基于尼龙的高速铁路复合材料研究

基于尼龙的高速铁路复合材料研究
刘素侠;杜宁宁
【摘要】开发应用基于尼龙的复合材料制备铁路轨枕扣件,是高速列车快速、安全、稳定行驶的重要保障.文章采用自制相溶剂和相应生产工艺对尼龙复合材料增容,改
善各组成分在聚合物基体中的分散性以及界面相溶性,提高尼龙复合材料的综合性能,使其具备高韧性、高流动以及耐热耐老化等特性,开发出轨距块尼龙基复合材料、套管尼龙基复合材料、轨距块尼龙基复合材料3个产品.经推广应用,达到了复杂地形和恶劣气候下高速铁路300 km/h以上的运行要求,并创新应用于重载耐压铁路
建设.
【期刊名称】《江苏科技信息》
【年(卷),期】2016(000)032
【总页数】4页(P50-53)
【关键词】高速铁路;尼龙基复合材料;轨枕扣件;推广应用
【作者】刘素侠;杜宁宁
【作者单位】南京聚隆科技股份有限公司,江苏南京210032;南京聚隆科技股份有
限公司,江苏南京210032
【正文语种】中文
铁路轨枕是轨道交通的重要组成部分，起到支承钢轨并将钢轨所受荷载传布于道床的作用。

随着列车速度的不断提高，轨枕系统的运行工况更加复杂，运行环境更加恶劣，车内乘客舒适度、安全及能源损耗等因素，对轨枕系统的稳定性及适宜的弹
性提出了更高的要求，传统轨枕材料已不能满足高速列车发展的需求，开发应用基于尼龙的复合材料制备高速铁路轨枕扣件，是高速列车快速、安全、稳定行驶的重要保障。

尼龙（PA6，PA66）具有良好的力学性能，同时具有耐磨性、耐热性、耐油性、自润滑性，且易成型加工等特点。

但存在耐低温、耐候性不足等缺点，使其应用受到限制。

本项目针对尼龙基复合材料微观结构控制和组分设计，从无机材料表面接枝、复合材料内部结构及有机/无机材料界面设计出发，研究尼龙基复合材料表界面改性、石墨原位插层、LFT模具设计与制备、无机材料有机化接枝等技术和方法，解决高速铁路用尼龙基复合材料耐高温光照/极寒低温、抗静电、防翘曲等技术问题，使材料具备高强度、高韧性以及抗静电、尺寸稳定、耐老化等特性。

在批量生产的基础上，进行规模化生产研究。

对工艺条件及设备结构的优化设计，包括配混料及加料系统的设备优化及节能降耗真空集成系统工艺、高功效螺杆组合及转速和长径比的研究，严格把控过程KPI，确保质量稳定。

通过Moldflow软件分析、验证和优化零部件成型加工流程与工艺。

2.1 产品配方研究
本项目采用自制相溶剂和相应生产工艺对尼龙复合材料增容增韧，改善各组分在聚合物基体中的分散性以及界面相容性，提高尼龙复合材料的综合性能，使其具备高韧性、高流动以及耐热耐老化等特性，可以满足不同区域苛刻环境的要求。

配方方法按重量百分比由以下成分组成：尼龙树脂35%~60%、玻璃纤维20%~35%、无机矿物0%~10%、相溶剂16%~30%、光稳定剂0.3%~0.5%、偶联剂
0.1%~0.3%、抗氧剂0.1%~ 0.5%、润滑剂0.4%~1%。

相溶剂为马来酸酐接枝三元乙丙橡胶和马来酸酐接枝POE中的一种或两种混合。

2.2 技术路线
制造方法分两步：先将尼龙树脂、光稳定剂、偶联剂、抗氧剂、润滑剂按重量分配
比例，通过中速搅拌机充分混匀；再将混合均匀的原料送入双螺杆挤出机中熔融共混，挤出造粒，在挤出过程中加入玻璃纤维、无机矿物和相溶剂。

采用高效复配工艺将具有不同功能的自制相溶剂、增韧剂与尼龙、抗氧剂、润滑剂高速混合后加入双螺杆挤出机，同时添加矿物和玻璃纤维等，经熔融挤出制得。

利用相溶剂之间的协同效应，提高尼龙与玻纤以及增韧剂等其他组分之间的相容性，在提高材料韧性的同时不会降低其刚性，使材料的综合性能达到最优化。

同时，采用侧喂料工艺添加相溶剂，使相溶剂与尼龙树脂相容界面厚度提高10%~50%，
促进各组分熔融分散性。

通过使用MES生产制造系统，解决了“多品种，小批量”带来的排产困难的问题，保证了排产有序，同时实现监控交付FIFO执行、运费结算、送货单机打化等；通过采用MES条码管理系统，管控实时库存；通过应用AEC自动混料系统大幅降
低劳动强度，提高产品稳定性；配备进口大功率高扭矩的75挤出机和进口失重称系统的生产线，使产品配比精度从原来的1%提高到5‰；通过引入Moldflow软件，模拟产品注塑成型过程，进一步加强模具设计，提高了产品设计能力和验证能力，质量稳定性进一步提高（见图1）。

2.3 产品性能与指标
2.3.1 轨距块尼龙基复合材料
采用高效复配工艺将具有不同功能的自制相溶剂、增韧剂与尼龙、抗氧剂、润滑剂高速混合后加入双螺杆挤出机，同时添加矿物和玻璃纤维等，经熔融挤出制得。

使材料具有高拉伸强度、高韧性和尺寸稳定性，同时耐低温性能优异，可以满足高速铁路300 km/h以上的运行要求（见图2，表1）。

2.3.2 套管尼龙基复合材料
将套管预埋于混凝土岔枕中，改变传统轨枕系统道钉和岔枕的连接方式，抗拔力大大提高。

可以避免高速铁路行驶带来的震动导致套管破裂、螺钉拔脱现象，有效地
减振降噪，减少了对周围环境的影响，使轮轨振动与冲击得到明显改善，并可将金属制件之间碰撞产生的静电导出，为列车的高速安全运行提供保障（见图3，表2）。

2.3.3 轨距挡板尼龙基复合材料
在专有配方基础上，设计了长玻纤浸渍模具，使长玻纤能够充分分散、浸渍于聚合物中。

该产品综合力学性能优异，尤其是缺口冲击强度比一般玻纤增强尼龙高出1倍，而且由于浸润充分，玻纤外露减少，注塑制件的外观也有所改善（见图4，表3）。

（1）开发高分子聚合物/无机填料专用相溶剂，采用侧喂料强制喂料的加工方法，提高相溶剂在尼龙树脂中的分散效果，制备了兼具高强度和高韧性的复合材料，可以满足高速铁路在极端低温气候条件下的使用要求。

采用特定比例的马来酸酐接枝三元乙丙橡胶和马来酸酐接枝聚烯烃弹性体复配物，与尼龙树脂、玻璃纤维、无机矿物及其他加工助剂，经熔融共混挤出制得高性能增强增韧尼龙基复合材料。

利用相溶剂之间的协同效应，不仅改善尼龙树脂与玻璃纤维以及其他组分之间的相溶性，也起到增韧剂的作用，在提高材料韧性的同时不会降低其刚性。

同时，采用侧喂料强制喂料工艺添加相溶剂，使相溶剂与尼龙树脂相容界面厚度大幅提高，促进各组分熔融分散性，并且防止相溶剂降解失效。

使材料低温（-50℃）下仍可以保持良好的抗冲击性能，综合物性尤其是冲击韧性可以满足高速列车在低温环境下以300 km/h以上速度运行的要求（见表4，图5）。

（2）采用母粒化包覆、树脂熔融浸润方法制备矿物母粒和LFT-PA6母粒，并将
矿物母粒和LFT-PA6母粒相结合，生产出具有高刚性且尺寸稳定性好的矿纤复合PA6材料。

同时，利用自主设计的专有模具，提高长玻纤浸润效果，提升了符合
材料的综合力学性能（见图6）。

以长玻璃纤维增强尼龙6母粒为增强组分，通过与矿物母粒直接混合经注塑机成
型制品来达到提高制品尺寸稳定性和降低翘曲变形的目的。

在专有配方基础上，自主设计了长玻纤浸渍模具，使长玻纤能够充分分散、浸渍于聚合物中。

产品综合力学性能优异，尤其是缺口冲击强度比一般玻纤增强尼龙高出1倍，而且由于浸润
充分，玻纤外露减少，注塑制件的外观也有所改善。

（3）采用经功能化接枝改性的纳米二氧化硅作为矿物填充材料，利用纳米粒子各向同性的特点改善玻纤在尼龙复合材料中的取向效应，减少制件翘曲变形的发生。

纳米填料接枝了受阻酚、受阻胺等功能性组分，使改性后的尼龙基复合材料具有良好的耐热性和耐候性，能够有效延长高速铁路轨枕扣件的使用寿命。

本项目采用了无机材料表面接枝技术，使无机材料与有机树脂之间的界面由原来的物理连接变成了化学键连接，增加了两者的界面结合力，可以提高复合材料的综合力学性能；另外将具有抗老化功能的有机分子与纳米无机物结合，防止抗老化助剂在树脂材料中的迁移，从而提高抗老化效果。

经过功能化处理的纳米填料与玻璃纤维/尼龙树脂进行熔融挤出，制备出低翘曲耐热/耐候尼龙复合材料，该材料可以用于日照充足、气候炎热的低纬度地区的高速铁路轨枕扣件。

本项目贯穿我国高速铁路建设的全过程，推广应用大约分为以下四个阶段。

4.1实现国产化材料在高速铁路扣件系统上的首次应用
早在我国自主设计的第一条客运专线秦沈铁路建设时，就参加了国家铁路交通体系全线提速工程塑料配件的攻关任务，产品要求能够长时间承受各种恶劣环境的考验，在反复震动下不脆裂、重压下不变形，技术要求很高。

经过无数次实验和理论分析研究，终于掌握了产品的核心技术和关键技术。

在第一次全国性招标会上，自主研发的尼龙基复合材料与国际大公司产品同台竞争。

在产品质量相当的情况下，以价格低、供货周期短的优势获得标的。

4.2 通过复杂地形和恶劣气候的考验
随着技术的成熟以及铁路建设的发展，努力攻克复杂地形与气候条件等应用难关，
大幅提升产品综合性能。

在武广铁路的建设中面临的主要问题是复杂的地形带来的建设难度，如桥梁、山地等特殊地段常常出现弧度较大的弯路，由于高速列车时速高，因而在弯路处离心力过大，容易发生脱轨事故，所以轨枕系统需要设计得更厚重，以承受更大的压力进而提供足够的向心力；位于极寒地区的哈大铁路在超低温下，面临的主要问题是轨枕系统尼龙复合材料容易变脆，导致制件性能大幅下降，出现安全隐患，须对原有配方进行优化和调整，使制品具备高韧高强的同时兼有良好的耐低温性；在兰新铁路的强紫外线下须防止材料紫外老化，在推广使用添加复合型抗紫外线助剂进行复合增韧改性。

4.3 经受了高速列车极速的挑战
本项目产品能满足高速列车300 km/h以上运行的需要，特别是世界上一次建成线路最长、标准最高的京沪高速铁路，高速列车创造了时速486.1 km/h的世界铁路运营第一速。

4.4 创新应用于重载耐压铁路建设
世界上第一条按30万吨重载货运铁路标准建设的晋豫鲁铁路、兰渝重载货运铁路由于运量大和轴承重大，须使轨道结构及材料承受更大的荷载。