一种高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料及其制备方法与流程

[0001]
本发明属于轨道交通材料技术领域，涉及一种化工新材料，具体涉及一种高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料及其制备方法和使用方法。


背景技术：

[0002]
高速铁路无砟轨道凸形挡台主要作用具有两个：1）定位功能；定位是凸台材料最基本功能，材料与凸形台一起限制轨道板的纵横向位移，抵抗纵横向作用力，并传递荷载。2）减振功能；凸台材料提供合适的弹性和刚度，可以有效的缓冲列车纵横向的振动，保证轨道结构具有较长的使用寿命。无砟轨道凸形挡台高度一般为250 mm，凸形挡台与轨道板半圆缺口间填充材料的设计厚度为40mm，尽管客运专线装备和材料中有些实现了国产化，但目前材料和设备主要依赖日本、德国等国外技术，配套的高性能的高承载填充材料，目前以日本进口为主。
[0003]
无砟轨道凸形挡台填充材料，日本早期采用水泥沥青砂浆，经过一段时间运行后存在破损现象，后来改用聚氨酯树脂材料，但是，其对水泥的粘结效果不太好。更难解决的是，由于聚氨酯树脂对水汽敏感，遇水将反应产生co2，容易出现大量气泡，影响填充树脂的致密性与均匀性。此外，聚氨酯树脂分子结构中含有大量苯环双键，在长期紫外线照射下可引起断链，导致树脂粉化开裂，给铁路长期稳定运行带来隐患，维护费用增加。除聚氨酯树脂（中国专利申请号：201110157374.0，200910089621.0，200710021660.8，）外，还可采用环氧树脂（中国专利申请号：200710021661.2，200710021662.7，）、不饱和聚酯类树脂（中国专利申请号：200710021662.7）、乙烯基类树脂（中国专利申请号： 200710021662.7）作为无碴轨道凸形挡台的填充材料。与聚氨酯树脂相比，其使用工艺性和对水泥的粘结力都较优。
[0004]
无砟轨道凸形挡台填充材料，还需承受日晒雨淋、紫外线等环境产生的应力与老化，更容易遭到破坏。由于凸形挡台工作环境的复杂性以及对性能要求的多样性，要求其填充材料在不同温度条件下都对水泥结构件具有良好的粘结性，以传递载荷，并且具有合适的弹性以承受外力作用而不产生大的形变与开裂。此外，在各种温度条件下，还必须考虑其使用工艺性，合适的施工粘度与可使用期及固化速度，以上各项性能要求在现有技术方案中并未得到很好地满足。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料及其制备方法，以克服现有技术的上述缺陷。
[0006]
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：一种高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料，包括以下原料：a组分马来酰亚胺改性沥青、b组分环氧树脂和c组分环氧树脂固化剂；按重量份数计，c组分由以下原料组成：聚醚胺固化剂
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100份封闭型聚氨酯预聚体
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20~45份
氨基聚二甲基硅氧烷
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10~20份固化促进剂
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0~2.5份助剂
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5~17.5份其中，b组分与c组分的质量比为1:（0.65~1.35），a组分与b、c组分之和的质量比为（0.5~1.5）：1。
[0007]
本发明所述的马来酰亚胺改性沥青是通过马来酰亚胺与普通基质沥青制得；其中，普通基质沥青包括煤焦沥青、石油沥青和天然沥青。
[0008]
本发明马来酰亚胺与普通基质沥青制备马来酰亚胺改性沥青的方法为：将反应釜加热到100~140℃，加入普通基质沥青，同时加入占普通基质沥青质量1~10%的马来酰亚胺，升温到140~180℃，维持压力在0.3~0.8mpa，反应100~600分钟后，即得到马来酰亚胺改性沥青。
[0009]
本发明中，b组分环氧树脂指的是液态双酚a环氧树脂e-51。
[0010]
在本发明中，所述c组分中，封闭型聚氨酯预聚体制备方法是：在60~100℃反应温度下，将封闭剂的甲苯溶液滴加到装有聚氨酯预聚物与甲苯混合液的反应釜中，反应1-10小时后，停止反应，50~80℃减压蒸馏除掉溶剂，检测出料，即得到封闭型聚氨酯预聚体。
[0011]
在本发明中，上述制备封闭型聚氨酯预聚体中所述的封闭剂，指的是甲醇、乙醇、苯酚、甲乙酮肟、丙二酸二乙酯、乙酰丙酮、乙酰乙酸乙酯等中一种或多种混合物。
[0012]
在本发明中，上述所述的聚氨酯预聚体，指的是聚酯型体系聚氨酯预聚体和聚醚体系聚氨酯预聚体，具体的，聚酯型tdi（甲苯二异氰酸酯）体系聚氨酯预聚体，包括但不局限于hkr-6776，hkr-6786，hkr-6791，可从济宁市日不落生物科技有限公司购买，hkr-6796，hkr-6701，hkr-6706，可从济宁佰一化工有限公司购买获得。聚醚型tdi（甲苯二异氰酸酯）体系聚氨酯预聚体，德国朗盛公司，具体牌号trixene
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sc7702，trixene
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sc7721，trixene
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sc7725，trixene
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sc7722等；hc-8535，hc-8692，hc-6590，hc-6560d，hc-6692等，可通过上海鹤城高分子公司获得。
[0013]
本发明中，所述的封闭剂的甲苯溶液和聚氨酯预聚体与甲苯混合液，按照质量比封闭剂或聚氨酯：甲苯=1:0.5~4混合得到。
[0014]
本发明中，c组分中聚醚胺固化剂，比如包括但不限于hunstman公司中surfonamine
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系列产品，l系列，l-100，l-200，l-207，l-300；b系列，比如b-30，b-60，b-100和b-200等等；jeffamine
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系列产品，比如jeffamine
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m600，jeffamine
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d230，jeffamine
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t5000，jeffamine
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xtj-435，jeffamine
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xtj-436，jeffamine
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hk-511等等一种或多种混合物。
[0015]
在本发明中，c组分中氨基聚二甲基硅氧烷，包括但不限于n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷，n-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷，n-环己基-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种或多种的混合物。
[0016]
在本发明中，所述的固化促进剂是指2、4、6三（二甲氨基甲基）苯酚（即dmp-30）。
[0017]
在本发明中，所述的助剂包括但不限于相容剂（比如，领苯二甲酸二异癸酯，萘油或沥青焦油等）、紫外线吸收剂（2-（2ˊ-羟基-5ˊ-甲基苯基）苯并三氮唑，2-（2ˊ-羟基-3ˊ，5ˊ-二叔苯基）-5-氯化苯并三唑、三（1，2，2，6，6-五甲哌啶基）亚磷酸酯等等）、抗氧化剂（比
如，四[β-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，聚4,4,异丙叉二酚c12-15 醇亚磷酸酯等等）、消泡剂（比如硅氧烷类消泡剂等）、偶联剂（比如kh550，kh560，kh570等等）、增韧剂（比如丁腈橡胶，反应性液体丁腈橡胶，丁二烯橡胶等等）、稀释剂（比如环氧树脂活性稀释剂，单/双/多官能度缩水甘油醚类等）中的一种或多种按任意比例混合的混合物。
[0018]
本发明中，高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一，制备a组分马来酰亚胺改性沥青，其制备方法如下：将反应釜加热到100~140℃，加入普通基质沥青，同时加入占普通基质沥青质量1~10%的马来酰亚胺，升温到140~180℃，维持压力在0.3~0.8mpa，反应100~600分钟后，即得到马来酰亚胺改性沥青；步骤二，按质量配比分别称取c组分各原料并在60~100℃下混合均匀，得到c组分环氧树脂固化剂；使用时，a组分加热到100~180℃，b、c组分加热到60~100℃，按配比将b组分与c组分混合均匀，再将a组分加入b、c组分混合物中并混合均匀，即得高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料。
[0019]
上述步骤一、步骤二无先后顺序之分。
[0020]
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：本发明提供的环氧树脂改性沥青材料，作为铁路板式无碴轨道凸形挡台的填充材料，充分满足填充材料与水泥粘结性、合适的弹性与压缩强度、耐老化、耐疲劳等综合性能要求，同时，具有良好的施工工艺性能，可满足不同气候条件，不同施工工况的要求。
[0021]
本发明所制备的高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料，确切的说是一种高性能高弹性环氧沥青材料，其作用原理如下：首先将基质沥青进行功能化改性处理，见图1改性机理，使基质沥青的本身成为一种环氧树脂固化剂，具有多个活性基团；其中，多余的马来酰亚胺也能在随后的固化反应中作为固化剂参与到反应之中。具有多种活性的固化剂可以调节固化速度，同时调节所生成的固化物性能，在此过程中，无挥发性物质产生，有效的保护环境以及施工人员的人身安全。
[0022]
环氧树脂与固化剂发生固化反应之后，形成一种三维环氧树脂-聚氨酯互穿聚合物网络或海岛结构，其中改性沥青作为交联剂，将线性固化物分子连接成网状结构，同时，不同对的聚合物之间相互作用并通过反应作为增塑剂也填充在网状结构的内部，形成内增塑体系，大大增强了整个固化物体系强度和柔性的可调范围，极大改善材料的柔韧性；此外，端氨基聚二甲基硅氧烷也能参与反应，极大提高低温耐寒性能，形成复杂的固化体系，大大提高胶层的剪切强度、附着力、拉伸强度、弯曲强度等。
[0023]
本发明不存在无机填料沉降问题，极大的保持材料的稳定性；此外，本发明的所制备的填充材料既有高的强度，又有好的柔韧性，还可以根据不同的要求提供相应的操作时间；同时环境友好，耐疲劳性能优异，而且在保持高温性能优异的同时大大提高了低温性能。
附图说明
[0024]
图1 马来酰亚胺改性沥青的机理示意图;图2 环氧树脂-聚氨酯互穿网络;图3 无砟轨道凸形挡台填充材料灌注部位俯视示意图。
具体实施方式
[0025]
以下为本发明具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明保护范围。
[0026]
实施例1：a组分马来酰亚胺改性沥青的制备方法：将反应釜加热到140℃，加入普通基质沥青若干（美国壳牌），同时加入占基质沥青质量2.50%的马来酰亚胺，升温到155℃，维持压力在0.5mpa，反应180分钟后，即得到马来酰亚胺改性沥青；b组分为液态环氧树脂（e51、南亚树脂厂生产）；c组分封闭型聚氨酯预聚体制备方法如下：反应釜加热至70℃，按照质量比1:0.5将甲苯和聚氨酯预聚体hkr-6776加入反应釜，并通入n2保护，直至完全溶解，再将甲乙酮肟的甲苯溶液（按质量比1:2）滴加到装有聚氨酯预聚物的反应釜中，反应6.5小时后，停止反应，70℃减压蒸馏脱除溶剂，检测出料，得到封闭型聚氨酯预聚体；c组分环氧树脂固化剂，按重量份数计，由以下原料组成：聚醚胺固化剂100份（其中，jeffamine
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xtj-435、jeffamine
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xtj-436、jeffamine
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d2000，按照摩尔比1：0.45:0.6混合均匀）、封闭型聚氨酯预聚体43.3份、端氨基聚二甲基硅氧烷（n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷）18.5份、固化促进剂0.45份（dmp-30，济南大晖化工科技有限公司）和助剂5.9重量份（紫外光吸收剂：2-（2ˊ-羟基-5ˊ-甲基苯基）苯并三氮唑0.25份、三（1，2，2，6，6-五甲哌啶基）亚磷酸3.2份，抗氧化剂：四[β-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯2.45重量份（南京华立明化工有限公司））；按照配比，在75℃混合均匀，即c组分；其中，b、c组分的质量比为1:0.73，a组分与b、c组分之和的质量比为0.62：1。
[0027]
使用时，a组分加热到135℃，b组分加热到60℃，c组分加热到60℃，按配比将b组分与c组分混合均匀，再将a组分加入b、c组分混合物中并混合均匀，得到高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料。
[0028]
本实施例得到的材料按照中国铁道部《客运专线板式无碴轨道凸形挡台填充树脂技术条件》进行测试，表1为混合液的性能测试指标结果，表2为浇铸体的性能指标要求。
[0029]
表1 混合液的性能测试指标结果；表2 浇铸体的性能指标要求结果。
[0030]
实施例2：a组分马来酰亚胺改性沥青的制备方法为：将反应釜加热到120℃，加入普通基质沥青若干（齐鲁石化），同时加入占基质沥青质量8.0%的马来酰亚胺，升温到160℃，维持压力在0.45mpa，反应210分钟后，即得到马来酰亚胺改性沥青；b组分为环氧树脂（e51，岳阳石化生产）；c组分封闭型聚氨酯预聚体制备方法参照实施例1，不同的是，聚氨酯预聚体为hkr-6786，封闭剂为苯酚，反应时间为6.5小时；c组分环氧树脂固化剂，按重量份数计，由以下原料组成：聚醚胺固化剂100份（其中，surfonamine
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b60、jeffamine
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m2070、jeffamine
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t5000，按照摩尔比1:0.54:0.32混合均匀）、封闭型聚氨酯预聚体21.6重量份、端氨基聚二甲基硅氧烷（n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷）11.2份和助剂13.57重量份（紫外光吸收剂：2-（2ˊ-羟基-5ˊ-甲基苯基）苯并三氮唑0.35重量份、三（1，2，2，6，6-五甲哌啶基）亚磷酸酯0.34重量份，抗氧化剂：四[β-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.38重量份（南京华立明化工有限公司），增韧剂：液体聚异戊二烯橡胶12.5重量份（分子量30000，25℃粘度60pa.s，深圳市玛斯尼弹性体有限公司））；按照配比，在85℃混合1小时，即c组分；其中，b组分与c组分的质量比为1:0.84，a组分与b、c组分之和的质量比为0.76：1；使用时，a组分加热到165℃，b组分加热到80℃，c组分加热到80℃，按配比将b组分与c组分混合均匀，再将a组分加入b、c组分混合物中并混合均匀，得到高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料。
[0031]
本实施例测试方法参照实施例1，表3为混合液的性能测试指标结果，表4为浇铸体的性能指标要求。
[0032]
表3 混合液的性能测试指标结果；
表4 浇铸体的性能指标要求结果。
[0033]
实施例3：a组分马来酰亚胺改性沥青的制备方法为：将反应釜加热到110℃，加入普通基质沥青若干（产地：单家寺），同时加入基质沥青3.65%的马来酰亚胺，升温到150℃，维持压力在0.35mpa，反应240分钟后，即得到马来酰亚胺改性沥青；b组分为环氧树脂（e51，济南天茂）；c组分封闭型聚氨酯预聚体制备方法参照实施例1，不同的是，聚氨酯预聚体为hc-6692，封闭剂为丙二酸二乙酯，反应时间为8小时；c组分环氧树脂固化剂，按重量份数计，由以下原料组成：聚醚胺固化剂100份（其中，jeffamine
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m1000、jeffamine
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xtj-436、jeffamine
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t500、surfonamine
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b200，按照摩尔比1:0.34:0.55:0.40混合均匀）、封闭型聚氨酯预聚体35.1重量份、端氨基聚二甲基硅氧烷（n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷7.6份、n-环己基-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷8.2份）15.8份、固化促进剂0.88重量份（dmp-30，济南大晖化工科技有限公司）以及助剂8.78重量份（紫外光吸收剂：2-（2ˊ-羟基-5ˊ-甲基苯基）苯并三氮唑2.06重量份、三（1，2，2，6，6-五甲哌啶基）亚磷酸酯0.23重量份，抗氧化剂：四[β-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.46重量份（南京华立明化工有限公司），增韧剂：端羧基液体橡胶6.03重量份（atbn1300x42，cvc公司））；按照配比，在95℃混合均匀，即c组分；b、c组分的质量比为1:1，a组分与b、c组分之和质量比为1：1；使用时，a组分加热到145℃，b组分加热到90℃，c组分加热到90℃，按配比将b组分与c
组分混合均匀，再将a组分加入b、c组分混合物中并混合均匀，得到高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料。
[0034]
本实施例测试方法参照实施例1，表5为混合液的性能测试指标结果，表6为浇铸体的性能指标要求。
[0035]
表5 混合液的性能测试指标结果； 表6 浇铸体的性能指标要求结果。
[0036]
实施例4：a组分马来酰亚胺改性沥青的制备方法为：将反应釜加热到130℃，加入普通基质沥青若干（煤沥青，山西恒德化工有限公司），同时加入基质沥青5.3%的马来酰亚胺，升温到170℃，维持压力在0.50mpa，反应300分钟后，即得到马来酰亚胺改性沥青；b组分为环氧树脂（环氧树脂e51，长春化工）；c组分封闭型聚氨酯预聚体制备方法参照实施例1，不同的是，聚氨酯预聚体为hc-6590，封闭剂为甲醇，反应时间为8.5小时；c组分环氧树脂固化剂，按重量份数计，由以下原料组成：聚醚胺固化剂100份（其中，jeffamine
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xtj-436、jeffamine
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m2005、jeffamine
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d400、surfonamine
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l-207、surfonamine
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b-60，按照摩尔比1:0.43:0.87:0.6:0.45混合均匀）、封闭型聚氨酯预聚体24.4重量份、端氨基聚二甲基硅氧烷（n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷9.1份，n-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷8.3份）17.4份、固化促进剂1.15重量份（dmp-30，济南大晖化工科技有限公司）以及助剂16.49重量份（紫外光吸收剂：2-（2
’-
羟基-3
’
，5
’-
二叔苯基）-5-氯化苯并三唑0.4重量份，抗氧化剂：聚4,4,异丙叉二酚
c12-15 醇亚磷酸酯0.35重量份：稳定剂：2（4，6-二苯基-1，3，5-三嗪-2-基）-5-己氧基酚类衍生物0.24重量份（basf公司，tinuvin 1577），增韧剂：反应性液体丁腈橡胶15.5重量份（atbn1300x16，cvc公司））；按照配比，在85℃混合均匀，即c组分；b组分与c组分的质量比为1:1.22，a组分与b、c组分之和的质量比为1.25：1；使用时，将a组分加热到190℃，b组分（环氧树脂e51，岳阳石化）加热到60℃，c组分加热到60℃，按配比将b组分与c组分混合均匀，再将a组分加入b、c组分混合物中并混合均匀，得到高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料。
[0037]
本材料测试方法参照实施例1，表7为混合液的性能测试指标结果，表8为浇铸体的性能指标要求。
[0038]
表7 混合液的性能测试指标结果； 表8 浇铸体的性能指标要求结果。
[0039]
实施例5：a组分马来酰亚胺改性沥青的制备方法为：将反应釜加热到140℃，加入普通基质沥青若干（煤沥青，山西恒德化工有限公司），同时加入基质沥青6.55%的马来酰亚胺，升温到165℃，维持压力在0.50mpa，反应240分钟后，即得到马来酰亚胺改性沥青；b组分为环氧树脂（环氧树脂e51，岳阳石化）；c组分封闭型聚氨酯预聚体制备方法参照实施例1，不同的是，聚氨酯预聚体为trixene
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sc7725，封闭剂为甲乙酮肟，反应时间为6小时；c组分环氧树脂固化剂，按重量份数计，由以下原料组成：聚醚胺固化剂100份（其中，jeffamine
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d400、jeffamine
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d2000、jeffamine
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t5000、
surfonamine
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l200，按照摩尔比1:0.65:0.87:0.5混合均匀）、封闭型聚氨酯预聚体32.4重量份、端氨基聚二甲基硅氧烷（n-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷）12.3份、固化促进剂2.05重量份（dmp-30，济南大晖化工科技有限公司）以及助剂10.77重量份（紫外光吸收剂：2-（2
’-
羟基-3
’
，5
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二叔苯基）-5-氯化苯并三唑0.44重量份，抗氧化剂：聚4,4,异丙叉二酚c12-15 醇亚磷酸酯0.52重量份：稳定剂：2（4，6-二苯基-1，3，5-三嗪-2-基）-5-己氧基酚类衍生物0.91重量份（basf公司，tinuvin 1577），增韧剂：丁腈橡胶8.9份（分子量10000以下，济南晟瑞化工有限公司））；按照配比，在85℃混合均匀，即c组分；b、c组分的质量比为1:1.29，a组分与b、c组分之和质量比为1.4：1；使用时，a组分加热到155℃，b组分加热到70℃，c组分加热到70℃，按配比将b组分与c组分混合均匀，再将a组分加入b、c组分混合物中并混合均匀，得到高速铁路无砟轨道凸形挡台填充材料。
[0040]
本实施例材料测试参照实施例1，表9为混合液的性能测试指标结果，表10为浇铸体的性能指标要求。
[0041]
表9 混合液的性能测试指标结果；表10 浇铸体的性能指标要求结果。
[0042]
由以上实施例检测结果可以看出，本发明所制备的填充材料具有优秀的施工性能和工作性能，同时，耐疲劳性能、耐腐蚀性能、耐热老化性能、以及耐寒性能等耐候性能良好，因此，本材料可以有效的缓冲列车纵横向的振动，保证轨道结构具有较长的使用寿命。

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