高速鐵路新型單組分聚氨酯密封膠

徐凌雁 高志國 張龍慶

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

國內前期高速鐵路項目無砟軌道嵌縫材料以瀝青類為主，但瀝青彈性差、耐老化性差、低溫易脆化、高溫易流淌，甚至引起翻漿冒泥、路基凍脹等問題，嚴重影響了無砟軌道的耐久性和行車安全。因此，瀝青類嵌縫材料不適用于高速鐵路。目前高速鐵路無砟軌道嵌縫處理通常采用聚氨酯、有機硅酮等彈性密封膠[1-4]?，F有硅酮嵌縫材料技術中可實現深層固化的材料儲存周期較短，一般為現配現用，儲存周期長的材料不具備深層固化性能，無法實現硅酮嵌縫材料深層固化和長儲存周期的雙重需要，而且傳統的聚氨酯密封膠不能長期的耐熱、耐水性能較差、容易受到紫外光老化；高濕熱條件下容易在膠層中發生鼓包和龜裂等現象[5]。因此，研制一種高速鐵路新型聚氨酯密封膠具有很高的經濟價值和社會價值。

實驗采用聚醚二醇配合異氰酸酯、硅烷封端劑、催化劑、促粘劑、增塑劑等制得抗疲勞性好，粘結性好，耐老化的新型單組分聚氨酯密封膠。討論了聚醚二醇的Mn、異氰酸酯等對新型單組分聚氨酯密封膠性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原料及設備

1)合成新型單組分聚氨酯預聚體所需原料。

聚醚二醇：工業級，美國陶氏化學；胺基硅烷1：工業級，武大有機硅新材料；胺基硅烷2：工業級，美國邁圖；MIPS：工業級，Basf；HDI：工業級，Bayer；TDI：工業級，Basf；IPDI：工業級，Bayer；二月桂酸二丁基錫：化學純，美國氣體化學。

2)合成新型單組分聚氨酯密封膠所需原料。

納米碳酸鈣：工業級，湖南金箭；增塑劑(鄰苯二甲酸酯系列)：工業級，臺灣聯成化學；氣相二氧化硅：工業級，德固賽；有機硅粘結促進劑：工業級，日本信越化學。

3)分析用試劑。

無水碳酸鈉：分析純，阿拉丁試劑；鹽酸：分析純，北京化工廠；甲苯，分析純，北京化工廠；溴酚藍：分析純，北京化工廠；丙酮：分析純，北京化工廠；異丙醇：分析純，北京化工廠；二正丁胺：分析純，北京化工廠。

4)實驗設備和儀器。

強力電動攪拌機：JB200-D，上海標本模型廠；雙行星分散攪拌機：KXD，無錫科越化工機械廠；電子天平：CP213，賽恩斯儀器；旋片式真空泵：2XZ-2，上海真空泵廠；恒溫恒濕箱：KW-TH-80T，東莞科文儀器；旋轉粘度劑：NDJ-8S，上海精密科學儀器有限公司。

2 新型單組分聚氨酯密封膠的制備工藝

2.1 新型單組分聚氨酯預聚體的合成工藝

采用一定量的多異氰酸酯和多元醇發生反應產生含有端NCO的聚氨酯預聚體，然后再與硅烷偶聯劑進行加成反應(見圖1)。

PU預聚體的工藝流程：將聚醚二元醇、增塑劑加入燒瓶一起分散脫水，在120 ℃的溫度中通過真空脫水至少2 h，接著選用水分測定儀檢查水分含量，需要達到低于500 ppm的水平。然后把溫度降到70 ℃，使用氮氣保護，溫度控制在65 ℃～75 ℃，同時使用強力電動攪拌機攪拌，攪拌1 h，再添加催化劑。緊接著每間隔30 min取樣。采用滴定法測定NCO基團的含量，直到含量達到理論值時停止反應。新型單組分聚氨酯樹脂合成：同樣是在氮氣的保護之下，將PU預聚體加熱至60 ℃～70 ℃。

使用強力電動攪拌機攪拌，邊攪拌邊向PU預聚體中加入硅烷封端劑。也是反應1 h之后每間隔30 min取一次樣。并用滴定法檢測聚合物中的NCO基團，等到預聚物中NCO基團檢測不到時停止混合，取出試樣并置于密閉的容器中。

2.2 新型單組分聚氨酯密封膠的制備工藝

在制備密封膠前要將碳酸鈣真空脫水，水分含量控制在800 ppm之下。脫水結束后把新型單組分聚氨酯樹脂、碳酸鈣、除水劑以及其他試劑按實驗配方比例在反應釜中分散混合均勻，并密封儲存。

3 性能測試

表干時間：按GB/T 13477.5—2002試驗，型式檢驗采用A法試驗，出廠檢驗可采用B法試驗；質量損失率：按GB/T 13477.19試驗；彈性恢復率：按GB/T 13477.17試驗；拉伸粘結性：按GB/T 13477.8試驗；定伸粘結性：在標準試驗條件下按GB/T 13477.10試驗；浸水后定伸粘結性：按GB/T 13477.11試驗；冷拉—熱壓后定伸粘結性：按GB/T 33477.13試驗；熱處理后定伸粘結性：按GB/T 13477.10的A法處理；拉伸—壓縮循環后粘結性：按GB/T 13477.12試驗。

4 結果與討論

4.1 聚醚二元醇的Mn對新型單組分聚氨酯密封膠性能的影響

設定新型單組分聚氨酯的Mn=5 000時，使用不同的聚醚二元醇(Mn分別為1 000，2 000，3 000，4 000)分別與MDI反應。同時使用ND42硅烷作為封端劑，從而制備出一批Mn相同的新型單組分聚氨酯密封膠產品，對不同分子量的聚醚二元醇對產品的物理性能影響進行研究，測試結果見表1。

表1 聚醚二元醇的Mn對新型單組分聚氨酯力學性能的影響

分析表1中的數據我們得到結論，使用的聚醚二元醇Mn越大，相應所合成的新型單組分聚氨酯的粘度就小；由此所制備的新型單組分聚氨酯拉伸強度有所降低；斷裂伸長率增大，邵氏硬度反而下降。分析認為聚醚二元醇的Mn在增大時，所生成相同Mn的新型單組分聚氨酯需要用到的異氰酸酯就會減少，醚鍵數目也增加，預聚物的軟段部分從而發生增長，以致促使其力學性能發生改變。

4.2 異氰酸酯種類對新型單組分聚氨酯密封膠性能的影響

采取設定新型單組分聚氨酯的Mn=5 000時，使用MDI，TDI，IPDI，HDI分別和聚醚二元醇(設定Mn=2 000)進行反應，同時使用ND42硅烷作為封端劑，從而制備出一批Mn相同的新型單組分聚氨酯密封膠產品。產品的力學性能見表2。

表2 不同異氰酸酯對新型單組分聚氨酯力學性能的影響

分析表2中的數據我們得到結論，由于芳香族的MDI對稱性好、內聚能密度大，相應地由此所制備出的密封膠拉伸強度以及邵氏硬度都是最大的。芳香族的MDI和TDI的內聚能密度大，以其為原料所制備出的聚合物的內聚能密度也就大，經過固化后的新型單組分聚氨酯也就具有較大的強度和硬度。脂肪族的HDI和IPDI制備產生的密封膠雖然拉伸強度小，但其柔性要比TDI制備產生的密封膠要好；HDI和IPDI制備產生的密封膠透明效果好，可用于耐黃變的密封劑，較適合室外嵌縫使用。

4.3 硅烷封端劑種類對新型單組分聚氨酯密封膠性能的影響

分別使用了3種不同的硅烷：ND42，ALINK15，A1170。同樣設定新型單組分聚氨酯的Mn=5 000時，使用MDI和聚醚二元醇(采用Mn=2 000)反應，同時分別使用以上三種硅烷作為封端劑，從而制備出一批Mn相同的新型單組分聚氨酯密封膠產品。并對產品的力學性能進行測試，結果見表3。

表3 不同硅烷對新型單組分聚氨酯力學性能的影響

分析表3中的數據我們得到結論，A1170硅烷所制備出的固化后新型單組分聚氨酯，其拉伸強度以及伸長率明顯較好，而硬度最高。分析認為硅烷分子中的苯環、官能度對密封膠的物理性能產生直接影響。因此，在研制嵌縫膠建筑用密封膠的過程當中，我們可以通過使用不同種類的硅烷，制備出符合需求的各種密封膠。

5 結語

使用ALINK15硅烷制備出的密封膠在四種物理性能的保持率上明顯都要比使用ND42硅烷制備出新型單組分聚氨酯密封膠要好。而選擇使用了抗氧劑之后所制備的密封膠，其耐老化性能更加優異。各項指標均達到高速鐵路嵌縫材料技術要求。