组分由如下配方的原料制成：
B组分由199g B-1PTMG2000和49.8g B-2萘二异氰酸酯(NDI)反应制成，其中B组分的异氰酸根含量为5％(w/w)；
B组分中异氰酸根的物质的量与A组分中羟基的物质的量的比为1.05；
上述垫板材料的制备方法包括如下步骤：
1)将199g PTMG2000加热至130℃，真空脱水2h；
2)将步骤1)得到的产品保持在130℃下，直接加入配方量的NDI，加入后体系会出现降温现象，然后由于反应放热会出现体系升温的现象，在体系温度达到130℃计时30min；
3)30min后体系开始降温，降至70℃时作为B组分备用；
4)将料温70℃的B组分与配方量的1,4-丁二醇、水、硅油和三乙烯二胺快速混合好，即得。
实施例2本发明的垫板
使用实施例1的垫板材料来制备本发明的垫板。具体制备方法如下：
1)将199g PTMG2000加热至130℃，真空脱水2h；
2)将步骤1)得到的产品保持在130℃下，直接加入配方量的NDI，加入后体系会出现降温现象，然后由于反应放热会出现体系升温的现象，在体系温度达到130℃计时30min；
3)30min后体系开始降温，降至70℃时作为B组分备用；
4)将布固定于上下模具之间，两端长于模具尺寸，并将布两端抻直，保持布在模具中平直。
5)将步骤3)得到的料温70℃的B组分与配方量的1,4丁二醇、水、硅油和三乙烯二胺快速混合好，倒入100℃的步骤4)固定有布的垫板模具中；
6)在模具中约30min后，垫板可出模，出模后固化条件为100℃×15h。
图1为本实施例制备得到的垫板的正视截面图；图2为本实施例制备得到的垫板的俯视图。
实施例3 A-1扩链剂种类的筛选
使用表1所示配方的原料，采用实施例1所示方法制备钢轨扣件用垫板材料，然后采用该材料及实施例2所述方法制备钢轨扣件用垫板。其中当A-1分别为1,4-丁二醇、乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-环己二醇和一缩二乙二醇时，垫板依次编号为1#、2#、3#、4#和5#。然后分别测定5组垫板的动静刚度比、压缩永久变形、阿克隆磨耗、疲劳后厚度变化率、疲劳后静刚度变化率，动静刚度比、疲劳性能测试方法按照科技基(2007)207号文执行；阿克隆磨耗和压缩永久变形按照TB/T 2626-1995执行，结果如表1所示。
表1
实施例4 A-4催化剂种类的筛选
使用表2所示配方的原料，采用实施例1所示方法制备钢轨扣件用垫板材料。其中当A-4分别为三乙烯二胺、二吗啉二乙基醚、N-甲基咪唑、异辛酸铅、二月桂酸二异丁基锡、辛酸亚锡、醋酸钾和醋酸苯汞时，所制备的垫板材料依次编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#和8#。然后分别测定垫板材料的起发时间/s和指干时间/s，起发时间是指：A组分和B组分搅拌混合好后开始计时，至混合料开始膨胀的时间；指干时间的测定方法：将混合好的原料在室温23℃，湿度50％的条件下静置一定的时间，然后用无水乙醇擦净手指端部，轻轻接触试件上三个不同部位的样品。每隔5s，重复上述操作，直至无试样粘附在手指上为止。将试件成型后至试样不粘附在手指上所经历的时间记为指干时间。结果如表2所示。
表2
实施例5 B-1聚醚多元醇种类的筛选
使用表3所示配方的原料，采用实施例1所示方法制备钢轨扣件用垫板材料，然后采用该材料及实施例2所述方法制备钢轨扣件用垫板。其中当B-1分别为聚醚多元醇DL-1000(山东蓝星东大化工有限公司)、聚醚多元醇DL-2000(山东蓝星东大化工有限公司)、聚醚多元醇DL-4000(山东蓝星东大化工有限公司)、聚四氢呋喃二醇1000(BASF公司)、聚四氢呋喃二醇2000(BASF公司)、聚醚330N EP-330N(山东蓝星东大化工有限公司)和聚醚3050MN-3050N(山东蓝星东大化工有限公司)时，垫板依次编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#和7#。然后按照实施例3所述的方法，分别测定7组垫板的动静刚度比、压缩永久变形、阿克隆磨耗、疲劳后厚度变化率、疲劳后静刚度变化率，结果如表3所示。
表3
实施例6 B-2异氰酸酯种类的筛选
使用表4所示配方的原料，采用实施例1所示方法制备钢轨扣件用垫板材料，然后采用该材料及实施例2所述方法制备钢轨扣件用垫板。其中当B-2分别为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和奈二异氰酸酯时，垫板依次编号为1#、2#、3#和4#。然后按照实施例3所述的方法，分别测定4组垫板的动静刚度比、压缩永久变形、阿克隆磨耗、疲劳后厚度变化率、疲劳后静刚度变化率，结果如表4所示。
表4
实施例7水含量的筛选
使用表5所示配方的原料，采用实施例1所示方法制备钢轨扣件用垫板材料，然后采用该材料及实施例2所述方法制备钢轨扣件用垫板。并将制备的垫板编号为1#、2#、3#和4#。然后按照实施例3所述的方法，分别测定4组垫板的动静刚度比、压缩永久变形、阿克隆磨耗、疲劳后厚度变化率、疲劳后静刚度变化率，结果如表5所示。
表5
实施例8匀泡剂含量的筛选
使用表6所示质量份数的原料，采用实施例1所示方法制备钢轨扣件用垫板材料，然后采用该材料及实施例2所述方法制备钢轨扣件用垫板。并将制备的垫板编号为1#、2#和3#。然后按照实施例3所述的方法，分别测定3组垫板的动静刚度比、压缩永久变形、阿克隆磨耗、疲劳后厚度变化率、疲劳后静刚度变化率，结果如表6所示。
表6
实施例9催化剂含量的筛选
使用表7所示配方的原料，采用实施例1所示方法制备钢轨扣件用垫板材料，然后采用该材料及实施例2所述方法制备钢轨扣件用垫板。并将制备的垫板编号为1#、2#和3#。然后按照实施例4所述的方法，分别测定3组垫板材料的起发时间和指干时间，结果如表7所示。
表7
实施例10异氰酸根含量的筛选
使用表8所示配方的原料，采用实施例1所示方法制备钢轨扣件用垫板材料，然后采用该材料及实施例2所述方法制备钢轨扣件用垫板。并将制备的垫板编号为1#、2#和3#。然后按照实施例3所述的方法，分别测定3组垫板的动静刚度比、压缩永久变形、阿克隆磨耗、疲劳后厚度变化率、疲劳后静刚度变化率，结果如表8所示。
表8
实施例11
将目前常用的普通垫板,和本发明的垫板安放于既有线使用1年后取出，然后观察两种垫板的效果。其中普通垫板的配方如表9所示，其制备工艺采用一次硫化成型；本发明的垫板采用表10所示的配方，并按照实施例2所示方法制备。
图3为普通垫板在既有线上使用1年后的效果图；图4为本发明的垫板在既有线上使用1年后的效果图。
表9
组分 质量/g
丁苯橡胶 150
氧化锌 7.5
硬脂酸 1.50
防老剂RD 1.5
防老剂4010 1.5
进口硅微粉 120
炭黑N330 45
硅69 4.5
硫磺 1.5
TT 0.75
CZ 3
表10
实施例12 B组分反应时间探索实验
按照表11所示配方原料及反应条件，将配方量的PTMG2000加热至130℃，真空脱水2h；保持130℃下，直接加入配方量的NDI(萘二异氰酸酯)，在体系温度达到130℃计后开始计时，分别在10、20、30、40、50、60min时(相应编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#)从反应体系中取出50g产品进行粘度和异氰酸根NCO含量的测定，粘度测定按照GB/T12008.7-2010规定的方法进行，NCO含量的测定按照GB/T12009.4-1989规定的方法进行。
表11
实施例13 B组分中异氰酸根的物质的量与A组分中羟基的物质的量的比探索实验
根据表12中的原料及配方，采用实施例1所示方法制备钢轨扣件用垫板材料，然后采用该材料及实施例2所述方法制备钢轨扣件用垫板。并将制备的垫板编号为1#、2#和3#。然后按照实施例3所述的方法，分别测定3组垫板的动静刚度比、压缩永久变形、阿克隆磨耗、疲劳后厚度变化率、疲劳后静刚度变化率，结果如表12所示。
表12

Claims (10)

1.一种钢轨扣件用垫板材料，该垫板材料包括或由A组分和B组分制成，其中，A组分由如下质量份数的原料制成：
B组分由B-1聚醚多元醇和B-2异氰酸酯反应制成，其中所述B组分的异氰酸根的含量为1％-10％(w/w),该异氰酸根的含量是指B-1聚醚多元醇和B-2异氰酸酯反应之后系统中剩余的异氰酸根的含量；
其中，B组分中异氰酸根的物质的量与A组分中羟基的物质的量的比为1.05-1.15。
2.根据权利要求1所述的垫板材料，其中所述A组分由如下质量份数的原料制成：
优选地，所述A组分由如下质量份数的原料制成：
更优选地，所述A组分由如下质量份数的原料制成：
3.根据权利要求1或2所述的垫板材料，其中所述B组分的异氰酸根含量为2％-8％(w/w)，优选为5％(w/w)；
其中，B组分中异氰酸根的物质的量与A组分中羟基的物质的量的比为1.05-1.10，优选为1.05。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的垫板材料，其中所述A-1选自官能度为2的醇中的一种或多种；优选地，所述A-1选自1,4-丁二醇，乙二醇，丙二醇，1,4-环己二醇中的一种或多种；更优选地，所述A-1选自1,4-丁二醇，乙二醇和1,3-丙二醇中的一种或多种；最优选地，所述A-1为1,4-丁二醇；
优选地，所述A-3为硅油；
优选地，所述A-4选自三乙烯二胺，二吗啉二乙基醚，N-甲基咪唑，异辛酸铅，二月桂酸二异丁基锡，辛酸亚锡和醋酸钾中的一种或多种；更优选为三乙烯二胺。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的垫板材料，其中所述B-1选自分子量为500-4000的聚醚多元醇中的一种或多种；优选为分子量为1000-2000的聚醚多元醇中的一种或多种；更优选地，所述B-1选自分子量为500-4000的聚四氢呋喃二醇中的一种或多种；进一步优选地，所述B-1为分子量为2000的聚四氢呋喃二醇；
优选地，所述B-2选自甲苯二异氰酸酯、萘二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种；更优选地，所述B-2为萘二异氰酸酯。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的垫板材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)将组分B-1聚醚多元醇加热至100-140℃，真空脱水2-3h；
2)将步骤1)得到的产品保持在100-140℃下，加入组分B-2异氰酸酯，体系先降温后升温，在体系温度达到100-140℃时，保持20-60min；
3)20-60min后体系降温至70℃，得到组分B；
4)将步骤3)得到的组分B与A-1扩链剂、A-2水、A-3匀泡剂和A-4催化剂快速混合，即得；
优选地，该方法包括如下步骤：
1)PTMG2000(分子量为2000的聚四氢呋喃二醇)加热至130℃，真空脱水2h；
2)将步骤1)得到的产品保持在130℃下，直接加入计量好的NDI(萘二异氰酸酯)，加入后体系会出现降温现象，然后由于反应放热会出现体系升温的现象，在体系温度达到130℃时，保持30min；
3)30min后体系开始降温，降至70℃时作为B组分备用；
4)将料温70℃的B组分与计量好的1,4-丁二醇、水、硅油和催化剂快速混合好，即得。
7.权利要求1至5中任一项所述的垫板材料用于制备钢轨扣件用垫板的用途；优选地，所述垫板为小半径曲线垫板；更优选地，所述垫板内部包含增强层，所述增强层优选为纤维增强层，更优选为布。
8.一种垫板，该垫板由权利要求1至5中任一项所述的垫板材料制备而成；优选地，所述垫板为小半径曲线垫板；更优选地，所述垫板内部包含增强层，所述增强层优选为纤维增强层，更优选为布。
9.根据权利要求8所述的垫板，其中所述增强层以横向或纵向的不连续或连续方式存在于垫板内部；优选地，所述增强层以横向或纵向连续分布的方式存在于垫板内部。
10.一种权利要求8或9所述的垫板的制备方法，该方法包括：将权利要求1至5中任一项所述的垫板材料倒入布置有增强层的温度为70-120℃，优选为100℃的垫板模具中，保持30min，出模，在70-120℃下，优选100℃下固化12-16h，优选15h，即得。
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