CN108929448A - 用再生废玻璃纤维和再生聚合物化合物生产的结构增强塑料复合材料产品及其制备方法 - Google Patents

用再生废玻璃纤维和再生聚合物化合物生产的结构增强塑料复合材料产品及其制备方法 Download PDF

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CN108929448A
CN108929448A CN201810027285.6A CN201810027285A CN108929448A CN 108929448 A CN108929448 A CN 108929448A CN 201810027285 A CN201810027285 A CN 201810027285A CN 108929448 A CN108929448 A CN 108929448A
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glass fibre
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Nicholas Ltd
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  • Separation, Recovery Or Treatment Of Waste Materials Containing Plastics (AREA)
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  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

在本公开中公开了再生玻璃纤维增强聚合物复合材料制品及其方法。增强复合材料制品由从下列组成：从废物流中收集并用作填充物的再生玻璃纤维，再生玻璃纤维占增强复合材料制品总重量的30‑70％；占增强复合材料制品总重量的1‑2％的着色剂；以及通过黑色着色剂和化学粘合剂使再生玻璃纤维基本上浸润的再生树脂。

Description

用再生废玻璃纤维和再生聚合物化合物生产的结构增强塑料 复合材料产品及其制备方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月25日提交的题为“用于生产结构增强塑料复合材料产品的再生废玻璃纤维和再生聚合物化合物”的临时申请号62/510,804的临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种复合材料制品，并且更具体地涉及再生玻璃纤维增强聚合物复合材料制品及其制造方法。尽管本公开适用于广泛的应用，但其特别适用于通过用再生废玻璃纤维和再生聚合物化合物生产的结构增强的塑料复合材料产品及其制造方法来显著改善机械性能和解决环境废物问题。
背景技术
玻璃纤维制造商由于需要填埋数十亿磅其浪费的玻璃纤维而面临成本、环境和可持续性问题。不同种类的消费后塑料会在不同时间降解，但塑料瓶完全降解的平均时间为至少450年。一些塑料瓶甚至会需要1000年来降解。
全球每年都有数十亿镑的未再生玻璃纤维和消费后塑料堆积在垃圾填埋场中。
作为制造过程的一部分，所有玻璃纤维公司在其制造过程中都有浪费。这些的量会因公司不同而不同，但单个地点每年可高达5400万镑。在制造过程中北美有超过一百家玻璃厂。很少或根本没有办法将这些废物流从垃圾填埋场转移出去。
在北美的铁路工业中，每年用经杂酚油处理过的硬木木材代替2500万条铁路枕轨，该硬木木材在轨道上使用短至10年，不能经济地处理，并且正在减少北美的硬木库存。处理2500万条铁路枕轨的环境影响是铁路公司和公众都关心的问题，美国环保署以具体的废物管理条例来管理含杂酚油处理的铁路枕轨。铁路公司具有成本和可靠性问题，以及环境和品牌问题。
因此，I级铁路公司正在寻求木枕轨的替代品，其将在轨道上持续较长时间，消除处置时的环境问题，并且在其使用期限内比木材成本更低。可用的聚合物复合材料枕轨的价格和性能无法与木枕轨竞争。在诸如佛罗里达和路易斯安那州的某些南部地区，木枕轨的预期寿命在10年或更短。相比之下，复合材料枕轨可以有超过50年的预期寿命。由于I级铁路必定会涉及有限的年度预算，所以理想的聚合物复合材料枕轨将具有较低的材料成本以支持较低的初始购买价格。
欧洲禁止使用杂酚油，而替代品则难以使用如桃花心木的实在的(concrete)外来硬木。因此，制造商一直在寻求用聚合物复合材料产品替代这种硬木材。
发明内容
因此，本公开涉及用再生废玻璃纤维和再生聚合物化合物生产的结构增强的塑料复合材料产品及其制造方法，其基本上消除了由于现有技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题。
本公开的附加特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分将从描述中变得显而易见，或者可以通过本发明的实施而了解。本公开的其他优点将通过在所撰写的说明书、其权利要求书以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
为了实现这些和其它优点，并且根据本公开的目的，如实施和广泛描述的，增强复合材料制品包含来自充当填充物的玻璃废物流的再生玻璃纤维，并且再生玻璃纤维是增强复合材料制品总重量的30-70％；增强复合材料制品总重量的1-2％的着色剂；以及通过黑色着色剂和化学粘合剂使再生玻璃纤维基本上浸润的再生树脂。
在本公开中，再生树脂包括高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)或工程级树脂中的至少一种。工程级树脂选自丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)树脂、聚醚砜(PES)树脂、氯化聚醚树脂、丙烯酸树脂、氟碳树脂、尼龙(聚酰胺)树脂、聚苯乙烯树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂和乙烯基树脂。着色剂包括至多40重量％的炭黑。化学粘合剂包括[3-(2-氨基乙基氨基)丙基]三甲氧基硅烷。
再生玻璃纤维具有5-15mm的长度。再生玻璃纤维包括碎玻璃、短切剥离毡(chopped stripped mat)、短切原丝、表面纱、微纤维和短切原丝毡中的至少一种。碎玻璃的平均直径为20-30μm。短切原丝毡的平均直径为10-20μm。
再生玻璃纤维增强聚合物复合材料制品具有至少250000psi的弹性模量(MOE)和至少3000psi的断裂模量(MOR)。
再生玻璃纤维增强聚合物复合材料制品的由空隙占据的截面积为不大于制品总面积的3％。
在本公开的另一方面，公开了一种制造增强复合材料制品的方法，包括：从废物流接收再生玻璃纤维和再生树脂；粉碎再生玻璃纤维和再生树脂；将化学粘合剂施加到粉碎的再生玻璃纤维上并干燥所施加的化学粘合剂；洗涤粉碎的再生树脂并干燥所洗涤的粉碎的再生树脂；用干燥剂干燥经干燥粉碎的再生树脂；重力混合再生玻璃纤维和再生树脂；对混合的再生玻璃纤维和再生树脂施加第二化学粘合剂；挤出具有所施加的第二化学粘合剂的混合的再生玻璃纤维和再生树脂；以及在压力下模塑填充所挤出的玻璃纤维和再生树脂以使增强复合材料制品成形。
对混合的再生玻璃纤维和再生树脂施加第二化学粘合剂包括施加着色剂和发泡剂。着色剂包括占着色剂总重量的40％的炭黑，并且着色剂等于或小于增强复合材料制品总重量的2％。
玻璃纤维以5-15％的含水率被所施加的化学粘合剂涂覆。
质量控制试验在洗涤粉碎的再生树脂并干燥经洗涤的粉碎的再生树脂之后进行。
在挤出过程中，混合的再生玻璃纤维和再生树脂在连续真空条件下在450-500°F的温度下进行。
在将挤出的玻璃纤维和再生树脂在65°F的温度下模塑填充至少60分钟之后，使模塑的玻璃纤维和再生树脂处于冷却过程中。
通过使用X射线或超声波的非破坏性测试来检查成形的增强复合材料制品，并且在延迟的冷却循环下进行模制填充挤出的玻璃纤维和再生树脂。该增强复合材料制品在4000-5500cc/h的流速下制造。
应当理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性的和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本公开的进一步解释。
附图说明
被包括在内用于提供对本公开的进一步理解并且被并入并构成本申请的一部分的附图，示出了本公开的各方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
在附图中：
图1示出了本公开中的再生玻璃纤维增强的聚合物复合材料制品的预挤出过程；
图2示出了在本公开中形成再生玻璃纤维增强的聚合物复合材料制品的另外的预挤出过程和挤出过程；
图3示出了用于在本公开中形成再生玻璃纤维增强聚合物复合材料铁路枕轨的示例性过程；
图4是本发明中用于干燥剂干燥再生塑料的染色机***的示意性剖视图；图5A和5B是本公开中的挤出***的立体图；
图6是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-1)中具有30％废玻璃纤维的复合铁路枕轨的低倍光学显微镜(OM)图像；
图7是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-1)中具有30％废玻璃纤维的复合铁路枕轨的中倍光学显微镜(OM)图像；
图8是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-1)中具有30％废玻璃纤维的复合铁路枕轨的高倍光学显微镜(OM)图像；
图9是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-1)中具有30％废玻璃纤维的复合铁路枕轨的低倍扫描电子显微镜(SEM)图像，并示出玻璃颗粒是亮的；
图10是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-1)中具有30％废玻璃纤维的复合铁路枕轨的中倍扫描电子显微镜(SEM)图像，并示出玻璃颗粒是亮的；
图11是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-1)中具有30％废玻璃纤维的复合铁路枕轨的高倍扫描电子显微镜(SEM)图像，并示出玻璃颗粒是亮的；
图12是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-1)中具有30％废玻璃纤维的复合铁路枕轨的高倍扫描电子显微镜(SEM)图像，并示出玻璃颗粒是亮的；
图13是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-2)中具有30％废玻璃纤维的弯曲边缘的复合铁路枕轨的低倍光学显微镜(OM)图像；
图14是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-2)中具有30％废玻璃纤维的弯曲边缘的复合铁路枕轨的中倍光学显微镜(OM)图像；
图15是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-2)中具有30％废玻璃纤维的弯曲边缘的复合铁路枕轨的高倍光学显微镜(OM)图像；
图16是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-2)中具有30％废玻璃纤维的弯曲边缘的复合铁路枕轨的低倍扫描电子显微镜(SEM)图像；
图17是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-2)中具有30％废玻璃纤维的弯曲边缘的复合铁路枕轨的中倍扫描电子显微镜(SEM)图像；
图18是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-2)中具有30％废玻璃纤维的弯曲边缘的复合铁路枕轨的高倍扫描电子显微镜(SEM)图像；以及
图19是本发明的在聚乙烯/聚丙烯基体(RT-2)中具有30％废玻璃纤维的弯曲边缘的复合铁路枕轨的高倍扫描电子显微镜(SEM)图像。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各方面，其示例在附图中示出。然而，本公开不限于以下公开的方面，并且可以以各种形式来实现。提供这些方面使得本公开得以详尽且完整地被描述，并且将本公开的范围充分地传达给本公开所属领域的技术人员。
用于描述本公开的各方面的附图中示出的形状、尺寸、比例、角度、数量等仅仅是示例性的，并且本公开不限于此。相同的附图标记始终表示相同的要素。在下面的描述中，当确定与本文件相关的公知功能或配置的详细描述而不必要地混淆本公开的主旨时，将省略其详细描述。
在本公开中，当使用术语“包括”、“具有”、“由……组成”等时，除非使用“仅～”，否则可以添加其他部件。只要在上下文中不具有明显不同的含义，单数表达可以包括复数表达。
在组件的解释中，即使没有单独的描述，也将其解释为包括误差范围。
在位置关系的描述中，当结构被描述为位于在另一个结构“之上”、“之下”、“与其相邻”时，该描述应当被解释为包括这样的情况：结构彼此接触的情况以及其间设置有第三结构的情况。
术语“第一”、“第二”等可以用于描述各种组件，但是组件不受这些术语的限制。这些术语仅用于使一个组件与其他组件区分开的目的。例如，第一部件可以被指定为第二部件，而不偏离本公开的范围。
本说明书中使用的术语用于描述发明构思的示例方面，而不是限制发明构思。除非另外定义，否则单数形式可以包括复数形式。术语“包括”和/或“包含”指定所提到的组件、步骤、操作和/或要素的存在，并且不排除一个或多个组件、步骤、操作和/或其要素的存在或添加。
以下将参照附图详细描述本公开的各个方面。在以下方面中，玻璃、纤维玻璃、玻璃纤维在本公开中可互换使用。类似地，尽管热塑性塑料是在加热时会软化并随后在施加应力时能够流动的某些聚合物，但是塑料、聚合物、树脂、烯烃和热塑性塑料的术语在本公开中用作相同的含义。
在本公开中，可以由废弃的再生玻璃纤维和再生热塑性塑料来制造增强聚合物复合材料制品，如复合铁路枕轨、复合板、复合胶合板、复合芯和许多其他产品。
复合铁路枕轨可以由再生玻璃纤维和塑料形成以代替常规的硬木木材枕轨。可以相信，增强复合材料铁路枕轨相对那些持续二十年的硬木木材枕轨而言可以持续五十年。
通过添加玻璃纤维，热塑性聚合物的机械性能大幅提高。本公开中用于生产增强热塑性复合材料的制造工艺类似于用于生产热塑性聚合物的那些工艺诸如挤出。然而，本公开的再生玻璃纤维增强聚合物复合材料制品和制造工艺提供了显著改进的机械性能并且解决了环境和昂贵的废料问题。
通常，玻璃纤维是聚合物复合材料制品的结构部件。玻璃纤维越长，聚合物能够越有效地保持住并将应力传递给玻璃纤维。在长度约为5-15mm的情况下，已经完全达到玻璃纤维的强度，而更长的长度可能不会提供机械性能的显著改善，同时使材料更难加工。
在本公开中，通过使用具有特定制造工艺的化学粘合剂，将经处理的再生玻璃纤维与经加工的再生塑料混合以形成聚合物复合材料制品，使得玻璃纤维能够在分子水平上与热塑性塑料结合。换言之，玻璃纤维和热塑性树脂在制造过程中被浸湿。各项测试结果显示，这些铁路枕轨超过了严格的行业标准。成功的浸湿完全覆盖了没有松散纤维或其他碎片的单根玻璃纤维丝。
本公开中的聚合物复合材料制品由来自玻璃纤维生产商的不合需要的废物形成，玻璃纤维生产商利用诸如粗纱、废粗纱、废短切原丝毡、加工生产线废料和炉底碎玻璃的废料流并粉碎或切碎这样的产品，与再生未分选和分选的聚合物混合，以制成复合玻璃增强树脂，从而生产结构产品诸如复合铁路轨枕、复合板、复合胶合板、复合芯和许多其他产品。
聚合物复合材料制品是来自玻璃纤维植物的不合需要的玻璃废料的组合，其与分选和未分选的聚合物诸如聚乙烯、聚丙烯和各种工程级树脂混合，以生产用于生产玻璃增强产品和可用作高分子复合中滑石和碳酸钙的替代填充物的复合材料的复合材料。
这种复合材料消除玻璃纤维制造商的垃圾填埋成本。废玻璃纤维与低成本废塑料以特定百分比的组合以低成本生产出强聚合物复合材料。这种聚合物复合材料可用于以非常低的成本制造高强度的塑料产品。换言之，废玻璃纤维产品与切碎的玻璃纤维以及来自混合塑料的低成本再生塑料的组合以非常低的价格产生强聚合物复合材料。
该复合材料消除废料生产者的废物花销，并为制造商提供了低成本的解决方案。其可以生产出强聚合物产品。与其他现有增强塑料复合材料相比，其优势是成本低。与诸如木材和纸板等非复合材料相比，其优势在于强度和耐久性-即寿命产品长。
此外，这些再生玻璃纤维和消费后塑料可以转化为一类新的工业材料，以制造可以在质量、数量和可购性方面满足各行业期望而生产的各种复合材料制品。
图1至图3是示出制造再生玻璃纤维增强聚合物复合材料制品的整个过程的示意性流程图。更具体而言，图1示出再生玻璃纤维聚合物复合材料制品的预挤出过程。图2示出形成增强复合材料制品的另外的预挤出工艺和挤出工艺。图3示出了用于形成复合铁路枕轨的示例性过程。
参照图1，运送至再生设施的来自收集器的再生塑料(或树脂)废料典型地是用金属线捆绑带捆绑在一起的捆包的形式。为了待处理的塑料废料，将金属线破碎，然后松开塑料材料以便分离(即，塑料捆包破坏过程)。再生塑料可以包括高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)和其他工程级树脂。其他工程级树脂可以提及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)树脂、聚醚砜(PES)树脂、氯化聚醚树脂、丙烯酸树脂、氟碳树脂、尼龙(聚酰胺)树脂、聚苯乙烯树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂和乙烯基树脂。其中，高密度聚乙烯(HDPE)和聚丙烯(PP)可能是再生塑料废料中含量最多的塑料。
高密度聚乙烯(HDPE)是世界上最常用的塑料之一。标签为#2塑料，通常用于塑料袋和可再充装的塑料瓶，如酸奶和人造奶油管、果汁罐、牛奶罐、谷物盒衬垫、食品罐、洗涤剂瓶、水壶和家用清洁剂瓶。除了塑料木材和塑料家具外，再生HDPE还可用于制造草坪和园艺产品、桶、板条箱、办公用品和汽车零部件。
HDPE塑料具有使其理想地成为包装和制造产品的几种特性。其比标准聚乙烯更强，是防潮的有效屏障，并且在室温下保持固体。其抗昆虫、抗腐烂和抗其他化学品。HDPE在其生产过程中或消费者使用过程中不产生有害的排放物。
另一方面，聚丙烯(PP)被认为是最通用的塑料之一。聚丙烯可以在几乎所有使用塑料的市场中找到。例如，它已被用于厨房用具、运动服、服装装饰毯和汽车电池。目前，早在几十年前发现，聚丙烯的产量仅被聚乙烯超过。聚丙烯具有相对光滑的低能量表面，这意味着许多普通的胶水不会形成充分的接合。
像许多其他热塑性塑料一样，再生聚丙烯(PP)可被熔化并重新形成塑料粒料，然后用于制造新产品。实际上，聚丙烯瓶和容器在全国大部分便利再生项目中进行收集再生。
塑料处理过程
再参照图1，一旦塑料材料分选出来，这些废物流会产生80％以上的HDPE和PP。在使再生塑料松散之后，将这些塑料送入用于将块状塑料材料研磨成直径约为3/8”至1/2”的微小颗粒的造粒机中(即粒化过程)。
在大多数情况下，通过淘洗***或使用鼓风机的抽吸***将标签和纸从颗粒中除去或分离，以从较重的塑料上吸取较轻的纸和细粒(即淘洗过程)。
当从收集器接收塑料废料时，再生塑料废料中可以包含许多不同的塑料。塑料废料可以通过利用塑料材料之间的密度差异的分离过程与其他塑料废料分离。例如，塑料废料包括烯烃基塑料。烯烃类可以包括聚丙烯(PP)和高密度聚乙烯(HDPE)。当水的密度为1.0时，聚丙烯(PP)和高密度聚乙烯(HDPE)的密度分别为0.940和0.960。由于聚丙烯和聚乙烯的密度小于水(1.0)，所以这些塑料会漂浮在水中。所有其他密度大于1.0的塑料都会沉入水中。通过清洗水箱中的塑料废料，可以将烯烃基塑料如聚丙烯和聚乙烯与非烯烃塑料分离。另外，可以从PP和PE中去除污物和其他污染物(即，塑料洗涤和干燥过程)。
通常，工程塑料对水分具有强烈的亲和力。这是因为当工程塑料暴露于水分中时，水分子与深入树脂材料内部的聚合物分子形成次级结合。如果这些分子键未被破坏，并且在熔融加工之前水分未从树脂中提取出来，则会在模塑或挤出的部件中引起条纹、气泡、烧伤(burning)、脆性和其他严重缺陷。因此，必须将这些树脂完全干燥，以使水分/聚合物键断裂，从树脂表面除去水分，并使树脂准备用于加工。在本公开中，如图2所示，使用干燥剂干燥方法来干燥洗涤和分选的树脂。
还有许多其他方式来干燥塑料，诸如流化床干燥机、旋转干燥机和气流。但是，对于干燥过程，只要干燥的塑料的外部水分低于0.05％，则这种方法是可以接受的。
玻璃处理工艺
用于增强热塑性聚合物的从废物流中收集的典型玻璃纤维包括短切纤维、短切原丝、短切原丝毡和碎玻璃、短切剥离毡、短切原丝、表面纱、微纤维、斯巴盖提(spaghetti)玻璃、短切原丝毡和无纺粗纱等。例如，碎玻璃可以具有20-30μm的平均直径，并且短切原丝毡可以具有10-20μm的平均直径。
玻璃纤维以重量为40000磅的30码滚卷收集。玻璃在加工厂卸下，并由物料装卸吊车装载到进料输送机。随后，玻璃被送入振动输送机。
此后，将各种形式的玻璃纤维装载到双轴粉碎机中以进行初步尺寸减小。一旦玻璃纤维尺寸减小，就将其送入锤式粉碎机或粉碎以进行最终尺寸减小。玻璃的尺寸取决于锤式粉碎机底部的筛网尺寸。如果所需的玻璃尺寸是长约5-15mm，那么筛网上的孔尺寸为5-15mm。一旦玻璃尺寸减小到5-15mm或更小，玻璃就会从筛孔中落下，并通过鼓风机将玻璃从机器抽到下一操作或通过螺旋钻排出(即玻璃切碎/粉碎工艺)。
主粘合剂可以施加到碎玻璃上，并且将施加粘合剂的玻璃装载到干燥器中。例如，主粘合剂可以包括液体粘合剂，诸如硅烷基粘合剂(例如[3-(2-氨基乙基氨基)丙基]三甲氧基硅烷)。在这个过程中，硅烷基粘合剂可以以1:5至1:9的比例用水稀释。之后，将稀释的主粘合剂与涂覆有化学粘合剂的玻璃纤维以5-15％的含水率混合，使得玻璃纤维的量相对于粘合剂的量在85-95％的范围内。由于液体粘合剂与水混合，所以必须在施加粘合剂后将其干燥。将涂有液体粘合剂的玻璃纤维干燥，并通过连续造粒设备形成为粒料。在本公开中，玻璃纤维的粒料尺寸可以在4mm和20mm之间的范围内。具有主粘合剂的粒状玻璃纤维可以在挤出过程中协助用再生树脂浸润玻璃纤维，从而可以制造高密度的复合材料制品，而没有任何显著的机械缺陷，例如空隙和内部裂缝。干燥玻璃可以用流化床干燥器进行。与塑料类似，玻璃纤维的外部水分不得高于0.05％。
预挤出过程
尽管塑料在洗涤之后干燥，但废塑料具有相当量的也漂浮在水中的乙烯乙烯醇(EVOH)、聚氯乙烯(PVC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。另外，EVOH具有吸湿的能力。由于内部水分不能通过外部水分干燥方法干燥，因此必须在挤出之前用干燥剂干燥，以确保没有水分被引入挤出过程(即干燥剂干燥过程)。
这是一个重要的过程，因为复合铁路枕轨领域中最关键的质量因素之一是空隙的存在。空隙是由挤出过程中的水分气化而引起的枕轨内部的大气泡。如果不能消除的话，这可能会产生脆的枕轨和低峰值抽拔力。由于空隙占据了复合材料应该存在的空间，因此也可能导致重量变化较大。为了消除空隙并产生重量变化很小的复合枕轨，其中一个需要的工艺是干燥剂干燥。无论使用什么再生***，绝大多数树脂都会因为材料中的痕量PVC、PET和EVOH而保留内部水分。这三种材料都含有内部水分，所以空气干燥可能不能完全消除这个问题。因此，再生的废塑料必须在挤出过程之前进行干燥剂干燥。
图4为本公开中用于干燥剂干燥再生塑料的再生干燥剂型染色机***的横截面示意图。在本公开中，通过将多孔干燥剂收集在其无数孔隙中来吸收水分，从而允许大量的水分被相对少量的干燥剂保留。干燥剂类型可以包括硅胶、活性氧化铝和分子筛。在一些情况下，多于一种的干燥剂类型可以用于特殊的干燥应用。在大多数的这些情况下，在入口处使用较大的粒度(1/4”或更大)作为缓冲区，而使用较小粒度的干燥剂(1/8”至1/4”)进行最终干燥。当需要非常低的露点时，可以加入分子筛干燥剂作为最终的干燥剂。
干燥剂干燥器都具有内置再生循环，其可以基于时间、露点、床层湿负荷或这些的组合。在再生期间，当干燥剂床被加热时，使用热交换器从热湿排气中再生能量并预热进入的空气。然后在冷却阶段使用闭环冷却，以便仅使用干燥空气。
为了有效地从再生塑料中去除水分，需要在干燥器***中产生塑料与其周围的空气之间更大的水分浓度差。在干燥剂干燥器中，这是通过使空气通过分子筛干燥剂来实现的，干燥剂实际上从空气中除去水分，从而将其露点降低到-40°F(-40℃)。
接下来，将空气加热至150-375°F(65-190℃)的干燥温度，进一步降低空气的水分饱和度。然后将该干燥的热空气吹入干燥料斗的底部，在那里提高塑料温度，激发水分和聚合物分子，破坏它们之间的结合。由于聚合物与空气之间的水分浓度梯度，水分从热的切碎的塑料中扩散。然后干燥空气离开料斗，带走从聚合物中抽出的水分。这些潮湿的空气被引导回干燥剂，在此处于再次加热之前再次放掉水分，并再次通过干燥料斗。
最后，干燥剂本身将被水分饱和，必须通过称为再生的过程去除水分。高温空气吹过干燥剂，吸出水分并将其从干燥器中排出。
再参照图2，通过计算制造产品所需的每种材料的体积密度，可以对重力混合器进行编程，以在挤出产品之前拉出必需量的每个材料存储位置并将它们混合在一起。在这种情况下，将玻璃、塑料、包含约40重量％的炭黑的着色剂(第二粘合剂)和发泡剂(第二粘合剂)拉出并将它们混合在一起。着色剂含量可以是产品总重量的1-2％，并且着色剂和发泡剂在制造过程中也起到用再生树脂浸润玻璃纤维的作用。如图2所示，再生的玻璃和塑料可以以30-40％的玻璃纤维和60-70％的再生塑料的比例混合来制造本公开中的复合材料制品(即，重力混合/真空加载过程)。
挤出过程
加工塑料最重要的方法之一是挤出。图5A和5B是本公开中的挤出***的立体图。通常以颗粒或粉末形式存在的热塑性材料被放置在材料料斗中并被送入位于加热桶内的旋转螺杆(进料部分)中。螺杆通道的深度沿着机筒减小，从而材料被压实，并且在挤压机的末端(即机筒端部)，熔体通过模具以生产成品。通过在挤出技术中使用合适的模具，可以生产大范围的产品。
在挤出过程中，产品的体积密度是如此大空隙的始终是重要的关注点。空隙是在挤出过程中由液体的气化或气体引起的，而这种气体没有出口。尽管在挤出之前采取了重要的步骤，但是仍在挤出筒上使用连续真空的附加步骤。
连续真空对挤出机机筒提供恒定吸力，以除去***中的任何气体或蒸汽，从而基本上消除了复合材料产品中的空隙。如图2所示，该方法可以在连续真空条件下在450-500°F的温度下进行(即连续真空处理)。
代替使用定时填充方法来制造产品，背压传感器测量模具的压力。一旦压力达到一定的psi，填充被关闭，下一个模具开始填充。这提供了更恒定的填充流以及产品的更一致的重量(即，背压传感器模塑填充控制过程)，如图2所示。每个模具用水封套以冷却。然而，为了避免在模塑填充期间熔化的塑料凝固，水流被限制在模塑后填充。这提供了恒定的材料流，从而允许产品的一个固体部分同时全部冷却(即，延迟冷却模塑过程)，如图2所示。在本公开中，整个过程在4000-5500cc/h的流量下进行。
复合铁路枕轨成型过程
为铁路枕轨制造的复合材料产品具有体积密度。因此，通常需要将复合材料产品冷却24小时以使产品冷却并完成收缩。在本公开中，由于玻璃纤维的热膨胀可以得到改善，所以在65°F(即冷却机架)的温度下，冷却时间可以减少到一个小时或几个小时，如图3所示。
每个铁路枕轨都需要在复合枕轨的底侧和侧面(三侧)具有凹坑图案。凹坑用来帮助保持压载的枕轨，防止在铁路上移位和移动。凹坑可以以两种方式施加。一种是将凹坑板***模具中并将凹坑模制成产品的模制方法，如图3所示。另一种方法使用液压缸***，并且通过压力将凹痕施加到产品中(即，造窝过程)。
尽管复合铁路枕轨是使用现有技术的水分消除技术制造的，但是产品通过诸如X射线和超声波装置的非破坏性检查机运行，以证实最终复合材料产品中不存在空隙。具有比高尔夫球尺寸更大的空隙可构成不合格的枕轨。这是因为具有任何尺寸空隙的轨座区域中的枕轨可能构成缺陷。不合格的枕轨被送回到研磨过程以便再生回到枕轨供料流中(即非破坏性检查过程)，如图3所示。按照一定的顺序，客户可以选择在运输之前预先钻孔并镀覆的枕轨。预钻和预镀过程使用具有程序化信息的自动钻孔机，程序化信息诸如枕轨尺寸、枕轨的特定孔位置，所使用的枕轨垫板以及钉的类型。机器通过红外扫描钻孔，并且垫板和钉通过液压枪连接。一旦枕轨被镀覆，其会被送到捆绑区域。此后，枕轨以15根的量包装，例如捆扎在一起并储存用于运输(即，预钻/捆扎过程)，如图3所示。
图6至19是在聚乙烯/聚丙烯基质(RT-1)中具有30％废玻璃纤维的复合铁路枕轨和在聚乙烯/聚丙烯基质(RT-2)中具有30％废玻璃纤维的具有弯曲边缘的复合铁路枕轨的光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)的照片，用于评估有助于本公开中的复合铁路轨枕的机械性能的玻璃纤维颗粒的浸润。RT-1和RT-2样品的尺寸为7×9×102(英寸3)，这与美国铁路工程和道路维护协会(AREMA)标准(7×9×102(或108)(英寸3)相同。
玻璃纤维增强复合材料的机械行为基本上取决于纤维强度和模量、化学稳定性、基体强度和纤维/基体之间的界面粘合以实现应力转移。此外，复合材料的性质取决于复合材料制备过程中在基体中铺设或层压的纤维。
换言之，具有高强度高模量纤维的低模量基体的增强利用了在应力下基体的塑性流动以将负载转移到纤维；这导致高强度高模量复合材料。这种组合的目的是生产一种两相材料，其中确定刚度且呈高纵横比的颗粒形式的主相通过弱的第二相良好地分散和结合。
纤维增强复合材料中纤维的理想功能要求是为了有效利用增强，纤维应该具有高弹性模量。要求基质满足将纤维粘合在一起的条件，并且在处理、制造和复合材料的使用寿命期间保护它们的表面免受损伤。而且，基体应该能够分散和分离它们，以避免裂纹的毁坏性传播和随之而来的复合材料的破坏。此外，当复合材料处于负载下时，到纤维的任何应力都应该通过粘合和/或摩擦而有效地传递。
RT-1和RT-2的样品部分用5微米SiC纸研磨以暴露内部结构。然后用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)对其拍照。
OM和SEM图像的集合示于图6至19中，并且玻璃颗粒在亮图中显示。每幅图像中玻璃纤维颗粒的浸润性非常好。这是因为玻璃纤维得以在分子水平上与热塑性塑料结合。换言之，玻璃纤维和热塑性树脂在制造过程中被浸湿。成功的浸湿完全覆盖了没有松散纤维或其他碎片的单根玻璃纤维丝。而且，被测样品枕轨的总体空隙率非常低。一般来说，空隙估计在1至3个面积％的范围内。
此外，在AREMA标准下，对一些样品复合铁路枕木进行了测试，以检查这些枕木是否满足弹性模量(MOE)和断裂模量(MOE)。这些参数测量复合材料枕轨连接的弹性和刚度。
更具体地，弹性模量(MOE)是测量物体或物质在向其施加应力时对弹性(即非永久性)形变的阻力的数值。物体的MOE定义为弹性形变区域的应力-应变曲线的斜率。更硬的材料将具有更高的弹性模量。
断裂模量(MOR)是断裂之前试样强度的量度。它可以被用来确定一种物件的整体强度，不同于MOE，其测量物体的挠度，而不是其最终强度。也就是说，一些物件会在应力下弯曲，但不容易破裂。MOR和MOE可以以磅/平方英寸(PSI)表示。
执行诸如轨座压缩、钉/螺钉拔出、热膨胀系数和电阻抗的其他测试。示出了本公开的所有复合材料枕轨上的所有测试结果均满足或超过聚合物复合材料枕轨的所有AREMA建议的机械和电性能，并且结果概括于表1中。
表1
另外，如表1所示，本发明的复合铁路轨枕具有超过比较例的机械和电性质。
通过几种试验方法，诸如ASTM D2584-08(固化增强树脂的燃烧损失的标准试验方法)、ASTM E1508-12a(用能量分散谱定量分析的标准指南)和ASTM D6370-99(用热重分析法(TGA)对橡胶组成分析的标准试验方法)分析复合材料枕轨中的玻璃纤维丝尺寸。
试验结果显示，玻璃纤维含量在约30％至50％的范围内，并且玻璃纤维含量可以高达70％，而没有显著劣化机械和电性质。例如，在本公开中，丝直径分成对应于两个主要玻璃纤维源流的两个类别。当使用处理中的废碎玻璃时，平均直径在20-30μm之间。废碎玻璃的丝直径通常在130-200μm的范围内。当使用短切原丝毡或粗纱时，平均直径为约10-20μm。由玻璃纤维生产商制造的原丝或粗纱的丝直径通常在10-20μm的范围内。
如上所述，在本发明中，可以由废弃的再生玻璃纤维和再生热塑性塑料来制造增强聚合物复合材料制品，诸如复合铁路枕轨、复合板、复合胶合板、复合芯和许多其他产品。复合铁路枕轨可以由再生玻璃纤维和塑料形成以代替常规的硬木木材枕轨，并且在本公开中具有大幅改善的机械电性能。
在本公开中，通过使用具有特定制造工艺的化学粘合剂，将经过处理的再生玻璃纤维与经过处理的再生塑料混合以形成聚合物复合材料制品，从而允许玻璃纤维在分子水平上与热塑性塑料结合。换言之，玻璃纤维和热塑性树脂在制造过程中浸湿。各项试验结果显示，这些铁路枕轨超过了严格的行业标准。成功的浸湿完全覆盖了没有松散纤维或其他碎片的单根玻璃纤维丝。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以在增强复合材料制品及其制造方法中进行各种修改和变化。因此，本公开旨在覆盖本公开的修改和变化，只要其落入所附权利要求及其等同方案的范围内。

Claims (23)

1.一种增强复合材料制品，包含：
从废物流中收集并用作填充物的再生玻璃纤维，所述再生玻璃纤维占所述增强复合材料制品总重量的30-70％；
占所述增强复合材料制品总重量的1-2％的着色剂；和
从废物流中收集并通过黑色着色剂和化学粘合剂使所述再生玻璃纤维基本上浸润的再生树脂。
2.根据权利要求1所述的增强复合材料制品，其中所述再生树脂包含高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)或工程级树脂中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的增强复合材料制品，其中所述工程级树脂选自丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)树脂、聚醚砜(PES)树脂、氯化聚醚树脂、丙烯酸树脂、氟碳树脂、尼龙(聚酰胺)树脂、聚苯乙烯树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂和乙烯基树脂。
4.根据权利要求1所述的增强复合材料制品，其中所述着色剂包括40重量％的炭黑。
5.根据权利要求1所述的增强复合材料制品，其中所述化学粘合剂包括[3-(2-氨基乙基氨基)丙基]三甲氧基硅烷。
6.根据权利要求1所述的增强复合材料制品，其中所述再生玻璃纤维具有5-15mm的长度。
7.根据权利要求1所述的增强复合材料制品，其中所述再生玻璃纤维包括碎玻璃、短切剥离毡、短切原丝、表面纱、微纤维和短切原丝毡中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的增强复合材料制品，其中所述碎玻璃具有20-30μm的平均直径。
9.根据权利要求7所述的增强复合材料制品，其中所述短切原丝毡具有10-20μm的平均直径。
10.根据权利要求1所述的增强复合材料制品，其中所述制品具有至少250000psi的弹性模量(MOE)。
11.根据权利要求1所述的增强复合材料制品，其中所述制品具有至少3000psi的断裂模量(MOR)。
12.根据权利要求1所述的增强复合材料制品，其中所述制品具有所述制品总面积的不大于3％的空隙占据的面积。
13.一种制造增强复合材料制品的方法，包括：
从废物流接收再生玻璃纤维和再生树脂；
粉碎再生玻璃纤维和再生树脂；
将化学粘合剂施加到粉碎的再生玻璃纤维上并干燥所施加的化学粘合剂；
洗涤粉碎的再生树脂并干燥经洗涤的粉碎的再生树脂；
用干燥剂干燥经干燥粉碎的再生树脂；
重力混合再生玻璃纤维和再生树脂；
对混合的再生玻璃纤维和再生树脂施加第二化学粘合剂；
挤出具有所施加的第二化学粘合剂的混合的再生玻璃纤维和再生树脂；以及
在压力下模塑填充所挤出的玻璃纤维和再生树脂以使增强复合材料制品成形。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，对混合的再生玻璃纤维和再生树脂施加第二化学粘合剂包括施加着色剂和发泡剂。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述着色剂包括占所述着色剂总重量的40％的炭黑，并且所述着色剂等于或小于所述增强复合材料制品总重量的2％。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述玻璃纤维以5-15％的含水率被所施加的化学粘合剂涂覆。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括在洗涤经粉碎的再生树脂并干燥经洗涤的粉碎的再生树脂之后进行质量控制试验。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述混合再生玻璃纤维和再生树脂的挤出是在连续真空条件下在450-500°F的温度下进行的。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括在模制填充挤出的玻璃纤维和再生树脂之后冷却模制玻璃纤维和再生树脂。
20.根据权利要求19所述的方法，其中包括冷却所述模制玻璃纤维和再生树脂在65°F的温度下进行至少60分钟。
21.根据权利要求13所述的方法，还包括用X射线或超声波检查成形的增强复合材料制品。
22.根据权利要求13所述的方法，其中在延迟的冷却循环下进行模制填充所述挤出的玻璃纤维和再生树脂。
23.根据权利要求13所述的方法，其中所述增强复合材料制品在4000-5500cc/h的流速下制造。
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