CN110004775B - 一种互嵌式酚醛树脂复合轨枕及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种互嵌式酚醛树脂复合轨枕，包括由发泡酚醛树脂制成嵌入式的轨枕本体，所述轨枕本体内设有在截面上均匀或者预先设计好的非均匀单向纤维层；形成互嵌结构两部分轨枕本体通过胶黏剂粘接在一起形成所述合成轨枕；所述互嵌结构是直角梯形、梯形、三角形中的一种，优选是直角梯形。所述复合轨枕采用嵌合技术，并改进了发泡工艺和纤维排布方式，提高了提升轨枕的横向强度50％以上，降低了轨枕的噪音水品；有效提高了轨枕的机械强度和寿命。

Description

一种互嵌式酚醛树脂复合轨枕及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种酚醛树脂复合轨枕及其制备方法，属于铁路轨道材料领域。
背景技术
早期的轨枕是用木材制成的，存在易朽坏、维修费用高的缺点，随后逐渐被水泥轨枕大规模替代，但是水泥轨枕存在刚性大、列车运行时振动较大的缺点，随着材料科学的进步，出现了聚合物复合轨枕，其中目前应用最多的是聚氨酯弹性轨枕。聚氨酯弹性轨枕是硬质聚氨酯发泡树脂中添加了纤维纱束并用拉挤成型制成的一种结构性材料，具有耐腐蚀、绝缘性好、强度高以及具有类似木材的轻量化和可再加工的性能。最早的聚氨酯轨枕是由日本积水化学工业株式会社在1975年研发的，这种FFU合成枕木是玻璃长纤维增强硬质聚氨酯泡沫制备的。目前，拜耳、巴斯夫等公司都已成功开发出聚氨酯弹性枕木。
国外的研究结果表明：FFU轨枕使用寿命长，在铺设15年后，表面没有出现裂纹，整体没有弯曲，整体颜色、尺寸基本无变化；性能方面，使用15年后，弯曲强度仅降低17%、拉拔强度相差不多，且各项参数均高于要求指标。
CN106120480A公开了一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成轨枕，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，且所述轨枕的外表面设有防腐漆膜，所述高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材以聚氨酯树脂和增强纤维为基体材料。所述轨枕采用低羟值低官能度的混合型聚醚多元醇、使用偶联剂，提高了聚氨酯树脂与增强纤维浸渍相容度，进而提高增强纤维含量，能够制作出密度高于840kg/m3且增强纤维含量大于60％的纤维增强聚氨酯硬泡材料制品。
CN103497503A公开了一种轻质复合轨枕，该复合轨枕采用短纤维或复合筋作为基体增强材料，采用三乙醇胺和有机锡作为催化剂，制备的轨枕重量轻，强度高。
CN108504085A公开了一种纤维增强聚氨酯发泡合成轨枕，其中轨枕包括由聚氨酯树脂一次层压成型的本体，本体内横向设置有起横向增强作用的若干层复合毡，相邻复合毡之间的聚氨酯树脂中穿设有起纵向增强作用的纤维纱层；所述轨枕采用双钢带层压机结合多层同步注胶一次成型的方法制备，提高了轨枕的横向强度。
弹性轨枕对于轨道的刚度均匀化、减少道床应力、减轻道床及下部基础的冲击效应具有一定的效果。但是弹性轨枕仍存在轨枕横向强度不足、钢轨和轨枕的振动加速度较大、道床不稳定、线路噪声大等问题。
发明内容
本发明提供的互嵌式酚醛树脂复合轨枕，是由聚醚多元醇增韧的发泡酚醛树脂制成，由互相嵌入的两部分，通过胶粘剂粘接成一个整体，可上下堆叠使用也可以左右堆叠使用，所述轨枕本体内纤维分布在截面范围按照特定规则排布，因具有可设计性，更能体现复合后的性能。互相嵌入的部分，除了增加粘接强度，减少使用中错位的安全风险之外，还成为一个加强筋，提升轨枕的横向强度，互相嵌入的结构还可以降低复合轨枕中纤维的含量，进一步降低成本和密度。
互嵌堆叠粘合工艺可以提高轨枕横向强度，并降低轨枕产生的噪音，具有良好的吸音效果。通过纤维表面改性提高纤维和聚氨酯之间的浸润程度。对纤维进行表面改性，现采用强碱处理，然后加入壳聚糖材料浸润处理，是纤维表面的分子上活性羟基的数量增加，有利于纤维和树脂之间形成化学键，增强浸润程度，从而提高轨枕材料整体的机械强度。
一种互嵌式酚醛树脂复合轨枕，包括由发泡酚醛树脂制成嵌入式的轨枕本体，所述轨枕本体内设有在横截面上均匀或非均匀设置的单向纤维层；形成互嵌结构两部分轨枕本体通过胶黏剂粘接在一起形成所述合成轨枕。
所述互嵌结构是直角梯形、梯形、三角形中的一种，优选是直角梯形。
酚醛树脂中添加了聚醚多元醇用于增强树脂的韧性，所述聚醚多元醇的分子量为400-1200，酚醛树脂和多元醇的质量比为100:4~15。
酚醛树脂中添加了阻燃剂用于增强树脂的阻燃性能，所述阻燃剂是溴系阻燃剂，如十溴二苯乙烷、溴化环氧树脂、溴化聚苯乙烯中的一种或多种，酚醛树脂和阻燃剂的质量比为100:5~25。
所述轨枕本体内包含的酚醛发泡密度0.08-0.5g/cm3；轨枕内纤维直径为1μm-30μm；轨枕内纤维含量为10-60wt%。
所述轨枕端面宽度180-240mm，高度80-300mm，长度2000-10000mm；两部分互相嵌入的深度为0.5mm-30mm。
所述长纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或多种混合。
所述复合轨枕中还可以添加抗氧剂、防老化剂、紫外线吸收剂等常用添加剂。
胶黏剂是丙烯酸胶黏剂、环氧胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、酚醛胶黏剂中的一种。
所述复合轨枕的阻燃性按照GB/T8924进行检测，其氧指数大于35。
一种组合式阻燃发泡复合轨枕的制备方法，包括如下步骤：
1）将酚醛树脂融化，并加入发泡剂，充分搅拌混合；
2）按照产品规格将纤维纱线排布好，并通过胶盒进行浸润；
3）浸润后的纤维纱线进入模具中注入酚醛树脂进行预成型；
4）给模具加热进行发泡处理，保温处理后使得酚醛树脂固化；
5）切割后给粘合层涂覆胶水，粘合后进行冷压处理；
6）对轨枕表面进行处理并喷漆，烘干后得到轨枕产品。
在一个优选的实施例中，步骤2）中所述纤维在排布之前进行表面改性，所述纤维的表面改性包括以下步骤：1）将纤维浸渍在pH值为12-14的碱液中1-6h；2）清洗后干燥，浸渍于0.5-15wt%的壳聚糖水溶液中1-5h，清洗后干燥即得改性的纤维。
所述发泡剂为物理发泡剂或化学发泡剂中的一种，物理发泡剂如石油醚、轻质烃、卤代烃等中的一种或多种；化学发泡剂如碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸氢铵中的一种或多种；起泡剂与酚醛树脂的质量比为0.5-10wt%；发泡成型温度40-160℃。
所述制备方法中没有明确限定的工艺参数或步骤都是采用化工领域的常规手段或工艺，相关技术都可以通过化工手册得到。
本发明的有益效果为：
本发明采用轨枕嵌合技术，并改进了发泡工艺和纤维排布方式，提高了提升轨枕的横向强度50%以上，降低了轨枕的噪音水品；有效提高了轨枕的机械强度和寿命。
附图说明
图1采用左右粘合方式制备的复合轨枕；
图2采用上下粘合方式制备的复合轨枕；
图3采用均匀单向纤维的复合轨枕；
图4采用非均匀单向纤维的复合轨枕；
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定。
实施例1
纤维的预处理，1）将玻璃纤维浸渍在pH值为12的碱液中1h；2）清洗后干燥，浸渍于5wt%的壳聚糖水溶液中1h，清洗后干燥即得改性的纤维。
采用上下粘合方式制成的嵌入式复合轨枕，所述轨枕本体内设有在截面上均匀单向纤维层。嵌合结构为直角梯形，嵌入深度为20mm。所述轨枕本体内包含的酚醛发泡密度0.5g/cm3；轨枕内纤维直径为10μm；轨枕内玻璃纤维含量为50wt%。酚醛树脂中添加分子量为400的聚醚多元醇，酚醛树脂和多元醇的质量比为100: 5；树脂中的起泡剂为有机醚；采用十溴二苯乙烷作为阻燃剂，酚醛树脂和阻燃剂的质量比为100:5；轨枕端面宽度180mm，高度80mm，长度3000mm。
所述复合轨枕的制备方法，包括如下步骤：
1）将酚醛树脂融化，并加入发泡剂，充分搅拌混合；
2）按照产品规格将纤维纱线排布好，并通过胶盒进行浸润；
3）浸润后的纤维纱线进入模具中注入酚醛树脂进行预成型；
4）给模具加热进行发泡处理，保温处理后使得酚醛树脂固化；
5）切割后给粘合层涂覆胶水，粘合后进行冷压处理；
6）对轨枕表面进行处理并喷漆，烘干后得到轨枕产品。
实施例2
采用左右粘合方式制成的嵌入式复合轨枕，所述轨枕本体内设有在截面上均匀单向纤维层。嵌合结构为梯形，嵌入深度为30mm。所述轨枕本体内包含的酚醛发泡密度0.3g/cm3；轨枕内纤维直径为1 0μm；轨枕内芳纶纤维含量为50wt%。酚醛树脂中添加分子量为400的聚醚多元醇，酚醛树脂和多元醇的质量比为100: 15；树脂中的起泡剂为碳酸氢铵；轨枕端面宽度240mm，高度200mm，长度3000mm。
所述制备过程与实施例1相同。
对比例1
复合轨枕的基本组成与实施例1相同，采用一次成型法制备复合轨枕，没有任何粘合结构。
对比例2
复合轨枕没有互嵌结构，直接将两块表面光滑的复合酚醛树脂粘合在一起，其他步骤与实施例1相同。
对比例3
复合轨枕中不添加聚醚多元醇增韧剂，其他组分和制备方法与实施例1相同。
对实施例1-2和对比例1-3的产品进行性能测试，结果如下所示：
实施例1 实施例2 对比例1 对比例2 对比例3
横向弯曲强度（MPa） 121 117 86 105 53
竖向弯曲强度（MPa） 326 315 232 286 158
弯曲模量（GPa） 9.12 8.63 7.66 7.82 5.31
压缩强度（MPa） 86 85 77 78 61
剪切强度（MPa） 13 13 12 12 7
弯曲载荷（kN） 265 259 182 228 104
噪音（dBA） 80 75 98 95 85
本发明实施方案和对比例的对比可以看出，本发明所述复合轨枕提升轨枕的横向强度50%以上，降低了轨枕的噪音水品；有效提高了轨枕的机械强度和寿命。
以上实施例仅拥有示例性的说明本发明取得的技术效果，以及实施过程，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明所要保护的范围。

Claims (2)

1.一种互嵌式酚醛树脂复合轨枕，包括由发泡酚醛树脂制成嵌入式的轨枕本体，所述轨枕本体内设有在横截面上均匀布置的单向纤维层；形成互嵌结构的两部分轨枕本体通过胶黏剂粘接在一起形成所述复合轨枕；所述互嵌结构是直角梯形；所述发泡酚醛树脂中添加了聚醚多元醇用于增强树脂的韧性，所述聚醚多元醇的分子量为400-1200，酚醛树脂和多元醇的质量比为100:4～15；所述轨枕本体内包含的酚醛发泡密度0.08-0.5g/cm3；轨枕内纤维直径为1μm-30μm；轨枕内纤维含量为10-60wt％；所述轨枕端面宽度180-240mm，高度80-300mm，长度2000-10000mm；两部分互相嵌入的深度为0.5mm-30mm；所述纤维在排布之前进行表面改性，所述纤维的表面改性包括以下步骤：1)将纤维浸渍在pH值为12-14的碱液中1-6h；2)清洗后干燥，浸渍于0.5-15wt％的壳聚糖水溶液中1-5h，清洗后干燥即得改性的纤维；所述长纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或多种混合；
所述的复合轨枕的制备方法，包括如下步骤：
1)将酚醛树脂融化，并加入发泡剂，充分搅拌混合；
2)按照产品规格将纤维纱线排布好，并通过胶盒进行浸润；
3)浸润后的纤维纱线进入模具中注入酚醛树脂进行预成型；
4)给模具加热进行发泡处理，保温处理后使得酚醛树脂固化；
5)切割后给粘合层涂覆胶水，粘合后进行冷压处理；
6)对轨枕表面进行处理并喷漆，烘干后得到轨枕产品；
步骤1）中所述发泡剂为物理发泡剂或化学发泡剂中的一种，所述物理发泡剂是石油醚、轻质烃、卤代烃中的一种或多种；化学发泡剂如碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸氢铵中的一种或多种；起泡剂与酚醛树脂的质量比为0.5-10wt％；发泡成型温度40-160℃；酚醛树脂中添加了阻燃剂用于增强树脂的阻燃性能，所述阻燃剂是溴系阻燃剂，酚醛树脂和阻燃剂的质量比为100:5～25；所述阻燃剂是十溴二苯乙烷、溴化环氧树脂、溴化聚苯乙烯中的一种或多种；所述复合轨枕中添加抗氧剂、防老化剂、紫外线吸收剂。
2.如权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于胶黏剂是丙烯酸胶黏剂、环氧胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、酚醛胶黏剂中的一种。
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