CN114276515A - 一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，属于微孔聚氨酯技术领域。所述弹性垫板是由A组分与B组分固化成型得到；A组分由PTMEG1000、PTMEG2000、BDO、DEA、H2O、AK7703、BDMAE、T12和碳纳米管混合均匀配制而成；B组分是异氰酸酯与聚四氢呋喃醚多元醇在保护气体氛围中80℃～100℃下搅拌反应4h～6h形成的‑NCO值在12～14之间的预聚体；所述A组分含有的活泼‑H与B组分含有的‑NCO基团的摩尔比为1.00:0.98～1.00:1.03。所述聚氨酯微孔弹性垫板具有超高的强度、合适的静刚度和较低的动静刚度比，可满足重载铁路特殊路段弹性垫板的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板及其制备方法，属于微孔聚氨酯技术领域。
背景技术
在重载铁路中，轨下减振垫是轨道结构中普遍使用的弹性部件，起着减振降噪的重要作用。随着重载货车轴重的增加和运营速度的提高，重载铁路的轨道结构尤其是一些特殊路段如拐弯处所承受的荷载不断增大，橡胶垫板压溃、磨损及易老化导致性能下降的问题日益突出，对货车运输的安全已经构成了严重的威胁。针对上述出现的问题，发明一种具有超高强度且减振性能优异寿命长的产品来延长轨道部件的使用寿命、降低现场养护维修工作量和运营成本意义重大。
聚氨酯微孔弹性体，结合了聚氨酯弹性体的优异耐磨、耐疲劳、防水以其优异的隔振减振性能，在轨道交通领域得到了广泛的应用。但当前轨道交通用的聚氨酯微孔弹性垫板力学性能普遍不高，通过提高密度和化学交联度虽然可以有效提高聚氨酯微孔弹性体的强度，但同时其刚度相应也会提高，无法满足重载铁路特殊路段在高承载使用条件下的减振需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，所述弹性垫板是由A组分与B组分固化成型得到的密度为930kg/m3～950kg/m3、拉伸强度大于等于 15MPa、静刚度为68～92kN/mm且动静刚度比小于1.35的聚氨酯微孔弹性垫板；
以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
所述匀泡剂为江苏美思德公司牌号为AK7703的匀泡剂；
所述碳纳米管的直径为10～20nm，长度为5～15μm；
所述B组分是异氰酸酯与聚四氢呋喃醚多元醇在保护气体氛围中80℃～ 100℃下搅拌反应4h～6h形成的-NCO值在12～14之间的预聚体；
A组分含有的活泼-H与B组分含有的-NCO基团的摩尔比为1.00:0.98～1.00:1.03。其中，所述活泼-H为PTMEG1000、PTMEG2000、BDO 和DEA的-OH中的活泼-H和H2O中活泼-H之和；B组分含有的-NCO基团是指异氰酸酯与聚四氢呋喃醚多元醇反应之后形成的预聚体中的-NCO。
A组分中：
优选的，以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
B组分中：
优选的，所述异氰酸酯为二异氰酸酯。更优选的，所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
优选的，所述聚四氢呋喃醚多元醇为PTMEG1000。
优选的，以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 40％～60％；
PTMEG1000 40％～60％。
优选的，所述保护气体为氮气或惰性气体。
优选的，A组分含有的活泼-H与B组分含有的-NCO基团的摩尔比为1.00:0.99～1.00:1.01。
一种本发明所述的超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板的制备方法，所述方法步骤如下：先将A组分的原料混合均匀后得到A组分，然后将A 组分预热至35℃±2℃、B组分预热至45℃±2℃，之后将预热后的A组分和预热后的B组分浇注到预热至65℃±5℃的模具中固化成型，得到一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板。
优选的，固化成型温度为65℃±5℃，时间为10min～15min。
有益效果
本发明提供了一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，首先通过控制A组分中聚醚多元醇、扩链剂的成分和含量以及A组分含有的活泼-H与B 组分含有的-NCO基团的摩尔比，在有效提高聚氨酯微孔弹性体强度的同时保证其静刚度维持在合适范围。为了进一步提高强度，在A组分中添加了交联剂 DEA，使聚氨酯基体产生化学交联网络结构，大幅提高了聚氨酯微孔弹性体的强度，但是同时静刚度也大幅上升，超出了正常使用范围；为了使强度提高，静刚度和动静刚度比合适，A组分中通过对聚醚多元醇的组分含量进行控制，很好地实现了强度、静刚度和动静刚度比的最优匹配。其次，本发明在A组分中添加碳纳米管作为异相成核剂，可有效增加生成微孔的数量同时降低微孔的尺寸，从而大幅提高了聚氨酯微孔弹性体的拉伸强度。针对本发明特殊的配方，碳纳米管的长径比必须控制在一定的范围内：长径比过大，闭孔率下降，导致基体的强度下降、动静刚度比增大；其次，碳纳米管的含量必须严格控制在特定范围内，其含量过高反而导致聚氨酯微孔弹性体闭孔率下降、动静刚度比增大，减振效果下降。交联剂DEA的添加量也必须严格控制在特定范围内，其含量过高反而导致聚氨酯微孔弹性体刚度提高，减振效果下降。
本发明所述密度为930kg/m3～950kg/m3、拉伸强度大于等于15MPa、静刚度为68～92kN/mm且动静刚度比小于1.35的聚氨酯微孔弹性垫板，各项性能均可满足重载铁路特殊路段对弹性垫板的使用要求。
附图说明
图1为实施例1中所述聚氨酯微孔弹性垫板的扫描电子显微镜(SEM)图。
图2为对比例3中所述聚氨酯微孔弹性垫板的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
以下实施例中：所述匀泡剂为江苏美思德公司牌号为AK7703的匀泡剂。
实施例1
(1)以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
碳纳米管的直径为10～20nm，长度为5～15μm；
将上述原料混合均匀，得到A组分；
以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 50％；
PTMEG1000 50％；
将上述原料混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO 值为12.56的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团为1:1的摩尔比，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，模具能够锁死，不会因物料膨胀影响模腔内的体积。内腔体积为513cm3的模具中注入总质量为477.09g的混合料。再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型密度为930kg/m3的聚氨酯微孔弹性垫板。
图1为本实施例所述聚氨酯微孔弹性垫板的SEM图，结果表明，所述聚氨酯微孔弹性垫板中均匀分布有数量多且尺寸小的微孔。
实施例2
(1)以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
碳纳米管的直径为10～20nm，长度为5～15μm；
将上述原料混合均匀，得到A组分；
以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 50％；
PTMEG1000 50％；
将上述原料混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO 值为12.56的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团为1:1的摩尔比，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，模具能够锁死，不会因物料膨胀影响模腔内的体积。内腔体积为513cm3的模具中注入总质量为487.35g的混合料。再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型密度为950kg/m3的聚氨酯微孔弹性垫板。
所述聚氨酯微孔弹性垫板的SEM结果表明，所述聚氨酯微孔弹性垫板中均匀分布有数量多且尺寸小的微孔。
实施例3
(1)以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
碳纳米管的直径为10～20nm，长度为5～15μm；
将上述原料混合均匀，得到A组分；
以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 50％；
PTMEG1000 50％；
将上述原料混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO 值为12.56的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团为1:1的摩尔比，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，模具能够锁死，不会因物料膨胀影响模腔内的体积。内腔体积为513cm3的模具中注入总质量为477.09g的混合料。再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型密度为930kg/m3的聚氨酯微孔弹性垫板。
所述聚氨酯微孔弹性垫板的SEM结果表明，所述聚氨酯微孔弹性垫板中均匀分布有数量多且尺寸小的微孔。
实施例4
(1)以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
碳纳米管的直径为10～20nm，长度为5～15μm；
将上述原料混合均匀，得到A组分；
以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 50％；
PTMEG1000 50％；
将上述原料混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO 值为12.56的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团为1:1的摩尔比，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，模具能够锁死，不会因物料膨胀影响模腔内的体积。内腔体积为513cm3的模具中注入总质量为477.09g的混合料。再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型密度为930kg/m3的聚氨酯微孔弹性垫板。
所述聚氨酯微孔弹性垫板的SEM结果表明，所述聚氨酯微孔弹性垫板中均匀分布有数量多且尺寸小的微孔。
对比例1
(1)以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
碳纳米管的直径为10～20nm，长度为5～15μm；
将上述原料混合均匀，得到A组分；
以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 50％；
PTMEG1000 50％；
将上述原料混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO 值为12.56的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团为1:1的摩尔比，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，模具能够锁死，不会因物料膨胀影响模腔内的体积。内腔体积为513cm3的模具中注入总质量为487.35g的混合料。再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型密度为950kg/m3的聚氨酯微孔弹性垫板。
所述聚氨酯微孔弹性垫板的SEM结果表明，所述聚氨酯微孔弹性垫板中均匀分布有数量多且尺寸小的微孔。
对比例2
(1)以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
碳纳米管的直径为10～20nm，长度为5～15μm；
将上述原料混合均匀，得到A组分；
以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 50％；
PTMEG1000 50％；
将上述原料混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO 值为12.56的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团为1:1的摩尔比，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，模具能够锁死，不会因物料膨胀影响模腔内的体积。内腔体积为513cm3的模具中注入总质量为477.09g的混合料。再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型密度为930kg/m3的聚氨酯微孔弹性垫板。
所述聚氨酯微孔弹性垫板的SEM结果表明，所述聚氨酯微孔弹性垫板中均匀分布有数量多且尺寸小的微孔。
对比例3
(1)以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
将上述原料混合均匀，得到A组分；
以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 50％；
PTMEG1000 50％；
将上述原料混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO 值为12.56的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团为1:1的摩尔比，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，模具能够锁死，不会因物料膨胀影响模腔内的体积。内腔体积为513cm3的模具中注入总质量为477.09g的混合料。再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型密度为930kg/m3的聚氨酯微孔弹性垫板。
图2为本对比例所述聚氨酯微孔弹性垫板的SEM图，结果表明，所述聚氨酯微孔弹性垫板中微孔尺寸偏大。
对比例4
(1)以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
碳纳米管的直径为10～20nm，长度为5～15μm；
将上述原料混合均匀，得到A组分；
以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 50％；
PTMEG1000 50％；
将上述原料混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO 值为12.56的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团为1:1的摩尔比，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，模具能够锁死，不会因物料膨胀影响模腔内的体积。内腔体积为513cm3的模具中注入总质量为477.09g的混合料。再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型密度为930kg/m3的聚氨酯微孔弹性垫板。
对比例5
(1)以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
碳纳米管的直径为1～10nm，长度为20～100μm；
将上述原料混合均匀，得到A组分；
以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 50％；
PTMEG1000 50％；
将上述原料混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO 值为12.56的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团为1:1的摩尔比，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，模具能够锁死，不会因物料膨胀影响模腔内的体积。内腔体积为513cm3的模具中注入总质量为477.09g的混合料。再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型密度为930kg/m3的聚氨酯微孔弹性垫板。
按照标准Q/CR 479-2015分别对实施例以及对比例所制备的聚氨酯微孔弹性垫板进行各种性能测试，测试结果详见表1；其中，密度测试参照标准GB/T 1033.1-2008，拉伸强度以及断裂伸长率测试参照标准GB/T528-2009，压缩永久变形率测试参照标准GB/T 7759-2015(70℃，24h，10％压缩)，闭孔率测试参照标准GB/T 10799-2008。由表1的测试结果可知，实施例1～4所制备的超高强度低动静刚度比聚氨酯弹性垫板满足各项性能指标要求，满足重载铁路特殊路段使用要求。
表1
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，其特征在于：所述弹性垫板是由A组分与B组分固化成型得到的密度为930kg/m3～950kg/m3、拉伸强度大于等于15MPa、静刚度为68～92kN/mm且动静刚度比小于1.35的聚氨酯微孔弹性垫板；
以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
所述匀泡剂为江苏美思德公司牌号为AK7703的匀泡剂；
所述碳纳米管的直径为10～20nm，长度为5～15μm；
所述B组分是异氰酸酯与聚四氢呋喃醚多元醇在保护气体氛围中80℃～100℃下搅拌反应4h～6h形成的-NCO值在12～14之间的预聚体；
所述A组分含有的活泼-H与B组分含有的-NCO基团的摩尔比为1.00:0.98～1.00:1.03。
2.如权利要求1所述的一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，其特征在于：以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
3.如权利要求1所述的一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，其特征在于：B组分中：所述的异氰酸酯为二异氰酸酯。
4.如权利要求1所述的一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，其特征在于：B组分中：所述聚四氢呋喃醚多元醇为PTMEG1000。
5.如权利要求3所述的一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，其特征在于：所述异氰酸酯为MDI。
6.如权利要求1所述的一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，其特征在于：以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 40％～60％；
PTMEG1000 40％～60％；
所述保护气体为氮气或惰性气体。
7.如权利要求1所述的一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，其特征在于：所述A组分含有的活泼-H与B组分含有的-NCO基团的摩尔比为1.00:0.99～1.00:1.01。
8.如权利要求1所述的一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板，其特征在于：A组分中：
以制备所述A组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
B组分中：
所述异氰酸酯为MDI；
所述聚四氢呋喃醚多元醇为PTMEG1000；
以制备所述B组分的原料总质量为100％计，各原料成分及其质量分数如下：
MDI 40％～60％；
PTMEG1000 40％～60％；
所述保护气体为氮气或惰性气体；
A组分含有的活泼-H与B组分含有的-NCO基团的摩尔比为1.00:0.99～1.00:1.01。
9.一种如权利要求1～8任意一项所述的超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：先将A组分的原料混合均匀后得到A组分，然后将A组分预热至35℃±2℃、B组分预热至45℃±2℃，之后将预热后的A组分和预热后的B组分浇注到预热至65℃±5℃的模具中固化成型，得到一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板。
10.如权利要求9所述的一种超高强度低动静刚度比聚氨酯微孔弹性垫板的制备方法，其特征在于：固化成型温度为65℃±5℃，时间为10min～15min。
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Denomination of invention: A ultra-high strength and low dynamic and static stiffness ratio polyurethane microporous elastic pad and its preparation method Granted publication date: 20230421 Pledgee: Shandong Tengzhou Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: SHANDONG AOZO NEW MATERIALS CO.,LTD. Registration number: Y2024980022797 |