ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ РЕМОНТА ШПАЛ
POLYMERIC COMPOSITION FOR RAILS REPAIR

Изобретение относится к области обслуживания железнодорожной инфраструктуры и к области полимерных материалов и может использоваться при изготовлении и применении полимерных композиций для ремонта деревянных шпал и шпал из композиционных материалов.
Рельсовое полотно испытывает значительные статические и динамические нагрузки как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Их воздействие на шпалы совместно с процессами атмосферного влияния и естественного старения приводит к возникновению в шпалах различных дефектов, требующих ремонта или замены шпал. К основным видам дефектов деревянных шпал и шпал из композиционных материалов относятся разработанные отверстия для прикрепителей (костыльные и шурупные), продольные трещины, выколы, износ материала шпал под подкладками и др.
Известны различные материалы, которые могут использоваться для ремонта таких шпал. Известна, например, двухкомпонентная полиуретановая композиция, один из компонентов которой содержит полиуретановый форполимер с изоцианатными группами, а второй компонент содержит полиальдимин и воду (WO 2005037885 А1, 2005). Эта композиция имеет ускоренное затвердевание, однако прочностные характеристики ее недостаточны, что ограничивает ее применение, в том числе для ремонта шпал. Известна, например, двухкомпонентная гидрофобная полиуретановая композиция, один из компонентов которой содержит полиол и каменноугольную смолу, а также воду в качестве вспенивающего агента и катализаторы (US 4661532 А, 1987). Эта композиция обеспечивает высокую адгезию, однако она также не имеет высоких прочностных характеристик, необходимых для ремонта деревянных и композитных шпал. Известны и другие полимерные композиции, которые могут с теми или иными ограничениями использоваться для ремонта деревянных и композитных шпал (например, RU 2484085 С2, 2011; US 4264743 А, 1981; US 4295259 А, 1981; US 7138437 В2, 2006; US 8299136 В2, 2012; WO 2004013200 А1, 2004; WO 2011097033 А1, 2011; CN 10237877 А, 2012). Однако все они, решая определенные проблемы, не обеспечивают высокие эксплуатационные показатели из-за недостаточно высоких прочностных характеристик, необходимых для эффективного ремонта шпал.
6
2
Из известных полимерных композиция наиболее близкой к предложенной является полимерная композиция для ремонта шпал, состоящая из двух компонентов, один из которых А содержит смесь полиолов, пеностабилизатор, тиксотропный агент, по меньшей мере один катализатор и воду, а другой Б представляет собой полимерный изоцианат (US 6455605 В1, 2002). В этой полимерной композиции компонент А в качестве полиолов содержит полиолы без сложноэфирной связи, например, касторовое масло (Castor Oil АА), триол Voranol 230-238 (Triol Polyether Polyol), амин Voranol 240-270 (4-Functional Amine based Polyether Polyol), смолу Poly bd 605 (Hydroxyl Terminated Polybytadiene Resin). В качестве пеностабилизатора он содержит силиконовый гликоль Dow Corning DC 193. В качестве тиксотропного агента он содержит ароматический амин Hardener HY450. В качестве катализаторов он содержит сочетание целого ряда веществ, обеспечивающих ускорение образования уретановых и изоциануратных связей при смешивании полиольного компонента А с изоцианатным компонентом Б, например, третичных аминов (Dabco 33-LV, Polycal 41 др.). Вода в компоненте А играет роль вспенивающего агента. Компоненты А и Б смешиваются непосредственно перед применением полимерной композиции. В этой полимерной композиции полиолы не подбираются для обеспечения оптимального гидроксильного числа компонента А, что не позволяет достичь высоких эксплуатационных показателей полимерной композиции, в первую очередь за счет прочностных характеристик (в формуле этого изобретения указано, что прочность пеномассы должна составлять не менее 1.10дин/см).
Техническая проблема заключается в создании полимерной композиции для ремонта шпал, лишенной недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в повышении эксплуатационных показателей полимерной композиции для ремонта шпал за счет повышения ее прочностных характеристик.
Это достигается тем, что в полимерной композиции для ремонта шпал, состоящей из двух компонентов, один из которых А содержит смесь полиолов, пеностабилизатор, тиксотропный агент, по меньшей мере один катализатор и воду, а другой Б представляет собой полимерный изоцианат, в качестве полиолов компонент А содержит простые полиэфиры Лапрол СГ-500, Лапрол 373 и Лапрол 1052 в такой концентрации в их смеси, что компонент А имеет гидроксильное число 350-430 мг КОН/г.В полимерной композици компонент А в качестве пеностабилизатора может содержать силикон, в качестве тиксотропного агента - трихлорпропилфосфат, а в качестве катализаторов - диметилциклогексиламин и 33% раствор диазабициклооктана в дипропиленгликоле, при этом ингредиенты в компоненте А могут находиться в следующем соотношении, мас. ч: Лапрол СГ-500 - 57,0-62,0, Лапрол 373 - 16,8-21,0, Лапрол 1052 - 3,8-6,2, силикон - 1,1-1,7, трихлорпропилфосфат - 10,0-14,0, диметилциклогексиламин - 0,3-0,7, 33% раствор диазабициклооктана в дипропиленгликоле - 1,7-1,9, вода - 0,2-0,4. В полимерной композиции компонент Б в качестве полимерного изоцианата может содержать изоцианат на основе 4,4'дифенилметандиизоцианата. Компоненты А и Б в полимерной композиции могут находиться в соотношении 1:1 по объему.
Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
3
2
Выбор ингредиентов композиции обусловлен следующим. Полиолы являются источниками гидроксильных групп, которые, реагируя с изоцианатом, образуют полиуретановую структуру композиции. При этом выбор структуры смеси полиолов в значительной степени определяет конечные свойства композиции. Установлено, что сочетание простых полиэфиров Лапрол СГ-500, Лапрол 373, Лапрол 1052 является наиболее подходящим для этого. Лапрол СГ-500 (ТУ 2226-466-05761784-2001) - простой полиэфир с молекулярной массой 500 на основе сахарозы, глицерина и окиси пропилена, имеет гидроксильное число - 480-520 мг КОН/г. Этот полиол, являясь высокофункциональным разветвленным полиэфиром, придает компоненту А высокую прочность и достаточную жесткость. Лапрол 373 (ТУ 2226-017-10488057-94) - простой полиэфир с молекулярной массой 370 на основе пропиленгликоля и окиси пропилена, имеет гидроксильное число - 430-480 мг КОН/г.Этот полиол, являясь низкомолекулярным полиэфиром, используется как сшивающий агент. Лапрол 1052 (ТУ 2226-411-05761784-95) - простой полиэфир с молекулярной массой 1000 на основе пропиленгликоля и окиси пропилена, имеет гидроксильное число 102-112,6 мг КОН/г. Этот полиол, являясь полиэфиром с узким молекулярно-массовым распределением, снижает хрупкость компонента А. Смесь указанных полиолов позволяет обеспечить значения ее гидроксильного числа в пределах от 350 до 430 мг КОН/г, что, как установлено эмпирическим путем и подтверждено экспериметально, в свою очередь обеспечивает высокие эксплуатационные показатели за счет высоких прочностных характеристик полимерной композиции. Расчетное гидроксильное число за счет Лапрола СГ-500 в компоненте А составляет от 0,57×480=273,600 до 0,62×520=322,400. Расчетное гидроксильное число Лапрола 373 в компоненте А составляет от 0,168×430=72,240 до 0,21×480=100,800. Расчетное гидроксильное число Лапрола 1052 в компоненте А составляет от 0,038×102=3,876 до 0,062×112,6=6,981. Поэтому расчетное гидроксильное число компонента А составляет от 273,600+72,240+3,876=349,716 до 322,400+100,800+6,981=430,181. Расчетное гидроксильное число компонента А при средних значениях концентрации указанных полиолов и средних значениях их гидроксильных чисел составляет 0,595×500+0,189×455+0,05×107,3=388,86. Такие значения гидроксильного числа обуславливают высокие эксплуатационные показатели полимерной композиции, в том числе повышенные значения разрушающего напряжения при сжатии (как основной механической характеристики материала) - не менее 5 МПа, высокие значения кажущейся плотности (характеризующей, в частности, коэффициент упругости и сопротивление усталости материала под нагрузкой) - не менее 270 кг/м и удельной ударной вязкости (характеризующей устойчивость материала к ударным нагрузкам) - не менее 1,2 кДж/м.
Указанный выше выбор вспомогательных ингредиентов в компоненте А и их соотношение является преимущественным и обусловлено приданию полимерной композиции высокой технологичности и в целом свойств, позволяющих наряду с ее высокими прочностными характеристиками использовать ее при ремонте шпал с наибольшей эффективностью. Пеностабилизатор (пенорегулятор), являясь поверхностно-активным веществом, поддерживает вспененную полимерную массу в оптимальном состоянии и обеспечивает наличие в ней ячеек оптимального размера и закрытости. При этом использование силикона (алкилсиланполиоксиалкиленового сополимера) в качестве пеностабилизатора позволяет получить очень мелкие ячейки с высокой степенью закрытости. При концентрации силикона в компоненте А менее или более указанных выше значений его пеностабилизирующее действие значительно снижается. Тиксотропный агент является добавкой, уменьшающей вязкость. В качестве этого ингредиента может использоваться, например, трихлорпропилфосфат, который одновременно имеет свойства пластификатора и антипирена. При его концентрации в компоненте А менее или более указанных выше значений, его тиксотропные свойства перестают проявляться. Катализаторы определяют технологические параметры вспенивания, ускоряют реакции между изоцианатом и полиэфирами и изоцианата и водой. Указанные выше вещества в качестве катализаторов и их концентрация подобраны с точи зрения оптимизации скорости вспенивания и полного затвердения полимерной композиции при ремонте шпал. Вода в компоненте А в указанной выше концентрации выполняет роль вспенивающего агента, при этом в полиэфирах образуются мочевинные звенья и полиэфиры приобретают большое количество закрытых ячеек, что дополнительно улучшает эксплуатационные свойства полимерной композиции, в том числе повышают термостойкость и снижают водопоглощение. Выбор в качестве компонента Б полимерного изоцианата на основе 4,4'дифенилметандиизоцианата обусловлен оптимальными значениям массовой доли изоцианатных групп и динамической вязкости, которые составляют соответственно 29-32 и 150-300 мПа⋅c (при 25°С). Для оптимизации процесса ремонта шпал целесообразно, чтобы время старта композиции, т.е. время с начала смешивания компонентов А и Б до момента начала подъема пеномассы составляло достаточную величину, например, 30-40 с. Это обеспечивается в том числе тем, что компоненты смешиваются в равных объемных пропорциях 1:1.
Компоненты А и Б полимерной композиции обладают такой вязкостью, которая не препятствующей их доставке в смеситель и последующего смешивания. Полимерная композиция указанного выше состава имеет высокую адгезию к материалу шпал, высокие прочностные характеристики и устойчивость к атмосферным воздействиям. Она высокотехнологична в применении и проста в приготовлении.
Производство полимерной композиции не требует специализированного оборудования. Смешивание ингредиентов компонента А осуществляют при комнатной температуре, например, вручную посредством деревянной лопатки в металлической емкости требуемого объема, например, 50 л, в течение 10-15 минут. После смешивания ингредиентов емкость плотно закупоривают и оставляют на одни сутки для отстаивания, в результате чего из смеси удаляются пузырьки воздуха. Компоненты А и Б для образования полимерной композиции смешивают непосредственно перед ее применением. В зависимости от ее назначения для этого могут использоваться различные приемы и приспособления. Для ремонта деревянных или композитных шпал наиболее удобным является применение двухкомпонентных монтажных пистолетов, простых в обращении и достаточно надежных.
3
2
3
2
3
2
Примеры реализации. Приготовлены полимерные композиции, в которых компонент А имеет концентрации ингредиентов, соответствующим средним, минимальным и максимальным значениям из указанных выше пределов (с учетом технологических допусков). Смешивание компонентов А и Б производилось с помощью двухкомпонентного монтажного пистолета с двухкамерным картриджем в его статическом смесителе (трубке, герметично соединенной с обеими камерами картриджа). Объем каждой из камер составляет 310 мл. Заполнение полимерной композицией отверстий и щелей в деревянных шпалах не вызвало каких-либо затруднений. Время отвердения разлитой в отверстия и щели полимерной композиции составило 5-6 минут. Показатели компонентов А и Б и полимерных композиций измерены в ООО «АКСИОН РУС» в соответствии с требованиями ТУ 2052-01-40409414-16. Для полимерной композиции, в которой концентрация ингредиентов соответствовала средним значениям из указанных выше пределов, гидроксильное число компонента А составило 387,2 мг КОН/г, его динамическая вязкость при температуре 25°С - 2200 мПа⋅с, кажущаяся плотность при свободном вспенивании - 289,4 кг/м. Массовая доля изоцианатных групп компонента Б составила 30,6%, а его динамическая вязкость при 25°С - 223 мПа⋅с. Разрушающее напряжение этой полимерной композиции при сжатии составило 5,85 МПа, удельная ударная вязкость - 1,33 кДж/м, структура образца затвердевшей композиции - мелкоячеистая, содержание закрытых ячеек - 90%. Кроме того, измерялось гидроксильное число компонента А и основные характеристики полимерной композиции при минимальной и максимальной концентрации всех ингредиентов в указанных выше пределах. При возможной их минимальной концентрации эти показатели составили: гидроксильное число компонента А - 356,1 мг КОН/г, разрушающее сжимающее напряжение полимерной композиции - 5,2 МПа, кажущаяся плотность - 275,1 кг/м, удельная ударная вязкость - 1,24 кДж/м, а при возможной максимальной концентрации: гидроксильное число компонента А - 427,4 мг КОН/г, разрушающее сжимающее напряжение - 5,4 МПа, кажущаяся плотность - 282,2 кг/м, удельная ударная вязкость - 1,29 кДж/м. Длительное воздействие влаги на затвердевшие образцы полимерной композиции не привело к изменению их структуры и прочностных характеристик.
Полимерная композиция для ремонта шпал в соответствии с изобретением обладает более высокими эксплуатационными показателями, в том числе за счет высоких прочностных характеристик, по сравнению с известными аналогичными полимерными композициями.