聚氨酯弹性体在交通领域的应用

发布时间：2020-09-25

　　摘要：聚氨酯弹性体经二异氰酸酯和活泼氢化合物聚合反应形成，其中二异氰酸酯和二元胺扩链剂构成的含有脲基的刚性链段，玻璃化温度远高于室温，它在常温下呈玻璃态、次晶或微晶，这些特殊形态构成了塑料相;由聚醚或聚酯的柔性链段聚集在一起，构成聚氨酯橡胶的基质或基体，由于其玻璃化温度低于室温，称之为橡胶相。聚氨酯弹性体微相分离使聚氨酯弹性体具有耐磨性好、硬度范围宽、高强力和高伸长率、负载支撑容量大、减震效果好和耐油性能优异等优点。

　　关键词：聚氨酯弹性体;交通领域;应用

　　引言

　　中国聚氨酯工业协会弹性体专委会高级工程师刘菁介绍说，热塑性聚氨酯弹性体(TPU)是大分子二醇(聚酯或聚醚)、二异氰酸酯(MDI、HDI、PPDI、H12MDI)和小分子扩链剂(二醇或二胺)加成聚合而成的嵌段共聚物。TPU具有优异的耐磨性能，拉伸强度高、伸长率大，耐油性能，耐低温性、耐候性、耐臭氧性能突出，良好的生物相容性，硬度范围广等优点，近些年已在国民经济的许多领域如交通行业、医疗卫生、服装面料和国防用品等行业得到了广泛的应用。

　　1聚氨酯弹性体产量情况

　　聚氨酯弹性体配方多种多样，可调范围很大，制品性能范围很宽，可替代普通橡胶、塑料以及金属。与金属材料相比，聚氨酯弹性体具有重量轻、噪音低、耐损耗、加工费用低及耐腐蚀等优点;与塑料相比，聚氨酯弹性体具有不发脆、耐磨等优点;与常规橡胶相比，聚氨酯弹性体具有耐磨、耐切割、耐撕裂、高承载性的特点，透明或半透明，耐臭氧，可灌封或浇注，硬度范围广。据报道，2010年我国聚氨酯弹性体产量为46万t，2018年我国弹性体产量达到107万t，发展非常迅速。2019～2021年聚氨酯弹性体市场规模将继续增加，预计2019年产量为118万t，2021年产量将达到近150万t。2016年至2021年年均复合增长率为10.2%。从全球范围来看，2018年全球聚氨酯弹性体产量达到281.6万t，2019年全球产量预计为302.2万t，2021年产量将达到353.9万t。2016年至2021年年均复合增长率为7.1%。

　　2聚氨酯弹性体在交通领域的应用

　　随着我国高铁、地铁、城市轨道交通等基础设施建设，聚氨酯弹性体的消费量正在迅速增加。国家《综合交通网中长期发展规划》指出，到2020年全国铁路营运里程达到12万km以上，其中运行速度在200km/h以上的客运专线在1.6万km以上。为适应高速列车的提速要求，开发聚氨酯枕木以取代或部分取代混凝土枕木是未来的发展趋势。其他品种聚氨酯弹性体在交通运输行业的用量也会相当可观，如高速铁路用减震垫板、嵌缝胶等。同时，随着聚氨酯材料在铁路工程中大量应用，其服役结束后如何回收和高效利用也是一个挑战。

　　2.1聚氨酯无缝桥梁伸缩缝

　　桥梁伸缩缝指的是为适应桥面热胀冷缩或冲击变形，通常在两梁端之间、梁端与桥台之间或桥梁的交接位置上设置的伸缩装置。要求伸缩缝在平行、垂直于桥梁轴线的两个方向，均能自由伸缩，牢固可靠，车辆行驶通过时应平顺、无突跳与噪声;要能防止雨水和垃圾泥土渗入阻塞;安装、检查、养护、消除污物都要简易方便。桥梁伸缩缝的作用在于调节由车辆荷载和桥梁建筑材料所引起的上部结构之间的位移和联结。斜交桥的伸缩装置一旦被破坏，将严重影响行车的速度、舒适性与安全，甚至造成行车安全事故。桥梁伸缩缝的品种和规格甚多，如橡胶伸缩缝、毛勒伸缩缝、板式伸缩缝、SGF型桥梁伸缩缝、TST无缝伸缩缝、XF桥梁伸缩缝等。TST无缝伸缩缝是一种整体的伸缩缝，从外观上看无伸缩缝，而普通的伸缩缝则有较宽的缝隙。TST无缝伸缩缝适用一年中的各个时期，通常在–40℃时桥面不变脆，在夏季高温达80℃时不流动。不仅适用于温差变化较小的南方，对于温差较大的我国西北、东北等地区也可使用。由于TST的高温黏附特性，在施工时可与现有路面牢固黏结成为一体，常温不黏，冷却后也不会被带走。TST无缝伸缩缝黏结料使用寿命长，如果严格按照生产工艺安装的无缝黏结料，它的使用寿命是一般改性沥青路面的2倍左右;并且有很好的舒适性，能充分吸收各种大型车辆震动冲击，车辆驶过舒适平稳。然而TST无缝伸缩缝的施工步骤多，要分几层来做。同时TST是一种特制的高黏弹塑性材料，常温下呈弹塑状态，必须经高温熔融后才可灌入碎石中，成型后如同沥青砼状，能承受车辆载荷，又有弹性体可代替小伸缩缝的功能。近几年国外开发了一种聚氨酯无缝伸缩缝，使用效果良好，其所用的聚氨酯材料属于双组分室温固化聚氨酯弹性体体系。其低温性能和高温性能均能满足要求，施工较TST无缝伸缩缝简便，使用寿命长，有很好的推广应用前景。国内一些公司也进行了有益的尝试。

　　2.2聚氨酯混凝土

　　WABOCRETEⅡ弹性混凝土是含有特殊骨料的双组分室温固化聚氨酯材料，不挥发物质量分数为100%，固化后的WABOCRETEⅡ弹性混凝土可吸收交通冲击载荷，并均匀地扩散至路面，还可以随路面的重压进行伸缩。产品特点：①固化时间短，2h内即可开放交通;②非刚性材料，耐冲击，经久耐用;③冷拌施工无需加热，施工简便;④耐水且不透水，100%防水;⑤产品有黑色和灰色可供选择，可与路面混凝土颜色保持一致，消除色差带来的视觉疲劳。透水混凝土是巴斯夫公司为响应我国海绵城市建设而开发的一种用于人行道的Elastopave®聚氨酯。该聚氨酯与碎石结合，用于代替混凝土或沥青铺设人行道。大大小小的石块形成了众多相互连接的空腔，可避免路面被完全密封，使雨水通过孔状的表面渗透到地下。每平方米路面每小时可吸收约4000L雨水，从而防止出现积水或结冰。此外，在夏季Elastopave®还可将人行道的表面温度降低10℃以上，有助于减轻城市热岛效应。该解决方案在我国多个城市已得到应用。

　　2.3桥梁用聚氨酯支座

　　支座按材料类型有钢支座、混凝土支座和橡胶支座。橡胶支座按结构形式又分为板式橡胶支座、盆式橡胶支座和球形橡胶支座等。桥梁板式橡胶支座是由多层橡胶片与薄钢板黏合、硫化而成的一种桥梁橡胶支座产品，它有足够的竖向刚度，能将上部构造的压力可靠地传递给墩台，具有良好的弹性，以适应两端的相对位移，同时又有较大的剪切变形能力，以满足上部构造的水平位移。盆式橡胶支座所用橡胶件的结构与板式支座类同。板式橡胶支座按适用温度分为氯丁橡胶型(–25~60℃)、天然橡胶型(–40~60℃)和三元乙丙橡胶型(–45~60℃)。按照橡胶支座对橡胶性能的要求，不论是聚氨酯弹性体的耐天候老化性能、耐油性能还是力学性能等都可满足要求。聚氨酯弹性体支座的成本可大大降低，与目前的天然胶支座的成本接近，展现出十分诱人的应用前景。

　　结语

　　随着我国交通事业的蓬勃发展，尤其是“一带一路”重大发展战略的实施，为聚氨酯材料及制品在该领域的应用创造了广阔发展空间，目前发展势头良好，但存在的问题也颇多。科研工作者应在如何降低聚氨酯材料的综合成本、拓宽使用和施工温度范围、满足各种苛刻的气候条件、提供整体解决方案等方面开展创新研究，力争赶上或超越发达国家的水平，这应是长期艰苦努力的方向和目标。——论文作者：侯志超

　　期刊推荐：《聚氨酯工业》(双月刊)创刊于1986年，由中国聚氨酯工业协会 江苏省化工研究所有限公司主办。是中国聚氨酯工业协会刊。内容主要为有关聚氨酯行业的专题综述、研究报告、技术交流、科技论文、生产与应用以及消息动态等;读者对象主要是从事聚氨酯及相关专业的科研院所、大专院校及企事业单位的科研技术人员等。