文章重要内容

       中国科学院化学研究所和中国铁道科学研究院集团有限公司的合作团队研究了高速铁路用聚氨酯弹性垫板在典型老化条件下的微观结构演化，并通过原位同步辐射X射线衍射和散射技术揭示了试样在单轴应变过程中的形变机制。研究发现，高温老化和湿热老化显著提高了聚氨酯弹性垫板的微相分离程度，使得硬段有序结构更完善，聚醚软段受硬段限制作用减弱发生结晶，软段结晶进一步导致垫板刚度提高，弹性下降；拉伸变形条件下，聚醚软段能够发生应变诱导结晶，使得材料的拉伸强度和撕裂强度提高。

文章背景

        聚氨酯弹性垫板是高速铁路无砟轨道结构扣件系统中提供弹性缓振功能的唯一来源，它需要具备良好的弹性缓冲性能和可靠的耐久性能，以保证列车安全舒适高速运行(图1)。聚氨酯弹性垫板的化学结构较为复杂，既有聚氨酯的线性链段、聚脲的线性链段，还有一定量三官能团多元醇与异氰酸酯形成的交联结构。服役过程中上千赫兹的高频动荷载、湿度、高温和光照等环境耦合作用会导致聚氨酯弹性垫板发生氧化、降解等物理和化学老化，使得静刚度、动刚度和动静刚度比增加，导致减振性能衰减，甚至影响行车安全。作者团队在进行实际工程调研时发现垫板边缘容易发生开裂等病害。因此本研究将通过高低温循环老化、湿热老化和高温老化三种形式对氨酯弹性垫板进行人工加速老化，分析老化前后材料的微观结构和机械力学性能变化；为模拟聚氨酯弹性垫板服役时受到剪切以及边缘结构受拉伸的状态，使用原位同步辐射X射线小角散射(SAXS)和广角衍射(WAXD)分析各样品在单轴形变过程中的微观结构演化，阐明聚集态结构对力学强度的影响。本研究结果有助于预测聚氨酯垫板在实际服役过程中的机械力学性能变化，为开发耐久性垫板提供理论参考。

文章概述

        最近，中国科学院化学研究所和中国铁道科学研究院集团有限公司的合作团队研究了高速铁路聚氨酯弹性垫板在典型老化条件下的微观结构演化及其单轴形变外场下的形变机制。聚氨酯弹性垫板是河北铁科翼辰新材科技有限公司生产的WJ8型(图1)，该产品化学结构以线性聚氨酯为主，含有少量交联聚氨酯结构以及微量聚脲结构，已经应用于国内多条高铁线路。

图1 高速铁路无砟轨道结构扣件系统和聚氨酯弹性垫板

 作者团队参考聚氨酯弹性垫板服役实地调研情况，设计了高低温循环老化、湿热老化和高温老化三种形式对氨酯弹性垫板进行人工加速老化，继而通过扫描电子显微镜, 差示扫描量热法, 傅里叶变换红外光谱，原位同步辐射WAXD/SAXS分析老化前后材料的微观结构和机械力学性能变化。发现湿热老化导致试样泡孔平均直径减小，泡孔密度增大，且微孔孔壁(内表面)产生细微裂纹(图2)。长时间老化并没有使得聚醚链段中的醚氧键亚甲基发生氧化。三种老化均使得试样的微相分离程度进一步增加，排序为：湿热老化>高温老化>高低温循环老化>初始状态(图3)。湿热老化后试样的聚醚链段受到硬段的限制作用下降，经过低温等温结晶后能够部分结晶，这可能导致垫板服役过程中静刚度增加，弹性下降。老化后样品的杨氏模量、拉伸强度和撕裂强度均提高。即使湿热老化导致泡孔壁出现了裂纹，其拉伸强度依然提高了一倍。

图2 各个样品泡孔形貌SEM图：(a) 初始样品PU0, (b) 经过28天高低温循环老化的样品PU1, (c) 经过28天湿热老化的样品PU2, (d) 经过28天高温老化的样品PU3, (e) PU2样品放大5000倍, (f) PU2样品放大20000倍

图3 SAXS分析不同样品, 衍射强度与q关系

 原位SAXS/WAXD分析结果说明高温老化和湿热老化后聚氨酯垫板试样的聚醚软段在大应变下能够发生一定程度的应变诱导结晶(图4)，这是因为微相分离程度的提高有利于增强软段链段的活动能力和取向度，这有利于提高抗撕裂强度。而初始状态和高低温老化样品在大应变下并没有发生应变诱导结晶。

图4 各个样品在单轴拉伸过程中不同应变下的WAXD图案

 该研究建立的老化方法以及微观结构分析技术能够为开发耐久性聚氨酯弹性垫板提供理论参考和指导。论文第一作者为中国科学院化学研究所朱平高级工程师和中国铁道科学研究院集团有限公司董全霄研究员，通信联系人为中国科学院化学研究所董侠研究员。

引用本文

朱平, 董全霄, 袁丽慧, 仇超, 仇鹏, 董侠, 王笃金 . 聚氨酯弹性垫板老化前后的微观结构与单轴拉伸形变机理 . 高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.25163.

Zhu, P.; Dong, Q. X.; Yuan, L. H.; Qiu, C.; Qiu, P.; Dong, X.; Wang, D. J. Structural evolution and mechanism of original and artificially-aged elastic polyurethane plates under uniaxial tension. Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.25163.