CN101851879B - 一种复合枕木 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合枕木，包括内芯和外表层，所述内芯为玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料、木质剩余物增强酚醛树脂基复合材料、橡塑复合材料中的一种或几种，所述复合枕木的外表层为经偶联剂表面处理后再经聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维多轴向布。本发明所述枕木弹性好、易加工、耐腐蚀、绝缘，该枕木在使用中能避免现有枕木存在的使用寿命短、弹性差、易开裂、受力易断裂的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及由高分子复合材料组成的枕木。
背景技术
枕木常被用于承载物体，是铁路建设、专用轨道走行设备铺设和承载设备领域中不可或缺的材料。根据其组成材料的不同，枕木主要分为木制枕木、钢筋混凝土枕木、钢制枕木和复合材料枕木。但均存在自身缺陷问题，钢质枕木虽然牢固耐用，但造价高沉重不易搬动，弹性小；木质枕虽然木弹性好，重量轻，制作简单，绝缘性能好但易风化开裂，耐腐蚀性较差，使用寿命短，木材消耗量大；钢筋混凝土枕木虽然使用寿命长、稳定性好但由于其弹性差，消音减震效果也差，且在使用一段时间后易出现裂缝，影响铁路运输安全。
随着技术的发展，目前复合材料枕木成为新兴的材料枕木，该复合材料枕木具有较之木制枕木等更强的吸收列车行驶时产生重量的性能，从而在铁路建设领域得到了广泛的关注。根据复合材料的种类不同，其主要分为橡塑复合枕木、玻璃钢复合枕木以及聚氨酯合成枕木。
橡塑复合枕木是以废旧轮胎或者回收塑料制得的热塑性弹性体作为枕木的外壳，以混凝土作为枕木的内芯，采用挤出工艺制得的，其具有抗冲击、耐腐蚀、高强度的特点。虽然其在技术应用上可以将大量的废旧轮胎和废塑料回收利用，具有环保意义，但是该产品生产工艺复杂，最为重要的是以上述来源并不稳定的废旧橡胶和回收塑料作为枕木的外壳，所以对于该种枕木是否具有耐候性和耐老化性难以确定。
玻璃钢复合枕木是由玻璃钢筒体和设置在玻璃钢筒体内的填充材料组成；其中，玻璃钢筒体是以不饱和聚酯树脂、玻璃纤维粗纱、粉末填料为原料，采用缠绕、拉挤、手糊等工艺制作而成，填充材料一般采用高强度泡沫材料。制得的玻璃钢复合材料枕木具有优良的力学性能，但是由于其采用缠绕、拉挤、手糊等工艺所以生产效率极低，由于该类型的枕木采用不饱和聚酯树脂作为原料，而不饱和聚酯树脂的稳定性和耐候性差，所以导致该种玻璃钢复合枕木的产品稳定性和耐候性都较差。
聚氨酯合成枕木是由发泡聚氨酯树脂浸渍连续玻璃纤维，通过连续成型工艺先制得较薄的板材，之后再将其层叠粘合而成。其中聚氨酯(简称PU)是由多异氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇或/及小分子多元醇、多元胺或水等扩链剂或交联剂等原料制成的聚合物。通过改变原料种类及组成，可以大幅度地改变产品形态及其性能，得到从柔软到坚硬的最终产品。该种枕木具有重量轻、耐腐蚀、绝缘性能好、便于现场加工和施工的特点。现有技术中CN101314931A公开了一种新型合成枕木，该枕木就是由聚氨酯泡沫和单向排列的长玻璃纤维组成的，其中长玻璃纤维沿着枕木长度方向上均匀排布，分布于聚氨酯泡沫基体中。在该现有技术中，该复合材料枕木中玻璃纤维的排列均为单一的纵向排列，因此没有设置剪力配筋的横向位置容易因弯曲而导致层间剪力的破坏，使得枕木出现裂缝从而整体失效。此外，现有技术中CN101323701A公开了一种长玻璃纤维增强的硬质聚氨酯合成材料轨枕，在该轨枕的制备中，需要将玻璃纤维缠绕在所述模具内，再向所述模具内腔喷涂聚氨酯混合料，从而形成由玻璃纤维包裹的聚氨酯轨枕。其中，由于所述玻璃纤维的缠绕是采用现有技术中的缠绕技术，所以其均是采用单一的纵向排列方式，所以利用该现有技术中的方法制备得到的轨枕也同样存在诸如CN101314931A中的技术问题。
此外，在美国专利US6605343B1也公开了一种复合材料制成的枕木，该枕木也是在以填充物和热硬化性树脂构成的材料外层包裹泡沫性热硬化性树脂而构成的，其中，所述的泡沫性热硬化性树脂是将长玻璃纤维沿纵向排列于热硬化性树脂上而形成的。所以其同样存在会由于枕木受力弯曲时层间剪力的破坏，从而导致枕木毁坏失效的问题。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是现有技术中的聚氨酯合成枕木中玻璃纤维的排列均采用单一的纵向排列方式，容易在枕木受力发生变形弯曲时由于没有设置剪力配筋的横向位置而导致层间剪力的破坏，使得枕木整体失效，进而提供一种在受力弯曲时不会出现层间剪力破坏的复合枕木。
为实现上述目的，本发明提供了一种复合枕木，所述枕木包括内芯和外表层，所述内芯为玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料、木质剩余物增强酚醛树脂基复合材料或橡塑复合材料，所述复合枕木的外表层为经偶联剂表面处理后再经聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维多轴向布。
在所述内芯和所述外表层之间还设置有夹心层，所述夹心层为横向铺设的经偶联剂表面处理后再经所述聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维无捻粗纱。所述偶联剂为硅烷偶联剂。
所述玻璃纤维无捻粗纱的线密度为4800～9600g/km，单丝直径为10～40μm。
所述玻璃纤维多轴向布为无碱玻璃纤维三轴向布或者四轴向布，所述无碱玻璃纤维三轴向布或者四轴向布的克重为600～1200g/m2。
所述聚氨酯树脂由如下重量百分比的原料组成：多元醇29.9～59.5％，异氰酸酯40～70％，发泡剂0.1～0.5％。
所述聚氨酯树脂的发泡倍率为2.0～4.0，室温条件下的凝胶时间为1～10min。
所述外表层的厚度为1～5mm，所述夹心层的厚度为10～20mm。
所述聚氨酯树脂和所述玻璃纤维多轴向布的重量比为3∶7～1∶1。
所述聚氨酯树脂的重量和所述玻璃纤维多轴向布以及玻璃纤维无捻粗纱的总重量的比为3∶7～1∶1。本发明所述的复合枕木包括内芯和外表层，所述内芯为复合材料，所述复合枕木的外表层为经偶联剂表面处理后再经聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维多轴向布。选择玻璃纤维多轴向布，是因为多轴向布是通过在纤维织造时同时使用织物中特定方向纤维的强度而制得的，所述特定方向指沿枕木横向方向的轴向、和轴向呈45度角的方向、和轴向呈90度的纵向轴向以及和横向轴向呈135度的方向；正是由于其利用上述多个方向纤维的强度，故其在纤维的强度和刚度上都得到了更充分的发挥，本发明使用该多轴向布最主要的原因是利用了多轴向布在特定方向上的纤维作用力；这样在经偶联剂进行表面处理后，使得该多轴向布在经聚氨酯树脂喷洒后，可以使得聚氨酯树脂可以更好地对该多轴向布进行浸润，实现玻璃纤维多轴向布和聚氨酯树脂之间的良好作用，从而也通过利用前述多轴向布在特定方向上(和枕木受力弯曲变形力主要分解方向相一致)的纤维作用力，使得枕木获得在枕木受力弯曲变形力主要分解方向的剪力配筋。
在所述内芯和所述外表层之间还可以横向铺设夹心层，所述夹心层为经偶联剂表面处理后再经聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维无捻粗纱；玻璃纤维无捻粗纱为疏松结构，而聚氨酯树脂在其内部发泡后，就形成一个具有一定减震作用的材料层，从而使得本发明所述的复合枕木可以更好地吸收噪音。同样地，所述玻璃纤维无捻粗纱经偶联剂表面处理的目的也是为了使得聚氨酯树脂可以更好地对该无捻粗纱进行浸润。
使用偶联剂对上述无捻粗纱或者多轴向布进行表面处理，即常规的表面润湿处理，其主要是通过该偶联剂的表面作用使得玻璃纤维无捻粗纱获得较小的润湿角，从而使得玻璃纤维无捻粗纱可以获得更好地润湿，提高其界面的结合作用力。其中，优选所述偶联剂为硅烷偶联剂，是因为该种类型的偶联剂可以和主要组分为氧化硅的玻璃纤维无捻粗纱获得更好的结合力。
其中，选择所述玻璃纤维无捻粗纱的线密度为4800～9600g/km，单丝直径为10～40μm，是考虑到了适宜的线密度以及单丝直径可以使得本发明所述的复合枕木在获得所要求的性能的基础上，保证其具有适宜的重量，便于搬运和现场加工。
选择所述玻璃纤维多轴向布为无碱玻璃纤维三轴向布或者四轴向布，因为无碱玻璃纤维可以抵抗雨水的侵蚀，从而可以提高制备得到的复合枕木的耐候性。优选所述三轴向布或者四轴向布的克重为600～1200g/m2，是因为选择适宜克重的玻璃纤维多轴向布才可以获得较好的枕木性能，如果其克重小，那么会影响其作为复合枕木表面保护层的厚度太小，抗磨性能太弱；克重太大，相应地作为复合枕木表面保护层的厚度就会太大，使得聚氨酯树脂很难充分进入所述玻璃纤维多轴向布内对其进行浸润。
进一步限定所述聚氨酯树脂的发泡倍率为2.0～4.0，室温条件下的凝胶时间为1～10min；其中，设置上述发泡倍率的数值是考虑到了发泡倍率太小容易导致生成的复合枕木的弹性差，太大则会导致生成的复合枕木的密度太低，显著影响抗压强度。另外，凝胶时间的设置也必须是以在获得最高工作效率的同时保证枕木的性能，凝胶时间太短就会导致凝胶不充分。
以上所述的枕木的横向即枕木的长度方向，所述枕木的纵向即为枕木的宽度方向。
本发明具有如下优点：
(1)本发明所述的复合枕木采用复合材料作为内芯、以聚氨酯树脂增强玻璃纤维多轴向布为外表层组合而成，该枕木由于玻璃纤维多轴向布的设置实现了在枕木多个方向的剪力配制，从而在枕木受力弯曲时也不会出现层间剪力的破坏，具有很高的安全性和较长的使用寿命。
(2)本发明所述的复合枕木还可以在不饱和聚酯树脂增强玻璃纤维和聚氨酯树脂增强玻璃纤维多轴向布层之间进一步横向设置经偶联剂表面处理后再经所述聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维无捻粗纱，从而形成一个具有一定减震作用的材料层，使得本发明所述的复合枕木可以更好地吸收噪音。
附图说明
附图1是本发明所述复合枕木的结构剖面示意图。
附图2是本发明所述的进一步设置经偶联剂表面处理后再经所述聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维无捻粗纱夹心层的复合枕木的结构剖面示意图。
附图中各标号分别表示为：
内芯1；夹心层2；外表层3。
具体实施方式
以下将结合附图，使用以下实施例对本发明进行进一步阐述。
实施例1
图1是本发明所述的复合枕木剖面示意图，在该图中可以看到所述复合枕木分为两层，其中，最内部的内芯1为复合材料，外表层3为经偶联剂表面处理后再经聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维多轴向布。
首先，选择重量百分比为30％的三元醇、重量百分比为69.9％的异氰酸酯、重量百分比为0.1％的发泡剂，将上述原料混合配制得到聚氨酯树脂原液待用。
选择市售的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料作为内芯1的材料，加工成长为2000～3200mm、宽为100～230mm、高为100～290mm的规格，然后，将克重为600g/m2的经硅烷偶联剂进行表面处理过的无碱玻璃纤维三轴向布包裹在上述内芯1的外部，并将上述配制好的聚氨酯树脂原液喷洒在所述无碱玻璃纤维三轴向布上，从而使得聚氨酯树脂原液对无碱玻璃纤维三轴向布进行浸润直至形成硬壳结构即外表层，计算该外表层3的厚度为1mm。在该过程中，聚氨酯树脂的发泡倍率为2.0，室温下所述聚氨酯树脂进行凝胶形成硬壳结构的时间为1min。
即可得到本发明所述的由内芯和外表层组成的复合枕木，该复合枕木中聚氨酯树脂和无碱玻璃纤维三轴向布的重量比为3∶7。
实施例2
选择重量百分比为59.5％的三元醇、重量百分比为40.0％的异氰酸酯、重量百分比为0.5％的发泡剂，将上述原料混合配制得到聚氨酯树脂原液待用。另外，采用溶解剂苯乙烯对所述不饱和聚酯树脂进行稀释，得到不饱和聚酯树脂的溶解液待用。
选择木质剩余物增强酚醛树脂基复合材料作为内芯1的材料，加工成长为2000～3200mm、宽为100～230mm、高为100～290mm的规格，然后，将克重为900g/m2的经硅烷偶联剂进行表面处理过的无碱玻璃纤维三轴向布包裹在上述内芯1的外部，并将上述配制好的聚氨酯树脂原液喷洒在所述无碱玻璃纤维三轴向布上，从而使得聚氨酯树脂原液对无碱玻璃纤维三轴向布进行浸润直至形成硬壳结构即外表层3，计算所述外表层3的厚度为3mm。在该过程中，聚氨酯树脂的发泡倍率为4.0，室温下所述聚氨酯树脂进行凝胶形成硬壳结构的时间为5min。
即可得到本发明所述的由内芯和外表层组成的复合枕木，该复合枕木中聚氨酯树脂和无碱玻璃纤维三轴向布的重量比为1∶1。
当然，通过调节上述聚氨酯树脂和无碱玻璃纤维三轴向布的添加量，还可以选择聚氨酯树脂和无碱玻璃纤维三轴向布的重量比为5∶7。
实施例3
图2是本发明所述的进一步设置夹心层的复合枕木的结构剖面示意图，在该图中可以看到所述复合枕木分为三层，其中，最内部的内芯1为复合材料，外表层3为经偶联剂表面处理后再经聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维多轴向布，上述两层之间的夹心层2为经聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维无捻粗纱。
选择重量百分比为29.9％的三元醇、重量百分比为70.0％的异氰酸酯、重量百分比为0.1％的发泡剂，将上述原料混合配制得到聚氨酯树脂原液待用。另外，采用溶解剂苯乙烯对所述不饱和聚酯树脂进行稀释，得到不饱和聚酯树脂的溶解液待用。
选择橡塑复合材料作为内芯1的材料，加工成长为2000～3200mm、宽为100～230mm、高为100～290mm的规格，然后，将线密度为4800g/km、单丝直径为10μm的经硅烷偶联剂进行表面处理过的玻璃纤维无捻粗纱沿横向的轴向铺设于所述内芯1外，形成所述夹心层2。
然后，将克重为1200g/m2的经硅烷偶联剂进行表面处理过的无碱玻璃纤维四轴向布包裹在上述夹心层2外部，并将上述配制好的聚氨酯树脂原液喷洒在所述无碱玻璃纤维四轴向布上，从而使得聚氨酯树脂原液对无碱玻璃纤维四轴向布和玻璃纤维无捻粗纱进行浸润直至形成硬壳结构，计算所述外表层3的厚度为5mm。在该过程中，聚氨酯树脂的发泡倍率为3.0，室温下所述聚氨酯树脂进行凝胶形成硬壳结构的时间为10min。
即可得到本发明所述的具有夹心层复合枕木，该复合枕木中无碱玻璃纤维三轴向布和玻璃纤维无捻粗纱的总重量和聚氨酯树脂的重量比为1∶1。
实施例4
选择重量百分比为30.7％的三元醇、重量百分比为69.0％的异氰酸酯、重量百分比为0.3％的发泡剂，将上述原料混合配制得到聚氨酯树脂原液待用。另外，采用溶解剂苯乙烯对所述不饱和聚酯树脂进行稀释，得到不饱和聚酯树脂的溶解液待用。
选择橡塑复合材料作为内芯1的材料，加工成长为2000～3200mm、宽为100～230mm、高为100～290mm的规格，然后，将线密度为9600g/km、单丝直径为40μm的经硅烷偶联剂进行表面处理过的玻璃纤维无捻粗纱沿横向的轴向铺设于所述内芯1外，形成所述夹心层2。
然后，将克重为1200g/m2的经硅烷偶联剂进行表面处理过的无碱玻璃纤维四轴向布包裹在上述夹心层2外部，并将上述配制好的聚氨酯树脂原液喷洒在所述无碱玻璃纤维四轴向布上，从而使得聚氨酯树脂原液对无碱玻璃纤维四轴向布和玻璃纤维无捻粗纱进行浸润直至形成硬壳结构，计算所述外表层3的厚度为5mm。在该过程中，聚氨酯树脂的发泡倍率为3.0，室温下所述聚氨酯树脂进行凝胶形成硬壳结构的时间为10min。
即可得到本发明所述的具有夹心层的复合枕木，该复合枕木中无碱玻璃纤维三轴向布和玻璃纤维无捻粗纱的总重量和聚氨酯树脂的重量比为7∶3。
作为可以变换的实施方式，本发明所述的复合枕木可以通过调节无碱玻璃纤维多轴向布、玻璃纤维无捻粗纱以及聚氨酯树脂的量来调节上述聚氨酯树脂的重量和无碱玻璃纤维三轴向布以及玻璃纤维无捻粗纱的总重量的比值、以及聚氨酯树脂和无碱玻璃纤维三轴向布的重量比，优选其为3∶7～1∶1范围内的任一数值，在从而满足不同的产品需求。
此外，上述实施例中枕木的规格可以根据生产施工需求进行调整。
虽然本发明已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明所要保护的范围。
Claims (9)
1.一种复合枕木，其特征在于，所述枕木包括内芯和外表层，所述内芯为玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料、木质剩余物增强酚醛树脂基复合材料或橡塑复合材料，所述复合枕木的外表层为经偶联剂表面处理后再经聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维多轴向布；
所述聚氨酯树脂由如下重量百分比的原料组成：多元醇29.9～59.5％，异氰酸酯40～70％，发泡剂0.1～0.5％；
所述偶联剂为硅烷偶联剂。
2.根据权利要求1所述的复合枕木，其特征在于，在所述内芯和所述外表层之间还设置有夹心层，所述夹心层为横向铺设的经偶联剂表面处理后再经所述聚氨酯树脂浸润后的玻璃纤维无捻粗纱；
所述聚氨酯树脂由如下重量百分比的原料组成：多元醇29.9～59.5％，异氰酸酯40～70％，发泡剂0.1～0.5％；
所述偶联剂为硅烷偶联剂。
3.根据权利要求2所述的复合枕木，其特征在于，所述玻璃纤维无捻粗纱的线密度为4800～9600g/km，单丝直径为10～40μm。
4.根据权利要求1或2所述的复合枕木，其特征在于，所述玻璃纤维多轴向布为无碱玻璃纤维三轴向布或者四轴向布，所述无碱玻璃纤维三轴向布或者四轴向布的克重为600～1200g/m2。
5.根据权利要求1或2所述的复合枕木，其特征在于，所述聚氨酯树脂的发泡倍率为2.0～4.0，室温条件下的凝胶时间为1～10min。
6.根据权利要求1所述的复合枕木，其特征在于，所述外表层的厚度为1～Smm。
7.根据权利要求2所述的复合枕木，其特征在于，所述夹心层的厚度为10～20mm。
8.根据权利要求1所述的复合枕木，其特征在于，所述聚氨酯树脂和所述玻璃纤维多轴向布的重量比为3∶7～1∶1。
9.根据权利要求2所述的复合枕木，其特征在于，所述聚氨酯树脂的重量和所述玻璃纤维多轴向布以及玻璃纤维无捻粗纱的总重量的比为3∶7～1∶1。
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