CN1342184A - 使用再生塑料制造高性能复合材料的铁路轨枕 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种在铁路钢轨之间保持合适距离的方法。该方法利用由聚苯乙烯与聚烯烃组分的复合材料制成的铁路轨枕,该复合材料优选从再生塑性得到。所述复合材料表现出两相形态,其中两相的聚苯乙烯与聚烯烃相互缠绕并在整个材料内保持连续。

Description

使用再生塑料制造高性能复合材料的铁路轨枕
发明的概述
本发明涉及使用塑料制造轨枕。本发明尤其涉及用含有聚烯烃与聚苯乙烯材料的再生塑料制造高性能轨枕。
铁路轨枕不仅用来支撑钢轨，而且在预期负荷下保持钢轨间的合适距离。不能适当地完成这些作用中的任一个，就会导致出轨，危害生命，损失财产。但是铁路轨枕要经受苛刻的条件，由此会增大出轨的几率。
轨枕暴露于大的温差、过量的紫外光、严酷的气候条件、微生物和昆虫的侵害和使用中施加的应力。
通常，铁路轨枕必须能够在24,000磅侧白负荷、39000磅静态垂直负荷和140,000磅动态垂直负荷下保持所要求的间距。因此，对于一般的铁路，其中钢轨间距是56.5英寸，轨枕必须能够在预计的温度和负荷变化，增大不超过0.125英寸下保持该距离，以避免出轨。
为了有效地承受这样的负荷，轨枕材料必须既具有刚性又具有强度。在该点上，铁路轨枕通常应当表现出下述物理性能：
压缩模量      至少约172,000psi；
弯曲模量      至少约172,000psi；
压缩屈服应力  至少约3000psi；
压缩强度      至少约3000psi；
弯曲模量      至少约3000psi。
保持合适钢轨间距的另一个因素是热膨胀。为了适用于铁路轨枕，所述材料必须表现出低热膨胀率。材料的热膨胀系数优选低于6×10-5in/in·°F。
为了避免发生事故，用于制造铁路轨枕的材料需要是刚性、坚固的并耐紫外光、温度波动和微生物/昆虫侵害。该材料也应当不导电，以避免钢轨之间有电流。例如对于货运铁路，电信号通过钢轨传送，目的是在列车前、后之间通讯。对于客运列车，电力常常通过钢轨自身传送。因此，为了避免钢轨间电气短路，支撑钢轨的轨枕应当用不导电材料制成。
轨枕材料也应当耐久，以避免使用期间由于磨损而劣化。例如，与铁路轨枕有关的一种磨损形式是轨枕的基座磨损。这发生于轨枕板切成轨枕时。用在垂直于轨枕轴的方向上比木材刚性大并坚固的材料制成的轨枕在减少轨枕基座磨损方面更好。
由于钢轨结合于轨枕上，所以轨枕材料也要适于与一般类型的接合件例如用于木材的接合件，例如钉、螺钉、道钉、螺栓等一同使用。
铁路轨枕一般由木材，而且在一定程度上由钢增强的混凝土制成。虽然木材是较便宜的材料，但是它很容易遭到微生物例如真菌和昆虫的侵害，由此会使轨枕脆弱并劣化。为了弥补该缺陷，要对木制铁路轨枕进行化学处理，抵抗这些侵害。这些化学处理是例如木馏油处理和铬酸盐/铜/砷处理。这些处理会大大提高成本。此外，化学处理仅可延迟侵害，不能阻止它。木制轨枕也十分容易因严酷的气候条件和过量日光而损坏。这些缺陷导致的结果是，木制轨枕需要频繁更换或重新校准轨距，这样又提高了材料、劳力和处置方面的成本。更换和/或重新校准轨距的成本能够是相当高的，因为轨枕是以约3000根/英里的数量使用。
相似地，钢增强的混凝土铁路轨枕也容易受力而劣化，例如磨损、应力和应变。事实上，发现混凝土轨枕会引起钢轨的过早失效。这是因为混凝土轨枕通常刚性很大。结果当以标准距离铺置时，轨枕不会帮助吸收施加到钢轨上的应力，由此迫使钢轨在负荷下在轨枕之间弯曲得更厉害。为了解决该问题，混凝土轨枕常常比木制轨枕的间距近。这当然会导致成本增大。
潮湿和冷冻的气候条件会损害木制轨枕，同样损害混凝土铁路轨枕。雨水或雪水能够渗入木制或混凝土铁路轨枕的表面。如果轨枕暴露于冷冻条件，水结冰时会膨胀，形成裂缝，由此使轨枕变脆弱。在增强的混凝土轨枕的情形下，这些裂缝也能够导致增强钢筋的氧化。
已经尝试了用其他材料制造铁路轨枕。例如Murray的美国专利U.S.5,094,905和U.S.5,238,734揭示了用再生轮胎制造铁路轨枕。然而，与再生轮胎相关的成本很高。Murray也使用了粘合剂例如环氧将再生轮胎颗粒粘合起来。这样的粘合剂又增大了制造成本。另外，预计的该材料的模量即刚性会很低。由这样的材料制成的轨枕也未必能够在预计的负荷量下保持合适的轨距。迄今，尚未发现由再生轮胎制成的铁路轨枕得到广泛的产业应用。
另一方面，塑料聚合物和塑料复合材料可以代替木材和混凝土。制成的塑料复合材料能够表现出必需的刚性、强度、耐热膨胀和变形，也增大了耐水份老化、耐过量日光和耐微生物和昆虫的侵害。塑料轨枕也具有较长的预计使用期限，由此降低与更换相关的劳力和材料成本。
由于内在的耐微生物、昆虫和潮湿，塑性轨枕降低了对用于木制轨枕的化学处理的需求。这表明不仅节约了成本，而且也减少了化学处理的木制轨枕的废弃物处置问题。
然而，原材料的成本是塑料聚合物和塑料复合材料的不足之处。原始的聚合物树脂是十分昂贵的，由此使它们的应用在经济上不可行。
也有人进一步尝试了用塑料和塑料复合材料制造木材的一般代用品。LongIsland Inc.的Trimax用由玻璃纤维和高密度聚乙烯(HDPE)制成的刚性的塑料复合材料制造了木材的代用品。仅由HDPE制成的一般的木材制品具有较高的约3000psi的压缩强度，但刚性低，即压缩模量仅约100,000psi。与单独的HDPE对比，Trimax材料的刚性高(即压缩模量约为200,000psi)，但强度低(压缩强度约为2000psi)。由于其强度低，该材料不适于用作铁路轨枕。
Eaglebrook Products Inc.也制造了合成的木材代用品。该材料由较纯的HDPE制成，由此表现出较低的压缩模量和较高的热膨胀系数。对于塑料木材HDPE，热膨胀系数大于约7×10-5in/in·°F。迄今为止，尚未发现Trimax和Eaglebrook制造的产品大量用作铁路轨枕的材料。
Neefe的美国专利U.S.4,997,609和U.S.5,055,350采用压模制造用沙和再生塑料颗粒制造复合材料的铁路轨枕。这两种组分由粘合剂涂料即糖或聚苯乙烯结合起来。
最近的Nosker等的专利(US5,789,477，在此引入供参考)描述了对用于铁路轨枕的材料的要求和已知的木制和钢增强混凝土铁路轨枕的不足和缺陷。作为替换材料，Nosker等揭示了一种用带涂层的纤维制成的复合材料，例如玻璃纤维或碳纤维分布于含有约80-100％高密度聚乙烯(HDPE)的聚合物组分中。该聚合物组分能够用再生塑料制成。
再生塑料的原料来源便宜。但是，这些塑料常常难以重新形成可用的制品，尤其是力学性能一致的制品。
再生塑料一般在路边收集得到，这样其自身就存在质量和一致性的问题。一般指定的路边回收塑料的类型是未加颜料的HDPE和PET(聚对苯二甲酸二醇酯)。这些材料单独挑出来用于塑料树脂回收加工，再生材料可用来代替原始树脂。但是，仅有约80％的回收塑料属于这两种合格的类型。其他的塑料通常对于主流的树脂回收利用是不合格的。
幸运地，一些行业将它们的塑料包装材料标准化。例如牛奶塑料瓶由未加颜料的HDPE制成，而充碳酸气的饮料塑料瓶由PET(单片的容器)或PET/HDPE(两片的容器)制成。这些包装容器易于辨认，因此较容易分离，由此有利于这两种塑料的回收。这就是为什么这两种塑料被指定为用于回收树脂的路边回收合格的原因。
另一方面，用于家用清洁剂、烹调油、食品、机油等的塑料容器存在许多不同的包装设计和类型。这些容器除HDPE和PET以外由多种聚合物制成，例如聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)。各制造商常常规定特定的颜色、形状和塑料用于它们特定的应用。结果，这些容器中有许多不容易辨认。因此分离树脂的类型很困难，而且昂贵。此外，由于在制造中使用的颜料和添加剂是变化的，所以这些塑料的回收价值小。
PET饮料和未加颜料的HDPE容器从回收材料中分离之后，剩下的塑料容器称为混合塑料。下表提供了混合塑料的成分的一个例子。
          表1混合塑料中每种类型的塑料的百分率
    类型   NJCT1
    PET汽水    --
    HDPE，非牛奶   90.2
    HDPE，牛奶+水    --
    PVC   3.2
    PET，非汽水   4.5
    PP   0.5
    其他(#7)   1.6
    LDPE    --
    PS    --
1-PET汽水和HDPE牛奶/水容器分离之后的新泽西路边回收的残留物
在聚合物科学领域中认为收集的多种塑料是不能“混合”以形成相容制品的。但仍可以将该混合物加工成大剖面制品。然而，如上所示，混合塑料总的来说主要由聚烯烃构成。该材料在挤出时形成低模量和较软的制品。
但是，近来的研究表明，通过混合以前认为不相容的某些回收聚合物材料就能够获得既具有强度又可应用的物品。例如，Rutgers University的塑料再生研究中心(CPRR)研究了提高挤出的主要由聚乙烯构成的混合塑料的力学性能，具体的方式是将混合塑料废物流与聚苯乙烯混合。见Nosker等的“Recycled Polystyrene，Add Valve to Commingled Products”，PlasticsEngineering，1990；Nosker等的“Improvements in the Properties ofCommingled Plastics by the Selective Mixing of Plastic Wastes”，SPERETEC，1989年10月；和Renfree等的“Physical Characteristics andproperties of Profile Extrusions Produced from Post Consumer CommingledPlastic Wastes”SPE ANTEC，89，PP1809-11。
在例如Morrow等的美国专利5298214(在此引入供参考)中，描述了聚苯乙烯能够与再生物流的“混合塑料”成分混合，制成力学性能和外观形态类似纤维增强的复合材料的材料。此外，还存在可优化力学性能的独特的组成范围。在该范围内，从“混合塑料”得到的聚苯乙烯组分和主要的聚烯烃组分两者由扫描电子显微镜观察到的形态存在两相的微观结构，两种组分形成彼此结合并相互贯穿的三维网络。也见Renfree等的“Dual Phase，Co-Continuous Morphology from Mixtures of Recycled Polystyrene/CurbsideTailings Materials”SPE ANTEC，92，PP2396-2400，在此引入供参考。
在该类型的两相共连续结构中，两相以这样的方式相互缠绕，即在整个材料中两相保持连续。该形态与浸入水中的海绵相似，其中海绵和水两者形成连续体系。在该类型体系中形成的微观结构可使每相都分担材料承受负荷。这会略微降低分散相共混物所要求的对相间的有效应力传递的需求。
选择两种共混组分的体积比约等于粘度比，就能够估计确定产生两相共连续的组成范围。
附图的简要说明
图1一般图示由粘度比和组成比确定的两相区域；
图2示出了一些聚苯乙烯/聚烯烃组合物的两相区域。
Jordhamo、Manson和Sperling(发表于Polym.Eng.Sci.，26(8)，517(1986))以较低粘度或较高体积分数会形成连续相的试验观察结果为基础，提出了关联预计的两相共连续区域与共混组分的粘度比和体积比之间的半经验表达式。他们的论文指出，两相共连续的条件能够通过向接近相反转区的聚合物共混体系施加剪切而得到。如式(1)所示，该模型预示，粘度比和体积比大约相等时，即当下式成立时，应当发生相反转：
Figure A0080445000101
其中ηi是相i的粘度，φi是相i的体积比。正如可以看到的一样，该模型将粘度比定义为约等于体积比。在本文中，尤其对于聚苯乙烯和聚烯烃体系，粘度比与体积比之比通常约为0.5∶1.5，优选约为0.75∶1.25，尤其约为0.8∶1.2。
图1图示了由式(1)定义的上述模型。虚线表示粘度比等于体积比。其两旁的两条黑线表示两相区域的边界。
Morrow等描述的材料表现出该两相微观结构。一相基本由聚苯乙烯组成，另一相基本由聚烯烃组成。聚苯乙烯含量为30-50％时，材料表现出197600-239000psi的压缩模量，4350-5320psi压缩屈服应力和4350-5320psi压缩强度。根据Morrow方法，所述材料是由Polywood Inc.制成的塑料木材，用作车行道、人行道、围墙、柱子和船坞。
虽然该材料的强度使它成为木材代用品的优秀候选材料，但是它易于被一些有机溶剂溶蚀。例如，由于其高聚苯乙烯含量和由其形成的三维结构，该材料不适于用于暴露于可能存在有机溶剂类似汽油的区域。聚苯乙烯与汽油接触时会溶解。由于聚苯乙烯组分的三维网络结构，一旦汽油接触材料，它就会渗入内部，并弱化整个复合材料。
铁路轨枕不仅易于与水，而且容易与油脂、矿物油和柴油接触。与这些材料接触的可能性会阻止Morrow等的材料用作铁路轨枕，因为其聚苯乙烯组分容易溶解。
然而，虽然汽油溶解聚苯乙烯，但是柴油和矿物油不会。因此，即使材料具有高含量聚苯乙烯，也能够用作铁路轨枕。
因此，根据对高含量聚苯乙烯材料的适用性的认识，本发明涉及使用聚苯乙烯/聚烯烃复合材料作为铁路轨枕。
根据本发明的一个方面，提供通过将钢轨结合到至少一根轨枕上来保持所要求的铁路钢轨的间距的方法，该方法的改进在于：
所述至少一根轨枕由含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分的塑料复合材料形成；
其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯。
根据本发明的另一方面，提供通过将钢轨结合到至少一根铁路轨枕上，从而提供铁路钢轨承受重量的支撑面的方法，该方法的改进在于：
所述至少一根轨枕由含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分的塑料复合材料形成；
其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯。
根据本发明的再一个方面，提供通过将钢轨结合到至少一根轨枕上，从而保持所要求的铁路钢轨的间距的方法，该方法的改进在于：
所述至少一根轨枕通过挤出含有聚苯乙烯组分和聚烯烃组分的塑料熔融共混物而形成；
其中，在塑料熔融共混物中，聚苯乙烯组分与聚烯烃组分的粘度比约等于聚苯乙烯组分与聚烯烃组分的体积比。
在本发明的另一方面是制成的一种制品，它包括：
至少一根铁路钢轨，例如两根或三根钢轨和至少一根铁路的轨枕；
其中所述的至少一根铁路钢轨是固定到至少一根铁路轨枕上，所述轨枕由含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分的复合材料形成，聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯。
本发明的又一方面是连续挤出复合材料的铁路轨枕的方法，它包括：
将树脂加入挤出机内，所述树脂含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分，其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯；
加热挤出机内的树脂，使树脂转变成熔融态；
将所述熔融态物料从具有至少一个口型为铁路轨枕的剖面形状的模口的冷却口模中挤出，其中在经过冷却口模期间，挤出的物料外面形成固态皮层，所述的外部固态皮层具有足以能使物料在经过后续工序时保持形状的厚度；
传送挤出的物料经过后续的冷却工序，由此使该物料充分冷却至可切断；和
将挤出的物料切成所要求的长度，形成复合材料的铁路轨枕。
根据本文和所附权利要求的深入研究，本行业内的普通技术人员会容易地明白本发明的其他方面和优点。
根据本发明，所述复合材料基本由20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分组成。所述复合材料优选含有约25-45％(重量)、尤其30-40％(重量)聚苯乙烯组分。此外，所述复合材料还优选含有约55-75％(重量)、尤其约60-70％(重量)聚烯烃组分。所述复合材料的一个尤其优选的实施方式含有35％(重量)聚苯乙烯组分和65％(重量)聚烯烃组分。
虽然聚苯乙烯组分会包含少量杂质、有机物或无机物例如食物，但它优选是100％(重量)聚苯乙烯。以干重为基准，这些杂质能够以高达约10％(重量)的量存在。聚烯烃组分能够由聚烯烃材料例如高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙稀共聚物等的混合物制成。聚烯烃组分应当含有至少75％(重量)高密度聚乙烯，以保证形成聚苯乙烯组分与聚烯烃组分之间的两相共连续的互锁的三维网络。
虽然聚苯乙烯组分和聚烯烃组分两者都能够由初始材料制成，但是，这些材料优选由再生塑料形成。再生聚苯乙烯的原料包括泡沫聚苯乙烯杯子和容器、硬聚苯乙烯餐具、衣架和其他容器。再生的聚苯乙烯能够以其买到的任何形式使用，例如泡沫(膨胀型)聚苯乙烯、结晶聚苯乙烯(通用的)和高抗冲聚苯乙烯。聚烯烃组分塑料能够由再生的PET和HDPE饮料容器和其他容器得到(例如5加仑桶和55加仑的圆筒)。但是聚烯烃也能够从分离PET和HDPE饮料容器之后得到的再生物料的混合塑料部分获得。能够采用所述的混合塑料或混合塑料部分具有经济和环境方面的优点。
聚烯烃组分优选含有至少80％(重量)高密度聚乙烯，尤其90％(重量)高密度聚乙烯。聚烯烃组分内可以存在的其他材料包括高达25％(重量)聚氯乙烯、中、低和/或低密度线型聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚烯烃共聚物及其混合物。
除了聚苯乙烯和聚烯烃组分以外，所述复合材料还可以含有添加剂。例如，用来制造复合材料的材料能够含有少量发泡剂，以减少冷却期间材料内形成的空隙的数量和尺寸。该含量例如能够低于0.3％(重量)，如约为0.03％(重量)。发泡剂例如偶氮二甲酰胺(azidocarbonamide)能够与树脂粉一同混入。另外，其他的发泡剂或气体也能够直接计量加入挤出机内。其他的添加剂例如颜料，抗紫外光剂也能够加入，例如碳黑。
虽然复合材料是根据聚苯乙烯/聚烯烃体系进行描述的，但是它也可以利用式(1)采用其他材料，以得到具有所要求的两相形态的复合材料，所述两相形态是其中的相相互缠绕，使得它们在整个复合材料内都保持连续。
所述复合材料耐微生物和昆虫侵害，由此它不需昂贵的化学处理。该材料也耐紫外光降解，和耐潮湿、冰冻的条件。
所述复合材料优选具有至少约172,000psi的压缩模量，尤其优选至少约200,000psi。所述复合材料还表现出优选至少约3,000psi的压缩强度，尤其至少约3,500psi，和优选至少约3,000psi的压缩屈服应力，尤其至少约3,500psi。
所述复合材料的弯曲模量优选至少约172,000psi，尤其至少约200,000psi，弯曲强度优选至少约3,000psi，尤其至少约3,500psi。
此外，所述复合材料优选具有低于约6.5×10-5in/in·°F的热膨胀系数，尤其低于约6.0×10-5in/in·°F。
为了获得两相形态，要选择聚苯乙烯和聚烯烃组分的量，使它们的体积比在加工温度下约等于它们的粘度比。由此，熔体的粘度对于得到两相形态是重要的参数。
所述复合材料能够这样制备：将聚苯乙烯和聚烯烃组分造粒，混合粒料，接着将粒料混合物加入合适的挤出机内。
各国的铁路轨枕的尺寸不同。在美国，铁路主干线的标准轨枕的尺寸约为9英寸宽×7英寸厚×约8.5英尺长。对于短线，轨枕的尺寸约为6英寸×8英寸×8.5英尺。对于一些使用三条钢轨的货运和客运铁路线，轨枕能够是7英寸×9英寸×10英尺或6英寸×8英寸×10英尺。事实上，在铁路的道叉位置，轨枕甚至能够更长，例如长达17英尺。采用尺寸合适的挤出机，就能够制成符合美国标准尺寸的铁路轨枕的材料。
复合材料的铁路轨枕能够由间歇方法或连续方法制成。在间歇方法中，树脂薄片状的聚苯乙烯和聚烯烃组分能够以所要求的重量百分比干混合。混合能够在挤出机加料斗内进行，或在物料通过合适的混合装置例如混合机加入料斗之前进行。物料也能够采用振动喂料机喂入料斗中。料斗将混合物料喂入合适的挤出机，例如单螺杆挤出机。其他合适的挤出机是例如旋转挤出机和双螺杆挤出机。合适挤出机的例子是41/2”Davis Standard型号45T S/NE766、4”Davis Standard型号450H S/H G-8733、Advanced RecyclingTechnology型号ET-1/6280和Advanced Recycling Technology型号ART/MT1/Mark 10。在挤出机内，物料在约300-400°F例如350°F的温度下被加热成熔融态。熔融物料从挤出机排出，经过口模进入模具，例如剖面为7”×9”、长81/2英尺的模具。物料在例如不超过约2000psi的低压下从口模排出。挤出速率通常高于约100Ibs/hr，例如约400Ibs/hr或更高。在挤出工序中，模具的外部可用任何合适的手段例如水浴、喷水、水夹套、空气对流等冷却。冷却的结果是复合材料的外层固化，由此形成固态皮层。之后，使模制的复合材料冷却至室温。
所述物料经由剖面通常小于模具剖面的模口离开口模。例如模口直径可以约为3/4-2英寸。当使用大挤出机时，更大的模口当然也可以。在填充模具的初期，物料进入模具内，并接触塞子。塞子是活塞形式，用来在模制期间提供均匀的末端表面，也提供背压。当填充模具时，背压增大，并在整个模具内将塞子向后推。
在约160-200Ibs/hr的挤出速率下，填充一个模具(例如7”×9”×81/2”)通常花约1-1.5小时。模具填满之后，轨枕复合物花至少约4小时冷却至室温。
也可以由连续方法制造复合材料的铁路轨枕。在该方法中，物料能够以与间歇方法相同的方式混合。然后干混物料由料斗喂入合适的挤出机。能够挤出物料形成单一型材，即经过单一模口。另外，也能够在具有多模口的口模前放置集料管，以同时挤出形成多个型材。
在连续方法中，物料从狭长的外冷却口模中挤出。这里再次说明，冷却能够由任何合适的手段例如水浴或水夹套提供。当物料通过模口时，外冷却会形成固态外皮层。该皮层有助于使挤出物料离开口模并继续进行进一步的冷却工序保持其整体性。当物料离开口模时，它由传送装置例如传送带、带式引出机、辊或液压***支撑并牵引。传送装置使挤出物料移动，经过附加的冷却工序例如真空校正单元。在后续的冷却工序之后，能够将物料自动地切成所要求的长度。
如上所述，冷却口模是狭长的。对于低容量挤出机，例如以约100-200Ibs/hr的速率将物料挤出成单一型材的挤出机，冷却的口模能够例如是34-50英尺。相反，具有集料管以形成多个型材的较大容量挤出机(例如约1500-5000Ibs/hr)可以具有更长的冷却口模，例如约120英尺。冷却的口模要足够长，以使离开口模的物料具有足够厚的固态皮层，以使挤出物料在通过其他冷却工序时保持外形的完整性。作为通常的近似，在冷却的口模内所花的时间应当约为使物料冷却至足够能切成所要求长度的点所需时间的约1/4。例如，在任意挤出速率下，所述物料应当在冷却的口模内约花1小时。由此，挤出速率在确定冷却的口模的合适长度方面是一个重要的因素。
与间歇法相比，在连续法中，挤出的物料经受连续的背压。相反，在间歇法中，物料在起始进入模具时不会受到背压。当模具填满时，形成背压。由于背压增大，由间歇法模制的物料不会在整个长度上表现出均一的密度。见例如R.J.Ehrig(编辑)、Karl Hanser Verlag的Plastics Recycling，第9章、第9.4.4节、第199页(1992)。另一方面，由于连续的背压，连续法制成的物料表现出更均一的密度。
Morrow等美国专利U.S.5298214中有挤出聚苯乙烯/聚烯烃复合材料的深入的详细说明。
在上述和下述实施例中，所有的温度都以未修正的摄氏温度列出，除非另有说明，所有份数和百分率都是指重量。
上述和下述的所有专利申请、专利和公开文本的全文都在此引入供参考。
在本文中，压缩模量、压缩强度和压缩屈服应力都根据ASTM Test №D6108测试。本文中的弯曲模量、弯曲强度和屈服应力(应力)根据ASTM Test №D6109测试。
实施例
为了用再生的和/或原始聚合物的混合物制成含有共连续结构的制品，利用Jordhamo、Manson和Sperling提出的关系式，需要确定每种组分在特定加工温度下的粘度和体积分数。对本发明使用的物料进行分析时，出于方便，能够认为所述复合材料由两种组分组成，聚烯烃组分和聚苯乙烯组分。也就是说，能够忽略聚烯烃组分可以由不同聚合物构成。这就简化了分析，并使测得的聚烯烃的“本体粘度”用于计算中。
由于聚合物是粘弹性的，能够例如采用结构为平行板的RheometricsInc.RMS-800力谱仪计(Rheometrics，Inc.，Piscataway，NJ)测试粘度。能够测得在用来制备制品的加工温度下的粘度，它为频率的函数，也是温度的函数。
利用物料在加工温度下的密度，能够将混合物在室温下的重量百分率转变成加工温度下的体积百分率。物料的密度物料能够利用例如具有设定在加工温度的机筒温度的Kayeness牌的挤出式塑性计确定。已知在挤出式塑性计中活塞移动1英寸排出1.804厘米3体积。对于所有的的样品，收集活塞移动1英寸后挤出的物料，并称重。从该信息中，就能够确定物料的密度。
密度一旦确定，就能够由下式确定聚苯乙烯物料在加工温度下的体积百分率：
Figure A0080445000161
其中MPS是聚苯乙烯物料的质量，ρPS是聚苯乙烯物料在加工温度下的密度。
作为一个例子，对三个PS/聚烯烃体系实施该步骤。两个是塑料木材组合物(同样的聚烯烃(NJCT)，不同的聚苯乙烯(MPS和PPS))，另一个是挤出级的组合物(聚烯烃，NJCT漂浮物和聚苯乙烯(MPS))。对于每个体系，所述物料用表2所示的不同PS/聚烯烃组合物制成，并验证两相共连续形态。表2中使用的术语定义如下：
NJCT—“新泽西路边废料”，即上面表1所示的混合塑料；
NJCT漂浮物—熔融过滤表1所示的混合塑料获得的主要是聚烯烃的清洁混合物；
MPS—由Mobil Chemical Company的膨胀型聚苯乙烯局部操作得到的邮政行业的聚苯乙烯；
PPS-由Plastics Again Inc.得到的邮政消费者使用的聚苯乙烯。
不同组成的体积百分率的估计结果和体积比与粘度比如表2所示。粘度比在212℃或220℃测得。聚苯乙烯/聚烯烃体系的“加工温度”的一般范围约为180-220℃。
图2显示了三种体系中每种的粘度比与组成比的关系。该图与以前讨论过的相似。由于假设每种体系的粘度比在整个组成范围内是常量，所以每种体系的该关系图线都与图中的组成比的轴线平行。
涂黑的符号表示这样的组合物，其SEM显微照片显示存在两相共连续形态。图中粗的对角虚线表示两相区域。两相区的宽度由已知的两相组合物的实验确定。该区的形状仅是估计的。为了确定该区域的实际形状，必须进行更多的实验。预计关系线在该区以上的样品组合物具有连续的聚烯烃(NJCT)相，预计关系线在该区以下的组合物具有聚苯乙烯连续相。
             表2：PS/NJCT漂浮物的体积比和粘度比
Figure A0080445000171
η MPS η NJCT ( 22 0 o C ) = 0.53 , η MPS η NJCT ( 21 2 o C ) = 0.61 , η PPS η NJCT ( 22 0 o C ) = 0.68
从上述描述中，本行业内的普通技术人员能够容易地确定本发明的基本特征，不脱离本发明的精神和范围，就能够对本发明进行各种改变和改进，使之适于不同的用途和条件。
按照条约第19条的修改
1.一种通过将铁路钢轨结合到至少一根铁路轨枕上从而保持铁路钢轨间距的方法，该方法的改进在于：
所述至少一根铁路轨枕由含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分的塑料复合材料形成；
其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，所述聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯；
并且所述的聚苯乙烯组分和聚烯烃组分两者形成在所述复合材料中彼此一体化的三维网络。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述的复合材料含有25-45％(重量)所述的聚苯乙烯组分。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述的复合材料含有30-40％(重量)所述的聚苯乙烯组分。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚烯烃组分含有至少80％(重量)高密度聚乙烯。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚烯烃组分含有至少90％(重量)高密度聚乙烯。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚烯烃组分含有再生聚烯烃塑料。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述的聚苯乙烯组分含有再生聚苯乙烯塑料。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚苯乙烯组分含有再生聚苯乙烯塑料。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料含有35％(重量)所述的聚苯乙烯组分。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为172,000psi的压缩模量。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为200,000psi的压缩模量。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为3000psi的压缩强度。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为3500psi的压缩强度。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为3000psi的压缩屈服应力。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为3500psi的压缩屈服应力。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述的复合材料具有小于约6.5×10- 5in/in·°F的热膨胀系数。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述的复合材料具有小于约6.0×10-5in/in·°F的热膨胀系数。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚烯烃组分含有高达25％(重量)聚氯乙烯、中、低和/或低密度线型聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚烯烃共聚物及其混合物。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚苯乙烯组分含有膨胀型聚苯乙烯。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚苯乙烯组分含有泡沫聚苯乙烯。
21.一种通过将铁路钢轨结合到至少一根铁路轨枕上，从而为铁路钢轨提供承受重量的支撑面的方法，该方法的改进在于：
所述至少一根轨枕由含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分的塑料复合材料形成；
其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，所述聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯；
并且所述的聚苯乙烯组分和聚烯烃组分两者形成在所述复合材料中彼此一体化的三维网络。
22.一种通过将铁路钢轨结合到至少一根轨枕上，从而保持铁路钢轨的间距的方法，该方法的改进在于：
所述至少一根轨枕通过挤出含有聚苯乙烯组分和聚烯烃组分的塑料熔融共混物而形成；
其中，在所述塑料熔融共混物中，聚苯乙烯组分与聚烯烃组分的粘度比约等于聚苯乙烯组分与聚烯烃组分的体积比；
并且所述的聚苯乙烯组分和聚烯烃组分两者形成在所述复合材料中彼此一体化的三维网络。
23.一种制成的制品，它包括：
至少一根铁路钢轨和至少一根铁路轨枕；
其中所述的至少一根铁路钢轨是固定到至少一根铁路轨枕上，所述轨枕由含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分的复合材料形成，所述聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，所述聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯；
并且所述的聚苯乙烯组分和聚烯烃组分两者形成在所述复合材料中彼此一体化的三维网络。
24.一种连续挤出复合材料的铁路轨枕的方法，它包括如下步骤：
将树脂加入挤出机内，所述树脂含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分，其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，所述聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯；
加热挤出机内的树脂，使树脂转变成熔融态；
将所述熔融态物料从具有至少一个口型为铁路轨枕的剖面形状的模口的冷却口模中挤出，其中在经过冷却口模期间，挤出的物料外面形成固态皮层，所述外部的固态皮层具有足以能使物料在经过后续工序时保持形状的厚度；
传送挤出的物料经过后续的冷却工序，由此使该物料充分冷却至能切断；和
将挤出的物料切成所要求的长度，形成复合材料的铁路轨枕；
其中所述的聚苯乙烯组分和聚烯烃组分两者形成在所述复合材料中彼此一体化的三维网络。
25.如权利要求1所述的方法，其中所述的至少一根铁路轨枕这样形成：
将树脂加入挤出机内，所述树脂含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分，其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，所述聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯；
加热挤出机内的树脂，使树脂转变成熔融态；
将所述熔融态物料从具有至少一个口型为铁路轨枕的剖面形状的模口的冷却口模中挤出，其中在经过冷却口模期间，挤出的物料外面形成固态皮层，所述外部的固态皮层具有足以能使物料在经过后续工序时保持形状的厚度；
传送挤出的物料经过后续的冷却工序，由此使该物料充分冷却至能切断；和
将挤出的物料切成所要求的长度，形成复合材料的铁路轨枕。
26.如权利要求21所述的方法，其中所述的至少一根铁路轨枕这样形成：
将树脂加入挤出机内，所述树脂含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分，其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，所述聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯；
加热挤出机内的树脂，使树脂转变成熔融态；
将所述熔融态物料从具有至少一个口型为铁路轨枕的剖面形状的模口的冷却口模中挤出，其中在经过冷却口模期间，挤出的物料外面形成固态皮层，所述外部的固态皮层具有足以能使物料在经过后续工序时保持形状的厚度；
传送挤出的物料经过后续的冷却工序，由此使该物料充分冷却至能切断；和
将挤出的物料切成所要求的长度，形成复合材料的铁路轨枕。

Claims (24)

1.一种通过将铁路钢轨结合到至少一根铁路轨枕上从而保持所要求的铁路钢轨间距的方法，该方法的改进在于：
所述至少一根铁路轨枕由含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分的塑料复合材料形成；
其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，所述聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述的复合材料含有25-45％(重量)所述的聚苯乙烯组分。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述的复合材料含有30-40％(重量)所述的聚苯乙烯组分。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚烯烃组分含有至少80％(重量)高密度聚乙烯。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚烯烃组分含有至少90％(重量)高密度聚乙烯。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚烯烃组分含有再生聚烯烃塑料。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述的聚苯乙烯组分含有再生聚苯乙烯塑料。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚苯乙烯组分含有再生聚苯乙烯塑料。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料含有35％(重量)所述的聚苯乙烯组分。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为172000psi的压缩模量。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为200000psi的压缩模量。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为3000psi的压缩强度。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为3500psi的压缩强度。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为3000psi的压缩屈服应力。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述的塑料复合材料表现出至少为3500psi的压缩屈服应力。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述的复合材料具有小于约6.5×10- 5in/in·°F的热膨胀系数。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述的复合材料具有小于约6.0×10- 5in/in·°F的热膨胀系数。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚烯烃组分含有高达25％(重量)聚氯乙烯、中、低和/或低线型聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚烯烃共聚物及其混合物。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚苯乙烯组分含有膨胀型聚苯乙烯。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述的聚苯乙烯组分含有泡沫聚苯乙烯。
21.一种通过将铁路钢轨结合到至少一根铁路轨枕上，从而为铁路钢轨提供承受重量的支撑面的方法，该方法的改进在于：
所述至少一根轨枕由含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分的塑料复合材料形成；
其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，所述聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯。
22.一种通过将铁路钢轨结合到至少一根轨枕上，从而保持所要求的铁路钢轨的间距的方法，该方法的改进在于：
所述至少一根轨枕通过挤出含有聚苯乙烯组分和聚烯烃组分的塑料熔融共混物而形成；
其中，在所述塑料熔融共混物中，聚苯乙烯组分与聚烯烃组分的粘度比约等于聚苯乙烯组分与聚烯烃组分的体积比。
23.一种制成的制品，它包括：
至少一根铁路钢轨，例如两根或三根钢轨，和至少一根铁路轨枕；
其中所述的至少一根铁路钢轨是固定到至少一根铁路轨枕上，所述轨枕由含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分的复合材料形成，所述聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，所述聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯。
24.一种连续挤出复合材料的铁路轨枕的方法，它包括如下步骤：
将树脂加入挤出机内，所述树脂含有20-50％(重量)聚苯乙烯组分和50-80％(重量)聚烯烃组分，其中所述的聚苯乙烯组分含有至少90％(重量)聚苯乙烯，所述聚烯烃组分含有至少75％(重量)高密度聚乙烯；
加热挤出机内的树脂，使树脂转变成熔融态；
将所述熔融态物料从具有至少一个口型为铁路轨枕的剖面形状的模口的冷却口模中挤出，其中在经过冷却口模期间，挤出的物料外面形成固态皮层，所述外部的固态皮层具有足以能使物料在经过后续工序时保持形状的厚度；
传送挤出的物料经过后续的冷却工序，由此使该物料充分冷却至能切断；和
将挤出的物料切成所要求的长度，形成复合材料的铁路轨枕。
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