再循环橡胶铁道枕木的制作方法

专利名称：再循环橡胶铁道枕木的制作方法
要求优先权本申请要求2000年5月15日提交的序列号为60/204,342的临时申请的优先权。
这些替代产品可以由新材料制成，或者也可以由再循环的材料制成。已经使用了水泥、钢筋混凝土、金属、再循环的木材、塑料、各种再循环材料的组合物和其它产品。已经使用了一种比较新的方法来生产由水泥制成的枕木，所述水泥具有铁芯并被包在再循环橡胶和/或再循环塑料中。
这些替代产品都具有一种或多种明显的缺点。铁路工业正在寻求一种木材的经济替代品。水泥和钢筋混凝土所遇到的问题是虽然它们耐用，但它们的重量却比木制枕木大得多。因为重量的增加，而运输成本较高并且难于处理。带金属芯的枕木由于安全和操作原因，也必需被包入非导电的材料中。上述包入过程是一个附加的步骤，这增加了枕木的成本。
这些替代枕木的另一个明显缺点是，只需较小的力就可将锤入枕木中的道钉拉出。然而特别需要一种较高的拉出力。一种较高的拉出力转换成更牢固的道钉并减少或消除了使道钉复位的需要。
另外，几乎所有的替代枕木都由于表面硬度而在列车通过时具有增加的噪声级，而且钢制、水泥和塑料枕木也倾向于在砾石层中出现所不希望的移位。
其结果是，铁路工业对于非木制枕木的需求已经降低。可以相信的是，如果一种枕木能以低成本制成，并具有相似的性能特性且比木制枕木的寿命长，则其需求还是高的。
在再循环和橡胶轮胎工业中，多年来人们一直关心废弃轮胎的处理。这些工业所面临的问题已经是如何再循环废弃的橡胶产品，特别是如何将车辆轮胎转换成有用且经济的最终产品。
背景技术：
部分中US专利4726530(Miller等)和US专利5094905(Murray等)提供了关于废弃轮胎的丢弃和再循环的各种问题的更多信息。
已经存在有再循环废弃橡胶轮胎的技术。轮胎通常包括橡胶、钢带和轮圈、以及如人造丝、尼龙等纤维和其它多元酯。现有的技术可以切碎轮胎并使之成为颗粒，而且通过磁力分离金属和利用真空去除纤维。橡胶可被切碎或磨成任何所需的尺寸。在早先引用的Miller等人的专利中描述了该技术。通过分离技术，废弃橡胶轮胎可作为再循环产品的供料。
如上所述，铁路工业所面临的另一个问题是枕木在需要替换前的使用寿命或耐久性。人们对这一问题的关心比过去更为普遍。现在在美国，枕木主要由软木例如松木，而不是硬木例如橡木制成。软木枕木不具有硬木枕木那么长的寿命。作为一个示例，软木枕木在高湿度环境中更易于被加速损坏。沼泽地中的枕木在实际中只具有预期的3-4年的工作寿命。可以相信的是，铁路工业将接受比木材更为耐用的替代物，这会实现成本节约。
按本发明(“枕木”)制成的橡胶铁道枕木由下面的过程制成，在该过程中加热优选不超过30筛目(590微米)的颗粒再循环橡胶(在下文有时被称作为屑状橡胶、橡胶粉或橡胶精粉)。最好研磨该加热了的橡胶，然后挤压以得到所需的宽度和厚度，之后再切割成所需的长度。
再循环屑状橡胶(RCR)可由通常可在废旧物处理场得到的废弃轮胎制成。RCR可按类型和筛目尺寸制成。
本发明需要两种特定类型的RCR。第一种类型由硫化橡胶制成。用于硫化橡胶的主要原料是汽车轮胎和卡车轮胎。用于第二种类型的主要原料是按天然橡胶或已经被硫化的橡胶分类的轮胎。天然橡胶主要是越野(OTR)轮胎，它具有比硫化橡胶少的硫和锌，并具有较低的熔点。应该知道的是，在天然橡胶中可以存在一些硫化橡胶。然而，轮胎工业认可这一事实，并将“天然橡胶轮胎”标志理解成包含少量百分比的硫化橡胶。
在上述过程中空气污染不是问题。优选的研磨和挤压温度在290-310F(143-154℃)之间。在该温度范围内，不会有大量的有毒或有害气体散发到生产区或环境中。废旧轮胎和橡胶粉通常不被分类为有害材料；而被看成一种废弃物丢弃的管理问题。
除了废弃橡胶外，在加工过程中也可以使用少量的聚合物添加剂来提高强度。所需的量将根据用于形成本发明的枕木的实际橡胶组分而定。
也可以生产这样一种橡胶铁道枕木，它除了上述橡胶之外，还使用了存在于车辆轮胎中的纤维。换言之，枕木可以通过其中已去除钢制构件的废弃汽车轮胎制成。
枕木或者可通过一个压模制成，或者可通过一个挤压过程制成。用于挤压的操作压力取决于几个因素，所述因素包括粘度、螺杆速度和孔径。通常而言，在240-370F(116-188℃)之间操作的挤压过程应该在一个250-2500psi(1724-17240kPa)的压力范围内进行。由于与压模过程的高容积相关的计算(logistical)问题，更为优选的是使用一种连续的挤压过程。
一旦成型，枕木的颜色便是黑色的。经过一段时间之后，表面会氧化，并可能变成一种烟灰色或灰色。试验证明枕木不会到达破裂的程度，并不会遭受橡胶轮胎所发生的在阳光下的产品老化。
本发明的铁道枕木完全由不导电的材料制成。因此，不用象其它的枕木，特别是由金属制成的并可能导电的枕木那样采取特殊的预防措施。
枕木可被加工成任何所需的长度，并是可再循环的。
在本发明的枕木的加工中不再使用木馏油，该物质是通常用于木制铁道枕木的加工中的已知的致癌物质。
当与其它的木制铁道枕木的替代物相比时，每单位的按本发明制成的枕木的重量平均少13％-50％。通过示例，对于规格为8.5ft×9in×7in(259cm×23cm×18cm)的标准铁道枕木，按本发明制成的枕木大约重278磅(126kg)，而由混凝土制成的枕木则重500多磅(227kg)。
本发明枕木的一个关键特征在于，它在一个等同于标准铁道枕木板的大约96平方英寸(619cm2)的面积上承受120,000磅(54,480kg)的抗压试验。另外，在负载去除后，看不到永久性变形。
本发明枕木预期具有30-60年的有效寿命。该枕木的耐久性将减小枕木的更换频率，以及减小安装的相关成本。
该枕木可以与木制铁道枕木并排安装。这与混凝土枕木和其它已知替代枕木不同，在此推荐在整条线路上进行替换，即使只有一些枕木需要替换。
该枕木设计成以与木制枕木相同的方式进行固定。优选的方法是使用道钉，而作为替代的是，也中以使用夹子或螺钉。固定类型将根据铁路工业视轨道所铺设的具体位置而定。不需要新的定位或代替技术或技艺。
因为该枕木被压缩成型，所以由于安装而产生的另外的压缩变形将是最小的。这将使得在安装中实现真正的对准。其它的枕木产品，包括那些由软木制成的枕木，具有一定的压缩余量，随着时间的过去以适配标准铁道枕木固定板的需要，并夹紧砾石基或层。
一个任选和独特的特征是，该枕木可被制成是在至少一侧上具有若干凹陷或凹入表面。如在本说明书中所用的，“凹入表面”和“凹陷”具有相同的意义，并在此被定义为不平的表面。当若干凹陷被设置在枕木的至少一个纵向侧上时，它们都能比如果该纵向侧是一个平的表面的情况时与砾石层摩擦结合得更好。上述凹陷应该是比可出现在任何平的表面上的微观变形大的；它们必需能够与砾石层摩擦结合，以防止如果该表面是一个平的表面的情况时所发生的滑动。“凹陷”也被定义为包括这样的结构，例如肋、细齿、凹坑或者其它简单的几何形状，例如棱形或角锥形，它们可以被凹入枕木中。
为了能正确地起作用，上述凹陷必须具有足够的宽度，以允许砾石能够进入上述凹入区域中。如果凹陷的宽度太小，则将在该凹入区域中形成过多无用的空间，因此不能有效地摩擦结合砾石层。
决定是否设置带齿表面将根据枕木的使用状况而定。通过示例，如果枕木被用在高速铁路线上，则不用砾石层，而是将枕木置于硬的表面，例如水泥上。在这种情况下，具有凹陷的枕木是不理想的，因为这将减小与硬表面接触的表面面积，从而减小摩擦结合。
在使用砾石层的情况中，优选在铺设枕木时将面朝下的一侧上设置若干凹陷。最为优选的是，在枕木的三个纵向侧上都使用带齿表面。在铺设时面朝上的纵向侧不需要带齿表面。
在枕木上设置凹陷的目的是在枕木就位时，它能更好地与砾石层摩擦结合。每个凹陷的深度将被如此限制，以便不会影响枕木的结构特性，即抵抗压力负载的能力。
该带齿表面将使枕木抵抗在砾石层中的滑动，当对齐具有较硬和较光滑表面，例如由木材、塑料或混凝土制成的枕木时会发生这样的情况。
上述凹陷可以在枕木是热的时候并接受变形时形成。另外，压模而成的枕木可具有作为压模图案的一部分的整体成型的肋侧。还有一种方法是，通过机加工来产生上述凹陷；然而，与上述其它方法相比，这一过程将是费钱的。
通过示例，按本发明制成的枕木的机械特性如下密度 74.8lbs/ft3(1200kg/m3)热膨胀系数0.005％/F(0.003％/℃)折断模数 26,982psi(186,041kPa)弹性(弯曲)模数6,717,000psi(46,313,715kPa)弹性(压缩)模数174,144psi(1,200,723kPa)弹性极限 487,584psi(3,361,892kPa)硬度 924lbs/in(165kg/cm)插入道钉的压力4,200psi(28,959kPa)拉出道钉的压力3,360psi(23,167kPa)预期寿命 30-60年承载能力(每个枕木)521,000lbs/in(236,534kg)假定上述挤出将产生一种带有上述机械特性的枕木，其它的应用也可以用于这类挤压的橡胶产品。通过示例，当与钢、水泥或混凝土枕木结合使用时，可将按本文所述方法制成的枕木扩垫置于枕木和其用于减小列车行驶噪声和进行振动吸收的底座之间。
RCR或者在现场由已经得到的轮胎堆制成，或者由不在现场的供应源提供。如上所述，在Murray和Miler等人的US专利中已说明了将轮胎还原成橡胶屑的技术。所需的RCR尺寸应不大于30筛目(590微米)。由天然橡胶或硫化橡胶所制成的RCR是需要的，并被分别存储，如

图1中20和30所分别限定的那样。
筛目尺寸对于枕木的粘结特性是重要的。较小的筛目尺寸使得由于每个颗粒具有较大的表面面积而加热均匀并较强地粘结在一起。天然橡胶具有较低的熔点并比硫化橡胶更易粘结，而且正是该天然橡胶部分提供了用于研磨和挤压枕木所必需的粘结特性。然而，也可以在所有混合中具有尺寸大于30筛目(590微米)的一小部分。少量的较大尺寸的颗粒可以表现出可接受的预制特性。
参见图1，由天然橡胶和硫化橡胶制成的RCR在一个混合器50中混合在一起，其中天然橡胶和硫化橡胶的重量比约在10-35％和65-90％之间。混合器50可以是一个间歇式混合器，或者是一个连续流动混合器。优选的是，使用一个连续流动Banbury混合器。
如果需要的话，从聚合物容器40中向混合器50中加入适量的聚合物，以达到一种所需的粘结密实度。优选通过喷洒加入聚合物，并且加入橡胶混合物中的量不应超过总重的0.25％-0.50％。适当的聚合物添加剂可以包括氯丁橡胶、聚乙烯、尿烷和ABS。
将被加入的聚合物的量取决于定期测试。具体而言，将要被制成枕木的天然橡胶粉和硫化橡胶粉的代表性样品在240-370F(116-188℃)之间定期混合，并通过使用一个压模而形成为一个坯料。一旦被充分冷却，该坯料便经历抗压试验。作为一个示例，坯料在试验之前已被冷却到100F(57℃)的表面温度。如果该试验得到一个低于6,800psi(46,886kPa)的值，则向混合物中加入附加的天然橡胶。然而，如果天然屑状橡胶的比例接近35％，并且抗压试验低于6,800psi(46,886kPa)，则加入聚合物。聚合物的加入优选只作为最后一招，以得到所需的抗压强度；这主要是由于其高的成本。
由于该过程使用了再循环橡胶，故不可能在进料中得到精确的化学组分。换言之，将废弃轮胎处理成RCR的设备将粉碎由很多轮胎加工厂在数年中制成的数千个轮胎。确保用于挤出本文所述枕木的适当RCR混合物的实际方法是执行上述的定期抗压试验。
用于加工本发明的枕木的实际过程如下在于混合器50中混合之后，如果需要的话，包括聚合物的橡胶粉混合物经历一研磨过程60，在该过程中优选使用将橡胶混合物加热到240-370F(116-188℃)之间的滚磨机，并将该加热的混合物压成条，以形成用于将被简述的挤压步骤的进料。最为优选的是，将该温度保持在290-310F(143-154℃)之间。
在研磨过程60之后是挤压过程70。根据研磨过程60和挤压过程70之间的相对产量，研磨后的产物可以在挤压之间在存储器65中放置一小段时间。
在挤压过程70中，优选地将温度保持在上述用于研磨过程的相同的范围内。用于挤压的理想压力范围在250-750psi(1,724-5,171kPa)之间。优选使用螺杆类挤压机。
选择一种模具，其将提供具有用于枕木产品所需宽度和高度的压出物。作为由挤压过程挤出的产品70，它具有所需的高度和宽度，并被切割成枕木的所需长度。
不需要特殊的淬火，上述橡胶枕木通过环境温度就可以被冷却/固化80。在枕木冷却之后，它们就可以被存储和运输。如果上述橡胶枕木直接曝露于32F(0℃)或之下的环境条件中，可能会出现一个问题。即如果枕木被冷却得太快，其物理特性，特别是抗压强度可被损坏。因此，如果外界条件是特别冷的，就需要逐渐冷却，而且该冷却可以在保温间中进行。
一个推荐的方法是将挤压出的枕木放入一个固化室80或固化区中一段时间，例如在1-2小时之间。这将允许枕木以低速冷却，并且实际中特别是在外界为冷环境时，由该枕木所散发的热量将加热该室。当枕木达到低于150F(66℃)时，它们便可被移出以存储或运输。
可应用上述挤出过程在产品的纵向侧上制造凹陷或变形，从而生产一种具有若干凹陷，例如图4中所示的肋侧97的枕木90。另外，图3是一个具有角锥形凹陷95的枕木90的部分视图。这些凹陷表面可由机器切割而成。然而，这些凹陷也可以在枕木90变形时成型在其中。优选的是，作为挤压步骤的一部分，可以使用至少一个偏置辊(未示出)在枕木中形成若干凹陷，例如细齿或凹坑。这些凹陷可形成在三侧上；即当枕木安装时将成为底部的一侧以及两个相邻的纵向侧壁。
上述若干凹陷提供了在枕木安装时与砾石层的改进的摩擦接合，由此避免了其它枕木在定位和对齐时发生的在砾石层上滑动或滑行的固有缺点。摩擦接合对于顶侧不是必需的，而且可以在枕木中锤入适当的安装板。因此，不建议在顶侧设置凹陷。图2示出了枕木90的一个最终安装位置。
权利要求
1.一种由再循环橡胶制成的枕木，包括由一个挤压机制成的产品，其包含不大于30筛目(590微米)的再循环天然橡胶粉和再循环硫化橡胶粉的混合物，其中再循环天然橡胶和再循环硫化橡胶的重量比在10-35％和65-90％之间，并且从所述挤压机中挤出的所述产品具有240-370F(116-168℃)的温度。
2.按权利要求1所述的再循环橡胶枕木，其特征在于，所述枕木具有至少一个带有若干凹陷的纵向侧。
3.一种具有四个纵向侧的枕木，其改进处包括所述纵向侧中的至少一个纵向侧具有若干凹陷。
4.一种用于生产基本上由再循环橡胶制成的枕木的方法，包括如下步骤提供硫化再循环橡胶粉和天然再循环橡胶粉；混合重量为10-35％的所述天然再循环橡胶粉和65-90％的所述硫化再循环橡胶粉，以形成一种混合物；并向所述混合物中加入一种增加强度的聚合物，要加入的聚合物的量在所述混合物总重的0.0-0.5％之间；在240F和370F(116-188℃)之间研磨所述混合物，以形成一种中间产品；在240F和370F(116-188℃)之间挤压所述中间产品，以形成一种具有特定宽度和厚度的挤出物；和之后按一定间隔切割所述挤压物，以产生一具有所需长度的枕木。
5.按权利要求4所述的生产枕木的方法，其特征在于，所述增加强度的聚合物是从一组包括氯丁橡胶、聚乙烯、尿烷和ABS的物质中选出的。
6.按权利要求4所述的生产枕木的方法，另外还包括一个在所述挤压物的至少一侧中形成若干凹陷的方法。
7.一种由再循环橡胶制成的枕木，包括由再循环天然橡胶粉和再循环硫化橡胶粉的混合物制成的挤压产品，其中再循环天然橡胶和再循环硫化橡胶的重量比在10-35％和65-90％之间，
8.按权利要求7所述的再循环橡胶枕木，其特征在于，所述枕木具有至少一个带有若干凹陷的纵向侧。
全文摘要
本发明公开了一种用再循环橡胶制造轨道枕木(90)的方法。橡胶枕木(90)被希望具有30－60年的寿命并主要由从废弃橡胶堆中得到的橡胶粉制成。本发明的特征是生产一种具有至少一个包括若干凸陷的纵向侧的枕木(90)，所述凹陷用于更有效地结合安装入砾石层以避免滑动。
文档编号B29B17/00GK1478167SQ01812395
公开日2004年2月25日 申请日期2001年5月11日 优先权日2000年5月15日
发明者S·M·汉森, S M 汉森 申请人:汉森橡胶产品公司