CN105037673B - 一种聚氨酯弹性材料及其在重载道岔中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚氨酯弹性体材料，由以下重量份的物质组成：聚氨酯预聚体8‑11份和硫化剂0.4‑0.7份；并通过包括以下步骤的方法制备得到：(1)配料液化；(2)混料；(3)成型；(4)修整及均匀化，即得成品。本发明还提供了上述材料在重载道岔中的应用，采用本发明所提供的材料制造的重载道岔用弹性体垫板，硬度适中、韧性好、伸长率高、强度高、优异的耐磨性能、承载能力大、抗冲击性能高、耐疲劳及抗震动。完全能满足重载道岔使用需求。

Description

一种聚氨酯弹性材料及其在重载道岔中的应用
技术领域
本发明涉及材料工程领域，特别是一种聚氨酯弹性材料，该材料的制作工程中采用了特定的工艺及参数，所用材料采用了特定的配伍和配比，得到了综合性能满足重载道岔用弹性垫板使用的聚氨酯弹性材料。
背景技术
目前，世界范围内铁路轨结构中，在钢轨和轨枕之间加设有弹性垫层，作为缓冲装置，减小轮轨之间的动力作用，以减少行车时钢轨和轨枕之间的振动，降低振动损害及噪音。铁路工务用垫板使用量约为每公里3640块。铁路工务用垫板按材质可分为三种：橡胶垫板、热塑性弹性体垫板(TPEE)、聚氨基甲酸酯垫板(简称聚氨酯，即PU)。橡胶垫板是铁路工务用垫板中历史最为悠久的，由于橡胶材料本身的特性，其使用过程中静刚度会随使用时间的延长而增加，在运载量达到8亿吨时仍未达到峰值，进而引起垫板压溃、掉块等问题，一定程度上限制了橡胶垫板的使用性能稳定性，且橡胶材料耐油、耐溶解性差，回收利用率不高。热塑性弹性体垫板(TPEE)在抗载荷方面优于橡胶垫板，但其耐磨及抗蠕变性能较差，耐热性不如橡胶，且压缩变形和耐久性差，失效方式多表现为厚度不足、易于老化。而聚氨基甲酸酯垫板(PU)的使用则受到原材料成分配比对其加工工艺可操作性的制约，并且存在载荷作用下容易产生内热的问题。PU是由二元或多元异氰酸酯与二元或多元羟基化合物作用而成的高分子化合物，是分子结构中含有—NHCOO—单元的高分子化合物，该单元由异氰酸基和羟基反应而成，反应式如下：—N＝C＝O+HOˉ→—NH-COOˉ。
目前已有广泛的研究关注如何以PU为材质制备出具有良好弹性的弹性体。
中国专利CN 103012736 A公开了一种聚氨酯弹性体，组分中引入了端羟基丁氰橡胶，导致材料易存在传统橡胶弹性体存在的问题，此外，该弹性体中需要添加的辅料也较多，增加了配伍工序和成本。该弹性体的制备过程中，需要待出现凝胶现象后立即合模，而凝胶化现象属于临界现象，不易于观察和控制，也导致产品质量不稳定。
中国专利CN 103483528 A公开了一种聚醚酯聚氨酯弹性体及其制备方法，具有优异的拉伸强度、硬度、伸长率和撕裂强度，但作为重载道岔用使用的弹性体垫板，仅满足上述三种力学性能是远远不够的。还需要考察的力学因素至少包括：车轮高速通过时会对其造成强烈的磨损，需要弹性体具备优异的耐磨损性；车轮轴承或轨道连接处的润滑油等也会使弹性体体积发生变化影响其工作稳定性，故耐介质膨胀性也是需要考虑的重点因素；重载道岔处车辆对弹性体施加的压力也较普通运输路线要大，弹性体垫板必须具备优异抗压性能等。
就目前来看，能够在综合性能上满足重载道岔用使用的弹性体垫板尚未见报道。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种聚氨酯弹性材料，以及其在重载道岔用中的应用。
本发明提供的一种聚氨酯弹性材料，由以下重量份的物质组成：聚氨酯预聚体8-11份和硫化剂0.4-0.7份；
并通过包括以下步骤的方法制备得到：
(1)配料液化：将聚氨酯预聚体加热液化，并保持液态5小时以上；将硫化剂加热液化，以获得状态均匀、流动性好的流态物料组分；
本步骤中采用的聚氨酯预聚体既可以是本领域技术人员自行用二元或多元异氰酸酯、二元或多元羟基化合物合成得到的，也可以是通过直接购买聚氨酯预聚体成品得到。
(2)混料：将流态的预聚体和硫化剂混合，搅拌均匀待用，从步骤(1)中硫化剂加热起，到液态的硫化剂与聚氨酯预聚体混合成均一体系的时间不少于6min；
(3)成型：将混合均匀的预聚体和硫化剂倒入模具中，将模具烘烤至其表面凝固，合模，加压硫化，得到PU制品，加压硫化过程中温度为160℃-210℃，硫化时间12-18min，压力18-22MPa；
(4)修整及均匀化：将PU制品从模具中取出，修整边缘，再将其置于70-90℃环境内隔绝空气加热9-12h进行均匀化处理，降温至室温，即得重载道岔用弹性体垫板。
优选地，所述聚氨酯预聚体的羟值在2.4-4.2之间，玻璃化转变温度(Tg)80℃-100℃。
优选地，所述聚氨酯预聚体为淄博恒久聚氨酯科技股份有限公司的Polyester-TDI 100。
优选地，所述硫化剂为3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷。
优选地，步骤(1)中聚氨酯预聚体加热液化的温度为90-105℃。
优选地，步骤(1)中硫化剂加热液化的温度为100-110℃。
优选地，步骤(3)中烘烤温度为480-540℃。
本发明还提供了一种上述聚氨酯弹性体材料在重载道岔中的应用，即聚氨酯弹性体材料在成型过程中，采用的模具为重载道岔用垫板模具，以制成重载道岔用弹性体垫板。修整边缘的过程中，按照重载道岔弹性垫板的相关标准控制尺寸的精度。
采用本发明所提供的材料制造的铁路用轨下PU弹性体垫板，硬度适中、韧性好(扯断伸长率≥300％)、伸长率高、强度高(≥24MPa，静刚度可达160kN/m)、优异的耐磨性能、承载能力大、抗冲击性能高、耐疲劳及抗震动，使用温度范围-40℃～150℃等优点，使用寿命长。此材料加工成形工艺简单，设备简易，加工成本低。该材料制成的垫板的使用可以大幅度降低铁路运营及维护成本。经适当的设备调整，该材料可用于在仪表板、车门内饰、前围板、座椅靠背、挡泥板、减冲吸收剂、油封、不爆轮胎等产品的生产。此PU材料无毒无味，属于环保型材料，以其为原材料制成的垫板经使用失效后可回收再利用，经过其他工艺处理后可制得泡沫材料。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明各实施例中的设备及工具包括混料桶、混料棒、烘箱、液化气炉、液化气枪、重载道岔用垫板模具、平板硫化机、修边工具。上述设备和工具都是现有产品，通过商业渠道直接购得。
实施例1
备料：
以重量份计：聚氨酯预聚体Polyester-TDI 100(购自淄博恒久聚氨酯科技股份有限公司，下同)为10.0份、硫化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)0.5份。
制备过程：
配料液化：将聚氨酯预聚体在95℃加热液化，并保持液态6小时。硫化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)在110℃下加热液化，以获得状态均匀、流动性好的流态物料组分；
混料：将流态预聚体和硫化剂按物料组成中描述配比的量，倒入混料桶中，搅拌混合均匀，备用，从配料液化步骤中硫化剂加热起，到硫化剂与聚氨酯预聚体混合成均一体系后持续的时间为12min。
成型：将混合均匀的预聚体和硫化剂倒入重载道岔用垫板模具中，将模具放置于不低于520℃的温度下烘烤至其表面凝固，合模，放入平板硫化机内加压硫化，该过程温度180℃，硫化时间16min，压力18MPa。
修整及均匀化：将成型后得到的PU制品退出模具，修整边缘，再将其置于75℃环境内隔绝空气加热10h，即得成品。
实施例2
备料：
以重量份计：聚氨酯预聚体Polyester-TDI 100为10.0份、硫化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)0.6份。
制备过程：
配料液化：将聚氨酯预聚体在100℃加热液化，并保持液态5小时。硫化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)在100℃下加热液化，以获得状态均匀、流动性好的流态物料组分；
混料：将流态预聚体和硫化剂按物料组成中描述配比的量，倒入混料桶中，搅拌混合均匀，备用，从配料液化步骤中硫化剂加热起，到硫化剂与聚氨酯预聚体混合成均一体系后持续的时间为12min；
成型：将混合均匀的预聚体和硫化剂倒入重载道岔用垫板模具中，将模具放置于不低于480℃的温度下烘烤至其表面凝固，合模，放入平板硫化机内加压硫化，该过程温度200℃，硫化时间12min，压力20MPa；
修整及均匀化：将成型后得到的PU制品退出模具，修整边缘，再将其置于85℃环境内隔绝空气加热10h，即得成品。
对比例1
以重量份计：聚氨酯预聚体Polyester-TDI 100为10.0份、硫化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)1.0份。
制备过程：
配料液化：将聚氨酯预聚体在110℃加热液化，并保持液态4.5小时。硫化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)在95℃下加热液化。
混料：将流态预聚体和硫化剂按物料组成中描述配比的量，倒入混料桶中，搅拌混合均匀，备用，从配料液化步骤中硫化剂加热起，到硫化剂与聚氨酯预聚体混合成均一体系后持续的时间为9min。
成型：将混合均匀的预聚体和硫化剂倒入重载道岔用垫板模具中，将模具放置于550℃的温度下烘烤至其表面凝固，合模，放入平板硫化机内加压硫化，该过程温度150℃，硫化时间12min，压力16MPa。
修整及均匀化：将成型后得到的PU制品退出模具，修整边缘，再将其置于65℃环境内隔绝空气加热14h，即得成品。
对比例2
本对比例与对比例1的区别在于，原料以重量份计：聚氨酯预聚体Polyester-TDI100为10.0份、硫化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)0.3份，其他技术方案相同。
对比例3
本对比例与对比例1的区别在于，原料以重量份计：聚氨酯预聚体Polyester-TDI100为10.0份、硫化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)1.0份，硫化时间为10min，其他技术方案相同。
试验例1
对实施例1、2、对比例1-3所得弹性垫板进行各项性能指标检测，结果见下表：
表1 实施例1、2弹性垫板的性能测试结果
表2 对比例1-3弹性垫板的性能测试结果
指标中各标号含义：1、邵尔硬度A型(度)；2、拉伸强度(MPa)；3、扯断伸长率(％)；4、200％定伸应力；5、压缩永久变形(100℃，24H，压缩30％)；6、阿克隆磨耗(cm3/1.61km)7、工作电阻(Ω)；8、空气介质100℃，72H老化后拉伸强度(MPa)/扯断伸长率(％)；9、脆性温度(℃)；10、耐油体积膨胀率(23℃，72H)；11、静刚度(60-12-17型垫板)。
将上述检测结果与铁道行业标准《铁道混凝土枕轨下用橡胶垫板技术条件》TB/T2626-1995对比，其中上述标准规定的性能指标为：
1：邵尔硬度(A型)≥74度
2：拉伸强度≥14MPa
3：扯断伸长率≥300％
4：200％定伸应力≥9.5
5：压缩永久变形(100℃，24H，压缩30％)≤25％
6：阿克隆磨耗(cm3/1.61km)≤0.6
7：工作电阻≥106Ω
8：空气介质100℃，72H老化后拉伸强度≥15MPa、扯断伸长率≥200％
9：脆性温度≤-55℃
10：耐体积膨胀率(23℃，72H)≤5％
11：静刚度(60-12-17型垫板)：95-120
经过比对发现，本发明实施例1、2中得到的弹性垫板性能全面优于上述标准中规定的性能。对比例1-3的弹性垫板不能同时兼顾所有性能，顾此而失彼。
以上对本发明所提供的一种聚氨酯弹性材料及其在重载道岔中的应用进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰。这些改进和修饰也应当落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种聚氨酯弹性体材料，其特征在于，由以下重量份的物质组成：10份聚氨酯预聚体Polyester-TDI 100和0.5份硫化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷；
并通过包括以下步骤的方法制备得到：
配料液化：将聚氨酯预聚体在95℃加热液化，并保持液态6小时；硫化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷在110℃下加热液化，以获得状态均匀、流动性好的流态物料组分；
混料：将流态预聚体和硫化剂按物料组成中描述配比的量，倒入混料桶中，搅拌混合均匀，备用，从配料液化步骤中硫化剂加热起，到硫化剂与聚氨酯预聚体混合成均一体系后持续的时间为12min；
成型：将混合均匀的预聚体和硫化剂倒入重载道岔用垫板模具中，将模具放置于不低于520℃的温度下烘烤至其表面凝固，合模，放入平板硫化机内加压硫化，该过程温度180℃，硫化时间16min，压力18MPa；
修整及均匀化：将成型后得到的PU制品退出模具，修整边缘，再将其置于75℃环境内隔绝空气加热10h，即得成品。
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