CN107367551B - 一种钢轨焊缝超声波探伤耦合剂 - Google Patents

一种钢轨焊缝超声波探伤耦合剂 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，按质量百分比计，所述耦合剂包含：溶剂10‑40％、胶凝剂1‑3％、胶体稳定剂1‑3％、水溶性防锈剂0.02‑2％、助剂0.01‑0.5％，余量为水；本发明提供的耦合剂具有优良的声学特性、低温性能、防锈蚀性能、较快的挥发能力，其涂覆在钢轨上具有较高的摩擦系数。

Description

一种钢轨焊缝超声波探伤耦合剂
技术领域
本发明属于无损检测领域，具体涉及一种钢轨焊缝超声波探伤耦合剂及其制备方法。
背景技术
无损检测是保障工业产品制造质量及使用状态的重要技术手段，属于非破坏性检测方式。其中超声探伤是应用最广泛的无损检测方法之一，铁路工务、机务、车辆、供电等系统均采用超声探伤技术，工务钢轨母材及焊缝探伤主要采用超声探伤技术。
目前，国内外探伤耦合剂的选用原则基本一致，手工探伤以机油、超声耦合剂、化学浆糊为最常用；自动探伤以水为最常用。我国高速铁路钢轨焊缝探伤时，一般用机油作为探伤耦合剂，但涂覆于轨面的机油会使得轮轨间的摩擦系数减小，产生影响列车牵引、制动等安全隐患。因此迫切需要能够满足高铁钢轨焊缝探伤的专用耦合剂，并且根据高速铁路钢轨焊缝探伤的特点和需求，对耦合剂在摩擦系数、挥发性能、低温性能、防锈性能及声特性方面均有要求。
中国专利申请CN1075890A、CN106237348A、CN106075482A、CN106075483A、CN106139173A等公开了在水、三乙醇胺、丙二醇、丙三醇、乙醇、乙二醇、聚乙二醇等单独或组合形成的基础溶液中加入聚丙烯酸树脂、Tween-20、Tween-80、纤维素、卡波姆、改性壳聚糖等单独或组合形成的凝胶剂，再加入其它功能添加剂，在一定温度条件下搅拌制得耦合剂。这些耦合剂主要是用作人体B超用耦合剂，并没有考虑耦合剂的摩擦系数、防锈性能和挥发性能等，不能适用于铁路钢轨焊缝的探伤。
中国专利申请CN1047325A公开了一种以聚磷酸盐为主要成分的高温耦合剂，是一种针对超声波测厚仪开发的用于测量管道厚度的高温耦合剂。中国专利申请CN101195703A公开了一种水溶性防锈型超声波探伤用耦合剂，该耦合剂的水性溶液主要由聚乙二醇、水和水溶性防腐蚀剂等助剂制得，没有考虑涂覆后对摩擦系数的影响和耦合剂使用后的挥发性及其对环境的影响，不能在低温环境下使用，也不适合铁路钢轨焊缝探伤用。中国专利申请CN105372336A公开了一种用于汽车焊缝超声波探伤用耦合剂，该耦合剂的水性溶液主要由二乙醇胺、乙二醇和三乙醇胺与水组成，同样没有考虑涂覆后对摩擦系数的影响和耦合剂使用后的挥发性及其对环境的影响，防锈蚀能力不好，不能在较低温度环境下使用。中国专利申请CN101942165A公开了一种耦合剂，该耦合剂具有较好的防锈性能，但没有考虑涂覆后对摩擦系数的影响，低温性能和快速挥发能力较差。中国专利申请CN103751813A公开的耦合剂主要用于光声层析成像的耦合。中国专利申请CN105334267A公开的耦合剂黏度较大。这些现有耦合剂均不符合铁路钢轨焊缝探伤用耦合剂的要求。
铁路钢轨焊缝探伤对超声探伤耦合剂的要求为声学特性好、摩擦系数高、低温性能好、防锈、快速挥发等。现有的超声波检测用耦合剂并不能满足铁路钢轨焊缝探伤工艺的要求，其均在性能上有缺陷：不能在低温环境下使用，机油的最低使用温度约为-10℃，普通超声耦合剂和化学浆糊的最低使用温度一般为0℃；探伤后耦合剂清理难度较大，残留物会使钢轨表面的摩擦系数大大降低，影响基础(应为机车)的牵引、制动；防锈性能不好；使用后不能快速挥发。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种新型钢轨焊缝超声波探伤耦合剂。本发明提供的耦合剂具有优良的声学特性、低温性能、防锈蚀性能、较快的挥发能力，其涂覆在钢轨上具有较高的摩擦系数。
用于实现上述目的的技术方案如下：
本发明提供一种钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，按质量百分比计，所述耦合剂包含：溶剂10-40％、胶凝剂1-3％、胶体稳定剂1-3％、水溶性防锈剂0.02-2％、助剂0.01-0.5％，余量为水。
优选地，按质量百分比计，所述耦合剂包含：溶剂40％、胶凝剂2％、胶体稳定剂1.5％、水溶性防锈剂0.2％、助剂0.05％，余量为水。
优选地，所述溶剂由甲醇、乙酸乙酯和乙醇组成；
优选地，所述乙醇选自无水乙醇、95％浓度的乙醇或99.9％浓度的工业乙醇中的一种或多种；
优选地，所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇的质量比例为5-20：5-20：60-80；
优选地，所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇的质量比例为1：1：8。
优选地，所述胶凝剂选自卡波姆、海藻酸钙、羟丙甲纤维素、甲基纤维素、羟甲基纤维素或羟甲基纤维素钠中的一种或多种；
优选地，所述胶凝剂为卡波姆和/或羟甲基纤维素。
优选地，所述胶体稳定剂为水性聚氨酯；
优选地，所述胶体稳定剂选自聚醚型聚氨酯、聚酯型聚氨酯或聚烯烃型聚氨酯中的一种或多种；
优选地，所述胶体稳定剂为40℃时黏度为5000-10000mPa·s的星型结构缔合型聚氨酯。
优选地，所述水溶性防锈剂为醇胺类化合物；
优选地，所述水溶性防锈剂为二乙醇胺、三乙醇胺或山梨醇烯胺中的一种或多种；
优选地，所述山梨醇烯胺的制备方法为：
将山梨醇加热至100-110℃，后加入烯胺，搅拌，后缓慢加入苯甲酸，在110-130℃下保温1～2h，即得。
优选地，所述助剂为水性香料；
优选地，所述助剂为芙蓉香精和/或玫瑰香精。
本发明还提供本发明所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)按比例将所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇混合均匀后加入水中，搅拌；
(2)在步骤(1)得到的溶液中加入所述胶凝剂，保持6-12h，后加入胶体稳定剂、水溶性防锈剂和助剂，加热或常温下搅拌均匀，研磨，即得；
优选地，该制备方法包括以下步骤：
(1)按比例将所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇混合均匀后加入水中，搅拌均匀；
(2)在步骤(1)得到的溶液中加入所述胶凝剂，保持12h，后加入胶体稳定剂、水溶性防锈剂和助剂，加热至40-80℃搅拌均匀或常温下搅拌4-6h至均匀，研磨2-3次，即得。
本发明上述技术方案中，所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂中使用的所述溶剂由甲醇、乙酸乙酯和乙醇(可以是无水乙醇、95％浓度的乙醇或99.9％浓度的工业乙醇)按一定比例混合制备而成；所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇的质量比例为5-20：5-20：60-80；优选地，所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇的质量比例为1：1：8(10：10：80)。发明人发现，由甲醇、乙酸乙酯和乙醇按照上述比例混合制备而成的混合溶剂能够使溶剂具备优异的低温性能和快速挥发性能；同时，乙酸乙酯与所添加的胶体稳定剂有较好的相容性。
所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂中使用的所述胶凝剂为卡波姆(Carbomer,Cb)、海藻酸钙(Calcium Alginate)、羟丙甲纤维素(Hydroxy propyl Methyl Cellulose,HPMC)、甲基纤维素(MC)、羟甲基纤维素(CMC)或羟甲基纤维素钠(CMC-Na)中的一种或多种；其中优选卡波姆(Carbomer,Cb)和/或羟甲基纤维素(CMC)。
所述的胶体稳定剂为水性聚氨酯，其选自聚醚型聚氨酯、聚酯型聚氨酯或聚烯烃型聚氨酯中的一种或多种；优选所述胶体稳定剂为40℃时黏度为5000-10000mPa·s的星型结构缔合型聚氨酯(KNP的T3858水性聚氨酯)；本发明人发现上述水性聚氨酯与纤维素类胶凝剂具有很好的配伍性，添加后可以长时间(相对于不添加的情况)保持耦合剂胶体体系的稳定，并且制备过程中减少泡沫的产生，所述成品中的泡沫能在静置一定时间后(约12h)后排出。
所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂中使用的所述水溶性防锈剂所述水溶性防锈剂为醇胺类化合物；进一步地，所述水溶性防锈剂为二乙醇胺、三乙醇胺或山梨醇烯胺中的一种或多种；进一步地，所述山梨醇烯胺的制备方法为：将山梨醇加热至100-110℃，后加入烯胺，搅拌，后缓慢加入苯甲酸，在110-130℃下保温1～2h，即得。
所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂中使用的所述助剂为水性香料；优选地，所述助剂为芙蓉香精和/或玫瑰香精。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种上述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂的制备方法。
本发明提供的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂可以按照以下方法制备：首先，按照上述比例将甲醇、乙酸乙酯和乙醇混合均匀制成溶剂，然后向其中加入水，混合均匀；后加入所述胶凝剂，保持6～12h后加入胶体稳定剂、水溶性防锈剂和香料助剂，加热至40-80℃或在常温下，搅拌制成均匀的胶状物，研磨均匀即可制备成本发明所钢轨焊缝超声波探伤耦合剂。
本发明提供的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂适用于钢轨焊缝超声波探伤用，具备良好的探伤声学性能；具有较好的摩擦学性能，涂覆在钢轨上后与洒水后的摩擦系数相当；具有优良的低温性能，可在-30℃环境条件下正常使用。具有优良的防锈性能，探伤后对钢轨具有较长时间的防锈作用；具有较快的挥发性能，探伤过后能够较快的挥发，剩余的残留物较少，且用水方便去除；对人体无害，对环境无不良影响；其制备方法简单易操作。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
实施例1：制备本发明所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂
称取4.0g甲醇、4.0g乙酸乙酯和32g乙醇混合搅拌均匀，加入56.25g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入2.0g羟甲基纤维素(CMC)浸泡12h，后加入1.5g T3858水性聚氨酯、0.2g山梨醇烯胺、0.05g芙蓉香精，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
实施例2：制备本发明所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂
称取4.0g甲醇、4.0g乙酸乙酯和32g乙醇混合搅拌均匀，加入57.75g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入0.5g卡波姆(Cb)和0.5g羟甲基纤维素(CMC)浸泡12h，后加入1g T3858水性聚氨酯、0.2g山梨醇烯胺、0.05g芙蓉香精，加热至60℃，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
实施例3：制备本发明所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂
称取4.0g甲醇、4.0g乙酸乙酯和32g乙醇混合搅拌均匀，加入53.93g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入3g羟甲基纤维素(CMC)浸泡12h，后加入3g T3858水性聚氨酯、0.02g山梨醇烯胺、0.05g芙蓉香精，加热至60℃，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
实施例4：制备本发明所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂
称取1g甲醇、1g乙酸乙酯和8g乙醇混合搅拌均匀，加入86.25g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入1g卡波姆(Cb)和1g羟甲基纤维素(CMC)浸泡12h，后加入1.5g T3858水性聚氨酯、0.2g山梨醇烯胺、0.05g芙蓉香精，加热至60℃，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
实施例5：制备本发明所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂
称取8g甲醇、8乙酸乙酯和24g乙醇混合搅拌均匀，加入56.25g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入0.5g卡波姆(Cb)和1.5g羟甲基纤维素(CMC)浸泡12h，后加入1.5g T3858水性聚氨酯、0.2g三乙醇胺、0.05g芙蓉香精，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
实施例6：制备本发明所述钢轨焊缝超声波探伤耦合剂
称取2.2g甲醇、2.2乙酸乙酯和35.6g乙醇混合搅拌均匀，加入56.25g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入1.5g卡波姆(Cb)和0.5g羟甲基纤维素(CMC)浸泡12h，后加入1.5gT3858水性聚氨酯、0.2g三乙醇胺、0.05g芙蓉香精，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
对比实施例1：
称取12g甲醇、12g乙酸乙酯和16g乙醇混合搅拌均匀，加入56.25g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入2g羟甲基纤维素(CMC)浸泡12h，后加入1.5g T3858水性聚氨酯、0.2g山梨醇烯胺、0.05g玫瑰香精，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
对比实施例2：
称取4g甲醇、4乙酸乙酯和32g乙醇混合搅拌均匀，加入46.95g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入5g羟甲基纤维素(CMC)浸泡12h，后加入5g T3858水性聚氨酯、3g二乙醇胺、0.05g芙蓉香精，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
对比实施例3：
称取4g甲醇、4乙酸乙酯和32g乙醇混合搅拌均匀，加入58.95g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入0.5g羟甲基纤维素(CMC)浸泡12h，后加入0.5g T3858水性聚氨酯、0.05g芙蓉香精，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
对比实施例4：
称取4g甲醇、4乙酸乙酯和32g乙醇混合搅拌均匀，加入57.75g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入2g羟甲基纤维素(CMC)浸泡12h，0.2g山梨醇烯胺，后加入0.05g芙蓉香精，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
对比实施例5：
称取4g甲醇、4乙酸乙酯和32g乙醇混合搅拌均匀，加入57.75g蒸馏水，搅拌成均匀溶液，后加入2g T3858水性聚氨酯、0.2g山梨醇烯胺，0.05g芙蓉香精，持续搅拌4-6h，研磨两次，即得，其性能见表1。
对比实施例6：常规耦合剂
常规耦合剂名称/型号：水；
最低使用温度：0℃；
其性能见表1。
对比实施例7：常规耦合剂
耦合剂名称/型号：通用探伤耦合剂/CG-98；
生产厂家：宏达；
使用温度范围：0℃；
其性能见表1。
对比实施例8：常规耦合剂
耦合剂名称/型号：通用探伤耦合剂/CG-88；
生产厂家：新美达；
使用温度范围：0℃；
其性能见表1。
对比实施例9：常规耦合剂
耦合剂名称/型号：医用耦合剂；
生产厂家：津亚；
使用温度范围：0℃；
其性能见表1。
对比实施例10：常规耦合剂
耦合剂名称/型号：洗洁精；
生产厂家：立白；
使用温度范围：0℃；
其性能见表1。
对比实施例11：常规耦合剂
耦合剂名称/型号：凡士林；
其性能见表1。
对比实施例12：常规耦合剂
耦合剂名称/型号：化学浆糊；
使用温度范围：0℃；
其性能见表1。
对比实施例13：常规耦合剂
耦合剂名称/型号：机油/铁路机车内燃机油；
使用温度范围：-10℃；
其性能见表1。
对比实施例14：常规耦合剂
采用中国专利CN 101195703A的方法制备了所述耦合剂，制备方法如下：
在装有空气冷凝器和温度计的反应装置中，加入月桂酸1mol，吡啶1.15mol，环氧丙烷0.2mol，加入浓度为98％的浓硫酸，加入时控制速度使反应体系为酸性，温度在50℃以内，后升温至190℃，反应2h，冷却，加入约40g的氧化钙，蒸馏，将馏出组分经无水硫酸钠干燥，过滤，滤液中加入20g的活性炭，然后回流40min，收集150～165℃的馏分，制得水溶性防腐剂；在三颈瓶中加入制得的所述防腐剂100g，加热至85-95℃，加入聚乙二醇(分子量为6000)300g，搅拌25min，后加入聚乙二醇(分子量为400)500g，聚醚(40℃黏度为25000mm2/s)250g，加热至40-45℃，反应约1.5h(产物黏度约66mm2/s)，自然冷却到60℃，充分搅拌后加入蒸馏水340g，搅拌10min，得到所述耦合剂。其性能见表1。
对比实施例15：常规耦合剂
采用中国专利CN 105372336A的方法制备所述耦合剂，制备方法如下：称取2g卡波姆，用81g去离子水浸泡6h，加入二乙醇胺2g，乙二醇10g，三乙醇胺2.5g，尼泊金2.5g，搅拌4h，制得专利所述的耦合剂。其性能见表1。
表1：实施例1-6所制备的耦合剂与对比实施例1-15所述耦合剂的性能对比
Figure BDA0001340581220000101
由表1可以看出，本发明提供的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂与常规耦合剂相比，具有优良的探伤声学性能，较高的摩擦系数，优良的低温性能，优良的防锈性能，较快的挥发性能。此外，本发明所述耦合剂的组成无毒性，对人体无害，对环境无不良影响，同时本发明的耦合剂的制备方法简单，具有很好的应用前景。
总之，以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，按质量百分比计，所述耦合剂包含：溶剂10-40％、胶凝剂1-3％、胶体稳定剂1-3％、水溶性防锈剂0.02-2％和助剂0.01-0.5％，余量为水；
其中，所述溶剂由甲醇、乙酸乙酯和乙醇组成，所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇的质量比例为5-20：5-20：60-80；
所述胶凝剂选自卡波姆、海藻酸钙、羟丙甲纤维素、甲基纤维素、羟甲基纤维素或羟甲基纤维素钠中的一种或多种；
所述胶体稳定剂为水性聚氨酯；
所述水溶性防锈剂为醇胺类化合物；
所述助剂为水性香料。
2.根据权利要求1所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，其特征在于，按质量百分比计，所述耦合剂包含：溶剂40％、胶凝剂2％、胶体稳定剂1.5％、水溶性防锈剂0.2％和助剂0.05％，余量为水。
3.根据权利要求1或2所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，其特征在于，所述乙醇选自无水乙醇、95％浓度的乙醇或99.9％浓度的工业乙醇中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，其特征在于，所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇的质量比例为1：1：8。
5.根据权利要求3所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，其特征在于，所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇的质量比例为1：1：8。
6.根据权利要求1或2所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，其特征在于，所述胶凝剂为卡波姆和/或羟甲基纤维素。
7.根据权利要求1或2所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，其特征在于，所述胶体稳定剂选自聚醚型聚氨酯、聚酯型聚氨酯或聚烯烃型聚氨酯中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，其特征在于，所述胶体稳定剂为40℃时黏度为5000-10000mPa·s的星型结构缔合型聚氨酯。
9.根据权利要求1或2所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，其特征在于，所述水溶性防锈剂为二乙醇胺、三乙醇胺或山梨醇烯胺中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，其特征在于，所述山梨醇烯胺的制备方法为：
将山梨醇加热至100-110℃，后加入烯胺，搅拌，后缓慢加入苯甲酸，在110-130℃下保温1～2h，即得。
11.根据权利要求1或2所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂，其特征在于，
所述助剂为芙蓉香精和/或玫瑰香精。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的钢轨焊缝超声波探伤耦合剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)按比例将所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇混合均匀后加入水中，搅拌；
(2)在步骤(1)得到的溶液中加入所述胶凝剂，保持6-12h，后加入胶体稳定剂、水溶性防锈剂和助剂，加热或常温下搅拌均匀，研磨，即得。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
(1)按比例将所述甲醇、乙酸乙酯和乙醇混合均匀后加入水中，搅拌均匀；
(2)在步骤(1)得到的溶液中加入所述胶凝剂，保持12h，后加入胶体稳定剂、水溶性防锈剂和助剂，加热至40-80℃搅拌均匀或常温下搅拌4-6h至均匀，研磨2-3次，即得。
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