碳纳米管改性垫高阻尼减振静音钢轨的制作方法

本发明属于建筑领域，涉及一种减振静音钢轨，具体地说，涉及一种碳纳米管改性垫高阻尼减振静音钢轨。
背景技术：
：当今社会中，各种各样的振动和噪声层出不穷，避无可避。然而，这种环境的长期作用不仅影响人们的身心健康，还导致结构设备因长期振动而疲劳破坏、精密仪器灵敏度下降。因此，控制振动、降低噪声已经成为迫切需要解决的课题。近几年，随着阻尼材料在工程减振领域的广泛使用，阻尼钢轨也开始得到广泛的关注。现有的阻尼钢轨主要形式包括以下三种：(1)在钢轨侧面粘贴一层阻尼层，组成自由阻尼结构；(2)在阻尼层外再包裹一层约束层，形成约束阻尼结构；(3)在阻尼层内加入异型迷宫结构，组成迷宫式约束阻尼；(4)在约束阻尼结构中添加一层磁性材料层/磁性吸附层，并且使用一层或者多层阻尼层。其中，自由阻尼结构主要依靠阻尼层的拉压变形来耗散能量。而约束阻尼结构主要依靠阻尼层的剪切变形来耗散能量，同时阻尼层也会产生拉压变形，从而耗散更多的能量。迷宫式约束阻尼，耗能原理与约束阻尼结构大致相同；加入迷宫结构的目的是为了增大剪切变形。对于在约束阻尼结构中添加磁性材料层的阻尼结构，其耗能机理与约束阻尼结构完全相同；增加的磁性材料层是为了通过磁性材料本身进行吸振并且增加结构整体性。然而，以上四种结构都存在内半层阻尼对耗能贡献不大的情况，降低了阻尼层减振耗能的效率，造成阻尼材料的浪费，提高成本。此外，迷宫约束阻尼结构制作工艺过于复杂，不利于产品推广。而加入了磁性材料层的约束阻尼结构，本质上与原有约束阻尼结构相同，新加入的磁性材料层不但很难提供比阻尼材料更好的减振耗能效果，也不能增加吸音效果，并且会增加结构质量。对于使用喷涂工艺的阻尼层，由于其本身不存在层间结合力问题，也就不需要磁性材料来增加整体性。常冠军等人(《粘弹性阻尼材料》，国防工业出版社，2012年，230页)的研究表明，在阻尼层与基板之间牢固地粘合一层抗剪刚度极大而抗弯刚度极小的材料作为中间层(Spacer)，可使结构损耗因子提高，且可降低系统的质量。他们认为，在给定厚度的阻尼结构中，2/3的阻尼作用发生在外部的半层材料中，因此内半层可以用“无重量”的材料取代。这个内半层“无重量”的材料称为扩变层或垫高层，它可以加大从粘接的中线平面算起的阻尼处理距离(相当于增加阻尼层的厚度)，从而也就加大了粘弹层的拉压变形，结构阻尼也就随之增大。同时，扩变层的加入还有加宽有效阻尼温度宽度的作用。并且因为扩变层材料密度很小，所以可以显著降低阻尼材料系统的表观质量。目前采用的垫高层是蜂窝状或者蓬松的硬泡沫，其附带作用是吸声和隔热。然而，由于现有的垫高阻尼结构往往采用已经固化的阻尼材料通过粘接剂粘接，容易产生层间结合不牢固、扩变层强度过低的问题；当垫高阻尼结构应用于较大振动构件的减振时，这种问题尤为明显。此外，采用普通的硬泡沫不耐火，也存在钢轨不防火、安全性不能保证等问题。目前，基于碳纳米管的研究热度，许多人已经针对在泡沫中添加碳纳米管进行了研究。其中，大多采用物理添加的方法。而KuanHC和JungYC等人采用了化学键键合的方法向聚氨酯泡沫中添加碳纳米管。然而，其添加碳纳米管的目的是提高材料的强度和韧性，以及提高材料的导电性、电磁屏蔽性和光电子发射性。基于上述目的，目前添加了碳纳米管的聚氨酯泡沫的应用仅限于以下几个方面：电子材料领域、智能材料领域、节能材料领域和生物医学材料领域。技术实现要素：针对现有垫高阻尼减振静音钢轨所存在的问题，本发明所述的碳纳米管改性垫高阻尼减振静音钢轨采用了碳纳米管改性空心槽泡沫，不但增加了垫高层的抗剪强度和阻尼效果，而且提高垫高层的防火性能，改善了空心槽所导致的垫高层强度过低的问题。本发明的技术方案：垫高阻尼减振静音钢轨，包括钢轨基层、阻尼单元和阻尼层I，所述阻尼单元包括阻尼层A和垫高层，所述垫高层位于靠近阻尼层I的一侧，所述阻尼层A位于靠近钢轨基层的一侧。所述垫高层与阻尼层A的厚度比为4-16；所述垫高层与阻尼层I的厚度比为4-16。所述垫高层为碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备包括以下步骤：(1)对碳纳米管进行改性，得到羟基化的碳纳米管；(2)步骤(1)得到的羟基化的碳纳米管加入到用于制备垫高层泡沫的B组分，即羟基化合物中；(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在60-80℃的温度条件和15-18MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。其中，所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫中均匀分布有若干空心槽，所述相邻空心槽之间的间隔不小于4-6mm；所述空心槽的孔径为4-6mm。碳纳米管改性空心槽垫高层与现有的硬泡沫材料垫高层相比抗剪强度更大，更利于阻尼层的耗能，故可以提高减振性能。其中，所述阻尼层I远离阻尼单元的一侧还设有约束层，所述约束层为钢板；所述阻尼单元的数量是1-3。其中，所述每个阻尼单元的垫高层与阻尼层A之间设有镶嵌在二者表面的金刚砂层，所述金刚砂的数量为0.5-1.5kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.6-2.0mm。羟基化碳纳米管的制备主要分为两步：1.采用混酸法对碳纳米管进行改性，将单壁碳纳米管(SWCNT)用40ml浓硫酸和硝酸的3:1混合溶液进行处理，然后将混合物在40℃的条件下用超声波处理3小时。即可在碳纳米管表面引入羧基。2.将20毫克有第一步得到的羧基化单壁碳纳米管分散到无水四氢呋喃中并进行超声波处理30分钟。之后加入2毫克氢化铝锂并进行超声波处理1小时。将得到的反应混合物缓慢加入到200毫升甲醇中并用聚碳酸酯滤纸进行过滤。然后将所得产物在真空烘箱中以80℃干燥3小时。即可得到羟基化的碳纳米管。自由垫高阻尼减振静音钢轨的制备方法，包括以下步骤：(1)在钢轨基层的侧面喷涂阻尼材料得到阻尼层A，然后进行喷砂处理；(2)处理后在阻尼层A上浇筑作为垫高层的碳纳米管改性聚氨酯泡沫；(3)在碳纳米管改性聚氨酯泡沫上继续喷涂阻尼材料得到阻尼层I；即可得到垫高阻尼减振静音钢轨中的自由垫高阻尼减振静音钢轨。所述阻尼层A的厚度为3-5mm，所述垫高层的厚度为18-22mm，所述阻尼层I的厚度均为3-5mm。阻尼层采用直接喷涂的施工方法，产品一体性好、工艺简单、成本低廉、工程应用方便。约束垫高阻尼减振静音钢轨的制备方法，包括以下步骤：(1)在钢轨基层的侧面喷涂阻尼材料得到阻尼层A，然后进行喷砂处理；(2)处理后在阻尼层A上浇筑作为垫高层的碳纳米管改性聚氨酯泡沫；(3)在碳纳米管改性聚氨酯泡沫上继续喷涂阻尼材料得到阻尼层I；(4)在阻尼层I外包裹厚度为1-3mm的钢板作为约束层，即可得到垫高阻尼减振静音钢轨中的约束垫高阻尼减振静音钢轨。即可得到垫高阻尼减振静音钢轨中的自由垫高阻尼减振静音钢轨。所述阻尼层A的厚度为1-3mm，所述垫高层的厚度为14-16mm，所述阻尼层I的厚度均为1-3mm。多层约束垫高阻尼减振静音钢轨的制备方法，包括以下步骤：(1)在钢轨基层的侧面喷涂阻尼材料得到阻尼层A，然后进行喷砂处理；(2)处理后在阻尼层A上浇筑作为垫高层的碳纳米管改性聚氨酯泡沫；(2a)在最外层的阻尼单元的碳纳米管改性聚氨酯泡沫上继续喷涂阻尼材料，喷砂处理；浇筑作为垫高层的碳纳米管改性聚氨酯泡沫；重复进行步骤(2a)，直至阻尼单元的数量达到要求；(3)在碳纳米管改性聚氨酯泡沫上继续喷涂阻尼材料得到阻尼层I；(4)在阻尼层I外包裹厚度为1-3mm的钢板作为约束层，即可得到垫高阻尼减振静音钢轨中的多层约束垫高阻尼减振静音钢轨。所述阻尼层A的厚度为1-3mm，所述垫高层的厚度为14-16mm，所述阻尼层I的厚度均为1-3mm。所述喷砂处理的具体步骤为：喷涂时机为喷涂阻尼材料后8-10秒；喷砂气压为0.6-0.8兆帕，喷砂距离为1米，温度为15-25摄氏度。采用以上参数进行喷砂处理时，砂砾在相邻两层各嵌入一半，减振降噪的效果最好。为验证本发明所述的垫高阻尼减振静音钢轨具有优异的减振性能，本发明采用下述方法对本发明所述的垫高阻尼减振静音钢轨与空白钢板进行振动测试。取500mm×43mm×3.5mm钢板作为基材(相当于钢轨)制作垫高阻尼减振静音地板，所述垫高阻尼减振静音地板的结构参数详见实施例1-9。其中，采用密度为200kg/m3的聚氨酯泡沫层作为垫高层；青岛理工大学功能材料研究所提供的聚氨酯类粘弹阻尼材料作为阻尼层。将500mm×43mm×3.5mm钢板作为空白式样，进行对比。采用北京东方振动和噪声技术研究所的DASP智能数据采集和信号分析系统V10进行数据采集和分析。试验方法采用锤击激振法，模拟式样受到激振后振动自由衰减的过程。为降低外部支撑对振动自由衰减的影响，用细鱼线将式样水平吊起，吊点在钢板左右两侧50mm处；拾振点和激振点分别在钢板面的左右两侧25mm处，如图4所示；采样频率为2048Hz，激振头为钢头，激振力为45N。本发明的有益效果：1、与现有技术相比，本发明采用碳纳米管改性空心槽泡沫作为垫高层，不但使垫高层与原有阻尼结构共同组成垫高阻尼结构，而且可以增加垫高层的抗剪强度(从减振角度考虑要求垫高层抗剪强度尽可能地大)、提高垫高层的防火性能、增加垫高层自身的阻尼效果、并且弥补由于较多的空心槽所造成的垫高层强度过低的问题。2.本发明在阻尼层与垫高层之间进行喷砂处理，可以使层间结合更加牢固，同时还可以增加阻尼材料与垫高层之间的接触面积从而提高阻尼减振效果。3、相比硬泡沫材料的垫高层，碳纳米管改性空心槽垫高层具有非常好的阻燃性能，作为在地铁隧道中使用的静音钢轨的组成部分，可以有效防火、提供更好的安全保障。4、本发明在钢轨基层和阻尼单元之间设置了阻尼层A，一方面增加垫高层的牢固程度；另一方面确保钢轨无论振动从里向外传播和从外向里传播都是垫高阻尼结构。附图说明图1为本发明所述的垫高层的结构示意图；图2本发明所述的自由垫高阻尼减振静音钢轨；图3本发明所述的约束垫高阻尼减振静音钢轨；图4本发明所述的多层约束垫高阻尼减振静音钢轨；图5为本发明所述的锤击激振法测试装置的结构示意图；其中，1为泡沫，2为空心槽，3为钢轨，4为阻尼层I，5为阻尼层A，6为约束层。具体实施方式下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例1：自由垫高阻尼减振静音钢轨自由垫高阻尼减振静音钢轨，包括钢轨基层、阻尼单元和阻尼层I，所述阻尼单元包括阻尼层A和垫高层，所述垫高层位于靠近阻尼层I的一侧，所述阻尼层A位于靠近钢轨基层的一侧。所述垫高层为碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述阻尼层A的厚度为5mm，所述垫高层的厚度为20mm，所述阻尼层I的厚度均为5mm。其中，所述垫高层与阻尼层A之间设有镶嵌在二者表面的金刚砂层，所述金刚砂的数量为4.0kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.6mm。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备包括以下步骤：(1)对碳纳米管进行改性，得到羟基化的碳纳米管；详细步骤为：(1a)采用混酸法对碳纳米管进行改性，将单壁碳纳米管(SWCNT)用40ml浓硫酸和硝酸的3:1混合溶液进行处理，然后将混合物在40℃的条件下用超声波处理3小时。即可在碳纳米管表面引入羧基。(1b)将20毫克有第一步得到的羧基化单壁碳纳米管分散到无水四氢呋喃中并进行超声波处理30分钟。之后加入2毫克氢化铝锂并进行超声波处理1小时。将得到的反应混合物缓慢加入到200毫升甲醇中并用聚碳酸酯滤纸进行过滤。然后将所得产物在真空烘箱中以80℃干燥3小时。即可得到羟基化的碳纳米管。(2)步骤(1)得到的羟基化的碳纳米管加入到用于制备垫高层泡沫的B组分，即羟基化合物中；(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在70℃的温度条件和18MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。其中，所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫中均匀分布有若干空心槽，所述相邻空心槽之间的间隔不小于4mm；所述空心槽的孔径为4mm。碳纳米管改性空心槽垫高层与现有的硬泡沫材料垫高层相比抗剪强度更大，更利于阻尼层的耗能，故可以提高减振性能。自由垫高阻尼减振静音钢轨的制备方法，包括以下步骤：(1)在钢轨基层的侧面喷涂阻尼材料得到阻尼层A，然后进行喷砂处理；(2)处理后在阻尼层A上浇筑作为垫高层的碳纳米管改性聚氨酯泡沫；(3)在碳纳米管改性聚氨酯泡沫上继续喷涂阻尼材料得到阻尼层I，即可得到垫高阻尼减振静音钢轨中的自由垫高阻尼减振静音钢轨。阻尼层采用直接喷涂的施工方法，产品一体性好、工艺简单、成本低廉、工程应用方便。所述喷砂处理的具体步骤为：喷涂时机为喷涂阻尼材料后10秒；喷砂气压为0.6Mpa，喷砂距离为1m，温度为20℃。采用以上参数进行喷砂处理时，砂砾在相邻两层各嵌入一半，减振降噪的效果最好。为验证本发明所述的垫高阻尼减振静音钢轨具有优异的减振性能，采用下述方法对上述方法制备的垫高阻尼减振静音地板与空白钢板进行振动测试。测试方法：采用500mm×43mm×3.5mm钢板作为地板基材制备垫高阻尼减振静音地板式样，同时将该钢板作为空白钢板。采用北京东方振动和噪声技术研究所的DASP智能数据采集和信号分析系统V10进行数据采集和分析。试验方法采用锤击激振法，模拟式样受到激振后振动自由衰减的过程。为降低外部支撑对振动自由衰减的影响，用细鱼线将式样水平吊起，吊点在钢板左右两侧50mm处；拾振点和激振点分别在钢板面的左右两侧25mm处，如图4所示；采样频率为2048Hz，激振头为钢头，激振力为45N。实施例2：自由垫高阻尼减振静音钢轨与实施例1不同的是，自由垫高阻尼减振静音钢轨，所述阻尼层A的厚度为3mm，所述垫高层的厚度为18mm，所述阻尼层I的厚度均为3mm。其中，所述垫高层与阻尼层A之间均设有镶嵌在二者表面的金刚砂层，所述金刚砂的数量为0.5kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.8mm。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备，所述步骤(3)中，将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在80℃的温度条件和15MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述相邻空心槽之间的间隔不小于5mm；所述空心槽的孔径为5mm。自由垫高阻尼减振静音钢轨的制备方法，所述喷砂处理的具体步骤为：喷涂时机为喷涂阻尼材料后8秒；喷砂气压为0.7MPa，喷砂距离为1米，温度为25℃。实施例3：自由垫高阻尼减振静音钢轨与实施例1不同的是，自由垫高阻尼减振静音钢轨，所述阻尼层A的厚度为4mm，所述垫高层的厚度为22mm，所述阻尼层I的厚度均为4mm。实施例4：约束垫高阻尼减振静音钢轨与实施例1不同的是，约束垫高阻尼减振静音钢轨，所述阻尼层I远离阻尼单元的一侧还设有约束层，所述约束层为钢板。所述阻尼层A的厚度为2mm，所述垫高层的厚度为15mm，所述阻尼层I的厚度均为2mm。所述金刚砂的数量为1.5kg/m2，所述金刚砂的粒径为2.0mm。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备，步骤(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在60℃的温度条件和16MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述相邻空心槽之间的间隔不小于6mm；所述空心槽的孔径为6mm。约束垫高阻尼减振静音钢轨的制备方法，步骤(3)在碳纳米管改性聚氨酯泡沫上继续喷涂阻尼材料，得到阻尼层I；(4)在阻尼层I外包裹厚度为2mm的钢板作为约束层，即可得到垫高阻尼减振静音钢轨中的约束垫高阻尼减振静音钢轨。所述喷砂处理的具体步骤为：喷涂时机为喷涂阻尼材料后9秒；喷砂气压为0.8MPa，喷砂距离为1米，温度为22℃。实施例5：约束垫高阻尼减振静音钢轨与实施例4不同的是，约束垫高阻尼减振静音钢轨，所述阻尼层A的厚度为3mm，所述垫高层的厚度为16mm，所述阻尼层I的厚度均为3mm。所述金刚砂的数量为0.8kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.9mm。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备，步骤(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在65℃的温度条件和17.5MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述相邻空心槽之间的间隔不小于4.5mm；所述空心槽的孔径为5.5mm。约束垫高阻尼减振静音钢轨的制备方法，步骤(4)在阻尼层I外包裹厚度为1mm的钢板作为约束层，即可得到垫高阻尼减振静音钢轨中的约束垫高阻尼减振静音钢轨。所述喷砂处理的具体步骤为：喷涂时机为喷涂阻尼材料后9秒；喷砂气压为0.7MPa，喷砂距离为1米，温度为24℃。实施例6：约束垫高阻尼减振静音钢轨与实施例4不同的是，约束垫高阻尼减振静音钢轨，所述阻尼层A的厚度为1mm，所述垫高层的厚度为14mm，所述阻尼层I的厚度均为1mm。实施例7：多层约束垫高阻尼减振静音钢轨与实施例1不同的是，多层约束垫高阻尼减振静音钢轨，所述阻尼层I远离阻尼单元的一侧还设有约束层所述约束层为钢板；所述阻尼单元的数量是2。所述阻尼层A的厚度为1mm，所述垫高层的厚度为10mm，所述阻尼层I的厚度均为1mm。所述金刚砂的数量为1.2kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.7mm。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备，步骤(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在75℃的温度条件和16.5MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述相邻空心槽之间的间隔不小于5.5mm；所述空心槽的孔径为4.5mm。多层约束垫高阻尼减振静音钢轨的制备方法，还包括位于步骤(2)和步骤(3)之间的步骤(2a)：在最外层的阻尼单元的碳纳米管改性聚氨酯泡沫上继续喷涂阻尼材料，喷砂处理；浇筑作为垫高层的碳纳米管改性聚氨酯泡沫；重复进行步骤(2a)，直至阻尼单元的数量达到要求；(4)在阻尼层I外包裹厚度为3mm的钢板作为约束层，即可得到垫高阻尼减振静音钢轨中的多层约束垫高阻尼减振静音钢轨。实施例8：多层约束垫高阻尼减振静音钢轨与实施例7不同的是，多层约束垫高阻尼减振静音钢轨，所述阻尼单元的数量是3。所述阻尼层A的厚度为1.5mm，所述垫高层的厚度为12mm，所述阻尼层I的厚度均为1.5mm。所述金刚砂的数量为1.0kg/m2，所述金刚砂的粒径为1.8mm。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备，步骤(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在70℃的温度条件和17MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述相邻空心槽之间的间隔不小于5mm；所述空心槽的孔径为5mm。多层约束垫高阻尼减振静音钢轨的制备方法，包括以下步骤：重复进行步骤(2a)2次；(4)在阻尼层I外包裹厚度为2mm的钢板作为约束层，即可得到垫高阻尼减振静音钢轨中的多层约束垫高阻尼减振静音钢轨。实施例9：多层约束垫高阻尼减振静音钢轨与实施例7不同的是，多层约束垫高阻尼减振静音钢轨，所述阻尼单元的数量是3。所述阻尼层A的厚度为0.5mm，所述垫高层的厚度为8mm，所述阻尼层I的厚度均为0.5mm。多层约束垫高阻尼减振静音钢轨的制备方法，包括以下步骤：重复进行步骤(2a)2次；(4)在阻尼层I外包裹厚度为2mm的钢板作为约束层，即可得到垫高阻尼减振静音钢轨中的多层约束垫高阻尼减振静音钢轨。表1实施例1-9检测结果列表一阶损耗因子二阶损耗因子振动加速度总级值空白钢板0.0140.016158.0实施例10.1340.167144.5实施例20.1250.156145.1实施例30.1290.161144.8实施例40.1610.196140.6实施例50.1690.201140.1实施例60.1550.189141.9实施例70.1930.234139.2实施例80.2240.257138.0实施例90.2120.243138.5损耗因子代表结构的耗能能力，越大越好；振动加速度总级值表明结构的振动情况，越小越好。由表1可知，与空白钢板相比，实施例1-9制备的减振降噪静音钢轨，损耗因子增加一个数量级，振动加速度总级值则减小13-20dB。其中，以实例8效果最好，与空白板相比振动加速度总级值能降低20dB；其余实例相比空白板振动加速度总级值都有明显降低，损耗因子相比空白板均有明显增大。说明多层约束垫高阻尼减振静音钢轨的减振降噪效果最好。当前第1页1 2 3