聚氨酯泡沫合成軌枕的應用及發展*

張 勇 劉 志* 張 彬 趙微微 郝林栓 賈積恒

(1.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司 北京 102200) (2.鐵科騰躍科技有限公司 河北石家莊 052360)

玻纖增強發泡聚氨酯(Fiber reinforced Foamed Urethane，FFU)合成軌枕由連續玻璃纖維和聚氨酯樹脂經發泡拉擠工藝制備而成，主要應用于鐵路鋼橋明橋面和城市軌道交通，FFU合成軌枕技術的引入是為了解決木枕易腐蝕和開裂、使用壽命短、道釘抗拔力和軌矩保持性能差、優質木材逐年減少的問題。日本于20世紀80年代首次生產了密度相對較低的FFU合成軌枕。我國近幾年在FFU合成軌枕的基礎上，通過提高產品密度和纖維含量，改進軌枕的結構形式及生產工藝，開發出鐵路鋼梁用復合材料(HFFP)橋枕，其綜合性能得到大幅度提升[1-2]。

本文介紹了聚氨酯泡沫合成軌枕的性能特點和發展，并從工藝控制上探討了聚氨酯泡沫合成軌枕的生產技術。

1 聚氨酯泡沫合成軌枕發展歷程及現狀

國內外研制的復合材料軌枕種類很多，投入商業化應用的目前只有聚氨酯泡沫合成軌枕和回收塑料軌枕兩種，后者綜合性能較差，而聚氨酯泡沫合成軌枕被認為是替代木枕最適合的材料。國內現有的聚氨酯泡沫合成軌枕一般分為城市軌道交通用FFU合成軌枕[3]和鐵路鋼梁用HFFP橋枕[4]。

FFU合成軌枕最先由日本開發成功，目前日本每年約鋪設合成軌枕9萬根。國內部分單位引進了國外技術和生產線，如積水(上海)環境科技有限公司將日本積水化學工業株式會社的技術引入國內，中船重工七二五所在日本技術基礎上研制成功了國產FFU合成軌枕，并在廣州和上海地鐵上應用，均取得良好的使用效果[5]。由于FFU合成軌枕在道釘抗拔力、抗彎性能和疲勞性能達不到我國干線鐵路現行標準要求，由鐵科院組織研發了綜合性能更優異的HFFP復合橋枕，可滿足現行鐵路設計規范最大速度200 km/h、最大軸重270 kN要求，已經在我國京滬三線K483+873橋、膠新線K286+562橋和隴海線K1562+448橋等多個鐵路橋梁上應用，使用效果良好。HFFP復合橋枕于2018年通過鐵路總公司技術評審，可在全國鐵路推廣應用。圖1和圖2為HFFP復合橋枕安裝、產品及應用圖。

圖1 HFFP復合橋枕安裝圖

圖2 HFFP復合橋枕產品及其在隴海線應用案例

2 聚氨酯泡沫合成軌枕的特點及性能

聚氨酯合成軌枕具有比木枕更高的抗彎曲強度、抗壓強度及剪切強度，同時彈性模量與木枕接近，具有優異的力學性能和彈性。無論在低溫還是高溫下使用，均能表現出優異的力學性能，在自然條件下幾乎無腐蝕，耐久性極好，使用壽命可達50年。在安裝過程中，可以像加工木材一樣，對合成軌枕進行二次加工，如刻槽、開孔等。如有破損或加工錯誤，可以進行修復后再使用。采用木材制作軌枕的過程中，為了提高其耐久性能，通常會使用雜酚油浸泡處理，以達到防腐效果，該化學物質為致癌物，歐盟已經禁止使用。聚氨酯合成軌枕的主要原料為聚氨酯樹脂和連續玻璃纖維[6]，在生產過程中幾乎無VOC排放，屬環境友好型材料。采用聚氨酯合成軌枕的鐵路線的行車安全性也比木枕高，這得益于其較大的道釘抗拔力和優異的握釘能力。在使用過程中，由于軌距保持性能好且電氣絕緣阻抗高，無需考慮絕緣因素。雖然聚氨酯合成軌枕的價格較高，與木枕相比一次性投入較大，但使用過程中維護成本低，可減輕維護管理的負擔，綜合經濟性好。聚氨酯合成軌枕尺寸可設計性強，能滿足各種設計要求。

FFU合成軌枕和HFFP復合橋枕主要性能指標見表1。其中，FFU性能指標按照CJ/T 399—2012標準，HFFP性能指標按照TJ/GW 161—2018標準。

表1 聚氨酯泡沫合成軌枕性能指標

另外，對于耐久性，FFU合成軌枕要求紫外光照射1 000 h后，力學性能保持率≥70%；HFFP復合橋枕要求紫外、鹽霧1 000 h、濕熱720 h后，力學性能保持率≥80%。

3 聚氨酯泡沫合成軌枕的生產工藝和設備

聚氨酯泡沫合成軌枕連續拉擠生產工藝(圖3)包含了集送紗、注膠浸潤、模具固化、定長切割等幾個主要過程。按照最終產品厚度可分為一體成型工藝和多層粘接成型工藝。一體成型工藝就是一次性拉擠出所需要的產品厚度，而多層粘接工藝則是根據產品最終厚度，先制備出薄片型材并對型材表面打磨，采用膠黏劑將2～4層該薄片型材進行粘接，制備出最終產品。

圖3 聚氨酯泡沫合成軌枕生產工藝圖

3.1 主要設備

與傳統拉擠聚氨酯復合材料設備不同，聚氨酯泡沫合成軌枕的主要生產設備為聚氨酯高壓發泡機和雙履帶(鋼帶)層壓機，前者主要是將聚氨酯組合料進行混合并注射，實現玻璃纖維的均勻浸潤；后者是連續牽引的同時進行模壓固化。除此之外，還需用砂光機對制品進行打磨定尺，在確保尺寸的同時有利于涂裝。對于多層粘接成型工藝，還需要壓力機施加壓力，確保層間粘接牢固。

3.2 工藝流程

3.2.1 多層粘接成型工藝

多層粘接成型工藝生產的板材截面積較小，一般為(230±10) mm×(70±10) mm，產品密度為740 kg/m3時，需要的玻璃纖維數量為600～800根。玻璃纖維通過導紗裝置進入浸膠槽，高壓發泡機將聚氨酯組合料均勻地注射到玻璃纖維表面，并由人工或機械揉搓的方式使玻璃纖維得到充分的浸潤，此過程為開放式浸膠。浸潤后的玻璃纖維進入雙履帶層壓機模腔中，在(60±20)℃的溫度下發泡固化成型，再依次經過自動切割機定長切割、砂光機打磨定厚、結構膠粘接并壓合固化、側面定寬打磨和表面涂裝制備而成。此工藝生產效率低，且多層粘接存在開裂風險，有被一體成型工藝取代的趨勢。

3.2.2 一體成型工藝

一體成型工藝制備的合成軌枕截面積相對較大，寬度為230～300 mm、厚度為140～300 mm。該工藝需要的玻璃纖維數量較多，例如常規截面尺寸230 mm×140 mm、密度740 kg/m3的FFU合成軌枕，需要1 200～1 500根玻璃纖維；而截面尺寸240 mm×240 mm、密度1 200 kg/m3的HFFP復合橋枕，則需要約4 500根的玻璃纖維，常規的導紗裝置無法滿足，需要進行特殊設計，紗房一般設置成雙層或多層，并且同比例設置備用紗團，整個系統占地空間較大。在玻璃纖維浸潤區域，采用封閉式浸潤系統，無需人工輔助；由低頻振動、超聲、高壓等裝置集成的自動浸潤系統可以減少勞動力，提高浸潤效率，保證產品質量。浸潤后的玻璃纖維有序進入雙履帶(鋼帶)層壓機模腔中，連續拉擠固化成型。出模定長切割后，對表面進行打磨處理后涂裝完成。該工藝自動化程度高，生產效率高且成本低，質量穩定。

3.2.3 一體成型技術的問題分析

首先，在聚氨酯固化過程中可能會出現燒芯現象，這是因為聚氨酯是熱的不良導體，發泡過程內部溫度過高，中心溫度無法及時傳導，導致中心區域材料炭化?？赏ㄟ^對聚氨酯配方的優化，調整反應速率及放熱量，同時借助玻璃纖維對部分熱量的吸收和傳導，降低放熱量，減少燒芯概率。

其次，合成軌枕出模后，內部會出現裂紋現象。這可能是因為產品出模前表面已固化，內部未完全固化，出模后模壓消失，內部繼續發泡產生應力；并且產品出模冷卻過程中，內外溫差較大，產生不同的收縮應力?？赏ㄟ^加長層壓機的長度，保證出模前產品固化充分或調整聚氨酯后固化時間，在保持線速度的情況下，確保產品出模前完全固化。

一體成型工藝所需玻璃纖維數量是粘接成型工藝的3倍以上，浸潤不充分的情況下會有干紗現象發生?？赏ㄟ^降低聚氨酯組合料的黏度，并且適當延長組合料起發時間來控制。更重要的是該工藝改進了浸潤工藝，降低人工干預而產生的不確定性；另外工藝采用自動浸潤裝置，由相關的輔助浸潤設備配合機械手，實現多層分散浸潤，通?？刂萍喎繙囟葹?25±2)℃，相對濕度低于50%。

4 展望

聚氨酯泡沫合成軌枕作為替代木枕的新型軌枕，具有輕質高強、彈性好和軌矩保持性能優良的特點，在我國已經形成了城市軌道交通用FFU合成軌枕和鐵路橋梁用HFFP復合橋枕兩個標準產品，均得到了廣泛的應用。在生產技術上，逐漸由多層粘接成型工藝向一體成型工藝邁進，生產工藝的改進也更有利于聚氨酯泡沫合成軌枕綜合性能的提升和更大范圍的推廣應用。我國既有鐵路鋼梁木枕保有量約55萬根需要進行維修和替換，再加上逐年新修建的鐵路鋼橋，在未來5～10年期間，將為聚氨酯泡沫合成軌枕的規?；瘧锰嵘薮蟮氖袌鋈萘?。