摘 要：針對(duì)整體道床固化用高分子粘結(jié)劑的制備方法及其應(yīng)用性能進(jìn)行研究。使用電子天平稱取聚乙烯醇，并采用恒溫加熱的方法加入氫氧化鈣，通過其與二氧化碳的反應(yīng)使聚乙烯醇硬化，利用超聲波振動(dòng)將其縮醛改性處理，制備出高分子粘結(jié)劑。粘結(jié)劑樣本在整體道床固化中表現(xiàn)出了較高的黏度，且高分子鏈中的分子鍵作用力較強(qiáng)，同時(shí)表現(xiàn)出了較寬的熱穩(wěn)定性范圍。在整體道床的固化工作中，制備的粘結(jié)劑表現(xiàn)出了較高的應(yīng)用水平，性能較優(yōu)，在軌道建設(shè)的整體道床工程實(shí)踐中具有良好的推廣意義。

關(guān)鍵詞：高分子粘結(jié)劑；整體道床；道床固化；粘結(jié)劑制備；粘結(jié)劑性能

中圖分類號(hào)：TQ433+? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）10-0031-04

Preparation and performance study of modified polymer adhesive for track bed curing

QU Yanpeng1，ZHOU Lun2，ZHANG Zechao2，TANG Zhilong2，LIU Guangping2，ZHANG Tengteng1

（1. China Railway Fourth Bureau Group Co.，Ltd.，Sixth Engineering Branch，Xi’an 710000，China；2. Huating Coal Industry Group Co.，Ltd.，Huating 744100，Gansu China）

Abstract：To study the preparation method and application performance of polymer binders for the solidification ofsolid track beds. An electronic weighing balance was used to weigh polyvinyl alcohol，and calcium hydroxide wasadded through constant temperature heating. The polyvinyl alcohol was hardened by its reaction with carbon dioxide，and then underwent acetal modification treatment using ultrasonic vibration to prepare a polymer binder. The adhe?sive sample exhibited high viscosity during the solidification of the overall track bed，and the molecular bond forcesin the polymer chains were strong，while exhibiting a wide range of thermal stability. In the solidification work of theintegral track bed，the prepared adhesive has shown a high level of application and excellent performance，and hasgood promotion significance in the practical application of the integral track bed engineering in track construction.

Key words：polymer binder；integrated track bed；curing of track bed；preparation of adhesive；adhesive perfor?mance

鐵路或地鐵設(shè)施的建設(shè)過程中，道床通過連接的軌枕承受列車荷載的重要作用。特殊環(huán)境下，需要進(jìn)一步固化整體道床[1-2]。粘結(jié)劑的使用及其膠接性能至關(guān)重要，對(duì)此，針對(duì)環(huán)氧樹脂的粘結(jié)劑制備方法及其性能進(jìn)行研究[3]。將雙馬來酰亞胺試劑與六亞甲基二異氰酸酯等預(yù)聚物混合，將反應(yīng)后的混合試劑與三羥甲基丙烷加熱混合，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的粘結(jié)劑種子試劑[4]。針對(duì)水性聚氨酯的粘結(jié)劑制備方法及其性能進(jìn)行研究，在高溫情況下合成高強(qiáng)度的水性預(yù)聚物，加入聚氨酯加速攪拌，制備出水性粘結(jié)劑[5]。

整合以往研究成果，考慮到整體道床固化穩(wěn)定性需求，本研究提出了一種整體道床固化用高分子粘結(jié)劑的制備及性能研究。該方法通過縮醛改性形成高分子鏈制備粘結(jié)劑，并開展多項(xiàng)性能測(cè)試。

1材料與方法

1. 1制備試劑與實(shí)驗(yàn)儀器

本次實(shí)驗(yàn)中所應(yīng)用到的主要試劑有：NaOH（分析純），濟(jì)南鴻宇化工有限公司；C2H5OH（分析純），福晨公司；HCL（分析純），淄博市華星助劑有限公司；NaCL（化學(xué)純），濟(jì)南世紀(jì)通達(dá)化工有限公司；Na2SO4（分析純），南京金斯瑞生物科技有限公司；CaCl（2分析純），江蘇申基生物科技有限公司；ZnCl（2化學(xué)純），湖北普星特化學(xué)試劑有限公司；Ca（OH）（2化學(xué)純），南京安元科技股份有限公司；H2SO（4分析純），南京安元科技股份有限公司；H3BO（3分析純），江蘇申基生物科技有限公司；[C2H4O]（nUSP級(jí)），山東國(guó)化化學(xué)有限公司；KMnO（4化學(xué)純），江蘇申基生物科技有限公司；（NH4）2S2O（8化學(xué)純），濟(jì)南豐樂化工有限公司；SBR（化學(xué)純），南京安元科技股份有限公司；H3PO4（化學(xué)純），山東振華工業(yè)股份有限公司。

實(shí)驗(yàn)主要儀器有：SJ413型號(hào)臺(tái)式離心機(jī)，河北朵麥信息科技有限公司；DYB23型號(hào)臺(tái)式真空干燥箱，南京諾爾曼生物技術(shù)有限公司；QL620型號(hào)電子分析天平，江蘇中科四象儀器有限公司；DM4型號(hào)電熱恒溫箱，河北朵麥信息科技有限公司；HU45型號(hào)恒溫水浴鍋，南京舜瑪儀器設(shè)備有限公司；LJ-6W型號(hào)冷卻水循環(huán)機(jī)，無錫恒溫制冷技術(shù)；JI-461型號(hào)電子稱量天平，鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司；CNX808型號(hào)傅里葉紅外光譜儀，鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司；HI-T00型號(hào)超聲均質(zhì)攪拌乳化分散儀器，邯鄲市海拓機(jī)械科技有限公司；定性濾紙，河北中儀偉創(chuàng)試驗(yàn)儀器有限公司；KZDL-8000型號(hào)二分器，鶴壁市先烽儀器儀表有限公司；pH試紙，吉林省泰斯特生物電子工程有限公司；STA200型號(hào)熱重分析儀，日立分析儀器上海有限公司；BJ-620型號(hào)實(shí)驗(yàn)超純水機(jī)，鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司。

1. 2整體道床固化用高分子粘結(jié)劑的制備

1. 2. 1原料處理

使用電子天平稱取聚乙烯醇，以30 g為標(biāo)準(zhǔn)分別放置，作為粘結(jié)劑的制備原材料。利用實(shí)驗(yàn)超純水機(jī)制備的超純水將硫酸及硼酸等稀釋。將稱取的聚乙烯醇單體加入到硫酸及硼酸的混合溶劑中，將混合后的溶劑轉(zhuǎn)移至電熱恒溫箱中儲(chǔ)存[6-7]。

將氫氧化鈣等固體原材料使用200目的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分處理。將過篩后的原料分別裝袋已做備用。

1. 2. 2高分子粘結(jié)劑制備

測(cè)試聚乙烯醇混合溶劑的醇解度。在混合溶劑中每10 min取樣一次，并測(cè)定該混合溶劑中的聚乙烯醇的醇解度。經(jīng)測(cè)定，本次實(shí)驗(yàn)中所制備的聚乙烯醇混合溶劑的醇解度為90.5%，基于這一結(jié)果，采用恒溫加熱的方法制備高分子粘結(jié)劑。

利用導(dǎo)流棒將混合的聚乙烯醇溶液轉(zhuǎn)移至恒溫水浴鍋中。并在恒溫水浴鍋的上方搭建超聲均質(zhì)攪拌乳化分散儀器，在恒溫環(huán)境下，攪拌混合溶劑[8-10]。當(dāng)恒溫水浴鍋中的溫度升至60?后，使用漏網(wǎng)加入篩分后的氫氧化鈣原料。通過氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，使聚乙烯醇緩慢硬化。該過程的化學(xué)反應(yīng)原理如式（1）所示。

Ca（OH） +CO =CaCO+H O+22 3 2 Q（1）

式中：Q表示熱量。

如式（1）可知，生成的熱量使得恒溫水浴鍋中的溫度急速上升，聚乙烯醇在短時(shí)間內(nèi)吸收了大量的熱量，分子間的聯(lián)結(jié)鍵快速形成，迅速建立起粘結(jié)劑的當(dāng)上述反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，將反應(yīng)后的剩余試劑轉(zhuǎn)移至臺(tái)式真空干燥箱中，去除試劑中的水分。將干燥后的試劑放置在電熱恒溫箱中，在80?的環(huán)境下靜置1 h。

使用臺(tái)式高速離心機(jī)去除干燥試劑中的雜質(zhì)。開啟離心機(jī)至800 r/min，單次離心30 s，共離心5次[11]。將離心后的溶液轉(zhuǎn)移至超聲均質(zhì)攪拌乳化分散儀器中。根據(jù)該儀器的超聲效應(yīng)，聚乙烯醇溶液中將出現(xiàn)大量的氣泡，伴隨著超聲波的振動(dòng)，溶液的氣泡出現(xiàn)破裂和分裂的現(xiàn)象，由此在聚乙烯醇溶液中產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部激波[12-14]。根據(jù)這一反應(yīng)過程制得縮醛改性的聚乙烯醇，形成分子的聚乙烯醇分子鏈。

通過上述處理步驟，形成聚乙烯醇的高分子鏈。使用稱量天平將高分子鏈的聚乙烯醇樣本按照50 g每份分別放置。分別在每個(gè)樣本試劑瓶中加入3 g磷酸溶液作為催化劑，促進(jìn)改進(jìn)合成反應(yīng)的進(jìn)行，加速粘結(jié)劑乳液的形成。待反應(yīng)完全后，將其放置在冷卻水循環(huán)機(jī)中加速冷卻。待溫度降至室溫后，完成高分子粘結(jié)劑的最終制備。

1. 2. 3粘結(jié)劑養(yǎng)護(hù)處理

制備完成后的粘結(jié)劑樣本存儲(chǔ)在干燥背光的地方，并且保證存儲(chǔ)環(huán)境在室溫左右，避免過低溫和過高溫對(duì)粘結(jié)劑基礎(chǔ)性能測(cè)定結(jié)果的影響。

當(dāng)開展粘結(jié)劑性能測(cè)試的過程中，按照需要的測(cè)試量取用樣本，若單樣本未完全使用，則及時(shí)做好密封處理。在養(yǎng)護(hù)期間，需要在較為濕潤(rùn)的環(huán)境，避免粘結(jié)劑由于放置時(shí)間過久，失去原本的水分，導(dǎo)致變干或固化[15]。

1. 3性能測(cè)定

為了全面評(píng)估粘結(jié)劑的性能，對(duì)以下3方面進(jìn)行測(cè)試。

（1）黏度性能檢測(cè)：黏度是衡量粘結(jié)劑流動(dòng)性能的重要指標(biāo)，它直接影響到粘結(jié)劑的涂抹性能和使用效果；

（2）紅外光譜檢測(cè)：紅外光譜是一種常用的化學(xué)分析方法，可以用于檢測(cè)粘結(jié)劑中的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)；

（3）熱穩(wěn)定性性能檢測(cè)：在高溫或低溫環(huán)境下，粘結(jié)劑可能會(huì)受到溫度的影響，導(dǎo)致性能下降或變質(zhì)。

2結(jié)果與分析

2. 1搭建整體道床固化測(cè)試環(huán)境

根據(jù)本研究所制備粘結(jié)劑的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用方向需求，搭建整體道床固化的測(cè)試環(huán)境。

基于軌道建設(shè)中，整體道床的道砟需求，將固化測(cè)試中的道砟顆粒劃分為不同的尺寸范圍，如圖1所示。

由圖1可知，上述4個(gè)尺寸范圍的道砟顆粒均準(zhǔn)備若干個(gè)，確保滿足粘結(jié)劑性能測(cè)試需求量。分別使用4個(gè)尺寸的道砟制作整體道床，在這一過程中測(cè)試本研究所制備粘結(jié)劑的性能。在測(cè)試之前，檢驗(yàn)道砟的基本性質(zhì)。在圍壓加載環(huán)境下，分析道砟的彈性模量。這一性質(zhì)的計(jì)算方法如式（2）所示。

式中：V表示彈性模量系數(shù)；s表示尺寸范圍；Fs 1表示荷載上限值；F表示荷載下限值；A表示粘接0 表面積；D、D分別表示相應(yīng)的位移向量值1 0 。

將根據(jù)式（2）計(jì)算的道床道砟試件的彈性模量分析結(jié)果作為基礎(chǔ)參數(shù)，以便進(jìn)行后續(xù)的粘結(jié)劑性能分析。

2. 2黏度性能測(cè)試與分析

取用同一尺寸范圍的道床的道砟試件若干，并取用本研究所制備的粘結(jié)劑樣本適量。將道砟試件貼合，滴入粘結(jié)劑樣本并混合，制作出固化的整體道床。

使用固化的整體道床開展剝離強(qiáng)度測(cè)試，以此分析所制備粘結(jié)劑的黏度性能。本次測(cè)試共采用2種角度的剝離作用力，分別為180°和90°。經(jīng)過測(cè)試，得到粘結(jié)劑在整體道床的道砟中的剝離強(qiáng)度性能結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，粘結(jié)劑對(duì)整體道床的固化平均剝離作用力分別為2.52 N和2.24 N?；谌鐖D3所示的結(jié)果，分析本研究所制備粘結(jié)劑的黏度性能。其計(jì)算方法如式（3）所示。

式中：d表示粘結(jié)劑的黏度系數(shù)；m表示粘接面積；F3表示剝離作用力；θ表示剝離作用力角度。

根據(jù)式（3）的計(jì)算，得到本研究所制備粘結(jié)劑的平均黏度為7 800 cPs，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且性能較優(yōu)。

2. 3紅外光譜測(cè)試與分析

經(jīng)過測(cè)試，得到粘結(jié)劑樣本的紅外光譜結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，通過所制備粘結(jié)劑的紅外光譜可見，在高分子粘結(jié)劑中，含有的羥基含量較少，說明通過縮醛改性的高分子鏈形成過程，降低了粘結(jié)劑中—OH基團(tuán)的含量，對(duì)紅外波的特征吸收峰減小。同時(shí)，在該粘結(jié)劑樣本中，1 450 cm的波數(shù)處，為B—O高分子鍵的特征吸收峰，由此可見，所制備粘結(jié)劑的B—O高分子鍵較多?；贐—O鍵作用產(chǎn)生的粘接力較—OH基團(tuán)大，可以本研究的制備方法優(yōu)化了粘結(jié)劑的粘接性能。

2. 4粘結(jié)劑熱穩(wěn)定性性能測(cè)試與分析

取部分所制備粘結(jié)劑少許，置于反應(yīng)器皿中測(cè)試該粘結(jié)劑的熱穩(wěn)定性性能。將粘結(jié)劑樣本置于熱重分析儀中，得到粘結(jié)劑樣本的熱穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在對(duì)制備的粘結(jié)劑樣本的熱穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果中，在第1個(gè)溫度階段中，粘結(jié)劑分子的熱分解速度較慢，表明粘結(jié)劑的高分子鏈之間，有著較強(qiáng)的螯合作用，熱穩(wěn)定性較高。當(dāng)熱重分析儀的溫度升至第2階段和第3階段后，粘結(jié)劑樣本的熱分解速度處于較為平緩的狀態(tài)，表明本研究所制備的粘結(jié)劑樣本可以在較高溫度下，通過高分子鏈轉(zhuǎn)移至中間產(chǎn)物中。通過這一過程，使得粘結(jié)劑在整體道床的固化過程中，能夠通過分子轉(zhuǎn)移過程保證較高的黏度，熱穩(wěn)定性滿足應(yīng)用需求。熱重分析儀中的溫度升至第4階段后，粘結(jié)劑表現(xiàn)出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)快速下跌的趨勢(shì)，表明所制備的粘結(jié)劑樣本在環(huán)境溫度達(dá)到800?以上時(shí)，熱穩(wěn)定性出現(xiàn)下降，熱降解速度開始加快，粘結(jié)劑的整體粘接性能出現(xiàn)下降趨勢(shì)?？傮w來看，本研究所制備粘結(jié)劑的熱穩(wěn)定性范圍較為寬泛，在大多數(shù)的溫度環(huán)境下，均有著較高的熱穩(wěn)定性，滿足了整體道床的固化作用需求。

3結(jié)語

本研究提出了整體道床固化用高分子粘結(jié)劑的制備及性能研究。以聚乙烯醇為核心材料，通過縮醛改性等步驟，形成粘結(jié)劑的高分子鏈結(jié)構(gòu)。經(jīng)過性能測(cè)試，本研究所制備的粘結(jié)劑在整體道床固化用的測(cè)試中，所制備的粘結(jié)劑在各項(xiàng)測(cè)試中均表現(xiàn)出了較為優(yōu)質(zhì)的結(jié)果，表現(xiàn)出了較高的黏度性能。同時(shí)，粘結(jié)劑的紅外光譜顯示，所制備粘結(jié)劑的高分子鏈較為穩(wěn)固，分子鍵之間的作用力較強(qiáng)。所制備粘結(jié)劑在熱穩(wěn)定性測(cè)試中，表現(xiàn)出了較寬的熱穩(wěn)定性范圍，表明本研究所提方法制備的粘結(jié)劑可在大多數(shù)的溫度環(huán)境下應(yīng)用，滿足整體道床的固化作用需求以及道床在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用需求。

綜上所述，本研究所制備的高分子粘結(jié)劑在整體道床固化的實(shí)際應(yīng)用中，具備較高的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

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