CN111088727B - 一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕及其制备方法，以轨枕为基体，利用聚氨酯优异的粘结性能在轨枕基体的外表面包覆一层致密的聚氨酯复合薄膜，以提高轨枕的抗冲击性、韧性、强度和耐候性；并通过在轨枕表面浸涂一层聚氨酯溶液，同时解决了合成轨枕中，纤维均匀分布难和与树脂相容性差的问题，以提升轨枕基体与聚氨酯复合薄膜的结合牢度，从而延长轨枕的使用寿命及稳定性；本发明制得的轨枕具有强度高、无毒环保、耐腐朽、使用寿命长、防火阻燃、安装方便，同时具有很好的弹性，可有效的吸收火车行驶中的震动，减少了列车对路基的振动和噪音的污染，提高了火车行驶的稳定性，具备良好的经济效益及市场前景。

Description

一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕及其制备方法

技术领域

本发明涉及铁路轨道领域，尤其涉及一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕及其制备方法。

背景技术

铁路是目前世界上最重要的运输工具之一，随着铁路向高速、重载和环保方向的发展，对轨道的要求也越来越高。轨枕作为轨道的重要组成部分，作用是承垫于钢轨之下，通过相互的连接零件保持两股或多股钢轨之间的轨距、水平、高低和方向等几何形位，并防止钢轨因列车行驶产生纵向爬行，以及将钢轨所承受的各种荷载平均分布于道床基础上，其材料和结构在不断发展和更新。

目前使用过的轨枕主要包括木枕、钢轨枕和混凝土轨枕。木材轨枕作为传统铁路轨道所普遍采用的轨枕虽然具有造价低、富有弹性、重量轻、绝缘性好等优点，但其存在的缺点主要表现在：易风化开裂，使用寿命短，一般只有15年左右；更主要的是需消耗大量的森林资源，造成严重的环境问题。钢轨枕曾在欧洲和南美洲一些国家广泛使用，其优点是：使用寿命长，可达50～60年；轨枕间距较大可减小用量；同时可使用大量废钢铁冶炼制成，报废后可回炉重造，但其缺点是：造价高体积笨重，噪音大，因而无法普遍推广应用。混凝土轨枕是目前普遍采用的轨枕之一，具有寿命长、稳定性好等优点，主要的缺点是硬度大、弹性差，消音减震效果差，使用中容易出现裂缝；更重要的是后加工困难，因此安装精度受到一定的限制。

为了克服上述技术缺陷，国外从90年代开始，基于高速铁路以及直线电机运载系统的发展，已着力于研究新型轨枕材料，美国率先在大的转运站和主干线上安装使用塑料轨枕，其后，其它类型的复合材料轨枕在日本、韩国、俄罗斯等也已经开始小范围使用，但一般的塑料轨枕并不能达到枕木本身强度和减震性能及耐候性能的要求，必须经过增强或改性的复合材料才能达到使用要求。

如申请号为200810240157.6的专利，公开了一种增强纤维合成轨枕及其制作方法，所述增强纤维合成轨枕为由增强纤维材料、纤维毡或编织布经树脂浸渍，通过设计截面形状的成型模具拉挤成型，并使之在模具内固化的合成轨枕。但是这种增强纤维合成轨枕及其制作方法无法保证纤维增强材料和树脂的充分均匀的混合分布，另外，树脂和纤维增强材料之间的黏附力不强，在挤出成型过程中，纤维增强材料容易变形，会使纤维增强材料和树脂的分布不均，从而影响了轨枕的质量。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕及其制备方法，以轨枕为基体，在其外表面包覆一层致密的聚氨酯复合薄膜，从而提高轨枕的抗冲击性、韧性、强度和耐候性；并通过聚氨酯优异的粘结性能提升轨枕基体与聚氨酯复合薄膜的结合牢度，从而延长轨枕的使用寿命及稳定性，同时本发明聚氨酯复合薄膜的更换方法简单，可显著降低其制作成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕，包括轨枕基体和包覆于轨枕基体表面的聚氨酯复合薄膜，所述轨枕基体上设有聚氨酯涂层。

作为上述技术方案的进一步限定，所述聚氨酯复合薄膜的厚度≤5mm。

作为上述技术方案的进一步限定，所述聚氨酯复合薄膜由如下质量百分比的原料制成，聚氨酯10～30％、有机溶剂60～80％、无机阻燃剂6～8％、耐紫外剂2～4％。

作为上述技术方案的进一步限定，所述聚氨酯为聚醚、聚酯或聚醚聚酯中的一种或多种混合物；所述有机溶剂由N，N-二甲基甲酰胺与甲苯按照体积比为1～2:1混合而成。

作为上述技术方案的进一步限定，所述无机阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝、水滑石、铝酸钙、硼酸锌、聚磷酸铵和氧化锑中的一种或多种混合物。

作为上述技术方案的进一步限定，所述耐紫外剂为二氧化钛、氧化锌、氧化镁、氧化铝、氧化铁、氧化锆、氧化铈、炭黑中的一种或多种混合物。

本发明中，轨枕基体材料为传统的木轨枕、水泥轨枕、钢筋混凝土轨枕或高聚物复合轨枕(包含玻纤增强回收的HDPE轨枕；纤维和橡胶改性的HDPE轨枕、PS增强的HDPE轨枕、回收塑料和废弃矿物质合成轨枕、聚氨酯轨枕、水泥或钢旧塑料复合轨枕等)中的一种。

本发明还提供所述聚氨酯复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、在有机溶剂中加入聚氨酯颗粒料，待聚氨酯颗粒料完全溶解后，加入无机阻燃剂、耐紫外剂，搅拌使之混合均匀，然后真空脱泡；

S2、将脱泡后的溶液均匀刮涂在模具上，然后将含有聚氨酯铸膜液的模具依次进行浸没沉淀和溶剂蒸发处理；

S3、将固化后的聚氨酯复合薄膜与模具剥离，即制得聚氨酯复合薄膜。

作为上述技术方案的进一步限定，所述聚氨酯复合薄膜的制备方法，步骤S1中，所述搅拌条件为600～800r/min搅拌4h，搅拌温度为20～35℃。

作为上述技术方案的进一步限定，所述聚氨酯复合薄膜的制备方法，步骤S3中，所述溶剂蒸发处理温度为80～100℃，时间为8～12h。

本方法还提供所述的一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕的制备方法，包括如下步骤：

1)将轨枕基体浸没于质量浓度为30～50％的聚氨酯溶液中，然后取出备用；

2)在步骤1)处理后的轨枕基体上铺一层裁剪的聚氨酯复合薄膜，然后进行热压，得到所述高耐候性和高强度的复合结构轨枕。

作为上述技术方案的进一步限定，所述热压温度为80～120℃，时间为5～15min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明以轨枕为基体，利用聚氨酯优异的粘结性能在轨枕基体的外表面包覆一层致密的聚氨酯复合薄膜，以提高轨枕的抗冲击性、韧性、强度和耐候性；并通过在轨枕表面浸涂一层聚氨酯溶液，同时解决了合成轨枕中，纤维均匀分布难和与树脂相容性差的问题，以提升轨枕基体与聚氨酯复合薄膜的结合牢度，从而延长轨枕的使用寿命及稳定性；本发明制得的轨枕具有强度高、无毒环保、耐腐朽、使用寿命长、防火阻燃、安装方便，同时具有很好的弹性，可有效的吸收火车行驶中的震动，减少了列车对路基的振动和噪音的污染，提高了火车行驶的稳定性。

(2)本发明在聚氨酯复合薄膜制备过程中，通过在共混溶液中添加优化配比的无机阻燃剂、耐紫外剂，以提升聚氨酯复合薄膜的抗老化、阻燃性能，从而进一步提高轨枕的耐候性能，以延长其使用寿命。

(3)本发明通过采用N，N-二甲基甲酰胺与甲苯的二元混合溶剂，并以干法成型为主、湿法成型为辅制得聚氨酯复合薄膜，从而能够显著提高复合后轨枕的力学性能，同时具备较高的强度和弹性，并具备较高的抗冲击性及耐候性能。

(4)本发明通过包覆的方式将聚氨酯复合薄膜固载到轨枕基体外表面，因此可适用于任意材质的轨枕，且更换方法简单，材料可回收利用；同时其综合成本较低，具有良好的经济效益及市场前景，能够高负荷承载，且性能稳定，耐候性佳，产品可应用于高速列车、重型货物列车、地铁轨道、仓储承载枕木之用。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

下面通过具体的实施例对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕，包括轨枕基体和包覆于轨枕基体表面的聚氨酯复合薄膜，所述轨枕基体上设有聚氨酯涂层。

其中，所述聚氨酯复合薄膜的厚度≤5mm；所述聚氨酯复合薄膜由如下质量百分比的原料制成，聚氨酯20％、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)70％、氢氧化镁7％、二氧化钛3％。

所述聚氨酯复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、在有机溶剂中加入聚氨酯颗粒料，待聚氨酯颗粒料完全溶解后，加入氢氧化镁、二氧化钛，搅拌使之混合均匀，然后真空脱泡；

S2、将脱泡后的溶液均匀刮涂在模具上，然后将含有聚氨酯铸膜液的模具依次进行浸没沉淀和溶剂蒸发处理；所述溶剂蒸发处理温度为90℃，时间为10h；

S3、将固化后的聚氨酯复合薄膜与模具剥离，即制得聚氨酯复合薄膜。

所述的一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕的制备方法，包括如下步骤：

1)将轨枕基体浸没于质量浓度为30％的聚氨酯溶液中，然后取出备用；

2)在步骤1)处理后的轨枕基体上铺一层裁剪的聚氨酯复合薄膜，然后于100℃下进行热压10min，得到所述高耐候性和高强度的复合结构轨枕。

实施例2-10

实施例2-10提供一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕，与实施例1相比，不同之处在于，改变所述聚氨酯复合薄膜中各组分的质量百分比，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。

对比表中实施例2～4结果可知，在聚氨酯复合膜制备过程中，随着N，N-二甲基甲酰胺与甲苯二元混合溶剂中甲苯用量的增加，制得的复合结构轨枕老化前后的拉伸强度呈现逐渐上升现象，老化前后的韧性逐渐上升现象，同时与实施例1结果对比可知，本发明通过采用N，N-二甲基甲酰胺与甲苯的二元混合溶剂协同作用，从而提高轨枕的抗冲击性、韧性、强度和耐候性。这主要是由于甲苯的加入，使得原有的单一溶剂N，N-二甲基甲酰胺双扩散为主的成膜过程转变为以单一溶剂扩散为主的成膜过程，在浸没沉淀的过程中，由于甲苯对于聚氨酯分子链的溶胀作用，使得在单扩散的过程中，聚氨酯分子链能够较为容易的自调整与规整排列，进一步，在溶剂蒸发的过程中，聚氨酯分子链进一步的紧密排列，提高了聚氨酯薄膜的抗冲击性和韧性，从而能够赋予轨枕一定的抗冲击性和韧性。

对比实施例4与实施例5～6结果可知，随着聚氨酯复合膜制备过程中聚氨酯百分含量的增大，制得的复合结构轨枕老化前后的拉伸强度呈现上升后下降现象，老化前后的韧性呈先上升后下降的现象。

对比实施例4与实施例7～10结果可知，本发明中通过提高复合膜中耐紫外剂的含量，能够进一步提高轨枕的耐候性能，以延长其使用寿命，同时通过调控无机阻燃剂的配比，可以获得具备阻燃性较好的复合材料。

实施例11-14

实施例11-14提供一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕，与实施例4相比，不同之处在于，改变所述高耐候性和高强度的复合结构轨枕的制备方法，步骤1)中聚氨酯溶液的质量浓度，其他操作均相同，在此不再赘述，具体实验条件参数及性能测试结果如下表所示。

对比表中实施例4与实施例11-14结果可知，随着所述高耐候性和高强度的复合结构轨枕制备方法中，轨枕聚氨酯预处理过程中聚氨酯溶液浓度的增大，制得的复合结构轨枕老化前后的拉伸强度呈现先上升后下降现象，老化前后的韧性呈现先上升后下降现象。这主要是由于，在较高固含量的聚氨酯溶液中，聚氨酯分子链的运动受限，不能充分发挥聚氨酯分子链的自调整性能，使得聚氨酯分子链呈现缠结的模式，不能良好的与步骤2)中的聚氨酯膜结合。

以上所述，仅为本发明的说明实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，做出的若干改进和补充也应视为本发明的保护范围；凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明精神和范围的情况下，利用以上所揭示的技术内容做出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更改、修饰与演变，均仍属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高耐候性和高强度的复合结构轨枕，其特征在于，包括轨枕基体和包覆于轨枕基体表面的聚氨酯复合薄膜，所述轨枕基体上设有聚氨酯涂层；

所述聚氨酯复合薄膜由如下质量百分比的原料制成，聚氨酯10～30％、有机溶剂60～80％、无机阻燃剂6～8％、耐紫外剂2～4％；

所述聚氨酯为聚醚、聚酯或聚醚聚酯中的一种或多种混合物；所述有机溶剂由N，N-二甲基甲酰胺与甲苯按照体积比为1～2:1混合而成；

通过采用N，N-二甲基甲酰胺与甲苯的二元混合溶剂，并以干法成型为主、湿法成型为辅制得聚氨酯复合薄膜，所述聚氨酯复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、在有机溶剂中加入聚氨酯颗粒料，待聚氨酯颗粒料完全溶解后，加入无机阻燃剂、耐紫外剂，搅拌使之混合均匀，然后真空脱泡；

S2、将脱泡后的溶液均匀刮涂在模具上，然后将含有聚氨酯铸膜液的模具依次进行浸没沉淀和溶剂蒸发处理；所述溶剂蒸发处理温度为80～100℃，时间为8～12h；

S3、将固化后的聚氨酯复合薄膜与模具剥离，即制得聚氨酯复合薄膜；

所述聚氨酯涂层的制备方法为：将轨枕基体浸没于质量浓度为30％的聚氨酯溶液中，然后取出，制备得到负载于所述轨枕基体表面的聚氨酯涂层；

所述聚氨酯复合薄膜的厚度≤5mm；

所述无机阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝、水滑石、铝酸钙、硼酸锌、聚磷酸铵和氧化锑中的一种或多种混合物；

所述耐紫外剂为二氧化钛、氧化锌、氧化镁、氧化铝、氧化铁、氧化锆、氧化铈、炭黑中的一种或多种混合物；

所述高耐候性和高强度的复合结构轨枕的制备方法，包括如下步骤：

1)将轨枕基体浸没于质量浓度为30％的聚氨酯溶液中，然后取出备用；

2)在步骤1)处理后的轨枕基体上铺一层裁剪的聚氨酯复合薄膜，然后进行热压，得到所述高耐候性和高强度的复合结构轨枕；所述热压温度为100℃，时间为10min。