聚氨酯軌下墊板制備及性能對比研究

劉志 張彬 張勇 肖俊恒 張歡 高健

北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司， 北京 102206

軌下墊板是客貨共線鐵路和重載鐵路軌道結構扣件系統的重要部件，安裝在鋼軌和混凝土軌枕之間，緩沖列車通過時產生的振動和沖擊，保護路基和軌枕，并對信號系統進行電絕緣［1］。目前國內外使用的軌下墊板按材質可分為橡膠墊板、熱塑性聚酯彈性體（Thermoplastic Polyester-Ether Elastomer，TPEE）墊板和聚氨酯墊板三種。

橡膠墊板結合溝槽調節剛度，在鐵路中的應用較廣泛。橡膠材料本身耐老化性能一般［2］，在長期使用過程中，橡膠墊板的硬度增大，靜剛度會隨使用時間的延長而增加，耐疲勞性能一般，容易出現不同程度的壓潰破損的現象，影響橡膠墊板的服役壽命［3］。

TPEE墊板通過凹凸形狀調節剛度，具有髙韌性和髙回彈性，耐久性優異，可承受較大載荷，但其耐熱性較差，且壓縮永久變形較大，在長期使用過程中容易出現熱變形而導致尺寸變化率大等問題［4］，并且TPEE材料硬度大，長期使用會導致軌枕承軌槽磨損嚴重［5］。

聚氨酯材料由于特殊的軟硬段分子結構，具有優良的綜合性能［6］，主要表現為強度高，在較寬的硬度區間內具有良好的延展性和較高的伸長率，且耐磨性和耐久性良好［7］，這些性能均優于傳統的彈塑性材料。此外，聚氨酯墊板可以在較低硬度和較低剛度的同時具有更好的強度和彈性［8］。相比于橡膠墊板和TPEE墊板，聚氨酯墊板可通過調整配方及泡孔結構來實現剛度的變化，不需要設計復雜的溝槽和凹凸形狀。

本文采用高壓和低壓混合成型工藝制備聚氨酯軌下墊板，并與市售產品的性能進行對比分析。

1 試驗方案

1.1 試驗原料

聚醚多元醇組合料（Polyether Polyol，POL），ELASTURAN C6055 C-A，黏度（30 °C）為1 800 mPa·s；二苯基甲烷二異氰酸酯預聚體（Isocyanic Acid Prepolymers，ISO），ELASTURAN C 6055 C-B，黏度（30 °C）為900 mPa·s。兩種材料的生產廠家均為巴斯夫聚氨酯（中國）有限公司。

1.2 樣品制備

1）高壓混合成型工藝樣品

采用RSC16/16型聚氨酯高壓發泡機，將POL料預熱50 ℃，ISO料預熱55 ℃，模具溫度設置為70 ℃，ISO與POL的質量比為84∶100；混合壓強為17 MPa，流量為160 g/s，制得1#樣品。

2）低壓混合成型工藝樣品

采用PU20F-R1型聚氨酯低壓發泡機，將POL料預熱45 ℃，ISO料預熱50 ℃，模具溫度設置為70 ℃，ISO與POL質量比為84∶100；混合頭轉速6 000 r/min，流量為120 g/s，制得2#樣品。

3）選取市場上流通的三個不同廠家的墊板作為對比樣品。其中，3#為高壓成型，4#和5#為低壓成型。

1.3 測試與表征

1）力學性能測試

每個力學性能測試項目抽取3塊墊板進行試驗。得到每塊墊板的力學性能數據，取3塊墊板的平均值作為最終結果。

拉伸強度和拉斷伸長率：按 GB/T 10654—2001《高聚物多孔彈性材料 拉伸強度和拉斷伸長率的測定》進行試驗。每種試驗條件下，每塊墊板取3個試樣進行測試，取中位數作為該塊墊板的試驗結果。

200%定伸應力：按GB/T 10654—2001進行試驗。每塊墊板取3個試樣進行測試，取中位數作為該塊墊板的試驗結果。

熱空氣老化試驗：按 GB/T 3512—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠 熱空氣加速老化和耐熱試驗》進行試驗。老化條件為70 ℃、168 h。

壓縮永久變形：按GB/T 10653—2001《高聚物多孔彈性材料 壓縮永久變形的測定》的方法C進行試驗。每塊墊板取3個試樣疊在一起進行測試，測試數值為該塊墊板的試驗結果。試驗條件為（70 ± 2）℃、22 h，壓縮率為30%。

靜剛度、動靜剛度比和疲勞性能：應按 TB/T 1495—2020《彈條 Ⅰ型扣件》進行試驗。

2）紅外光譜分析測試

采用INVENIO S型傅里葉變換紅外光譜儀進行紅外光譜分析測試。用衰減全反射法進行分析，掃描范圍為400 ～ 4 000 cm-1。

3）動態力學分析測試

采用Q800型動態力學性能分析儀進行動態力學分析（Dynamic Mechanical Analysis，DMA）。選用拉伸模式，頻率為10 Hz，以3 ℃/min的升溫速率進行-70 ～60 ℃的溫度掃描。

4）熱失重分析測試

采用TGA 2型熱重分析儀進行熱失重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA）。在20 mL/min氮氣氣氛下測試，溫度范圍為50 ～ 600 ℃，升溫速率10 ℃/min。

5）掃描電鏡測試

采用Apreo C型掃描電子顯微鏡進行掃描電鏡測試（Scanning Electron Microscope，SEM）。樣品電壓為5 kV，放大倍數為250倍和500倍。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能

測試得到高壓和低壓混合成型工藝制備的聚氨酯軌下墊板的力學性能，并與市場上三個不同廠家墊板力學性能的測試結果進行對比，見表1。

由表1可知：與低壓混合成型工藝制備的2#墊板相比，高壓混合成型工藝制備的1#墊板壓縮永久變形更小，為3.8%，且動靜剛度比更低，為1.29，疲勞性能更優，其他性能基本相差無幾；對比五種墊板，3#樣品的壓縮永久變形和動靜剛度比性能最優，分別為3.5%和1.27，但其他力學性能較低，這與該樣品設定較低的靜剛度（93 kN/mm）有關系；4#樣品的壓縮永久變形較大，為5.7%，5#樣品動靜剛度比較大，為1.42，其他性能區別不大?？梢?，無論高壓或低壓混合成型工藝，均可制備與市場流通產品性能相當的樣品，其中高壓混合成型工藝制備的樣品性能更好。

2.2 聚氨酯材料紅外光譜

五種軌下墊板聚氨酯材料的紅外光譜見圖1?？芍? 315 cm-1為NHCO的順式N—H伸縮振動峰，2 945、2 854 cm-1為—CH2和—CH3的伸縮振動峰，1 744、1 697 cm-1為的伸縮振動峰，1 520 cm-1為酰胺Ⅱ鍵變形振動峰，1 101 cm-1為醚鍵C—O—C的吸收峰；五種樣品的譜圖基本一致，僅個別特征峰強度略有不同，因此可以判斷五種樣品采用的聚氨酯樹脂體系基本一致，但各成分用量略有不同，助劑的使用上也存在差別。這些都可能導致分子結構和泡孔結構的差異，從而影響其性能。

圖1 軌下墊板聚氨酯材料的紅外光譜

2.3 動態力學分析

五種軌下墊板樣品的損耗因子隨溫度的變化曲線見圖2。

圖2 軌下墊板的損耗因子隨溫度變化曲線

由圖2可知：

1）1#樣品的力學損耗峰所對應的溫度，即玻璃化轉變溫度最低，為-62 ℃，2#—4#樣品的玻璃化轉變溫度依次為-43、-49、-38 ℃，5#樣品最高，為-30 ℃，對應到產品的耐低溫性能，1#樣品耐低溫性能最優，5#樣品最不耐低溫。五種樣品的材料分子鏈中都含有大量的醚鍵，但是配方差異和混合成型工藝的不同導致醚鍵含量不同，分子間氫鍵含量不同，低溫下分子鏈的柔順性即運動能力不同，進而導致玻璃化轉變溫度有所區別，表現為材料的耐低溫性能不同。

2）常規使用溫度（一般為20 ～ 40 ℃）下，五種樣品的阻尼性能基本一致，但也略有不同。4#樣品損耗因子最大，對應的彈性略差，但阻尼性能較好；2#樣品損耗因子最小，對應的彈性最好，但阻尼性能略差。5#樣品損耗因子峰值最大，可達0.5，具體表現為在玻璃化轉變溫度下，其阻尼效果最佳；其他四種樣品的損耗因子峰值基本相同，為0.4。

2.4 聚氨酯材料熱失重

五種軌下墊板聚氨酯材料的TG（Thermogravimetric）和DTG（Derivative Thermogravimetry）曲線見圖3。其中，P為剩余質量占總質量的百分比；P′為TG曲線的一階導數，即P′ = dP/dT，T為溫度。

圖3 軌下墊板的TG和DTG曲線

聚氨酯彈性體的高溫性能在很大程度上決定于硬段相中異氰酸酯和擴鏈劑的種類，其熱分解從硬段開始，但表觀上的熱失重卻與軟段的含量有關。聚氨酯彈性體的熱分解可分為兩個階段。由圖3可知：第一階段從250 ℃開始，DTG峰值溫度為345 ℃，屬于硬段的熱分解；第二階段從380 ℃開始，DTG峰值溫度為425 ℃，屬于軟段的熱分解。

由圖3還可以看出：①1#、2#樣品的TG和DTG曲線均有所不同。這說明高壓、低壓混合成型工藝會影響聚氨酯的反應固化，從而產生不同的交聯結構，軟段硬段含量亦不同，導致其熱性能有所差異。但由于樹脂配方相同，其殘碳量保持一致。②3#、4#、5#樣品殘碳量及熱分解溫度不同。這說明其軟段硬段不同，進一步證實了樹脂配方有所差異。

2.5 軌下墊板聚氨酯泡孔結構微觀形貌

五種軌下墊板樣品SEM照片見圖4?？芍?#樣品的泡孔尺寸最小，直徑約40 μm，且分布最均勻；其次為1#樣品，泡孔直徑約50 μm；其他三種樣品的泡孔尺寸略大，且分布不均勻，5#樣品泡孔分布均勻性最差。

圖4 軌下墊板的SEM照片

相同的原材料下，泡孔的尺寸和分布與混合成型工藝有關。1#和2#樣品分別采用的高壓和低壓混合成型工藝，泡孔的結構體現出明顯的不同。高壓混合成型工藝下，泡孔的尺寸更小，且分布更均勻。這是因為采用高壓混合成型工藝時，物料混合先霧化然后高速撞擊，對物料的剪切力更大。由于聚醚組分中溶解了一定數量的空氣，在兩種原料混合時，溶解的氣體被打散成數量眾多的小空氣泡，這些小空氣泡就是原始的氣泡核點。剪切力越大，相應的體系中氣泡核數量越多，泡孔直徑越小，泡孔分布更均勻［9］。

不同的原料體系，影響聚氨酯泡孔結構的因素較多。如2#、4#及5#樣品的配方不同，均采用低壓混合成型工藝，表現出來不同的泡孔結構，這主要是配方中的助劑導致的。氣泡成核有均相成核和異相成核兩種類型。在加入不同的泡沫穩定劑時，泡孔表面張力有所不同，表現出來的成核過程也不同，即泡孔結構不同。在體系中加入適量無機納米材料作為成核劑，通過異相成核的原理，成核劑可以促進聚氨酯發泡過程中氣泡的成核，降低泡孔的尺寸，促進泡孔分布更加均勻［10］。

3 結論

本文采用高壓和低壓混合成型工藝分別制備了聚氨酯軌下墊板，進行力學性能、紅外光譜分析、動態力學分析、熱失重分析以及掃描電鏡測試，并與市售產品進行對比。主要結論如下：

1）本文試驗制備的樣品與市售產品相比性能相當，且具有更好的低溫性能，滿足相關標準要求。幾種樣品采用的聚氨酯材料體系相同，但配方及助劑略有差別，在不同的混合成型工藝下體現出了不同的性能。

2）高壓混合成型工藝制備的墊板與低壓混合成型工藝相比，泡孔的尺寸小，且分布均勻，因此材料具有更好的力學性能，壓縮永久變形和動靜剛度比更低。

3）配方相同但混合成型工藝不同，對應材料的殘碳量相同，但不同階段分解溫度有所差異，玻璃化轉變溫度也不同，產品在使用溫度下表現出的彈性和阻尼性能也不同。綜合對比，高壓混合成型工藝制備的材料性能更優。