CN101955612B

CN101955612B - 泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙及其制备方法

Info

Publication number: CN101955612B
Application number: CN2010102140889A
Authority: CN
Inventors: 卢金友; 魏国远; 孙贵洲; 叶菁; 姚仕明; 龙超平; 汪明娜
Original assignee: Changjiang River Scientific Research Institute Changjiang Water Resources Commission
Current assignee: Changjiang River Scientific Research Institute Changjiang Water Resources Commission; Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: CN101955612A

Abstract

本发明公开了一种泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙及其制备方法，属于水工及港工泥沙模型试验用模型沙技术领域。泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙组分及重量百分数如下：(1)基质由聚苯乙烯树脂和超细活性碳酸钙组成；(2)基质中加入的润湿剂，和着色剂。复合塑料模型沙的制备方法按以下步骤进行：(1)配制原料，(2)预塑化处理，(3)造粒，(4)粉碎，(5)颗粒的整形，(6)筛分和分级，(7)洗涤及处理。复合模型沙不仅力学特性能满足泥沙实体模型各项相似比尺设计要求，而且，无毒、无污染，可重复制备再生循环利用，整体性能指标明显优于现有的各种传统模型沙。

Description

泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙及其制备方法

技术领域

本发明属于水工及港工泥沙模型试验用模型沙技术领域，具体涉及一种物理特性可调，体相亲水，各项性能(包括物理和运动特性)能满足不同类型泥沙实体模型试验各项相似比尺设计要求的泥沙实体模型试验研究使用的复合塑料模型沙，及本复合塑料模型沙的制备方法。

背景技术

现有技术中，模型沙的选择是泥沙实体模型试验中的一项关键技术，直接关系到模型泥沙运动和河床变形的相似性及试验精度，关系到模型试验的成败。在实体模型设计时，对模型沙选择需要全面考虑其物理力学特性及其输移和冲淤变化的相似性，同时还要兼顾模型沙的可操作性、经济性以及对环境影响等。

目前，泥沙实体模型国内外常用的模型沙就其生成和物质成分而言大致可分为三类，第一类为天然矿物，如天然泥沙、滑石粉、煤等，主要特点是电化性质不稳定，模型沙浸泡后在水中立即产生电离，形成表面带负电的类似胶体颗粒，采用细颗粒模拟悬移质，受水中电解质的影响极易产生絮凝，致使模型沙沉降产生偏离，此外该类模型沙除煤和它的半成品外，密度一般较大(大于2g/cm³)，不易满足模型的重力相似要求；二是化工合成物，如电木粉、塑料颗粒等，为高分子聚合物，非常稳定，密度一般较小，易于满足重力相似条件，且细颗粒与水合成的悬浮体絮凝现象不明显；但是，现有技术中的此类模型沙是用废旧塑料破碎而成，粒径、容重等物理特性固定，不能人为调整。三是植物纤维，如木屑、核桃壳等，采用此类物质作为模型沙主要是利用其密度较小的特点，以满足重力相似，但最大缺点为因是有机物质，内含有机油脂，极易腐烂变质，吸水后体积膨胀，保存期短，需经脱脂防腐处理才能应用。上述不同类型模型沙在大型水利工程与江湖治理实体模型试验中均得到不同程度的应用，取得了许多成果和经验，但它们也存在各种各样的不足之处，其中最大缺陷为现有的模型沙存在着一些限制其应用的问题，突出表现为模型沙粒径、容重等物理特性固定，不能人为调整，模型设计时往往为了满足模型沙某一特性需要而使部分相似条件偏离，给模型设计带来了许多的限制，将直接影响模型试验成果质量。

因此，开展模型沙的研究，研制开发物理化学性质稳定，密度及粒径可调，絮凝强度小，价格较为低廉且能够大量制备的模型沙，已是泥沙实体模型模拟技术亟待解决的重大问题之一。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙及其制备方法，本发明的复合塑料模型沙具备密度、粒径、及颜色均可人工调整且无环境污染、能重复使用等优点。而且本发明的方法能价格低廉地大量制备满足需要的各种规格、类型的复合塑料模型沙，从而，从根本上解决了泥沙实体模型试验用的模型沙的需求问题。

本发明的技术方案是：

泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙是多种具有不同设定密度的复合塑料模型沙，所述的多种具有不同设定密度的复合塑料模型沙的组分及重量百分数如下：

(1)基质组成及重量百分数：

聚苯乙烯树脂 45％～80％；

超细活性碳酸钙 20％～55％；

(2)在上述基质中加入占基质总重1.0％～3.0％的润湿剂，和占基质总重0.10％～0.25％的着色剂。

所述的聚苯乙烯树脂是聚苯乙烯树脂2～3级回收料，或聚苯乙烯树脂新料。

所述的超细活性碳酸钙是超细活性重质碳酸钙粉体，粒度＜8μm，平均粒径＜3.5μm；超细活性碳酸钙表面经铝酸酯偶联剂DL-411-AF改性处理，活化度指数＞98％。

所述的润湿剂是聚丙烯酸钠，或聚乙二醇，或聚醚多元醇，或它们之中的混合物。

所述的着色剂是红色、或黄色、或蓝色、或绿色的油性颜料。

前述的泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙的制备方法按以下步骤进行：

(1)配制模型沙混合原料：

按照设定的复合塑料模型沙所需要的密度，将聚苯乙烯树脂经粉碎后，按聚苯乙烯树脂重量百分数45％～80％和超细活性碳酸钙重量百分数20％～55％的比例混合，形成基质，在基质中再加入占基质总重1.0％～3.0％的润湿剂，和占基质总重0.10％～0.25％的着色剂，混合均匀即为模型沙混合原料；

(2)将模型沙混合原料进行预塑化处理：

将模型沙混合原料加入搅拌混合机中进行混合，使其经过预塑化处理；

(3)造粒为大颗粒料：

将预塑化处理后的物料，加入螺杆挤出机中进行加热混炼、复合交联、挤出造粒，挤出温度设定为160～175℃，挤出粒料尺寸为4～12mm；

(4)粉碎：

将上述大颗粒料进行粉碎，粉碎获得的粉粒料粒径范围为4.5～0.15mm；

(5)颗粒的整形：

将粒径范围为4.5～0.15mm的粉粒料，加入搅拌热处理机，通过叶片低速搅拌和搅拌机夹层导热油加热，使颗粒表面产生微塑化，在颗粒间摩擦力和叶片的挤压作用下，颗粒尖角被钝化，颗粒圆角度被提高，颗粒的整形温度设定为110～115℃；

(6)筛分和分级：

整形后的粉粒料，进行粗、细二段筛分，其中，粗筛获得的粒级尺寸为：＞4mm、4～2mm、2～1mm和＜1mm四个粒级颗粒料；细筛获得的粒级尺寸为：1～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25～0.15mm和＜0.15mm四个粒级颗粒料；

或在需要的情况下，再将＜0.15mm的颗粒料进行微细粉的制备和分级：

将粒径＜0.15mm的颗粒料进行超细粉碎和分级，获得平均粒径为0.052mm或0.010mm的微细粉；

(7)洗涤及处理：

经过筛分和超细粉碎分级的各粒级粉粒料，通过喷水嘴冲刷、淘洗，使粘附于颗粒表面的游离超细颗粒，及颗粒在水中的析出物得以分离，冲洗水中加有重量百分数为0.02％的聚醚350分散剂，使其吸附于颗粒表面，洗涤后得到的颗粒料即为设定密度的多种粒级的复合塑料模型沙。

本发明的有益效果是：本发明的泥沙实体模型试验用复合模型沙的密度设计范围连续可调，且不同粒径的模型沙密度稳定，粒径级配调整范围宽，颗粒几何形状与天然泥沙相似性好，絮凝强度小，亲水性好，水下及空气中休止角可调整，有利于模型地形制作；颜色可调，有利于试验观测。本发明的泥沙实体模型试验用复合模型沙不仅力学特性能满足泥沙实体模型各项相似比尺设计要求，而且，无毒、无污染，可重复制备且可再生循环利用，整体性能指标明显优于现有的各种传统模型沙。

具体实施方式

下面以一种设计密度为1.38g/cm³的复合塑料模型沙的制备为实施例对本发明进行详细的描述，本实施例中共制得6个粒级的复合塑料模型沙。复合塑料模型沙分为多少个粒级，及粒级的大小分级，由泥沙实体模型试验的需求来定。以下对本实施例进行进一步阐明，但它们并不构成对本发明的限定。

1)配制模型沙混合原料：

聚苯乙烯树脂2级回收料经对辊粉碎后，取质量百分数68％的聚苯乙烯树脂；和质量百分数32％的超细活性重质碳酸钙粉体混合为混合原料基质，其中，超细活性重质碳酸钙粉体粒度＜7.8μm，平均粒径＝3.2μm，超细活性重质碳酸钙粉体表面经铝酸酯偶联剂DL-411-AF(铝酸酯偶联剂DL-411-AF为市售产品，其中DL-411-AF是产品的牌号)改性处理，活化度指数＝98.6％(活化度指数按现有技术的方法测定)；在基质中加入占基质总重2.2％的聚醚多元醇1618A(1618A是产品牌号)为润湿剂；基质中还加入占基质总重0.15％的酞青蓝油性颜料，将上述物质混合均匀即为模型沙混合原料。在这里，超细活性重质碳酸钙粉体是现有技术中常用的橡胶制品的补强剂和填充剂，在此用于和聚苯乙烯树脂混合，是为了调节复合塑料模型沙的密度，使本发明的复合塑料模型沙能制成一系列不同设定密度的产品。

2)将模型沙混合原料进行预塑化处理

将模型沙混合原料加入高速搅拌混合机中进行混合，使其经过预塑化处理，所述的高速搅拌混合机是塑料行业的常用机械。

3)造粒为大颗粒料

经预塑化处理后的物料，加入螺杆挤出机中进行加热混炼、复合交联、挤出造粒，挤出温度设定为170℃，粒料尺寸为4～10mm。螺杆挤出机是塑料行业的常规机械。

4)粉碎

将上述大颗粒料加入冲击粉碎机组中进行粉碎，粉碎获得的粉粒料粒径范围为2.5～0.15mm。所述的冲击粉碎机组是塑料行业常用的破碎机械。

5)颗粒的整形

将粒径范围为2.5～0.15mm的粉粒料，加入搅拌热处理机进行微塑化整形处理，在颗粒间摩擦力和叶片的挤压作用下，颗粒尖角被钝化，提高颗粒圆角度，实现对颗粒的整形，整形温度设定为112℃。所述的搅拌热处理机是现有技术的塑料加工机械。

6)筛分和分级

整形后的粉粒料，加入振动筛分机中进行筛分，获得的6个粒级尺寸分别为：2～1mm、1～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25～0.15mm、0.10～0.15mm和＜0.10mm。振动筛分机是现有技术的塑料加工机械。

7)洗涤及处理

将上述6个粒级的粉粒料分别加入六角回转式淘洗机中冲刷、淘洗，冲洗水中加入0.02％的聚醚350分散剂，使聚醚350分散剂吸附于颗粒表面，干燥后的6个级别的粉粒料即为密度为1.38g/cm³的复合塑料模型沙。六角回转式淘洗机是现有技术的塑料加工机械。

本实施例获得的上述设计密度为1.38g/cm³复合塑料模型沙，经沉降、起动、沙波运动等力学特性进行试验，研究结果表明，其运动特性满足泥沙实体模型设计的各项相似比尺要求。在此基础上，利用长江防洪实体模型对“藕池口水道航道整治工程的试验研究”，以及“西江三滩航道整治工程模型试验研究”，和“西江界首滩航道整治工程模型试验研究”，均表明，本复合塑料模型沙相似条件、泥沙模拟范围、相似比尺等均合理，且较好地克服了以往细颗粒模型沙易板结的缺点，满足模型试验选沙的相似要求，保证了试验成果的合理性，为航道整治工程设计提供了科学依据，取得了良好的试验效果。

Claims

1.一种泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙，其特征在于所述的复合塑料模型沙是多种具有不同设定密度的复合塑料模型沙，所述的多种具有不同设定密度的复合塑料模型沙的组分及重量百分数如下：

(1)基质组成及重量百分数：

聚苯乙烯树脂 45％～80％；

超细活性碳酸钙 20％～55％；

(2)在上述基质中加入占基质总重1.0％～3.0％的润湿剂，和占基质总重0.10％～0.25％的着色剂；

所述的聚苯乙烯树脂是聚苯乙烯树脂2～3级回收料，或聚苯乙烯树脂新料；

所述的超细活性碳酸钙是超细活性重质碳酸钙粉体，粒度＜8μm，平均粒径＜3.5μm；超细活性碳酸钙表面经铝酸酯偶联剂DL-411-AF改性处理，活化度指数＞98％；

2.根据权利要求1所述的泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙，其特征在于：所述的着色剂是红色、或黄色、或蓝色、或绿色的油性颜料。

3.一种权利要求1或2所述的泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙的制备方法，其特征在于本方法按以下步骤进行：

(1)配制模型沙混合原料：

(2)将模型沙混合原料进行预塑化处理：

(3)造粒为大颗粒料：

(4)粉碎：

(5)颗粒的整形：

(6)筛分和分级：

(7)洗涤及处理：

经过筛分和超细粉碎分级的各粒级粉颗粒料，通过喷水嘴冲刷、淘洗，使粘附于颗粒表面的游离超细颗粒，及颗粒在水中的析出物得以分离，冲洗水中加有重量百分数为0.02％的聚醚350分散剂，使聚醚350分散剂吸附于颗粒表面，洗涤后得到的颗粒料即为设定密度的多种粒级的复合塑料模型沙。

4.根据权利要求3所述的泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙的制备方法，其特征在于：所述的聚苯乙烯树脂是聚苯乙烯树脂2～3级回收料，或聚苯乙烯树脂新料。

5.根据权利要求3所述的泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙的制备方法，其特征在于：所述的超细活性碳酸钙是超细活性重质碳酸钙粉体，粒度＜8μm，平均粒径＜3.5μm；超细活性碳酸钙表面经铝酸酯偶联剂DL-411-AF改性处理，活化度指数＞98％。

6.根据权利要求3所述的泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙的制备方法，其特征在于：所述的润湿剂是聚丙烯酸钠，或聚乙二醇，或聚醚多元醇，或它们之中的混合物。

7.根据权利要求3所述的泥沙实体模型试验用复合塑料模型沙的制备方法，其特征在于：所述的着色剂是红色、或黄色、或蓝色、或绿色的油性颜料。