CN111875866A - 一种新型复合材料轨枕及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型复合轨枕及其制备方法，该复合轨枕将一种具有一定弹性的复合材料轨枕和一种具有高强度的复合材料轨枕通过高温熔接的工艺加工到一起，具有良好的高强度减震性能。各原料组分简单，主要原料采用回收品，有利于资源再利用，且原料成本低，原料间比例相差小，配比合理，有利于加工生产过程中实现拌料的均匀，且具有理想的抗弯强度和弹性，有利于在轨道交通行业内大规模生产应用。

Description

一种新型复合材料轨枕及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料轨枕，特别涉及一种新型复合材料轨枕及其制备方法。

背景技术

轨枕，又称之为枕木，是轨道交通线路基础配件之一，是将来自列车的重大压力平衡分散地传递给道床，其具有平稳支撑、稀释振动、吸收噪音等功能，因此它必须具有一定地韧性和弹性。现在轨枕种类以木枕和水泥枕为主，复合型轨枕占比较少，随着铁路提速、加重载的趋势越来越大，并且环保意识的不断增加，如何研制出高载荷且具有降振减噪的新型轨枕是亟待解决的问题。

现有技术研制的橡塑类复合型轨枕中，单纯采用橡胶、塑料原料制成的复合轨枕往往其强度不够达到高速铁路和重载铁路的强度要求，例如《CN108641153一种高强耐候防静电废旧橡塑组合铁路轨枕及其制备方法》中，添加了多组分的特殊微孔聚氨酯和纳米纤维后，才达到硬度和强度的要求，这两种组分成本较高，很难在工业生产中大批量加工。且特殊微孔聚氨酯没有明确如何特殊，工艺尚且无法得知。这及技术如果没有这两种材料产品性能将无法到达轨枕基本性能要求。现有技术《CN103524923一种塑胶铁路枕木配方工艺》中，除了采用废旧电线外皮和废旧外，添加了多组分的增塑剂和增溶剂，说明中未提及产品性能参数，但是如果不添加这两种原料也无法达到产品的使用标准。综上，如何研发出不添加废旧原料外材料或者添加少量便宜的其他材料，使其达到工业化生产和应用标准，是现存的主要问题。

复合材料轨枕型轨枕具有一定的减振降噪的效果，但是其强度往往很低，需要强度高的内嵌材料作为主支撑或者只是将复合材料轨枕覆盖于支撑材料外部作为减震载体，现有技术中《CN110593020A一种复合材料轨枕合成轨枕》，将混凝土作为强度芯体，复合材料轨枕做壳体制成轨枕，此专利背景技术公开“当轨枕外壳损坏时，更换上壳体和下壳体即可。”说明此类发明的轨枕芯体和外壳材料材质差异较大，比较容易出现脱落、密封不严或者损坏等问题，增加日常维护成本和安全隐患。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种新型复合轨枕及其制备方法。该复合轨枕将一种具有一定弹性的复合材料轨枕和一种具有高强度的复合材料轨枕通过高温熔接的工艺加工到一起，具有良好的高强度减震性能。各原料组分简单，主要原料采用回收品，有利于资源再利用，且原料成本低，原料间比例相差小，配比合理，有利于加工生产过程中实现拌料的均匀，且具有理想的抗弯强度和弹性，有利于在轨道交通行业内大规模生产应用。

本发明第一方面提供了一种新型复合轨枕，所述复合轨枕由包括复合材料A和复合材料B的原料制备，其中：

所述复合材料A由11-21重量份的废旧轮胎、55-60重量份的废旧塑料、14.5-15重量份的玻璃纤维、2.5-3.5重量份的偶联剂和7.5-10重量份的含碳酸钙原料C组成；

所述复合材料B由22-25重量份的废旧轮胎、50-55重量份的废旧塑料、15-15.5重量份的玻璃纤维、2.5-3.5重量份的偶联剂和5-7重量份的含碳酸钙原料C组成。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述的复合材料A和B中的偶联剂更优的使用量为3重量份。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述的复合材料A和B以任意比例结合；优选的情况下，所述复合材料A与B的体积比为(40～90％)：余量。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述二者的结合方式包括但不限于包覆式结构、层叠式结构、半嵌入式结构、齿型层叠式结构等；优选的情况下，所述的复合材料A为内芯，所述的复合材料B为外附体；最优选的情况下，复合材料A和B结合的外形为梯形结构，符合常规轨枕的外形特征。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述的新型复合轨枕还包括加强筋，所述加强筋包括钢筋、铁筋、玻纤钢筋。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述加强筋包覆于复合材料A和/或B的内部；

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述的废旧轮胎选自回收型轮胎胶粒；优选的轮胎胶粒粒度范围是15mm以下；更优选的轮胎胶粒粒度范围是5mm-15mm。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述的废旧塑料选自HDPE回收料；优选的废旧塑料粒度范围是15mm以下；更优选的废旧塑料粒度范围是10mm以下；废旧塑料为回收料、无需水洗。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述的玻璃纤维选自长度低于100mm以下的玻璃纤维；更优选长度低于60mm玻璃纤维。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述的含碳酸钙原料C选自含碳酸钙质量百分比在80wt％以上的原料；尤其优选含碳酸钙质量百分比在90wt％以上的原料，实施例中采用石灰石；所述的含碳酸钙原料C的粒度范围是200目以下，优选的粒度范围是250目以下。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述的偶联剂选自硅烷偶联剂；更进一步优选地，可用于本申请的硅烷偶联剂包括KH560等。其中偶联剂KH560的化学名称为3―缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷。

本发明第三方面提供了所述轨枕用复合材料轨枕的制备方法包括如下步骤：将所述复合材料A或复合材料B分别按照配方进行混合、混炼；在挤出过程中将复合材料A或复合材料B结合。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述复合材料A或复合材料B在挤出结合的过程中增加加强筋；

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述复合材料A或复合材料B在挤出结合的过程中，对先挤出的材料B表面进行加温至100～150℃后，再挤出复合材料A，使得复合材料A与B的结合界面在高温条件下互相融合，形成结合牢固的高温熔接复合体。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述的复合材料A或复合材料B在挤出过程中结合出倒梯形结构，这样能过够保证最优的减震性能。同时两种材质也可做成包覆式结构、层叠式结构、半嵌入式结构、齿型层叠结构等，具体产品结构示意图见附图。

进一步地，对于本申请上文所述的技术方案中，所述的复合材料A或复合材料B在挤出过程中结合出包覆式结构的方法如下：

(1)将所述复合材料A的配方进行混合，混合均匀后进行密炼机混炼，通过挤出机挤压至含有加强筋的模具中，挤出压力为1～3MP，保压时间为150～200S；冷却脱模后得到所述材料A；

(2)将所述复合材料B的配方进行混合，混合均匀后进行密炼机混炼，同时对材料B表面进行加温至100～150℃，通过挤出机将复合材料A的原料挤压至加温后的复合材料B的模具中，挤出压力为1000KP～2000KP，保压时间为60S～180S；冷却脱模后得到所述新型复合轨枕。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所述的复合材料轨枕具有良好的减震性能。

1.各原料组分简单，仅选用5种成本低廉的原料；

2.主要原料采用回收品，有利于资源再利用，且原料成本低；

3.原料间比例相差小，配比合理，有利于加工生产过程中实现拌料的均匀；

4.所制备的复合材料轨枕具有理想的抗弯强度和弹性；所述复合材料轨枕的弹性模量在4000MP、弯曲强度在35MP、硬度(邵D)在46度为材料的最佳性能点，既能保证一定强度，又能具有一定弹性。

5.有利于在轨道交通行业内大规模生产应用。

附图说明

图1复合材料轨枕结构示意图；其中A和B均为包覆式梯形复合轨枕的结构示意图。

其中：图例1为复合材料B，2为复合材料A，3为玻纤钢筋。

图2、图3、图4分别为半嵌入式结构、层叠式结构、齿型层叠结构。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细地描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。本发明中，如无特殊说明，所使用的实验方法均为常规方法，所用原料等均可从商业途径购买。

实施例1

将1080kg的废旧轮胎、2640kg的废旧塑料制成颗粒；将1080kg的废旧轮胎颗粒、2640kg的废旧塑料颗粒、730kg的玻璃纤维、145kg的偶联剂和340kg的碳酸钙进行混合，混合均有后进行密炼机混炼，通过挤出机挤压至含有玻纤钢筋的模具中，挤出压力为2.5MP，保压时间为180S。冷却脱模后得到所述复合材料A；将1250kg的废旧轮胎、2500kg的废旧塑料制成颗粒；将1250kg的废旧轮胎颗粒、2500kg的废旧塑料颗粒、750kg的玻璃纤维、150kg的偶联剂和250kg的碳酸钙进行混合，混合均有后进行密炼机混炼，同时采用专用工艺设备对复合材料A表面进行加温至120℃，通过挤出机将密炼后的复合材料B的原料挤压至含有复合材料A的模具中，挤出压力为1500KP，保压时间为120S。冷却脱模后得到所述新型复合轨枕该复合材料轨枕的性能检测包括弹性模量、弯曲强度、硬度(邵D)、线膨胀系数、密度，具体检测数据如表2。

新型复合材料轨枕的性能检测采用下述试验方法：

①弯曲强度试验将按照《GB/T 3356》的规定执行，以5mm/min的加载速率进行试验。

②弹性模量试验将按照《GB/T 3356》的规定执行，以2mm/min的加载速率进行试验。

③线性膨胀系数将按照《GB/T 2572》的规定执行，以1℃/min的升温速率进行试验。

④材料表面硬度将按照《GB/T 531》的规定执行，以邵氏D型硬度仪进行。

对比例1

按照实施例1所述方法，以及表1中的复合材料轨枕成分比例制备复合材料轨枕，其中与实施例1的区别除了原料的重量份不同之外，挤出压力为1500KP；保压时间为120S。该复合材料轨枕的性能数据如表2。

对比例2和对比例3

按照实施例1所述方法，以及表1中的复合材料轨枕成分比例制备复合材料轨枕，其中与实施例1的区别除了原料的重量份不同之外，挤出压力为1500KP；保压时间为120S。该复合材料轨枕的性能数据如表2。

表1.本发明所述复合材料轨枕的成分配比

表2.复合轨枕材料试验数据

通过上述实施例和对比例1、对比例3的对比可知，本申请所述复合材料轨枕，在线弹性模量上分别高出335％和890％、弯曲强度分别高出236％和696％；实施例1和对比例2在硬度上低出92.4％。说明本产品具有高强度的同时减震性能较塑性的轨枕性能好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种复合轨枕，其特征在于，所述复合轨枕由包括复合材料A和复合材料B的原料制备，其中：

所述复合材料A由11-21重量份的废旧轮胎、55-60重量份的废旧塑料、14.5-15重量份的玻璃纤维、2.5-3.5重量份的偶联剂和7.5-10重量份的含碳酸钙原料C组成；

所述复合材料B由22-25重量份的废旧轮胎、50-55重量份的废旧塑料、15-15.5重量份的玻璃纤维、2.5-3.5重量份的偶联剂和5-7重量份的含碳酸钙原料C组成。

2.根据权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于，所述复合材料A与B的体积比为(40～90％)：余量。

3.根据权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于，所述复合材料A与B的结合方式包括包覆式结构、层叠式结构、半嵌入式结构、齿型层叠式结构。

4.根据权利要求3所述的复合轨枕，其特征在于，所述的包覆式结构中复合材料A为内芯，复合材料B为外附体。

5.根据权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于，所述的新型复合轨枕还包括加强筋。

6.根据权利要求5所述的复合轨枕，其特征在于，所述加强筋包括钢筋、铁筋、玻纤钢筋。

7.根据权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于，所述加强筋包覆于复合材料A和/或B的内部。

8.根据权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于，所述的废旧轮胎选自回收型轮胎胶粒；轮胎胶粒粒度范围是15mm以下。

9.根据权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于，所述的废旧塑料选自HDPE回收料；废旧塑料粒度范围是15mm以下。

10.根据权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于，所述的玻璃纤维选自长度低于100mm以下的玻璃纤维；更优选长度低于60mm玻璃纤维。

11.根据权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于，所述的含碳酸钙原料C选自含碳酸钙质量百分比在80wt％以上的原料；尤其优选含碳酸钙质量百分比在90wt％以上的原料，最优选石灰石。

12.根据权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于，所述的含碳酸钙原料C的粒度范围是200目以下，优选的粒度范围是250目以下。

13.根据权利要求1所述的复合轨枕，其特征在于，所述的偶联剂选自硅烷偶联剂；优选的硅烷偶联剂为KH560。

14.如权利要求1所述的复合轨枕的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将所述复合材料A或复合材料B分别按照配方进行混合、混炼；在挤出过程中将复合材料A或复合材料B结合。

15.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述复合材料A或复合材料B在挤出结合的过程中增加加强筋。

16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述复合材料A或复合材料B在挤出结合的过程中，对先挤出的材料A表面进行加温至100～150℃后，再挤出复合材料B。

17.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述的复合材料A或复合材料B在挤出过程中结合出包覆式结构、层叠式结构、半嵌入式结构、齿型层叠结构。

18.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，所述的复合材料A或复合材料B在挤出过程中结合出包覆式结构的方法如下：

(1)将所述复合材料A的配方进行混合，混合均匀后进行密炼机混炼，通过挤出机挤压至含有加强筋的模具中，挤出压力为1～3MP，保压时间为150～200S；冷却脱模后得到所述材料A；

(2)将所述复合材料B的配方进行混合，混合均匀后进行密炼机混炼，同时对材料B表面进行加温至100～150℃，通过挤出机将复合材料A的原料挤压至加温后的复合材料B的模具中，挤出压力为1000KP～2000KP，保压时间为60S～180S；冷却脱模后得到所述新型复合轨枕。

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