一次整体成型竹轨枕及其制备方法与流程

本发明涉及铁路、城市轨道交通用新材料领域，尤其涉及一次整体成型竹轨枕及其制备方法。

背景技术：

当前铁路、城市轨道交通中有砟轨道大多采用木轨枕、混凝土轨枕、钢轨枕、复合材料轨枕等等，经过长时间的工程应用发现：寿命短、易磨损、木轨枕易受生物侵蚀，不同木轨枕力学性能存在差异，木轨枕防腐处理所需的杂酚油等化学制品危害环境及人体健康，等等轨枕应用中的问题；混凝土轨枕，列车荷载因其刚度大产生很大动应力损害铁路轨道，绝缘不良，脆性大，弹性差，存在冲击损坏的风险，稳定性低，重量大，难更换，回收困难，废弃物处理成本极高，高碳消耗影响环境；钢轨枕也存在不绝缘、行车噪音大、刚度较大、易锈蚀、高碳消耗影响环境等缺点；复合材料轨枕也被发现质量轻，扣件和螺栓握钉能力差，黏结层的强度不均匀，易受环境影响而变脆等等不足。特别是，混凝土、钢、复合材料轨枕的原料生产向大气排放大量二氧化碳，对环境造成巨大冲击。事实上，理想的轨枕对弹性模量有一定的要求，应该避开木轨枕的偏低弹性模量、混凝土轨枕偏大的弹性模量，而理想轨枕的弹性模量取值应介于木轨枕和混凝土轨枕之间。

竹材是我国重要的森林资源，具有优良的物理力学性能，特别是弹性模量，其应用范围十分广泛，而且竹材的定期砍伐有利于竹子生长和生态环境，竹质新材料现在已广泛应用于户外。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种适用于铁路、城市轨道交通有砟轨道的一次整体成型竹轨枕及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一次整体成型竹轨枕，所述一次整体成型竹轨枕以竹单元为原料，经过在110～180℃进行干燥和改性处理、浸胶、甩胶、固化、多巴胺溶液处理、防霉和/或防腐和/或防虫处理、紧固后得到，所述一次整体成型竹轨枕的密度为0.9～1.5g/cm³。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一次整体成型竹轨枕的制备方法，包括以下步骤：

1）采用过热度为10～80度的水蒸汽对经过预处理的竹单元进行干燥和改性处理，直至竹单元的含水率为8～20%，得经过干燥和改性处理后的竹单元；

2）将步骤1）中经过干燥和改性处理后的竹单元浸渍于胶黏剂中进行浸胶处理，甩胶，沥干，干燥直至竹单元的含水率为10%～16%，得坯料；

3）将步骤2）中坯料进行固化成型，得竹轨枕坯料；

4）将步骤3）中竹轨枕坯料表面涂覆多巴胺溶液，再进行防霉和/或防腐和/或防虫处理，得竹轨枕；

5）将步骤4）中竹轨枕用紧固件锁紧牢固，得一次整体成型竹轨枕。

作为对上述技术方案的进一步改进：

优选地，所述步骤3）具体为：

将步骤2）中坯料组坯，得板坯，对板坯的上、下方同时进行施压和加热处理，使板坯固化成型，得竹轨枕坯料，其中板坯中心的压力为15～30mpa，温度为120～160℃。

所述板坯的厚度为d，施压时间为t，其中，t=d×30，t的单位为秒，d的单位为毫米。

优选地，所述步骤3）具体为：

将步骤2）中坯料放置于冷压模具进行压缩处理，压缩到预设目标厚度后，将冷压模具和坯料锁紧后置于装有导热油的设备或者干燥窑中进行固化成型，冷却，得竹轨枕坯料；所述固化处理的温度为120～160℃，时间为1～9小时。

所述干燥窑的介质为湿空气或烟气或过热水蒸气。

当固化成型后坯料的温度冷却至高于室内温度20～40℃时，拆除冷压模具，得竹轨枕坯料。

优选地，所述步骤3）具体为：

将步骤2）中坯料通过高频辅助高温热压工艺固化处理，得竹轨枕坯料；所述高频辅助高温热压工艺中，电源输入电压380v，直流输出电压为4～7kv，振荡频率为6.5～7.3mhz，压力大于20mpa，温度为120～140℃。

所述步骤4）中进行防霉和/或防腐和/或防虫处理具体为：将竹轨枕坯料表面涂覆多巴胺溶液后干燥，先涂覆硫酸氧钛溶液，干燥，再涂覆硝酸银溶液，干燥，得竹轨枕。

所述步骤1）中的预处理具体为：将竹单元去除竹青和竹黄，蒸煮软化，水洗后碾搓，得经过预处理后的竹单元。

优选地，所述步骤1）中，所述水蒸汽的温度为110～180℃。

优选地，所述胶黏剂为固含量20%～30%酚醛树脂或改性脲醛树脂溶液。

优选地，所述浸胶处理为超声脉动辅助常压处理，时间为15～30分钟。

优选地，所述浸胶处理时的压力为0.2～0.8mpa，时间为10～20分钟。

所述步骤1）中预处理的蒸煮的溶液为ph值为8～9的氨水或氢氧化钠水溶液，蒸煮时间为1～2h。

优选地，所述多巴胺溶液的浓度为0.01～1mg/ml；多巴胺溶液、硫酸氧钛溶液、硝酸银溶液的涂覆次数均为2～4次。

优选地，所述多巴胺溶液的ph值为7～9；所述硫酸氧钛溶液的浓度为0.001～1mol/l，ph值为7～10；所述硝酸银溶液的浓度为0.001～0.1mol/l。

优选地，所述预处理的蒸煮溶液为ph值为8～9的氨水或氢氧化钠水溶液，蒸煮时间为1～2h。

优选地，所述紧固件为不锈钢箍，所述紧固件的厚度为2～4mm，宽度为50～60mm。

所述一次整体成型竹轨枕的长度为1400～2900mm，宽度为140～360mm，厚度为120～300mm，所述靠近竹轨枕端部的紧固件与端部之间的距离为200～300mm，靠近竹轨枕中部的紧固件与中部之间的距离200～500mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一次整体成型竹轨枕及其制备方法，通过高温水热干燥多效处理、固化成型、聚多巴胺处理防霉和/或防腐和/或防虫处理（表面ag/tio2掺杂防护）、紧固件紧固等多重技术耦合，完全可以满足轨道建设中对高值、绿色轨枕的需求，竹轨枕的开发完全可以解决轨道建设的需求，而且还向国内外推崇了特有的“竹子文化”。竹轨枕具有适合的弹性模量，强度均一，绝缘性好，对气候具有高耐性，可以高效防虫侵噬，对环境友好，易回收，可再循环利用，具有非常突出的经济效益、社会效益、生态效益。

附图说明

图1是本发明实施例1工艺流程示意图。

图2是本发明实施例1的一次整体成型竹轨枕结构示意图。

图3是本发明实施例1的一次整体成型竹轨枕测试结果图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，以下材料和仪器均为市售。

实施例1（以一根1800mm长、200mm宽、140mm厚的竹轨枕为例）

如图1所示，本实施例的一次整体成型竹轨枕的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）选取4年生毛竹，截断，每一段为1900mm±10mm，得竹圆段。

（2）将竹圆段破开成竹单元，100%完全去掉竹青和竹黄，置于ph值为8.5的氨水蒸煮30分钟，水洗，然后机械碾搓成丝状竹单元。

（3）将丝状竹单元在干球温度为150℃、过热度为30度的过热水蒸汽干燥处理至含水率为13%左右，得经过干燥和改性处理后的丝状竹单元。高温水热改性处理可以杀死微生物和虫害，还可以使竹材中的淀粉等糖类物质分解，高温致其力学强度下降可以在后续过程中通过聚多巴胺处理改善，且聚多巴胺不影响后续胶合还能防止水进入到丝状竹单元。

（4）经过干燥和改性处理后的丝状竹单元在固含量25%酚醛树脂溶液中浸泡，采用超声脉动辅助常压处理20分钟，甩胶，沥干，然后进行干燥处理直至含水率控制在15%，得坯料。

在其他实施例中，浸胶处理可采用在压力为0.2～0.8mpa的条件下处理10～20分钟，也可取得相同或相似技术效果。

（5）在预制的模具中铺装组坯坯料，通过高频辅助高温热压工艺将丝状竹单元中的酚醛树脂胶粘剂固化，得一次成型的竹轨枕坯料。

本实施例中，高频辅助工艺参数为：电源输入电压380v，直流输出电压6kv，振荡频率6.9mhz；热压工艺参数为：压力20mpa，温度130℃，热压时间为4200s。

在其他实施例中，高频辅助工艺还可以用双向施压-双向加热成型技术、室温冷压锁模-高温固化成型技术、高频辅助单向高温热压技术替代，让胶黏剂充分固化而将丝状竹单元紧密的连接在一起。

（6）竹轨枕坯料经过机械加工，再将0.05mg/ml多巴胺溶液（预先加入tris缓冲液调节多巴胺溶液的ph为8）反复喷涂3遍，每次要等待上一次的涂覆物充分干燥，在竹轨枕坯料表面涂覆3遍自制的ag/tio2掺杂的多功能处理液，得经过防霉处理的竹轨枕。具体步骤如下：

（6.1）将竹轨枕坯料经过机械加工后在表面反复喷涂用tris缓冲溶液调节ph值约8的0.05mg/ml多巴胺溶液后，每次等待涂层不粘手后，于70℃烘干40分钟，得覆盖聚多巴胺薄膜的竹轨枕坯料。

（6.2）将覆盖聚多巴胺薄膜的竹轨枕坯料的表面涂覆0.01mol/l硫酸氧钛溶液后，再涂覆氨水（在其他实施例中，可采用氢氧化钠溶液），并使用ph试纸检测竹轨枕坯料表面涂覆混合液体至ph值为9，待涂层不粘手后，于70℃烘干60分钟，得负载tio2的竹轨枕坯料。

（6.3）将负载tio2的竹轨枕坯料涂覆3遍0.001mol/l的硝酸银溶液后，待涂层不粘手后，于80℃烘干至其含水率为10%左右，得经过防霉处理的竹轨枕。

（7）将经过防霉处理竹轨枕用2根厚度2mm、宽度50mm的不锈钢箍锁牢紧固，其中竹轨枕左右两端钢箍边部至竹轨枕端部距离为230mm，得一次整体成型竹轨枕。为了防止轨枕使用过程中反复载荷施加或过载而造成纤维分离，采用不锈钢箍或者其他材质紧固件进行锁牢紧固。

本实施例中，采用对竹材进行高温水热干燥改性多效处理、胶合、表面ag/tio2掺杂防护、锁牢紧固等多重技术耦合制造出一次整体成型竹轨枕，如图2所示，具体工艺流程如下。

原竹截断→破解→去青去黄→碱液辅助蒸煮软化→水洗→碾搓打散→高温水热干燥多效处理→酚醛树脂浸渍→干燥→组坯铺装→高频辅助热压成型→机械加工→聚多巴胺基ag/tio2掺杂处理→钢箍紧固→竹轨枕。

将制造出来的竹轨枕坯料在实验室进行密度、uv抗紫外线、吸水厚度膨胀率、防滑性能、抗弯弹性模量、水平剪切强度进行测试，如图3所示，说明本实施例制得的竹轨枕满足轨道建设中对高值、绿色轨枕的需求。

实施例2

本实施例与实施例1大致相同，不同之处仅在于：高频辅助高温热压工艺为双向施压-双向加热成型技术替代，具体步骤如下：

将坯料组坯，得板坯，将板坯放于垫板上，对板坯的上、下方同时进行施压和加热处理70分钟，使板坯固化成型，得竹轨枕坯料，其中板坯中心的压力为20mpa，温度为130℃。

实施例3

本实施例与实施例1大致相同，不同之处仅在于：高频辅助高温热压工艺为室温冷压锁模-高温固化成型技术替代，具体步骤如下：

将坯料放置于冷压模具中，采用冷压机对模具中的坯料进行压缩处理，压缩到140mm后，将模具和坯料锁紧，再将装载坯料的模具一同送入温度为130℃高温干燥窑中，持续5小时，使板坯充分固化成型，固化结束后让模具和板坯在室内环境下逐渐冷却，当板坯温度高于室内温度40℃时，拆除模具，竹轨枕板坯固化成型，得竹轨枕坯料。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。