CN106083194A - 一种高寒地区铁路轨枕防护材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高寒地区铁路轨枕防护材料。所述高寒地区铁路轨枕防护材料以重量份数计，包含以下组成：环氧改性聚硅氧烷10‑15，聚丙基甲基倍半硅氧烷15‑20，巯丙基硅烷15‑20，短氟链含氟聚丙烯酸酯5‑10，水10‑30。本发明所述铁路轨枕防护材料对高寒地区轨枕保护具有显著的功能；本发明以具有高稳定性和耐腐蚀性，有利于增加该材料对混凝土的界面作用，提高其粘附力，实现对混凝土的长期保护效果；本发明可显著增加防护性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种功能性材料，特别涉及一种铁路轨枕防护材料，特别适用于高寒地区铁路轨枕保护。
背景技术
高寒地区海拔高、常年低温、土壤下有冻土层常年不化，中国高寒山区较多的地域有黑龙江省北部、青藏高原、甘肃、内蒙古及云南部分地区，该地区海拔较高、气候冷凉、昼夜温差大，降雨较少，气候环境恶劣。随着我国西部开发的需求，西部铁路建设越来越多，但铁路轨枕在恶劣的高寒地区气候环境下耐久性极容易破坏，新建轨枕在服役1-2年就会出现明显的损伤，给行车安全带来严重隐患。
目前各地方铁路局段需要通过及时的维修更换损伤严重的轨枕，这种做法费工费时，而且高原无人地区无法实现及时更换检修。本发明提供一种新型功能性材料，可用于高寒地区铁路轨枕的长期保护，解决现有维护难题。
发明内容
本发明的目的是克服现有施工技术中难题，从病害源头防护轨枕混凝土，提高混凝土耐冰冻损失能力、抑制恶劣环境下有害介质侵蚀，从而显著提高混凝土的耐久性。
在本发明中，采用多元复合改性技术，首次将环氧改性聚硅氧烷、聚丙基甲基倍半硅氧烷、巯丙基硅烷、短氟链含氟聚丙烯酸酯有效结合改性，利用环氧改性聚硅氧烷、巯丙基硅烷与碱性混凝土的反应活性，增加该材料对混凝土的附着能力和渗透能力，特别是巯基功能基团，可对钢筋表面具有特殊防锈剂功效，可增强其表面的耐腐性、抗氧化性以及增加其与混凝土的粘接性；利用短氟链含氟聚丙烯酸酯、聚丙基甲基倍半硅氧烷的防护耐紫外性能，C-F键的极化率低，键能更大，因此具有很强的稳定性和极低的表面能，从而使含氟聚合物具有很好的优异性能，特别是化学稳定性和高低温稳定性。而短氟链结构相比全氟结构具有更好的柔韧性和反应活性，避免了全氟化合物很难讲解，存在迁移性和累积毒性的缺陷。采用聚丙基甲基倍半硅氧烷对短氟链含氟聚丙烯酸酯进步改性有利于能抑制聚合物分子的链运动，提高化学稳定性，使其更能适应高寒地区的严酷自然环境，从而显著提高混凝土的耐久性。
本发明提供了一种高寒地区铁路轨枕防护材料，以重量份数计，包含以下组成：
所述环氧改性聚硅氧烷是以二月桂酸二丁基锡作为催化剂，在75℃～100℃温度作用下，由氢化双酚A型环氧树脂与聚甲基苯基硅氧烷按质量比为2:8～6:4反应得到的透明粘稠状液体，所述液体粘度小于100Pa.s。
所述氢化双酚A型环氧树脂的是由双酚A型环氧树脂经加氢反应将苯环转变为六元环，故氢化双酚A环氧树脂不含双键。
与双酚A型环氧树脂和脂环式环氧树脂相比，氢化双酚A型环氧树脂具有粘度小、耐候性和耐化学药品性的特征。氢化双酚A型环氧树脂同样含有醚键，环氧基连接在侧链的醚键上并具有良好的结构对称性，所以具有优异的粘接性、力学性能和防腐蚀性能。
所述聚丙基甲基倍半硅氧烷是以甲基三乙氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷按重量比例为1:4～4:1经水解后缩合得到。
所述巯丙基硅烷由巯丙基三甲氧基硅烷、巯丙基三乙氧基硅烷和/或巯丙基甲基二甲氧基硅烷以任意比例组成。
所述短氟链含氟聚丙烯酸酯是以甲基丙烯酸六氟丁酯、丙烯酸异辛酯(2-EHA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体按1:1:5:3的摩尔比聚合而得。
所述一种高寒地区铁路轨枕防护材料具有优异的稳定性和耐久性，能提高混凝土耐侵蚀冰冻性能、抑制恶劣环境下有害介质侵蚀从而显著提高混凝土在高寒地区的耐久性。
本发明所述一种高寒地区铁路轨枕防护材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃；
(2)依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷；
(3)继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
本发明所述一种高寒地区铁路轨枕防护材料的应用方法为：在混凝土拆模7-14d后喷涂施工，施工前先修补好混凝土结构缺陷，用钢丝刷、压缩空气和淡水冲洗，将表面浮灰、污水、油污和其它污染物清除干净，并保持表面干燥1天以上，料施工后至少保证24小时内不淋雨，自然风干。
有益效果：
(1)本发明所述铁路轨枕防护材料对高寒地区轨枕保护具有显著的功能，目前已成功用于青藏铁路，能够有效抑制铁路轨枕的损害，延长轨枕服役寿命；
(2)本发明以具有高稳定性和耐腐蚀性，巯丙基基团和环氧基团有利于增加该材料对混凝土的界面作用，提高其粘附力，短氟链结构和倍半硅氧烷结构大幅改善材料的化学稳定性和耐久性能，实现对混凝土的长期保护效果；
(3)本发明发挥各组分的协同效应实现抑制防护目的，当与不含本发明公开的组分的类似材料组合物相比时，本发明可显示出显著增加的防护性能。
具体实施方式
下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。
实施例1
1)环氧改性聚硅氧烷制备：称取60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷分别置于茄形瓶中，在80℃下旋转蒸发30min，除去原料中含有的少量水分，冷却至室温，备用；在装有机械搅拌、加料漏斗、回流冷凝管的三口烧瓶中加入60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷，搅拌并升温至80℃，然后逐滴加入二月桂酸二丁基锡，继续升温至140℃，恒温搅拌3.5h得到透明粘稠状液体。
2)聚丙基甲基倍半硅氧烷的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，加入甲基三乙氧基硅烷140ml，丙基三乙氧基硅烷60ml，0.0.lmol/L盐酸20mL，异丙醇100.0mL60℃下磁力搅拌反应l小时后加入氨水4.0mL，升温80℃继续反应1小时，用盐酸中和，得到甲基丙基倍半硅氧烷共聚物。
3)所述高寒地区铁路轨枕防护材料的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃，依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
实施例2
1)环氧改性聚硅氧烷制备：称取60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷分别置于茄形瓶中，在80℃下旋转蒸发30min，除去原料中含有的少量水分，冷却至室温，备用；在装有机械搅拌、加料漏斗、回流冷凝管的三口烧瓶中加入60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷，搅拌并升温至80℃，然后逐滴加入二月桂酸二丁基锡，继续升温至140℃，恒温搅拌3.5h得到透明粘稠状液体。
2)聚丙基甲基倍半硅氧烷的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，加入甲基三乙氧基硅烷140ml，丙基三乙氧基硅烷65ml，0.0.lmol/L盐酸20mL，异丙醇100.0mL60℃下磁力搅拌反应l小时后加入氨水4.0mL，升温80℃继续反应1小时，用盐酸中和，得到甲基丙基倍半硅氧烷共聚物。
3)所述高寒地区铁路轨枕防护材料的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃，依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
实施例3
1)环氧改性聚硅氧烷制备：称取60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷分别置于茄形瓶中，在80℃下旋转蒸发30min，除去原料中含有的少量水分，冷却至室温，备用；在装有机械搅拌、加料漏斗、回流冷凝管的三口烧瓶中加入60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷，搅拌并升温至80℃，然后逐滴加入二月桂酸二丁基锡，继续升温至140℃，恒温搅拌3.5h得到透明粘稠状液体。
2)聚丙基甲基倍半硅氧烷的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，加入甲基三乙氧基硅烷140ml，丙基三乙氧基硅烷60ml，0.0.lmol/L盐酸20mL，异丙醇100.0mL60℃下磁力搅拌反应l小时后加入氨水4.0mL，升温80℃继续反应1小时，用盐酸中和，得到甲基丙基倍半硅氧烷共聚物。
3)所述高寒地区铁路轨枕防护材料的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃，依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
实施例4
1)环氧改性聚硅氧烷制备：称取70g氢化双酚A型环氧树脂和30g聚甲基苯基硅氧烷分别置于茄形瓶中，在80℃下旋转蒸发30min，除去原料中含有的少量水分，冷却至室温，备用。在装有机械搅拌、加料漏斗、回流冷凝管的三口烧瓶中加入60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷，搅拌并升温至80℃，然后逐滴加入二月桂酸二丁基锡，继续升温至140℃，恒温搅拌3.5h得到透明粘稠状液体。
2)聚丙基甲基倍半硅氧烷的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，加入甲基三乙氧基硅烷150ml，丙基三乙氧基硅烷70ml，0.0.lmol/L盐酸20mL，异丙醇100.0mL60℃下磁力搅拌反应l小时后加入氨水4.0mL，升温80℃继续反应1小时，用盐酸中和，得到甲基丙基倍半硅氧烷共聚物。
3)所述高寒地区铁路轨枕防护材料的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃，依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
实施例5
1)环氧改性聚硅氧烷制备：称取60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷分别置于茄形瓶中，在80℃下旋转蒸发30min，除去原料中含有的少量水分，冷却至室温，备用。在装有机械搅拌、加料漏斗、回流冷凝管的三口烧瓶中加入60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷，搅拌并升温至80℃，然后逐滴加入二月桂酸二丁基锡，继续升温至140℃，恒温搅拌3.5h得到透明粘稠状液体。
2)聚丙基甲基倍半硅氧烷的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，加入甲基三乙氧基硅烷160ml，丙基三乙氧基硅烷50ml，0.0.lmol/L盐酸20mL，异丙醇80.0mL60℃下磁力搅拌反应l小时后加入氨水4.0mL，升温80℃继续反应1小时，用盐酸中和，得到甲基丙基倍半硅氧烷共聚物。
3)所述高寒地区铁路轨枕防护材料的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃，依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
实施例6
1)环氧改性聚硅氧烷制备：称取60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷分别置于茄形瓶中，在80℃下旋转蒸发30min，除去原料中含有的少量水分，冷却至室温，备用。在装有机械搅拌、加料漏斗、回流冷凝管的三口烧瓶中加入60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷，搅拌并升温至80℃，然后逐滴加入二月桂酸二丁基锡，继续升温至140℃，恒温搅拌3.5h得到透明粘稠状液体。
2)聚丙基甲基倍半硅氧烷的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，加入甲基三乙氧基硅烷110ml，丙基三乙氧基硅烷160ml，0.0.lmol/L盐酸20mL，异丙醇100.0mL60℃下磁力搅拌反应l小时后加入28氨水15mL，升温80℃继续反应1小时，用盐酸中和，得到甲基丙基倍半硅氧烷共聚物。
3)所述高寒地区铁路轨枕防护材料的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃，依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
实施例7
1)环氧改性聚硅氧烷制备：称取60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷分别置于茄形瓶中，在80℃下旋转蒸发30min，除去原料中含有的少量水分，冷却至室温，备用。在装有机械搅拌、加料漏斗、回流冷凝管的三口烧瓶中加入60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷，搅拌并升温至80℃，然后逐滴加入二月桂酸二丁基锡，继续升温至140℃，恒温搅拌3.5h得到透明粘稠状液体。
2)聚丙基甲基倍半硅氧烷的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，加入甲基三乙氧基硅烷150ml，丙基三乙氧基硅烷50ml，0.0.lmol/L盐酸20mL，异丙醇100.0mL60℃下磁力搅拌反应l小时后加入氨水15mL，升温80℃继续反应1小时，用盐酸中和，得到甲基丙基倍半硅氧烷共聚物。
3)所述高寒地区铁路轨枕防护材料的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃，依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
实施例8
1)环氧改性聚硅氧烷制备：称取60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷分别置于茄形瓶中，在80℃下旋转蒸发30min，除去原料中含有的少量水分，冷却至室温，备用。在装有机械搅拌、加料漏斗、回流冷凝管的三口烧瓶中加入60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷，搅拌并升温至80℃，然后逐滴加入二月桂酸二丁基锡，继续升温至140℃，恒温搅拌3.5h得到透明粘稠状液。
2)聚丙基甲基倍半硅氧烷的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，加入甲基三乙氧基硅烷140ml，丙基三乙氧基硅烷60ml，0.0.lmol/L盐酸20mL，异丙醇100.0mL60℃下磁力搅拌反应l小时后加入氨水4.0mL，升温80℃继续反应1小时，用盐酸中和，得到甲基丙基倍半硅氧烷共聚物。
3)所述高寒地区铁路轨枕防护材料的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃，依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
实施例9
1)环氧改性聚硅氧烷制备：称取60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷分别置于茄形瓶中，在80℃下旋转蒸发30min，除去原料中含有的少量水分，冷却至室温，备用。在装有机械搅拌、加料漏斗、回流冷凝管的三口烧瓶中加入60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷，搅拌并升温至80℃，然后逐滴加入二月桂酸二丁基锡，继续升温至140℃，恒温搅拌3.5h得到透明粘稠状液。
2)聚丙基甲基倍半硅氧烷的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，加入甲基三乙氧基硅烷140ml，丙基三乙氧基硅烷60ml，0.0.lmol/L盐酸20mL，异丙醇100.0mL60℃下磁力搅拌反应l小时后加入氨水4.0mL，升温80℃继续反应1小时，用盐酸中和，得到甲基丙基倍半硅氧烷共聚物。
3)所述高寒地区铁路轨枕防护材料的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃，依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
实施例10
1)环氧改性聚硅氧烷制备：称取60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷分别置于茄形瓶中，在80℃下旋转蒸发30min，除去原料中含有的少量水分，冷却至室温，备用。在装有机械搅拌、加料漏斗、回流冷凝管的三口烧瓶中加入60g氢化双酚A型环氧树脂和40g聚甲基苯基硅氧烷，搅拌并升温至80℃，然后逐滴加入二月桂酸二丁基锡，继续升温至140℃，恒温搅拌3.5h得到透明粘稠状液体。
2)聚丙基甲基倍半硅氧烷的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，加入甲基三乙氧基硅烷165ml，丙基三乙氧基硅烷55ml，0.0.lmol/L盐酸20mL，异丙醇100.0mL60℃下磁力搅拌反应l小时后加入28氨水8mL，升温80℃继续反应1小时，用盐酸中和，得到甲基丙基倍半硅氧烷共聚物。
3)所述高寒地区铁路轨枕防护材料的制备：在装置有搅拌器、回流冷凝管、温度计的1000mL三颈瓶中，在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃，依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
应用例
掺加所述高寒地区铁路轨枕防护材料，进行C40混凝土成型实验后进行对比实验，评价材料性能，结果如表1所示。混凝土试件经过14护后干燥清洁处理，所有试件在相同实验条件下进行。其中抗渗等级参考标准GB/T50082-2009进行测试，吸水率参考标准BS1881：part122：1983进行测试，氯离子扩散吸水参考JTG/TB 07-01-2006进行测试，抗冻性测试参考GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》。
表1掺加该高寒地区铁路轨枕防护材料的混凝土耐侵蚀性能对比
由表1中的数据可以发现，与不掺本发明所述高寒地区铁路轨枕防护材料的空白试件相比，掺入本发明所述高寒地区铁路轨枕防护材料后，混凝土的碳化深度明显降低，抗冻性显著增加，氯离子扩散系数降低90％，抗渗等级提高，吸水率降低显著，从而显著提高混凝土耐久性。
Claims (6)
1.一种高寒地区铁路轨枕防护材料，其特征在于，以重量份数计，包含以下组成：
环氧改性聚硅氧烷 10-15，
聚丙基甲基倍半硅氧烷 15-20，
巯丙基硅烷 15-20，
短氟链含氟聚丙烯酸酯 5-10，
水 10-30。
2.根据权利要求1所述的一种高寒地区铁路轨枕防护材料，其特征在于，所述环氧改性聚硅氧烷是以二月桂酸二丁基锡作为催化剂，在75℃~100℃温度作用下，由氢化双酚A型环氧树脂与聚甲基苯基硅氧烷按质量比为2:8~6:4反应得到的透明粘稠状液体，所述液体粘度小于100Pa.s。
3.根据权利要求2所述的一种高寒地区铁路轨枕防护材料，其特征在于，所述聚丙基甲基倍半硅氧烷是由甲基三乙氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷按重量比例为1:4~4:1经水解后缩合得到。
4.根据权利要求3所述的一种高寒地区铁路轨枕防护材料，其特征在于，所述巯丙基硅烷由巯丙基三甲氧基硅烷、巯丙基三乙氧基硅烷和/或巯丙基甲基二甲氧基硅烷以任意比例组成。
5.根据权利要求4所述的一种高寒地区铁路轨枕防护材料，其特征在于，所述短氟链含氟聚丙烯酸酯是以甲基丙烯酸六氟丁酯、丙烯酸异辛酯(2-EHA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体按1:1:5:3的摩尔比聚合而得。
6.权利要求1至5任一项所述的一种高寒地区铁路轨枕防护材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在25℃下先加入短氟链含氟聚丙烯酸酯，边搅拌边加热升温至60℃；
（2）依次滴加巯丙基硅烷和聚丙基甲基倍半硅氧烷机械搅拌2小时后，加入环氧改性聚硅氧烷；
（3）继续搅拌30min后，冷却至常温出料，得到所述功能性材料。
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