聚氨酯材料在铁路行业的应用

“火车一响，黄金万两“，铁路的建设直接带动了机车、轨道、车辆及其相关行业的发展。而当前金融危机环境下，各国更是加大铁路等基础设施的建设以拉动经济。
塑料或高分子复合材料也一直积极摸索着在轨道交通领域的发展空间。“随着中国轨道交通行业的快速发展，高性能塑料在轨道交通领域的应用也陆续增加。许多铁路车辆制造商已开始借鉴国外经验利用高性能工程塑料替代金属，向小型化、轻质化方向发展。不过，高性能塑料在国内的使用仍有很大拓展空间，如车厢之间的缓冲或车辆转向架上的许多部件就可采用热塑性工程塑料。”杜邦高性能聚合物部门铁路项目经理顾杰琳接受《CPRJ中国塑料橡胶》杂志采访时表示。
以下，笔者将介绍几个国外案例供行业借鉴参考。


轨道上的聚氨酯
木材或混凝土是生产轨枕或枕木（用于支撑铁轨）的传统材料。随着人们环保意识的增强及新技术的的发展，高分子复合材料生产的枕木应运而生。事实上，在日本，塑料枕木的应用历史已超过25年，且已应用于新干线高速列车的铁轨上。
2008年，德国勒沃库森化学工业园为改进生产基地与德国铁路网之间的铁路连接，安装了一套道岔系统，使用136根名为“埃尔森新木材（Eslon Neo Lumber FFU）”的枕木，这些枕木采用了由拜耳材料科技BaySystems® 日本苏米加拜耳聚氨脂有限公司提供的长纤维增强Baydur®60整皮泡沫聚氨酯体系。循环弯曲与长期负荷试验证明：聚氨酯枕木即使在投入使用15年后仍可保持远高于木材的弯曲强度。由于其出众的机械性能，该聚氨酯材料也非常适合于建造高速铁路。这已通过新干线高速列车顺利运行20多年的成功经验得以证明。因质轻，这些枕木也适合于建造桥梁。
据介绍，这种聚氨酯材料虽然外观上与木头相似，但却将所有天然产品与现代复合产品的优点集合于一身。不仅如此，还可使用木材加工中采用的相同工具对其进行锯、磨、钻、钉和粘结，甚至比木头更加耐用。这些道岔系统和枕木的使用寿命是传统轨结构的3倍以上。而且可按照实际的需要设计枕木的任意长度和生产横截面最长达9.60米的枕木。相比之下，若使用混凝土枕木，每种长度就需一个单独模具。由于“埃尔森新木材“采用闭孔结构，即使在大雨磅礴的环境下也只吸收极少水分，不会影响其良好的电绝缘特性。不仅如此，该材料对水解、油脂、油类以及除冰盐均有良好的耐受性。
火车飞驰而过时产生的力会使道碴碎石移动，产生噪音。目前，一种具有持久弹性的轨道上结构系统――拜耳材料科技Durflex®可以避道碴移位，并能极大地提高道碴上层结构的耐久性，吸收噪音点上的结构噪音，该系统入选了2009年德国“创意之国的365个里程碑”。在此应用中，道床道碴碎石间的缝隙完全采用拜耳材料科技的弹性聚氨酯泡沫塑料系统Bayflex®进行填实。
该系统既能用于新铁路段的建造，也可用于现有轨道的改造，2007年夏，Durflex®技术被用在位于下萨克森Uelzen----汉堡至汉诺威高速线路的长300米铁路段的普通轨道上。事实证明，Durflex®缓减了轨道系统的振动，较之普通道碴上层结构。能有效减少约40％的结构噪音。根据城际快车、区际快车或货运列车等不同列车类型，空气传播噪音可降低1.5-3分贝。


热塑性聚酯弹性体为铁路
电力通信提供保障
铁路的高速发展已引起了相关企业的高度重视。顾杰琳经理表示，“我们都知道中国政府在去年的经济刺激计划中有很大一部分都投资在轨道交通的发展上，而我们在铁路工业上，不管在车体的制造、在基础的建设、在营运的生产和安全上面都有丰富的经验，有超过十种不同的产品适合铁路行业使用。因此，我们在2009年初开始将所有与铁路相关的业务部们组织到一起，希望通过跨业务部门的协同合作，把每一个事业部的资源结合在一起，发挥杜邦的整体实力，共同为铁路行业服务。”
根据2009年中国政府发布的《装备制造业调整和振兴规划》，包括高速铁路和城市轨道交通两部分的铁路装备将是重点振兴领域之一。除高速动车组、大功率交流传动电力/内燃机车、重载货车、大型养护机械等装备外，列车信号系统、网络控制系统、制动系统、主辅逆变器等机电设备也是规划重点发展的产品。在杜邦为铁路的提供的诸多产品中，杜邦的Hytrel®热塑性聚酯性体（TPC-ET）在保障轨道交通电力及信号方面发挥着重要作用。
在当前的轨道线路信号系统中，绝缘接头起关键作用，它将轨道分成短的电绝部分，以便检测在车辆的停止和开动过程中轨道旁的信号。但是，当前粘结接头的环氧树脂有很多不足之处，所以接头的使用寿命较短，仅有12-18个月。加拿大NorFast公司开发了一种新绝缘头NIJ-6”Hercules”,该产品采用的是一款特别柔韧耐用的杜邦TM Hytrel®热塑性聚酯弹性体，它具有优秀的耐蠕变、耐冲击和耐疲劳性能，可以防止接头中横木或者螺栓与轨道接触，避免每个区的信号短路，使轨道接头的使用寿命延长一倍，接头间的应力降低，成本以及安装时间减少。
由加拿大NorFast公司设计NIJ-6“Hercules”和选择Hytrel®材料的成果，就是改善了接头内绝缘体的应力，与标准接头的相比降低高达65％。该产品适用于任何类型的轨道和紧固件，并且无须进行轨道修改，现场安装非常简单，轨道上还可以减少两个焊点。同时，由于采用了模块结构，可以快速更换磨损部件，对新接头的影响减少到最低。
Leoni elocab公司则采用杜邦TM Hytrel®热塑性聚酯弹性体制备螺旋跨接高压电缆护套，相关电缆用于传送高速列车车厢之间的电能，如德国ICE或者西班牙VELARO列车。选择该热塑性弹体是因为它能够满足多种苛刻应用要求，包括耐弯曲疲劳性能、低温韧性、耐化学性、耐UV性、抗冲击性能，而且还要求该材料是良好的电绝缘体，具有良好的加工性能及成本效益。采用挤出工艺在直径约15mm的铜线上包裹一层护套，让产品具有均一的生产率和稳定的高质量。采用Hytrel®防护的跨接电缆的日常使用情况表明，产品适合在高速运作的极端苛刻条件下使用。在全天候情况下，Madrid-Valladolid延伸线以及德国高速轨道交通ICE和VELARO列车的最高速度可达350km/h。
中国铁路里程已居世界第三，但仅占世界6％的铁路里程却承担着世界铁路1/4的运输量，为此，2008年10月重新调整了《中长期铁路网规划》，将2020年全国铁路营业里程规划目标之前确定的10万公里调整为12万公里以上，刷新了中国铁路建设的蓝图。2008年底，全国铁路营业里程已达8.0万公里。随着中国铁路建设水平的提升，可以预见，高性能塑料在中国轨道交通上的成功应用也将越来越多。