地鐵鋼軌吸振器用阻尼聚氨酯橡膠研制及其性能研究

袁建安 王紅梅 吳力佳

（天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，天津，300384）

前言

隨著我國城市化的快速發(fā)展，高鐵及地鐵軌道交通建設(shè)迅速增加，伴隨著列車運行速度的提高和行車密度的增加，進一步加劇了對沿線環(huán)境及車廂內(nèi)部的振動噪聲污染，增加了沿線居民煩惱的同時也降低了車內(nèi)乘客的乘車舒適度，甚至還能直接影響到新建路線的規(guī)劃。

為了更好地解決振動噪聲污染問題，以英國鋼鐵公司（British Steel）為代表的調(diào)頻式鋼軌減振器Silent Track 系統(tǒng)（圖1 所示），已在歐洲和全球范圍內(nèi)廣泛應用。該系統(tǒng)到現(xiàn)在已有超過175公里的使用航跡，減振效果顯著。獨立測量表明，Silent Track?產(chǎn)品將使列車的通過噪音整體降低3dB 至7dB。該系統(tǒng)使用附在軌道兩側(cè)的減振器來吸收列車行駛時在軌道上產(chǎn)生的振動，從而降低了總體噪音影響。Silent Track?的減振器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，是由具有高阻尼系數(shù)的彈性體和在彈性體內(nèi)，按確定的幾何和物理特性要求設(shè)置的質(zhì)量體組成。彈性體與質(zhì)量體一起構(gòu)成了阻尼性質(zhì)量體——彈簧減振系統(tǒng)，可以提高鋼軌系統(tǒng)的阻尼性能，降低鋼軌振動的平均能量水平，抑制輪軌相互作用的能量在軌道上的傳播。通過特制的彈性金屬卡夾，減振器可以被緊密吻合安裝在鋼軌兩側(cè)的軌腰上，不僅施工方便，節(jié)省工時，而且避免了采用粘接方式發(fā)生的剝離脫落現(xiàn)象，能有效地提高減振器的使用壽命[1]。

本文研制了一款阻尼性聚氨酯彈性體，以高活性三官能團的聚醚多元醇為主體材料、粗MDI為固化劑，引入高密度無機填料云母粉來提升材料的阻尼性能。為了提高該阻尼聚氨酯A 組分的儲存時間及制品的耐臭氧性，本文通過對白炭黑和光穩(wěn)定劑的變量對該阻尼聚氨酯物理特性進行分析。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

蓖麻油衍生物多元醇H-57，伊藤制油株式會社；高活性聚醚三醇（TEP-551C），中國石化集團天津石化公司聚醚部；蓖麻油多元醇，山東省鄒平縣天興化工有限公司；多亞甲基多苯基異氰酸酯（PM-200），煙臺萬華聚氨酯股份有限公司；云母粉，拓億新材料（廣州）有限公司；白炭黑M-5，卡博特（天津）化工有限公司；光穩(wěn)定劑UV-328和抗氧劑245，德國BASF 公司；光穩(wěn)定劑292，美國科聚亞公司；其余均為市售原材料。

1.2 儀器與設(shè)備

實驗室高速分散機，秦皇島強強機械制造有限公司；真空設(shè)備，上海鑄鼎真空設(shè)備制造有限公司；拉力試驗機，長春科新儀器設(shè)備有限公司；電熱鼓風干燥烘箱，天津市實驗儀器廠；電子秤（10kg），奧豪斯儀器（常州）有限公司；橡膠硬度計（邵A），上海六中量儀廠。

1.3 性能測試

邵A 硬度測試：按照GB/T 531.1-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法 第1 部分邵氏硬度計法》中要求進行；力學性能測試：按照GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》中要求進行；密度測試：按照GB/T 533-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 密度的測定》中要求進行；耐臭氧性能測試：按照GB/T 7762-2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐臭氧龜裂靜態(tài)拉伸試驗》中要求進行；耐液體性能測試：按照GB/T 1690-2010《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐液體試驗方法》中要求進行；耐熱氧老化性能測試：按照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。

1.4 試樣制備

1.4.1 阻尼聚氨酯制備

A 組分制備：利用實驗室高速攪拌和抽真空設(shè)備，在2L 鐵桶中加入定量大分子多元醇、增塑劑、填料和催化劑，高速分散5～10min，停止攪拌后加入定量的白炭黑、消泡劑，在低轉(zhuǎn)速攪拌1～2min，脫氣至無泡位置，待用。B 組分將大包裝固化劑（異氰酸酯）分裝到1L 或5L 的塑料桶中待用。

1.4.2 制備阻尼聚氨酯試片

將B 組分按照一定比例加入到稱量好的A 組分中，攪拌1～4min，抽氣至無泡后，倒入試樣模具中，硫化條件80℃×24h，冷卻至室溫后，停放16 小時以上，測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 大分子多元醇對阻尼聚氨酯物理性能影響

選用不同大分子多元醇作為聚氨酯彈性體的主體材料對產(chǎn)品的操作工藝及物理機械性能有著直接影響，選擇云母粉為填料，固化劑為粗MDI，對比TEP-511C、TEP-551C+蓖麻油混合、改性蓖麻油H-57、三種大分子多元醇的力學性能，如表2.1 所示。

表2.1 不同大分子多元醇對阻尼聚氨酯力學性能影響

表2.1 不同大分子多元醇對阻尼聚氨酯力學性能影響（續(xù)表）

由表2.1 可知，在滿足材料密度和引入相同無機填料的情況下，通過凝膠時間對比四種大分子多元醇的反應活性：TEP-551C＞TEP-551C+蓖麻油混合＞H-57，硫化后拉伸強度和拉斷伸長率對比：TEP-551C+蓖麻油混合＞TEP-551C＞H-57，耐水解和耐熱空氣老化性能對比：H-57 ＞TEP-551C+蓖麻油混合＞TEP-551C。從理論上分析，TEP-551C 是一種三羥基聚醚多元醇，其反應活性高是由于具有較高伯羥基含量，但其耐水性和耐高溫性與常規(guī)聚醚多元醇基本一致。蓖麻油衍生物多元醇H-57 具有長鏈脂肪基的多羥基化合物，且具備與蓖麻油一樣的耐水特性和耐高低溫性能。由表2.1 可知蓖麻油多元醇與TEP-551C共混，雖然在操作時間上比TEP-551C 延長，但是其耐水性和耐高低溫性能有明顯提高。綜上考慮，阻尼聚氨酯用TEP-551C+蓖麻油混合為主體材料制備的彈性體一致，具有較好的耐水性及耐高低溫性能，且固化時間快，對批量生產(chǎn)工藝更合適。

2.2 白炭黑對阻尼聚氨酯A 組分儲存影響

為滿足地鐵鋼軌吸振器批量生產(chǎn)成型工藝需求，需要阻尼聚氨酯中A 組分保證3～7 天的儲存周期，且要求A 組分粘度較低。因膠液中高密度無機填料云母粉在低粘度的容易造成沉降，需引入不同份數(shù)的白炭黑分散到阻尼聚氨酯的A 組分中保證云母粉不沉降且粘度較低。通過將不同份數(shù)的白炭黑分散到500mL 鐵桶中儲存的A 組分中，抽真空保存。取500mL 鐵桶中儲存3～7 天上層液體，與粗MDI 固化完全后的測得密度（Mg/m3），結(jié)果如表2.2 所示

表2.2 白炭黑用量對尼聚阻氨酯儲存影響

通過表2.2 可知，隨著白炭黑的添加量增加，阻尼聚氨酯A 組分的儲存時間也隨之增加。從理論上分析，將白炭黑分散到阻尼聚氨酯A 組分中，白炭黑M-5 屬于親水性二氧化硅與大分子多元醇中的極性鍵相互作用，能將分散到A 組分中的高密度云母粉懸浮在液體中。從表2.2 可以看出隨著白炭黑的添加量增多，云母粉下沉速度越慢，其密度保持越穩(wěn)定。綜合考慮，在澆注過程中混合粘度越低澆注到模具中越容易，不易造成氣泡或者缺膠現(xiàn)象，白炭黑的添加量為0.6g 為最佳。

2.3 光穩(wěn)定劑對阻尼聚氨酯耐臭氧性能影響

由于鋼軌吸振器長期暴露在外界環(huán)境中使用，紫外線分解空氣中的氧氣分子產(chǎn)生的臭氧能破壞橡膠中的碳碳雙鍵并且在表面產(chǎn)生裂痕，需在阻尼聚氨酯中引入光穩(wěn)定劑提高耐臭氧性能。選擇光穩(wěn)定劑UV-328、292 和抗氧化劑245，按照GB/T 7762-2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐臭氧龜裂靜態(tài)拉伸試驗》中要求進行，通過耐臭氧性能（50pphm，30℃，5%拉伸）24h～96h 的測試，觀察其龜裂程度，結(jié)果如表2.3 所示。

表2.3 不同抗氧化劑對阻尼聚氨酯耐臭氧影響

通過表2.3 可知，不加光穩(wěn)定劑的阻尼聚氨酯彈性體在試驗條件（50pphm，30℃，5%拉伸）下，48h 時開始出現(xiàn)輕微龜裂，96h 出現(xiàn)嚴重龜裂及裂紋布滿表面。而加入光穩(wěn)定劑UV-328、光穩(wěn)定劑292、光穩(wěn)定劑292+抗氧劑245 的阻尼聚氨酯彈性體在試驗條件下耐臭氧比較：光穩(wěn)定劑292+抗氧劑245＞光穩(wěn)定劑292＞光穩(wěn)定劑UV-328，從理論上分析，UV-328 是高效紫外線吸收劑，能有效吸收波長為270～380nm的紫外線，光穩(wěn)定劑292是一種受阻胺光穩(wěn)定劑，與紫外線吸收劑不同，它不吸收紫外光，它發(fā)生熱氧化或光氧化而產(chǎn)生穩(wěn)定的氮-氧自由基，或者是一種有效的自由基清理劑，優(yōu)先與烷基自由基反應，產(chǎn)生光穩(wěn)定作用，受阻胺在很低濃度下能起到很好的光穩(wěn)定作用，比一般的紫外線吸收劑的穩(wěn)定效果高2～4倍[2]，通過表2.3 可知，光穩(wěn)定劑292+抗氧劑245 耐臭氧性最好，抗氧劑245 是一種受阻酚類抗氧劑，能有效防止材料熱氧降解，與光穩(wěn)定劑292 混合使用提高耐臭氧性，綜合考慮，阻尼聚氨酯中加入光穩(wěn)定劑292 和抗氧劑245 其耐臭氧性能最佳。

3 結(jié)論

（1）選用大分子多元醇H-57、高活性聚醚三醇TEP-551C、TEP-551C 和蓖麻油混合作為阻尼聚氨酯主體材料，引入高密度阻尼填料云母粉，其固化劑為粗MDI，對比三種大分子多元醇為主體阻尼聚氨酯力學性能，TEP-551C 和蓖麻油混合作為阻尼聚氨酯主體材料力學性能最佳。

（2）將白炭黑分散到阻尼聚氨酯A 組分中，能有效降低高密度填料云母粉下沉速度，當A 組分基礎(chǔ)配方中的添加量為0.6g 時，其儲存效果和A 組分的粘度最佳。

（3）阻尼聚氨酯中添加光穩(wěn)定劑UV-328 和292 能有效提高耐臭氧性，通過實驗發(fā)現(xiàn)在光穩(wěn)定劑292 中引入抗氧劑246 后測得耐臭氧性能最佳。