碳納米管改性墊高阻尼減振靜音鋼軌的制作方法

本發明屬于建筑領域，涉及一種減振靜音鋼軌，具體地說，涉及一種碳納米管改性墊高阻尼減振靜音鋼軌。
背景技術：
：當今社會中，各種各樣的振動和噪聲層出不窮，避無可避。然而，這種環境的長期作用不僅影響人們的身心健康，還導致結構設備因長期振動而疲勞破壞、精密儀器靈敏度下降。因此，控制振動、降低噪聲已經成為迫切需要解決的課題。近幾年，隨著阻尼材料在工程減振領域的廣泛使用，阻尼鋼軌也開始得到廣泛的關注。現有的阻尼鋼軌主要形式包括以下三種：(1)在鋼軌側面粘貼一層阻尼層，組成自由阻尼結構；(2)在阻尼層外再包裹一層約束層，形成約束阻尼結構；(3)在阻尼層內加入異型迷宮結構，組成迷宮式約束阻尼；(4)在約束阻尼結構中添加一層磁性材料層/磁性吸附層，并且使用一層或者多層阻尼層。其中，自由阻尼結構主要依靠阻尼層的拉壓變形來耗散能量。而約束阻尼結構主要依靠阻尼層的剪切變形來耗散能量，同時阻尼層也會產生拉壓變形，從而耗散更多的能量。迷宮式約束阻尼，耗能原理與約束阻尼結構大致相同；加入迷宮結構的目的是為了增大剪切變形。對于在約束阻尼結構中添加磁性材料層的阻尼結構，其耗能機理與約束阻尼結構完全相同；增加的磁性材料層是為了通過磁性材料本身進行吸振并且增加結構整體性。然而，以上四種結構都存在內半層阻尼對耗能貢獻不大的情況，降低了阻尼層減振耗能的效率，造成阻尼材料的浪費，提高成本。此外，迷宮約束阻尼結構制作工藝過于復雜，不利于產品推廣。而加入了磁性材料層的約束阻尼結構，本質上與原有約束阻尼結構相同，新加入的磁性材料層不但很難提供比阻尼材料更好的減振耗能效果，也不能增加吸音效果，并且會增加結構質量。對于使用噴涂工藝的阻尼層，由于其本身不存在層間結合力問題，也就不需要磁性材料來增加整體性。常冠軍等人(《粘彈性阻尼材料》，國防工業出版社，2012年，230頁)的研究表明，在阻尼層與基板之間牢固地粘合一層抗剪剛度極大而抗彎剛度極小的材料作為中間層(Spacer)，可使結構損耗因子提高，且可降低系統的質量。他們認為，在給定厚度的阻尼結構中，2/3的阻尼作用發生在外部的半層材料中，因此內半層可以用“無重量”的材料取代。這個內半層“無重量”的材料稱為擴變層或墊高層，它可以加大從粘接的中線平面算起的阻尼處理距離(相當于增加阻尼層的厚度)，從而也就加大了粘彈層的拉壓變形，結構阻尼也就隨之增大。同時，擴變層的加入還有加寬有效阻尼溫度寬度的作用。并且因為擴變層材料密度很小，所以可以顯著降低阻尼材料系統的表觀質量。目前采用的墊高層是蜂窩狀或者蓬松的硬泡沫，其附帶作用是吸聲和隔熱。然而，由于現有的墊高阻尼結構往往采用已經固化的阻尼材料通過粘接劑粘接，容易產生層間結合不牢固、擴變層強度過低的問題；當墊高阻尼結構應用于較大振動構件的減振時，這種問題尤為明顯。此外，采用普通的硬泡沫不耐火，也存在鋼軌不防火、安全性不能保證等問題。目前，基于碳納米管的研究熱度，許多人已經針對在泡沫中添加碳納米管進行了研究。其中，大多采用物理添加的方法。而KuanHC和JungYC等人采用了化學鍵鍵合的方法向聚氨酯泡沫中添加碳納米管。然而，其添加碳納米管的目的是提高材料的強度和韌性，以及提高材料的導電性、電磁屏蔽性和光電子發射性。基于上述目的，目前添加了碳納米管的聚氨酯泡沫的應用僅限于以下幾個方面：電子材料領域、智能材料領域、節能材料領域和生物醫學材料領域。技術實現要素：針對現有墊高阻尼減振靜音鋼軌所存在的問題，本發明所述的碳納米管改性墊高阻尼減振靜音鋼軌采用了碳納米管改性空心槽泡沫，不但增加了墊高層的抗剪強度和阻尼效果，而且提高墊高層的防火性能，改善了空心槽所導致的墊高層強度過低的問題。本發明的技術方案：墊高阻尼減振靜音鋼軌，包括鋼軌基層、阻尼單元和阻尼層I，所述阻尼單元包括阻尼層A和墊高層，所述墊高層位于靠近阻尼層I的一側，所述阻尼層A位于靠近鋼軌基層的一側。所述墊高層與阻尼層A的厚度比為4-16；所述墊高層與阻尼層I的厚度比為4-16。所述墊高層為碳納米管改性聚氨酯泡沫。所述碳納米管改性聚氨酯泡沫的制備包括以下步驟：(1)對碳納米管進行改性，得到羥基化的碳納米管；(2)步驟(1)得到的羥基化的碳納米管加入到用于制備墊高層泡沫的B組分，即羥基化合物中；(3)將混合了羥基化碳納米管的B組分與A組分異氰酸酯在60-80℃的溫度條件和15-18MPa的壓力條件下反應，即可得到碳納米管改性聚氨酯泡沫。其中，所述碳納米管改性聚氨酯泡沫中均勻分布有若干空心槽，所述相鄰空心槽之間的間隔不小于4-6mm；所述空心槽的孔徑為4-6mm。碳納米管改性空心槽墊高層與現有的硬泡沫材料墊高層相比抗剪強度更大，更利于阻尼層的耗能，故可以提高減振性能。其中，所述阻尼層I遠離阻尼單元的一側還設有約束層，所述約束層為鋼板；所述阻尼單元的數量是1-3。其中，所述每個阻尼單元的墊高層與阻尼層A之間設有鑲嵌在二者表面的金剛砂層，所述金剛砂的數量為0.5-1.5kg/m2，所述金剛砂的粒徑為1.6-2.0mm。羥基化碳納米管的制備主要分為兩步：1.采用混酸法對碳納米管進行改性，將單壁碳納米管(SWCNT)用40ml濃硫酸和硝酸的3:1混合溶液進行處理，然后將混合物在40℃的條件下用超聲波處理3小時。即可在碳納米管表面引入羧基。2.將20毫克有第一步得到的羧基化單壁碳納米管分散到無水四氫呋喃中并進行超聲波處理30分鐘。之后加入2毫克氫化鋁鋰并進行超聲波處理1小時。將得到的反應混合物緩慢加入到200毫升甲醇中并用聚碳酸酯濾紙進行過濾。然后將所得產物在真空烘箱中以80℃干燥3小時。即可得到羥基化的碳納米管。自由墊高阻尼減振靜音鋼軌的制備方法，包括以下步驟：(1)在鋼軌基層的側面噴涂阻尼材料得到阻尼層A，然后進行噴砂處理；(2)處理后在阻尼層A上澆筑作為墊高層的碳納米管改性聚氨酯泡沫；(3)在碳納米管改性聚氨酯泡沫上繼續噴涂阻尼材料得到阻尼層I；即可得到墊高阻尼減振靜音鋼軌中的自由墊高阻尼減振靜音鋼軌。所述阻尼層A的厚度為3-5mm，所述墊高層的厚度為18-22mm，所述阻尼層I的厚度均為3-5mm。阻尼層采用直接噴涂的施工方法，產品一體性好、工藝簡單、成本低廉、工程應用方便。約束墊高阻尼減振靜音鋼軌的制備方法，包括以下步驟：(1)在鋼軌基層的側面噴涂阻尼材料得到阻尼層A，然后進行噴砂處理；(2)處理后在阻尼層A上澆筑作為墊高層的碳納米管改性聚氨酯泡沫；(3)在碳納米管改性聚氨酯泡沫上繼續噴涂阻尼材料得到阻尼層I；(4)在阻尼層I外包裹厚度為1-3mm的鋼板作為約束層，即可得到墊高阻尼減振靜音鋼軌中的約束墊高阻尼減振靜音鋼軌。即可得到墊高阻尼減振靜音鋼軌中的自由墊高阻尼減振靜音鋼軌。所述阻尼層A的厚度為1-3mm，所述墊高層的厚度為14-16mm，所述阻尼層I的厚度均為1-3mm。多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌的制備方法，包括以下步驟：(1)在鋼軌基層的側面噴涂阻尼材料得到阻尼層A，然后進行噴砂處理；(2)處理后在阻尼層A上澆筑作為墊高層的碳納米管改性聚氨酯泡沫；(2a)在最外層的阻尼單元的碳納米管改性聚氨酯泡沫上繼續噴涂阻尼材料，噴砂處理；澆筑作為墊高層的碳納米管改性聚氨酯泡沫；重復進行步驟(2a)，直至阻尼單元的數量達到要求；(3)在碳納米管改性聚氨酯泡沫上繼續噴涂阻尼材料得到阻尼層I；(4)在阻尼層I外包裹厚度為1-3mm的鋼板作為約束層，即可得到墊高阻尼減振靜音鋼軌中的多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌。所述阻尼層A的厚度為1-3mm，所述墊高層的厚度為14-16mm，所述阻尼層I的厚度均為1-3mm。所述噴砂處理的具體步驟為：噴涂時機為噴涂阻尼材料后8-10秒；噴砂氣壓為0.6-0.8兆帕，噴砂距離為1米，溫度為15-25攝氏度。采用以上參數進行噴砂處理時，砂礫在相鄰兩層各嵌入一半，減振降噪的效果最好。為驗證本發明所述的墊高阻尼減振靜音鋼軌具有優異的減振性能，本發明采用下述方法對本發明所述的墊高阻尼減振靜音鋼軌與空白鋼板進行振動測試。取500mm×43mm×3.5mm鋼板作為基材(相當于鋼軌)制作墊高阻尼減振靜音地板，所述墊高阻尼減振靜音地板的結構參數詳見實施例1-9。其中，采用密度為200kg/m3的聚氨酯泡沫層作為墊高層；青島理工大學功能材料研究所提供的聚氨酯類粘彈阻尼材料作為阻尼層。將500mm×43mm×3.5mm鋼板作為空白式樣，進行對比。采用北京東方振動和噪聲技術研究所的DASP智能數據采集和信號分析系統V10進行數據采集和分析。試驗方法采用錘擊激振法，模擬式樣受到激振后振動自由衰減的過程。為降低外部支撐對振動自由衰減的影響，用細魚線將式樣水平吊起，吊點在鋼板左右兩側50mm處；拾振點和激振點分別在鋼板面的左右兩側25mm處，如圖4所示；采樣頻率為2048Hz，激振頭為鋼頭，激振力為45N。本發明的有益效果：1、與現有技術相比，本發明采用碳納米管改性空心槽泡沫作為墊高層，不但使墊高層與原有阻尼結構共同組成墊高阻尼結構，而且可以增加墊高層的抗剪強度(從減振角度考慮要求墊高層抗剪強度盡可能地大)、提高墊高層的防火性能、增加墊高層自身的阻尼效果、并且彌補由于較多的空心槽所造成的墊高層強度過低的問題。2.本發明在阻尼層與墊高層之間進行噴砂處理，可以使層間結合更加牢固，同時還可以增加阻尼材料與墊高層之間的接觸面積從而提高阻尼減振效果。3、相比硬泡沫材料的墊高層，碳納米管改性空心槽墊高層具有非常好的阻燃性能，作為在地鐵隧道中使用的靜音鋼軌的組成部分，可以有效防火、提供更好的安全保障。4、本發明在鋼軌基層和阻尼單元之間設置了阻尼層A，一方面增加墊高層的牢固程度；另一方面確保鋼軌無論振動從里向外傳播和從外向里傳播都是墊高阻尼結構。附圖說明圖1為本發明所述的墊高層的結構示意圖；圖2本發明所述的自由墊高阻尼減振靜音鋼軌；圖3本發明所述的約束墊高阻尼減振靜音鋼軌；圖4本發明所述的多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌；圖5為本發明所述的錘擊激振法測試裝置的結構示意圖；其中，1為泡沫，2為空心槽，3為鋼軌，4為阻尼層I，5為阻尼層A，6為約束層。具體實施方式下面結合實施例對本發明做進一步的說明。實施例1：自由墊高阻尼減振靜音鋼軌自由墊高阻尼減振靜音鋼軌，包括鋼軌基層、阻尼單元和阻尼層I，所述阻尼單元包括阻尼層A和墊高層，所述墊高層位于靠近阻尼層I的一側，所述阻尼層A位于靠近鋼軌基層的一側。所述墊高層為碳納米管改性聚氨酯泡沫。所述阻尼層A的厚度為5mm，所述墊高層的厚度為20mm，所述阻尼層I的厚度均為5mm。其中，所述墊高層與阻尼層A之間設有鑲嵌在二者表面的金剛砂層，所述金剛砂的數量為4.0kg/m2，所述金剛砂的粒徑為1.6mm。所述碳納米管改性聚氨酯泡沫的制備包括以下步驟：(1)對碳納米管進行改性，得到羥基化的碳納米管；詳細步驟為：(1a)采用混酸法對碳納米管進行改性，將單壁碳納米管(SWCNT)用40ml濃硫酸和硝酸的3:1混合溶液進行處理，然后將混合物在40℃的條件下用超聲波處理3小時。即可在碳納米管表面引入羧基。(1b)將20毫克有第一步得到的羧基化單壁碳納米管分散到無水四氫呋喃中并進行超聲波處理30分鐘。之后加入2毫克氫化鋁鋰并進行超聲波處理1小時。將得到的反應混合物緩慢加入到200毫升甲醇中并用聚碳酸酯濾紙進行過濾。然后將所得產物在真空烘箱中以80℃干燥3小時。即可得到羥基化的碳納米管。(2)步驟(1)得到的羥基化的碳納米管加入到用于制備墊高層泡沫的B組分，即羥基化合物中；(3)將混合了羥基化碳納米管的B組分與A組分異氰酸酯在70℃的溫度條件和18MPa的壓力條件下反應，即可得到碳納米管改性聚氨酯泡沫。其中，所述碳納米管改性聚氨酯泡沫中均勻分布有若干空心槽，所述相鄰空心槽之間的間隔不小于4mm；所述空心槽的孔徑為4mm。碳納米管改性空心槽墊高層與現有的硬泡沫材料墊高層相比抗剪強度更大，更利于阻尼層的耗能，故可以提高減振性能。自由墊高阻尼減振靜音鋼軌的制備方法，包括以下步驟：(1)在鋼軌基層的側面噴涂阻尼材料得到阻尼層A，然后進行噴砂處理；(2)處理后在阻尼層A上澆筑作為墊高層的碳納米管改性聚氨酯泡沫；(3)在碳納米管改性聚氨酯泡沫上繼續噴涂阻尼材料得到阻尼層I，即可得到墊高阻尼減振靜音鋼軌中的自由墊高阻尼減振靜音鋼軌。阻尼層采用直接噴涂的施工方法，產品一體性好、工藝簡單、成本低廉、工程應用方便。所述噴砂處理的具體步驟為：噴涂時機為噴涂阻尼材料后10秒；噴砂氣壓為0.6Mpa，噴砂距離為1m，溫度為20℃。采用以上參數進行噴砂處理時，砂礫在相鄰兩層各嵌入一半，減振降噪的效果最好。為驗證本發明所述的墊高阻尼減振靜音鋼軌具有優異的減振性能，采用下述方法對上述方法制備的墊高阻尼減振靜音地板與空白鋼板進行振動測試。測試方法：采用500mm×43mm×3.5mm鋼板作為地板基材制備墊高阻尼減振靜音地板式樣，同時將該鋼板作為空白鋼板。采用北京東方振動和噪聲技術研究所的DASP智能數據采集和信號分析系統V10進行數據采集和分析。試驗方法采用錘擊激振法，模擬式樣受到激振后振動自由衰減的過程。為降低外部支撐對振動自由衰減的影響，用細魚線將式樣水平吊起，吊點在鋼板左右兩側50mm處；拾振點和激振點分別在鋼板面的左右兩側25mm處，如圖4所示；采樣頻率為2048Hz，激振頭為鋼頭，激振力為45N。實施例2：自由墊高阻尼減振靜音鋼軌與實施例1不同的是，自由墊高阻尼減振靜音鋼軌，所述阻尼層A的厚度為3mm，所述墊高層的厚度為18mm，所述阻尼層I的厚度均為3mm。其中，所述墊高層與阻尼層A之間均設有鑲嵌在二者表面的金剛砂層，所述金剛砂的數量為0.5kg/m2，所述金剛砂的粒徑為1.8mm。所述碳納米管改性聚氨酯泡沫的制備，所述步驟(3)中，將混合了羥基化碳納米管的B組分與A組分異氰酸酯在80℃的溫度條件和15MPa的壓力條件下反應，即可得到碳納米管改性聚氨酯泡沫。所述相鄰空心槽之間的間隔不小于5mm；所述空心槽的孔徑為5mm。自由墊高阻尼減振靜音鋼軌的制備方法，所述噴砂處理的具體步驟為：噴涂時機為噴涂阻尼材料后8秒；噴砂氣壓為0.7MPa，噴砂距離為1米，溫度為25℃。實施例3：自由墊高阻尼減振靜音鋼軌與實施例1不同的是，自由墊高阻尼減振靜音鋼軌，所述阻尼層A的厚度為4mm，所述墊高層的厚度為22mm，所述阻尼層I的厚度均為4mm。實施例4：約束墊高阻尼減振靜音鋼軌與實施例1不同的是，約束墊高阻尼減振靜音鋼軌，所述阻尼層I遠離阻尼單元的一側還設有約束層，所述約束層為鋼板。所述阻尼層A的厚度為2mm，所述墊高層的厚度為15mm，所述阻尼層I的厚度均為2mm。所述金剛砂的數量為1.5kg/m2，所述金剛砂的粒徑為2.0mm。所述碳納米管改性聚氨酯泡沫的制備，步驟(3)將混合了羥基化碳納米管的B組分與A組分異氰酸酯在60℃的溫度條件和16MPa的壓力條件下反應，即可得到碳納米管改性聚氨酯泡沫。所述相鄰空心槽之間的間隔不小于6mm；所述空心槽的孔徑為6mm。約束墊高阻尼減振靜音鋼軌的制備方法，步驟(3)在碳納米管改性聚氨酯泡沫上繼續噴涂阻尼材料，得到阻尼層I；(4)在阻尼層I外包裹厚度為2mm的鋼板作為約束層，即可得到墊高阻尼減振靜音鋼軌中的約束墊高阻尼減振靜音鋼軌。所述噴砂處理的具體步驟為：噴涂時機為噴涂阻尼材料后9秒；噴砂氣壓為0.8MPa，噴砂距離為1米，溫度為22℃。實施例5：約束墊高阻尼減振靜音鋼軌與實施例4不同的是，約束墊高阻尼減振靜音鋼軌，所述阻尼層A的厚度為3mm，所述墊高層的厚度為16mm，所述阻尼層I的厚度均為3mm。所述金剛砂的數量為0.8kg/m2，所述金剛砂的粒徑為1.9mm。所述碳納米管改性聚氨酯泡沫的制備，步驟(3)將混合了羥基化碳納米管的B組分與A組分異氰酸酯在65℃的溫度條件和17.5MPa的壓力條件下反應，即可得到碳納米管改性聚氨酯泡沫。所述相鄰空心槽之間的間隔不小于4.5mm；所述空心槽的孔徑為5.5mm。約束墊高阻尼減振靜音鋼軌的制備方法，步驟(4)在阻尼層I外包裹厚度為1mm的鋼板作為約束層，即可得到墊高阻尼減振靜音鋼軌中的約束墊高阻尼減振靜音鋼軌。所述噴砂處理的具體步驟為：噴涂時機為噴涂阻尼材料后9秒；噴砂氣壓為0.7MPa，噴砂距離為1米，溫度為24℃。實施例6：約束墊高阻尼減振靜音鋼軌與實施例4不同的是，約束墊高阻尼減振靜音鋼軌，所述阻尼層A的厚度為1mm，所述墊高層的厚度為14mm，所述阻尼層I的厚度均為1mm。實施例7：多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌與實施例1不同的是，多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌，所述阻尼層I遠離阻尼單元的一側還設有約束層所述約束層為鋼板；所述阻尼單元的數量是2。所述阻尼層A的厚度為1mm，所述墊高層的厚度為10mm，所述阻尼層I的厚度均為1mm。所述金剛砂的數量為1.2kg/m2，所述金剛砂的粒徑為1.7mm。所述碳納米管改性聚氨酯泡沫的制備，步驟(3)將混合了羥基化碳納米管的B組分與A組分異氰酸酯在75℃的溫度條件和16.5MPa的壓力條件下反應，即可得到碳納米管改性聚氨酯泡沫。所述相鄰空心槽之間的間隔不小于5.5mm；所述空心槽的孔徑為4.5mm。多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌的制備方法，還包括位于步驟(2)和步驟(3)之間的步驟(2a)：在最外層的阻尼單元的碳納米管改性聚氨酯泡沫上繼續噴涂阻尼材料，噴砂處理；澆筑作為墊高層的碳納米管改性聚氨酯泡沫；重復進行步驟(2a)，直至阻尼單元的數量達到要求；(4)在阻尼層I外包裹厚度為3mm的鋼板作為約束層，即可得到墊高阻尼減振靜音鋼軌中的多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌。實施例8：多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌與實施例7不同的是，多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌，所述阻尼單元的數量是3。所述阻尼層A的厚度為1.5mm，所述墊高層的厚度為12mm，所述阻尼層I的厚度均為1.5mm。所述金剛砂的數量為1.0kg/m2，所述金剛砂的粒徑為1.8mm。所述碳納米管改性聚氨酯泡沫的制備，步驟(3)將混合了羥基化碳納米管的B組分與A組分異氰酸酯在70℃的溫度條件和17MPa的壓力條件下反應，即可得到碳納米管改性聚氨酯泡沫。所述相鄰空心槽之間的間隔不小于5mm；所述空心槽的孔徑為5mm。多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌的制備方法，包括以下步驟：重復進行步驟(2a)2次；(4)在阻尼層I外包裹厚度為2mm的鋼板作為約束層，即可得到墊高阻尼減振靜音鋼軌中的多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌。實施例9：多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌與實施例7不同的是，多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌，所述阻尼單元的數量是3。所述阻尼層A的厚度為0.5mm，所述墊高層的厚度為8mm，所述阻尼層I的厚度均為0.5mm。多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌的制備方法，包括以下步驟：重復進行步驟(2a)2次；(4)在阻尼層I外包裹厚度為2mm的鋼板作為約束層，即可得到墊高阻尼減振靜音鋼軌中的多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌。表1實施例1-9檢測結果列表一階損耗因子二階損耗因子振動加速度總級值空白鋼板0.0140.016158.0實施例10.1340.167144.5實施例20.1250.156145.1實施例30.1290.161144.8實施例40.1610.196140.6實施例50.1690.201140.1實施例60.1550.189141.9實施例70.1930.234139.2實施例80.2240.257138.0實施例90.2120.243138.5損耗因子代表結構的耗能能力，越大越好；振動加速度總級值表明結構的振動情況，越小越好。由表1可知，與空白鋼板相比，實施例1-9制備的減振降噪靜音鋼軌，損耗因子增加一個數量級，振動加速度總級值則減小13-20dB。其中，以實例8效果最好，與空白板相比振動加速度總級值能降低20dB；其余實例相比空白板振動加速度總級值都有明顯降低，損耗因子相比空白板均有明顯增大。說明多層約束墊高阻尼減振靜音鋼軌的減振降噪效果最好。當前第1頁1 2 3