聚氨酯泡沫合成軌枕的應(yīng)用及發(fā)展*

張 勇 劉 志* 張 彬 趙微微 郝林栓 賈積恒

(1.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司 北京 102200) (2.鐵科騰躍科技有限公司 河北石家莊 052360)

玻纖增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯(Fiber reinforced Foamed Urethane，F(xiàn)FU)合成軌枕由連續(xù)玻璃纖維和聚氨酯樹脂經(jīng)發(fā)泡拉擠工藝制備而成，主要應(yīng)用于鐵路鋼橋明橋面和城市軌道交通，F(xiàn)FU合成軌枕技術(shù)的引入是為了解決木枕易腐蝕和開裂、使用壽命短、道釘抗拔力和軌矩保持性能差、優(yōu)質(zhì)木材逐年減少的問題。日本于20世紀(jì)80年代首次生產(chǎn)了密度相對(duì)較低的FFU合成軌枕。我國近幾年在FFU合成軌枕的基礎(chǔ)上，通過提高產(chǎn)品密度和纖維含量，改進(jìn)軌枕的結(jié)構(gòu)形式及生產(chǎn)工藝，開發(fā)出鐵路鋼梁用復(fù)合材料(HFFP)橋枕，其綜合性能得到大幅度提升[1-2]。

本文介紹了聚氨酯泡沫合成軌枕的性能特點(diǎn)和發(fā)展，并從工藝控制上探討了聚氨酯泡沫合成軌枕的生產(chǎn)技術(shù)。

1 聚氨酯泡沫合成軌枕發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

國內(nèi)外研制的復(fù)合材料軌枕種類很多，投入商業(yè)化應(yīng)用的目前只有聚氨酯泡沫合成軌枕和回收塑料軌枕兩種，后者綜合性能較差，而聚氨酯泡沫合成軌枕被認(rèn)為是替代木枕最適合的材料。國內(nèi)現(xiàn)有的聚氨酯泡沫合成軌枕一般分為城市軌道交通用FFU合成軌枕[3]和鐵路鋼梁用HFFP橋枕[4]。

FFU合成軌枕最先由日本開發(fā)成功，目前日本每年約鋪設(shè)合成軌枕9萬根。國內(nèi)部分單位引進(jìn)了國外技術(shù)和生產(chǎn)線，如積水(上海)環(huán)境科技有限公司將日本積水化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社的技術(shù)引入國內(nèi)，中船重工七二五所在日本技術(shù)基礎(chǔ)上研制成功了國產(chǎn)FFU合成軌枕，并在廣州和上海地鐵上應(yīng)用，均取得良好的使用效果[5]。由于FFU合成軌枕在道釘抗拔力、抗彎性能和疲勞性能達(dá)不到我國干線鐵路現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，由鐵科院組織研發(fā)了綜合性能更優(yōu)異的HFFP復(fù)合橋枕，可滿足現(xiàn)行鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范最大速度200 km/h、最大軸重270 kN要求，已經(jīng)在我國京滬三線K483+873橋、膠新線K286+562橋和隴海線K1562+448橋等多個(gè)鐵路橋梁上應(yīng)用，使用效果良好。HFFP復(fù)合橋枕于2018年通過鐵路總公司技術(shù)評(píng)審，可在全國鐵路推廣應(yīng)用。圖1和圖2為HFFP復(fù)合橋枕安裝、產(chǎn)品及應(yīng)用圖。

圖1 HFFP復(fù)合橋枕安裝圖

圖2 HFFP復(fù)合橋枕產(chǎn)品及其在隴海線應(yīng)用案例

2 聚氨酯泡沫合成軌枕的特點(diǎn)及性能

聚氨酯合成軌枕具有比木枕更高的抗彎曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度，同時(shí)彈性模量與木枕接近，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和彈性。無論在低溫還是高溫下使用，均能表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，在自然條件下幾乎無腐蝕，耐久性極好，使用壽命可達(dá)50年。在安裝過程中，可以像加工木材一樣，對(duì)合成軌枕進(jìn)行二次加工，如刻槽、開孔等。如有破損或加工錯(cuò)誤，可以進(jìn)行修復(fù)后再使用。采用木材制作軌枕的過程中，為了提高其耐久性能，通常會(huì)使用雜酚油浸泡處理，以達(dá)到防腐效果，該化學(xué)物質(zhì)為致癌物，歐盟已經(jīng)禁止使用。聚氨酯合成軌枕的主要原料為聚氨酯樹脂和連續(xù)玻璃纖維[6]，在生產(chǎn)過程中幾乎無VOC排放，屬環(huán)境友好型材料。采用聚氨酯合成軌枕的鐵路線的行車安全性也比木枕高，這得益于其較大的道釘抗拔力和優(yōu)異的握釘能力。在使用過程中，由于軌距保持性能好且電氣絕緣阻抗高，無需考慮絕緣因素。雖然聚氨酯合成軌枕的價(jià)格較高，與木枕相比一次性投入較大，但使用過程中維護(hù)成本低，可減輕維護(hù)管理的負(fù)擔(dān)，綜合經(jīng)濟(jì)性好。聚氨酯合成軌枕尺寸可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，能滿足各種設(shè)計(jì)要求。

FFU合成軌枕和HFFP復(fù)合橋枕主要性能指標(biāo)見表1。其中，F(xiàn)FU性能指標(biāo)按照CJ/T 399—2012標(biāo)準(zhǔn)，HFFP性能指標(biāo)按照TJ/GW 161—2018標(biāo)準(zhǔn)。

表1 聚氨酯泡沫合成軌枕性能指標(biāo)

另外，對(duì)于耐久性，F(xiàn)FU合成軌枕要求紫外光照射1 000 h后，力學(xué)性能保持率≥70%；HFFP復(fù)合橋枕要求紫外、鹽霧1 000 h、濕熱720 h后，力學(xué)性能保持率≥80%。

3 聚氨酯泡沫合成軌枕的生產(chǎn)工藝和設(shè)備

聚氨酯泡沫合成軌枕連續(xù)拉擠生產(chǎn)工藝(圖3)包含了集送紗、注膠浸潤(rùn)、模具固化、定長(zhǎng)切割等幾個(gè)主要過程。按照最終產(chǎn)品厚度可分為一體成型工藝和多層粘接成型工藝。一體成型工藝就是一次性拉擠出所需要的產(chǎn)品厚度，而多層粘接工藝則是根據(jù)產(chǎn)品最終厚度，先制備出薄片型材并對(duì)型材表面打磨，采用膠黏劑將2～4層該薄片型材進(jìn)行粘接，制備出最終產(chǎn)品。

圖3 聚氨酯泡沫合成軌枕生產(chǎn)工藝圖

3.1 主要設(shè)備

與傳統(tǒng)拉擠聚氨酯復(fù)合材料設(shè)備不同，聚氨酯泡沫合成軌枕的主要生產(chǎn)設(shè)備為聚氨酯高壓發(fā)泡機(jī)和雙履帶(鋼帶)層壓機(jī)，前者主要是將聚氨酯組合料進(jìn)行混合并注射，實(shí)現(xiàn)玻璃纖維的均勻浸潤(rùn)；后者是連續(xù)牽引的同時(shí)進(jìn)行模壓固化。除此之外，還需用砂光機(jī)對(duì)制品進(jìn)行打磨定尺，在確保尺寸的同時(shí)有利于涂裝。對(duì)于多層粘接成型工藝，還需要壓力機(jī)施加壓力，確保層間粘接牢固。

3.2 工藝流程

3.2.1 多層粘接成型工藝

多層粘接成型工藝生產(chǎn)的板材截面積較小，一般為(230±10) mm×(70±10) mm，產(chǎn)品密度為740 kg/m3時(shí)，需要的玻璃纖維數(shù)量為600～800根。玻璃纖維通過導(dǎo)紗裝置進(jìn)入浸膠槽，高壓發(fā)泡機(jī)將聚氨酯組合料均勻地注射到玻璃纖維表面，并由人工或機(jī)械揉搓的方式使玻璃纖維得到充分的浸潤(rùn)，此過程為開放式浸膠。浸潤(rùn)后的玻璃纖維進(jìn)入雙履帶層壓機(jī)模腔中，在(60±20)℃的溫度下發(fā)泡固化成型，再依次經(jīng)過自動(dòng)切割機(jī)定長(zhǎng)切割、砂光機(jī)打磨定厚、結(jié)構(gòu)膠粘接并壓合固化、側(cè)面定寬打磨和表面涂裝制備而成。此工藝生產(chǎn)效率低，且多層粘接存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，有被一體成型工藝取代的趨勢(shì)。

3.2.2 一體成型工藝

一體成型工藝制備的合成軌枕截面積相對(duì)較大，寬度為230～300 mm、厚度為140～300 mm。該工藝需要的玻璃纖維數(shù)量較多，例如常規(guī)截面尺寸230 mm×140 mm、密度740 kg/m3的FFU合成軌枕，需要1 200～1 500根玻璃纖維；而截面尺寸240 mm×240 mm、密度1 200 kg/m3的HFFP復(fù)合橋枕，則需要約4 500根的玻璃纖維，常規(guī)的導(dǎo)紗裝置無法滿足，需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，紗房一般設(shè)置成雙層或多層，并且同比例設(shè)置備用紗團(tuán)，整個(gè)系統(tǒng)占地空間較大。在玻璃纖維浸潤(rùn)區(qū)域，采用封閉式浸潤(rùn)系統(tǒng)，無需人工輔助；由低頻振動(dòng)、超聲、高壓等裝置集成的自動(dòng)浸潤(rùn)系統(tǒng)可以減少勞動(dòng)力，提高浸潤(rùn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。浸潤(rùn)后的玻璃纖維有序進(jìn)入雙履帶(鋼帶)層壓機(jī)模腔中，連續(xù)拉擠固化成型。出模定長(zhǎng)切割后，對(duì)表面進(jìn)行打磨處理后涂裝完成。該工藝自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率高且成本低，質(zhì)量穩(wěn)定。

3.2.3 一體成型技術(shù)的問題分析

首先，在聚氨酯固化過程中可能會(huì)出現(xiàn)燒芯現(xiàn)象，這是因?yàn)榫郯滨ナ菬岬牟涣紝?dǎo)體，發(fā)泡過程內(nèi)部溫度過高，中心溫度無法及時(shí)傳導(dǎo)，導(dǎo)致中心區(qū)域材料炭化。可通過對(duì)聚氨酯配方的優(yōu)化，調(diào)整反應(yīng)速率及放熱量，同時(shí)借助玻璃纖維對(duì)部分熱量的吸收和傳導(dǎo)，降低放熱量，減少燒芯概率。

其次，合成軌枕出模后，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。這可能是因?yàn)楫a(chǎn)品出模前表面已固化，內(nèi)部未完全固化，出模后模壓消失，內(nèi)部繼續(xù)發(fā)泡產(chǎn)生應(yīng)力；并且產(chǎn)品出模冷卻過程中，內(nèi)外溫差較大，產(chǎn)生不同的收縮應(yīng)力。可通過加長(zhǎng)層壓機(jī)的長(zhǎng)度，保證出模前產(chǎn)品固化充分或調(diào)整聚氨酯后固化時(shí)間，在保持線速度的情況下，確保產(chǎn)品出模前完全固化。

一體成型工藝所需玻璃纖維數(shù)量是粘接成型工藝的3倍以上，浸潤(rùn)不充分的情況下會(huì)有干紗現(xiàn)象發(fā)生?？赏ㄟ^降低聚氨酯組合料的黏度，并且適當(dāng)延長(zhǎng)組合料起發(fā)時(shí)間來控制。更重要的是該工藝改進(jìn)了浸潤(rùn)工藝，降低人工干預(yù)而產(chǎn)生的不確定性；另外工藝采用自動(dòng)浸潤(rùn)裝置，由相關(guān)的輔助浸潤(rùn)設(shè)備配合機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)多層分散浸潤(rùn)，通?？刂萍喎繙囟葹?25±2)℃，相對(duì)濕度低于50%。

4 展望

聚氨酯泡沫合成軌枕作為替代木枕的新型軌枕，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、彈性好和軌矩保持性能優(yōu)良的特點(diǎn)，在我國已經(jīng)形成了城市軌道交通用FFU合成軌枕和鐵路橋梁用HFFP復(fù)合橋枕兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，均得到了廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)技術(shù)上，逐漸由多層粘接成型工藝向一體成型工藝邁進(jìn)，生產(chǎn)工藝的改進(jìn)也更有利于聚氨酯泡沫合成軌枕綜合性能的提升和更大范圍的推廣應(yīng)用。我國既有鐵路鋼梁木枕保有量約55萬根需要進(jìn)行維修和替換，再加上逐年新修建的鐵路鋼橋，在未來5～10年期間，將為聚氨酯泡沫合成軌枕的規(guī)?；瘧?yīng)用提升巨大的市場(chǎng)容量。