高速鐵路絕緣軌距塊用增強(qiáng)尼龍專用料研究

湯友錢，湯 嬌，湯 嘯，齊 偉，李曉林，余杰倩，袁祖龍

（浙江省天臺祥和實(shí)業(yè)有限公司，浙江 天臺317200）

高速鐵路近年在中國得到了快速發(fā)展，根據(jù)鐵道部高速鐵路客運(yùn)專線建設(shè)規(guī)劃，僅“十一五”期間，國內(nèi)陸續(xù)開工建設(shè)的客運(yùn)專線就有9 800km，2020年以前將達(dá)到12 000km，總投入資金將在1.25萬億元。高速鐵路軌道扣件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鋼軌與軌下基礎(chǔ)可靠聯(lián)結(jié)的系統(tǒng)組合，既要實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)的可靠性和穩(wěn)定性，又要保證軌道的彈性和剛性［1-4］。其基本結(jié)構(gòu)主要由絕緣軌距塊、防震彈性墊板、彈條、鐵墊板、T形螺栓、螺母、墊圈、絕緣緩沖墊板、絕緣彈性墊層、錨固螺栓、彈性墊圈、調(diào)節(jié)墊層及預(yù)埋絕緣套管等部件組成?？奂到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

在上述部件中，絕緣軌距塊是高速鐵路扣件系統(tǒng)關(guān)鍵零部件之一。高速列車在軌道上行駛時(shí)會有很大的動力效應(yīng)，要使坐在高速列車上更舒適、更安穩(wěn)，對絕緣軌距塊就提出了更高的要求，要求絕緣軌距塊具有強(qiáng)度高、韌性好、自潤性、耐磨性好等性能，而且還對絕緣電阻及靜剛度有更高的要求。

尼龍（PA）自20世紀(jì)50年代開發(fā)成功以后，已成為五大工程塑料中產(chǎn)量最大、用途最廣、品種最多的重要高分子材料。PA既具有優(yōu)良的力學(xué)性能和電氣性能，又具有良好的耐磨性、耐油性、自潤滑性和耐腐蝕等性能。但是PA價(jià)格一直居高不下，為了降低成本，同時(shí)提高材料的力學(xué)性能，對PA的改性研究較多［5-7］，其中采用玻璃纖維增強(qiáng)PA就是一種常見的方法。目前，國外幾大知名公司都有相關(guān)的材料，如DSM公司的30%玻璃纖維增強(qiáng)高流動性PA6，拜爾公司的高熔體強(qiáng)度的PA6，羅地亞公司的TECHNYL C218V30Black（PA6GF30）和A218V30Black（PA66GF30）等。

然而，對于高性能增強(qiáng)PA，中國還是主要依靠進(jìn)口，這需耗費(fèi)大量外匯。因此，開發(fā)出高速鐵路PA專用料材料，對提升中國工程塑料及下游高鐵行業(yè)的技術(shù)水平，改善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，有著重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義。

圖1 彈條IV型扣件組裝零件圖Fig.1 Assembly parts diagram of elastic type IV fastener

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 PA基體樹脂

首先選用4種牌號的PA基體樹脂：荷蘭DSM F223、巴陵化纖、日本宇部、新加坡南洋1013B，分別測定PA的端基含量和力學(xué)性能；考察不同黏度的PA及其復(fù)配對材料的機(jī)械性能及加工性能（流動性）的影響。

1.2 玻璃纖維對PA的增強(qiáng)作用

選用3種不同直徑的玻璃纖維，研究玻璃纖維種類和含量對復(fù)合材料性能的影響；對比普通玻璃纖維和無堿玻璃纖維對復(fù)合材料的耐醇解性能影響。

1.3 抗氧劑的負(fù)載化

合成了納米二氧化硅表面負(fù)載抗氧劑，提高抗氧劑的物理損耗性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PA基體樹脂的優(yōu)選與復(fù)配

2.1.1 各種牌號PA的端基含量和性能

PA分子鏈上的端基（端胺基、端羧基）含量對其性能的影響在于，端羧基含量的減少，有助于提高材料的耐水解（醇解）性能，且對PA熱氧降解有一定抑制作用。筆者分別測定了各種牌號PA6的端基含量，其結(jié)果如表1所示。

由表1可見，荷蘭DSM F223的端羧基含量最高，達(dá)106.57mmol／kg，而巴陵化纖YH3200的端羧基含量最低，僅有52.07mmol／kg；日本宇部1013NW8的端胺基含量最高，達(dá)61.44mmol／kg，巴陵化纖YH3200端胺基含量最低，僅有41.47mmol／kg?？紤]到端胺基對N-烷基胺的熱氧化有穩(wěn)定作用，而羧酸端基能引發(fā)氫過氧化物的分解和加快酮與氫過氧化物反應(yīng)的速率，因此選擇端胺基含量相對較高，而端羧基含量相對較低，同時(shí)具有較好力學(xué)性能的PA作為基體樹脂。

表1 各種PA6牌號的端基含量與性能Table 1 PA6grades based on end group content and performance

2.1.2 不同黏度的PA及其復(fù)配對復(fù)合材料性能的影響

主要考察了不同黏度的PA及其復(fù)配對材料的機(jī)械性能及加工性能（流動性）的影響，其結(jié)果如表2所示。

表2 PA6特性黏度對PA6／30%GF復(fù)合材料性能的影響Table 2 Effect of PA6intrinsic viscosity on PA6／30%GF composite performance

由表2可知，當(dāng)PA黏度較大時(shí)，材料的機(jī)械強(qiáng)度較高，但加工流動性較差；當(dāng)PA黏度較小時(shí)，材料的機(jī)械強(qiáng)度較低，但加工流動性較好；中、低黏度PA復(fù)配時(shí)，材料具有較好的綜合性能。在成形大制件或薄壁制件時(shí)，為了使其具有較好的機(jī)械性能和加工性能，往往采用中、低黏度的材料按照不同比例復(fù)配，以解決加工性和機(jī)械強(qiáng)度的矛盾問題。

2.2 玻璃纖維的優(yōu)選與處理

按照玻璃纖維的直徑、表面處理劑的不同，玻璃纖維的性能和功能相差很大，特別是某些通過特殊處理的玻璃纖維，往往具有特殊的功能。以下考察了不同直徑、不同種類的玻璃纖維及處理對復(fù)合材料性能的影響。

2.2.1 玻璃纖維直徑對復(fù)合材料性能的影響

由表3可知，玻璃纖維直徑越小，材料的機(jī)械強(qiáng)度越高，加工性能也越好。但玻璃纖維直徑低于10μm時(shí)，其價(jià)格大幅度上升，因此，采用性價(jià)比較高的直徑為11m的玻璃纖維比較經(jīng)濟(jì)。

表3 玻璃纖維直徑對PA／30%GF復(fù)合材料性能的影響Table 3 Effect of glass fiber diameler on PA6／30%GF composite performance

2.2.2 玻璃纖維對PA的增強(qiáng)作用

考察了玻璃纖維用量對PA力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果如圖2、3、4所示。從圖中可以看出，隨玻璃纖維用量增加，PA的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和模量顯著增加，表明玻璃纖維對PA具有增強(qiáng)作用。

2.2.3 玻璃纖維種類對復(fù)合材料性能的影響

普通玻璃纖維含堿，堿會促進(jìn)PA的水解或醇解，從而降低復(fù)合材料的性能。

由表4可知，采用無堿玻璃纖維后，復(fù)合材料的耐醇解性能大幅度提高。如果沒有添加特殊助劑或無堿玻璃纖維，復(fù)合材料的耐醇解性能很差，不能滿足絕緣規(guī)矩塊對復(fù)合材料的性能要求；而添加無堿玻璃纖維后，復(fù)合材料的耐醇解性能大幅度提高。

2.3 抗氧劑的負(fù)載化

低分子量的抗氧劑易因遷移、抽提、揮發(fā)等物理作用而損耗，從而影響高分子材料的抗氧化性。目前的發(fā)展趨勢是提高抗氧劑的相對分子質(zhì)量、降低揮發(fā)性、提高抗氧化效率，使其更適合于在較高溫度下加工和長期使用。為此，合成了納米二氧化硅表面負(fù)載抗氧劑以解決抗氧劑的物理損耗問題。由于抗氧劑負(fù)載于納米二氧化硅的表面，這就使其不易通過遷移和揮發(fā)引起物理損耗，且其分子中含有大量抗氧化基團(tuán)，保證抗氧化效果，同時(shí)納米二氧化硅比表面積大、穩(wěn)定性好，是可靠的負(fù)載化基體材料。納米二氧化硅表面含有大量羥基，用硅烷偶聯(lián)劑表面改性后，即可經(jīng)化學(xué)反應(yīng)將抗氧劑分子接枝到納米二氧化硅表面。

圖4 玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PA6彎曲模量的影響Fig.4 Effect of glass fiber amount of PA6on flexural modulus

表4 玻璃纖維種類對PA66／30%GF復(fù)合材料性能的影響Table 4 Effect of fiberglass types on PA6／30%GF composite performance

2.3.1 納米二氧化硅表面負(fù)載受阻酚抗氧劑的制備

表面含有胺基的改性納米二氧化硅與AG-Cl反應(yīng)得到負(fù)載化的抗氧劑AG-SiO2。反應(yīng)過程如下：

2.3.2 紅外光譜表征

原料二氧化硅及提純后各步產(chǎn)物采用KBr壓片法測定，攝譜范圍4 000～400cm-1。

圖5所示，未改性二氧化硅的特征峰為3 427 cm-1的O—H伸縮振動峰和1 630cm-1的O—H彎曲振動峰。納米二氧化硅表面負(fù)載受阻酚抗氧劑后在3 000cm-1附近出現(xiàn)C—H伸縮振動吸收峰，說明有機(jī)基團(tuán)已成功接枝上去。1 725 cm-1處尖峰是羰基峰，901cm-1是苯環(huán)取代后的彎曲振動峰，證明有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的AG接枝成功。

3 結(jié) 語

圖5 納米二氧化硅表面負(fù)載受阻酚抗氧劑各步產(chǎn)物紅外光譜圖Fig.5 IR spectra of nano-silica surface load antioxidant product

通過優(yōu)選PA基體樹脂及通過不同黏度的基料復(fù)配，使得材料具有較好的加工性能和機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)選擇具有特殊功能的玻璃纖維型號，使得復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能和較好的耐醇解性能。合成了負(fù)載化抗氧劑，為提高材料的長期耐高溫穩(wěn)定性能提供了技術(shù)依據(jù)。

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