CN102585364A - 轨道交通路轨用绝缘缓冲垫材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种轨道交通路轨用绝缘缓冲垫材料及其制备方法，原料配方主要由10~30重量份的丁苯橡胶、10~30重量份的三元乙丙橡胶、15~40重量份的聚丙烯、5~20重量份的POE、5~15重量份的橡胶油、15~25重量份的填料及一定重量分数的助剂组成，通过动态硫化工艺制备。本发明制得的热塑性弹性体能够满足轨道交通路轨用绝缘缓冲垫材料的基本性能要求，而且成本低，价格便宜。
Description
技术领域
本发明涉及高铁、地铁等轨道交通路轨用绝缘缓冲垫材料及其制备方法。
背景技术
高铁、地铁等轨道交通路轨用绝缘缓冲垫，用于钢轨与混凝土轨枕之间，它的主要作用是缓冲车辆高速通过路轨时所产生的振动和冲击，保护路基和轨枕，并对信号系统进行电绝缘。此外，由于该绝缘缓冲垫长期裸露于大气中，因此要求具有良好的耐自然老化以及耐寒、耐热性能。据了解，目前我国对绝缘缓冲垫材料的基本要求包含：邵氏A硬度为90～94度；拉伸强度大于18.0MPa；伸长率大于700%等。
从材料性能上看，目前常规的动态硫化三元乙丙橡胶热塑性弹性体具有优异的耐老化、耐高低温以及良好的绝缘性能，但其拉伸强度低于18.0MPa。热塑性聚酯弹性体（TPEE）是含有聚酯硬段和聚醚软段的嵌段共聚物，它具有结构强度高、耐蠕变性好、回弹性优异、抗冲和耐弯曲疲劳、耐磨、尺寸稳定的特点。这种材料在低温时具有柔韧性，在高温下也能保持良好的性能，是目前轨道交通路轨用绝缘缓冲垫首选的材料。但是这种材料生产成本太高，价格昂贵，不利于大面积推广应用。
发明内容
本发明提供一种轨道交通路轨用绝缘缓冲垫材料及其制备方法，目的是要开发一种新的绝缘缓冲垫材料，解决目前使用热塑性聚酯弹性体（TPEE）作为绝缘缓冲垫材料成本高，而使用常规的动态硫化三元乙丙橡胶热塑性弹性体作为绝缘缓冲垫材料拉伸强度不够的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种轨道交通路轨用绝缘缓冲垫材料及其制备方法，其原料配方主要由下列重量份的材料组成：
丁苯橡胶 10~ 30份；
三元乙丙橡胶 10 ~ 30份；
聚丙烯 15 ~40份；
聚烯烃热塑性弹性体（POE） 5 ~20份；
填料 15 ~ 25份；
橡胶油 5 ~ 15份；
交联剂 0.2 ~ 1.0份；
交联助剂 0.2 ~ 1.0份；
其中：
（1）所述丁苯橡胶中，苯乙烯的含量为丁苯橡胶总重量的30% ~35%，带不饱和双键的活性基团的含量为丁苯橡胶总重量的1% ~10%；所述丁苯橡胶的密度在0.90克/立方厘米~0.92克/立方厘米之间；
（2）所述三元乙丙橡胶的门尼粘度为20～100（ML 1+4，125℃）门尼值；三元乙丙橡胶由三种单体经共聚反应合成，其中，第一单体为乙烯，其重量含量为三种单体总重量的50%～75%；第二单体为丙烯，其重量含量为三种单体总重量的20%～40%；第三单体为乙叉降冰片烯（ethylidene norbornene，ENB）或者乙烯降冰片烯（Vinyl norbornene，VNB），其重量含量为三种单体总重量的2%～10%；
（3）所述聚丙烯为丙烯的均聚物，或者为乙烯和丙烯的共聚物，熔融指数为0.2到30.0克/10分钟；
（4）所述聚烯烃热塑性弹性体（POE）是乙烯和α烯烃的共聚物，熔融指数为0.5到2.0克/10分钟；
（5）所述填料选择滑石粉、陶土、高岭土和碳酸钙中的一种，或者是它们中至少两种按任意比列的组合物，粒径小于1200目；
（6）所述橡胶油为白油、石蜡油或环烷油，其在40℃条件下的运动粘度在40平方毫米/秒～200平方毫米/秒之间；
（7）所述交联剂为有机过氧化物，该有机过氧化物选自下列化合物中的一种：
2，5-双（特丁基过氧化）-2，5-二甲基-3-己炔；
2，5-双（特丁基过氧化）-2，5-二甲基己烷；
过氧化二异丙苯；
叔丁基过氧化异丙基碳酸脂；
过氧化叔丁基异丙苯；
1,4-双叔丁基过氧异丙基苯；
（8）所述交联助剂选自下列化合物中的一种：
二苯甲烷双马来酰亚胺；
1，6-己二醇双丙烯酸酯；
N，N’-间苯撑双马来酰亚胺；
三甲基丙烷三甲基甲烷丙烯酸酯。
将所述原料配方中的材料按照各自的重量份数配好后送入双螺杆挤出机中进行动态硫化反应；其中，双螺杆挤出机的工艺参数为：双螺杆挤出机的螺杆长径比为38～58∶1；螺杆的转速为200～500转/分钟；螺杆温度为140℃～220℃。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1.上述方案中，所述原料配方中还可以包含0.1～1.5重量份的抗氧剂，所述抗氧剂选自下列材料中的一种，或者至少两种按任意比列的组合：
四[β－(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯（商品名：抗氧剂1010）；
3,3’-硫代丙酸月桂醇酯（生产厂商：迪比喜化学贸易（上海）有限公司，地址：上海市漕河泾开发区田州路99号新安大楼）；
亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯（商品名：抗氧剂168）。
2.上述方案中，所述原料配方中还可以包含0.1～1.5重量份的抗紫外线剂，所述抗紫外线剂选自下列材料中的一种，或者至少两种按任意比列的组合：
2-（2’-羟基-3’5’-二叔丁基苯基）-5-氯代苯并三唑（商品名：紫外线吸收剂UV-327）；
2-（2’-羟基-3’-叔丁基-5’-甲基苯基）-5-氯代苯并三唑（商品名：紫外线吸收剂UV-326）；
2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮（商品名：紫外线吸收剂UV-531）；
2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮（商品名：紫外线吸收剂UV-9）。
3.上述方案中，所述原料配方中还可以包含0.1～1.5重量份的润滑剂，所述润滑剂选自下列材料中的一种，或者至少两种按任意比列的组合：
石蜡；
硬脂酸；
硬脂酸锌；
硬脂酸钙。
4.上述方案中，所述“重量份”是指以任意重量为1份来表示的含量单位。
5.上述方案中，门尼粘度是衡量橡胶平均分子量及可塑性的一个指标，门尼粘度用门尼粘度计测量。门尼粘度计是一个标准的转子，以恒定的转速（一般2转/分），在试样中转动。转子转动所受到的剪切阻力大小与试样在硫化过程中的粘度变化有关，可通过测力装置显示在以门尼为单位的刻度盘上，以相同时间间隔读取数值可作出门尼硫化曲线。门尼粘度的单位为（Z 1+4，125℃），按照GB 1232标准规定，门尼（转动）粘度以符号Z125℃ 1+4 表示。其中Z表示转动粘度值；1表示预热时间为1min；4表示转动时间为4min；125℃表示试验温度为125℃，习惯上常以ML125℃ 1+4 表示门尼粘度（GB/T 1233－2008 《未硫化橡胶初期硫化特性的测定 用圆盘剪切黏度计进行测定》）。
6.上述方案中，在国际单位制中，运动粘度单位为斯，即每秒平方米(m2/S)，实际测定中常用厘斯(cst)，表示厘斯的单位为每秒平方毫米(即 1cst=1mm2/S)。运动粘度广泛用于测定喷气燃料油、柴油、润滑油等液体石油产品深色石油产品、使用后的润滑油、原油等的粘度，运动粘度的测定采用逆流法。
7.上述方案中，熔融指数（Ｍelting Index，MI）：热塑性塑料在一定温度和压力下，熔体在十分钟内通过标准毛细管的重量值，以（g/10min）来表示。
8.上述方案中，所述动态硫化是指橡塑共混体系在一定温度和高剪切速率之下，边共混边进行硫化的过程，这种新型硫化工艺所制得的橡塑共混体既能保持树脂的热塑性，又能保持橡胶的弹性。
本发明的设计原理和效果是：通过选择含不饱和双键的丁苯橡胶、聚烯烃热塑性弹性体（POE）和三元乙丙橡胶复配作为橡胶相的方式进行动态硫化，利用丁苯橡胶的高强度和聚烯烃热塑性弹性体（POE）的低成本特性制备出性能满足轨道交通路轨用绝缘缓冲垫要求，而且成本低的新材料。本发明制得的绝缘缓冲垫材料的主要物理机械性能指标如下：
邵氏A硬度（GB/T531）： 90 ~ 94度；
拉伸强度（GB/T528）： 18.0 Mpa；
伸长率（GB/T528）： 700%；
密度（GB/T1033）： ≦0.99 g/cm3。
从以上物理机械性能指标可以看出，本发明制得材料的拉伸强度比常规的动态硫化三元乙丙橡胶热塑性弹性体高，同时成本比热塑性聚酯弹性体（TPEE）低，综合性能能够满足轨道交通路轨用绝缘缓冲垫材料的要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1~5：轨道交通路轨用绝缘缓冲垫材料及其制备方法
根据表1中实施例1~5以及比较例的原料配方，将丁苯橡胶、聚丙烯、三元乙丙橡胶、聚烯烃热塑性弹性体（POE）、填料、交联剂和抗氧剂等在塑料混合锅中混合5分钟，将该混合物从双螺杆挤出机的主喂料口加入，喂料速率50公斤/小时，将橡胶油从双螺杆的中间区加入调节产品硬度到设定值。双螺杆挤出机的直径为65毫米，长径比为48：1，温度控制范围为140℃~220℃，螺杆转速控制在200转/分钟~500转/分钟。性能见表2。
表1：实施例1~实施例5以及比较例的原料配方（单位：重量份数）
| 项目 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 实例4 | 实例5 | 比较例 |
| 丁苯橡胶 | 25 | 20 | 15 | 10 | 10 | 0 |
| 聚丙烯 | 35 | 18 | 15 | 22 | 23 | 35 |
| 三元乙丙橡胶 | 15 | 20 | 20 | 25 | 15 | 40 |
| POE | 5 | 5 | 5 | 10 | 15 | 0 |
| 填料 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 橡胶油 | 15 | 5 | 5 | 10 | 10 | 15 |
| 交联剂 | 0.6 | 0.6 | 0.4 | 0.4 | 0.5 | 0.5 |
| 交联助剂 | 0.9 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
| 抗氧剂 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 润滑剂 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| 抗紫外剂 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.1 |
表1的内容说明如下：
1. 丁苯橡胶采用日本旭化成公司的TUFTEC N510。该丁苯橡胶中，苯乙烯的含量在丁苯橡胶总重量的30% ~35%范围内，带不饱和双键的活性基团的含量在丁苯橡胶总重量的1% ~10%范围内。该丁苯橡胶的密度在0.90克/立方厘米~0.92克/立方厘米之间。
2. 聚丙烯采用扬子石化公司的S700，熔融指数在0.2到30.0克/10分钟之间。
3. 三元乙丙橡胶采用日本三井公司的EPT 3092PM，门尼粘度在20～100（ML 1+4，125℃）门尼值范围内。
4. POE为聚烯烃热塑性弹性体，采用日本三井公司的 DF 810。
5. 填料采用滑石粉，粒径小于1200目。
6. 橡胶油采用环烷油，其在40℃条件下的运动粘度在40平方毫米/秒～200平方毫米/秒之间。环烷油在双螺杆挤出时从双螺杆的中间区加入调节产品硬度到设定值。
7. 交联剂采用2，5-双（特丁基过氧化）-2，5-二甲基己烷。
8. 交联助剂采用三甲基丙烷三甲基甲烷丙烯酸酯。
9. 抗氧剂采用四[β－(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯（商品名：抗氧剂1010）。
10. 润滑剂采用硬脂酸钙。
11. 抗紫外线剂采用2-（2’-羟基-3’5’-二叔丁基苯基）-5-氯代苯并三唑（商品名：紫外线吸收剂UV-327）。
表2：实施例1~实施例5以及比较例的性能对比
| 性能 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 实例4 | 实例5 | 比较例 |
| 硬度，邵A | 92 | 93 | 93 | 92 | 93 | 93 |
| 拉伸强度，% | 21.8 | 20.2 | 19.2 | 18.7 | 18.2 | 15.4 |
| 伸长率，KN/m | 810 | 800 | 780 | 790 | 780 | 720 |
| 密度，g/cm3 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 |
从表2可以看到：比较例属于标准的动态硫化纯三元乙丙橡胶弹性体配方，产品的拉伸强度只有15.4MPa，达不到高铁要求的大于18.0MPa的标准。而实例1至实例5中由于加入了丁苯橡胶的成分，产品的拉深强度都大于18.0MPa，而伸长率都大于700%，满足高铁绝缘缓冲垫的基本要求。而且产品密度只有0.99 g/cm3，比目前的热塑性聚酯弹性体轻20%左右。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施。本领域技术人员在上述实施例的启发下只要将原料配方在本发明限定的范围内作变化也同样能够获得等同的效果。比如将橡胶油改为白油或石蜡油；将填料改为碳酸钙、陶土或高岭土；将POE DF810改为埃克森美孚化工的EXACT弹性体；将交联剂改为2，5-双（特丁基过氧化）-2，5-二甲基-3-己炔；过氧化二异丙苯；叔丁基过氧化异丙基碳酸脂；过氧化叔丁基异丙苯；或者1,4-双叔丁基过氧异丙基苯；将交联助剂改为二苯甲烷双马来酰亚胺；1，6-己二醇双丙烯酸酯；或者N，N’-间苯撑双马来酰亚胺；将抗氧剂改为3,3’-硫代丙酸月桂醇酯；或者亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯（商品名：抗氧剂168）；将抗紫外线剂改为2-（2’-羟基-3’-叔丁基-5’-甲基苯基）-5-氯代苯并三唑（商品名：紫外线吸收剂UV-326）；2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮（商品名：紫外线吸收剂UV-531）；或者2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮（商品名：紫外线吸收剂UV-9）；将润滑剂改为石蜡、硬脂酸或硬脂酸锌。另外，原料配方中各组份的重量份数也可以在本发明限定的范围内作调整和变化，同样能够获得等同的效果。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种轨道交通路轨用绝缘缓冲垫材料，其特征在于：原料配方主要由下列重量份的材料组成：
丁苯橡胶 10~ 30份；
三元乙丙橡胶 10 ~ 30份；
聚丙烯 15 ~40份；
聚烯烃热塑性弹性体 5 ~20份；
填料 15 ~ 25份；
橡胶油 5 ~ 15份；
交联剂 0.2 ~ 1.0份；
交联助剂 0.2 ~ 1.0份；
其中：
（1）所述丁苯橡胶中，苯乙烯的含量为丁苯橡胶总重量的30% ~35%，带不饱和双键的活性基团的含量为丁苯橡胶总重量的1% ~10%；所述丁苯橡胶的密度在0.90克/立方厘米~0.92克/立方厘米之间；
（2）所述三元乙丙橡胶由三种单体经共聚反应合成，其中，第一单体为乙烯，其重量含量为三种单体总重量的50%～75%；第二单体为丙烯，其重量含量为三种单体总重量的20%～40%；第三单体为乙叉降冰片烯或者乙烯降冰片烯，其重量含量为三种单体总重量的2%～10%；
（3）所述聚丙烯为丙烯的均聚物，或者为乙烯和丙烯的共聚物，熔融指数为0.2到30.0克/10分钟；
（4）所述聚烯烃热塑性弹性体是乙烯和α烯烃的共聚物，熔融指数为0.5到2.0克/10分钟；
（5）所述填料选择滑石粉、陶土、高岭土和碳酸钙中的一种，或者是它们中至少两种按任意比列的组合物；
（6）所述橡胶油为白油、石蜡油或环烷油，其在40℃条件下的运动粘度在40平方毫米/秒～200平方毫米/秒之间；
（7）所述交联剂为有机过氧化物，该有机过氧化物选自下列化合物中的一种：
2，5-双（特丁基过氧化）-2，5-二甲基-3-己炔；
2，5-双（特丁基过氧化）-2，5-二甲基己烷；
过氧化二异丙苯；
叔丁基过氧化异丙基碳酸脂；
过氧化叔丁基异丙苯；
1,4-双叔丁基过氧异丙基苯；
（8）所述交联助剂选自下列化合物中的一种：
二苯甲烷双马来酰亚胺；
1，6-己二醇双丙烯酸酯；
N，N’-间苯撑双马来酰亚胺；
三甲基丙烷三甲基甲烷丙烯酸酯。
2.根据权利要求1所述的绝缘缓冲垫材料，其特征在于：所述原料配方中还包含0.1～1.5重量份的抗氧剂，所述抗氧剂选自下列材料中的一种，或者至少两种按任意比列的组合：
四[β－(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯；
3,3’-硫代丙酸月桂醇酯；
亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯。
3.根据权利要求1所述的绝缘缓冲垫材料，其特征在于：所述原料配方中还包含0.1～1.5重量份的抗紫外线剂，所述抗紫外线剂选自下列材料中的一种，或者至少两种按任意比列的组合：
2-（2’-羟基-3’5’-二叔丁基苯基）-5-氯代苯并三唑；
2-（2’-羟基-3’-叔丁基-5’-甲基苯基）-5-氯代苯并三唑；
2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮；
2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮。
4.根据权利要求1所述的绝缘缓冲垫材料，其特征在于：所述原料配方中还包含0.1～1.5重量份的润滑剂，所述润滑剂选自下列材料中的一种，或者至少两种按任意比列的组合：
石蜡；
硬脂酸；
硬脂酸锌；
硬脂酸钙。
5.一种轨道交通路轨用绝缘缓冲垫材料的制备方法，其特征在于：根据权利要求1～4之一所述的绝缘缓冲垫材料，将所述原料配方中的材料按照各自的重量份数配好后送入双螺杆挤出机中进行动态硫化反应；其中，双螺杆挤出机的工艺参数为：双螺杆挤出机的螺杆长径比为38～58∶1；螺杆的转速为200～500转/分钟；螺杆温度为140℃～220℃。
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