用于交通工具拦阻系统的低密度颗粒的制作方法
【专利摘要】本发明的实施例提供了用于由低密度颗粒和合适结合剂制成的交通工具拦阻系统的系统和方法。系统被设计为提供置于跑道端部处或公路边缘处、在行进离开跑道的端部或道路的边缘的交通工具轮的压力下将可预测且可靠压碎(或以其他方式变形)的障碍物或床。
【专利说明】
用于交通工具拦阻系统的低密度颗粒
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年3月5日提交的标题为"Low-densi ty，bonded，inorganic/ organic particles for vehicle arresting and other energy absorption systems" 的美国临时申请序列号61/948,141的权益，此处以引用的方式将其全部内容并入。
技术领域
[0003] 本公开的实施例总体涉及由低密度颗粒和合适结合剂制成的交通工具拦阻系统。 系统被设计为提供置于跑道端部处或公路的边缘处、在行进离开跑道端部或道路边缘的交 通工具轮的压力下将可预测且可靠压碎(或以其他方式变形)的障碍物或床。
【背景技术】
[0004] 飞机可能且确实超过跑道的端部，这提高对乘客的伤害以及对飞机的毁坏或严重 损害的可能性。这种超限在失败的起飞期间或在着陆时发生，其中飞机以多达80海里/小时 的速度行进。为了使超限的危害最小化，联邦航空管理局(FAA)通常需要超过跑道端部的、 长度为一千英尺的安全区域。虽然该安全区域现在是FAA标准，但遍布全国的许多跑道在采 用该标准之前建造。这些跑道可能被定位为使得水、道路或其他障碍防止经济上符合一千 英尺超限要求。
[0005] 为了减轻超限情况的严重后果，若干材料(包括超出跑道的现有土表面)已针对它 们使飞机减速的能力进行了评估。然而，土表面不是用于拦阻移动交通工具（即，飞机)的最 佳解决方案，主要是因为它们的性质不可预测。
[0006]已探索的另一个系统是提供一种交通工具拦阻系统或其他可压缩系统，该交通工 具拦阻系统或其他可压缩系统包括置于跑道的端部处、在行进离开跑道端部的飞机轮的压 力下将可预测且可靠压碎(或以其他方式变形）的材料或障碍物。由可压缩低强度材料提供 的阻力使飞机减速并使飞机停止在超限区域的范围内。交通工具拦阻系统的具体示例称为 工程材料拦阻系统（EMAS)，并且现在是日期2005年9月30日的FAA咨询通告150/5220-22B "Engineered Materials Arresting Systems(EMAS)for Aircraft Overturns" 中所述的 美国机场设计标准的一部分。EMAS和跑道安全区域规划由FAA制度5200.8和5200.9来指导。
[0007] 可压缩(或可变形）交通工具拦阻系统还可以例如为了使除了飞机之外的交通工 具或对象减速的目的而置于道路或人行道(或别处）上或中。它们可以用于安全地停止汽 车、火车、卡车、摩托车、拖拉机、轻便摩托车、自行车、船或可以加速且倾斜失去控制由此需 要被安全停止的任何其他交通工具。
[0008] 已考虑用于拦阻交通工具(具体地关于拦阻飞机）的一些具体材料包括酚醛泡沫、 蜂窝水泥、泡沫玻璃以及化学结合磷酸盐陶瓷(CBPC)。这些材料可以被形成为跑道端部处 的拦阻器区域中的浅床。当交通工具进入拦阻器区域时，交通工具的轮将陷入材料中，该材 料被设计为产生拖曳负载的增加。
[0009] 然而，可以改进到目前为止已探索的材料中的一些材料。由此，期望开发用于交通 工具拦阻床的改进材料。
【发明内容】
[0010] 本公开的实施例总体涉及由低密度颗粒和合适结合剂制成的交通工具拦阻系统。 系统被设计为提供置于跑道端部处或公路边缘处、在行进离开跑道端部或道路边缘的交通 工具轮的压力下将可预测且可靠压碎(或以其他方式变形)的障碍物或床。
【附图说明】
[0011] 图1示出了由膨胀珍珠岩和粘性结合剂形成的结构的一个实施例的立体图。
[0012] 图2示出了由膨胀珍珠岩和作为结合剂的聚氨酯粘合剂形成的结构的一个实施例 的立体图。
【具体实施方式】
[0013] 交通工具拦阻系统的一个目的是缺少可预测指定方式，从而随着交通工具使交通 工具拦阻系统变形而提供受控可预测的阻力。由此，期望的交通工具拦阻系统通常为可压 缩、可变形、可粉碎的、或以其它方式能够在适当冲击时被压缩或变形或压碎的低强度材 料。材料强度应保持恒定或至少不随着时间显著增大。另外，材料强度不应高至引起过度的 交通工具损坏或危及交通工具乘员的生命。材料应吸收移动交通工具的动能，致使系统有 效停止交通工具，但优选地压碎并吸收能量，以防止交通工具乘员的严重伤害或死亡。换言 之，材料应足够强，以至于材料通过系统在冲击时压碎或变形的能力来吸收交通工具的能 量并帮助安全地停止交通工具，并且不强至材料使得交通工具抵靠障碍物垮掉。系统旨在 使得交通工具更缓慢地减速并提供比传统障碍物更多的缓冲，由此在一些情况下可以称为 "非致命的"交通工具拦阻系统。太强的材料将致使障碍物的意图无效。
[0014] 由此，本发明的实施例提供了具有期望的低密度和低强度的能量吸收系统。在一 个方面中，提供了不包括水泥作为其组分之一的能量吸收系统。在一个方面中，提供了能量 吸收系统，该能量吸收系统包括形成能量吸收系统的主体的低密度颗粒。还可以存在添加 到低密度颗粒的结合剂材料。结合剂可以为起使低密度颗粒相对于彼此保持在适当位置的 作用的任何材料。下面概述用于低密度颗粒和结合剂的各种材料和参数的其他细节。
[0015] 在一个方面中，提供了包括与结合剂组合的低密度颗粒的能量吸收系统。能量吸 收系统可以被设计为交通工具拦阻系统(诸如交通工具拦阻床)的形式，该交通工具拦阻系 统被设计为吸收来自超限交通工具的能量。形成系统的材料可以以向系统提供稳定性和耐 用性的这种方式来结合。
[0016] 以下示例仅为了说明性的目的而提供，并且不旨在以任何方式进行限制。在具体 示例中，低密度颗粒可以为有机和/或无机的。低密度颗粒可以包括但不限于珍珠岩、蛭石、 膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、粘土、膨胀粘土、陶瓷、炉渣、浮石、硅藻土、工业矿物、压碎的火山 石、压碎的壳、膨胀性聚苯乙稀、地塑料(ground plastic)、其组合。低密度颗粒可以为微观 和/或宏观颗粒。它们可以为粉末形式，或者它们可以为粒状的。低密度颗粒的尺寸可以在 从大约0.1_至大约100mm的范围内。低密度颗粒可以具有变化的几何结构。例如，它们通常 可以为圆的、锯齿状的、不规则的、树状的或任何其他形状。低密度颗粒可以以它们的自然 形式来使用，或者它们可以在被包含或以其他方式与合适的粘合剂或结合剂混合之前被处 理。低密度颗粒可以为粒状和/或粉末状的材料混合物。
[0017] 在具体实施例中，低密度颗粒可以包括膨胀珍珠岩。在另一个具体实施例中，可以 以各种数量或与其他元素的各种组合来使用珍珠岩的低密度颗粒。珍珠岩为具有相对高的 水含量的自然产生的非晶火山玻璃。珍珠岩具有在充分受热时大大膨胀的性质。珍珠岩在 处理后还具有轻量。在珍珠岩的未膨胀（"原始"）状态下，珍珠岩具有大约ll〇〇kg/m 3(l.lg/ cm3)的体积密度。膨胀珍珠岩具有大约30-150kg/m3 (0.03-0.150g/cm3)的体积密度。膨胀珍 珠岩的这一较低的体积密度可以允许膨胀珍珠岩为本文中所述的低密度颗粒的良好候选。
[0018] 在另一个具体实施例中，低密度颗粒可以包括膨胀蛭石。在另一个具体实施例中， 可以以各种数量或与其他元素的各种组合来使用蛭石的低密度颗粒。蛭石为受热时也大大 膨胀的水合硅酸盐矿物。
[0019] 结合剂可以添加到低密度颗粒。结合剂可以为任何数目或组合的材料，诸如粘合 剂或有机或无机材料，其中通过混合、涂布或以其他方式使颗粒与结合剂关联来形成稳定 结构。以下结合剂示例仅为了说明性的目的而提供，并且不旨在以任何方式进行限制。
[0020] 在具体示例中，结合剂可以为液体粘合剂、聚合物粘合剂、热胶、商用粘合剂(诸如 Gorilla胶? (如直接提供的或改性的））、丙烯酸涂料、泡沫(诸如聚氨酯泡沫）、聚苯乙烯、 以及无机结合剂(诸如粘土或磷酸盐结合陶瓷）、或其结合低密度颗粒的组合。结合剂或结 合剂的组合可以为空气固化粘合剂。结合剂或结合剂的组合可以为光固化粘合剂。结合剂 或结合剂的组合可以为液体粘合剂。所选结合剂或结合剂的组合通常应足够弱，使得它们 在交通工具冲击时将可靠地压碎，但具有足够强度以将颗粒保持在一起直到冲击发生。所 选结合剂或结合剂的组合可以基于它们的粘度、它们涂布或以其他方式粘附到颗粒的能 力、它们的耐用性、UV稳定性、耐火性或阻燃性、或任何其他参数来选择。如果所选结合剂或 结合剂的组合缺乏期望参数中的一个或更多个，则为了给予期望的参数，可能向系统提供 最终的涂层。
[0021] 虽然结合剂或结合剂的组合通常不针对任何能量吸收性质来选择，但可能的是， 所选结合剂也可以给予系统能量吸收性质。例如，如果所选结合剂为聚氨酯泡沫，则相信泡 沫性质可以添加能量吸收性质。例如，设计或选择具有与低密度颗粒相似的压碎性质的结 合剂可以是可能的。如果所选结合剂不提供任何能量吸收性质，则相信可以由所选低密度 颗粒及其以本文中所述的方式与一种或更多种结合剂的组合来提供足够的能量吸收。在该 示例中，结合剂仅需要提供结构稳定性。
[0022] 系统还可以在颗粒/结合剂阵列之间含有空隙。这些空隙可以由结合剂与低密度 颗粒之间的反应来产生。例如，如果所用颗粒为珍珠岩，则它们可以在施加热量时膨胀。在 材料中提供空隙的另一个方式是包含泡沫、包含表面活性剂、或包含将反应产生氢或C0 2或 在材料中产生气泡的化学品。一般意图将是在材料中提供气孔或气囊，以降低它的强度和 密度。这可以有益于补偿该结合剂可能带给系统的任何不利性质或强度。
[0023] 如果需要或期望，则颗粒或最终产品还可以涂布、卷绕、喷涂或浸渍(或其他施加 方法)有防潮层。这种层可以包括但不限于碱金属硅酸盐、硅树脂衍生物溶液、喷涂的弹性 化合物、或旨在提高耐用性的任何其他合适的产品。
[0024]在一个实施例中，为了致使颗粒防水，所选结合剂可以涂布颗粒。在其他实施例 中，可以添加给予防水或防潮性的单独溶液。在一个实施例中，可以添加硅树脂溶液。也可 以添加填料或其他材料。这些填料或其他材料包括但不限于沙、灰、炉渣、聚合物纤维、玻璃 纤维、秸杆、其组合、或任何其他合适的填料或材料。定形剂或固化剂还可以在混合期间添 加到颗粒和/或添加到形成的最终产品。
[0025] 在材料的制造期间，为了达到期望的材料强度、密度或其他参数，可以改变结合剂 与填料之间的比率。通常设想的是，将存在比结合剂更大量的低密度颗粒。一般意图是将正 好足够的结合剂用于将颗粒保持在一起，而不是使用如此多的结合剂以至于产生的系统具 有防止其根据期望压碎的强度。在一个具体示例中，结合剂与颗粒的比率可以为大约1:1至 大约1:20。在下面的具体示例中，结合剂与颗粒的比率可以从大约1: 5至大约1:10。在另一 个具体示例中，产生的系统的压缩强度可以为大约5-100镑每平方英寸。
[0026] 示例 1:
[0027] 在形成期间，材料可以被添加以形成浆，然后混合或以其他方式调和。最终的体强 度和材料性质可以通过改变低密度颗粒、结合剂或填料的比例、添加到浆中的泡沫、表面活 性剂或孔产生组分的量、填料组分和类型(反应性的或非反应性的）以及量、混合过程、混合 时间、调和过程、和/或调和时间来调节。固体/液体比率可以随着所添加的结合剂(定形/固 化阻滞剂)和填料类型、结合剂/填料比例、以及根据材料的旨在终端应用的最终期望性质 而变化。
[0028] 示例2:
[0029] 组合膨胀珍珠岩和液体聚氨酯粘合剂的组合物。粘合剂被混合，然后与膨胀珍珠 岩翻腾。允许产生的材料进行空气干燥或以其他方式固化。这允许材料凝固成硬化形式。产 生的材料具有粒状外观，其中颗粒的粒子用结合剂保持在一起。产生的材料涂布有增加防 水性和耐候性的阻挡层。所用的涂层为具有防火添加剂的乳胶粘合剂，但应理解，使用其他 涂层是可能的，且被认为在本公开的范围内。
[0030] 示例3:
[0031] 组合膨胀蛭石和膨胀聚氨酯泡沫的组合物。粘合剂被混合，然后与膨胀蛭石翻腾。 允许产生的材料固化。这允许材料凝固成硬化形式。产生的材料具有粒状外观，其中颗粒的 粒子用结合剂保持在一起。产生的材料涂布有增加防水性和耐候性的阻挡层。所用的涂层 为泡沫乳胶涂层，但应理解，使用其他涂层是可能的，且被认为在本公开的范围内。
[0032] 示例4:
[0033] 膨胀聚苯乙烯球或片与结合剂(诸如粘性结合剂)混合。
[0034] 示例5:
[0035] 回收的聚苯乙烯珠和膨胀珍珠岩与结合剂(诸如磷酸盐结合陶瓷)混合。
[0036] 来自上述示例中的任何示例或根据本文中的公开内容以其他方式制造的产生的 材料可以形成到交通工具拦阻系统中。它们可以形成为一系列块、面板、瓦（tile)、堆叠或 结合的砖、结合在一起形成结构的材料的小颗粒、圆柱形或球形单元、或任何其他形状。系 统的强度和所用制剂可以根据要安全停止的交通工具或装置来改变。如果要停止飞机，则 障碍物可以被开发为具有比在要停止自行车或行人时更高的强度。在一个实施例中，障碍 物可以具有低于大约l〇〇psi、在一些情况下低于大约50psi，并且在其它一些情况下在大约 5psi附近的压缩强度。
[0037]可以在不脱离本公开或所附权利要求的范围或精神的情况下，对上面记载和附图 中所示的结构和方法进行变化和修改、添加和删除。
【主权项】
1. 一种交通工具拦阻系统，包括： 多个低密度颗粒，所述多个低密度颗粒在从大约0.1mm至大约100mm的范围内；和 结合剂，其中所述结合剂与颗粒的比率包括大约1:1至大约1:20,其中产生的所述低密 度颗粒和所述结合剂的混合物具有小于大约l〇〇psi的压缩强度。2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述低密度颗粒包括珍珠岩、蛭石、膨胀珍珠岩、膨 胀蛭石、粘土、膨胀粘土、陶瓷、炉渣、浮石、硅藻土、工业矿物、压碎的火山石、膨胀性聚苯乙 烯、地塑料、或其组合。3. 根据权利要求1或2所述的系统，其中所述低密度颗粒包括膨胀珍珠岩。4. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述低密度颗粒包括膨胀蛭石。5. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述结合剂包括液体粘合剂、聚合物 粘合剂、热胶、商用粘合剂、丙烯酸涂料、泡沫、聚苯乙烯、或其组合。6. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述结合剂包括聚氨酯泡沫。7. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统包括多个空隙。8. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述低密度颗粒和所述结合剂组合成 块、面板、瓦、堆叠或结合的砖、或其组合。9. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述低密度颗粒与所述结合剂结合在 一起。10. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统包括提供稳定性和耐用性 的涂层。11. 根据权利要求10所述的系统，其中所述涂层包括有机涂层或无机涂层。12. -种制造根据权利要求1所述的系统的方法，包括： 形成结合剂混合物； 将低密度颗粒添加到所述结合剂混合物； 混合或调和所述结合剂与所述低密度颗粒，以提供混合的材料； 用所述混合的材料形成结构； 允许所述结构固化或硬化。13. 根据权利要求12所述的方法，还包括添加表面活性剂。14. 根据权利要求12或13所述的方法，还包括添加填料。15. 根据权利要求12至14中任一项所述的方法，还包括:为了获得期望的最终体强度， 将结合剂与低密度颗粒之间的比率调节在大约1:1至大约1:20之间。16. 根据权利要求12至15中任一项所述的方法，还包括:为了获得期望的最终体强度， 调节混合过程或调和过程、或混合时间、或两者。17. 根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中所形成的所述结构包括交通工具 拦阻系统。
【文档编号】C04B26/16GK106068250SQ201580011321
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2015年3月5日 公开号201580011321.4, CN 106068250 A, CN 106068250A, CN 201580011321, CN-A-106068250, CN106068250 A, CN106068250A, CN201580011321, CN201580011321.4, PCT/2015/18881, PCT/US/15/018881, PCT/US/15/18881, PCT/US/2015/018881, PCT/US/2015/18881, PCT/US15/018881, PCT/US15/18881, PCT/US15018881, PCT/US1518881, PCT/US2015/018881, PCT/US2015/18881, PCT/US2015018881, PCT/US201518881
【发明人】S·多赫蒂, S·C·瓦伦蒂尼
【申请人】工程阻拦系统公司