CN108276545A - 一种高性能的聚氨酯合成轨枕及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能的聚氨酯合成轨枕及其制备方法，该轨枕以玻璃纤维作为骨架，将玻璃纤维放入发泡聚氨酯中浸渍从而得到轨枕发泡基体材料，经过进一步加工得到轨枕，所述发泡聚氨酯包括以下重量份的组成成分：聚醚多元醇A 50～60份，聚醚多元醇B 10～20份，聚酯多元醇30～40份，阻燃剂10～15份，促进剂0.2～0.4份，抗氧剂0.1～0.3份，紫外线吸收剂0.1～0.3份，泡沫稳定剂1～3份，纳米级纤维素0.3～0.5份，异氰酸酯92～100份。与现有技术相比，本发明具有产品一次成型，所得到的轨枕机械性能优良、稳定性高等优点。

Description

一种高性能的聚氨酯合成轨枕及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料技术领域，尤其是涉及一种高性能的聚氨酯合成轨枕及其制备方法。
背景技术
轨枕是铁路配件的一种，主要作用是将由钢轨传来的荷重、横向力和纵向水平力均匀地传布在道床上，是铁路建设和承载设备领域中不可缺少的材料，在铁路建设中起着至关重要的作用。
目前我国现有轨枕主要为两种：钢筋混凝土轨枕及木质轨枕。木枕是由木材直接加工而成，是最早使用的一种材料，由于木材本身的优良特性，是轨枕使用的理想材料，但是其易风化开裂，耐腐蚀性较差，使用寿命短，木材消耗量大，随着人们环保意识的提高，以及我国森林资源匮乏的影响，木枕越来越难以满足铁路需求。钢混轨枕是为弥补木枕的缺点开发研制并获得广泛推广应用的，其具有原料易得、使用寿命长、稳定性高、养护量小等优点，但钢混轨枕本身也存在无法解决的缺点：使用一段时间后出现裂缝，其硬度大，弹性差，重量大，脆性大，阻尼减振效果差。因此随着铁路的发展，我国对轨枕的需求已从原来单独追求能用上升到好用的水平，需要研制新型轨枕来满足高速铁路、铁路特殊路段如隧道、道岔、桥梁、站台等部位的需求。
聚氨酯合成轨枕是用玻璃长纤维强化热固化树脂发泡体而制成的，具有木材的质感，有着重量轻、强度高、耐腐蚀、绝缘性能优良和不吸水等优点，便于现场加工和施工等特性，同时兼备木材与塑料的优点，是现代铁路用轨枕理想的代替品。
申请号为2016106831811的专利公开了一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成轨枕及其制作方法，其由多块高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材通过粘结剂粘接而成。但此种制备方法得到的轨枕在实际使用过程中容易发生板材之间的错位，从而造成严重的安全隐患。
此外，当前在生产中由于设备混料不能完全均匀、玻璃纤维浸渍效果差和单一树脂基体使用以及没有考虑横向剪切力的加强，使得生产的轨枕阻尼效果不明显，横向剪切力低，耐疲劳差，产品的密度和质量不稳定，导致轨枕出现裂纹和内部大面积空洞的缺陷。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能的聚氨酯合成轨枕及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高性能的聚氨酯合成轨枕，该轨枕以玻璃纤维作为骨架，将玻璃纤维放入发泡聚氨酯中浸渍从而得到轨枕发泡基体材料，经过进一步加工得到轨枕，所述发泡聚氨酯包括以下重量份的组成成分：聚醚多元醇A50～60份，聚醚多元醇B10～20份，聚酯多元醇30～40份，阻燃剂10～15份，促进剂0.2～0.4份，抗氧剂0.1～0.3份，紫外线吸收剂0.1～0.3份，泡沫稳定剂1～3份，纳米级纤维素0.3～0.5份，异氰酸酯92～100份。
进一步地，所述的聚醚多元醇A的羟值为：410～480，分子量在3000～4000；所述的聚醚多元醇B的羟值为：40～80，分子量在1200～1500；所述的聚酯多元醇的羟值为：410～550，分子量在4000～5000。所述的纳米级纤维的直径为1-50nm，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维。所述的作为骨架的玻璃纤维为高密度玻璃纤维，其密度范围为4800～9600g/km，单丝直径为10～40um。
高性能的聚氨酯合成轨枕的制备方法，该制备方法包括：S1导纱，将高密度玻璃纤维通过多组导纱板和张力辊导入自动浸渍模具中；S2基体树脂混合与注射，将聚醚多元醇A50～60份，聚醚多元醇B 10～20份，聚酯多元醇30～40份，阻燃剂10～15份，促进剂0.2～0.4份，抗氧剂0.1～0.3份，紫外线吸收剂0.1～0.3份，泡沫稳定剂1～3份，纳米级纤维素0.3～0.5份，异氰酸酯92～100份，通过静态搅拌器混合均匀后注入自动浸渍模具中；S3浸渍，通过自动浸渍模具分层或者分束的连续并均匀浸渍高密度玻璃纤维；S4发泡与固化成型，将浸渍均匀的玻璃纤维导入滚动承压设备中，通过加热完成发泡、固化成型；S5切割，将固化成型的轨枕按照要求通过自动切割设备进行定长切割。最终得到的轨枕的厚度为30～160mm。
进一步地，步骤S2所述的注入的压力为1～4Mp。步骤S2所述的自动浸渍模具可使用分层自动浸渍模具，其包括上模和下模，上模和下模中间形成长方体状的模腔，在上模上方设有浸渍液注入孔a，聚氨酯树脂从浸渍液注入孔a注入，待浸渍的玻璃纤维从模腔一端导入模腔，浸渍后的玻璃纤维由另一端导出。
此外，步骤S2所述的自动浸渍模具可以为分束自动浸渍模具，其整体为分段式连接，可根据生产实际需求和工艺条件增加其整体长度，该模具内部设有浸渍腔，该浸渍腔为方形截面，前部和后部分别设有玻璃纤维分束出纱口和玻璃纤维分束进纱口，顶部至少设有一个浸渍液注入孔b。步骤S4所述的加热的温度为50～75℃。
与现有技术相比，本发明实现了高性能的聚氨酯合成轨枕的一次性成型，避免了现有轨枕粘结面容易发生错位所造成的安全隐患；本发明在配方中加入纳米级纤维素，进一步改进了合成轨枕的现有技术，大幅度提高了合成轨枕的耐疲劳性能、道钉抗拔强度、抗剪切性能；本发明合成轨枕发泡基体材料的混合采用静态搅拌器混合的方式，代替现有技术中的高压对冲的方式，使基体材料的混合更加充分和均匀，混合后的物料不易分层，避免由于物料混合不充分、不均匀和分层现象而造成的轨枕缺陷，极大的提高产品的质量和产品的稳定性。
附图说明
图1为本发明中分层自动浸渍模具示意图；
图2为本发明中分束自动浸渍模具示意图；
图3为本发明中分束自动浸渍模具示意图的另一种表现形式；
图4为按照本发明中配方和工艺生产的城市轨道交通用合成轨枕产品A；
图5为按照本发明中配方和工艺生产的城市轨道交通用合成轨枕产品B；
图6为按照本发明中配方和工艺生产的桥梁和重载铁路用合成轨枕产品C。
1、浸渍后的玻璃纤维，2、分层自动浸渍模具，21、上模，22、下模，23、浸渍液注入孔a，3、待浸渍的玻璃纤维，5、分束自动浸渍模具，51、浸渍腔，52、浸渍液注入孔b，53、玻璃纤维分束出纱口，54、玻璃纤维分束进纱口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种高性能的聚氨酯合成轨枕，该轨枕以玻璃纤维作为骨架，将玻璃纤维放入发泡聚氨酯中浸渍从而得到轨枕发泡基体材料，经过进一步加工得到轨枕，所述发泡聚氨酯包括以下重量份的组成成分：聚醚多元醇A60份，聚醚多元醇B 10份，聚酯多元醇40份，阻燃剂10份，促进剂0.2份，抗氧剂0.1份，紫外线吸收剂0.1份，泡沫稳定剂1份，纳米级纤维素0.3份，异氰酸酯92份。所述的聚醚多元醇A的羟值为：410～480，分子量在3000～4000；所述的聚醚多元醇B的羟值为：40～80，分子量在1200～1500；所述的聚酯多元醇的羟值为：410～550，分子量在4000～5000。所述的纳米级纤维素的直径为1-50nm，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维。所述的作为骨架的玻璃纤维为高密度玻璃纤维，其密度范围为4800～9600g/km，单丝直径为10～40um。
高性能的聚氨酯合成轨枕的制备方法参见图1，该制备方法包括：
S1导纱，将高密度玻璃纤维(即待浸渍的玻璃纤维3)通过多组导纱板和张力辊导入自动浸渍模具中；所述的自动浸渍模具采用玻璃纤维分层自动浸渍模具2，其结构如图1所示，包括上模21和下模22，上模21和下模22中间形成长方体状的模腔，并在上模21上方设有浸渍液注入孔a 23，待浸渍的玻璃纤维3从模腔一端导入模腔；
S2基体树脂混合与注射，将聚醚多元醇A60份，聚醚多元醇B 10份，聚酯多元醇40份，阻燃剂10份，促进剂0.2份，抗氧剂0.1份，紫外线吸收剂0.1份，泡沫稳定剂1份，纳米级纤维素0.3份，异氰酸酯92份，通过静态搅拌器混合均匀，之后通过浸渍液注入孔a 23注入自动浸渍模具2中，注入的压力为1～4Mp；
S3浸渍，通过自动浸渍模具连续并均匀的浸渍高密度玻璃纤维；
S4发泡与固化成型，将浸渍后的玻璃纤维1导入滚动承压设备中，通过加热完成发泡、固化成型；
S5切割，将固化成型的轨枕按照要求通过自动切割设备进行定长切割，最终得到的轨枕的厚度为30～160mm。
工艺参数：运行速度(待浸渍的玻璃纤维3导入模腔的速度)：0.5m/mim
成型截面：230mm*70mm
密度设计：740Kg/m3
成型温度：75℃
参见图4，所得的城市轨道交通用合成轨枕产品A，其尺寸为：3000mm*230mm*70mm。
该合成轨枕毛胚件外观无缺陷，整体成型发泡均匀，制样测试，其性能见下表。
。
实施例2
按照本发明中配方和工艺生产城市轨道交通用合成轨枕毛坯件产品B。
以质量份计，聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下：聚醚多元醇A51份，聚醚多元醇B 20份，聚酯多元醇60份，阻燃剂15份，促进剂0.4份，抗氧剂0.3份，紫外线吸收剂0.3份，泡沫稳定剂3份，纳米级纤维素0.5份，异氰酸酯100份。所述的聚醚多元醇A的羟值为：410～480，分子量在3000～4000；所述的聚醚多元醇B的羟值为：40～80，分子量在1200～1500；所述的聚酯多元醇的羟值为：410～550，分子量在4000～5000。所述的纳米级纤维的直径为1-50nm，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维。所述的作为骨架的玻璃纤维为高密度玻璃纤维，其密度范围为4800～9600g/km，单丝直径为10～40um。制备工艺同实施例1。
工艺参数：运行速度：0.4m/mim
成型截面：230mm*140mm
密度设计：760Kg/m3
成型温度：75℃
参见图5，所得的城市轨道交通用合成轨枕毛坯件产品B，其尺寸为：3000mm*230mm*140mm。
该合成轨枕外观无缺陷，整体成型发泡均匀，制样测试，其性能见下表。
。
实施例3
按照本发明配方和成型工艺制作的用于重载铁路的合成轨枕毛坯件C。
以质量份计，聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下：聚醚多元醇A55份，聚醚多元醇B 15份，聚酯多元醇36份，阻燃剂12份，促进剂0.3份，抗氧剂0.2份，紫外线吸收剂0.2份，泡沫稳定剂2份，纳米级纤维素0.4份，异氰酸酯96份。所述的聚醚多元醇A的羟值为：410～480，分子量在3000～4000；所述的聚醚多元醇B的羟值为：40～80，分子量在1200～1500；所述的聚酯多元醇的羟值为：410～550，分子量在4000～5000。所述的纳米级纤维素的直径为1-50nm，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维。所述的作为骨架的玻璃纤维为高密度玻璃纤维，其密度范围为4800～9600g/km，单丝直径为10～40um。
制备工艺同实施例1。
工艺参数：运行速度：0.4m/mim
成型截面：300mm*70mm
密度设计：1200Kg/m3
成型温度：50℃
参见图6，所得的用于重载铁路的合成轨枕毛坯件C，其尺寸为：6000mm*300mm*70mm。
该合成轨枕外观无缺陷，整体成型发泡均匀，该合成轨枕强度很高，其抗剪切和耐疲劳性能优异，完全能够承受重载车辆的重力，可广泛用于桥梁和重载铁路的建设，制样测试，其性能见下表。
。
实施例4
以上实施例1至3中的自动浸渍模具可以使用分束自动浸渍模具5，参见图2与图3。其整体为分段式连接，可根据生产实际需求和工艺条件增加其整体长度，该模具内部设有浸渍腔51，该浸渍腔51为方形截面，前部和后部分别设有玻璃纤维分束出纱口53和玻璃纤维分束进纱口54，顶部至少设有一个浸渍液注入孔b 52。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能的聚氨酯合成轨枕，该轨枕以玻璃纤维作为骨架，将玻璃纤维放入发泡聚氨酯中浸渍从而得到轨枕发泡基体材料，经过进一步加工得到轨枕，其特征在于，所述发泡聚氨酯包括以下重量份的组成成分：聚醚多元醇A 50～60份，聚醚多元醇B 10～20份，聚酯多元醇30～40份，阻燃剂10～15份，促进剂0.2～0.4份，抗氧剂0.1～0.3份，紫外线吸收剂0.1～0.3份，泡沫稳定剂1～3份，纳米级纤维素0.3～0.5份，异氰酸酯92～100份。
2.根据权利要求1所述的高性能的聚氨酯合成轨枕，其特征在于，所述的聚醚多元醇A的羟值为：410～480，分子量在3000～4000；所述的聚醚多元醇B的羟值为：40～80，分子量在1200～1500；所述的聚酯多元醇的羟值为：410～550，分子量在4000～5000。
3.根据权利要求1所述的高性能的聚氨酯合成轨枕，其特征在于，所述的纳米级纤维素的直径为1-50nm，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维。
4.根据权利要求1所述的高性能的聚氨酯合成轨枕，其特征在于，所述的作为骨架的玻璃纤维为高密度玻璃纤维，其密度范围为4800～9600g/km，单丝直径为10～40um。
5.一种如权利要求1-4中任一所述的高性能的聚氨酯合成轨枕的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
S1导纱，将高密度玻璃纤维通过多组导纱板和张力辊导入自动浸渍模具中；
S2基体树脂混合与注射，将聚醚多元醇A 50～60份，聚醚多元醇B 10～20份，聚酯多元醇30～40份，阻燃剂10～15份，促进剂0.2～0.4份，抗氧剂0.1～0.3份，紫外线吸收剂0.1～0.3份，泡沫稳定剂1～3份，纳米级纤维素0.3～0.5份，异氰酸酯92～100份，通过静态搅拌器混合均匀后注入自动浸渍模具中；
S3浸渍，通过自动浸渍模具连续并均匀的浸渍高密度玻璃纤维；
S4发泡与固化成型，将浸渍均匀的玻璃纤维导入滚动承压设备中，通过加热完成发泡、固化成型；
S5切割，将固化成型的轨枕按照要求通过自动切割设备进行定长切割。
6.根据权利要求5所述的一种高性能的聚氨酯合成轨枕的制备方法，其特征在于，步骤S2所述的注入的压力为1～4Mp。
7.根据权利要求5所述的一种高性能的聚氨酯合成轨枕的制备方法，其特征在于，步骤S2所述自动浸渍模具为分层自动浸渍模具(2)，包括上模(21)和下模(22)，上模(21)和下模(22)中间形成长方体状的模腔，在上模(21)上方设有浸渍液注入孔a(23)，聚氨酯树脂从浸渍液注入孔a(23)注入，待浸渍的玻璃纤维(3)从模腔一端导入模腔，浸渍后的玻璃纤维(1)由另一端导出。
8.根据权利要求5所述的一种高性能的聚氨酯合成轨枕的制备方法，其特征在于，步骤S2所述自动浸渍模具为分束自动浸渍模具(5)，其整体为分段式连接，可根据生产实际需求和工艺条件增加其整体长度，该模具内部设有浸渍腔(51)，该浸渍腔(51)为方形截面，前部和后部分别设有玻璃纤维分束出纱口(53)和玻璃纤维分束进纱口(54)，顶部至少设有一个浸渍液注入孔b(52)。
9.根据权利要求5所述的一种高性能的聚氨酯合成轨枕的制备方法，其特征在于，步骤S4所述的加热的温度为50～75℃。
10.根据权利要求5所述的一种高性能的聚氨酯合成轨枕的制备方法，其特征在于，所述的轨枕的厚度30～160mm。
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