高速铁路绝缘轨距块用增强尼龙专用料研究

2012-11-05汤友钱李晓林余杰倩袁祖龙

浙江科技学院学报 2012年3期

汤友钱，汤娇，汤啸，齐伟，李晓林，余杰倩，袁祖龙

（浙江省天台祥和实业有限公司，浙江天台317200）

高速铁路近年在中国得到了快速发展，根据铁道部高速铁路客运专线建设规划，仅“十一五”期间，国内陆续开工建设的客运专线就有9 800km，2020年以前将达到12 000km，总投入资金将在1.25万亿元。高速铁路轨道扣件系统是实现钢轨与轨下基础可靠联结的系统组合，既要实现联结的可靠性和稳定性，又要保证轨道的弹性和刚性［1-4］。其基本结构主要由绝缘轨距块、防震弹性垫板、弹条、铁垫板、T形螺栓、螺母、垫圈、绝缘缓冲垫板、绝缘弹性垫层、锚固螺栓、弹性垫圈、调节垫层及预埋绝缘套管等部件组成。扣件系统结构示意图见图1。

在上述部件中，绝缘轨距块是高速铁路扣件系统关键零部件之一。高速列车在轨道上行驶时会有很大的动力效应，要使坐在高速列车上更舒适、更安稳，对绝缘轨距块就提出了更高的要求，要求绝缘轨距块具有强度高、韧性好、自润性、耐磨性好等性能，而且还对绝缘电阻及静刚度有更高的要求。

尼龙（PA）自20世纪50年代开发成功以后，已成为五大工程塑料中产量最大、用途最广、品种最多的重要高分子材料。PA既具有优良的力学性能和电气性能，又具有良好的耐磨性、耐油性、自润滑性和耐腐蚀等性能。但是PA价格一直居高不下，为了降低成本，同时提高材料的力学性能，对PA的改性研究较多［5-7］，其中采用玻璃纤维增强PA就是一种常见的方法。目前，国外几大知名公司都有相关的材料，如DSM公司的30%玻璃纤维增强高流动性PA6，拜尔公司的高熔体强度的PA6，罗地亚公司的TECHNYL C218V30Black（PA6GF30）和A218V30Black（PA66GF30）等。

然而，对于高性能增强PA，中国还是主要依靠进口，这需耗费大量外汇。因此，开发出高速铁路PA专用料材料，对提升中国工程塑料及下游高铁行业的技术水平，改善产业结构，有着重要的经济和社会意义。

图1 弹条IV型扣件组装零件图Fig.1 Assembly parts diagram of elastic type IV fastener

1 材料与实验方法

1.1 PA基体树脂

首先选用4种牌号的PA基体树脂：荷兰DSM F223、巴陵化纤、日本宇部、新加坡南洋1013B，分别测定PA的端基含量和力学性能；考察不同黏度的PA及其复配对材料的机械性能及加工性能（流动性）的影响。

1.2 玻璃纤维对PA的增强作用

选用3种不同直径的玻璃纤维，研究玻璃纤维种类和含量对复合材料性能的影响；对比普通玻璃纤维和无碱玻璃纤维对复合材料的耐醇解性能影响。

1.3 抗氧剂的负载化

合成了纳米二氧化硅表面负载抗氧剂，提高抗氧剂的物理损耗性能。

2 实验结果与讨论

2.1 PA基体树脂的优选与复配

2.1.1 各种牌号PA的端基含量和性能

PA分子链上的端基（端胺基、端羧基）含量对其性能的影响在于，端羧基含量的减少，有助于提高材料的耐水解（醇解）性能，且对PA热氧降解有一定抑制作用。笔者分别测定了各种牌号PA6的端基含量，其结果如表1所示。

由表1可见，荷兰DSM F223的端羧基含量最高，达106.57mmol／kg，而巴陵化纤YH3200的端羧基含量最低，仅有52.07mmol／kg；日本宇部1013NW8的端胺基含量最高，达61.44mmol／kg，巴陵化纤YH3200端胺基含量最低，仅有41.47mmol／kg。考虑到端胺基对N-烷基胺的热氧化有稳定作用，而羧酸端基能引发氢过氧化物的分解和加快酮与氢过氧化物反应的速率，因此选择端胺基含量相对较高，而端羧基含量相对较低，同时具有较好力学性能的PA作为基体树脂。

表1 各种PA6牌号的端基含量与性能Table 1 PA6grades based on end group content and performance

2.1.2 不同黏度的PA及其复配对复合材料性能的影响

主要考察了不同黏度的PA及其复配对材料的机械性能及加工性能（流动性）的影响，其结果如表2所示。

表2 PA6特性黏度对PA6／30%GF复合材料性能的影响Table 2 Effect of PA6intrinsic viscosity on PA6／30%GF composite performance

由表2可知，当PA黏度较大时，材料的机械强度较高，但加工流动性较差；当PA黏度较小时，材料的机械强度较低，但加工流动性较好；中、低黏度PA复配时，材料具有较好的综合性能。在成形大制件或薄壁制件时，为了使其具有较好的机械性能和加工性能，往往采用中、低黏度的材料按照不同比例复配，以解决加工性和机械强度的矛盾问题。

2.2 玻璃纤维的优选与处理

按照玻璃纤维的直径、表面处理剂的不同，玻璃纤维的性能和功能相差很大，特别是某些通过特殊处理的玻璃纤维，往往具有特殊的功能。以下考察了不同直径、不同种类的玻璃纤维及处理对复合材料性能的影响。

2.2.1 玻璃纤维直径对复合材料性能的影响

由表3可知，玻璃纤维直径越小，材料的机械强度越高，加工性能也越好。但玻璃纤维直径低于10μm时，其价格大幅度上升，因此，采用性价比较高的直径为11m的玻璃纤维比较经济。

表3 玻璃纤维直径对PA／30%GF复合材料性能的影响Table 3 Effect of glass fiber diameler on PA6／30%GF composite performance

2.2.2 玻璃纤维对PA的增强作用

考察了玻璃纤维用量对PA力学性能的影响规律，结果如图2、3、4所示。从图中可以看出，随玻璃纤维用量增加，PA的拉伸强度、弯曲强度和模量显著增加，表明玻璃纤维对PA具有增强作用。

2.2.3 玻璃纤维种类对复合材料性能的影响

普通玻璃纤维含碱，碱会促进PA的水解或醇解，从而降低复合材料的性能。

由表4可知，采用无碱玻璃纤维后，复合材料的耐醇解性能大幅度提高。如果没有添加特殊助剂或无碱玻璃纤维，复合材料的耐醇解性能很差，不能满足绝缘规矩块对复合材料的性能要求；而添加无碱玻璃纤维后，复合材料的耐醇解性能大幅度提高。

2.3 抗氧剂的负载化

低分子量的抗氧剂易因迁移、抽提、挥发等物理作用而损耗，从而影响高分子材料的抗氧化性。目前的发展趋势是提高抗氧剂的相对分子质量、降低挥发性、提高抗氧化效率，使其更适合于在较高温度下加工和长期使用。为此，合成了纳米二氧化硅表面负载抗氧剂以解决抗氧剂的物理损耗问题。由于抗氧剂负载于纳米二氧化硅的表面，这就使其不易通过迁移和挥发引起物理损耗，且其分子中含有大量抗氧化基团，保证抗氧化效果，同时纳米二氧化硅比表面积大、稳定性好，是可靠的负载化基体材料。纳米二氧化硅表面含有大量羟基，用硅烷偶联剂表面改性后，即可经化学反应将抗氧剂分子接枝到纳米二氧化硅表面。

图4 玻璃纤维质量分数对PA6弯曲模量的影响Fig.4 Effect of glass fiber amount of PA6on flexural modulus

表4 玻璃纤维种类对PA66／30%GF复合材料性能的影响Table 4 Effect of fiberglass types on PA6／30%GF composite performance

2.3.1 纳米二氧化硅表面负载受阻酚抗氧剂的制备

表面含有胺基的改性纳米二氧化硅与AG-Cl反应得到负载化的抗氧剂AG-SiO2。反应过程如下：

2.3.2 红外光谱表征

原料二氧化硅及提纯后各步产物采用KBr压片法测定，摄谱范围4 000～400cm-1。

图5所示，未改性二氧化硅的特征峰为3 427 cm-1的O—H伸缩振动峰和1 630cm-1的O—H弯曲振动峰。纳米二氧化硅表面负载受阻酚抗氧剂后在3 000cm-1附近出现C—H伸缩振动吸收峰，说明有机基团已成功接枝上去。1 725 cm-1处尖峰是羰基峰，901cm-1是苯环取代后的弯曲振动峰，证明有苯环结构的AG接枝成功。