BR112012030938B1

BR112012030938B1 - material composto termoestável, respectivo método de fabricação e dormente de ferrovia

Info

Publication number: BR112012030938B1
Application number: BR112012030938-2A
Authority: BR
Inventors: Peter Waznys; Anthony M Cialone; Michael Grubb
Original assignee: Encell Composites, Llc; Peter Waznys
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2020-10-13
Also published as: US20110297751A1; US9181420B2; MX2012014114A; US20140175185A1; CN103038278A; US9816235B2; ZA201209672B; CN105602057B; CN103038278B; CA2801552A1; EP2576675B1; US9644324B2; US8680165B2; WO2011153399A1; US20160024720A1; RU2012157980A; EP2576675A1; CN105602057A; BR112012030938A2; EP2576675A4

Abstract

MATERIAL COMPOSTO TERMOESTÁVEL, RESPECTIVO MÉTODO DE FABRICAÇÃO E DORMENTE DE FERROVIA. A presente invenção refere-se a um material composto termoestável que pode ser utilizado na fabricação de componentes estruturais incluindo dormentes de ferrovia, que compreende uma mistura substancialmente homogênea de uma quantidade de partículas de borracha vulcanizada que inclui uma razão predeterminada de diferentes tamanhos de partícula, e um agente aglutinante elastomérico termoestável adicionado às partículas de borracha vulcanizada. A mistura pode compreender aproximadamente 30% a aproximadamente 97% por peso das partículas de borracha vulcanizada, e a mistura está sujeita a uma moldagem por compressão a uma temperatura e pressão predeterminadas por um período de tempo residente formando o material composto. A razão de diferentes tamanhos de partícula de borracha é selecionada de modo que o material composto tenha uma densidade desejada ou esteja dentro de uma faixa de densidades desejadas.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório U.S. Número 61/351.369 depositado em 04 de Junho de 2010, e aqui incorporado por referência na sua totalidade.

CAMPO DA INVENÇÃO

[0002] A presente invenção refere-se a materiais compostos utilizados na fabricação de componentes estruturais, e aos métodos para fabricar tais materiais compostos. Mais especificamente, as modalidades da invenção dizem respeito a materiais compostos termoestáveis feitos de pó de borracha reciclada ttransformada.

[0003] Vários processo e métodos foram desenvolvidos para triturar artigos de borracha descartados, tal como pneus, em que os artigos de borracha descartados são reduzidos a tamanhos que podem ser reutilizados na produção de novos produtos de borracha. A forma particulada deste produto de borracha é frequentemente referido como borracha em migalhas ou pó de borracha. Os processos e aparelhos de trituração de borracha devem superar o alto grau de elasticidade da borracha. Realmente, a moagem ou recorte de produtos de borracha em temperaturas ambientes geram um calor suficiente por meio de que as partículas de borracha resultantes são relativamente não reativas. Mais ainda, tais processos produzem uma borracha em migalhas que inclui tamanhos de particulados maiores e não uniformes. Apesar da borracha em migalhas produzida por estes processos ser barata e econômica de utilizar para fabricar novos produtos de borracha, a borracha em migalhas não podia ser utilizada para desenvolver um produto "baseado em borracha". Isto é, a borracha em migalhas é essencialmente utilizada como materiais de enchimento, porque o polímero de borracha não podia ser ligado cruzado com outros polímeros.

[0004] Realmente, a borracha em migalhas tem sido utilizada como um ingrediente secundário em compostos e produtos técnicos, e não tem sido utilizada como o polímero de base primário para o qual o composto é formulado e outros aditivos e constituintes são adicionados também. Cargas comerciais típicas para materiais técnicos têm sido na faixa de 1% a 15%. Em tais casos a borracha em migalhas é utilizada como um enchimento não técnico para reduzir os custos de composto totais, e pode prejudicar as propriedades técnicas do polímero de base. Por exemplo, adicionar mais borracha em migalhas efetivamente reduziria a resistência à tração de um material composto.

[0005] Devido à sua incapacidade de ligar quimicamente, alguns compostos da técnica anterior foram formulados empregando plásticos como o polímero de base e utilizaram técnicas de moldagem por extru- são de modo a encapsulara borracha em migalhas. Além disso, os elas- tômeros termoplásticos (TPEs) utilizados no passado tinham uma fraca resistência química e térmica e baixa estabilidade térmica. Tais TPEs frequentemente amaciam ou fundem em temperaturas elevadas derrogando a cadeia de polímero, tornando o material composto inutilizável.

[0006] Outro processo para triturar os artigos de borracha foi desenvolvido por meio de que certas etapas do processo são termicamente controladas. Isto é, a temperatura das partículas de borracha é controlada ou mantida em temperaturas suficientemente baixas de modo que a temperatura da borracha durante o processamento não suba acima de sua temperatura de transição de vidro fazem com que as propriedades elásticas inerentes emirjam. Tais processos são capazes de produzir pó de borracha em migalhas com tamanhos de partícula muito menores e uma distribuição mais uniforme de um tamanho de partícula. Além disso, as partículas de borracha em migalhas podem potencialmente ser mais reativas e capazes de aderência de ligação cruzada com outros problemas. No entanto, até o momento, processos, métodos ou aparelhos não foram desenvolvidos para se aproveitar desta tecnologia para produzir materiais compostos que são moldados ou configurados para serem utilizados como componentes estruturais funcionais.

[0007] Prover um material composto que inclua no seu material de base partículas de borracha reciclada transformada que são utilizadas para fabricar componentes estruturais tal como dormentes de ferrovia pode ser especificamente vantajoso. Conforme os países em desenvolvimento constroem a sua infraestrutura de transporte em climas inóspitos (calor/frio extremo, umidade, UV, luz solar, insetos, etc.), materiais técnicos de duração mais longa precisam ser utilizados de modo a amortizar os custos antecipados sobre períodos de tempo mais longos para financiar e reduzir o custo de manutenção. Tal utilização de materiais compostos pode superar as dificuldades de atender ferrovias em localizações remotas, e reduzir o descarte de refugo.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0008] Uma modalidade da invenção inclui um material composto termoestável que incorpora partículas de borracha reciclada transformada (ERRP) como um polímero de base e um componente primário ao qual ingredientes suplementares são adicionados também, para melhorar e aperfeiçoar as propriedades mecânicas e físicas desejadas. As cargas típicas podem incluir tanto quanto 30% por peso de ERRP, ou mais e tipicamente varia de 60 a 90%, misturado com um agente aglu-tinante elastomérico termoestável. Esta mistura está sujeita a forças de moldagem compressivas em pressões e temperaturas predeterminadas para formar um material composto termoestável que pode ser utilizado como um componente estrutural tal como um dormente de ferrovia.

[0009] Como o material composto emprega ERRP como o polímero de base técnico, o ERRP representa a maior despesa por quilo de composto acabado. Como certos aditivos são incorporados e combinados em modos específicos e em tempos predeterminados nos ERRPs de processo, as propriedades do composto são melhoradas. As modalidades do material composto termoestável não somente permitirão que dormentes de ferrovia atendam as especificações da indústria, mas também permitirão a instalação utilizando o mesmo equipamento e dispositivos de fixação correntemente em uso para instalar os dormentes convencionais. O material composto termoestável é feito de materiais e pode ser fabricado para qualificar como um deslocamento de carbono quando comparado com outros materiais de dormente de ferrovia tal como madeira, concreto, plástico e outros compostos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0010] Figura 1 é um fluxograma que descreve o processo para fabricar o material composto termoestável.

[0011] Figura 2 é uma vista em perspectiva de topo de um dormente de ferrovia que compreende o material composto termoestável.

[0012] Figura 3 é uma vista em perspectiva inferior do dormente de ferrovia da Figura 2.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0013] Uma modalidade da invenção para um material composto termoestável pode ser fabricada de uma mistura de pó de borracha em migalhas vulcanizada reciclada, também referida como pó de borracha reciclada transformada ("ERRP") e um agente aglutinante elastomérico termoestável. Esta mistura é misturada para formar uma mistura homogênea dos componentes e então é moldada sob calor e pressão sufici-entes por um tempo residente para formar um material composto. Em uma modalidade, o agente aglutinantes elastomérico termoestável é uma borracha não vulcanizada (provida de preferência em forma granulada) combinada com um "pacote de cura", o qual facilita a vulcanização da borracha quando a mistura está sujeita ao calor e à pressão. Em outra modalidade, a mistura pode incluir o ERRP combinado com um poliuretano termoestável ou uma resina de poliureia, a qual é também sujeita ao calor e à pressão para prover um material composto termoestável. Em qualquer modalidade, o material composto moldado tem as propriedades desejadas tais como densidade, resistência à tração, dureza e rigidez ao dobramento para servir como um componente estrutural tal como um dormente de ferrovia.

[0014] O ERRP ou partículas de borracha vulcanizada pode ser produzido de processos conhecidos tal como os métodos descritos nas Patentes U.S. Números 5.588.600; 7.093.781; e 7.108.207 para triturar a borracha em partículas, os quais estão aqui incorporados por referência. Tais métodos incluem etapas para resfriar ou congelar as partículas de borracha em temperaturas criogênicas, antes de triturar a borracha. Tal pó de borracha em migalhas inclui o ERRP acima referido e pode também ser referido como pó de borracha criogenicamente granulada. Este pó de borracha em migalhas exibe uma superfície única adequada para adesão interfacial e excelentes propriedades mecânicas quando processado na formação de um material composto. Realmente, a utilização deste pó de borracha pode reduzir a necessidade de modificadores dispendiosos.

[0015] A invenção está também contemplada para cobrir quaisquer partículas de borracha vulcanizada ou ERRP que sejam fabricadas sob condições termicamente controladas, tal como controlar a temperatura do material de borracha durante as etapas de moagem ou outras etapas em um processo de trituração. Assim, o termo "borracha granulada termicamente controlada" como aqui utilizado deverá significar qualquer borracha em migalhas vulcanizada ou produto de borracha em forma particulada que seja fabricado sob condições termicamente controladas de modo que a temperatura da borracha seja mantida abaixo de uma temperatura predeterminada que pode ter um efeito prejudicial sobre as características físicas ou mecânicas da borracha.

[0016] O componente de borracha não vulcanizada pode ser uma sucata de borracha formulada para utilização na produção de produtos de borracha tal como pneus; no entanto, a borracha é sucatada como um resultado de não atender às especificações de fabricação. Esta sucata de borracha é também comumente referida como "borracha verde". Quando utilizando a borracha verde ou a borracha não vulcanizada, agentes de vulcanização são adicionados para facilitar a vulcanização da borracha não vulcanizada. Assim, um "pacote de cura" pode ser adicionado à mistura, em que o pacote de cura pode compreender o enxofre em combinação com aditivos tais como aceleradores, ativadores tal como o óxido de zinco, o ácido esteárico, antidegradantes e/ou antioxi- dantes. O "pacote de cura" provê a ligação cruzada da borracha não vulcanizada (ou borracha natural ou borracha de estireno butadieno (SBR)) para estabilizar o material composto termoestável.

[0017] Além disso, uma borracha vulcanizada despolimerizada, também conhecida como Pyro-Black, a qual é tipicamente produzida pela despolimerização de sucata de pneus, pode ser adicionada a qualquer uma das duas modalidades da mistura. Em uma modalidade alternativa, ou alternativamente à utilização de Pyro-Black, Negro de Fumo pode ser utilizado. O Negro de Fumo é uma forma de carbono amorfo que também tem uma alta razão de área de superfície para volume.

[0018] As modalidades da invenção estão apresentadas na Tabela I abaixo; no entanto, a invenção não está limitada a estas modalidades e pode incluir os componentes da composição ou mistura em diferentes concentrações ou diferentes faixas de concentração: Tabela I

[0019] Como mostrado uma mistura é formulada incluindo aproximadamente 30% a aproximadamente 70% por peso da sucata de borracha não vulcanizada; aproximadamente 20% a aproximadamente 50% por peso do pó de borracha transformada reciclada vulcanizada; aproximadamente 8% por peso de Pyro-Black ou Negro de Fumo; e, aproximadamente 2% a aproximadamente 12% por peso de outros ingredientes. Os "outros ingredientes" incluem o "pacote de cura" acima mencionado que inclui o enxofre, aceleradores, ativadores, etc. Além disso, os "outros ingredientes" podem incluir agentes aglutinantes e/ou compatibilizadores que são conhecidos serem utilizados com os compostos de borracha reciclada na fabricação de materiais compostos. Aproximadamente 1% a 5% por peso da mistura pode compreender o "pacote de cura" incluindo o enxofre e outros aditivos dependendo da razão de borracha verde para migalhas utilizada.

[0020] Além dos componentes acima, um agente de expansão pode ser adicionado à mistura para controlar algumas características de produto final tal como elasticidade, dureza, resistência à tração, compressão, peso, etc. Agentes de expansão conhecidos que podem ser utilizados como os materiais de borracha acima descritos podem ser selecionados de um grupo de agentes de expansão conhecidos como sulfo- hidrazidas, os quais podem decompor em temperaturas mais baixas em relação a alguns outros agentes de expansão. As sulfo-hidrazidas podem ter uma temperatura de decomposição de aproximadamente 105°C ou mais alta, comparado com as azodicarbonamidas as quais podem ter temperaturas de decomposição que variam de aproximadamente 165°C a aproximadamente 210°C,

[0021] como descrito em mais detalhes, os agentes de expansão podem ser introduzidos na mistura homogênea antes do estágio de vulcanização / moldagem por compressão do processo / método descrito iniciar.

[0022] O tamanho de partícula do pó de borracha vulcanizada e da borracha não vulcanizada pode variar de acordo com as propriedades mecânicas ou físicas desejadas do material composto termoestável fabricado utilizando a mistura. Quando referindo a um tamanho de partícula o termo "mesh"pode ser usado para referir a uma amostra de partículas de borracha que tem geralmente um único tamanho ou diâmetro, ou uma faixa de tamanhos. Por exemplo, uma amostra ou uma quantidade de partículas de borracha na qual as partículas têm um tamanho de 10 mesh significará que uma percentagem (tipicamente 95%) das partículas para a dada amostra tem um diâmetro de 2 mm ou menos, ou 95% das partículas passará através de uma peneira de 10 mesh. Quando referindo a uma amostra, ou uma dada quantidade de partículas de borracha, ter uma faixa de tamanhos de mesh significará que uma certa percentagem (tipicamente 95%) das partículas de borracha daquela amostra estão dentro da faixa designada. Por exemplo, uma amostra que têm partículas de borracha na faixa de -40 mesh a +60 mesh deverá referir a tamanhos de partículas em que aproximadamente 95% das partículas passarão através de uma peneira de 40 mesh, mas também serão retidas por uma peneira de 60 mesh. Neste exemplo, as partículas da dada amostra teriam um diâmetro de aproximadamente 0,25 mm (250 pm) a aproximadamente 0,4 mm (400 pm).

[0023] As partículas de borracha vulcanizada granulada ou ERRP termicamente controladas, se comparado com outros produtos de borracha em migalhas, têm locais quimicamente mais ativos tornando-as mais reativas, por meio disto provendo um nível de ligação cruzada entre as partículas de borracha e outros polímeros possível. Consequentemente, o tamanho das partículas e a distribuição de um tamanho de partícula dentro de uma amostra do ERRP afeta diretamente a capacidade de ligação cruzada do ERRP com outros polímeros, tal como os agentes de ligação elastoméricos termoestáveis acima descritos.

[0024] Segue que o tamanho de partícula e a distribuição de tamanho de partícula das partículas de borracha vulcanizada têm um efeito direto sobre as propriedades físicas da mistura antes da mistura ser curada, o que afeta o processamento da mistura e/ou o processo de cura. Por exemplo, um menor tamanho de partícula e de distribuição de tamanho de partícula pode aumentar a viscosidade da mistura, o que pode aumentar um tempo de incorporação durante a mistura para criar o homogêneo. Além disso, uma distribuição de maior de tamanho de partícula pode resultar na mistura, em uma forma extrudada ou moldada, contrair ou expandir mais do que partículas menores, o que afetará diretamente a quantidade da mistura utilizada para moldar e formar o componente estrutural de acordo com certas dimensões e configurações. Além disso, o tamanho de partícula e a distribuição de partícula afetam diretamente a densidade do material composto final, o que por sua vez afeta outras propriedades mecânicas e físicas do material composto termoestável. Por exemplo, a resistência à tração do material composto aumenta conforme o número de partículas menores aumenta; um aumento em dureza é consistente com tamanhos e distribuições de menores partículas; ou, a percentagem de elongação na ruptura também aumenta com os menores tamanhos de partícula.

[0025] Com relação às modalidades da invenção, o tamanho de partícula para as partículas de borracha vulcanizada para uma dada mistura pode variar em qualquer lugar de aproximadamente 10 mesh a aproximadamente 140 mesh. Isto é, o tamanho para todas as partículas de borracha vulcanizada para uma quantidade selecionada de ERRP pode ser um único tamanho selecionado da faixa de tamanho de 10 mesh (maior) até 140 mesh (menor). Alternativamente, o tamanho de todas as partículas para uma quantidade selecionada de ERRP pode variar em tamanho de modo que existam partículas que não sejam maiores do 10 mesh e menores do que 140 mesh. De preferência, o tama-nho de partícula está na faixa de aproximadamente 10 mesh a aproximadamente 60 mesh, e mais de preferência de aproximadamente 20 mesh a aproximadamente 40 mesh.

[0026] Em uma modalidade, uma quantidade selecionada de ERRP utilizada na mistura pode ter uma razão predeterminada de diferentes tamanhos das partículas de borracha vulcanizada. Esta razão de diferentes tamanhos de partículas pode ser selecionada de acordo com uma ou mais propriedades físicas ou mecânicas desejadas do material composto termoestável, cujas propriedades podem ser dependentes da função do componente estrutural fabricado do material composto termoestável. Por meio de exemplo, um dormente de ferrovia o qual requer um alto grau de rigidez com boas propriedades de resistência à tração pode ser fabricado de uma mistura do ERRP e do agente aglutinante elastomérico termoestável e ter uma densidade que varia de 720,83 kg/m3 (45 lb/ft3) a aproximadamente 1281,48 kg/m3 (80 lb/ft3), e de preferência uma densidade que varia de 961,11 kg/m3 (60 lb/ft3) a aproximadamente 1121,29 kg/m3 (70 lb/ft3). Uma mistura que inclui o ERRP para tal componente estrutural pode incluir uma razão de tamanhos de partículas do ERRP como segue:

[0027] aproximadamente 25% das partículas têm um tamanho de - 20 mesh (25% tem um diâmetro médio de 707 microns ou menor);

[0028] aproximadamente 25% das partículas têm um tamanho de - 40 mesh a +60 mesh (25% tem um diâmetro de 250 microns - 400 microns); e

[0029] aproximadamente 50% das partículas têm um tamanho de - 80 mesh (25% tem um diâmetro médio de 177 microns ou menor).

[0030] Tal mistura de ERRP e do agente aglutinante pode produzir um material composto termoestável que tem uma densidade que é de pelo menos 961,11 kg/m3 (60 lb/ft3).

[0031] Em outro exemplo, a razão de diferentes tamanhos de partículas pode incluir um conteúdo mais alto de partículas maiores para afetar uma característica física do material composto. Por exemplo, um aumento de distribuição de tamanho de partícula maior pode permitir um amortecimento de vibração adicional, e o material composto termoestável pode ter uma densidade de 720,83-800,92 kg/m3 (45-50 lb/ft3). Tal mistura pode incluir ERRP com uma razão de tamanhos de partícula incluindo:

[0032] aproximadamente 33% das partículas têm um tamanho de - 20 mesh (33% tem um diâmetro médio de 707 microns ou menor);

[0033] aproximadamente 33% das partículas de tamanho de -40 mesh a +60 mesh (33% tem um diâmetro de 250 microns - 400 microns); e

[0034] aproximadamente 33% das partículas têm -80 mesh (33% tem um diâmetro médio de 177 microns ou menor).

[0035] Em ainda outro exemplo, uma quantidade desejada de elasticidade pode ser necessária para um componente estrutural vertical tal como uma estaca marinha, onde o material composto termoestável pode ter uma densidade de aproximadamente 640,74-800,92 g/cm3 (40- 50 lb/ft3). Tal mistura pode incluir um ERRP com uma razão de tamanhos de partícula incluindo:

[0036] aproximadamente 40% das partículas tendo um tamanho de -20 mesh (40% tem um diâmetro médio de 707 microns ou menor);

[0037] aproximadamente 30% das partículas de tamanho de -40 mesh a +60 mesh (30% tem um diâmetro de 250 microns - 400 microns); e

[0038] aproximadamente 30% das partículas têm -80 mesh (30% tem um diâmetro médio de 177 microns ou menor).

[0039] Com relação à Figura 1, está mostrado um fluxograma que delineia um método para fabricar um material composto termoestável; ou, o mesmo pode ser caracterizado como um método para fabricar um componente estrutural de um material composto termostável. Em uma primeira etapa 10, cada um dos componentes incluindo o ERRP e o aglutinante, o qual pode incluir partículas de borracha não vulcanizadas em combinação com o "pacote de cura" acima referido são introduzidos em um misturador (de preferência um misturador de alto cisalhamento). Alternativamente, um agente aglutinante de poliuretano / poliureia pode ser misturado com o ERRP ao invés da borracha não vulcanizada e do agente de cura. Como é conhecido daqueles versados na técnica, os misturadores de alto cisalhamento podem ter rotores contrarrotativos que podem gerar um calor considerável durante o processo de mistura, portanto, medidas podem ser tomadas para manter a temperatura da mistura, ou um interior do misturador de alto cisalhamento, abaixo de temperaturas nas quais a vulcanização pode ocorrer. As temperaturas típicas para uma mistura de alto cisalhamento podem ser controladas de 37,7°C a 79,4°C (100°F) a (175°F).

[0040] Em uma etapa alternativa 12, aditivos tais como borracha vulcanizada despolimerizada, enchimentos, agentes de expansão, com- patibilizadores, etc., podem ser introduzidos neste estágio. Alguns exemplos de enchimento podem incluir materiais fibrosos reciclados tal como papel moeda ou carpete reciclado, carbonato de cálcio, talco de monomistura MISTRON® ou talco de vapor MISTRON® ou uma sílica granulada. É compreendido que tal sílica granulada não foi utilizada em qualquer formulação de borracha até o momento.

[0041] Novamente em referência à etapa 12 com relação à introdução de um agente de expansão na mistura, o agente de expansão pode ser adicionado em uma quantidade de aproximadamente 0,00% a 0,5%, e de preferência 0,025% a aproximadamente 0,5% da mistura / material composto quando adicionado. Os agentes de expansão são conhecidos como substâncias que podem ser misturadas em uma variedade de materiais, incluindo os materiais de borracha, que sofrem uma degradação controlada, a qual libera um gás inerte sob as temperaturas e pressões de moldagem por compressão para gerar estruturas celulares dentro da matriz de composto. O estágio no qual o agente de expansão é introduzido na mistura homogênea pode depender do tipo de agente de expansão utilizado. Por exemplo, um agente de expansão que decompõe a temperaturas mais baixas, tal como as sulfo-hidrazinas, pode ser introduzido na mistura homogênea antes da injeção no estágio de moldagem por compressão / vulcanização. Para este fim, agentes de expansão, tal como as azodicarbonamidas que decompõe em temperaturas mais al-tas podem ser introduzidos mais cedo na mistura homogênea no estágio de mistura. A introdução do agente de expansão no misturador de alto cisalhamento pode também ser ditada pela temperatura de mistura. Uma quantidade suficiente de agente de expansão deve ser introduzida de modo a obter as propriedades físicas desejadas do produto final.

[0042] Na etapa 14, a mistura acima descrita é misturada no misturador de alto cisalhamento para obter uma mistura substancialmente ou geralmente homogênea dos componentes de borracha e aglutinante. O termo homogêneo como aqui utilizado geralmente significa que a mistura tem as mesmas proporções através de toda uma dada amostra ou múltiplas amostras de diferentes proporções para criar uma mistura consistente. Com relação aos pesos das composições ou misturas apresentados acima na Tabela I e as composições abaixo descritas nas Ta- belas ll-XIII, a etapa de mistura 14 pode levar 5-10 minutos, ou possivelmente menos ou mais dependendo do volume ou peso da mistura. Parâmetros de mistura similares podem ser utilizados com a modalidade da Mistura que inclui o poliuretano ou a poliureia.

[0043] Com relação à etapa 16 a mistura homogênea é introduzida em um ou mais moldes de um aparelho de moldagem por compressão em que a mistura sofre uma moldagem comprimida a uma temperatura predeterminada, uma pressão predeterminada e por um período de tempo residente. Dependendo do tipo de componente estrutural que está sendo fabricado uma pluralidade de moldes pode ser provida que está dimensionada para formar os componentes estruturais desejados. Por exemplo, os moldes dimensionados para formar dormentes de fer-rovia podem ser providos em que o dormente de ferrovia fabricado pode ter 17,7 cm x 22,8 cm x 259,0 cm (7" x 9" x 102") (ou 274,3 cm (108")). Em tal caso, a mistura homogênea pode ser sujeita a aproximadamente 6,89 MPa (1.000 psi) a 31,026 MPa (4.500 psi) por urn tempo residente de aproximadamente 6 minutos a aproximadamente 10 minutos a uma temperatura que varia de aproximadamente 93,33°C (200°F) a aproximadamente 176,67°C (350°F). Estes parâmetros citados estão providos como exemplo, e alguém versado na técnica apreciará que estes parâmetros podem variar de acordo com as dimensões do componente estrutural, de acordo com outras características físicas tais como elasticidade, rigidez, dureza resistência à compressão, etc., e/ou níveis de concentração dos diferentes componentes.

[0044] Uma etapa adicional 18 está também referenciada na Figura 1, em que a mistura homogênea sofre uma extrusão durante o fornecimento da mistura homogênea do misturador de alto cisalhamento para o processo de moldagem por compressão. Um extrusor pode fornecer a mistura sob pressão e temperatura de modo a manter a mistura em uma viscosidade desejada para fornecimento para o processo de moldagem por compressão. Além disso, a extrusão pode também manter a característica homogênea da mistura; e, a magnitude ou quantidade ex- trudada deve corresponder às dimensões físicas do componente estrutural a ser fabricado. A extrusão pode acontecer a temperaturas de aproximadamente 162,7°C (325°F) a aproximadamente 204,4°C (400°F) a pressões que variam de aproximadamente 5,17 MPa (750 psi) a aproximadamente 10,34 MPa (1.500 psi).

[0045] Nas etapas 20 e 22, um componente estrutural desenvolvido do método e mistura acima descritos é removido do molde e permitido resfriar. O componente pode ser resfriado na temperatura ambiente. Finalmente, na etapa 24 testes de controle de qualidade podem ser conduzidos sobre um ou mais componentes estruturais de amostra para determinar se o componente atende alguns critérios predeterminados ou perfil de propriedade física para funcionar para um propósito pretendido.

TESTE DE AMOSTRA DE ERRP E SBR NÃO VULCANIZADA

[0046] Amostras de uma composição termoestável que inclui o ERRP, a borracha não vulcanizada e um pacote de cura foram sujeitas à pressão e ao calor por um tempo residente e então testadas para determinar várias propriedades mecânicas ou físicas. Uma formulação de controle foi desenvolvida e incluía os seguintes componentes como abaixo apresentado na Tabela II: Tabela II Formulação de Controle

1 partes por centena de borracha; 2 trimetil diidroquinolina (antioxidante) 3 isopropril fenil fenilendiamina (antiozidante) 4 ciclo-hexil benzotiazol sulfenamida (acelerador) 5 enxofre de fabricante de borracha (agente curativo primário) 6 butil benzotiazol sulfenaminda terciário (acelerador retardado)

[0047] O SBR 1085 é uma borracha não vulcanizada de estireno- butadieno que foi utilizada no lugar de borracha verde ou sucata. Além disso, o SBR foi provido em tiras de 6,3 cm x 6,3 cm x 10,1 cm (1/4" x 1/4" x 4"); no entanto, o SBR pode ser adicionado em forma granulada ou em pó de um tamanho de particulado de aproximadamente 30-80 mesh. O pacote de cura incluía óxido de zinco, ácido esteárico e os compostos acima listados, os quais são tipicamente encontrados em pacotes de cura de vulcanização. De modo a avaliar o efeito de pó de borracha reciclada transformada nas amostras de teste, as informações de controle não incluíam nenhum ERRP. Em comparação, as amostras testadas incluíam ERRP em diferentes concentrações e com partículas de diferentes tamanhos. O ERRP foi obtido da Liberty Tire Recycling o qual tem uma matriz corporativa localizada em Pittsburgh, Pensilvânia, e incluía pó de borracha criogenicamente granulado.

[0048] A Formulação de Controle incluindo o SBR e o pacote de cura foi moída por 7 minutos em um moinho de dois rolos a uma temperatura máxima de aproximadamente 65,5°C (150°F), para formar um "lote mestre" que foi testado e utilizado para criar as amostras de teste e incluindo o ERRP. Uma amostra de controle do lote mestre foi então colocada dentro de um molde e sujeita à moldagem por compressão a 31,03 MPa (4.500 psi) por 10 minutos a aproximadamente 176,67°C (350°F). A amostra de controle foi testada para medir várias propriedades físicas incluindo dureza (Durômetro Shore A), resistência à tração, e percentagem de elongação na ruptura e módulo de tração em diferentes níveis de elongação. Os resultados de testes para a Formulação de Controle estão providos na Tabela III abaixo: Tabela III

[0049] Como acima descrito, o ERRP foi adicionado a porções do lote mestre em diferentes concentrações e tendo diferentes tamanhos granulares ou de partícula. O ERRP, que tem tamanhos de partícula variando de 10 mesh a 18 mesh (Tabela IV), foi adicionado a respectivas porções do lote mestre em concentrações de 20% por peso, 40% por peso e 50% por peso; um ERRP, que tem tamanhos de partícula variando de 10 mesh a 30 mesh (Tabela V), foi adicionado a respectivas porções do lote mestre em concentrações de 20% por peso, 40% por peso e 50% por peso.

[0050] Além disso, um ERRP, que tem um tamanho de particulado distribuído de 20 mesh (Tabela VI), foi adicionado a respectivas porções do lote mestre em concentrações de 20% por peso, 40% por peso e 50% por peso; e, um ERRP, que tem um tamanho de particulado distribuído de 30 mesh (Tabela VII), foi adicionado a respectivas porções do lote mestre em concentrações de 20% por peso, 40% por peso e 50% por peso.

[0051] O ERRP foi adicionado ao lote mestre da Formulação de Controle durante a moagem em um moinho de dois rolos, cuja moagem foi conduzida por 7 minutos a uma temperatura de aproximadamente 65,5°C (150°F). Então as amostras de teste foram colocadas dentro de moldes e sujeitas à moldagem por compressão a uma pressão de aproximadamente 31,03 MPa (4.500 psi) a uma temperatura de aproximadamente 176,67°C (350°F) por aproximadamente 10 minutos. As amostras foram então testadas para medir as propriedades físicas acima descritas. Estes resultados de teste estão providos nas Tabelas IV-VII abaixo: Tabela IV ERRP de 10-18 Mesh

Tabela V ERRP de 10-30 Mesh

Tabela VI ERRP de 20 Mesh

Tabela VII ERRP de 30 Mesh

[0052] Em geral, a adição de ERRP melhorou as propriedades físicas das amostras em relação à Formulação de Controle. Os resultados de teste também mostram que uma concentração ótima seria de aproximadamente 40% a aproximadamente 50% por peso do ERRP. Além disso, o menor tamanho de partícula produziu um melhor perfil de propriedade total. Isto é, as amostras que incluíam as distribuições de ta-manho de partícula de 20 mesh e 30 mesh se comparadas com as amostras com partículas de maior tamanho ou amostras que têm a faixa de tamanhos de partículas, produziram um melhor perfil de propriedade total.

[0053] Um lote mestre da Formulação de Controle (incluindo o SBR e o pacote de cura) foi também preparado para mistura com ERRP e outros aditivos tais como agentes de expansão e cargas de aglutinação. Mais especificamente, as cargas incluindo o talco de monomistura MIS- TRON® e a sílica moída VCAR 140 (uma sílica reciclada granulada foram adicionadas a diferentes amostras; e, agentes de expansão incluindo um agente de expansão de AZO (azodicarbonamida) e um agente de expansão de OBSH (oxibis benzeno sulfonila hidrazida).

[0054] Com relação à utilização das cargas como apresentado nas Tabelas VIII e IX, a amostra de controle incluía 80% por peso do lote mestre e 20% por peso das respectivas cargas. Com relação às amostras incluindo o ERRP com a carga, as amostras incluíam 40% por peso do lote mestre, 40% por peso do ERRP e 20% por peso da respectiva carga. Novamente quatro diferentes tamanhos de partícula do ERRP incluindo as amostras que têm tamanhos de partícula variando de 10- 18 mesh e 10-30 mesh. Além disso, amostras que têm uma distribuição de tamanho de partícula de 20 mesh e 30 mesh foram incluídas no teste.

[0055] Com relação às amostras incluindo os agentes de expansão apresentados nas Tabelas X e XI, a amostra de controle incluía 99,5% por peso do lote mestre e 0,5% por peso do agente de expansão. As amostras com o ERRP incluíam 59,5% por peso do lote mestre, 40% por peso do ERRP e 0,5% por peso do agente de expansão. Novamente, estas amostras incluíam os tamanhos de partícula de ERRP acima descritos. Todas as amostras nas quais as cargas e os agentes de expansão foram adicionados incluíam o ERRP criogenicamente granulado acima descrito.

[0056] As amostras foram preparadas como acima descrito incluindo a moagem dos constituintes de uma mistura em um moinho de dois rolos por 7 minutos. As misturas foram colocadas dentro de um molde e aquecidas por 10 minutos a 176,67°C (350°F) e 31,03 MPa (4.500 psi) de pressão. Os resultados de teste para as amostras incluindo as cargas estão listados nas Tabelas VIII e Tabelas IX; e Os resultados de teste para as amostras incluindo os agentes de expansão estão listados nas Tabelas X e XI abaixo: Tabela VIII

Tabela IX

Tabela X

Tabela XI

TESTE DE AMOSTRA DE ERRP E POLIURETANO

[0057] Amostras de uma mistura incluindo o ERRP e o poliuretano foram também formuladas, moldadas e testadas. Mais especificamente, uma mistura de aproximadamente 95% de ERRP e aproximadamente 5% de poliuretano (aglutinante de pré-polímero de uretano Marchem Série 3800) foi misturada em um misturador de fita Robart de laboratório por aproximadamente 3-5 minutos. As amostras incluíam o ERRP crio- genicamente granulado com tamanhos de partícula na faixa de 10-30 mesh e na faixa de 10-18 mesh, assim como amostras incluindo distribuições de tamanho de partícula de 20 mesh e 30 mesh. Cada mistura de amostra foi transferida à mão para um molde de 10,1 cm x 10,1 cm x 1,2 cm (4" x 4" x 1/2") onde esta foi aquecida por 6 minutos a 93,33°C (200°F) sob 6,89 MPa (1.000 psi) de pressão, o que era uma quantidade máxima de pressão alcançável com uma prensa de laboratório não hidráulica. Os resultados de testes para estas amostras estão listados abaixo na tabela XII: Tabela XII

[0058] É notado que um tamanho de partícula de ERRP de 30 mesh foi testado utilizando 5% por peso de poliuretano; no entanto, a amostra não permaneceu intacta após o processo de moldagem. Outra amostra foi testada utilizando 10% por peso do poliuretano como um aglutinante. Os testes de propriedades mecânicas demonstraram uma resistência ao rasgamento de 33,5 kg (74 lb), resistência à tração @ ruptura de 2,21 MPa (321 psi) a uma densidade de 3,69 g/cm3 (65,5 g/in3). Além disso, amostras incluindo somente 3,8% do poliuretano e 96,2% por peso do ERRP utilizando 10-30 mesh, 10-18 mesh e 20 mesh foram testadas. Estas amostras demonstraram resistência ao rasgamento variando de 18,1 kg a 28,0 kg (40 lb a 62 lb), e uma resistência à tração variando de 1,63 a 2,11 MPa (236 a 305 psi). A amostra de 20 mesh demonstrou os resultados de teste mais alto incluindo a resistência de rasgamento de 28,0 kg (62 lb) e a resistência à tração de 2,10 MPa (305 psi).

[0059] Dados os resultados de teste acima, a utilização de poliuretano ou poliureia como um aglutinante de aproximadamente 3-15% por peso, com uma moldagem por compressão acontecendo a aproximadamente 6,89 MPa (1.000 psi) a aproximadamente 31,03 MPa (4.500 psi) a aproximadamente 121,1°C (250°F) para um tempo residente de aproximadamente 10 minutos, produzirá componentes estruturais que atenderão à propriedade mecânicas requeridas para vários componentes estruturais, incluindo mas não limitado a dormentes de ferrovia. A quantidade poliuretano ou poliureia é de preferência aproximadamente 5% a aproximadamente 10% por peso.

[0060] Como acima mencionado, um componente estrutural que pode ser fabricado do material composto termoestável acima descrito é um dormente de ferrovia. O dormente de ferrovia deve ser fabricado de acordo com os padrões preferidos American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (AREMA). Consequentemente, urn dormente de ferrovia fabricado de acordo com o padrão AREMA é de 17,7 cm x 22,8 cm x 259,0 cm (7" x 9" x 102") (ou 274,3 cm (108")). Mais ainda, o material composto termoestável fabricado como acima descrito tendo um Durômetro Shore A de pelo menos 80, uma resistência à tração de 1,72 MPa (250 psi) e uma densidade de aproximadamente 881,02 kg/m3 (55 lbs/ft3) podem ser os padrões AREMA para dormentes de ferrovia.

[0061] Em uma modalidade como mostrado nas Figuras 2 e 3 uma configuração de dormente de ferrovia 20 tem dois lados verticais 28A e 28B, um lado superior 24A, um lado inferior 24B, e extremidades opostas 26A e 26B. Ambos os lados verticais 28A e 28B e cada extremidades 26A e 26B serão providos com ranhuras verticais substancialmente retas 22 a uma profundidade mínima de 4,7 mm (3,16"). Como medido verticalmente do lado inferior de dormente de ferrovia, as ranhuras em ambos os lados verticais e ambas as extremidades terminarão em um ponto de modo a prover pelo menos 25,4 mm (1") de área de superfície total de 22,8 cm (9") x (259,0 cm ou 274,3 cm (102" ou 108")). Esta configuração permite uma ejeção vertical do dormente do molde de compressão.

[0062] Além disso, ranhuras podem estar providas sobre o lado inferior da configuração de dormente de ferrovia. Devido à técnica de moldagem (moldagem por compressão utilizada) a configuração de ranhura no lado inferior pode consistir em divisas 30 ou ranhuras no plano horizontal; no entanto, os tipos de depressões, ranhuras ou endentações sobre qualquer lado do componente podem ser tão simples ou complexas dependendo da técnica de moldagem utilizada. As ranhuras 22 e as divisas 30 moldadas proveem um intertravamento estrutural com o dormente de ferrovia e o lastro de suporte de pedra britada de leito de estrada para por meio disto impedir um movimento longitudinal de um conjunto de dormente de ferrovia e trilho. Configurações de parede lateral de intertravamento alternadas são possíveis, tal como os padrões de banda de pneu, utilizando um movimento de parede lateral de molde hidraulicamente ou pneumaticamente acionado.

[0063] Apesar das modalidades preferidas da presente invenção terem sido aqui mostradas e descritas, será óbvio que tais modalidades são providas como exemplo somente. Numerosas variações, mudanças e substituições ocorrerão àqueles versados na técnica sem afastar da invenção aqui. Consequentemente, é pretendido que a invenção seja limitada somente pelo espírito e escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. Material composto termoestável, caracterizado pelo fato de que compreender: uma mistura substancialmente homogênea de uma quantidade de partículas de borracha reciclada vulcanizada que inclui uma razão predeterminada de diferentes tamanhos de partícula, e um agente aglutinante de poliureia elastomérico termoestável adicionado às partículas de borracha vulcanizada; a mistura compreende de 30% a 97% por peso das partículas de borracha reciclada vulcanizada, e a mistura está sujeita a uma moldagem por compressão a uma temperatura e pressão predeterminadas por um período de tempo residente formando o material composto; e um material de enchimento fibroso e um material de enchimento de sílica granulada.

2. Material composto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura compreende de 30% a 70% por peso de partículas de borracha vulcanizada.

3. Material composto de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a mistura compreende 40% a 50% por peso de partículas de borracha vulcanizada.

4. Material composto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura ainda compreende um material de borracha vulcanizada despolimerizada e/ou um material de carbono amorfo.

5. Material composto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura compreende de 3% a 15% por peso do agente aglutinante e o restante sendo as partículas de borracha vulcanizada.

6. Material composto de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a mistura compreende de 5% a 10% por peso do elastômero termoplástico e o restante sendo as partículas de borracha vulcanizada.

7. Material composto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura está sujeita a uma moldagem por compressão de 6,89 MPa (1.000 psi) a 34,47 MPa (5.000 psi) a uma temperatura que varia de 93 °C (200°F) a 177°C (350°F) por um tempo residente de 3 a 10 minutos.

8. Material composto de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a mistura está sujeita a uma moldagem por compressão de 31,036 MPa (4.500 psi) a uma temperatura de 177°C (350°F) por um tempo residente de 7 a 10 minutos.

9. Material composto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tamanho de partículas de borracha vulcanizada é de 20 mesh a 60 mesh.

10. Material composto de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o tamanho de partículas de borracha vulcanizada é de 30 mesh a 40 mesh.

11. Material composto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material composto tem uma densidade de 720 kg/m3 (45 lb/ft3) a 1.281 g/m3 (80 lb/ft3).

12. Material composto de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o material composto tem uma densidade de 961 kg/m3 (60 lb/ft3) a 1121 kg/m3 (70 lb/ft3).

13. Material composto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a moldagem por compressão da mistura é executada para fabricar um dormente de ferrovia (20).

14. Material composto de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que a razão de diferentes partículas de borracha vulcanizada inclui de 25% de -20 mesh, de 25% de -40 a +60 mesh e de 50% de -80 mesh.

15. Material composto termoestável, caracterizado pelo fato de que compreende: uma mistura substancialmente homogênea de uma quantidade de partículas de borracha reciclada vulcanizada produzidas da trituração de um artigo de borracha em temperaturas que não excedam uma temperatura de transição de vidro do artigo de borracha, e um agente aglutinante elastomérico termoestável adicionado às partículas de borracha vulcanizada; em que a mistura compreende de 30% a 97% por peso das partículas de borracha reciclada vulcanizada, e um tamanho de partícula das partículas de borracha não exceda 20 mesh; um material de enchimento fibroso e um material de enchimento de sílica granulada; a mistura está sujeita a uma moldagem por compressão a uma pressão de 6,89 MPa (1.000 psi) e a uma temperatura de pelo menos 93°C (200°F) por um período de tempo residente formando o material composto.

16. Material composto de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a mistura está sujeita a uma moldagem por compressão a uma pressão de 31,026 MPa (4.500 psi) a uma temperatura de 177 °C (350°F).

17. Método para fabricar um material composto termoestável, caracterizado pelo fato de que compreende: misturar uma quantidade de partículas de borracha reciclada vulcanizada, que inclui uma razão predeterminada de diferentes tamanhos de partícula, com um agente aglutinante elastomérico termoestável para gerar uma mistura substancialmente homogênea; e aplicar uma força de moldagem compressiva na mistura a uma temperatura e pressão predeterminadas por um tempo residente.

18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a razão de diferentes tamanhos de partícula inclui de 25% de -20 mesh, de 25% de -40 a +60 mesh e de 50% de -80 mesh.

19. Dormente de ferrovia (20) fabricado a partir de um material composto termoestável caracterizado pelo fato de que compreende: uma mistura substancialmente homogênea de uma quantidade de partículas de borracha reciclada vulcanizadas incluindo uma razão predeterminada de tamanhos de partículas diferentes, e um agente aglutinante de poliureia elastomérico termoestável adicionado às partículas de borracha vulcanizada; a mistura compreende de 30% a 97% em peso de partículas de borracha reciclada vulcanizadas, e a mistura é submetida a compressão por moldagem a uma temperatura predeterminada de 177 °C (350°F) e uma pressão de 31.026 MPa (4.500 psi) para um período de tempo residente formando um material composto; e em que a razão de tamanhos de partículas de borracha diferentes é selecionada de modo que o material composto tem a densidade desejada de 961 kg/m3 (60 lb/ft3) a 1121 kg/m3 (70 lb/ft3).

20. Dormente de ferrovia (20) de acordo com a reivindicação 19, ainda caracterizado pelo fato de que compreende uma configuração alongada incluindo uma superfície paralela de topo (24A) e de fundo (24B) e duas superfícies paralelas laterais (28A, 28B) em que ranhuras (22) são formadas em uma ou em ambas as superfícies laterais (28A, 28B) e a superfície de fundo (24B).