DE102021106195A1

DE102021106195A1 - Eisenbahnschwelle aus Kunststoff

Info

Publication number: DE102021106195A1
Application number: DE102021106195.4A
Authority: DE
Inventors: Reimund Dann; Alexander Huwe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2022-09-15
Also published as: CA3213146A1; KR20240007125A; AU2022236395A1; EP4308759A1; WO2022194892A1

Abstract

Bei einer Eisenbahnschwelle (1) mit einem Grundkörper aus einem Kunststoff sind als Bewehrung Naturfaserpartikel (3) vorgesehen, die ungeordnet im Grundkörper vorliegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Eisenbahnschwelle aus einem Kunststoff mit Naturfasern.
Ein entsprechender Formkörper in Form einer Eisenbahnschwelle ist der DE 699 29 819 T2 zu entnehmen. Die Eisenbahnschwelle weist einen harten Innenkern als Bewehrung in Form eines langgestreckten Verstärkungselements auf, das seinerseits von einem Außengehäuse aus einem verformbaren Verbundwerkstoff umgeben ist. Das Außengehäuse ist zweischalig ausgebildet und besteht aus Polyethylen und gemahlenen Gummipartikeln.
Durch die Zweischaligkeit ergeben sich konstruktive und herstellungsbedingte Nachteile, wobei insbesondere eine geometrische Anpassung von Verstärkungselement und Gehäuseschalen erforderlich ist, um eine umfangsseitig geschlossene Schwelle zur Verfügung zu stellen.
Der DE 699 38 308 T2 ist eine synthetische Schwelle zu entnehmen, die aus einem Verbundwerkstoff besteht. Der Verbundwerkstoff weist eine Kernschicht sowie eine Oberflächenschicht auf, die ein hitzehärtbares Harz enthält, das durch Langfasern verstärkt wird.
Aus der DE 10 2011 117 760 A1 ist ein thermoplastischer Werkstoff enthaltend Recycling-Polyolefin und Glasfasern bekannt. Aus dem Werkstoff kann ein Formkörper in Form einer Eisenbahnschwelle hergestellt werden. Durch die Verwendung von Glasfasern ist zum einen der Nachteil gegeben, dass beim Compoundieren ein starker Verschleiß der Wellen auftreten kann. Als Recyclematerial ist der Formkörper aufgrund der enthaltenen Glasfasern nicht geeignet.
BRMU8502972U beschreibt eine Eisenbahnschwelle mit schichtartigem Aufbau.
DE 20 2010 009 863 U offenbart eine Eisenbahnschwelle aus Beton, in die Textilien zur Bewehrung eingearbeitet sind.
Aus EP 2 925 929 B1 ist eine schichtartig aufgebaute Eisenbahnschwelle bekannt, die aus verklebten Steingut- und Naturfaserschichten besteht.
Formkörper können mit Mischern hergestellt werden. Aus US 5 895 790 A und EP 3 608 014 A1 sind thermokinetische Mischer bekannt, die zum Schmelzmischen verwendet werden. Hierbei werden Polymermischungen und thermogehärtetes Abfallmaterial zu nutzbaren Produkten zurückverwandelt durch erstes Formen eines thermogehärteten Materials von voraussagbare Qualität aus ungleichartigen Polymeren und nachfolgendes Schmelzmischen des thermogehärteten Materials mit einem thermoplastischen Material zu nutzbaren Produkten.
Problematisch bei den bekannten Schwellen ist, dass die Herstellung sehr aufwendig und kostenintensiv ist. Außerdem sind die Schwellen nicht zu recyceln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Eisenbahnschwelle und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen zur Verfügung zu stellen, die eine hinreichende Biegesteifigkeit bzw. Festigkeit aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 8. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Eisenbahnschwelle mit einem Grundkörper aus einem Kunststoff bereitgestellt wird, in dem als Bewehrung Naturfaserpartikel unstrukturiert, insbesondere ungeordnet vorliegen. Der Grundkörper der Eisenbahnschwelle besteht aus einem Kunststoff, in dem quasi chaotisch Naturfaserpartikel vorliegen. Das heißt, die Naturfaserpartikel sind ungeordnet im Kunststoff angeordnet. Die Naturfaserpartikel werden im Wesentlichen formschlüssig von dem Kunststoff umschlossen. Vorteil der erfindungsgemäßen Schwelle ist mitunter, dass Naturfasern zum Einsatz kommen, deren Handhabung wesentlich einfacher und vor allem ungefährlicher als beispielsweise Bewehrungen aus Glasfaser ist. Außerdem ist die Gestaltungsfreiheit größer und vielfältiger, da die Naturfasern im Wesentlichen als Fragmente oder Partikel in der Schwelle integriert vorliegen und somit nicht auf eine reproduzierbare Herstellung geachtet werden muss. Des Weiteren handelt es sich hierbei um ein Naturprodukt, also um einen nachwachsenden Rohstoff. Das Recycling einer erfindungsgemäßen Schwelle gestaltet sich somit unproblematisch, da der Kunststoff einfach wieder geschmolzen werden kann.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch die Verwendung der Naturfasern als Bewehrung ein thermischer Längenausdehnungskoeffizient erreicht wird, der im Wesentlichen dem von Eisenbahnschwellen entspricht, die als Bewehrung z. B. Metallstäbe aufweisen oder glasfaserverstärkt sind. Das heißt, die thermische Längenausdehnung des Kunststoffes wird durch die ungeordnete Einbettung der Naturfasern im Wesentlichen verhindert, wodurch wiederum die gewünschte Biegesteifigkeit und Festigkeit der Eisenbahnschwelle gewährleistet ist.
Es ist ferner bevorzugt, dass der Kunststoff ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Mischkunststoffe, Polymermischungen, thermoplastische Kunststoffe und thermogehärtete Kunststoffe. Es hat sich herausgestellt, dass für die erfindungsgemäße Eisenbahnschwelle verschiedenartige Kunststoffe verwendbar sind. Bei den bevorzugten Kunststoffen handelt es sich insbesondere um Kunststoffabfälle, die hierdurch wiederverwendet werden.
Es bevorzugt, dass der Grundkörper aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einer Mischung hieraus und einem Kunststoffabfall umfassend Mischkunststoffe, Polymermischungen und/oder thermogehärtete Abfallstoffe besteht. Der Grundkörper der bevorzugten Ausgestaltung umfasst neben einem Anteil an Kunststoffabfall auch einen Anteil an thermoplastischem Kunststoff. Es hat sich herausgestellt, dass eine Mischung beider Kunststoffe zu einer Eisenbahnschwelle führt, die die notwendigen physikalischen Eigenschaften aufweist und zudem leicht formbar ist. Der thermoplastische Kunststoff liegt insbesondere zu einem Anteil von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-% vor. Ein derartiger Mengenanteil an thermoplastischen Kunststoff hat sich als vorteilhaft erwiesen, da hierdurch eine Grundmasse generiert werden kann, die gut zu bearbeiten bzw. zu formen ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der thermoplastische Kunststoff bereits Naturfasern in Gestalt eines bei der Automobilindustrie anfallenden Abfallstoffes. Bei diesem Abfallstoff sind die Naturfasern in dem thermoplastischen Kunststoff verpresst. Da jedoch die Naturfasern in dem thermoplastischen Kunststoff in dieser Ausgestaltung in Gestalt von Matten vorliegen, wird der thermoplastische Kunststoff mit den Naturfasern vor Verwendung geschreddert. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn nicht eine Kombination aus thermoplastischem Kunststoff und Naturfasern verwendet wird, sondern diese separat in eine entsprechende Mischvorrichtung eingebracht werden. Im Sinne der Erfindung kann eine Mischvorrichtung ein Extruder oder ein thermokinetischer Mischer (Compounder) sein. Das heißt, die erfindungsgemäße Eisenbahnschwelle kann durch einen Extruder oder einen thermokinetischen Mischer (Compounder) hergestellt werden.
Es können beispielsweise thermoplastische Abfallprodukte und zum Beispiel Naturfaserpellets genutzt werden. Unabhängig von der Verwendungsform der Naturfasern ist ein Anteil von Naturfasern im Endprodukt von ca. 30 Gew.-% bis 50 Gew.-% bevorzugt. Es hat sich herausgestellt, dass ein derartiger Anteil leicht bearbeitbar sowie zu einer stabilen Bewehrung führt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der thermoplastische Kunststoff Naturfasern zu einem Anteil von 30 Gew.-% bis 50 Gew.-% umfasst.
Als Naturfasern können beispielsweise Flachs und/oder Hanf herangezogen werden. Die Naturfasern können einzeln oder als Kombination in der Eisenbahnschwelle vorliegen. Selbstverständlich können auch sonstige Naturfasern verwendet werden, die ähnliche Eigenschaften wie Flachs oder Hanf besitzen.
Es hat sich als bevorzugt herausgestellt, dass die Partikelgröße der Naturfaserpartikel im Bereich von 1 mm bis 20 mm, bevorzugt im Bereich von 5 mm bis 15 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 3 mm bis 10 mm liegt. Naturfaserpartikel mit einer Größe von 3 mm bis 10 mm werden optimalerweise von dem Kunststoff voll umschlossen und erreichen die nahezu gleichen physikalischen Eigenschaften wie bekannte Bewehrungen. Naturfaserpartikel mit einer Größe von 1 mm bis 20 mm verhaken sich miteinander, sodass im Wesentlichen eine Matrix aus Naturfasern in der Eisenbahnschwelle aufbaut wird. Gleiches gilt im Wesentlichen für die Naturfaserpartikel mit einer Größe von 5 mm bis 15 mm, bei denen jedoch die Interaktionen untereinander nicht so stark und nicht so ausgeprägt sind, sodass auch einzelne Naturfasern vorliegen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenbahnschwelle umfassend folgende Schritte:

a. Einbringen von Kunststoffabfällen und einem thermoplastischen Kunststoff umfassend Naturfaserbestandteile oder einem thermoplastischen Kunststoff und Naturfasern in eine Mischvorrichtung,
b. Mischen der eingebrachten Materialien derart, dass die Materialien nach a. zerkleinert und zumindest teilweise Aufschmelzen, so dass nach dem Mischen eine im Wesentlichen formbare Grundmasse bereitsteht,
c. Überführen der zumindest teilweise aufgeschmolzenen Grundmasse in eine Form zur Formgebung und Pressen der Grundmasse in eine Außengeometrie der Eisenbahnschwelle.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Eisenbahnschwelle hergestellt durch folgende Schritte:

Die oben genannten Vorteile und Ausgestaltungen der Eisenbahnschwellen gelten analog für die Gestaltung des Verfahrens.
Die Naturfaserpartikel werden durch Vermischung mit den Grundstoffen und dem entsprechenden Anschmelzen der Kunststoffe von diesen umschlossen und in ihrer Lage bzw. Position fixiert. Hierdurch kann eine Eisenbahnschwelle mit einer ausreichenden Biegesteifigkeit bzw. Festigkeit bereitgestellt werden.
Es ist bevorzugt, dass geschreddertes recyceltes thermoplastisches Material der Mischvorrichtung zugeführt wird, wobei vorzugsweise als thermoplastisches Material eine Mischung aus Polymeren, insbesondere Polyolefinen, insbesondere einer oder mehreren Materialien aus der Gruppe Polyethylen, LDPE- und/oder HDPE-Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyethylenerphtalat, Polycarbonat, Polyamid, Acrylnitril-Butadin-Styrol, Polymethylmicroacrylat, Polysteren verwendet wird, wobei insbesondere eine mittlere Größe der Partikel zwischen 1,0 cm und 3,0 cm liegt, insbesondere als thermoplastisches Material eine Mischung aus Partikeln verwendet wird, die aus vorsortierten recycelten und insbesondere geschredderten Kunststoffmaterialien bestehen, die Naturfasern umfassen. Wie bereits geschildert, können Abfallprodukte verwendet werden, die neben thermoplastischen Kunststoffen auch bereits Naturfasern umfassen. Dieses Produkt wird vorteilhafterweise mit weiteren Kunststoffabfällen vermischt.
Es ist bevorzugt, dass die Partikel in der Mischvorrichtung auf eine maximale Temperatur T mit 130 °C ≤ T ? 250 °C, insbesondere T ≈ 150 °C, erwärmt werden. Dabei sollte die Temperatur während des gesamten Mischens im Wesentlichen gleichbleibend gehalten werden. Unabhängig hiervon wirkt auf die Partikel eine Temperatur, durch die ein zumindest oberflächliches Anschmelzen erfolgt, also nicht zwingend ein Durchschmelzen erfolgt, gleich wenn Partikel auch vollständig geschmolzen werden können. Durch das nur teilweise Schmelzen ergibt sich der Vorteil, dass langkettige Polymermoleküle geschont werden mit der Folge, dass das Material an sich bereits in erstarrtem Zustand im Vergleich zu Materialien, die durch Extrudieren hergestellt werden, eine höhere Festigkeit aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
In 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer Eisenbahnschwelle gezeigt. Die Eisenbahnschwelle 1 kann eine Quaderform aufweisen und einen Grundkörper 2 aus einem Kunststoff umfassen, in dem Naturfasern 3 unstrukturiert in einer chaotischen Anordnung vorliegen.
Die Eisenbahnschwelle 1 besteht aus einem Matrixmaterial und umfasst als Kunststoffmaterial Kunststoffabfall mit einem Anteil von circa 90 Gew.-% bis 10 Gew.-% und einen thermoplastischen Kunststoff. Der thermoplastische Kunststoff ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyethylenerphtalat, Polycarbonat, Polyamid, Arcylnitril-Butadin-Styrol, Polymethylmicroacrylat, Polysteren. Entweder umfasst der thermoplastische Kunststoff bereits Naturfasern, was dann der Fall sein kann, wenn ein Abfallprodukt der Automobilindustrie benutzt wird. Hierbei können für die Herstellung der erfindungsgemäßen Eisenbahnschwellen 1 überraschenderweise Matten aus einem thermoplastischen Material, insbesondere Polypropylen und Naturfasern herangezogen werden, die in der Automobilindustrie u. a. als Bestandteil der Karosserie verwendet werden. Bei diesen Matten liegen Naturfaserschichten eingebettet von Thermoplast vor und zwar insbesondere in einem Verhältnis von 50/50, d. h. insbesondere 50 Gew.-% Thermoplast und 50 Gew.-% Naturfasern. Dieses Abfallprodukt in Gestalt von Naturfasern und Thermoplast kann in einem Anteil von 10 Gew.% bis 90 Gew.% mit einer entsprechenden Menge an Kunststoffabfall gemischt werden. Versuche haben gezeigt, dass im Prinzip auch 100 Gew.-% dieses Produkts für die Herstellung der erfindungsgemäßen Eisenbahnschwelle nutzbar sind, die die notwendigen physikalischen Eigenschaften aufweist. Die Erfindung umfasst also mitunter Eisenbahnschwellen, die aus einer Mischung aus Thermoplast und Naturfasern mit Kunststoffabfall oder ohne Kunststoffabfall hergestellt sind.
Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, keine Verbindung von Thermoplast und Naturfasern zu nutzen, sondern diese separat in die Mischvorrichtung einzubringen. Hierbei können die Naturfasern z. B. als Pellets vorliegen.
Für die Herstellung der bevorzugten Eisenbahnschwelle 1 werden zunächst entsprechende gebrauchte Materialien vorsortiert, geschreddert und getrocknet, wobei die einzelnen geschredderten Fragmente eine mittlere Größe zwischen 1,0 mm und 15,0 mm, insbesondere zwischen 1,0 mm und 3,0 mm aufweisen können. Das heißt, auch die zuvor beschriebenen Matten aus Thermoplast und Naturfasern werden zerkleinert. Im gewünschten Mischungsverhältnis - ggf. unter Beimischung von Talkum und/oder einem Vernetzungsmittel und/oder einem Antioxidationsmittel - werden die Materialien sodann einer thermokinetischen Mischvorrichtung zugeführt, die beispielsweise in der EP 3 608 014 A1 beschrieben ist, auf deren Offenbarung ausdrückliche Bezug genommen wird. Ergänzend ist auch nachdrücklich auf die Offenbarung der US 5 895 790 A zu verweisen, die ebenfalls zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gehört. Alternativ können die Materialien auch einem Extruder beigefügt werden.
In der thermokinetischen Mischvorrichtung erfolgt ein Compoundieren der Partikel derart, dass nicht sämtliche Partikel vollständig durchschmelzen, sondern nur in ihren Oberflächen, so dass ein Zusammenhaften, also Agglomerieren erfolgt. Dadurch, dass nicht sämtliche Partikel vollständig aufgeschmolzen sind, wird ein Zerstören langkettiger Polymermoleküle verhindert bzw. reduziert, so dass das Material selbst bereits eine im Vergleich zu ansonsten aus thermoplastischem Material hergestellter Eisenbahnschwelle 1 eine höhere Festigkeit aufweist. Zudem werden die Naturfasern 3 zerkleinert und zwar zu einer bevorzugten Partikelgröße von 1 mm bis 20 mm. Die Partikelgröße kann zum Beispiel durch die Dauer des Mischens beeinflusst werden. Alternativ können die Naturfasern 3 auch vor dem Einbringen in den Mischer auf die bevorzugte Größe zerkleinert werden.
Die gewünschte Biegesteifigkeit bzw. Festigkeit der Eisenbahnschwelle 1 selbst ergibt sich sodann durch die Naturfasern 3. Als Materialien für die Bewehrung aus Naturfaser 3 kommt insbesondere Flachs und/oder Hanf in Frage. Es kann entweder Flachs oder Hanf oder eine Kombination hieraus benutzt werden. Entsprechende Eisenbahnschwellen 1 sind also problemlos recycelbar.
Zur Herstellung entsprechender Eisenbahnschwellen 1 kann ein Werkzeug benutzt werden, dessen Innengeometrie der Außengeometrie der herzustellenden Eisenbahnschwelle 1 entspricht und insbesondere eine Quaderform aufweist. Das Werkzeug kann beispielsweise eine Kastenform mit insbesondere hohlquaderförmiger Geometrie aufweisen, in das der zumindest teilweise aufgeschmolzene Kunststoff aus dem Mischer eingefüllt wird.
Auf Grund der Außenstruktur der Naturfaser 3 erfolgt ein formschlüssiges Umschließen der Naturfasern 3 durch das erstarrte Kunststoffmaterial, so dass ungeachtet der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten eine Längsverschiebung zueinander unterbleibt, wodurch wiederum die gewünschte Biegesteifigkeit und Festigkeit der Eisenbahnschwelle 1 gewährleistet ist.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung der aus Kunststoff bestehenden Eisenbahnschwellen 1 ist auch, dass ein problemloses Ablängen der Eisenbahnschwelle 1 erfolgen kann, insbesondere auch am Ort der Nutzung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69929819 T2 [0002]
DE 69938308 T2 [0004]
DE 102011117760 A1 [0005]
DE 202010009863 U [0007]
EP 2925929 B1 [0008]
US 5895790 A [0009, 0031]
EP 3608014 A1 [0009, 0031]

Claims

Eisenbahnschwelle (1) mit einem Grundkörper aus einem Kunststoff, in dem als Bewehrung Naturfaserpartikel (3) ungeordnet vorliegen.
Eisenbahnschwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Mischkunststoffe, Polymermischungen, thermoplastische Kunststoffe und thermogehärtete Kunststoffe.
Eisenbahnschwelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einer Mischung hieraus und einem Kunststoffabfall umfassend Mischkunststoffe, Polymermischungen und/oder thermogehärtete Abfallstoffe besteht.
Eisenbahnschwelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff zu einem Anteil von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-% vorliegt.
Eisenbahnschwelle (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff Naturfasern (3) zu einem Anteil von 30 Gew.-% bis 50 Gew.-% umfasst.
Eisenbahnschwelle (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern (3) Flachs und/oder Hanf sind.
Eisenbahnschwelle (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgröße der Naturfaserpartikel (3) im Bereich von 1 mm bis 20 mm liegt.
Verfahren zur Herstellung einer Eisenbahnschwelle (1) umfassend folgende Schritte: a. Einbringen von Kunststoffabfällen und einem thermoplastischen Kunststoff umfassend Naturfaserbestandteile oder einem thermoplastischen Kunststoff und Naturfasern in eine Mischvorrichtung, b. Mischen der eingebrachten Materialien derart, dass die Materialien nach a. zerkleinert und zumindest teilweise Aufschmelzen, so dass nach dem Mischen eine im Wesentlichen formbare Grundmasse bereitsteht, c. Überführen der zumindest teilweise aufgeschmolzenen Grundmasse in eine Form zur Formgebung und Pressen der Grundmasse in eine Außengeometrie der Eisenbahnschwelle (1).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass geschreddertes recyceltes thermoplastisches Material der Mischvorrichtung zugeführt wird, wobei vorzugsweise als thermoplastisches Material eine Mischung aus Polymeren, insbesondere Polyolefinen, insbesondere einer oder mehreren Materialien aus der Gruppe Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyethylenerphtalat, Polycarbonat, Polyamid, Acrylnitril-Butadin-Styrol, Polymethylmicroacrylat, Polysterenverwendet wird, wobei insbesondere eine mittlere Größe der Partikel zwischen 1,0 cm und 3,0 cm liegt, insbesondere als thermoplastisches Material eine Mischung aus Partikeln verwendet wird, die aus vorsortierten recycelten und insbesondere geschredderten Kunststoffmaterialien bestehen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in der Mischvorrichtung auf eine maximale Temperatur T mit 130 °C ≤ T ≥ 250 °C, insbesondere T ≈ 150 °C, erwärmt werden.