高速铁路新型单组分聚氨酯密封胶

徐凌雁 高志国 张龙庆

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

国内前期高速铁路项目无砟轨道嵌缝材料以沥青类为主，但沥青弹性差、耐老化性差、低温易脆化、高温易流淌，甚至引起翻浆冒泥、路基冻胀等问题，严重影响了无砟轨道的耐久性和行车安全。因此，沥青类嵌缝材料不适用于高速铁路。目前高速铁路无砟轨道嵌缝处理通常采用聚氨酯、有机硅酮等弹性密封胶[1-4]。现有硅酮嵌缝材料技术中可实现深层固化的材料储存周期较短，一般为现配现用，储存周期长的材料不具备深层固化性能，无法实现硅酮嵌缝材料深层固化和长储存周期的双重需要，而且传统的聚氨酯密封胶不能长期的耐热、耐水性能较差、容易受到紫外光老化；高湿热条件下容易在胶层中发生鼓包和龟裂等现象[5]。因此，研制一种高速铁路新型聚氨酯密封胶具有很高的经济价值和社会价值。

实验采用聚醚二醇配合异氰酸酯、硅烷封端剂、催化剂、促粘剂、增塑剂等制得抗疲劳性好，粘结性好，耐老化的新型单组分聚氨酯密封胶。讨论了聚醚二醇的Mn、异氰酸酯等对新型单组分聚氨酯密封胶性能的影响。

1 实验

1.1 主要原料及设备

1)合成新型单组分聚氨酯预聚体所需原料。

聚醚二醇：工业级，美国陶氏化学；胺基硅烷1：工业级，武大有机硅新材料；胺基硅烷2：工业级，美国迈图；MIPS：工业级，Basf；HDI：工业级，Bayer；TDI：工业级，Basf；IPDI：工业级，Bayer；二月桂酸二丁基锡：化学纯，美国气体化学。

2)合成新型单组分聚氨酯密封胶所需原料。

纳米碳酸钙：工业级，湖南金箭；增塑剂(邻苯二甲酸酯系列)：工业级，台湾联成化学；气相二氧化硅：工业级，德固赛；有机硅粘结促进剂：工业级，日本信越化学。

3)分析用试剂。

无水碳酸钠：分析纯，阿拉丁试剂；盐酸：分析纯，北京化工厂；甲苯，分析纯，北京化工厂；溴酚蓝：分析纯，北京化工厂；丙酮：分析纯，北京化工厂；异丙醇：分析纯，北京化工厂；二正丁胺：分析纯，北京化工厂。

4)实验设备和仪器。

强力电动搅拌机：JB200-D，上海标本模型厂；双行星分散搅拌机：KXD，无锡科越化工机械厂；电子天平：CP213，赛恩斯仪器；旋片式真空泵：2XZ-2，上海真空泵厂；恒温恒湿箱：KW-TH-80T，东莞科文仪器；旋转粘度剂：NDJ-8S，上海精密科学仪器有限公司。

2 新型单组分聚氨酯密封胶的制备工艺

2.1 新型单组分聚氨酯预聚体的合成工艺

采用一定量的多异氰酸酯和多元醇发生反应产生含有端NCO的聚氨酯预聚体，然后再与硅烷偶联剂进行加成反应(见图1)。

PU预聚体的工艺流程：将聚醚二元醇、增塑剂加入烧瓶一起分散脱水，在120 ℃的温度中通过真空脱水至少2 h，接着选用水分测定仪检查水分含量，需要达到低于500 ppm的水平。然后把温度降到70 ℃，使用氮气保护，温度控制在65 ℃～75 ℃，同时使用强力电动搅拌机搅拌，搅拌1 h，再添加催化剂。紧接着每间隔30 min取样。采用滴定法测定NCO基团的含量，直到含量达到理论值时停止反应。新型单组分聚氨酯树脂合成：同样是在氮气的保护之下，将PU预聚体加热至60 ℃～70 ℃。

使用强力电动搅拌机搅拌，边搅拌边向PU预聚体中加入硅烷封端剂。也是反应1 h之后每间隔30 min取一次样。并用滴定法检测聚合物中的NCO基团，等到预聚物中NCO基团检测不到时停止混合，取出试样并置于密闭的容器中。

2.2 新型单组分聚氨酯密封胶的制备工艺

在制备密封胶前要将碳酸钙真空脱水，水分含量控制在800 ppm之下。脱水结束后把新型单组分聚氨酯树脂、碳酸钙、除水剂以及其他试剂按实验配方比例在反应釜中分散混合均匀，并密封储存。

3 性能测试

表干时间：按GB/T 13477.5—2002试验，型式检验采用A法试验，出厂检验可采用B法试验；质量损失率：按GB/T 13477.19试验；弹性恢复率：按GB/T 13477.17试验；拉伸粘结性：按GB/T 13477.8试验；定伸粘结性：在标准试验条件下按GB/T 13477.10试验；浸水后定伸粘结性：按GB/T 13477.11试验；冷拉—热压后定伸粘结性：按GB/T 33477.13试验；热处理后定伸粘结性：按GB/T 13477.10的A法处理；拉伸—压缩循环后粘结性：按GB/T 13477.12试验。

4 结果与讨论

4.1 聚醚二元醇的Mn对新型单组分聚氨酯密封胶性能的影响

设定新型单组分聚氨酯的Mn=5 000时，使用不同的聚醚二元醇(Mn分别为1 000，2 000，3 000，4 000)分别与MDI反应。同时使用ND42硅烷作为封端剂，从而制备出一批Mn相同的新型单组分聚氨酯密封胶产品，对不同分子量的聚醚二元醇对产品的物理性能影响进行研究，测试结果见表1。

表1 聚醚二元醇的Mn对新型单组分聚氨酯力学性能的影响

分析表1中的数据我们得到结论，使用的聚醚二元醇Mn越大，相应所合成的新型单组分聚氨酯的粘度就小；由此所制备的新型单组分聚氨酯拉伸强度有所降低；断裂伸长率增大，邵氏硬度反而下降。分析认为聚醚二元醇的Mn在增大时，所生成相同Mn的新型单组分聚氨酯需要用到的异氰酸酯就会减少，醚键数目也增加，预聚物的软段部分从而发生增长，以致促使其力学性能发生改变。

4.2 异氰酸酯种类对新型单组分聚氨酯密封胶性能的影响

采取设定新型单组分聚氨酯的Mn=5 000时，使用MDI，TDI，IPDI，HDI分别和聚醚二元醇(设定Mn=2 000)进行反应，同时使用ND42硅烷作为封端剂，从而制备出一批Mn相同的新型单组分聚氨酯密封胶产品。产品的力学性能见表2。

表2 不同异氰酸酯对新型单组分聚氨酯力学性能的影响

分析表2中的数据我们得到结论，由于芳香族的MDI对称性好、内聚能密度大，相应地由此所制备出的密封胶拉伸强度以及邵氏硬度都是最大的。芳香族的MDI和TDI的内聚能密度大，以其为原料所制备出的聚合物的内聚能密度也就大，经过固化后的新型单组分聚氨酯也就具有较大的强度和硬度。脂肪族的HDI和IPDI制备产生的密封胶虽然拉伸强度小，但其柔性要比TDI制备产生的密封胶要好；HDI和IPDI制备产生的密封胶透明效果好，可用于耐黄变的密封剂，较适合室外嵌缝使用。

4.3 硅烷封端剂种类对新型单组分聚氨酯密封胶性能的影响

分别使用了3种不同的硅烷：ND42，ALINK15，A1170。同样设定新型单组分聚氨酯的Mn=5 000时，使用MDI和聚醚二元醇(采用Mn=2 000)反应，同时分别使用以上三种硅烷作为封端剂，从而制备出一批Mn相同的新型单组分聚氨酯密封胶产品。并对产品的力学性能进行测试，结果见表3。

表3 不同硅烷对新型单组分聚氨酯力学性能的影响

分析表3中的数据我们得到结论，A1170硅烷所制备出的固化后新型单组分聚氨酯，其拉伸强度以及伸长率明显较好，而硬度最高。分析认为硅烷分子中的苯环、官能度对密封胶的物理性能产生直接影响。因此，在研制嵌缝胶建筑用密封胶的过程当中，我们可以通过使用不同种类的硅烷，制备出符合需求的各种密封胶。

5 结语

使用ALINK15硅烷制备出的密封胶在四种物理性能的保持率上明显都要比使用ND42硅烷制备出新型单组分聚氨酯密封胶要好。而选择使用了抗氧剂之后所制备的密封胶，其耐老化性能更加优异。各项指标均达到高速铁路嵌缝材料技术要求。