原材料对铁路扣件绝缘轨距块低温性能的影响研究

张远庆，常杰，乔立军，赵畦安，曹建伟，张力斌

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2.河北铁科翼辰橡胶制品有限公司，河北石家庄052160; 3.哈齐铁路客运专线有限责任公司，黑龙江哈尔滨150090;4.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京102206)

原材料对铁路扣件绝缘轨距块低温性能的影响研究

张远庆1，常杰2，乔立军3，赵畦安4，曹建伟4，张力斌2

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2.河北铁科翼辰橡胶制品有限公司，河北石家庄052160; 3.哈齐铁路客运专线有限责任公司，黑龙江哈尔滨150090;4.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京102206)

哈齐高速铁路穿越高寒地区，铁路扣件保持轨距的能力对于运营安全和运营成本非常重要。铁路扣件绝缘轨距块以玻璃纤维(33%含量)增强聚酰胺66体系(PA66-GF33体系)作为原材料，在原材料中添加增韧剂来改善绝缘轨距块低温下的力学性能。本文研究增韧剂(马来酸酐接枝三元乙丙橡胶)含量变化对PA66-GF33体系在常温下力学性能的影响，及其在-30℃和-50℃环境下缺口冲击强度的变化。研究结果表明:原材料中增韧剂含量由3%增加到12%时，缺口冲击强度增大，拉伸强度、弯曲强度和熔融指数降低，扫描电镜分析显示缺口冲击试验的样条断面由脆性断裂逐渐表现为韧性断裂;当增韧剂含量为6%时，PA66-GF33体系同时具有较好的低温韧性和优良的加工性能，选择增韧剂含量为6%的PA66-GF33体系作为绝缘轨距块原材料，采用注塑工艺制备的绝缘轨距块剖面无内部空隙，并且在-45℃环境下冲击强度试验合格。

玻璃纤维增强聚酰胺66 马来酸酐接枝三元乙丙橡胶 增韧 低温

我国领土辽阔，地形复杂，气候多样，高速铁路已遍布大部分省市，包括黑龙江、新疆、内蒙古等高寒地区［1］，目前正在建设中的哈尔滨至齐齐哈尔铁路客运专线起自黑龙江省省会哈尔滨市，向西北方向经大庆，止于齐齐哈尔市，线路全长286.553 km，沿线为大陆性季风气候区。一年温差近70℃，冬季严寒干燥漫长，最冷月平均气温均低于-20℃，极端最低气温接近-40℃，最大冻结深度2.72 m，属高寒地区［2］，并且夏季太阳辐射时间较长。研究表明，夜间轨道温度比气温还要低2.5℃［3］，轨道的运营维护都会受到气候条件影响。

国内外研究表明，在高速动力荷载反复作用下，轨道除需有足够的强度外，轨道保持弹性的能力至关重要，而轨道弹性主要靠扣件系统提供。哈尔滨至齐齐哈尔铁路客运专线无砟轨道线路采用无挡肩WJ-7型扣件，满足时速250～350 km/h运行条件要求。

PA66-GF33体系材料是一种具有高强度、高模量的工程塑料，已被广泛应用于铁路、汽车、机械等领域，已部分取代金属成为结构性材料。根据最新铁路标准，PA66-GF33体系在铁道建筑领域中已被作为铁路扣件系统中部分非金属零部件的指定原材料，高速铁路扣件系统中对其性能指标要求更为严格。以PA66-GF33体系为原材料的绝缘轨距块在低温下表现出低温脆性，受外力作用易发生破坏。《WJ-7型扣件暂行技术条件》规定绝缘轨距块原材料拉伸强度不低于150 MPa，弯曲强度不低于200 MPa，冲击强度不低于80 MPa，以上检验标准均是在常温条件下(22℃)检测的，为更好地满足耐寒地区实际环境温度，需要改善PA66-GF33低温韧性，保证扣件系统零部件在低温环境下仍具备良好的使用性能。

本文研究以马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH)作为PA66-GF33体系的增韧剂，采用注塑工艺制备出绝缘轨距块，研究增韧剂含量对原材料性能的影响。从原材料的经济性、生产的可行性方面考虑，确定PA66-GF33体系中增韧剂的最佳含量，同时考察以最佳增韧剂含量的PA66-GF33体系制备的绝缘轨距块低温冲击性能。

1 低温性能测试

1.1 主要原材料

PA66型号EPR27，玻璃纤维型号ECS10-4.5-435TM，EPDM-g-MAH型号KT-7。

1.2 主要仪器设备

双螺杆挤出机组SJC-62D，注塑机HN450SV，扫描电子显微镜UN8010，拉力试验机TCS-2000，液晶显示冲击试验机BL-6151，熔融指数仪XRL-400，高低温交变试验机GT-7005，臭氧老化试验箱GP/CY250。

1.3 以EPDM-g-MAH为增韧剂的PA66-GF33体系制备工艺

采用双螺杆挤出机组，工艺见表1，按不同比例将增韧剂组分添加到PA66-GF33体系熔融挤出、冷却、切粒得到增韧的PA66-GF33体系复合材料。双螺杆挤出机加工温度为250℃～285℃，主机转速为350～450 r/min，真空度≤-0.09 MPa。

1.4 PA66-GF33体系性能测试

低温性能检测时先把试样放入高低温交变试验机中，在低温下冷却30 min后取出检测。材料臭氧老化条件:温度40℃，臭氧浓度50 pphm，老化时间为96 h。力学性能测试标准及项目见表1。

表1 力学性能测试标准［4-7］及项目

1.5 绝缘轨距块的制备

采用HN450SV注塑机和热流道模具注塑成型，绝缘轨距块成品经调湿处理后静置24 h。注塑工艺加工温度为250℃～275℃，注射速度≥40 mm/s，注射压力≥7.5 MPa。保压压力≥5 MPa，模具温度为60℃～80℃，冷却时间≥35 s，周期≥65 s。

1.6 绝缘轨距块冲击测试

依据《WJ-7型扣件暂行技术条件》［8］测试。

2 测试结果与分析

2.1 增韧剂含量对缺口冲击强度的影响

将增韧剂含量分别为3%，6%，9%和12%的PA66-GF33体系分别在22℃，-30℃和-50℃条件下进行缺口冲击试验，结果见图1。由图1可以看出，冲击强度随增韧剂含量的增加显著升高，当增韧剂含量达到12%时，其低温冲击强度与常温状态增韧剂添加6%的强度相当。

研究表明［9］，当在PA66-GF33体系中加入EPDM-g-MAH时，EPDM-g-MAH粒子在体系中呈均匀分散状态。因为EPDM-g-MAH中EPDM分子链段具有良好的低温韧性，在受到冲击荷载作用时，EPDM分子链段吸收冲击能量，并阻止银纹的发展，断面剪切带与银纹相互作用，使PA66-GF33体系断面从脆性破坏转变为韧性破坏。故随着EPDM-g-MAH含量的提高，PA66-GF33体系表现出良好的低温韧性。

图1 缺口冲击强度与增韧剂含量的关系

图2为冲击断面的扫描电镜图。从图2可见，随着增韧剂含量的增加，断面处形态由凹凸不平逐渐变化为平缓的断面结构，玻璃纤维裸露也逐渐变少，玻璃纤维表面附着物越来越多，断面孔隙减小，相界面结合较好。一方面是因为EPDM-g-MAH在冲击荷载作用下吸收冲击能量并阻止银纹扩张，另一方面则是玻璃纤维表面的硅烷偶联剂与马来酸酐基团形成较强的化学键，使玻璃纤维的韧性得到提升［10］，最终使材料断裂表现为韧性断裂，提高了PA66-GF33体系冲击强度。

2.2 低温下臭氧老化后缺口冲击强度与增韧剂含量的关系

低温下臭氧老化后缺口冲击强度与增韧剂含量的关系见图3。从图3可见，臭氧老化后PA66-GF33体系的缺口冲击强度与老化前(图1)相比无明显变化。说明在室外自然环境条件下，添加增韧剂的PA66-GF33体系具备较好的耐臭氧老化性能。

2.3 拉伸强度、弯曲强度与增韧剂含量的关系

图2 冲击断面扫描电镜图

图3 臭氧老化后缺口冲击强度与增韧剂含量的关系

三元乙丙橡胶是乙丙橡胶的一种，具有较高的弹性和优良的耐低温性能，其极限使用温度可达到-50℃或更低，以EPDM-g-MAH作为增韧剂与PA66-GF33体系有很好的相容性，可以改善塑料的耐冲击性能。但三元乙丙橡胶属于非结晶橡胶，若不加补强填充剂，则硫化后橡胶的拉伸强度很低(约6～8 MPa［11］)，故随着EPDM-g-MAH含量的增加，PA66-GF33体系拉伸强度、弯曲强度逐渐降低(见图4)。当增韧剂含量增加到12%时，材料的拉伸强度和弯曲强度仍满足铁路标准(150 MPa和200 MPa)的要求。

2.4 熔融指数与增韧剂含量的关系

图4 拉伸强度和弯曲强度与增韧剂含量的关系

熔融指数是指高分子材料热加工过程中熔体流动指数。图5为熔融指数与增韧剂含量的关系。PA66-GF33体系熔融指数随增韧剂含量的增加显著地降低。这是由于加入增韧剂导致体系在熔融状态下熔体黏度大幅升高。当增韧剂含量为6%时，熔融指数为6 g/10 min，随着增韧剂含量继续增加，体系的熔融指数下降更加明显，熔体流动速率低，在同样的注塑工艺条件下，物料在螺杆中停留的时间会相对变长，不利于注塑加工成型，因此增韧剂含量≤6%时较为适宜。

2.5 绝缘轨距块的低温冲击性能

图5 熔融指数与增韧剂含量的关系

以不同增韧剂含量的PA66-GF33体系为原材料，添加1%的卡博特UV2014黑色母制备铁路扣件绝缘轨距块。绝缘轨距块在22℃，-30℃，-45℃和-50℃条件下分别进行冲击试验。试验方法见图6。不同增韧剂含量绝缘轨距块在不同温度下各取5块做冲击试验，每块绝缘轨距块连续做6次冲击，5块均不破裂视为合格。冲击结果见表2。

由表2可知，随着增韧剂含量的增加，绝缘轨距块的低温韧性变好。橡胶脆化温度越低，其耐寒性越好。EPDM-g-MAH中三元乙丙橡胶的脆化温度在-40℃～-60℃［12］。当PA66-GF33体系中增韧剂含量为3%～6%时，绝缘轨距块在-30℃～-50℃冲击时，分散在体系中的EPDM-g-MAH粒子仍具有较好的韧性，能有效吸收冲击荷载，使绝缘轨距块表现出良好的低温耐冲击性。

2.6 绝缘轨距块内部空隙与体系增韧剂含量的对应关系

图6 冲击试验示意

表2 冲击试验结果

图7 不同增韧剂含量绝缘轨距块剖面

对绝缘轨距块做剖面内部空隙检测(图7)时发现，当PA66-GF33体系中增韧剂含量过高时，部分绝缘轨距块出现明显的内部空隙，且空隙随含量的增加而变大。这是因为增韧剂含量增大，熔体黏度升高，PA66-GF33体系的熔融指数显著降低，流动速率减小，注塑工艺中的压力及速度都要提高，熔体在注塑机料筒内受到的螺杆剪切热也会增大，温度的升高可能导致部分PA66-GF33体系内的材料助剂受热分解，导致出现内部空隙。一般情况下，结晶型材料在产品壁厚较厚的位置，或是在远浇口、近浇口处容易产生后收缩形成针眼状的空隙［13］，此类小孔可以通过调节注塑工艺得到改善，但材料本身熔融指数偏低导致加工性能差，生产过程中必然要提高加工温度来解决此问题，加工温度的提高会引发材料或助剂热降解，从而导致绝缘轨距块内部空隙，这是无法通过调整注塑工艺来改善的。因此，PA66-GF33体系的增韧剂含量不能过高。如图7所示增韧剂含量在6%时既可满足增韧效果，绝缘轨距块也没有内部空隙，同时PA66-GF33体系熔融指数为6 g/10 min也可满足注塑成型的加工要求。

3 结论

1)在PA66-GF33体系中加增韧剂EPDM-g-MAH可有效提高体系的低温缺口冲击强度，增韧剂含量越高，体系缺口冲击强度越高。

2)以EPDM-g-MAH增韧的PA66-GF33体系臭氧老化后冲击韧性无明显降低，表明以EPDM-g-MAH增韧的PA66-GF33体系为原材料制备的绝缘轨距块具有较好的耐候性。

3)在PA66-GF33体系中加入增韧剂EPDM-g-MAH后，体系的拉伸强度和弯曲强度明显降低，增韧剂含量在6%时，体系的拉伸强度为180 MPa，弯曲强度为258 MPa。

4)在PA66-GF33体系中，EPDM-g-MAH含量≤6%时，体系熔融指数≥6 g/10 min。综合考虑体系的拉伸强度、弯曲强度等因素，选择增韧剂含量为6%的体系。该含量时既可保证体系的增韧效果、力学性能，又能保证体系良好的加工性。

5)从生产加工的经济性方面考虑，在不改变其它加工助剂时，增韧剂含量为6%时，PA66-GF33体系制备的绝缘轨距块在-45℃时表现出良好的耐低温冲击性能，并且没有内部空隙，可以在哈齐高铁运行地区使用。

［1］王顺洪.中国高速铁路发展及其经济影响分析［J］.西南交通大学学报，2010，11(5):65-69.

［2］卢茂胜.哈齐客运专线轨道结构类型的选择分析［J］.铁道工程学报，2009(8):57-60.

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［4］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 9341—2008塑料弯曲性能的测定［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［5］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 1043.1—2008塑料简支梁冲击性能的测定第1部分:非仪器化冲击试验［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［6］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 1447—2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2005.

［7］国家质量技术监督局.GB/T 3682—2000热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定［S］.北京:中国标准出版社，2000.

［8］铁道部科学技术司.科技基［2007］207号WJ-7型扣件暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［9］杨其，张小军，毛益民.MAH接枝EPDM增韧PA66的研究［J］.现代塑料加工应用，2004(5):14-17.

［10］高志秋，陶炜，金文兰.长玻纤增强尼龙6复合材料研究［J］.工程塑料应用，2001，29(7):2-5.

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［12］吕百龄，刘登祥，李和平.实用橡胶手册［M］.北京:化学工业出版社，2010.

［13］徐佩弦.塑料制品与模具设计［M］.上海:华东理工大学出版社，2010.

Study on influence of raw material on low temperature performance of insulated gauge block of rail fastener

ZHANG Yuanqing1，CHANG Jie2，QIAO Lijun3，ZHAO Qi'an4，CAO Jianwei4，ZHANG Libin2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Hebei Tieke Yichen Rubber Products Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 052160，China; 3.Harbin-Qiqihar Railway Passenger Dedicated Line Co.，Ltd.，Harbin Helongjiang 150090，China; 4.Beijing Tieke Shougang Rail-tech Co.，Ltd.，Beijing 102206，China)

Harbin-Qiqihar high speed railway crosses through the frigid area and the track gauge of railway fasteners is important to railway operation safety and cost.T he insulation gauge block material of railway fasteners is glass fiber reinforced polyamide 66(Glassfiber content:33%)and addition of toughening agent in the raw material would improve the mechanical properties of insulation gauge block in low-temperature.T his paper studied the influence of toughening agent(EPDM-g-M AH，maleic anhydride grafted Ethylene-Propylene-Diene M onomer)content on mechanical properties of PA66-GF33 under normal temperature and changes of notched impact strength under -30～-50℃condition.T he results showed that notched impact strength increases and the tensile strength，bending strength and melt index decreases when the EPDM-g-M AH content is from 3%to 12%，the scanning electron microscope(SEM)observation indicates that sample piece cross section is from brittle fracture to ductile fracture gradually in notch impact test，PA66-GF33 exhibits good low temperature toughness and excellent processing performance with 6%EPDM-g-M AH content，PA66-GF33 as raw materials of insulation gauge block with 6% EPDM-g-M AH content，insulation gauge block section of which has no internal voids by injection molding processing，is qualified by impact strength test under-45℃environment.

Glass fiber reinforced polyamide 66;M aleic anhydride grafted Ethylene-Propylene-Diene M onomer; T oughness;Low-temperature

U213.5+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.36

1003-1995(2015)02-0129-05

(责任审编葛全红)

2014-09-10;

2014-11-25

张远庆(1978—)，男，湖北麻城人，工程师。