固废金属短纤维增强再生塑料-聚氨酯复合轨枕材料组合物、复合轨枕及其制备方法和应用

本发明涉及铁路轨道工程材料、复合材料成型及固体废弃物资源化利用，更具体的说是涉及固废金属短纤维增强再生塑料-聚氨酯复合轨枕材料组合物、复合轨枕及其制备方法和应用。

背景技术：

1、轨枕是铁路轨道结构中的重要承载构件，其作用在于支承钢轨、保持轨距、传递列车荷载、提供轨道弹性并维持线路几何形位稳定。现有轨枕主要包括木枕、混凝土枕、钢枕和复合材料轨枕。

2、木枕存在木材资源消耗大、耐腐蚀性能不足和服役寿命受环境影响显著等问题；混凝土枕应用广泛，但其自重大、弹性不足、维修更换难度较高，在桥梁、隧道、减振线路及特殊线路中存在一定局限；普通塑料轨枕和再生塑料轨枕具有轻质、耐腐蚀、可回收和可加工性好的优点，但其力学强度、长期蠕变性能和扣件连接可靠性仍是制约工程应用的重要因素。

3、近年来，废旧塑料再生轨枕被认为是实现塑料固废资源化利用的重要方向。废旧塑料经破碎、清洗、热熔再生和成型后，可制备具有一定承载能力的轨枕构件。然而，传统再生塑料轨枕通常主要依赖塑料单一基体自身承载，本身强度低、线膨胀系数大、承载力不足。

4、由于废旧塑料来源复杂，材料老化程度、分子量、杂质含量和不同塑料组分比例存在波动，使再生塑料轨枕容易出现以下问题：一是材料强度和刚度不足，承轨区在列车循环荷载下容易发生局部变形；二是长期蠕变变形较大，轨距保持能力和扣件连接稳定性降低；三是道钉孔周边材料抗拔能力不足，易发生孔壁压溃、松动和疲劳损伤；四是材料性能离散性较大，难以满足长期服役可靠性要求。

5、另一方面，废旧轮胎、废旧钢丝绳、金属加工废料和其他工业固废中含有大量金属纤维状材料。这类固废金属纤维具有较高的抗拉强度和较好的增强潜力，若能够作为短纤维增强材料用于轨枕，将有助于改善再生塑料轨枕的抗弯、抗裂、抗疲劳和抗蠕变性能。

6、但现有固废金属纤维资源化利用过程中往往需要热裂解、化学处理、机械剥离、深度分离或高纯化处理，以去除其表面的橡胶、塑料、油污、氧化层或其他附着物。上述处理流程不仅增加能耗和成本，而且降低了固废金属纤维在大体量工程材料中的应用经济性。

7、因此，有必要提出一种新的复合轨枕材料体系和制备方法，使废旧回收塑料经热熔再生后形成主要成型基体，同时以聚氨酯胶体作为协同基体相填充内部孔隙和界面缺陷，并将固废金属短纤维作为增强材料分散于复合基体中，从而在不采用长纤维、不进行高成本深度分离的条件下，提高再生塑料轨枕的力学性能和服役可靠性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是传统再生塑料轨枕主要由再生塑料单一基体承载，导致强度、刚度、抗蠕变性能、道钉抗拔性能和疲劳可靠性不足的问题。

2、本发明进一步要解决的技术问题是固废金属纤维直接资源化利用难度大，传统分解、分离和高纯化处理成本高，难以大规模用于轨道工程材料的问题。

3、本发明进一步要解决的技术问题是金属短纤维与再生塑料基体之间界面粘结不足、孔隙较多、应力传递效率低以及疲劳过程中纤维易拔出的问题。

4、为解决上述技术问题，本发明提供一种固废金属短纤维增强再生塑料-聚氨酯复合轨枕材料组合物。所述组合物包括复合基体和分散于所述复合基体中的固废金属短纤维增强材料。

5、所述复合基体包括再生塑料基体相和聚氨酯胶体基体相。

6、其中，再生塑料基体相由废旧回收塑料经破碎、清洗、干燥、热熔再生后形成，主要承担轨枕整体成型、尺寸保持和基本承载功能；

7、聚氨酯胶体基体相由聚氨酯胶体固化后形成，主要分布并填充于所述再生塑料基体相内部的孔隙以及所述固废金属短纤维与再生塑料基体相之间的界面区域，并与所述再生塑料基体相共同构成轨枕的复合基体，有助于改善轨枕内部的孔隙和界面缺陷，提高界面粘结性能、韧性及疲劳耗能能力。

8、固废金属短纤维增强材料以非连续形式分散于所述复合基体中，主要承担抗拉、抗弯和抗裂增强作用。

9、所述固废金属短纤维增强材料为非连续短纤维增强材料，不是长纤维，也不是沿轨枕长度方向贯穿整个轨枕的连续增强纤维。其经短切、筛分、除杂和可选的除油、除锈、偶联处理后，可直接与废旧塑料再生颗粒进行热熔复合。

10、本发明所述拉挤成型是指含固废金属短纤维的再生塑料熔融复合料在牵引装置作用下连续通过轨枕截面成型模具，从而形成连续轨枕型材或轨枕坯体。该成型方式不要求增强材料为长纤维或连续纤维。固废金属短纤维仅在熔体流动和牵引作用下产生随机分布、局部取向或半定向分布，不沿整个轨枕长度形成连续增强束。

11、根据本发明的一种优选实施方式，以所述再生塑料基体相为100重量份计，所述固废金属短纤维增强材料为5-30重量份，所述聚氨酯胶体基体相为5-40重量份，还包括相容剂1-15重量份，偶联剂0.1-5重量份，抗氧剂0.1-5重量份，润滑剂0.1-8重量份，无机填料0-30重量份。

12、根据本发明的一种优选实施方式，所述废旧回收塑料选自废旧聚乙烯、废旧高密度聚乙烯、废旧聚丙烯、废旧聚氯乙烯、废旧聚酰胺、废旧聚酯、废旧聚苯乙烯、废旧橡塑复合材料中的一种或多种。

13、根据本发明的一种优选实施方式，所述聚氨酯胶体基体相为双组分聚氨酯胶体、单组分湿固化聚氨酯胶体、改性聚氨酯胶体、聚氨酯弹性体胶体中的一种或多种固化后形成。所述聚氨酯胶体基体相与所述再生塑料基体相共同构成轨枕的复合基体，而非仅作为表面涂层、外部胶粘剂或临时填缝材料。

14、根据本发明的一种优选实施方式，所述固废金属短纤维增强材料选自废旧轮胎钢帘线短切纤维、废旧钢丝绳短切纤维、金属加工废丝、废旧钢纤维、废旧不锈钢纤维、废旧铜包钢纤维、废旧铝合金短纤维中的一种或多种。

15、根据本发明的一种优选实施方式，所述固废金属短纤维增强材料的长度为3-80mm，优选为5-50 mm；直径为0.03-2.00 mm，优选为0.05-1.20 mm；长径比为10-400，优选为20-250。

16、根据本发明的一种优选实施方式，所述固废金属短纤维增强材料表面允许保留橡胶残余物、塑料残余物、氧化层、镀层或少量有机附着物。所述固废金属短纤维增强材料不需要经过热裂解、化学溶解、完全剥离或高纯化分离处理，仅需经过短切、筛分、除杂、干燥以及可选的除油、除锈、表面粗化或偶联处理后即可用于所述复合轨枕材料组合物。

17、根据本发明的一种优选实施方式，所述固废金属短纤维增强材料在所述复合基体中呈随机分布、半定向分布或沿轨枕纵向具有一定取向的非连续分布；所述固废金属短纤维增强材料之间不形成沿轨枕长度方向连续贯通的金属增强束或连续金属导电通路。

18、本发明还提供一种采用上述组合物制备的复合轨枕，所述复合轨枕包括轨枕本体，所述轨枕本体包括再生塑料-聚氨酯复合基体和分散于所述复合基体中的固废金属短纤维增强材料。

19、根据本发明的一种优选实施方式，所述轨枕本体包括承轨区、道钉孔区、轨枕中部区和轨枕底部区。所述承轨区和所述道钉孔区中的固废金属短纤维含量高于轨枕中部区和轨枕底部区中的固废金属短纤维含量；或者，所述承轨区和所述道钉孔区中的聚氨酯胶体基体相含量高于轨枕中部区和轨枕底部区中的聚氨酯胶体基体相含量。

20、根据本发明的一种优选实施方式，所述轨枕本体外侧设置有绝缘保护层，所述绝缘保护层主要由再生塑料基体相和/或聚氨酯胶体基体相形成，用于隔离固废金属短纤维增强材料与外界环境，降低金属短纤维外露、锈蚀和形成导电通路的风险。

21、本发明还提供上述复合轨枕的制备方法，包括如下步骤：

22、s1：将废旧回收塑料进行分选、破碎、清洗和干燥，得到废旧塑料再生颗粒；

23、s2：将固废金属纤维状废弃物进行短切、筛分、除杂和干燥，得到固废金属短纤维增强材料；

24、s3：将所述废旧塑料再生颗粒、固废金属短纤维增强材料、相容剂、偶联剂、抗氧剂、润滑剂和可选的无机填料进行预混合，并在熔融混炼设备中进行热熔复合，得到含固废金属短纤维的再生塑料熔融复合料；

25、s4：将所述再生塑料熔融复合料送入拉挤成型模具，在牵引装置作用下连续通过成型模具，形成轨枕连续型材或轨枕坯体；

26、s5：将所述轨枕坯体冷却后，通过预留注胶孔注入聚氨酯胶体，使其进入内部孔隙和短纤维界面，经固化后得到所述复合轨枕。

27、根据本发明的一种优选实施方式，步骤s1中废旧回收塑料经破碎后颗粒尺寸为5-30 mm，干燥温度为60-120℃，干燥时间为2-12 h，干燥后水分含量不高于0.5%。

28、根据本发明的一种优选实施方式，步骤s3中热熔复合的温度为150-220℃。步骤s4中拉挤成型的牵引速度为0.05-2.00 m/min，成型压力为1-10 mpa。步骤s5中聚氨酯胶体的注胶压力为0.1-0.5 mpa，固化温度为室温至60℃，固化时间为12-72 h。

29、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

30、（1）采用再生塑料基体相与聚氨酯胶体基体相共同构成复合基体，聚氨酯胶体填充再生塑料基体内部孔隙和短纤维界面，能够改善传统再生塑料轨枕单一基体强度不足、韧性不足和长期可靠性不足的问题。

31、（2）采用固废金属短纤维作为增强材料，可以提高轨枕的抗弯、抗裂、抗拔和抗疲劳性能。

32、（3）所用增强材料为短纤维而非连续长纤维，可与废旧塑料再生颗粒进行熔融混炼和连续拉挤成型，工艺适应性强，便于大规模连续生产。

33、（4）允许固废金属短纤维表面保留少量橡胶、塑料、氧化层或有机附着物，不需要进行高成本深度分解和完全分离，可降低固废金属纤维资源化利用成本。

34、（5）能够同时消纳废旧塑料和固废金属纤维，实现两类固体废弃物的资源化利用，具有较好的环境效益和工程应用价值。