專利名稱：一種復合枕木的制作方法
技術領域：
本發明屬于復合材料領域，具體涉及由高分子復合材料組成的枕木。
背景技術：
枕木常被用于承載物體，是鐵路建設、專用軌道走行設備鋪設和承載設備領域中 不可或缺的材料。根據其組成材料的不同，枕木主要分為木制枕木、鋼筋混凝土枕木、鋼制 枕木和復合材料枕木。但均存在自身缺陷問題，鋼質枕木雖然牢固耐用，但造價高沉重不易 搬動，彈性小；木質枕雖然木彈性好，重量輕，制作簡單，絕緣性能好但易風化開裂，耐腐蝕 性較差，使用壽命短，木材消耗量大；鋼筋混凝土枕木雖然使用壽命長、穩定性好但由于其 彈性差，消音減震效果也差，且在使用一段時間后易出現裂縫，影響鐵路運輸安全。隨著技術的發展，目前復合材料枕木成為新興的材料枕木，該復合材料枕木具有 較之木制枕木等更強的吸收列車行駛時產生重量的性能，從而在鐵路建設領域得到了廣泛 的關注。根據復合材料的種類不同，其主要分為橡塑復合枕木、玻璃鋼復合枕木以及聚氨酯 合成枕木。橡塑復合枕木是以廢舊輪胎或者回收塑料制得的熱塑性彈性體作為枕木的外殼， 以混凝土作為枕木的內芯，采用擠出工藝制得的，其具有抗沖擊、耐腐蝕、高強度的特點。雖 然其在技術應用上可以將大量的廢舊輪胎和廢塑料回收利用，具有環保意義，但是該產品 生產工藝復雜，最為重要的是以上述來源并不穩定的廢舊橡膠和回收塑料作為枕木的外 殼，所以對于該種枕木是否具有耐候性和耐老化性難以確定。玻璃鋼復合枕木是由玻璃鋼筒體和設置在玻璃鋼筒體內的填充材料組成；其中， 玻璃鋼筒體是以不飽和聚酯樹脂、玻璃纖維粗紗、粉末填料為原料，采用纏繞、拉擠、手糊等 工藝制作而成，填充材料一般采用高強度泡沫材料。制得的玻璃鋼復合材料枕木具有優良 的力學性能，但是由于其采用纏繞、拉擠、手糊等工藝所以生產效率極低，由于該類型的枕 木采用不飽和聚酯樹脂作為原料，而不飽和聚酯樹脂的穩定性和耐候性差，所以導致該種 玻璃鋼復合枕木的產品穩定性和耐候性都較差。聚氨酯合成枕木是由發泡聚氨酯樹脂浸漬連續玻璃纖維，通過連續成型工藝先制 得較薄的板材，之后再將其層疊粘合而成。其中聚氨酯(簡稱PU)是由多異氰酸酯和聚醚 多元醇或聚酯多元醇或/及小分子多元醇、多元胺或水等擴鏈劑或交聯劑等原料制成的聚 合物。通過改變原料種類及組成，可以大幅度地改變產品形態及其性能，得到從柔軟到堅硬 的最終產品。該種枕木具有重量輕、耐腐蝕、絕緣性能好、便于現場加工和施工的特點。現 有技術中CN101314931A公開了一種新型合成枕木，該枕木就是由聚氨酯泡沫和單向排列 的長玻璃纖維組成的，其中長玻璃纖維沿著枕木長度方向上均勻排布，分布于聚氨酯泡沫 基體中。在該現有技術中，該復合材料枕木中玻璃纖維的排列均為單一的縱向排列，因此沒 有設置剪力配筋的橫向位置容易因彎曲而導致層間剪力的破壞，使得枕木出現裂縫從而整 體失效。此外，現有技術中CN101323701A公開了一種長玻璃纖維增強的硬質聚氨酯合成材 料軌枕，在該軌枕的制備中，需要將玻璃纖維纏繞在所述模具內，再向所述模具內腔噴涂聚氨酯混合料，從而形成由玻璃纖維包裹的聚氨酯軌枕。其中，由于所述玻璃纖維的纏繞是采 用現有技術中的纏繞技術，所以其均是采用單一的縱向排列方式，所以利用該現有技術中 的方法制備得到的軌枕也同樣存在諸如CN101314931A中的技術問題。此外，在美國專利US6605343B1也公開了一種復合材料制成的枕木，該枕木也是 在以填充物和熱硬化性樹脂構成的材料外層包裹泡沫性熱硬化性樹脂而構成的，其中，所 述的泡沫性熱硬化性樹脂是將長玻璃纖維沿縱向排列于熱硬化性樹脂上而形成的。所以其 同樣存在會由于枕木受力彎曲時層間剪力的破壞，從而導致枕木毀壞失效的問題。
發明內容
本發明所要解決的第一個技術問題是現有技術中的聚氨酯合成枕木中玻璃纖維 的排列均采用單一的縱向排列方式，容易在枕木受力發生變形彎曲時由于沒有設置剪力配 筋的橫向位置而導致層間剪力的破壞，使得枕木整體失效，進而提供一種在受力彎曲時不 會出現層間剪力破壞的復合枕木。為實現上述目的，本發明提供了一種復合枕木，所述枕木包括內芯和外表層，所述 內芯為玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂復合材料、木質剩余物增強酚醛樹脂基復合材料或橡 塑復合材料，所述復合枕木的外表層為經偶聯劑表面處理后再經聚氨酯樹脂浸潤后的玻璃 纖維多軸向布。在所述內芯和所述外表層之間還設置有夾心層，所述夾心層為橫向鋪設的經偶聯 劑表面處理后再經所述聚氨酯樹脂浸潤后的玻璃纖維無捻粗紗。所述偶聯劑為硅烷偶聯 劑。所述玻璃纖維無捻粗紗的線密度為4800 9600g/km，單絲直徑為10 40 y m。所述玻璃纖維多軸向布為無堿玻璃纖維三軸向布或者四軸向布，所述無堿玻璃纖 維三軸向布或者四軸向布的克重為600 1200g/m2。所述聚氨酯樹脂由如下重量百分比的原料組成多元醇29. 9 59. 5%，異氰酸酯 40 70%，發泡劑0. 1 0. 5%。所述聚氨酯樹脂的發泡倍率為2. 0 4. 0，室溫條件下的凝膠時間為1 lOmin。所述外表層的厚度為1 5mm，所述夾心層的厚度為10 20mm。所述聚氨酯樹脂和所述玻璃纖維多軸向布的重量比為3 7 1 1。所述聚氨酯樹脂的重量和所述玻璃纖維多軸向布以及玻璃纖維無捻粗紗的總重 量的比為3 7 1 1。本發明所述的復合枕木包括內芯和外表層，所述內芯為復合材 料，所述復合枕木的外表層為經偶聯劑表面處理后再經聚氨酯樹脂浸潤后的玻璃纖維多軸 向布。選擇玻璃纖維多軸向布，是因為多軸向布是通過在纖維織造時同時使用織物中特定 方向纖維的強度而制得的，所述特定方向指沿枕木橫向方向的軸向、和軸向呈45度角的方 向、和軸向呈90度的縱向軸向以及和橫向軸向呈135度的方向；正是由于其利用上述多個 方向纖維的強度，故其在纖維的強度和剛度上都得到了更充分的發揮，本發明使用該多軸 向布最主要的原因是利用了多軸向布在特定方向上的纖維作用力；這樣在經偶聯劑進行表 面處理后，使得該多軸向布在經聚氨酯樹脂噴灑后，可以使得聚氨酯樹脂可以更好地對該 多軸向布進行浸潤，實現玻璃纖維多軸向布和聚氨酯樹脂之間的良好作用，從而也通過利 用前述多軸向布在特定方向上(和枕木受力彎曲變形力主要分解方向相一致)的纖維作用力，使得枕木獲得在枕木受力彎曲變形力主要分解方向的剪力配筋。在所述內芯和所述外表層之間還可以橫向鋪設夾心層，所述夾心層為經偶聯劑表 面處理后再經聚氨酯樹脂浸潤后的玻璃纖維無捻粗紗；玻璃纖維無捻粗紗為疏松結構，而 聚氨酯樹脂在其內部發泡后，就形成一個具有一定減震作用的材料層，從而使得本發明所 述的復合枕木可以更好地吸收噪音。同樣地，所述玻璃纖維無捻粗紗經偶聯劑表面處理的 目的也是為了使得聚氨酯樹脂可以更好地對該無捻粗紗進行浸潤。使用偶聯劑對上述無捻粗紗或者多軸向布進行表面處理，即常規的表面潤濕處 理，其主要是通過該偶聯劑的表面作用使得玻璃纖維無捻粗紗獲得較小的潤濕角，從而使 得玻璃纖維無捻粗紗可以獲得更好地潤濕，提高其界面的結合作用力。其中，優選所述偶聯 劑為硅烷偶聯劑，是因為該種類型的偶聯劑可以和主要組分為氧化硅的玻璃纖維無捻粗紗 獲得更好的結合力。其中，選擇所述玻璃纖維無捻粗紗的線密度為4800 9600g/km，單絲直徑為10 40 ym，是考慮到了適宜的線密度以及單絲直徑可以使得本發明所述的復合枕木在獲得所 要求的性能的基礎上，保證其具有適宜的重量，便于搬運和現場加工。選擇所述玻璃纖維多軸向布為無堿玻璃纖維三軸向布或者四軸向布，因為無堿玻 璃纖維可以抵抗雨水的侵蝕，從而可以提高制備得到的復合枕木的耐候性。優選所述三軸 向布或者四軸向布的克重為600 1200g/m2，是因為選擇適宜克重的玻璃纖維多軸向布才 可以獲得較好的枕木性能，如果其克重小，那么會影響其作為復合枕木表面保護層的厚度 太小，抗磨性能太弱；克重太大，相應地作為復合枕木表面保護層的厚度就會太大，使得聚 氨酯樹脂很難充分進入所述玻璃纖維多軸向布內對其進行浸潤。進一步限定所述聚氨酯樹脂的發泡倍率為2. 0 4. 0，室溫條件下的凝膠時間為 1 lOmin ；其中，設置上述發泡倍率的數值是考慮到了發泡倍率太小容易導致生成的復合 枕木的彈性差，太大則會導致生成的復合枕木的密度太低，顯著影響抗壓強度。另外，凝膠 時間的設置也必須是以在獲得最高工作效率的同時保證枕木的性能，凝膠時間太短就會導 致凝膠不充分。以上所述的枕木的橫向即枕木的長度方向，所述枕木的縱向即為枕木的寬度方向。本發明具有如下優點(1)本發明所述的復合枕木采用復合材料作為內芯、以聚氨酯樹脂增強玻璃纖維 多軸向布為外表層組合而成，該枕木由于玻璃纖維多軸向布的設置實現了在枕木多個方向 的剪力配制，從而在枕木受力彎曲時也不會出現層間剪力的破壞，具有很高的安全性和較 長的使用壽命。(2)本發明所述的復合枕木還可以在不飽和聚酯樹脂增強玻璃纖維和聚氨酯樹脂 增強玻璃纖維多軸向布層之間進一步橫向設置經偶聯劑表面處理后再經所述聚氨酯樹脂 浸潤后的玻璃纖維無捻粗紗，從而形成一個具有一定減震作用的材料層，使得本發明所述 的復合枕木可以更好地吸收噪音。
附圖1是本發明所述復合枕木的結構剖面示意圖。
附圖2是本發明所述的進一步設置經偶聯劑表面處理后再經所述聚氨酯樹脂浸 潤后的玻璃纖維無捻粗紗夾心層的復合枕木的結構剖面示意圖。附圖中各標號分別表示為內芯1 ；夾心層2;外表層3。
具體實施例方式以下將結合附圖，使用以下實施例對本發明進行進一步闡述。實施例1圖1是本發明所述的復合枕木剖面示意圖，在該圖中可以看到所述復合枕木分為 兩層，其中，最內部的內芯1為復合材料，外表層3為經偶聯劑表面處理后再經聚氨酯樹脂 浸潤后的玻璃纖維多軸向布。首先，選擇重量百分比為30%的三元醇、重量百分比為69. 9%的異氰酸酯、重量 百分比為0. 的發泡劑，將上述原料混合配制得到聚氨酯樹脂原液待用。選擇市售的玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂復合材料作為內芯1的材料，加工成長 為2000 3200mm、寬為100 230mm、高為100 290mm的規格，然后，將克重為600g/m2的 經硅烷偶聯劑進行表面處理過的無堿玻璃纖維三軸向布包裹在上述內芯1的外部，并將上 述配制好的聚氨酯樹脂原液噴灑在所述無堿玻璃纖維三軸向布上，從而使得聚氨酯樹脂原 液對無堿玻璃纖維三軸向布進行浸潤直至形成硬殼結構即外表層，計算該外表層3的厚度 為1mm。在該過程中，聚氨酯樹脂的發泡倍率為2.0，室溫下所述聚氨酯樹脂進行凝膠形成 硬殼結構的時間為lmin。即可得到本發明所述的由內芯和外表層組成的復合枕木，該復合枕木中聚氨酯樹 脂和無堿玻璃纖維三軸向布的重量比為3 7。實施例2選擇重量百分比為59. 5%的三元醇、重量百分比為40. 0%的異氰酸酯、重量百分 比為0. 5%的發泡劑，將上述原料混合配制得到聚氨酯樹脂原液待用。另外，采用溶解劑苯 乙烯對所述不飽和聚酯樹脂進行稀釋，得到不飽和聚酯樹脂的溶解液待用。選擇木質剩余物增強酚醛樹脂基復合材料作為內芯1的材料，加工成長為2000 3200mm、寬為100 230mm、高為100 290mm的規格，然后，將克重為900g/m2的經硅烷偶聯 劑進行表面處理過的無堿玻璃纖維三軸向布包裹在上述內芯1的外部，并將上述配制好的 聚氨酯樹脂原液噴灑在所述無堿玻璃纖維三軸向布上，從而使得聚氨酯樹脂原液對無堿玻 璃纖維三軸向布進行浸潤直至形成硬殼結構即外表層3，計算所述外表層3的厚度為3mm。 在該過程中，聚氨酯樹脂的發泡倍率為4. 0，室溫下所述聚氨酯樹脂進行凝膠形成硬殼結構 的時間為5min。即可得到本發明所述的由內芯和外表層組成的復合枕木，該復合枕木中聚氨酯樹 脂和無堿玻璃纖維三軸向布的重量比為1 1。當然，通過調節上述聚氨酯樹脂和無堿玻璃纖維三軸向布的添加量，還可以選擇 聚氨酯樹脂和無堿玻璃纖維三軸向布的重量比為5 7。實施例3圖2是本發明所述的進一步設置夾心層的復合枕木的結構剖面示意圖，在該圖中可以看到所述復合枕木分為三層，其中，最內部的內芯1為復合材料，外表層3為經偶聯劑 表面處理后再經聚氨酯樹脂浸潤后的玻璃纖維多軸向布，上述兩層之間的夾心層2為經聚 氨酯樹脂浸潤后的玻璃纖維無捻粗紗。選擇重量百分比為29. 9%的三元醇、重量百分比為70.0%的異氰酸酯、重量百分 比為0. 的發泡劑，將上述原料混合配制得到聚氨酯樹脂原液待用。另外，采用溶解劑苯 乙烯對所述不飽和聚酯樹脂進行稀釋，得到不飽和聚酯樹脂的溶解液待用。選擇橡塑復合材料作為內芯1的材料，加工成長為2000 3200mm、寬為100 230mm、高為100 290mm的規格，然后，將線密度為4800g/km、單絲直徑為10 y m的經硅烷 偶聯劑進行表面處理過的玻璃纖維無捻粗紗沿橫向的軸向鋪設于所述內芯1外，形成所述 夾心層2。然后，將克重為1200g/m2的經硅烷偶聯劑進行表面處理過的無堿玻璃纖維四軸向 布包裹在上述夾心層2外部，并將上述配制好的聚氨酯樹脂原液噴灑在所述無堿玻璃纖維 四軸向布上，從而使得聚氨酯樹脂原液對無堿玻璃纖維四軸向布和玻璃纖維無捻粗紗進行 浸潤直至形成硬殼結構，計算所述外表層3的厚度為5mm。在該過程中，聚氨酯樹脂的發泡 倍率為3.0，室溫下所述聚氨酯樹脂進行凝膠形成硬殼結構的時間為lOmin。即可得到本發明所述的具有夾心層復合枕木，該復合枕木中無堿玻璃纖維三軸向 布和玻璃纖維無捻粗紗的總重量和聚氨酯樹脂的重量比為1 1。實施例4選擇重量百分比為30. 7%的三元醇、重量百分比為69. 0%的異氰酸酯、重量百分 比為0. 3%的發泡劑，將上述原料混合配制得到聚氨酯樹脂原液待用。另外，采用溶解劑苯 乙烯對所述不飽和聚酯樹脂進行稀釋，得到不飽和聚酯樹脂的溶解液待用。選擇橡塑復合材料作為內芯1的材料，加工成長為2000 3200mm、寬為100 230mm、 高為100 290mm的規格，然后，將線密度為9600g/km、單絲直徑為40 y m的經硅烷偶聯劑進行 表面處理過的玻璃纖維無捻粗紗沿橫向的軸向鋪設于所述內芯1外，形成所述夾心層2。然后，將克重為1200g/m2的經硅烷偶聯劑進行表面處理過的無堿玻璃纖維四軸向 布包裹在上述夾心層2外部，并將上述配制好的聚氨酯樹脂原液噴灑在所述無堿玻璃纖維 四軸向布上，從而使得聚氨酯樹脂原液對無堿玻璃纖維四軸向布和玻璃纖維無捻粗紗進行 浸潤直至形成硬殼結構，計算所述外表層3的厚度為5mm。在該過程中，聚氨酯樹脂的發泡 倍率為3.0，室溫下所述聚氨酯樹脂進行凝膠形成硬殼結構的時間為lOmin。即可得到本發明所述的具有夾心層的復合枕木，該復合枕木中無堿玻璃纖維三軸 向布和玻璃纖維無捻粗紗的總重量和聚氨酯樹脂的重量比為7 3。作為可以變換的實施方式，本發明所述的復合枕木可以通過調節無堿玻璃纖維多 軸向布、玻璃纖維無捻粗紗以及聚氨酯樹脂的量來調節上述聚氨酯樹脂的重量和無堿玻璃 纖維三軸向布以及玻璃纖維無捻粗紗的總重量的比值、以及聚氨酯樹脂和無堿玻璃纖維三 軸向布的重量比，優選其為3 7 1 1范圍內的任一數值，在從而滿足不同的產品需求。此外，上述實施例中枕木的規格可以根據生產施工需求進行調整。雖然本發明已經通過具體實施方式
對其進行了詳細闡述，但是，本專業普通技術 人員應該明白，在此基礎上所做出的未超出權利要求保護范圍的任何形式和細節的變化， 均屬于本發明所要保護的范圍。
權利要求
一種復合枕木，其特征在于，所述枕木包括內芯和外表層，所述內芯為玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂復合材料、木質剩余物增強酚醛樹脂基復合材料或橡塑復合材料，所述復合枕木的外表層為經偶聯劑表面處理后再經聚氨酯樹脂浸潤后的玻璃纖維多軸向布。
2.根據權利要求1所述的復合枕木，其特征在于，在所述內芯和所述外表層之間還設 置有夾心層，所述夾心層為橫向鋪設的經偶聯劑表面處理后再經所述聚氨酯樹脂浸潤后的 玻璃纖維無捻粗紗。
3.根據權利要求1或2所述的復合枕木，其特征在于，所述偶聯劑為硅烷偶聯劑。
4.根據權利要求2所述的復合枕木，其特征在于，所述玻璃纖維無捻粗紗的線密度為 4800 9600g/km，單絲直徑為10 40 μ m。
5.根據權利要求1或2所述的復合枕木，其特征在于，所述玻璃纖維多軸向布為無堿玻 璃纖維三軸向布或者四軸向布，所述無堿玻璃纖維三軸向布或者四軸向布的克重為600 1200g/m2。
6.根據權利要求1或2所述的復合枕木，其特征在于，所述聚氨酯樹脂由如下重量百分 比的原料組成多元醇29. 9 59. 5%，異氰酸酯40 70%，發泡劑0. 1 0. 5%。
7.根據權利要求6所述的復合枕木，其特征在于，所述聚氨酯樹脂的發泡倍率為2.0 4. 0，室溫條件下的凝膠時間為1 lOmin。
8.根據權利要求1所述的復合枕木，其特征在于，所述外表層的厚度為1 5mm。
9.根據權利要求2所述的復合枕木，其特征在于，所述夾心層的厚度為10 20mm。
10.根據權利要求1所述的復合枕木，其特征在于，所述聚氨酯樹脂和所述玻璃纖維多 軸向布的重量比為3 7 1 1。
11.根據權利要求2所述的復合枕木，其特征在于，所述聚氨酯樹脂的重量和所述玻璃 纖維多軸向布以及玻璃纖維無捻粗紗的總重量的比為3 7 1 1。
全文摘要
本發明公開了一種復合枕木，包括內芯和外表層，所述內芯為玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂復合材料、木質剩余物增強酚醛樹脂基復合材料、橡塑復合材料中的一種或幾種，所述復合枕木的外表層為經偶聯劑表面處理后再經聚氨酯樹脂浸潤后的玻璃纖維多軸向布。本發明所述枕木彈性好、易加工、耐腐蝕、絕緣，該枕木在使用中能避免現有枕木存在的使用壽命短、彈性差、易開裂、受力易斷裂的技術問題。
文檔編號E01B3/46GK101851879SQ20101010214
公開日2010年10月6日 申請日期2010年1月28日 優先權日2010年1月28日
發明者孫志杰, 張聽, 陳文姬 申請人:北京盤天新技術有限公司