CN108568980A - 一种纤维增强复合材料合成轨枕及其成型方法 - Google Patents

一种纤维增强复合材料合成轨枕及其成型方法 Download PDF

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Abstract

一种纤维增强复合材料合成轨枕及其成型方法，所述纤维增强复合材料合成轨枕的纤维增强材料为多向纤维织物；所述成型方法包括下述步骤：在多向纤维织物表面浇注树脂材料和任选地助剂的混合物；或者，将树脂材料和任选地助剂的混合物粘附在所述多向纤维织物表面；固化成型，即得到所述纤维增强复合材料合成轨枕。

Description

一种纤维增强复合材料合成轨枕及其成型方法
技术领域
本申请涉及但不限于高分子复合材料技术领域，尤其涉及但不限于一种应用在铁路、轻轨地铁、铁路桥梁、普通栈道等领域的纤维增强复合材料合成轨枕及其成型方法。
背景技术
目前铁路交通上使用的轨枕主要是木枕和预应力钢筋混凝土轨枕。混凝土轨枕弹性差、刚度大，并且自身重量大，安装、更换不方便，因此在特定区域使用受到限制。与混凝土轨枕相比，木枕具有比重小、弹性好、易加工、使用方便等优点，广泛使用在桥梁、岔道等特殊位置。但是随着森林资源的匮乏以及环保意识的提高，可用于加工成型轨枕的木材越来越少，并且木材本身耐腐蚀性差、寿命低，经过防腐处理的木枕还会污染环境，对施工人员的身体产生危害等。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
由于传统轨枕都存在一定的弊端，所以各国都在积极研发新型轨枕。其中长玻璃纤维增强热固性树脂发泡体成型的合成轨枕是一种较为理想的替代品，它不仅具有木材的质感，而且质量轻、强度高、耐腐蚀；同时，不吸水、耐化学腐蚀性强、绝缘性好，兼备了天然木材与塑料的优点。
但是，本申请的发明人深入发现了长玻璃纤维增强热固性树脂发泡体成型的合成轨枕也存在缺点，具体分析如下：目前，这种合成轨枕多由单向连续纤维增强聚氨酯硬泡材料制成，增强材料为连续纤维，单向平行排布。在该纤维排布和增强效果下，材料在纤维方向上的性能优异，具有良好的抗弯曲载荷、抗拉伸载荷、抗压缩载荷的能力；但在垂直于纤维方向的方向上，材料的机械性能就较低，导致合成的轨枕在应用中易发生开裂等损伤。
在对现有技术存在的问题深入探究的基础上，本申请的发明人创造性地提供了一种利用多向纤维织物增强的复合材料合成轨枕，该纤维增强复合材料合成轨枕能够克服轨枕横向性能薄弱的弊端。
具体地，本申请提供了一种纤维增强复合材料合成轨枕，所述合成轨枕的纤维增强材料为多向纤维织物。
在一些实施方式中，所述多向纤维织物的主轴方向上为连续纤维。
在本申请中，定义多向纤维织物中与轨枕的长度方向平行的方向为“多向纤维织物的主轴方向”。
任选地，所述多向纤维织物的主轴方向上的纤维的重量可以占纤维的总重量的10％-90％。
在一些实施方式中，所述多向纤维织物的除主轴方向之外的其他方向上可以为连续纤维和短切纤维中的任意一种或更多种。
任选地，所述多向纤维织物的除主轴方向之外的其他方向上的纤维的重量可以占纤维的总重量的90％-10％。
在一些实施方式中，所述连续纤维可以选自玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和碳纤维的连续纤维中的任意一种或更多种。
在一些实施方式中，所述短切纤维可以选自玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和碳纤维的短切纤维中的任意一种或更多种。
在一些实施方式中，所述多向纤维织物的规格可以为50g/m2-3000g/m2。
在本申请中，所述多向纤维织物可以通过购买获得，也可以自行设计纤维的排布方式并利用本领域中常用的方法制备而成。
在一些实施方式中，所述合成轨枕还可以包括树脂材料。
在一些实施方式中，所述树脂材料选自硬质聚氨酯泡沫、交联聚氯乙烯泡沫、聚醚酰亚胺泡沫、聚丙烯腈泡沫和聚酯泡沫中的任意一种或更多种。
任选地，所述树脂材料的重量占所述合成轨枕的总重量的30％～70％。
在一些实施方式中，所述合成轨枕还可以包括助剂，所述助剂选自发泡剂、阻燃剂、匀泡剂、抗氧化剂、紫外线吸收剂和催化剂中的任意一种或更多种。
任选地，所述合成轨枕的密度可以为0.2g/cm3～3g/cm3。
任选地，所述合成轨枕的宽度方向上的横截面可以为矩形，所述合成轨枕的宽度可以为100mm～500mm、厚度可以为20mm～300mm。
本申请还提供了一种如上所述的纤维增强复合材料合成轨枕的成型方法，所述方法包括下述步骤：
在多向纤维织物表面浇注树脂材料和任选地助剂的混合物；或者，将树脂材料和任选地助剂的混合物粘附在所述多向纤维织物表面；
固化成型，即得到所述纤维增强复合材料合成轨枕。
在一些实施方式中，可以采用分层浇注的方式向多向纤维织物表面浇注树脂材料和任选地助剂的混合物，所述方法可以包括下述步骤：向单层或更多层多向纤维织物表面浇注树脂材料和任选地助剂的混合物，利用履带模压设备牵引浇注后的单层或更多层多向纤维织物使得到一层多向纤维织物，固化成型即得。
在一些实施方式中，可以采用分层粘附的方式将树脂材料和任选地助剂的混合物粘附在所述多向纤维织物表面，所述方法可以包括下述步骤：使单层或更多层多向纤维织物穿过盛有树脂材料和任选地助剂的混合物的储料槽，在单层或更多层多向纤维织物的上表面，或上表面和下表面粘附树脂材料和任选地助剂，利用履带模压设备牵引浸渍后的单层或更多层多向纤维织物使得到一层多向纤维织物，固化成型即得。
任选地，所述履带模压设备的牵引速度可以为每分钟0.2米～2米；
任选地，所述固化的温度可以为30℃～90℃，时间可以为20min～80min。
在一些实施方式中，在浇注或粘附树脂材料和任选地助剂的混合物之前，所述方法还可以包括：选择树脂材料、编织所述多向纤维织物的纤维材料和任选地助剂；根据对产品的要求设计所述纤维材料的排布方式，并编织成多向纤维织物。
在一些实施方式中，在浇注或粘附树脂材料和任选地助剂的混合物之后，利用履带模压设备牵引之前，所述方法还可以包括：将浇注或粘附树脂材料和任选地助剂的混合物之后的多向纤维织物浸渍在树脂材料和任选地助剂的混合物中。
在一些实施方式中，在固化成型后，所述方法还可以包括：切割成轨枕坯料，和对所述轨枕坯料进行表面去皮、表面保护涂层涂装，即得到所述纤维增强复合材料合成轨枕。
本申请提供的纤维增强复合材料合成轨枕，其主体由多向纤维织物增强的复合材料制成，使其不仅具有单向连续纤维增强聚氨酯硬泡材料合成轨枕的力学性能，而且具有更好的机械性能，弥补了单向连续纤维增强聚氨酯硬泡材料合成轨枕在垂直纤维方向上的机械性能差、轨枕易开裂等缺陷。综合考虑，本申请提供的新型纤维增强复合材料合成轨枕的性能更优，维护成本更低。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例1的纤维增强复合材料合成轨枕中纤维材料的排布方式的示意图。
图2为本申请实施例1的纤维增强复合材料合成轨枕的宽度方向的横截面示意图。
图3为本申请实施例2的纤维增强复合材料合成轨枕中纤维材料的排布方式的示意图。
图4为本申请实施例3的纤维增强复合材料合成轨枕中纤维材料的排布方式的示意图。
图5为本申请实施例4的纤维增强复合材料合成轨枕中纤维材料的排布方式的示意图。
图6为本申请的纤维增强复合材料合成轨枕的生产线的示意图。
图7为本申请的纤维增强复合材料合成轨枕的生产线的另一工艺示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
以下实施例中所使用的纤维材料、树脂材料和助剂均为普通市售产品。其中，树脂材料选用亨斯迈生产的聚醚多元醇、聚酯多元醇和异氰酸酯，以重量份计，所述合成轨枕的配方如下：
其中，聚醚多元醇A的羟值300-500官能团1-3，聚醚多元醇B的羟值100-300官能团1-5，聚酯多元醇的羟值200-400官能团2-3。
实施例1
一种纤维增强复合材料合成轨枕，其通过下述成型方法制备而成：根据合成轨枕的产品尺寸、密度、性能指标和成本，综合考虑确定纤维材料的种类、尺寸规格和树脂材料的种类。在本实施例中，
(1)设计纤维材料的排布方式和每个方向上纤维材料的用量，图1-5示出了几种常见的纤维材料排布方式。在本实施例中，纤维材料的排布方式如图1和2所示，其中，主轴方向(纵向)上的纤维材料11为玻璃纤维的连续纤维，其规格为1200tex，用量为70％；与主轴垂直的横向上的纤维材料12为玻璃纤维的连续纤维，其规格为1200tex，用量为30％；
本实施例选用聚氨酯为树脂基体材料，以质量份计，聚醚多元醇A 55份、聚醚多元醇B 10份、聚酯多元醇35份，发泡剂0.1份，阻燃剂10份，匀泡剂2份，抗氧化剂0.2份，紫外线吸收剂0.2份，催化剂0.1份，异氰酸酯110份，1200g/㎡规格的多向玻璃纤维织物280份。最终制备的合成轨枕中的多向纤维织物含量为55％，成型轨枕的密度为0.74±0.1g/cm3，多向玻璃纤维织物增强聚氨酯泡沫成型轨枕的规格：260mmx140mmx3000mm；履带模压设备运行速度设置为1.0m/min，固化温度设置为65℃。
(3)卷状多向纤维织物1受履带模压设备的牵引再经织物导向纠偏装置2限位纠偏后进入树脂、助剂混合料浇注部位，利用树脂、助剂混合料浇注设备3对其进行浇注，其中，通过控制树脂、助剂混合料浇注设备3的流量和多向纤维织物受牵引的速度来控制树脂、助剂混合料料在合成轨枕中的含量。
(4)浇注定量树脂、助剂混合料后的多向纤维织物进入浸渍装置4，通过浸渍装置4的机械揉搓浸渍使树脂、助剂混合料充分浸润并充满多向纤维织物的内部空隙。
(5)充分浸渍树脂、助剂混合料后的多向纤维织物经过牵引进入连续履带模压设备5中，在65℃的温度下进行加热固化40分钟。
(6)固化成型后的坯料被牵引出履带模压设备5，经锯切机6切割，得到合成轨枕坯料7。
(7)合成轨枕坯料7经过表面去皮、表面保护涂层涂装，得到合成轨枕产品。测得其机械性能如下表1所示。
表1
项目 测试结果
表观总密度/(g/cm3) 0.82
弯曲强度/MPa 148
弯曲弹性模量/GPa 10.3
竖向压缩强度/MPa 78
剪切强度/MPa 21
道钉抗拔强度/KN 90
成品抗弯载荷/KN 250
疲劳性能 105无异常
实施例2
(1)按照如图3所示的排布方式排布纤维材料，其中，主轴方向(纵向)上的纤维材料11’为玻璃纤维的连续纤维，其规格为1200tex，用量为60％；与主轴方向交叉的第一斜向(与主轴方向之间的夹角约为45°)上的纤维材料12’为玄武岩纤维的连续纤维，其规格为1200tex，用量为20％；与主轴方向交叉的第二斜向(与主轴方向之间的夹角约为135°)上的纤维材料13’为玄武岩纤维的连续纤维，其规格为1200tex，用量为20％；
本实施例选用聚氨酯为树脂基体材料，以质量份计，聚醚多元醇A 55份、聚醚多元醇B 10份、聚酯多元醇35份，发泡剂0.1份，阻燃剂10份，匀泡剂2份，抗氧化剂0.2份，紫外线吸收剂0.2份，催化剂0.1份，异氰酸酯110份，1200g/㎡规格的多向玻璃、玄武岩纤维混合织物350份。其中多向纤维织物含量55％，成型轨枕密度1.2±0.06g/cm3，多向玻璃纤维织物增强聚氨酯泡沫成型轨枕的规格：260mmx140mmx3000mm；履带模压设备运行速度设置为1.0m/min，固化温度设置为65℃。
(2)卷状多向纤维织物1受履带模压设备的牵引再经织物导向纠偏装置2限位纠偏后进入树脂、助剂混合料浇注部位，利用树脂、助剂混合料浇注设备3对其进行浇注，其中，通过控制树脂、助剂混合料浇注设备3的流量和多向纤维织物受牵引的速度来控制树脂、助剂混合料料在合成轨枕中的含量。
(3)浇注定量树脂、助剂混合料后的多向纤维织物进入浸渍装置4，通过浸渍装置4的机械揉搓浸渍使树脂、助剂混合料充分浸润并充满多向纤维织物的内部空隙。
(4)充分浸渍树脂、助剂混合料后的多向纤维织物经过牵引进入连续履带模压设备5中，在65℃的温度下进行加热固化40分钟。
(5)固化成型后的坯料被牵引出履带模压设备5，经锯切机6切割，得到合成轨枕坯料7。
(6)合成轨枕坯料7经过表面去皮、表面保护涂层涂装，得到合成轨枕产品。测得其机械性能如下表2所示。
表2
实施例3
(1)按照如图4所示的排布方式排布纤维材料，其中，主轴方向(纵向)上为玻璃纤维的连续纤维，其规格为1200tex，用量为80％；与主轴垂直的横向上为玻璃纤维的短切纤维，其规格为30mm～80mm长、10μm～20μm粗，用量为20％；
本实施例选用聚氨酯为树脂基体材料，以质量份计，聚醚多元醇A 55份、聚醚多元醇B 10份、聚酯多元醇35份，发泡剂0.1份，阻燃剂10份，匀泡剂2份，抗氧化剂0.2份，紫外线吸收剂0.2份，催化剂0.1份，异氰酸酯110份，1200g/㎡规格的多向玻璃纤维织物280份。其中多向纤维织物含量55％，成型轨枕密度0.74±0.1g/cm3，多向玻璃纤维织物增强聚氨酯泡沫成型轨枕的规格：260mmx140mmx3000mm；履带模压设备运行速度设置为1.0m/min，固化温度设置为65℃。
(2)卷状多向纤维织物1受履带模压设备的牵引再经织物导向纠偏装置2限位纠偏后进入树脂、助剂混合料浇注部位，利用树脂、助剂混合料浇注设备3对其进行浇注，其中，通过控制树脂、助剂混合料浇注设备3的流量和多向纤维织物受牵引的速度来控制树脂、助剂混合料料在合成轨枕中的含量。
(3)浇注定量树脂、助剂混合料后的多向纤维织物进入浸渍装置4，通过浸渍装置4的机械揉搓浸渍使树脂、助剂混合料充分浸润并充满多向纤维织物的内部空隙。
(4)充分浸渍树脂、助剂混合料后的多向纤维织物经过牵引进入连续履带模压设备5中，在65℃的温度下进行加热固化40分钟。
(5)固化成型后的坯料被牵引出履带模压设备5，经锯切机6切割，得到合成轨枕坯料7。
(6)合成轨枕坯料7经过表面去皮、表面保护涂层涂装，得到合成轨枕产品。测得其机械性能如下表3所示。
表3
项目 测试结果
表观总密度/(g/cm3) 0.82
弯曲强度/MPa 135
弯曲弹性模量/GPa 10.4
竖向压缩强度/MPa 79
剪切强度/MPa 20.5
道钉抗拔强度/KN 89
成品抗弯载荷/KN 245
疲劳性能 105无异常
实施例4
(1)按照如图5所示的排布方式排布纤维材料，其中，主轴方向(纵向)上为玻璃纤维的连续纤维，其规格为1200tex，用量为80％；无规则分布在其他方向上的为玻璃纤维的短切纤维，其规格为3mm～8mm长、10μm～20μm粗，用量为20％；
本实施例选用聚氨酯为树脂基体材料，以质量份计，聚醚多元醇A 55份、聚醚多元醇B 10份、聚酯多元醇35份，发泡剂0.1份，阻燃剂10份，匀泡剂2份，抗氧化剂0.2份，紫外线吸收剂0.2份，催化剂0.1份，异氰酸酯110份，1200g/㎡规格的多向玻璃纤维织物280份。其中多向纤维织物含量55％，成型轨枕密度0.74±0.1g/cm3，多向玻璃纤维织物增强聚氨酯泡沫成型轨枕的规格：260mmx140mmx3000mm；履带模压设备运行速度设置为1.0m/min，固化温度设置为65℃。
(2)卷状多向纤维织物1受履带模压设备的牵引再经织物导向纠偏装置2限位纠偏后进入树脂、助剂混合料浇注部位，利用树脂、助剂混合料浇注设备3对其进行浇注，其中，通过控制树脂、助剂混合料浇注设备3的流量和多向纤维织物受牵引的速度来控制树脂、助剂混合料料在合成轨枕中的含量。
(3)浇注定量树脂、助剂混合料后的多向纤维织物进入浸渍装置4，通过浸渍装置4的机械揉搓浸渍使树脂、助剂混合料充分浸润并充满多向纤维织物的内部空隙。
(4)充分浸渍树脂、助剂混合料后的多向纤维织物经过牵引进入连续履带模压设备5中，在65℃的温度下进行加热固化40分钟。
(5)固化成型后的坯料被牵引出履带模压设备5，经锯切机6切割，得到合成轨枕坯料7。
(6)合成轨枕坯料7经过表面去皮、表面保护涂层涂装，得到合成轨枕产品。测得其机械性能如下表4所示。
表4
项目 测试结果
表观总密度/(g/cm3) 0.80
弯曲强度/MPa 140
弯曲弹性模量/GPa 9.8
竖向压缩强度/MPa 79
剪切强度/MPa 19.8
道钉抗拔强度/KN 86
成品抗弯载荷/KN 234
疲劳性能 105无异常
图7所示为分层粘附的方式的工艺流程示意图，其中，标号8为树脂材料和任选地助剂的混合物的储料槽，图7所示的工艺为使整个多向纤维织物穿过储料槽8，在多向纤维织物的上表面和下表面粘附树脂材料和任选地助剂。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种纤维增强复合材料合成轨枕，所述合成轨枕的纤维增强材料为多向纤维织物。
2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料合成轨枕，其中，所述多向纤维织物的主轴方向上为连续纤维；任选地，所述多向纤维织物的主轴方向上的纤维的重量占纤维的总重量的10％-90％。
3.根据权利要求2所述的纤维增强复合材料合成轨枕，其中，所述多向纤维织物的除主轴方向之外的其他方向上为连续纤维和短切纤维中的任意一种或更多种；任选地，所述多向纤维织物的除主轴方向之外的其他方向上的纤维的重量占纤维的总重量的90％-10％。
4.根据权利要求2或3所述的纤维增强复合材料合成轨枕，其中，所述连续纤维选自玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和碳纤维的连续纤维中的任意一种或更多种。
5.根据权利要求3所述的纤维增强复合材料合成轨枕，其中，所述短切纤维选自玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和碳纤维的短切纤维中的任意一种或更多种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述纤维增强复合材料合成轨枕，其中，所述多向纤维织物的规格为50g/m2-3000g/m2。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的纤维增强复合材料合成轨枕，还包括树脂材料，任选地，所述树脂材料的重量占所述合成轨枕的总重量的30％～70％；任选地，所述合成轨枕还包括助剂，所述助剂选自发泡剂、阻燃剂、匀泡剂、抗氧化剂、紫外线吸收剂和催化剂中的任意一种或更多种。
8.根据权利要求7所述的纤维增强复合材料合成轨枕，其中，所述树脂材料选自硬质聚氨酯泡沫、交联聚氯乙烯泡沫、聚醚酰亚胺泡沫、聚丙烯腈泡沫和聚酯泡沫中的任意一种或更多种。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的纤维增强复合材料合成轨枕，其中，所述合成轨枕的密度为0.2g/cm3～3g/cm3；任选地，所述合成轨枕的宽度方向上的横截面为矩形，所述合成轨枕的宽度为100mm～500mm、厚度为20mm～300mm。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的纤维增强复合材料合成轨枕的成型方法，所述方法包括下述步骤：
在多向纤维织物表面浇注树脂材料和任选地助剂的混合物；或者，将树脂材料和任选地助剂的混合物粘附在所述多向纤维织物表面；
固化成型，即得到所述纤维增强复合材料合成轨枕。
11.根据权利要求10所述的纤维增强复合材料合成轨枕的成型方法，其中，
采用分层浇注的方式向多向纤维织物表面浇注树脂材料和任选地助剂的混合物，所述方法包括下述步骤：向单层或更多层多向纤维织物表面浇注树脂材料和任选地助剂的混合物，利用履带模压设备牵引浇注后的单层或更多层多向纤维织物使得到一层多向纤维织物，固化成型即得；
或者，采用分层粘附的方式将树脂材料和任选地助剂的混合物粘附在所述多向纤维织物表面，所述方法包括下述步骤：先将树脂材料和任选地助剂的混合物浇注到储料槽中，然后使单层或更多层多向纤维织物穿过盛有树脂材料和任选地助剂的混合物的储料槽，在单层或更多层多向纤维织物的上表面，或上表面和下表面粘附树脂材料和任选地助剂，利用履带模压设备牵引浸渍后的单层或更多层多向纤维织物使得到一层多向纤维织物，固化成型即得；
任选地，所述履带模压设备的牵引速度为每分钟0.2米～2米；
任选地，所述固化的温度为30℃～90℃，时间为20min～80min。
12.根据权利要求11所述的纤维增强复合材料合成轨枕的成型方法，
在浇注或粘附树脂材料和任选地助剂的混合物之前，所述方法还包括：选择树脂材料、编织所述多向纤维织物的纤维材料和任选地助剂；根据对产品的要求设计所述纤维材料的排布方式，并编织成多向纤维织物；
在浇注或粘附树脂材料和任选地助剂的混合物之后，利用履带模压设备牵引之前，所述方法还包括：将浇注或粘附树脂材料和任选地助剂的混合物之后的多向纤维织物浸渍在树脂材料和任选地助剂的混合物中；
在固化成型后，所述方法还包括：切割成轨枕坯料，和对所述轨枕坯料进行表面去皮、表面保护涂层涂装，即得到所述纤维增强复合材料合成轨枕。
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