快速固化道砟喷涂树脂的研制

文山书院 2014-07-29

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快速固化道砟喷涂树脂的研制

杜卫超　王世海　毛昆朋　吴智强

（中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京１０００８１）

　在铁路大发展的今天，列车的速度和轴重不断增加，有砟轨道在使用过程中会出现道砟飞溅，桥隧与土质路基间道床刚度突变严重，道床横向阻力偏低，重载运煤专线还会出现道床板结等一系列病害，严重影响行车安全。根据相关资料，国外针对这一状况采取的措施主要是采用道砟喷涂树脂（俗称道砟胶）对有砟轨道进行固化，使之成为更为紧密、具有黏结性的整体结构，这种结构与无砟轨道轨下基础相比，具有更好的弹性、减振降噪和可维修性能，与碎石道床相比具有更好的稳定性和抗变形、抗沉降性能，从而延缓轨道变形，减少养护维修工作量，延长道床使用寿命。目前在我国没有大规模应用，西南交通大学、北京交通大学等科研单位曾进行过相关研究，主要是针对道砟胶与石子固化后对轨道参数的影响，没有对道砟胶材料本身进行过系统研究。通过分析，目前最常用最合适的道砟胶材料为聚氨酯喷涂树脂。本研究通过配方设计、讨论各组分对材料性能的影响得到了适用于现场喷涂的聚氨酯树脂。

１　实验部分

１．１　主要原料

聚醚多元醇ＹＤ－１０１０（羟值：１０９－１１５ｍｇＫＯＨ／ｇ，ｆ＝２）、ＹＤ－２０２０（羟值：５３－５９ｍｇＫＯＨ／ｇ，ｆ＝２）、ＹＤ－，３３０Ｎ（羟值：５３－５９ｍｇＫＯＨ／ｇ，ｆ＝２），河北亚东化工集团有限公司；改性二甲苯基甲烷二异氰酸酯（１００ＬＬ，工业级），烟台万华聚氨酯有限公司；邻苯二甲酸二丁酯（ＤＢＰ，工业级），北京市京平化商贸有限公司；辛酸亚锡（试剂级），国药集团化学试剂有限公司；抗氧剂１０１０（工业级），爱丽汶森化学科技有限公司；异辛酸铅（试剂级），上海长风助剂厂；交联剂，自制。

１．２　主要设备

电子万能试验机（ＤＸＬＬ－１００），上海登杰机器设备有限公司；喷涂试验机（Ｒｅａｃｔｏｒ　Ｅ－１０），美国ＧＲＡＣＯ公司；旋转粘度仪（ＮＤＪ－１Ｂ型），上海昌吉地质仪器有限公司。

１．３　试样制备

１．３．１　Ａ组分的制备

在装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入计量好的聚醚１０００，并升温至１１０℃真空脱水２ｈ，测定水分含量小于０．２％时，停止抽真空并降至常温。加入计量好的改性ＭＤＩ，通入Ｎ２，升温并保持体系在８０℃反应４ｈ，当测定体系的ＮＣＯ含量达到理论值时停止反应，作为Ａ组分备用。

１．３．２　Ｂ组分的制备

在装有搅拌器、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入计量好的交联剂、抗氧剂１０１０、抗紫外线剂、ＤＢＰ、催化剂并升温至１１０℃真空脱水２ｈ，测定水分含量小于０．２％时，停止抽真空并静置作为Ｂ组分备用。

１．４　基本配方

２　结果与讨论

２．１　体系黏度的影响因素

喷涂树脂的黏度对喷涂效果有很明显的影响。过高的黏度会导致喷涂树脂混合效果及雾化效果不佳。在本配方体系中，Ａ组分为预聚物体，是黏度较高的组分，因此，控制Ａ组分黏度就成为控制整个体系黏度的关键。其中，影响Ａ组分体系黏度的因素主要包括：（１）多元醇的黏度；（２）增塑剂的用量。
２．１．１　多元醇的选择

我们选择了以下几种多元醇，测试其黏度，并在其他组份不变的情况下测试样品的物理性能。表２列出的是不同种类多元醇的黏度及物理性能。可以看出，分子量相对较低的线性多元醇聚醚１０００所制备的样品在剪切强度和断裂伸长率上都处于中游，且黏度较低，根据在保证树脂性能的前提下尽量选择黏度低的多元醇的原则，我们最终选用了具有较低黏度的聚醚１０００。

２．１．２　增塑剂用量的影响

在多元醇种类选定的情况下，增塑剂用量为另一个对体系黏度具有明显影响的因素。表３可以看出，随着增塑剂用量的提高，Ａ组分黏度成下降趋势，但从１０质量份增加到１５质量份的增塑剂，Ａ组分黏度下降并不多，而且，在实验中发现增塑剂加入过多，固化后的树脂会出现析出的现象。因此，我们最后确定，Ａ组分中增塑剂的用量为１０质量份。

２．２　交联剂用量对树脂性能的影响

确定了异氰酸酯及多元醇种类的情况下，交联剂用量就成为树脂固化后力学性能最重要的影响因素。图１、图２、及图３是交联剂用量对产品性能影响的关系曲线。

　从图１、图２、图３可以看出，随着交联剂用量的升高，树脂固化后的剪切强度、黏接强度都呈增大趋势，但断裂伸长率有比较明显的下降。分析原因，随着交联剂用量的提高，液化ＭＤＩ的用量也随之提高，树脂体系内刚性苯环含量逐渐提高，反映到宏观性能上表现为树脂黏接强度和剪切强度的提高，而交联剂用量的提高同时也提高了交联点数量，使树脂体系内更多的呈现网状结构而不是线性结构，因此，树脂的断裂伸长率降低。从有利于道砟捣固的角度看，对于固化增强树脂而言，与道砟的黏接强度应较高，而断裂伸长率不应过高。根据国外同类产品的性能参数，我们控制产品的断裂伸长率在１００％左右，最终确定交联剂的用量为１０质量份。

２．３　催化剂对树脂固化速度的影响

作为快速固化树脂，树脂固化速度的调整也是重要的技术指标。聚氨酯催化剂通常有２类：有机金属催化剂和胺类催化剂。因此在催化剂的选择上，尝试了两种有机金属催化剂和一种胺催化剂。试验中，我们用选定好的Ａ、Ｂ组分配方尝试不同的催化剂配比，观察树脂在道砟上的指干时间，以此表征树脂的固化效果。试验结果如表４所示。可以看出，辛酸亚锡锡与异辛酸铅同时使用时，树脂体系的固化速度有比较理想的效果，可以达到快速固化的要求。分析原因，胺催化剂和辛酸亚锡均属于前效性催化剂，反应初期放热比较明显，但后期固化速度相对较慢，而异辛酸铅的反应后期固化速度较快，但反应初期的生热慢，因此与胺或者锡催化剂共同使用可以达到比较理想的固化效果。辛酸亚锡和胺催化剂相比，前期反应放热更明显，因此，树脂的固化速度更快。因此，最终确定使用辛酸亚锡与异辛酸铅作为催化剂。
催化剂用量对树脂固化速度的影响