CN113831492B - 用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法、聚氨酯弹性体及耗能件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法、聚氨酯弹性体及耗能件，所述方法包括：制备组分A，包括利用20‑30重量份的MDI‑50，与80‑90重量份的聚醚多元醇反应形成聚氨酯预聚体；制备组分B，包括将130‑160重量份的聚醚多元醇、90‑120重量份的第一填料、0.5‑1.2重量份的扩链剂以及适量添加剂均匀混合在一起，然后在100℃‑120℃下真空脱水至水分小于0.05％，制得B组份；以及将组分B加入温度加热到40‑50℃的组分A中，搅拌均匀，在20‑60℃下硫化数天，得到聚氨酯弹性体。
Description
技术领域
本发明涉及振动控制技术领域，特别是一种用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法、该方法制备的聚氨酯弹性体及由聚氨酯弹性体制备的耗能件。
背景技术
随着我国轨道交通大力发展，人们工作、出行更加方便、快捷，但轨道交通的振动、噪声不仅影响沿线居民的正常生活，也可能引发相关轨道设备的疲劳损坏，直接缩短其使用寿命。目前国内针对轨道交通的减振降噪措施多种多样，其中钢轨阻尼器由于可方便、快捷的安装于新建或者运行线路，且具有良好的减振降噪效果，得到了越来越广泛的应用。
目前钢轨阻尼器产品多种多样，其种类可分为约束阻尼型、迷宫式阻尼型、动力吸振器型。其中约束阻尼式和迷宫式阻尼式钢轨阻尼器主要是通过阻尼材料内部摩擦和相互错动，消耗钢轨振动能量。其起效频率较高，有一定的降噪效果。动力吸振型钢轨阻尼器是通过在轨道***上附加弹簧-质量***，在一定频率上有一定的减振作用。市场上缺乏一款具有减振效果，又同时兼具优异降噪性能的产品。
因此，需要新的技术和方法，以至少部分解决现有技术中的存在的问题。
发明内容
为改善以上现有技术中存在的问题，发明提出一种用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法、该方法制备的聚氨酯弹性体及由聚氨酯弹性体制备的耗能件，该耗能件能够增大原轨道***的阻尼特性，使钢轨振动的衰减率(dB/m)大幅提高，加快振动波在钢轨中传播的衰减，由此降低了钢轨振动的平均水平。弹性体弹性体
根据本发明的一方面，提供一种用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法，包括：
制备组分A，包括利用20-30重量份的MDI-50，与80-90重量份的聚醚多元醇反应形成聚氨酯预聚体；
制备组分B，包括将130-160重量份的聚醚多元醇、90-120重量份的第一填料、0.5-1.2重量份的扩链剂以及适量添加剂均匀混合在一起，然后在100℃-120℃下真空脱水至水分小于0.05％，制得B组份；以及
将组分B加入温度加热到40-50℃的组分A中，搅拌均匀，在20-60℃下硫化数天，得到聚氨酯弹性体。
根据本发明的实施方案，其中形成聚氨酯预聚体的步骤包括：将聚醚多元醇在100℃-120℃下真空脱水至水分含量小于0.05％，然后降温至30℃-50℃，搅拌并加入MDI-50，将混合物加热升温至75℃-85℃，反应数小时，取样检测NCO％，当NCO％为10-20％时，脱泡降温，得到聚氨酯预聚体。
根据本发明的实施方案，其中制备组分B的步骤中，所述第一填料选自石墨、硫酸钡、滑石粉、云母粉、碳纤维及玻璃纤维，所述添加剂选自抗氧剂、紫外线吸收剂以及催化剂。
根据本发明的实施方案，其中所述扩链剂为MOCA，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡。
根据本发明的实施方案，其中所述填料还包括炭黑作为第二填料，所述第一填料为滑石粉。
根据本发明的实施方案，其中在制备A组分的步骤中，聚醚多元醇为官能度2-3、分子量1000-2000的聚氧化乙烯醚多元醇；在制备B组分的步骤中，聚醚多元醇为官能度2-3、分子量1000-5000的聚醚多元醇。
根据本发明的实施方案，其中组分A和组分B的异氰酸酯指数比为1.05-1.10，也即A组份的NCO/B组份的OH。
根据本发明的实施方案，其中在20-60℃下硫化数天的步骤包括：将组分A和组分B的搅拌均匀的混合物注入模具中，在20℃-60℃下硫化3-4小时，脱模，然后在室温下硫化约一周。
根据本发明的另一方面，提供一种聚氨酯弹性体，由根据本发明所述的方法制备。
根据本发明的又一方面，提供一种钢轨耗能件，由根据本发明所述的聚氨酯弹性体制成。
本发明的用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体及其制备方法，具有一些优点，例如：
1.新型聚氨酯材料考虑了钢轨耗能装置的使用环境，在抗紫外线、抗氧化方面进行了设计，能够延长了钢轨耗能装置的使用寿命。
2.新型聚氨酯材料配方通过对预聚体的设计，使聚氨酯材料固化成型时间加快，提高了钢轨耗能装置的生产效率。
3.评价聚氨酯减振降噪性能的重要指标是聚氨酯材料在玻璃化转变区内具有高的阻尼因子(损耗因子)。根据钢轨耗能装置的性能要求，通过配方设计、样品制作、材料测试、优化配方等，提高了新型聚氨酯材料损耗因子，高损耗因子可使聚氨酯材料具有良好的储能及耗能性能，进而提高钢轨耗能装置的减振降噪性能。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
附图1为根据本发明实施例制备的聚氨酯弹性体的照片；以及
附图2为根据本发明实施例的聚氨酯弹性体测试试样的照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。
生产聚氨酯的主要原料有异氰酸酯、多元醇化合物以及填料等各种化学助剂。异氰酸酯是含有-NCO基团的化合物，主要有甲苯二异氰酸酯(TDI)，二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，己二异氰酸酯(HDI)，异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)，1,5-萘二异氰酸酯(NDI)等。其中，MDI和TDI是最常见也是应用最多的两种。由于分子结构的不同，MDI和TDI的主要用途也不同。TDI主要应用于软质泡沫、弹性体(尤其是浇注型弹性体)、涂料等领域。MDI的蒸汽压较TDI低的多，不易挥发，毒性低。纯MDI常温时为固体，不利于操作，而MDI-50是2,4’-MDI和4,4’-MDI组成的混合物，其凝固点低，常温下是无色至微黄色透明液体。从环保、成本以及操作工艺等角度考虑，本发明中，选择MDI-50作为组份A。
多元醇是多官能度醇类的简称，是合成聚氨酯树脂的重要原料之一，多元醇化合物的种类、分子量、官能度与分子结构等不同，所制备的聚氨酯树脂的物理化学性能有很大差异。聚氨酯工业中所用的多元醇主要有两大类：聚醚多元醇和聚酯多元醇。聚醚多元醇是以低分子量多元醇、多元胺或活泼氢的化合物为起始物，与氧化烯烃在催化剂作用下开环聚合而成。相比于聚醚多元醇，聚酯多元醇耐水解性能和耐霉菌性能较差，考虑到减振块的应用环境，在本发明中，选择聚醚多元醇为组份B的主要原料。更具体地，优选官能度2-3,分子量为1000-5000聚醚多元醇；优选官能度2-3,分子量为1000-2000聚氧化乙烯醚多元醇。
在聚氨酯中加入填料会限制分子链的***，增大材料的应变和能量损耗，增加应力-应变间的相对滞后性，同时填料粒子与分子链间的相互作用减少了分子链间的交联点，从微观结构上表现为连续相中有微孔分布，类似多孔材料，有利于微相分离的形成，进而提高材料的阻尼性能和弹性模量。聚氨酯阻尼材料常用的填料有石墨、炭黑、硫酸钡、滑石粉、云母粉、碳纤维及玻璃纤维等。片状填料在剪切作用下的择优趋向使聚合物分子链与片状填料的内摩擦增大，从而提高阻尼性能。在保证材料强度符合要求的前提下，填料含量越多，阻尼减振效果越好；但含量越高，组分的黏度也会越大，不利于填料的均匀混合，同时也会影响材料的性能。对大型阻尼产品来说，如何将填料均匀分散到原料中形成稳定体系是非常关键的问题。此外，加入填料可以大幅降低产品的成本。滑石粉呈片状价格低廉、耐冲击性能好、硬度低，从聚氨酯性能、工艺、成本控制以及减振块对聚氨酯硬度、密度以及强度等要求综合考虑，可以选择滑石粉作为主要填料，滑石粉含量控制在30％左右。另外，还可以选择炭黑作为第二填料，以改善弹性体的性能。
其他的化学助剂(添加剂)例如可以选自扩链剂、抗氧剂、紫外线吸收剂以及催化剂等等。例如扩链剂可以为MOCA，催化剂可以为二月桂酸二丁基锡、紫外线吸收剂可以为二苯甲酮类、苯并***类紫外线吸收剂等，抗氧剂可以为酚类抗氧剂、芳香胺类抗氧剂等。本领域技术人员可以根据本发明的教导以及本领域的常识选择适当的化学助剂。
下面结合具体的实施例进一步阐述本发明
实施例1-聚氨酯弹性体的制备
将82重量份聚氧化乙烯醚多元醇(官能度2-3,平均分子量为1000-2000)在100℃下真空脱水至水分<0.05％。然后降温至35℃，搅拌并加入28重量份的MDI-50。升温至80℃，反应2小时，取样检测NCO％，NCO％为12.0％。之后后脱泡降温，得到聚氨酯预聚体(组分A)；
将140重量份的聚醚多元醇(官能度2-3,平均分子量为1500)、0.3重量份催化剂二月桂酸二丁基锡、0.7重量份扩链剂MOCA、100重量份滑石粉(填料)、0.4重量份的抗氧剂1010、0.4重量份的紫外吸收剂328以及0.5重量份的炭黑于反应釜中搅拌均匀，在100℃下真空脱水至水分<0.05％，降温至室温，得到组份B。
将组份A聚氨酯预聚体升温至40℃，迅速加入组份B，快速搅拌均匀并注入模具中，于30℃硫化3.5小时，脱模，然后在室温下硫化一周，得到聚氨酯弹性体阻尼材料(参见附图1中左侧三个样品)。
实施例2-聚氨酯弹性体的制备
将87重量份聚氧化乙烯醚多元醇(官能度2-3,平均分子量为1000-2000)在110℃下真空脱水至水分<0.05％。然后降温至40℃，搅拌并加入24重量份的MDI-50。升温至80℃，反应2.5小时，取样检测NCO％，NCO％为16.0％。之后后脱泡降温，得到聚氨酯预聚体(组分A)；
将150重量份的聚醚多元醇(官能度2-3,平均分子量为4000)、0.7重量份催化剂二月桂酸二丁基锡、0.9重量份扩链剂MOCA、110重量份滑石粉(填料)、0.7重量份的抗氧剂1010、0.8重量份的紫外吸收剂328以及0.7重量份的炭黑于反应釜中搅拌均匀，在100℃下真空脱水至水分<0.05％，降温至室温，得到组份B。
将组份A聚氨酯预聚体升温至50℃，迅速加入组份B，快速搅拌均匀并注入模具中，于50℃硫化3小时，脱模，然后在室温下硫化一周，得到聚氨酯弹性体阻尼材料(参见附图1中右侧三个样品)。
实施例3-聚氨酯弹性体的性能测试
根据相应的测试标准，采用标准裁刀制备了测试试样(参见附图2)，根据测试标准测试了材料的硬度、密度、拉伸性能及损耗因子(DMA热分析法)。测试结果如表1所示。
表1：测试结果
实验结果表明，本发明的产品完全符合相关标准的要求；并且在损耗因子方面表现出明显优于现有技术(一般为0.2-0.4)的性能，因此具备良好的储能及耗能性能，进而能够提高钢轨耗能装置的减振降噪性能。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述实施方式，任何熟悉本领域的专业技术人员，在不脱离本发明的宗旨下，利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰，均属本发明的保护之内。
Claims (8)
1.一种用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于，包括：
制备组分A，包括利用20-30重量份的MDI-50，与80-90重量份的聚醚多元醇反应形成聚氨酯预聚体，其中聚氨酯预聚体的NCO%为10-20%；
制备组分B，将130-160重量份的聚醚多元醇、90-120重量份的第一填料、0.5-1.2重量份的扩链剂以及适量添加剂均匀混合在一起，然后在100℃-120℃下真空脱水至水分小于0.05％，制得B组份；以及
将组分B加入温度加热到40-50℃的组分A中，搅拌均匀并注入注入模具中，在20-60℃下硫化3-4小时，脱模，然后在室温下硫化一周，得到聚氨酯弹性体；
其中，在制备A组分的步骤中，聚醚多元醇为官能度2-3、分子量1000-2000的聚氧化乙烯醚多元醇；在制备B组分的步骤中，聚醚多元醇为官能度2-3、分子量1000-5000的聚醚多元醇；
其中，所述第一填料选自石墨、硫酸钡、滑石粉、云母粉、碳纤维及玻璃纤维。
2.根据权利要求1所述的用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于，形成聚氨酯预聚体的步骤包括：将聚醚多元醇在100℃-120℃下真空脱水至水分含量小于0.05％，然后降温至30℃-50℃，搅拌并加入MDI-50，将混合物加热升温至75℃-85℃，反应数小时，取样检测NCO％，当NCO%为10-20%时，脱泡降温，得到聚氨酯预聚体。
3.根据权利要求1所述的用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于，制备组分B的步骤中，所述添加剂选自抗氧剂、紫外线吸收剂以及催化剂。
4.根据权利要求3所述的用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于，所述扩链剂为MOCA，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡。
5.根据权利要求2所述的用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于，还包括炭黑作为第二填料，所述第一填料为滑石粉。
6.根据权利要求1所述的用于钢轨耗能件的聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于，组分A和组分B的异氰酸酯指数比为1.05-1.10。
7.一种聚氨酯弹性体，其特征在于，由根据权利要求1-6中任一项所述的方法制备。
8.一种钢轨耗能件，其特征在于，由根据权利要求7所述的聚氨酯弹性体制成。
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