CN112646254A - 一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，以质量百分比计，主要由以下原料组成：27‑64.5％回收高密度聚乙烯，20％聚丙烯，12.5‑50％玻璃纤维，3％相容剂。本发明复合轨枕的制备方法简单、易操作，并且制备得到的复合轨枕的强度、模量等力学性能均达住建部标准，硬度超过中国铁路总公司标准50HRR，以及衡水冀军路桥养护有限公司标准。

Description

一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕及其制备方法
技术领域
本发明涉及轨道交通符合材料技术领域，更具体的说是涉及一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕及其制备方法。
背景技术
当前，我国的铁路事业蓬勃发展，动车、高铁的高速行驶，列车的快速更新换代，都对铁路轨道提出了更高的要求。在有砟轨道结构中，轨枕是重要的组成部分。目前，传统铁路轨枕有木枕、钢枕和混凝土枕。然而，传统轨枕存在一些先天不足，比如木枕使用寿命短，强度较小且易发生腐烂、开裂；钢枕刚度大，弹性差，易在使用过程中发生腐蚀，导电性高，与钢轨的接触区域易疲劳开裂，在冬季易出现裂痕甚至折断，产生安全隐患；混凝土枕的耐久性比木枕和钢枕好，但易发生化学腐蚀，且弹性差、抗冲击性差、而且结构笨重，运输成本高，安装成本高。
随着化工技术的不断发展，科研人员研制出复合轨枕，以玻璃纤维、聚氨酯、橡塑、橡胶、树脂等原料制成，复合轨枕具有可设计性强、适用范围广、绿色环保等优势。
因此，以复合材料为原料制备的轨枕，对研究传统轨枕的可替代性，降低成本，提高性能，有着重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，旨在解决传统轨枕存在的缺陷，以及提供一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕的制备方法，为实际生产提供数据参考和理论指导，生产出品质优良的复合轨枕。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，以质量百分比计，主要由以下原料组成：27-64.5％回收高密度聚乙烯，20％聚丙烯，12.5-50％玻璃纤维，3％相容剂。
优选的，在上述一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕中，以质量百分比计，主要由以下原料组成：39.5％回收高密度聚乙烯切片，20％聚丙烯，37.5％玻璃纤维，3％相容剂。
优选的，在上述一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕中，所述聚丙烯是分子量为8-15万的聚丙烯S2040。
上述技术方案的有益效果是：聚丙烯S2040具有无毒、无臭、无味、质量轻、吸水率低(仅为0.01％)的特点，并且分子量8—15万，成型性及抗冲击良好。
优选的，在上述一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕中，所述相容剂为相(增)容剂MAH-g-PE(Kt-1)。
上述技术方案的有益效果是：聚丙烯为非极性物质而玻璃纤维为极性物质，根据相似相容原理两者不易互溶，因此添加增容剂增强两者之间的相容性，达到复合材料性质更为稳定的目的。
优选的，在上述一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕中，所述玻璃纤维为5mm短切玻璃纤维。
上述技术方案的有益效果是：短切玻璃纤维模量较高，可以增强复合材料的抗冲击性等力学性质，与此同时相较连续玻璃纤维，短切玻璃纤维对制品的加工流动性能影响较小，适合作为该产品的原料。
优选的，在上述一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕中，所述回收高密度聚乙烯选自日化瓶料，如洗衣液瓶、沐浴露瓶等。
上述技术方案的有益效果是：所述回收高密度聚乙烯(HDPE)采用日化瓶料，具有良好的抗冲击强度和较高的模量，其兼具优异的力学性能和较好的加工流动性的同时，还具有环保和循环利用属性，降低了产品的生产成本的同时还提升了产品的综合性能。
本发明还提供了一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕的制备方法，包括以下步骤：
(1)将回收高密度聚乙烯、聚丙烯、玻璃纤维和相容剂按配比称重，自动上料进入高速混合机预混；
(2)预混完成后由槽车转运，由自动上料机打入共混改性挤出机的料筒，经过Ф50平双挤出机共混挤出造粒；
(3)将造好的颗粒送入成型挤出机熔融塑化，经过模具挤出成型得到复合轨枕，复合轨枕进入定型模进行定型；
(4)测试材料的力学性能及表征，合格品按照根数打捆、码放、包装、贴标送到仓库，不合格品经破碎机破碎和磨粉机粉磨，作为原料重新使用。
优选的，在上述一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕的制备方法中，步骤(1)中所述高速混合机的温度为70-90℃，搅拌桨转速800-1300rpm，冷却混合机温度30-50℃，搅拌桨转速10-100rpm；
进一步优选的，步骤(1)中所述高速混合机的温度为85℃，搅拌桨转速1200rpm，冷却混合机温度45℃，搅拌桨转速65rpm。
上述技术方案的有益效果是：高速搅拌机可以将物料混合的更为均匀，物料之间的结合更为致密，工艺参数的限制是为了在不破坏各物料的物理化学性质的前提下，使其达到最佳的混合效果，有利于使复合材料的各项性能达到最佳。
优选的，在上述一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕的制备方法中，步骤(2)中所述共混挤出造粒温度为160-195℃。
上述技术方案的有益效果是：对共混挤出造粒温度的限制是为了在不破坏复合材料的分子链结构的前提下，保证复合材料具有一定的流动性，有利于造粒。
优选的，在上述一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕的制备方法中，步骤(3)中所述成型挤出机为Ф65锥双成型挤出机或者150mm以上的单螺杆挤出机。
上述技术方案的有益效果是：挤出机的选择是为了使物料在其内部熔融塑化的更为充分，使得所生产出来的制品性能更为优异。
优选的，在上述一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕的制备方法中，步骤(3)中所述熔融塑化的温度为155-200℃。
上述技术方案的有益效果是：熔融塑化限制的温度参数是在不破坏其内部结构的前提下，为了使其物料能够充分熔融塑化，使复合物组分更加致密，所限制的参数。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明利用回收塑料(HDPE、PP)作为实验研究对象，将其应用在复合轨枕的研究之中，在一定程度上减小了塑料所带来的“白色污染”和所带来的占用土地和环境污染的现象，同时可以减少铁路轨枕对木材的使用，代替传统轨枕，提高轨枕的力学性能和使用寿命；
(2)基体中加入PP，相对于云母可以与玻璃纤维有更好的粘结效果，并且最终得到的复合轨枕的测试结果更加优异；
(3)复合轨枕的制备过程中使用了破碎机，过程中一旦产生废品可以进行切割分离打碎，重新挤出再利用，不会产生任何固废排放。
(4)本发明制备得到的复合轨枕的强度、模量等力学性能均达住建部标准，硬度超过中国铁路总公司标准50HRR，以及衡水冀军路桥养护有限公司标准。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明实施例3复合轨枕的扫描电子显微镜结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其组成包括：回收高密度聚乙烯(HDPE)切片64.5％；PP(聚丙烯S2040)20％；玻璃纤维(玻纤GF)12.5％、相(增)容剂MAH-g-PE(Kt-1)3％；
实施例2
一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其组成包括：回收高密度聚乙烯(HDPE)切片52％；PP(聚丙烯S2040)20％；玻璃纤维(玻纤GF)25.0％、相(增)容剂MAH-g-PE(Kt-1)3％；
实施例3
一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其组成包括：回收高密度聚乙烯(HDPE)切片39.5％；PP(聚丙烯S2040)20％；玻璃纤维(玻纤GF)37.5％、相(增)容剂MAH-g-PE(Kt-1)3％；
实施例4
一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其组成包括：回收高密度聚乙烯(HDPE)切片27％；PP(聚丙烯S2040)20％；玻璃纤维(玻纤GF)50％、相(增)容剂MAH-g-PE(Kt-1)3％；
对比例1
一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其组成包括：回收高密度聚乙烯(HDPE)切片77％；PP(聚丙烯S2040)20％，相(增)容剂MAH-g-PE(Kt-1)3％。
实施例1-4及对比例1对应的生产工艺如下：采用冷顶法(冷挤法、冷推法、硬顶法)制作复合轨枕。
具体的，将将短切玻璃纤维、HDPE、PP、相(增)容剂MAH-g-PE(Kt-1)按配比称量，自动上料进入高速混合机(200L)预混，高速混合机温度70-90℃，搅拌桨转速800-1300rpm，冷却混合机温度30-50℃，搅拌桨转速10-100rpm；，
预混好后由槽车转运，由自动上料机打入共混改性挤出机的料筒，经过Ф50平双挤出机共混挤出造粒控制温度160-195℃(第一步)；
然后将造好的颗粒送入Ф65锥双成型挤出机(或者150mm以上的单螺杆挤出机)熔融塑化，控制温度155-200℃，经过模具挤出成型得到复合轨枕(第二步)，复合轨枕进入定型模进行定型(固定在加固的定型台上)；
按要求自动切割或者按客户要求对其做后处理如压花或滚刀等；
最后经检验，合格品按照根数打捆、码放、包装、贴标送到仓库，不合格品经破碎机破碎和磨粉机粉磨，作为原料重新使用。
对比例2：
一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其组成包括：回收高密度聚乙烯(HDPE)切片39.5％；云母20％；玻璃纤维(玻纤GF)37.5％、相(增)容剂MAH-g-PE(Kt-1)3％。
对比例2对应的生产工艺如下：采用密炼+冷顶法进行制作。
具体的，将云母粉用硅烷偶联剂(含量20％)、醇溶液(含量72％)、水(含量8％)的混合溶液进行预处理，并与HDPE、短切玻璃纤维、PE、相(增)容剂按配比称量加入密炼机，进行共混，混好后破碎，由槽车转运，由自动上料机打入共混改性挤出机的料筒；
经过Ф50平双挤出机共混挤出造粒控制温度160-195℃(第一步)；
然后将造好的颗粒送入Ф65锥双成型挤出机(或者150mm以上的单螺杆挤出机)熔融塑化，控制温度155-200℃，经过模具成型得到复合轨枕(第二步)，复合轨枕进入定型模(固定在加固的定型台上)。
按要求自动切割或者按客户要求对其做后处理如压花或滚刀等；
最后经检验，合格品按照根数打捆、码放、包装、贴标送到仓库，不合格品经破碎机破碎和磨粉机粉磨，作为原料重新使用。
对实施例1-4及对比例1-2制备得到的复合轨枕进行力学性能测试，测试结果参见表1：
表1力学性能测试数据
Figure BDA0002857537780000071
Figure BDA0002857537780000081
由表1可以看出，玻璃纤维含量由12.5％上升至50％过程中，拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度、压缩强度以及洛氏硬度都有递增式变化，对比于未加入玻璃纤维的对比例1，各项指标有显著改良；
在实施例4的相关实验过程中，当玻璃纤维含量达到50％时，虽然各项性能指标均较好，但是由于玻璃纤维熔点高，故混合物的熔融流动性能有显著降低，即加工性能变差，不利于共混及挤出过程；
对比例2作为性能最佳的实施例3的对比，将PP换成云母，测试性能，结果除弯曲模量外，其他指标均不及实施例3，因此，确定实施例3为最佳的实验方案。
另外，参见附图1，是实施例3复合轨枕的扫描电子显微镜结构示意图，从图中可以看出，玻璃纤维作为增强体均匀分布在HDPE基体中，玻璃纤维和高密度聚乙烯的界面粘结一般，露出的玻璃纤维表面附有少量的树脂纤维，周围没有明显的空隙或空洞，而且相邻玻璃纤维间树脂紧密相连，说明玻璃纤维的表面处理效果良好。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方案而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其特征在于，以质量百分比计，主要由以下原料组成：27-64.5％回收高密度聚乙烯，20％聚丙烯，12.5-50％玻璃纤维，3％相容剂。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其特征在于，以质量百分比计，主要由以下原料组成：39.5％回收高密度聚乙烯切片，20％聚丙烯，37.5％玻璃纤维，3％相容剂。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其特征在于，回收高密度聚乙烯选自日化瓶料。
4.根据权利要求1所述的一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其特征在于，所述聚丙烯是分子量为8-15万的聚丙烯S2040。
5.根据权利要求1所述的一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其特征在于，所述相容剂为相容剂MAH-g-PE(Kt-1)。
6.根据权利要求1所述的一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕，其特征在于，所述玻璃纤维为5mm短切玻璃纤维。
7.一种权利要求1-6任一项所述的热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将回收高密度聚乙烯、聚丙烯、玻璃纤维和相容剂按配比称重，自动上料进入高速混合机预混；
(2)预混完成后由槽车转运，由自动上料机打入共混改性挤出机的料筒，经过Ф50平双挤出机共混挤出造粒；
(3)将造好的颗粒送入成型挤出机熔融塑化，经过模具挤出成型得到复合轨枕，复合轨枕进入定型模进行定型；
(4)测试材料的力学性能及表征，合格品按照根数打捆、码放、包装、贴标送到仓库，不合格品经破碎机破碎和磨粉机粉磨，作为原料重新使用。
8.根据权利要求7所述的一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述高速混合机的温度为70-90℃，搅拌桨转速800-1300rpm，冷却混合机温度30-50℃，搅拌桨转速10-100rpm。
9.根据权利要求7所述的一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述共混挤出造粒温度为160-195℃。
10.根据权利要求7所述的一种热塑性塑料玻纤挤出复合轨枕的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述成型挤出机为Ф65锥双成型挤出机或者150mm以上的单螺杆挤出机；所述熔融塑化的温度为155-200℃。
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