原材料對鐵路扣件絕緣軌距塊低溫性能的影響研究

張遠慶，常杰，喬立軍，趙畦安，曹建偉，張力斌

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.河北鐵科翼辰橡膠制品有限公司，河北石家莊052160; 3.哈齊鐵路客運專線有限責任公司，黑龍江哈爾濱150090;4.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京102206)

原材料對鐵路扣件絕緣軌距塊低溫性能的影響研究

張遠慶1，常杰2，喬立軍3，趙畦安4，曹建偉4，張力斌2

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.河北鐵科翼辰橡膠制品有限公司，河北石家莊052160; 3.哈齊鐵路客運專線有限責任公司，黑龍江哈爾濱150090;4.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京102206)

哈齊高速鐵路穿越高寒地區(qū)，鐵路扣件保持軌距的能力對于運營安全和運營成本非常重要。鐵路扣件絕緣軌距塊以玻璃纖維(33%含量)增強聚酰胺66體系(PA66-GF33體系)作為原材料，在原材料中添加增韌劑來改善絕緣軌距塊低溫下的力學性能。本文研究增韌劑(馬來酸酐接枝三元乙丙橡膠)含量變化對PA66-GF33體系在常溫下力學性能的影響，及其在-30℃和-50℃環(huán)境下缺口沖擊強度的變化。研究結(jié)果表明:原材料中增韌劑含量由3%增加到12%時，缺口沖擊強度增大，拉伸強度、彎曲強度和熔融指數(shù)降低，掃描電鏡分析顯示缺口沖擊試驗的樣條斷面由脆性斷裂逐漸表現(xiàn)為韌性斷裂;當增韌劑含量為6%時，PA66-GF33體系同時具有較好的低溫韌性和優(yōu)良的加工性能，選擇增韌劑含量為6%的PA66-GF33體系作為絕緣軌距塊原材料，采用注塑工藝制備的絕緣軌距塊剖面無內(nèi)部空隙，并且在-45℃環(huán)境下沖擊強度試驗合格。

玻璃纖維增強聚酰胺66 馬來酸酐接枝三元乙丙橡膠 增韌 低溫

我國領土遼闊，地形復雜，氣候多樣，高速鐵路已遍布大部分省市，包括黑龍江、新疆、內(nèi)蒙古等高寒地區(qū)［1］，目前正在建設中的哈爾濱至齊齊哈爾鐵路客運專線起自黑龍江省省會哈爾濱市，向西北方向經(jīng)大慶，止于齊齊哈爾市，線路全長286.553 km，沿線為大陸性季風氣候區(qū)。一年溫差近70℃，冬季嚴寒干燥漫長，最冷月平均氣溫均低于-20℃，極端最低氣溫接近-40℃，最大凍結(jié)深度2.72 m，屬高寒地區(qū)［2］，并且夏季太陽輻射時間較長。研究表明，夜間軌道溫度比氣溫還要低2.5℃［3］，軌道的運營維護都會受到氣候條件影響。

國內(nèi)外研究表明，在高速動力荷載反復作用下，軌道除需有足夠的強度外，軌道保持彈性的能力至關重要，而軌道彈性主要靠扣件系統(tǒng)提供。哈爾濱至齊齊哈爾鐵路客運專線無砟軌道線路采用無擋肩WJ-7型扣件，滿足時速250～350 km/h運行條件要求。

PA66-GF33體系材料是一種具有高強度、高模量的工程塑料，已被廣泛應用于鐵路、汽車、機械等領域，已部分取代金屬成為結(jié)構性材料。根據(jù)最新鐵路標準，PA66-GF33體系在鐵道建筑領域中已被作為鐵路扣件系統(tǒng)中部分非金屬零部件的指定原材料，高速鐵路扣件系統(tǒng)中對其性能指標要求更為嚴格。以PA66-GF33體系為原材料的絕緣軌距塊在低溫下表現(xiàn)出低溫脆性，受外力作用易發(fā)生破壞。《WJ-7型扣件暫行技術條件》規(guī)定絕緣軌距塊原材料拉伸強度不低于150 MPa，彎曲強度不低于200 MPa，沖擊強度不低于80 MPa，以上檢驗標準均是在常溫條件下(22℃)檢測的，為更好地滿足耐寒地區(qū)實際環(huán)境溫度，需要改善PA66-GF33低溫韌性，保證扣件系統(tǒng)零部件在低溫環(huán)境下仍具備良好的使用性能。

本文研究以馬來酸酐接枝三元乙丙橡膠(EPDM-g-MAH)作為PA66-GF33體系的增韌劑，采用注塑工藝制備出絕緣軌距塊，研究增韌劑含量對原材料性能的影響。從原材料的經(jīng)濟性、生產(chǎn)的可行性方面考慮，確定PA66-GF33體系中增韌劑的最佳含量，同時考察以最佳增韌劑含量的PA66-GF33體系制備的絕緣軌距塊低溫沖擊性能。

1 低溫性能測試

1.1 主要原材料

PA66型號EPR27，玻璃纖維型號ECS10-4.5-435TM，EPDM-g-MAH型號KT-7。

1.2 主要儀器設備

雙螺桿擠出機組SJC-62D，注塑機HN450SV，掃描電子顯微鏡UN8010，拉力試驗機TCS-2000，液晶顯示沖擊試驗機BL-6151，熔融指數(shù)儀XRL-400，高低溫交變試驗機GT-7005，臭氧老化試驗箱GP/CY250。

1.3 以EPDM-g-MAH為增韌劑的PA66-GF33體系制備工藝

采用雙螺桿擠出機組，工藝見表1，按不同比例將增韌劑組分添加到PA66-GF33體系熔融擠出、冷卻、切粒得到增韌的PA66-GF33體系復合材料。雙螺桿擠出機加工溫度為250℃～285℃，主機轉(zhuǎn)速為350～450 r/min，真空度≤-0.09 MPa。

1.4 PA66-GF33體系性能測試

低溫性能檢測時先把試樣放入高低溫交變試驗機中，在低溫下冷卻30 min后取出檢測。材料臭氧老化條件:溫度40℃，臭氧濃度50 pphm，老化時間為96 h。力學性能測試標準及項目見表1。

表1 力學性能測試標準［4-7］及項目

1.5 絕緣軌距塊的制備

采用HN450SV注塑機和熱流道模具注塑成型，絕緣軌距塊成品經(jīng)調(diào)濕處理后靜置24 h。注塑工藝加工溫度為250℃～275℃，注射速度≥40 mm/s，注射壓力≥7.5 MPa。保壓壓力≥5 MPa，模具溫度為60℃～80℃，冷卻時間≥35 s，周期≥65 s。

1.6 絕緣軌距塊沖擊測試

依據(jù)《WJ-7型扣件暫行技術條件》［8］測試。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 增韌劑含量對缺口沖擊強度的影響

將增韌劑含量分別為3%，6%，9%和12%的PA66-GF33體系分別在22℃，-30℃和-50℃條件下進行缺口沖擊試驗，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，沖擊強度隨增韌劑含量的增加顯著升高，當增韌劑含量達到12%時，其低溫沖擊強度與常溫狀態(tài)增韌劑添加6%的強度相當。

研究表明［9］，當在PA66-GF33體系中加入EPDM-g-MAH時，EPDM-g-MAH粒子在體系中呈均勻分散狀態(tài)。因為EPDM-g-MAH中EPDM分子鏈段具有良好的低溫韌性，在受到?jīng)_擊荷載作用時，EPDM分子鏈段吸收沖擊能量，并阻止銀紋的發(fā)展，斷面剪切帶與銀紋相互作用，使PA66-GF33體系斷面從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性破壞。故隨著EPDM-g-MAH含量的提高，PA66-GF33體系表現(xiàn)出良好的低溫韌性。

圖1 缺口沖擊強度與增韌劑含量的關系

圖2為沖擊斷面的掃描電鏡圖。從圖2可見，隨著增韌劑含量的增加，斷面處形態(tài)由凹凸不平逐漸變化為平緩的斷面結(jié)構，玻璃纖維裸露也逐漸變少，玻璃纖維表面附著物越來越多，斷面孔隙減小，相界面結(jié)合較好。一方面是因為EPDM-g-MAH在沖擊荷載作用下吸收沖擊能量并阻止銀紋擴張，另一方面則是玻璃纖維表面的硅烷偶聯(lián)劑與馬來酸酐基團形成較強的化學鍵，使玻璃纖維的韌性得到提升［10］，最終使材料斷裂表現(xiàn)為韌性斷裂，提高了PA66-GF33體系沖擊強度。

2.2 低溫下臭氧老化后缺口沖擊強度與增韌劑含量的關系

低溫下臭氧老化后缺口沖擊強度與增韌劑含量的關系見圖3。從圖3可見，臭氧老化后PA66-GF33體系的缺口沖擊強度與老化前(圖1)相比無明顯變化。說明在室外自然環(huán)境條件下，添加增韌劑的PA66-GF33體系具備較好的耐臭氧老化性能。

2.3 拉伸強度、彎曲強度與增韌劑含量的關系

圖2 沖擊斷面掃描電鏡圖

圖3 臭氧老化后缺口沖擊強度與增韌劑含量的關系

三元乙丙橡膠是乙丙橡膠的一種，具有較高的彈性和優(yōu)良的耐低溫性能，其極限使用溫度可達到-50℃或更低，以EPDM-g-MAH作為增韌劑與PA66-GF33體系有很好的相容性，可以改善塑料的耐沖擊性能。但三元乙丙橡膠屬于非結(jié)晶橡膠，若不加補強填充劑，則硫化后橡膠的拉伸強度很低(約6～8 MPa［11］)，故隨著EPDM-g-MAH含量的增加，PA66-GF33體系拉伸強度、彎曲強度逐漸降低(見圖4)。當增韌劑含量增加到12%時，材料的拉伸強度和彎曲強度仍滿足鐵路標準(150 MPa和200 MPa)的要求。

2.4 熔融指數(shù)與增韌劑含量的關系

圖4 拉伸強度和彎曲強度與增韌劑含量的關系

熔融指數(shù)是指高分子材料熱加工過程中熔體流動指數(shù)。圖5為熔融指數(shù)與增韌劑含量的關系。PA66-GF33體系熔融指數(shù)隨增韌劑含量的增加顯著地降低。這是由于加入增韌劑導致體系在熔融狀態(tài)下熔體黏度大幅升高。當增韌劑含量為6%時，熔融指數(shù)為6 g/10 min，隨著增韌劑含量繼續(xù)增加，體系的熔融指數(shù)下降更加明顯，熔體流動速率低，在同樣的注塑工藝條件下，物料在螺桿中停留的時間會相對變長，不利于注塑加工成型，因此增韌劑含量≤6%時較為適宜。

2.5 絕緣軌距塊的低溫沖擊性能

圖5 熔融指數(shù)與增韌劑含量的關系

以不同增韌劑含量的PA66-GF33體系為原材料，添加1%的卡博特UV2014黑色母制備鐵路扣件絕緣軌距塊。絕緣軌距塊在22℃，-30℃，-45℃和-50℃條件下分別進行沖擊試驗。試驗方法見圖6。不同增韌劑含量絕緣軌距塊在不同溫度下各取5塊做沖擊試驗，每塊絕緣軌距塊連續(xù)做6次沖擊，5塊均不破裂視為合格。沖擊結(jié)果見表2。

由表2可知，隨著增韌劑含量的增加，絕緣軌距塊的低溫韌性變好。橡膠脆化溫度越低，其耐寒性越好。EPDM-g-MAH中三元乙丙橡膠的脆化溫度在-40℃～-60℃［12］。當PA66-GF33體系中增韌劑含量為3%～6%時，絕緣軌距塊在-30℃～-50℃沖擊時，分散在體系中的EPDM-g-MAH粒子仍具有較好的韌性，能有效吸收沖擊荷載，使絕緣軌距塊表現(xiàn)出良好的低溫耐沖擊性。

2.6 絕緣軌距塊內(nèi)部空隙與體系增韌劑含量的對應關系

圖6 沖擊試驗示意

表2 沖擊試驗結(jié)果

圖7 不同增韌劑含量絕緣軌距塊剖面

對絕緣軌距塊做剖面內(nèi)部空隙檢測(圖7)時發(fā)現(xiàn)，當PA66-GF33體系中增韌劑含量過高時，部分絕緣軌距塊出現(xiàn)明顯的內(nèi)部空隙，且空隙隨含量的增加而變大。這是因為增韌劑含量增大，熔體黏度升高，PA66-GF33體系的熔融指數(shù)顯著降低，流動速率減小，注塑工藝中的壓力及速度都要提高，熔體在注塑機料筒內(nèi)受到的螺桿剪切熱也會增大，溫度的升高可能導致部分PA66-GF33體系內(nèi)的材料助劑受熱分解，導致出現(xiàn)內(nèi)部空隙。一般情況下，結(jié)晶型材料在產(chǎn)品壁厚較厚的位置，或是在遠澆口、近澆口處容易產(chǎn)生后收縮形成針眼狀的空隙［13］，此類小孔可以通過調(diào)節(jié)注塑工藝得到改善，但材料本身熔融指數(shù)偏低導致加工性能差，生產(chǎn)過程中必然要提高加工溫度來解決此問題，加工溫度的提高會引發(fā)材料或助劑熱降解，從而導致絕緣軌距塊內(nèi)部空隙，這是無法通過調(diào)整注塑工藝來改善的。因此，PA66-GF33體系的增韌劑含量不能過高。如圖7所示增韌劑含量在6%時既可滿足增韌效果，絕緣軌距塊也沒有內(nèi)部空隙，同時PA66-GF33體系熔融指數(shù)為6 g/10 min也可滿足注塑成型的加工要求。

3 結(jié)論

1)在PA66-GF33體系中加增韌劑EPDM-g-MAH可有效提高體系的低溫缺口沖擊強度，增韌劑含量越高，體系缺口沖擊強度越高。

2)以EPDM-g-MAH增韌的PA66-GF33體系臭氧老化后沖擊韌性無明顯降低，表明以EPDM-g-MAH增韌的PA66-GF33體系為原材料制備的絕緣軌距塊具有較好的耐候性。

3)在PA66-GF33體系中加入增韌劑EPDM-g-MAH后，體系的拉伸強度和彎曲強度明顯降低，增韌劑含量在6%時，體系的拉伸強度為180 MPa，彎曲強度為258 MPa。

4)在PA66-GF33體系中，EPDM-g-MAH含量≤6%時，體系熔融指數(shù)≥6 g/10 min。綜合考慮體系的拉伸強度、彎曲強度等因素，選擇增韌劑含量為6%的體系。該含量時既可保證體系的增韌效果、力學性能，又能保證體系良好的加工性。

5)從生產(chǎn)加工的經(jīng)濟性方面考慮，在不改變其它加工助劑時，增韌劑含量為6%時，PA66-GF33體系制備的絕緣軌距塊在-45℃時表現(xiàn)出良好的耐低溫沖擊性能，并且沒有內(nèi)部空隙，可以在哈齊高鐵運行地區(qū)使用。

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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

(責任審編葛全紅)

2014-09-10;

2014-11-25

張遠慶(1978—)，男，湖北麻城人，工程師。