MX2012014114A - Material compuesto termoendurecible elaborado de polvo de caucho reciclado y manipulado. - Google Patents

Abstract

Un material compuesto termoendurecido se puede utilizar en la fabricación de componentes estructurales que incluyen durmientes de ferrocarril comprende una combinación sustancialmente homogénea de una cantidad de partículas de caucho vulcanizadas que incluyen una relación predeterminada de diferentes tamaños de partículas y un agente de unión elastomérico termoendurecido agregado a las partículas de caucho vulcanizadas. La combinación puede comprender aproximadamente 30% a aproximadamente 97% en peso de las partículas de caucho vulcanizadas y la combinación se somete a moldeado por compresión a una temperatura y presión predeterminadas durante un período de tiempo de permanencia que forma el material compuesto. La relación de diferentes tamaños de partícula de caucho se seleccionan de manera que el material compuesto tenga una densidad deseada o esté dentro de un intervalo de densidades deseadas.

Description

MATERIAL COMPUESTO TERMOE DURECIBLE ELABORADO DE POLVO DE CAUCHO RECICLADO Y MANIPULADO DESCRIPCION DE LA INVENCION CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se relaciona con materiales compuestos utilizados en la fabricación de componentes estructurales y métodos para la elaboración de estos materiales compuestos. De manera más especifica, las modalidades de la invención se relacionan con materiales compuestos termoendurecibles elaborados a partir de polvo de caucho reciclado y manipulado.

Se han desarrollado diversos procesos y métodos para triturar artículos de caucho desechados tales como neumáticos, en donde los artículos de caucho desechados se reducen a tamaños que pueden ser reutilizados en la elaboración de productos de caucho nuevos. La forma particulada de este producto de caucho con frecuencia se denomina como caucho de grumo o como polvo de caucho. Los procesos y aparatos para triturado de caucho deben superar el alto grado de elasticidad del caucho. En realidad, el molido o doblado de productos de caucho a temperaturas ambiente genera suficiente calor por lo que las partículas de caucho resultantes son relativamente no reactivas. Además, los procedimientos generan un caucho en grumos que incluye tamaños particulados más grandes y no uniformes. Aunque el caucho en grumos producido por estos procesos es barato y económico de usar para fabricar productos de caucho nuevo, el caucho en grumos no se puede utilizar para desarrollar un producto "basado en caucho". Es decir, el caucho en grumos es utilizado esencialmente como materiales de relleno, debido a que el polímero de caucho no se puede reticular con otros polímeros.

En realidad, el caucho en grumos se ha utilizado como un ingrediente secundario en compuestos y productos técnicos y hasta ahora no se ha utilizado como un polímero de base primaria al cual se formula el material compuesto y al que también se le agreguen otros aditivos y constituyentes. Las cargas comerciales típicas para materiales técnicos han estado en un intervalo de 1% a 15%. En estos casos, el caucho en grumos se utiliza como un material de relleno no técnico para reducir los costos generales de los compuestos y puede deteriorar las propiedades técnicas de los polímeros de base. Por ejemplo, la adición de más caucho en grumos puede reducir efectivamente la resistencia a la tensión de un material compuesto.

Debido a su incapacidad para unirse químicamente, algunos materiales compuestos de la técnica anterior se han formulado utilizando plásticos como el polímero de base y han utilizado tecnologías de moldeo por extrusión con el fin de encapsular el caucho en grumos. Además, los elastómeros termoplásticos (TPE) utilizados en el pasado tienen poca resistencia química y térmica y baja estabilidad térmica. Tales TPE con frecuencia se reblandecen o se funden a temperaturas elevadas deteriorando la cadena polimérica lo que vuelve al material compuesto inutilizable .

Otros procedimientos para triturar artículos de caucho se han desarrollado en donde ciertas etapas del proceso son controladas térmicamente. Esto es, la temperatura de las partículas de caucho se controla o mantiene a temperaturas suficientemente bajas de manera que la temperatura del caucho durante el procesamiento no se incrementa por encima de su temperatura de transición vitrea provocando que surjan las propiedades elásticas inherentes. Tales procesos son capaces de producir por polvo de caucho en grumos con tamaños de partícula mucho menores y una distribución de tamaño de partícula más uniforme. Además, las partículas de caucho en grumos pueden ser potencialmente más reactivas y capaces de unión reticulado con otros problemas. No obstante, los procesos, métodos y aparatos hasta ahora no han desarrollado para aprovechar esta tecnología para producir materiales compuestos que sean moldeados o configurados para ser utilizados como componentes estructurales funcionales.

Puede ser particularmente útil proporcionar un material compuesto que incluya como su material base partículas de caucho recicladas y manipuladas que sean utilizadas para fabricar componentes estructurales tales como durmientes de ferrocarril. Dado que los países en desarrollo construyen su infraestructura de transporte en climas difíciles (calor/frío extremo, humedad, radiación UV/luz solar, insectos, etc.), necesitan utilizarse materiales técnicos de duración más prolongada con el fin de amortizar los costos iniciales durante períodos más prolongados para financiamiento y reducir el costo de mantenimiento. El uso de materiales compuestos puede superar las dificultades de suministrar servicio a rieles en lugares remotos y reducir el desecho de desperdicios.

DESCRIPCION BREVE DE LA INVENCION Una modalidad de la invención incluye un material compuesto termoendurecido que incorpora partículas de caucho recicladas y manipuladas (ERRP) como un polímero de base y un componente primario al cual también se le agregan ingredientes suplementarios para incrementar y mejorar las propiedades mecánicas y físicas deseadas. Las cargas típicas pueden incluir hasta 30% en peso de ERRP, o de manera más típica pueden variar de 60 a 90%, combinado con un agente de unión elastomérico termoendurecible . Esta combinación se someta a fuerzas de moldeado por compresión a presiones y temperaturas predeterminadas para formar un material compuesto termoendurecible que se puede utilizar como un componente estructural tal como un durmiente de ferrocarril .

Debido a que el material compuesto utiliza ERRP como el polímero basado técnico, las ERRP representan el gasto más grande por peso de material compuesto terminado. Dado que se incorporan ciertos aditivos y forman compuestos de modos específicos y en momentos predeterminados en el procesado de ERRP, las propiedades de los materiales compuestos se incrementan. Las modalidades del material compuesto termoendurecible no solo permitirán que los durmientes de ferrocarril satisfagan las especificaciones de la industria sino también la instalación utilizando el mismo equipo y dispositivo de sujeción utilizados actualmente para instalar durmientes convencionales. El material compuesto termoendurecible se elabora de materiales y se puede fabricar para calificar como un subproducto de carbón cuando se compara con otros materiales de durmientes de ferrocarril tal como madera, concreto, plástico y otros materiales compuestos.

DESCRIPCIPON BREVE DE LAS FIGURAS La figura 1 es un diagrama de flujo que describe el proceso para elaborar el material compuesto termoendurecible .

La figura 2 es una vista en perspectiva superior de un durmiente de ferrocarril que comprende el material compuesto termoendurecible.

La figura 3 es una vista en perspectiva inferior del durmiente de ferrocarril en la figura 2.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Una modalidad de la invención para un material compuesto termoendurecible se puede fabricar a partir de una combinación de polvo de caucho en grumos vulcanizado y reciclado, también denominado como polvo de caucho reciclado y manipulado ("ER P") y un agente de unión elastomérico termoendurecible. Esta combinación se mezcla para formar una mezcla homogénea de los componentes y después se moldea bajo calor y presión suficientes por un tiempo de permanencia para formar un material compuesto. En una modalidad, el agente de unión elastomérico termoendurecible es un caucho no vulcanizado (que preferiblemente se proporciona en forma granulada) combinado con un "empaque de curado" el cual facilita la vulcanización del caucho cuando la combinación se somete a calor y presión. En otra modalidad, la combinación puede incluir las ERRP combinadas con un poliuretano o una resina de poliurea termoendurecible, las cuales también se someten a calor y presión para proporcionar un material compuesto termoendurecible. En cualquier modalidad, el material compuesto moldeado tiene las propiedades deseadas tales como densidad, resistencia a la tracción, dureza y rigidez al doblado para que sirva como un componente' estructural tal como un durmiente de ferrocarril.

Las ERRP o partículas de caucho vulcanizadas se pueden producir a partir de procesos conocidos tales como los métodos descritos en las patentes de E.U.A. números 5,588,600; 7,093,781 y 7,108,207 para triturado de caucho en partículas, las cuales se incorporan en la presente como referencia. Estos métodos incluyen etapas para enfriamiento o congelamiento de las partículas de caucho a temperaturas criogénicas antes de triturar el caucho. El polvo de caucho en grumos que incluye las ERRP a las que se hace referencia en lo anterior y también a las que se les puede denominar como polvo de caucho granulado criogénicamente. Este polvo de caucho en grumos presenta una superficie única adecuada para adhesión interfacial y excelentes propiedades mecánicas cuando se procesan para la conformación de un material compuesto. En realidad, el uso de este polvo de caucho puede reducir la necesidad de modificadores costosos .

La invención también se relaciona con la cubierta de cualquiera de las ERRP o partículas de caucho vulcanizadas que se fabriquen bajo condiciones controladas térmicamente tal como control de la temperatura del material de caucho durante las etapas de molido u otras etapas en un proceso de triturado. El término "caucho granulado controlado térmicamente" como se utiliza en la presente, significará cualquier caucho en grumos vulcanizado o producto de caucho en forma particulada que se fabrique bajo condiciones controladas térmicamente de manera que la temperatura del caucho se mantenga por debajo de una temperatura predeterminada que pueda tener un efecto perjudicial sobre las características físicas o mecánicas del caucho.

El componente de caucho no vulcanizado puede ser un caucho en grumos formulado para uso en la producción de productos de caucho tales como neumáticos; no obstante, el caucho es raspado como resultado de no satisfacer especificaciones de manufactura. Este caucho raspado también se conoce comúnmente como "caucho crudo". Cuando se utiliza caucho crudo o caucho no vulcanizado, los agentes vulcanizantes se agregan para facilitar la vulcanización del caucho no vulcanizado. De esta manera, se puede agregar a la combinación un "paquete de curado" en donde el paquete de curado puede comprender azufre en combinación con aditivos tales como aceleradores, activadores tales como óxido de zinc, ácido esteárico, antidegradantes y/o antioxidantes. El "paquete de curado" proporciona reticulado de caucho no vulcanizado (ya sea caucho natural o caucho de estireno butadieno (SBR) ) para estabilizar el material compuesto termoendurecible .

Además, un caucho vulcanizado y despolimerizado, también conocido como Pyro-BlackMR, el cual habitualmente se produce por la despolimerización de neumáticos raspados, se puede agregar ya sea a cualquiera de las dos modalidades de la combinación. En una modalidad alternativa o de modo alternativo a la utilización de Pyro-BlackMR, se puede usar negro de carbón. El negro de carbón es una forma de carbono amorfa que también tiene una relación elevada de área superficial respecto a volumen.

Las modalidades de la invención se establecen a continuación en el tabla I, no obstante, la invención no se limita a estas modalidades y puede incluir los componentes de la composición o combinación en concentraciones diferentes o en intervalos de concentración diferentes: TABLA 1 Libras % de Libras % de Libras % de cargado cargado cargado Caucho crudo 157.5 70% 112.5 50% 67.5 30% raspado base SBR Polvo de 45 20% 90 40% 112.5 50% caucho manipulado y reciclado Pyro-BlackMR 18 8% 18 8% 18 8% Otros 4^5 2% 4JL_5 2% 27 12% ingredientes 225 100% 225 100% 225 100% Como se muestra, se formula una combinación que incluye aproximadamente 30% a aproximadamente 70% en peso de caucho raspado no vulcanizado; aproximadamente 20% a aproximadamente 50% en peso de polvo manipulado y reciclado vulcanizado; aproximadamente 8% en peso de Pyro-BlackMR o negro de carbón; y aproximadamente 2% a aproximadamente 12% en peso de otros ingredientes. Los "otros ingredientes" incluyen el "empaque de curado" mencionado antes que incluye el azufre, los aceleradores, los activadores, etc. Además los "otros ingredientes" pueden incluir agentes de unión y/o compatibilizantes que se sabe son utilizados cuando se reciclan compuestos de caucho en la elaboración de materiales compuestos. Aproximadamente 1% a 5% en peso de la combinación puede comprender el "empaque de curado" que incluye azufre y otros aditivos, dependiendo de la relación de caucho crudo respecto a grumos que se utilicen.

Además de los componentes anteriores, se puede agregar un agente de expansión a la mezcla para controlar parte de las características del producto final tal como elasticidad, dureza, resistencia a la tensión, compresión, peso, etc. Los agentes de expansión conocidos que se pueden utilizar con los materiales de caucho descritos en lo anterior se pueden seleccionar del grupo de agentes de expansión conocidos como sulfohidrazidas, las cuales pueden descomponerse a temperaturas menores en relación a algunos otros ejemplos de expansión. Las sulfohidrazidas pueden tener una temperatura de descomposición de aproximadamente 105 °C o mayor en comparación con las azodicarbonamidas las cuales pueden tener temperaturas de descomposición que varían desde aproximadamente 165°C hasta aproximadamente 210°C. Como se describe con mayor detalle, los agentes de expansión pueden ser introducidos en la mezcla homogénea antes de que se inicie la etapa de vulcanización/moldeado por compresión del proceso/método descrito.

El tamaño de partículas del polvo de caucho vulcanizado y el caucho- no vulcanizado puede variar de acuerdo con las propiedades mecánicas o físicas deseadas del material compuesto termoendurecible fabricado utilizando la combinación. Cuando se hace referencia a un tamaño de partícula, el término "malla" se puede utilizar para hacer referencia a una muestra de partículas de caucho que tienen generalmente un tamaño o diámetro únicos, o un intervalo de tamaños. Por ejemplo, una muestra de una cantidad de partículas de caucho en las cuales las partículas tienen un tamaño de malla 10 significará que un porcentaje (típicamente, 95%) de las partículas para la muestra dada tienen un diámetro de 2 mm o menor, o 95% de las partículas pasarán a través de un tamiz de malla 10. Cuando hace referencia a una muestra, o una cantidad dada de partículas de caucho, que tengan un intervalo de tamaños de malla esto significará que cierto porcentaje (típicamente, 95%) de las partículas de caucho para esa muestra están dentro del intervalo designado. Por ejemplo, una muestra que tiene partículas de caucho en el intervalo de malla +40 a malla +60 se referirá a tamaños de partícula en donde aproximadamente 95% de las partículas pasarán a través de un tamiz de malla 40, pero también serán retenidas por un tamiz de malla 60. En este ejemplo, las partículas de una muestra dada pueden tener un diámetro de aproximadamente 0.25 mm (250 µ??) a aproximadamente 0.4 mm (400 µp?) .

Las partículas de caucho vulcanizadas granuladas controladas térmicamente o las ERRP, en comparación con otros productos de caucho en grumos tienen más sitios químicamente activos volviéndolos más reactivos por lo que vuelve posible proporcionar un nivel de reticulado entre las partículas de caucho y otros polímeros. En consecuencia, el tamaño y distribución de las partículas de un tamaño de partícula dentro de una muestra de ERRP afecta directamente las capacidades de reticulado de las ERRP con otros polímeros tales como los agentes de unión elastoméricos termoendurecibles descritos antes.

En consecuencia, el tamaño de partícula y la distribución de tamaño de partícula de las partículas de caucho vulcanizadas tienen un efecto directo sobre las propiedades físicas de la combinación antes de que la combinación cure, lo cual altera el procesamiento de la combinación y/o el proceso de curado. Por ejemplo, un tamaño de partículas y una distribución de tamaño de partícula menores puede incrementar la viscosidad de la combinación lo que incrementa el tiempo de incorporación durante el mezclado para crear homogeneidad. Además, una distribución de tamaño de partícula mayor puede resultar en que la combinación, en una forma extruida o moldeada se encoja o expanda más que las partículas más pequeñas lo cual afecta directamente la cantidad de la combinación utilizada para moldear y formar componentes estructurales de acuerdo con ciertas dimensiones y configuraciones. Además, el tamaño de partícula y la distribución de tamaño afecta directamente la densidad del material compuesto final lo que a su vez altera otras propiedades mecánicas y físicas del material compuesto termoendurecible . Por ejemplo, la resistencia a la tensión del material compuesto aumenta conforme se incrementa el número de partículas más pequeñas; un incremento en la dureza concuerda con tamaños de partículas y distribuciones menores; o el porcentaje de elongación a la ruptura también aumenta con tamaños de partícula menores.

Con respecto a las modalidades de la invención, el tamaño de partícula para las partículas de caucho vulcanizadas para una combinación dada puede variar en cualquier lugar desde aproximadamente malla 10 hasta aproximadamente malla 140. Esto es, el tamaño para la totalidad de las partículas de caucho vulcanizadas para una cantidad seleccionada de ERRP puede ser un tamaño único que se selecciona del intervalo de tamaño de malla 10 (más grande) hasta malla 140 (más pequeña) . De manera alternativa, el tamaño de la totalidad de las partículas para una cantidad seleccionada de ERRP puede variar en tamaño de manera que existen partículas que sean no mayores de malla 10 y no menores de malla 140. De manera preferible, el tamaño de partícula está en el intervalo de aproximadamente malla 10 a aproximadamente malla 60 y de manera más preferible de aproximadamente malla 20 a aproximadamente malla 40.

En una modalidad, una cantidad seleccionada de ERRP utilizada en la combinación puede tener una relación predeterminada de tamaños diferentes de partículas de caucho vulcanizadas. Esta relación de tamaño de partículas diferentes se puede seleccionar de acuerdo con una o más propiedades físicas o mecánicas deseadas del material compuesto termoendurecible, propiedades las cuales pueden depender de la función del componente estructural fabricado a partir del material compuesto termoendurecible. ? modo de ejemplo, un durmiente de ferrocarril el cual requiere un alto grado de rigidez con buenas propiedades de resistencia a la tensión se puede fabricar a partir de una combinación de las ERRP y el agente de unión elastomérico termoendurecible y presentar una densidad que varía entre 0 . 72 g/cm3 ( 4 5 libras/pie3) a aproximadamente 1.3 g/cm3 ( 80 libras/pie3) y de manera preferible una densidad que varía entre 0 . 96 g/cm3 ( 60 libras/pie3) a aproximadamente 1.1 g/cm3 ( 70 libras/pie3) . Una combinación que incluye las ERRP para este componente estructural puede incluir una relación de tamaños de partículas de las ERRP como sigue: aproximadamente 25% de las partículas tienen un tamaño de malla -20 ( 25% tienen un diámetro promedio de 707 micrómetros o menor) ; aproximadamente 25 % de las partículas tienen un tamaño de malla - 4 0 a +60 ( 25 % tienen un diámetro de 250 micrómetros-4 00 micrómetros) ; y aproximadamente 50% de las partículas tienen un tamaño de maya -80 (25% tienen un diámetro promedio de 177 micrometros o menor) .

La combinación de la ERRP y el agente de unión pueden producir un material compuesto termoendurecible que tiene una densidad que es de por lo menos 0.96 g/cm3 (60 libras/pie cúbico) .

En otro ejemplo, la relación de los diferentes tamaños de partículas pueden incluir un mayor contenido de partículas más grandes para alterar una características física del material compuesto. Por ejemplo, un incremento de distribución de tamaño de partícula más grande puede permitir amortiguamiento adicional de vibración y el material compuesto termoendurecible puede tener una densidad de aproximadamente 72-0.80 g/cm3 (45-50 libras/pie3) . Tal combinación puede incluir las ERRP con una relación de tamaños de partícula que incluyen: aproximadamente 33% de las partículas tienen un tamaño de malla -20 (33% tienen un diámetro promedio de 707 micrometros o menor) ; aproximadamente 33% de las partículas de malla -40 a tamaño de malla +60 (33% tienen un diámetro de 250 micrómetros-400 micrometros) ; y aproximadamente 33% de las partículas tienen un tamaño de malla -80 (33% tienen un diámetro de 173 micrómetros o menor) .

En otro ejemplo adicional, una cantidad deseada de elasticidad puede ser necesaria para un componente estructural vertical tal como colocación de pilotos marinos, en donde el material compuesto termoendurecible puede tener una densidad de 0.64-0.80 g/cm3 (40-50 libras/pie3) . Esta combinación puede incluir las ERRP con una relación de tamaños de partícula que incluyen: aproximadamente 40% de las partículas tienen un tamaño de malla -20 (40% tienen un diámetro promedio de 707 micrómetros o menor) ; aproximadamente 30% de las partículas de malla - 40 a tamaño de malla +60 (30% tienen un diámetro de 250 micrómetros-400 micrómetros) ; y aproximadamente 30% de las partículas tienen malla -80 (33% tienen un diámetro promedio de 177 micrómetros o menor) .

Con respecto a la figura 1, se muestra un diagrama de flujo que muestra un método para elaboración de un material compuesto termoendurecible; o el mismo puede ser caracterizado como un método de fabricación de un componente estructural a partir de un material compuesto termoendurecible. En una primera etapa 10, cada uno de los componentes incluye las ERRP y el aglutinante el cual puede incluir partículas de caucho no vulcanizadas en combinación con el "empaque de curado" al que se hizo referencia antes el cual se introduce en un mezclador (preferiblemente un mezclador de alto cizallamiento) . De manera alternativa, se puede mezclar un agente de unión de poliuretano/poliurea con las ERRP en vez de el caucho no vulcanizado y el paquete de curado. Como lo conocen los expertos en el ámbito, los mezcladores de alto cizallamiento pueden tener rotores contragiratorios que pueden generar calor considerable durante el proceso de mezclado; por lo tanto deben tomarse precauciones para mantener la temperatura de la mezcla, o el interior de la mezcla de alto cizallamiento por debajo de las temperaturas a las cuales pueda producirse vulcanización. Las temperaturas típicas para mezclado de alto cizallamiento se pueden controlar de 38 °C (100°F) a 79°C (175°F) .

En una etapa 12 alternativa, se pueden introducir en esta etapa aditivos tales como el caucho vulcanizado despolimerizado, materiales de relleno, agentes de expansión, compatibilizantes, etc. Algunos ejemplos de materiales de relleno pueden incluir material fibroso reciclado tal como pavimento o alfombra, carbonato de calcio, talco de monomezcla, MISTRONMR o talco de vapor MISTRONMR o sílice granulada. Se entiende que la sílice granulada no ha sido utilizada en formulación alguna de caucho hasta ahora.

Nuevamente con referencia a la etapa 12 respecto a la introducción de un agente de expansión en la combinación, el agente de expansión se puede agregar en una cantidad de aproximadamente 0.00% a 0.5% y de manera preferible 0.025% a aproximadamente 0.5% de la combinación/material compuesto cuando se agrega. Los agentes de expansión se conocen como sustancias que se pueden mezclar en una diversidad de materiales que incluyen materiales de caucho que experimentan una degradación controlada lo cual libera gas inerte bajo las temperaturas y presiones de moldeado por compresión para generar estructuras celulares dentro de la matriz compuesta. La etapa en la cual se introduce agente de expansión en la mezcla homogénea puede depender del tipo de agente de expansión utilizado. Por ejemplo, un agente de expansión que se descompone a temperaturas menores tales como sulfohidrazinas se pueden introducir en la mezcla homogénea antes de la inyección en la etapa de moldeado por compresión/vulcanización. Para este fin, los agentes de expansión tales como las azodicarbonamidas que se descomponen a temperaturas mayores se pueden introducir más temprano en la mezcla homogénea en la etapa de mezclado. La introducción del agente de expansión en el mezclador de alto cizallamiento también puede estar determinada por la temperatura de mezclado. Se debe introducir una cantidad suficiente de agente de expansión con el fin de alcanzar las propiedades físicas deseadas del producto final.

En la etapa 14, la combinación descrita en lo anterior se mezcla en el mezclador de alto cizallamiento para obtener una mezcla de manera sustancial o general homogénea del caucho y los componentes aglutinantes. De la manera en que se utiliza en la presente, el término homogéneo significa que la mezcla tiene las mismas proporciones a través de una muestra dada o de muestras múltiples de proporciones diferentes para crear una mezcla consistente. Con respecto a los pesos de las composiciones o combinaciones que se establecen en la tabla I anterior y en las composiciones descritas en lo siguiente las tablas II-XII, la etapa 14 de mezclado puede requerir 5-10 minutos o posiblemente un período más breve o más largo, dependiendo del peso de la combinación. Se pueden utilizar parámetros de mezclado similares con la modalidad de la combinación que incluye el poliuretano o la poliurea.

Con respecto a la etapa 16, la mezcla homogénea se introduce en uno o más moldes de un aparato de moldeo por compresión en donde la mezcla experimenta moldeo comprimido a una temperatura predeterminada, una presión predeterminada y por un período de tiempo de permanencia. Dependiendo del tipo de componente estructural que se fabrica se pueden proporcionar una pluralidad de moldes que tienen un tamaño para formar los componentes estructurales deseados. Por ejemplo, los moldes con un tamaño para formar durmientes de ferrocarril se pueden proporcionar en donde los durmientes de ferrocarril se fabrican para tener un tamaño de 177 cm (7") x 229 cm (9") x 2.6 m (102") o 2.7 m (108")). En este caso, la mezcla homogénea se puede someter a aproximadamente 6.9 MPa (1,000 psi) hasta 31 MPa (4500 psi) por un tiempo de permanencia de aproximadamente 6 minutos a aproximadamente 10 minutos a una temperatura que varia de aproximadamente 93°C (200°F) a aproximadamente 177°C (350°F) . Estos parámetros mencionados se proporcionan a modo de ejemplo y una persona experta en el ámbito apreciará que estos parámetros pueden variar de acuerdo con las dimensiones del componente estructural, de acuerdo con otras características físicas tales como elasticidad, rigidez, dureza, resistencia a la compresión, etc. , y/o los niveles de concentraciones de los diferentes componentes.

Una etapa 18 adicional a la que también se hace referencia en la figura 1, en donde la mezcla homogénea experimenta extrusión durante el suministro de la mezcla homogénea a partir de un mezclador de alto cizallamiento al proceso de moldeo por compresión. Un extrusor puede suministrar la mezcla bajo presión y temperatura con el fin de mantener la mezcla a la viscosidad deseada para suministro al proceso de moldeo por compresión. Además, la extrusión también puede mantener la característica homogénea de la mezcla; y el monto o cantidad extruida debe corresponder a las dimensiones físicas del componente estructural que se va a fabricar. La extrusión se puede llevar a cabo a temperaturas de aproximadamente 163 °C (325°F) a aproximadamente 204°C (400°F) a presiones que varían desde aproximadamente 5.1 MPa (750 psi) a aproximadamente 10.3 MPa (1500 psi).

En las etapas 20 y 22, un componente estructural desarrollado a partir del método descrito en lo anterior y la combinación se retiran del molde y se permite que enfrien. El componente se puede enfriar a temperatura ambiente. Finalmente, en la etapa 24 se pueden llevar a cabo pruebas de aseguramiento de calidad sobre uno o más componentes estructurales de muestra para determinar si el componente satisface algunos criterios predeterminados o un perfil de propiedades físicas para funcionar para un propósito destinado.

PRUEBA DE MUESTRA DE ERRP Y SBR NO VULCANIZADO Muestras de una composición termoendurecida que incluye las ERRP, caucho no vulcanizado y empaque de curado se someten a presión y calor durante un tiempo de permanencia y después se prueban para determinar diversas propiedades mecánicas o físicas. Se desarrollo una formulación control e incluye los siguientes componentes como se establecen en lo siguiente, en la tabla II: TABLA II Formulación Control SBR 1805 Off-Grade 212.5 phr1 Óxido de zinc 5 phr Ácido esteárico 1 phr TMQ2 2 phr IPPD3 2 phr CBTS4 1.5 phr RMS5 2 phr TBBS6 1 phr PEG7 3350 3 phr ¦"partes por ciento de caucho; 2trimetildihidroquinolina (antioxidante) 3isopropilfenilfenilendiamina (antioxidante) 4ciclohexilbezotiazol sulfenamida (acelerador) 5azufre elaborado de caucho (agente de curado primario) 6terbutilbenzotiazol sulfenamida (acelerador retardado) El SBR 1805 es un caucho no vulcanizado de estireno-butadieno que se utiliza en lugar de caucho crudo o de raspado. Además, el SBR se proporciona en tiras de 6 mm (1/4") x 6 mm (1/4") x 10 cm (4"); no obstante, el SBR se puede agregar en forma granulada o polvo con un tamaño de partícula de aproximadamente malla 30-80. El empaque de curado incluye óxido de zinc, ácido esteárico y los compuestos enumerados en lo anterior, los cuales típicamente se encuentran en empaques de curado de vulcanización. Con el fin de evaluar el efecto del polvo de caucho reciclado y manipulado en las muestras de prueba, la formulación control no incluye ERRP alguna. En comparación, las muestras probadas incluyen ERRP en diferentes concentraciones y con diferentes tamaño de partícula. Las ERRP se obtienen de Liberty Tire Recycling el cual tiene sus oficinas corporativas en Pittsburg, Pennsylvania e incluyen polvo de caucho granulado criogénicamente.

La formulación control que incluye a SBR y el empaque de curado se muele durante 7 minutos en un molino de dos rodillos a una temperatura máxima de aproximadamente 66°C (150°F) para formar un "lote maestro" que se prueba y utiliza para crear las muestras de prueba que incluyen las ERRP. Una muestra control del lote maestro después se coloca en un molde y se somete a moldeado por compresión a 31 MPa (4,500 psi) durante 10 minutos a aproximadamente 177°C (350°F) . Esta muestra control se prueba para medir diversas propiedades físicas que incluyen dureza (durómetro Shore A) , resistencia a la tensión y porcentaje de elongación a la ruptura y módulo de tensión a diferentes niveles de elongación. Los resultados de la prueba para la formulación control se proporcionan a continuación en la tabla III: TABLA III Como se describe en lo anterior, se agrega ERRP a porciones del lote maestro en concentraciones diferentes y que tienen tamaños granulares o de partícula diferentes. Las ERRP, que tienen tamaños de partícula que varían de malla 10 a malla 18 (tabla IV) se agregan a las porciones respectivas del lote maestro en concentraciones de 20% en peso, 40% en peso y 50% en peso; y las ERRP que tienen tamaños de partícula que varían de malla 10 a malla 30 (tabla V) se agregan a las porciones respectivas del lote maestro en concentraciones de 20% en peso, 40% en peso y 50% en peso. Además, las ERRP que tienen un tamaño de partícula distribuido de malla 20 (tabla VI) se agregan a las porciones respectivas del lote maestro en concentraciones de 20% en peso, 40% en peso y 50% en peso; y las ERRP que tienen un tamaño de partícula distribuido de malla 30 (tabla VII) se agregan a las porciones respectivas del lote maestro en concentraciones de 20% en peso, 40% en peso y 50% en peso.

Las ERRP se agregan al lote maestro de la formulación control durante el molido en un molino de dos rodillos, molido el cual se lleva a cabo durante 7 minutos a una temperatura de aproximadamente 66°C (150°F) . Después las muestras de prueba se colocan en moldes y se someten a moldeado por compresión a una presión de 31 MPa (4,500 psi) a una temperatura de aproximadamente 177 °C (350°F) durante aproximadamente 10 minutos. Las muestras después se prueban para medir las propiedades físicas descritas en lo anterior. Los resultados de prueba se proporcionan en las siguientes tablas IV-VII: TABLA IV ERRP malla 10 TABLA VII ERRP malla 30 En general, la adición de las ERRP incrementa las propiedades físicas de las muestras en relación a la formulación control. Los resultados de prueba también muestran que una concentración óptima es de aproximadamente 40% a aproximadamente 50% en peso de las ERRP. Además, el tamaño de partícula más pequeño produce un perfil de propiedad general mejor. Es decir, las muestras que incluyen las distribuciones de tamaño de partícula malla 20 y malla 30 en comparación con las muestras con partículas de tamaño más grande o muestras que tienen el intervalo de tamaños de partícula producen un perfil de propiedad general mejor.

También se preparó un lote maestro de la formulación control (que incluye el SBR y el empaque de curado) para mezclado con las ERRP y otros aditivos tales como agentes de expansión y materiales de relleno y unión. De manera más específica, los materiales de relleno incluyen talco de monomezcla MISTRONMR y sílice molida VCAR 140 (una sílice reciclada granulada) que se agregaron a diferentes muestras; y los agentes de expansión incluyen un agente de expansión AZO (azodicarbonamida ) y un agente de expansión OBSH (oxibis benceno sulfonil hidrazida) .

Con respecto al uso de los materiales de relleno como se establecen en las tablas VII y IX, la muestra control incluye 80% en peso del lote maestro y 20% en peso de los materiales de relleno respectivos. Con respecto a las muestras que incluyen las ERRP con el material de relleno, las muestras incluyen 40% en peso del lote maestro, 40% en peso de las ERRP y 20% en peso del material de relleno respectivo. Nuevamente cuatro tamaños de partícula diferentes de las ERRP que incluyen muestras que tienen tamaños de partícula que varían de malla 10-18 y malla 10-30. Además, las muestras que tienen una distribución de tamaño de partícula de malla 20 y malla 30 se incluyen en la prueba.

Con respecto a las muestras que incluyen los agentes de expansión que se establecen en las tablas X y XI, la muestra control incluye 99.5% en peso del lote maestro y 0.5% en peso del agente de expansión. Las muestras con las ERRP incluyen 59.5% en peso del lote maestro, 40% en peso de las ERRP y 0.5% en peso del agente de expansión. Nuevamente, estas muestras incluyen los tamaños de partícula de las ERRP descritas en lo anterior. Todas las muestras en las cuales los materiales de relleno y los agentes de expansión se agregan incluyen las ERRP granuladas criogénicamente descritas en lo anterior.

Las muestras se prepararon como se describe en lo anterior que incluyen el molido de los constituyentes de una combinación en un molino de dos rodillos durante 7 minutos. Las combinaciones después se colocan en un molde y se calientan durante 10 minutos a 167°C (350°F) y 31 MPa (4, 500 psi) de presión. Los resultados de prueba de las muestras que incluyen los materiales de relleno se enumeran en las tablas VIII y IX; además, los resultados de prueba de las muestras que incluyen los agentes de expansión se enumeran en las tablas X y XI a continuación: TABLA VIII TABLA IX PRUEBAS DE MUESTRA DE ERRP Y POLIURETANO Las muestras de una combinación que incluye las ERRP y poliuretano también se formularon, moldearon y probaron. De manera más especifica, una combinación de aproximadamente 95% de ERRP y aproximadamente 5% de poliuretano (aglutinante de prepolimero de uretano (Marchem Series 3800) se mezcla en un combinador de cinta Hobart de laboratorio durante aproximadamente 3-5 minutos. Las muestras incluyen ERRP granuladas criogénicamente con tamaños de partícula en el intervalo de malla 10-30 e intervalo de malla 10-18, e igualmente como muestras que incluyen distribuciones de tamaño de partícula malla 20 y malla 30. Cada combinación de muestra se transfiere manualmente a un (?) de 10 cm (4") x 10 cm (4")) x 13 mm (1/2") en donde se calienta durante 6 minutos a 93°C (200°F) bajo 6.9 MPa (1,000 psi) de presión, la cual es la cantidad máxima de presión que se obtiene con una prensa de laboratorio no hidráulica. Los resultados de prueba para estas muestras se enumeran a continuación en la tabla XII: TABLA XII Se hace notar que el tamaño de partícula de ERRP malla 30 se prueba utilizando 5% en peso de poliuretano; no obstante, la muestra no permanece intacta después del proceso de moldeado. Se prueba otra muestra utilizando 10% en peso de poliuretano como aglutinante. Las propiedades mecánicas probadas demostraron una resistencia al desgarre de 34 kg (74 libras) , una resistencia a la tensión @ a la ruptura de 2.2 MPa (321 psi) y una densidad de 3.7 g/cm3 (60.5 g/pulgada al cubo). Además, las muestras incluyen únicamente 3.8 % del poliuretano y 96.2% en peso de las ERRP utilizando la malla 10-30, la malla 10-18 y la malla 20, fueron las que se probaron. Estas muestras demostraron resistencias al desgarre que varían de 18 kg (40 libras) a 28 kg (62 libras) y una resistencia a la tensión que varía de 1.6 MPa (236 psi) a 2.1 MPa (305 psi). La muestra de malla 20 demostró los resultados de prueba más altos que incluyen una resistencia al desgarre de 28 kg (62 libras) y una resistencia a la tensión de 2.1 MPa (305 psi) .

Dados los resultados de prueba anteriores, el uso de poliuretano o poliurea como un aglutinante en una cantidad de aproximadamente 3-15% en peso, con moldeado por compresión se lleva a cabo a aproximadamente 6.9 Pa (1,000 psi) a aproximadamente 31 MPa (4,500 psi) a aproximadamente 121°C (250°F) durante un tiempo de permanencia de aproximadamente 10 minutos, producirá componentes estructurales que cumplirán con las propiedades mecánicas que se requieren para diversos componentes estructurales que incluyen pero que no se limitan a durmientes de ferrocarril. La cantidad de poliuretano o poliurea preferiblemente es de aproximadamente 5% a aproximadamente 10% en peso.

Como se ha mencionado en lo anterior, un componente estructural que se puede fabricar a partir del material compuesto termoendurecible descrito en lo anterior es un durmiente de ferrocarril. Los durmientes de ferrocarril se deben fabricar de acuerdo con las normas preferidas de la American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (AREMA) . En consecuencia, un durmiente de ferrocarril fabricado de acuerdo con la norma AREMA tiene un tamaño de 18 cm (7") x 23 cm (9") x 2.6 m (102") (o 2.7 m (108")). Además, un material compuesto termoendurecible fabricado como se describe en lo anterior tiene un durómetro Shore A de por lo menos 80, una resistencia a la tensión de por lo menos 1.7 MPa (250 psi) y una densidad de aproximadamente 0.88 g/cm3 (55 libras/pie al cubo) que pueden ser normas ARE A para durmientes de ferrocarril .

En una modalidad como se muestra en la figura 2 y en la figura 3, una configuración de un durmiente 20 de ' ferrocarril tiene dos lados verticales 28A y 28B, un lado 24A superior, un lado 24B inferior y extremos opuestos 26A y 26B. Ambos lados verticales 28A y 28B y cada extremo 26A y 26B se proporcionarán con surcos 22 verticales sustancialmente rectos a una profundidad mínima de 4.8 mm (3/16") . Medido verticalmente desde el lado del fondo del durmiente de ferrocarril, los surcos en ambos lados verticales y ambos extremos finalizarán en un punto de manera que proporcionen por lo menos 2.5 cm (1") de espesor de un área de superficie completa de 2.7 m (9") x (2.6 m (102) o 2.7 m (108)". Esta configuración permite la expulsión vertical del durmiente del molde de compresión.

Además, se pueden proporcionar surcos en el lado inferior de la configuración de durmiente de ferrocarril. Debido a la técnica de moldeado (moldeado por compresión) utilizada, la configuración de surco en el lado inferior puede consistir de galones 30 o ranuras en el plano horizontal; no obstante, los tipos de depresiones, ranuras o rebajos de cualquier lado del componente pueden ser tan sencillos o complejos dependiendo de las técnicas de moldeado utilizadas. Las ranuras 22 y los galones 30 moldeados proporcionan una inmovilización estructural con el durmiente de ferrocarril y las balastras de soporte de piedra triturada en el lecho de las vías y de esta manera evitan el movimiento longitudinal del durmiente de ferrocarril y del montaje de riel. Son posibles configuraciones de pared lateral de inmovilización alternativas, tales como patrones de rodamiento de neumático utilizando el movimiento de pared lateral de molde impulsado hidráulica o neumáticamente.

Aunque se han mostrado y descrito en la presente modalidades preferidas de la presente invención, será evidente que estas modalidades se proporcionan únicamente a modo de ejemplo. Numerosas variaciones, cambios y sustituciones se le ocurrirán a los expertos en el ámbito sin por esto apartarse de la invención en la presente. En consecuencia, se pretende que la invención esté limitada únicamente por el espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (30)

REIVINDICACIONES

1. Un material compuesto termoendurecible, que comprende : una combinación sustancialmente homogénea de una cantidad de partículas de caucho recicladas y vulcanizadas que incluyen una relación predeterminada de tamaños de partícula diferentes y un agente de unión elastomérico termoendurecible que se agrega a las partículas de caucho vulcanizadas; la combinación comprende aproximadamente 30% a aproximadamente 97% en peso de las partículas de caucho recicladas y vulcanizadas, y la combinación se somete a moldeado por compresión a una temperatura y presión predeterminadas por un período de tiempo de permanencia formando el material compuesto; y en donde la relación de los diferentes tamaños de partículas de caucho se selecciona de manera que el material compuesto tenga una densidad deseada que esté dentro de un intervalo de densidades deseadas.

2. Material compuesto como se describe en la reivindicación 1, en donde el agente de unión elastomérico termoendurecible es un material de caucho no vulcanizado y uno o más agentes vulcanizantes que se proporcionan para facilitar la vulcanización del material de caucho no vulcanizado cuando la combinación se somete a calor y presión durante un período de tiempo de permanencia.

3.. Material compuesto como se describe en la reivindicación 2, en donde la combinación comprende aproximadamente 30% a 70% en peso de las partículas de caucho vulcanizadas.

4. Material compuesto como se describe en la reivindicación 3, en donde la combinación comprende aproximadamente 40% a 50% en peso de las partículas de caucho vulcanizadas.

5. Material compuesto como se describe en la reivindicación 1, en donde la combinación comprende además un material de caucho vulcanizado y despolimerizado y/o material de carbono amorfo.

6. Material compuesto como se describe en la reivindicación 1, en donde el agente de unión se selecciona del grupo que consiste de un poliuretano termoendurecible o una poliurea termoendurecible.

7. Material compuesto como se describe en la reivindicación 6, en donde la combinación comprende aproximadamente 3% a aproximadamente 15% en peso del agente de unión y el resto son partículas de caucho vulcanizadas.

8. Material compuesto como se describe en la reivindicación 7, en donde la combinación comprende aproximadamente 5% a aproximadamente 10% en peso del elastómero termoplástico y el resto son partículas de caucho vulcanizadas.

9. Material compuesto como se describe en la reivindicación 1, en donde la combinación se somete a moldeado por compresión a aproximadamente 6.9 MPa (1,000 psi) a 34 MPa (5, 000 psi) a una temperatura que varia de aproximadamente 93°C (200°F) a aproximadamente 177°C (350°F) durante un tiempo de permanencia de aproximadamente 3 a 10 minutos.

10. Material compuesto como se describe en la reivindicación 9, en donde la combinación se somete a moldeo por compresión a aproximadamente 31 MPa (4,500 psi), a una temperatura de aproximadamente 177 °C (350°F) durante un tiempo de permanencia de aproximadamente 7 a 10 minutos.

11. Material compuesto como se describe en la reivindicación 1, en donde el tamaño de partícula de las partículas de caucho vulcanizadas es de aproximadamente malla 20 a aproximadamente malla 60.

12. Material compuesto como se describe en la reivindicación 11, en donde el tamaño de partícula del polvo de caucho vulcanizado es aproximadamente malla 30 a aproximadamente malla 40.

13. - - Material- - compuesto como se describe en la reivindicación 1, en donde el material compuesto tiene una densidad de aproximadamente 0.72 g/cm3 (45 libras/pie al cubo) a aproximadamente 1.3 g/cm3 (80 libras/pie al cubo).

14. Material compuesto como se describe en la reivindicación 13, en donde el material compuesto tiene una densidad de aproximadamente 0.96 g/cm3 (60 libras/pie al cubo), a aproximadamente 1.1 g/cm3 (70 libras/pie al cubo).

15. Material compuesto como se describe en la reivindicación 1, en donde el moldeo por compresión de la combinación se realiza para fabricar un durmiente de ferrocarril .

16. Material compuesto como se describe en la reivindicación 1, en donde la relación de las diferentes partículas de caucho vulcanizadas incluye aproximadamente 25% de malla -20, aproximadamente 25% de malla -40 a +60 y aproximadamente 50% de malla -80.

17. Material compuesto termoendurecible, que comprende : una combinación sustancialmente homogénea de una cantidad de partículas de caucho recicladas vulcanizadas producidas a partir de triturado de un artículo de caucho a temperaturas que no exceden una temperatura de transición vitrea del artículo de caucho y un agente de unión elastomérico termoendurecible agregado a las partículas de caucho vulcanizadas; en donde la combinación comprende aproximadamente 30% a aproximadamente 97% en peso de las partículas de caucho recicladas vulcanizadas y un tamaño de partícula de las partículas de caucho no excede de malla 20; y la combinación se somete a moldeado por compresión a una presión de por lo menos 6.9 MPa (1, 000 psi) y a una temperatura de por lo menos 93°C (200°F) durante un periodo de tiempo de permanencia formando el material compuesto.

18. Material compuesto como se describe en la reivindicación 16, en donde la combinación se somete a moldeado por compresión a una presión de 31 MPa (4,500 psi) a una temperatura de aproximadamente 177°C (350°F).

19. Material compuesto como se describe en la reivindicación 17, en donde el agente de unión elastomérico termoendurecible es caucho no vulcanizado y granulado y uno o más agentes de vulcanizado.

20. Material compuesto como se describe en la reivindicación 17, en donde el agente de unión elastomérico termoendurecible es un poliuretano termoplástico o poliurea .

21. Método de elaboración de un material compuesto termoendurecible, que comprende : mezclar una cantidad de partículas de caucho recicladas vulcanizadas, que incluye una relación predeterminada de tamaños de partícula diferentes con un agente de unión elastomérico termoendurecible para generar una combinación sustancialmente homogénea; y aplicar una fuerza de moldeado por compresión a la combinación a una temperatura y presión predeterminadas por un tiempo de permanencia.

22. Método como se describe en la reivindicación 21, en donde la relación de los tamaños de partícula diferentes incluye aproximadamente 25% de malla -20, aproximadamente 25% de malla -40 a +60 y aproximadamente 50% de malla -80.

23. Método de elaboración de un material compuesto termoendurecible, que comprende: mezclar una cantidad de partículas de caucho recicladas vulcanizadas con un agente de unión elastomérico termoendurecible para generar una combinación sustancialmente homogénea que incluye 30% a 97% en peso de las partículas de caucho vulcanizadas; y aplicar una fuerza de moldeado por compresión en la combinación a una temperatura y presión predeterminadas durante un tiempo de permanencia de manera que el material compuesto termoendurecible tiene una densidad deseada o una densidad que se encuentra dentro del intervalo de densidades deseado.

24. Método como se describe en la reivindicación 23, que comprende además extruir la combinación en un componente extruido deseado y suministrar el componente extruido a un molde y después aplicar fuerza y temperatura de moldeo por compresión.

25. Método como se describe en la reivindicación 23, en donde la etapa de aplicación de la fuerza de compresión comprende aplicar la fuerza a una presión de aproximadamente 31 MPa (4, 500 psi) y a una temperatura de aproximadamente 177°C (350°F) durante un tiempo de permanencia de aproximadamente 7 a 10 minutos.

26. Método como se describe en la reivindicación 23, en donde el agente de unión elastomérico comprende un material de caucho no vulcanizado y uno o más agentes vulcanizantes por lo que el material de caucho no vulcanizado experimenta vulcanización bajo la aplicación de la fuerza de moldeo compresiva.

27. Método como se describe en la reivindicación 26, que comprende además la etapa de suministrar la combinación a un molde en donde la fuerza de moldeo por compresión se aplica para fabricar un durmiente de ferrocarril.

28. Método como se describe en la reivindicación 23, en donde el agente de unión elastomérico termoendurecible incluye un poliuretano termoendurecible o una poliurea termoendurecible.

29. Durmiente de ferrocarril que se fabrica a partir de un material compuesto termoendurecible que comprende: una combinación sustancialmente homogénea de una cantidad de partículas de caucho recicladas vulcanizadas que incluyen una relación predeterminada de tamaños de partícula diferentes y un agente de unión elastomérico termoendurecible agregado a las partículas de caucho vulcanizadas; la combinación comprende aproximadamente 30% a aproximadamente 97% en peso de las partículas de caucho recicladas vulcanizadas, y la combinación se somete a moldeo por compresión a una temperatura predeterminada de aproximadamente 177 °C (350°F) y una presión de aproximadamente 31 MPa (4,500 psi) por un período de tiempo de permanencia que forma el material compuesto; y en donde la relación de los tamaños de partícula de caucho diferentes se selecciona de manera que el material compuesto tiene una densidad deseada de aproximadamente 0.96 g/cm3 (60 libras/pie al cubo) a aproximadamente 1.1 g/cm3 (70 libras/pie al cubo) .

30. Durmiente de ferrocarril como se describe en la reivindicación 29, caracterizado porque comprende además una configuración alargada que incluye una superficie paralela superior e inferior y dos superficies laterales paralelas en donde se forma un surco en una o en ambas de las superficies laterales y la superficie del fondo.