地铁钢轨吸振器用阻尼聚氨酯橡胶研制及其性能研究

袁建安 王红梅 吴力佳

（天津市橡胶工业研究所有限公司，天津，300384）

前言

随着我国城市化的快速发展，高铁及地铁轨道交通建设迅速增加，伴随着列车运行速度的提高和行车密度的增加，进一步加剧了对沿线环境及车厢内部的振动噪声污染，增加了沿线居民烦恼的同时也降低了车内乘客的乘车舒适度，甚至还能直接影响到新建路线的规划。

为了更好地解决振动噪声污染问题，以英国钢铁公司（British Steel）为代表的调频式钢轨减振器Silent Track 系统（图1 所示），已在欧洲和全球范围内广泛应用。该系统到现在已有超过175公里的使用航迹，减振效果显著。独立测量表明，Silent Track®产品将使列车的通过噪音整体降低3dB 至7dB。该系统使用附在轨道两侧的减振器来吸收列车行驶时在轨道上产生的振动，从而降低了总体噪音影响。Silent Track®的减振器的结构示意图如图2 所示，是由具有高阻尼系数的弹性体和在弹性体内，按确定的几何和物理特性要求设置的质量体组成。弹性体与质量体一起构成了阻尼性质量体——弹簧减振系统，可以提高钢轨系统的阻尼性能，降低钢轨振动的平均能量水平，抑制轮轨相互作用的能量在轨道上的传播。通过特制的弹性金属卡夹，减振器可以被紧密吻合安装在钢轨两侧的轨腰上，不仅施工方便，节省工时，而且避免了采用粘接方式发生的剥离脱落现象，能有效地提高减振器的使用寿命[1]。

本文研制了一款阻尼性聚氨酯弹性体，以高活性三官能团的聚醚多元醇为主体材料、粗MDI为固化剂，引入高密度无机填料云母粉来提升材料的阻尼性能。为了提高该阻尼聚氨酯A 组分的储存时间及制品的耐臭氧性，本文通过对白炭黑和光稳定剂的变量对该阻尼聚氨酯物理特性进行分析。

1 实验部分

1.1 主要原材料

蓖麻油衍生物多元醇H-57，伊藤制油株式会社；高活性聚醚三醇（TEP-551C），中国石化集团天津石化公司聚醚部；蓖麻油多元醇，山东省邹平县天兴化工有限公司；多亚甲基多苯基异氰酸酯（PM-200），烟台万华聚氨酯股份有限公司；云母粉，拓亿新材料（广州）有限公司；白炭黑M-5，卡博特（天津）化工有限公司；光稳定剂UV-328和抗氧剂245，德国BASF 公司；光稳定剂292，美国科聚亚公司；其余均为市售原材料。

1.2 仪器与设备

实验室高速分散机，秦皇岛强强机械制造有限公司；真空设备，上海铸鼎真空设备制造有限公司；拉力试验机，长春科新仪器设备有限公司；电热鼓风干燥烘箱，天津市实验仪器厂；电子秤（10kg），奥豪斯仪器（常州）有限公司；橡胶硬度计（邵A），上海六中量仪厂。

1.3 性能测试

邵A 硬度测试：按照GB/T 531.1-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法 第1 部分邵氏硬度计法》中要求进行；力学性能测试：按照GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》中要求进行；密度测试：按照GB/T 533-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶 密度的测定》中要求进行；耐臭氧性能测试：按照GB/T 7762-2014《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐臭氧龟裂静态拉伸试验》中要求进行；耐液体性能测试：按照GB/T 1690-2010《硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法》中要求进行；耐热氧老化性能测试：按照GB/T 3512-2014《硫化橡胶或热塑性橡胶 热空气加速老化和耐热试验》进行。

1.4 试样制备

1.4.1 阻尼聚氨酯制备

A 组分制备：利用实验室高速搅拌和抽真空设备，在2L 铁桶中加入定量大分子多元醇、增塑剂、填料和催化剂，高速分散5～10min，停止搅拌后加入定量的白炭黑、消泡剂，在低转速搅拌1～2min，脱气至无泡位置，待用。B 组分将大包装固化剂（异氰酸酯）分装到1L 或5L 的塑料桶中待用。

1.4.2 制备阻尼聚氨酯试片

将B 组分按照一定比例加入到称量好的A 组分中，搅拌1～4min，抽气至无泡后，倒入试样模具中，硫化条件80℃×24h，冷却至室温后，停放16 小时以上，测试。

2 结果与讨论

2.1 大分子多元醇对阻尼聚氨酯物理性能影响

选用不同大分子多元醇作为聚氨酯弹性体的主体材料对产品的操作工艺及物理机械性能有着直接影响，选择云母粉为填料，固化剂为粗MDI，对比TEP-511C、TEP-551C+蓖麻油混合、改性蓖麻油H-57、三种大分子多元醇的力学性能，如表2.1 所示。

表2.1 不同大分子多元醇对阻尼聚氨酯力学性能影响

表2.1 不同大分子多元醇对阻尼聚氨酯力学性能影响（续表）

由表2.1 可知，在满足材料密度和引入相同无机填料的情况下，通过凝胶时间对比四种大分子多元醇的反应活性：TEP-551C＞TEP-551C+蓖麻油混合＞H-57，硫化后拉伸强度和拉断伸长率对比：TEP-551C+蓖麻油混合＞TEP-551C＞H-57，耐水解和耐热空气老化性能对比：H-57 ＞TEP-551C+蓖麻油混合＞TEP-551C。从理论上分析，TEP-551C 是一种三羟基聚醚多元醇，其反应活性高是由于具有较高伯羟基含量，但其耐水性和耐高温性与常规聚醚多元醇基本一致。蓖麻油衍生物多元醇H-57 具有长链脂肪基的多羟基化合物，且具备与蓖麻油一样的耐水特性和耐高低温性能。由表2.1 可知蓖麻油多元醇与TEP-551C共混，虽然在操作时间上比TEP-551C 延长，但是其耐水性和耐高低温性能有明显提高。综上考虑，阻尼聚氨酯用TEP-551C+蓖麻油混合为主体材料制备的弹性体一致，具有较好的耐水性及耐高低温性能，且固化时间快，对批量生产工艺更合适。

2.2 白炭黑对阻尼聚氨酯A 组分储存影响

为满足地铁钢轨吸振器批量生产成型工艺需求，需要阻尼聚氨酯中A 组分保证3～7 天的储存周期，且要求A 组分粘度较低。因胶液中高密度无机填料云母粉在低粘度的容易造成沉降，需引入不同份数的白炭黑分散到阻尼聚氨酯的A 组分中保证云母粉不沉降且粘度较低。通过将不同份数的白炭黑分散到500mL 铁桶中储存的A 组分中，抽真空保存。取500mL 铁桶中储存3～7 天上层液体，与粗MDI 固化完全后的测得密度（Mg/m3），结果如表2.2 所示

表2.2 白炭黑用量对尼聚阻氨酯储存影响

通过表2.2 可知，随着白炭黑的添加量增加，阻尼聚氨酯A 组分的储存时间也随之增加。从理论上分析，将白炭黑分散到阻尼聚氨酯A 组分中，白炭黑M-5 属于亲水性二氧化硅与大分子多元醇中的极性键相互作用，能将分散到A 组分中的高密度云母粉悬浮在液体中。从表2.2 可以看出随着白炭黑的添加量增多，云母粉下沉速度越慢，其密度保持越稳定。综合考虑，在浇注过程中混合粘度越低浇注到模具中越容易，不易造成气泡或者缺胶现象，白炭黑的添加量为0.6g 为最佳。

2.3 光稳定剂对阻尼聚氨酯耐臭氧性能影响

由于钢轨吸振器长期暴露在外界环境中使用，紫外线分解空气中的氧气分子产生的臭氧能破坏橡胶中的碳碳双键并且在表面产生裂痕，需在阻尼聚氨酯中引入光稳定剂提高耐臭氧性能。选择光稳定剂UV-328、292 和抗氧化剂245，按照GB/T 7762-2014《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐臭氧龟裂静态拉伸试验》中要求进行，通过耐臭氧性能（50pphm，30℃，5%拉伸）24h～96h 的测试，观察其龟裂程度，结果如表2.3 所示。

表2.3 不同抗氧化剂对阻尼聚氨酯耐臭氧影响

通过表2.3 可知，不加光稳定剂的阻尼聚氨酯弹性体在试验条件（50pphm，30℃，5%拉伸）下，48h 时开始出现轻微龟裂，96h 出现严重龟裂及裂纹布满表面。而加入光稳定剂UV-328、光稳定剂292、光稳定剂292+抗氧剂245 的阻尼聚氨酯弹性体在试验条件下耐臭氧比较：光稳定剂292+抗氧剂245＞光稳定剂292＞光稳定剂UV-328，从理论上分析，UV-328 是高效紫外线吸收剂，能有效吸收波长为270～380nm的紫外线，光稳定剂292是一种受阻胺光稳定剂，与紫外线吸收剂不同，它不吸收紫外光，它发生热氧化或光氧化而产生稳定的氮-氧自由基，或者是一种有效的自由基清理剂，优先与烷基自由基反应，产生光稳定作用，受阻胺在很低浓度下能起到很好的光稳定作用，比一般的紫外线吸收剂的稳定效果高2～4倍[2]，通过表2.3 可知，光稳定剂292+抗氧剂245 耐臭氧性最好，抗氧剂245 是一种受阻酚类抗氧剂，能有效防止材料热氧降解，与光稳定剂292 混合使用提高耐臭氧性，综合考虑，阻尼聚氨酯中加入光稳定剂292 和抗氧剂245 其耐臭氧性能最佳。

3 结论

（1）选用大分子多元醇H-57、高活性聚醚三醇TEP-551C、TEP-551C 和蓖麻油混合作为阻尼聚氨酯主体材料，引入高密度阻尼填料云母粉，其固化剂为粗MDI，对比三种大分子多元醇为主体阻尼聚氨酯力学性能，TEP-551C 和蓖麻油混合作为阻尼聚氨酯主体材料力学性能最佳。

（2）将白炭黑分散到阻尼聚氨酯A 组分中，能有效降低高密度填料云母粉下沉速度，当A 组分基础配方中的添加量为0.6g 时，其储存效果和A 组分的粘度最佳。

（3）阻尼聚氨酯中添加光稳定剂UV-328 和292 能有效提高耐臭氧性，通过实验发现在光稳定剂292 中引入抗氧剂246 后测得耐臭氧性能最佳。