沈澄英 宋功品

(江阴职业技术学院化学纺织工程系，江苏 江阴, 214433)



铁路轨枕套管用玻纤增强PA66复合材料的研究

沈澄英 宋功品

(江阴职业技术学院化学纺织工程系，江苏 江阴, 214433)

根据铁路轨枕套管尼龙要求，制备了玻纤增强尼龙(PA66)复合材料，考察了基料、增韧剂、挤出工艺对复合材料力学性能的影响。结果表明：PA66黏度越大，玻纤增强PA66复合材料的力学性能越好；选用POE-g-MAH作为增韧剂玻纤增强PA66复合材料的性价比最佳；当增韧剂质量分数为2.5%时，复合材料力学性能最佳，达到了铁路轨枕套管尼龙的要求；在同种螺杆排布情况，采用高温低转速挤出工艺，可以最大程度的保留复合材料中的玻纤长度，复合材料的力学性能更稳定。

铁路轨枕套管 尼龙66 增韧剂 复合材料 黏度 挤出工艺

玻纤增强尼龙66(PA66)复合材料，比强度高于一般金属，耐蠕变性好，尺寸稳定性较高，可长期在高温高湿的环境下工作。由于具有优异的力学性能，玻纤增强PA66复合材料被广泛用于汽车、家具、建筑、工具等领域，尤其是高速铁路的发展，采用了大量的PA66复合材料，如铁道挡板座、钢轨绝缘轨距块和铁路轨枕套管等[1-3]。高速铁路上轨枕套管材料使用的是玻纤增强PA66，为了确保轨枕套管系统的安全性和长效性，中国铁道科学研究院对所选用的玻纤增强尼龙材料的力学性能有较高要求[4],其中拉伸强度不小于150 MPa，弯曲强度不小于200 MPa，无缺口冲击强度不小于80 kJ/m2,玻纤质量分数为30%～35%。

为了开发铁路轨枕套管用尼龙材料，根据铁路尼龙指标要求确定玻纤质量分数为33%，研究了PA66基料黏度、增韧剂、挤出工艺等，确保能生产稳定玻纤增强PA66复合材料。

1 试验部分

1.1 主要原料

PA66,EPR27(记为1#)，EPR32(记为2#),神马化工有限公司；马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH),ST-7，南京塑泰高分子科技有限公司；马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物(POE-g-MAH),LYIM1826，上海朗裕实业有限公司; 马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH),ST-4，南京塑泰高分子科技有限公司；玻璃纤维,ERS200-13-T635B，泰山玻璃纤维有限公司；抗氧剂168,汽巴化学有限公司；抗氧剂1010,汽巴化学有限公司；其他加工助剂，市售。

1.2 试验设备

高速混合机，SHR-5，张家港创新机械有限公司；同向双螺杆挤出机，SJSH-30,河北石家庄星硕机械有限公司；注塑机，SZ-800，张家港神舟机械有限公司；万能拉伸试验机，WDT-11，河北金建检测设备有限公司；悬臂梁冲击试验机，XJU-5.5，河北金建检测设备有限公司；数字显微镜200万像素，上海蒲柘光电仪器有限公司。

1.3 试样制备

PA66树脂105 ℃烘干6 h，将烘干的PA66、增韧剂、抗氧剂、其他加工助剂按照一定配比在高混机中混合均匀，长玻纤从玻纤口加入，在SJSH-30型双螺杆挤出机中熔融挤出，冷却，风干，切粒，挤出温度设定范围为240～285 ℃。玻纤增强PA66复合材料粒子105 ℃烘干6 h后，采用SZ-800注塑机制样。注塑温度250～275 ℃，注塑压力80～110 MPa。

1.4 性能测试

玻纤含量检测用灼烧法；玻纤分布情况使用数字显微镜观察；拉伸性能的测试按ISO 527/2，拉伸速率50 mm/min；弯曲性能按ISO 178测试，试验跨度64 mm，弯曲速率2 mm/min；悬臂梁冲击强度按ISO 180测试。

2 结果与讨论

2.1 基料黏度对复合材料性能的影响

玻纤增强尼龙复合材料的基料性能决定了复合材料整体性能，一般来说，尼龙黏度较小，则材料机械性能较低，加工流动性好；尼龙黏度较大，则材料机械性能较高，加工流动性稍差。试验中采用2种黏度的PA66基料(见表1)，发现选用黏度大的2#为基料时，复合材料综合机械性能优异，已满足铁路轨枕套管尼龙材料的性能要求。考虑到复合材料的加工性和性价比，采用1#和2#按照质量比3∶1复配使用(表1中3#)，复合材料强度满足要求，冲击强度接近指标要求。

表1 不同黏度PA66基料对复合材料性能的影响

2.2 不同增韧剂对复合材料性能的影响

增韧剂能显著提高玻纤复合材料的冲击强度，选用了几种常用的尼龙增韧剂，用量均为质量分数2.5%。从分子链结构对比看，EPDM分子链有一定的微交联，POE结晶性小，材料柔性大，PE分子结晶大，材料柔性小。由表2可知，对玻纤增强PA66复合材料的增韧效果是EPDM-g-MAH>POE-g-MAH>PE-g-MAH，可以认为增韧剂本体强度小，增韧效果好，复合材料的强度偏低，实际应用中综合考虑增韧的要求和增韧剂价格，选用POE-g-MAH做增韧剂。

表2 不同增韧剂对复合材料性能的影响

将不同质量分数的POE-g-MAH应用到玻纤增强PA66复合材料中，如图1所示，随增韧剂用量增加复合材料强度降低；复合材料无缺口冲击强度不是简单的随增韧剂用量增大而增大，而是在增韧剂质量分数为2.5%时达到一个高点。表明玻纤增强PA66复合材料的无缺口冲击破坏，不仅与材料韧性相关还和强度有关，只有在复合材料的刚韧平衡时，复合材料的无缺口冲击会有一个最佳值。因此要得到高强高韧的玻纤增强PA66材料，增韧剂质量分数控制在2.0%～3.0%比较合理。

图1 POE对玻纤增强PA66复合材料强度的影响

2.3 挤出工艺对复合材料性能的影响

玻纤增强PA66复合材料生产中，螺杆元件排布对复合材料性能影响较大[5]，但同种螺杆排布情况下，挤出工艺也会影响复合材料的力学性能。采用同向双螺杆挤出机的螺杆出厂时排列组合生产了复合材料，发现不同的挤出工艺，复合材料的性能也有一定的差异，见表3。在a加工条件下，粒子外观光滑、颜色白透，但无缺口冲击强度低。在b加工条件下，粒子外观糙、色黄、不透明，复合材料力学性能较好。因此,为了保证复合材料性能的稳定，实际生产中加工温度略偏高一些。

表3 不同加工条件对复合材料性能的影响

不同加工条件下挤出粒子注塑样条焚烧后，显微观察玻纤分布情况，见图2。a加工条件，挤出剪切速率大，复合材料粒子灰分坍塌，残留玻纤短，b加工条件，挤出剪切速率小，复合材料粒子灰分不坍塌，玻纤交织一起，残留玻纤长。

试验中发现，挤出机排气孔抽真空程度对复合材料粒子外观也有较大的影响。抽真空程度高，原料水分含量低，材料粒子紧密，粒子外观好看。

图2 不同挤出条件粒子的样条灰分及玻纤分布

3 结论

a) PA66黏度越大，玻纤增强PA66复合材料的力学性能越好。选用中、高黏度尼龙复配，可以保证制备铁路轨枕套管尼龙力学强度的可靠性。

b) 玻纤增强PA66复合材料选用增韧剂POE-g-MAH的性价比最佳。随着增韧剂POE-g-MAH含量增加，复合材料拉伸强度降低，而无缺口冲击强度不随增韧剂用量增大而增大，当增韧剂质量分数为2.5%时，复合材料的拉伸强度和无缺口冲击强度达到综合最佳值，达到了铁路轨枕套管尼龙的要求。

c) 生产玻纤增强PA66复合材料时，同种螺杆排布情况，采用高温低转速挤出工艺，可以最大程度的保留复合材料中的玻纤长度，复合材料的力学性能更稳定。

[1] 舒航. 改性尼龙66高铁专用材料探讨[J].河南科技，2014，(12)：57-58.

[2] 石建江,邓凯桓,蒋婷婷，等. 改性聚酰胺66在铁道器材中的应用[J].铁道建筑，2008，(5)：95-97.

[3] 汤友钱,汤娇,汤啸，等. 高速铁路绝缘轨距块用增强尼龙专用料研究[J].浙江科技学院学报，2012，24(3)：227-231.

[4] 吴智强,王鑫,毛昆朋，等. 尼龙66高铁专用材料的研究[J].塑料工业，2012，40(1)：32-34.

[5] 蒋兆寅,李刚,信春玲，等. 螺杆组合对玻纤增强聚酰胺66纤维长度及力学性能的影响[J].中国塑料，2012，26(2)：93-97.

Study of Glass Fiber Reinforced PA66 Composite Material as Casing of Railway Sleeper

Shen Chengying Song Gongpin

(Department of Chemical and Textile Engineering, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin, Jiangsu, 214433)

According to the requirements of the nylon casing tube of the railway sleeper, the glass fiber reinforced PA66 composites were prepared, and the effects of the base material, toughening agent, extrusion process on the mechanical properties of the composite were studied. The results show that, the higher the viscosity of PA66, the better the mechanical properties of glass fiber reinforced PA66, and price performance is best with POE-g-MAH. When the toughening agent content is 2.5%, the mechanical properties of the composite materials are best and meet the requirements of the nylon casing tube of railway sleeper. With the same screw arrangement at high temperature and low speed extrusion process, the longest glass fiber can be obtained, and the mechanical properties of the composite is more stable.

casing of railway sleeper; nylon 66; toughening agent; compound material； viscosity; extruding process

2015-05-04;修改稿收到日期:2015-07-15。

沈澄英,女,副教授,主要从事高分子材料加工技术方面的研究。E-mail:1239116475@qq.com。