聚氨酯泡沫合成轨枕产品均匀性评价研究

2022-09-09卢瑞林王明星孙湘民许双喜曹彦海

聚氨酯工业 2022年4期

杨海卢瑞林王明星孙湘民许双喜曹彦海

(中车株洲时代新材料科技股份有限公司湖南株洲 412007)

聚氨酯泡沫合成轨枕是由日本积水化学工业株式会社在1978年率先开发的一种复合材料，由连续玻璃纤维和聚氨酯树脂经发泡拉挤工艺制备而成。由于其质轻且具有良好的物理力学性能和道钉抗拔性能，已逐渐替代传统木材，主要应用于铁路钢梁明桥面及道岔等路段[1-4]。我国于2004年在广州地铁4号线首次引进聚氨酯泡沫合成轨枕，并于2008年开发出首批聚氨酯泡沫合成轨枕。

聚氨酯泡沫合成轨枕的应用中，产品性能均匀性是重要的技术衡量指标。其中，弯曲强度是所有力学性能中最重要的指标之一。通常在产品不同截面位置取样，通过测定不同区域的弯曲强度以评价产品性能均匀性。但不同位置弯曲强度取样较为繁琐；同时，弯曲强度的测试也需采用万能试验机进行，对于工程应用而言，流程过长，操作也较为不便。因此，研究人员需要寻找更方便快捷的方法来评价产品性能的均匀性。

张勇等[5]研究了长玻璃纤维含量对聚氨酯合成轨枕力学性能的影响，发现随长玻纤含量增加，材料的弯曲强度增加。赵庆波等[6]对连续玻纤增强聚氨酯树脂进行了性能研究，结果表明，玻纤含量越高，试样的弯曲强度就越高。因此，拟通过测定材料不同部位的玻纤含量来评价产品性能均匀性。但玻纤含量的测试需要在高温下用马弗炉对样品进行炭化，之后对残留物进行酸洗干燥，其测试也较复杂，对于工程应用而言，此方法的可操作性不强。研究发现，玻纤含量越高，产品密度就越大，而密度的测试非常快捷方便。本试验对材料密度与弯曲强度之间的关系进行研究，通过材料密度的离散性分析，表征了产品性能的均匀性并建立离散性指标。

1 聚氨酯轨枕样品的测试

目前合成轨枕主要有低密度和高密度两类，产品整体密度分别为(0.74±0.10)g/cm3和(1.20±0.06)g/cm3。根据基础数据测试，选择由不同配方生产的2种型号的聚氨酯泡沫合成轨枕各1根，其中1＃合成轨枕产品整体密度0.81 g/cm3，长×宽×高为2 500 mm×230 mm×160 mm；2＃合成轨枕产品整体密度1.21 g/cm3，长×宽×高为3 000 mm×260 mm×240 mm。长度方向为长玻纤方向。每根合成枕木取样时首先用锯床将产品垂直于玻纤方向的截面按九宫格均匀切割为9个区域，然后用雕刻机在每个区域内随机取样1根，样品尺寸为200 mm×15 mm×10 mm，2种型号产品共取样18根。根据样品质量和体积计算密度，每种型号样品根据密度从小到大依次进行编号。

用ZwickRoell公司的高低温万能试验机，参照GB/T 1449—2005标准对18个样品进行弯曲强度测试，测试结果如表1所示。

表1 2组共18根长条枕木样品弯曲强度测试结果

根据测试结果，1＃样品密度范围为0.68～1.00 g/cm3，弯曲强度范围为81～183 MPa，2＃样品密度范围为1.06～1.45 g/cm3，弯曲强度范围为176～391 MPa。弯曲强度与密度的相关性非常明显，即密度越大弯曲强度越大，这也与预期结果一致。原因主要是聚氨酯泡沫合成轨枕为玻纤增强复合材料，通过聚氨酯树脂浸润玻纤后在发泡充填型腔，玻纤是靠着聚氨酯发泡顶起，由于重力作用，产品截面玻纤很难均匀分布，一般底部玻纤含量要高于上部玻纤含量。底部玻纤含量高的地方，密度大，弯曲强度高；反之，轨枕上部玻纤含量低，密度小，弯曲强度较低。

一般通过各个区域密度最大值、最小值与产品整体密度的差值与整体密度的比值来评价产品密度均匀性。1＃样品离散性上限为:[(1-0.81)/0.81]×100%＝23.4%，离散性下限为:[(0.69-0.81)/0.81]×100%＝-14.8%；同理2＃样品离散性上限为19.8%，离散性下限为-12.4%。

2 模型建立

表1的数据表征了密度与弯曲强度之间具有很大的关联性，即材料密度越大，弯曲强度也越大。因此，要保证成品性能的均匀，产品各区域的密度要控制越均匀越好。但是，对于聚氨酯泡沫合成轨枕而言，通过聚氨酯树脂与玻纤浸润均匀，并最终在型腔中发泡充填饱满，其各区域密度不可能完全均匀，但密度的离散性范围目前并没有相关的标准。若能根据样品密度直接预估出样品的弯曲强度，则密度离散性就容易从定性指标转为定量指标。本研究根据表1的试验数据，对材料弯曲强度和密度关系进行数据拟合分析，建立了弯曲强度σ与密度ρ的数学关系模型σ＝180ρ2，弯曲强度和密度的单位分别为MPa和g/cm3。

根据建立的模型，得到弯曲强度实测值与模型拟合预测值对应关系见图1。

图1 弯曲强度实测值与模型拟合预测值对比

通过图1可以看出，实测值与模型拟合预测值具有很好的吻合性。

3 模型实验验证

为了进一步验证模型的可靠性，重新选取一根聚氨酯泡沫合成轨枕，产品整体密度1.14 g/cm3，产品尺寸3 000 mm×260 mm×240 mm，在成品截面不同位置随机取样10个。测试得到弯曲强度实测值与模型预测值对比结果见表2。

表2 不同密度的裁取样品弯曲强度实测值及模型预估值的对比

通过表2可以看出，弯曲强度模型预测值与实测值具有很好的吻合性，单根样品的弯曲强度最大误差为6.97%，而考虑到单根样品制样、尺寸测量及检测存在的误差，若采用平均密度进行预估，其偏差只有1.08%，准确度高达98.92%。

4 工程应用

根据研究得到的弯曲强度与密度关系模型，通过密度就可以预估出样品的弯曲强度，这对于产品性能的均匀性评价具有重要意义。同时，也容易将密度离散性从定性指标转为定量指标。

目前铁路钢梁用HFFP复合材料桥枕(铁标TJ/GW 161—2019)的弯曲强度技术指标≥200 MPa，根据公式σ＝180ρ2，密度最小区域需≥1.05 g/cm3。该标准中产品整体密度指标(1.20±0.06)g/cm3，则密度的离散性下限为[(1.05-1.20)/1.2]×100%＝-12.5%。考虑到弯曲强度实际测试时是以5个样品不同位置随机取样求平均，5个样品原则上不能都在同一个位置取样，因此5个样品不可能都是最低密度区域取样，故将密度离散性下限指标定为-15%；换言之，将密度离散性下限控制在-15%以内，则产品本体随机取样进行弯曲强度测试都可以保证通过。对于密度离散性上限，由于密度越高，产品弯曲强度越高，从性能测试上考虑密度离散性上限不需控制，但考虑到产品整体密度的均匀性，故将产品整体密度离散性指标定为±15%。

试验以密度离散性指标±15%为指导，对成型工艺不断进行优化，最终优化后的的产品密度均匀性可以控制在±10%以内。选取一根优化后的复合材料轨枕，产品整体密度1.21 g/cm3，产品尺寸3 000 mm×260 mm×240 mm。对优化后的产品截面不同区域随机取样，取样位置分别为产品截面的左上、左下、右上、右下及中心位置，测试项目包括弯曲强度、压缩强度及剪切强度，产品不同区域随机取样力学性能测试结果如表3所示。