一种以稀土抛光粉废料为原料的疏水改性聚氨酯共混防冰融冰材料及其在铁路除冰中的应用的制作方法

本发明属于铁路防冰、除冰领域，尤其是涉及一种以稀土抛光粉废料为原料的疏水改性聚氨酯共混防冰融冰材料及其在铁路除冰中的应用。

背景技术：

1、现有防冰技术通常是将聚氨酯与各种填料进行混合，例如沥青(文献anti-icingproperties of a polyurethane superhydrophobic coating on asphalt pavement，油类物质(文献sturdy oil-impregnated polyurethane coatings with long-lasting andhigh-efficient deicing performance)实现防冰，也有的利用疏水化改性聚氨酯实现防冰(文献a wind tunnel experimental study of icing on naca0012 aircraft airfoilwith silicon compounds modified polyurethane coatings)，但对于寒冷环境下水汽直接凝华成冰晶的现象，只依靠防冰技术是远远不够的，有时疏水改性后的基团或者填料颗粒还可能造成材料表面图案化，更容易结冰。在高铁在快速运行的过程中，形成冰的因素很多，水会以气体或者液体形态直接变为固态冰，仅仅依靠疏水改性的聚氨酯很难保证防冰效果。

2、稀土抛光粉是稀土最早应用的领域之一,稀土抛光粉有“抛光粉之王”的誉称。我国每年稀土抛光粉使用量数万吨，而使用后的抛光粉废料、泥浆约有十几万吨。大部分使用后的稀土抛光粉作为废弃物被填埋或堆积，给造成环境污染。另外在铈基稀土抛光粉废料中，二氧化铈的含量一般为30％-50％，若直接废弃，会导致稀土资源的浪费。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种以稀土抛光粉废料为原料的疏水改性聚氨酯共混防冰融冰材料及其在铁路除冰中的应用

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明的第一方面，提供了以稀土抛光粉废料为原料的疏水改性聚氨酯共混防冰融冰材料，所述防冰融冰材料包括如下质量份数的组份：

4、所述防冰融冰材料包括如下质量份数的组份：所述防冰融冰材料包括如下质量份数的组份：疏水改性聚氨酯90-99份；稀土抛光粉废料0.5-4份；表面活性剂0.5-4份；

5、所述的疏水改性聚氨酯由包括如下质量份数的组分制备而得：聚乙二醇5-15份；疏水改性二异氰酸酯1-3份；稀释剂5-20份；辅助催化剂70-80份；催化剂0.5-1份；扩链剂0.1-0.5份；封端剂0.5-2份；

6、其中，所述疏水改性二异氰酸酯为r基为羟基修饰的十碳链硅氧烷，其结构式为：

7、

8、优选地，所述疏水改性二异氰酸酯的制备方法为：将十碳链硅氧基二元醇与二异氰酸酯溶解在有机溶剂中，85-100℃反应15-20小时，得到疏水改性二异氰酸酯；优选地，所述十碳链硅氧基二元醇与二异氰酸酯的质量比为(20-30)：(1-5)；优选地，所述有机溶剂为dmf。

9、优选地，所述疏水改性聚氨酯的制备方法包括如下步骤：

10、1)将聚乙二醇和过量的疏水改性二异氰酸酯搅拌混合均匀，随后在氮气保护下升温至45-55℃活化30-60min得到混合溶液；

11、2)向混合溶液中加入催化剂、扩链剂和稀释剂后升温至75-85℃反应2-3h得到预聚物；

12、3)对预聚物进行降温，降温至50-60℃后加入辅助催化剂快速搅拌中和1-3h，随后缓慢加入去离子水乳化；

13、4)向乳化后的溶液中加入封端剂即得到疏水改性聚氨酯。

14、优选地，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠和/或月桂基磺化琥珀酸单酯二钠。

15、优选地，所述稀释剂为醋酸丁酯、乙酸乙酯、丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或几种。

16、优选地，所述辅助催化剂为n,n-二甲基环己胺、n,n-二甲基卞胺、三乙胺中的一种或几种。

17、优选地，所述催化剂为三亚乙基二胺和/或五甲基二亚乙基三胺。

18、优选地，所述扩链剂为1,4-丁二醇、二乙基甲苯二胺(detda)、3,5-二氨基对氯苯中的一种或几种。

19、优选地，所述封端剂为kh550和/或十二烷基乙氧基磺基甜菜碱。上述组份中：

20、所述的聚乙二醇是合成聚氨酯的原料之一，两端的羟基可以发生聚合反应。

21、所述的疏水改性二异氰酸酯是一种聚氨酯制备过程的原料之一，其中二异氰酸酯的r基为具有十个碳链的硅氧烷长链结构，端基为羟基，改性后的疏水二异氰酸酯具备较强的疏水特性。

22、所述的催化剂为聚氨酯反应过程中的催化剂，其对于聚氨酯和羟基的催化作用具有较强的选择性，活性高且用量小，因此广泛用于聚氨酯泡沫、弹性体与塑料制品及成型工艺。

23、所述的扩链剂作为聚氨酯反应中的扩链剂，与聚氨酯预聚体反应速度快，并具有耐水解、耐热等优点。

24、所述的稀释剂一方面是聚氨酯扩链过程中的稀释剂，另一方面可以作为稀土抛光粉废料的分散溶剂。

25、所述的辅助催化剂在聚氨酯合成过程中除了用作辅助催化剂外还可以用作体系的中和成盐剂。

26、所述的封端剂是聚氨酯聚合成长链后的封端剂，将亲水端变为封端剂中的疏水基团以此对聚氨酯进行进一步改性。

27、所述的表面活性剂作为稀土抛光粉废料的表面活性剂，具有成本低的特点，而且具有优良的去污、分散、润湿和分散能力。

28、所述的稀土抛光粉废料主要成分为氧化铈和氧化镧，氧化铈在350nm处具有强烈的紫外吸收，而氧化镧在1100nm附近有优异的红外吸收特征峰，因此同时具有紫外和红外吸收特性的稀土抛光粉废料不仅具有成本低的极大优势，还具有较强的吸热融冰性能。

29、本发明的第二方面，还提供了上述以稀土抛光粉废料为原料的疏水改性聚氨酯共混防冰融冰材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

30、用表面活性剂对分散于稀释剂中的稀土抛光粉废料进行活化球磨，随后加入疏水改性聚氨酯中剧烈搅拌即得到稀土抛光粉废料与疏水改性聚氨酯共混的防冰融冰材料。

31、本发明的第三方面，还提供了上述乙烯基硅烷改性的核壳结构复合材料在制备防冰融冰剂的应用。

32、本发明的第四方面，还提供了上述乙烯基硅烷改性的核壳结构复合材料在制备铁路除冰产品中的应用。

33、如果是新的化合物，需要给出疏水改性二异氰酸酯的结构式和制备方法以及理化数据。

34、本发明相比于传统改性聚氨酯材料，首先利用其他疏水基团得到了一种未报道过的疏水聚氨酯结构，另外，本发明还采用了一种稀土抛光粉废料，其主要成分为具有紫外及红外高吸收性质的稀土氧化物材料，利用稀土废料不仅节省了制备防冰除冰涂层的成本，还解决了由稀土废料堆积、后处理困难的环境污染问题。将具有防冰性能的强疏水改性聚氨酯与赋予涂层易除冰性能的吸热融冰稀土抛光粉废料相结合，使涂层不仅具备优异的抗拉伸性，不易在寒冷环境下被破坏，还使涂层具备良好的除冰、防冰能力。通过拉力试验机测试了以稀土抛光粉废料为原料的疏水改性聚氨酯共混的防冰融冰涂层的应力-应变曲线，表征了涂层具有良好的抗拉伸性。

35、相对于现有技术，本发明具有以下优势：

36、(1)本发明所述的稀土抛光粉废料与疏水改性聚氨酯共混的防冰融冰材料利用疏水改性聚氨酯，聚氨酯的优势在于能在潮湿和干燥的各种基面上施工，并且具有较强的基面粘结力，所制备的热塑性聚氨酯具有优异的韧性，抗拉伸强度高，不易在寒冷条件下造成材料的开裂。而硅基改性后的聚氨酯不仅具有良好的疏水性还有优异抗拉伸性能。

37、(2)本发明是首次将具有吸热性质的稀土抛光粉废料(氧化铈、氧化镧等)用于除冰领域。稀土氧化物是稀土抛光粉废料的主要成分，利用稀土抛光粉废料不仅能在一定程度上解决环境污染以及稀土资源浪费的问题，另一方面还能使原料成本降低。而具有太阳光吸收性质的稀土氧化物在吸收紫外线和红外线后能够产生热量，从而达到融冰效果。

38、(3)本发明将具有优异拉伸性能的热塑性聚氨酯进行疏水改性后，与稀土抛光粉废料进行共混，使分散后的稀土颗粒通过相互作用连接在聚氨酯链上，从而在寒冷环境下能够保证融冰性能不被破坏。