CN105694228A - 一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料及制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料10％～30％；玻璃纤维5％～15％；余为聚丙烯专用料。在土工格栅的生产过程中，聚丙烯回收料或再生料的加入降低了生产投资成本，又节约了资源，减少了环境污染，但会对产品的力学性能有一定负面影响。因此，在降低成本的情况之下通过材料改性方法提高土工格栅材料的力学性能使其满足实际应用要求，具有一定的理论意义和应用价值。步骤简单、操作方便、实用性强。

Description

一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料及制备方法、应用

技术领域

本发明属于土木格栅制造领域，特别涉及一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料及制备方法、应用。

背景技术

塑料土工格栅是一种以高分子聚合物为主要原料，加入一定的防紫外线助剂、抗老化助剂，经过挤出成板、冲孔、定向拉伸使原来散乱分布的链形高分子重新定向排列呈线性状态的高强度土工材料。一般的塑料土工格栅分为单向拉伸土工格栅和双向拉伸土工格栅两种。单向土工格栅在拉伸方向上有很高的抗拉强度，双向拉伸在横向、纵向上都具有一定的抗拉强度。在应用方面，双向土工格栅的应用领域更广一点。

目前，在土木工程中，除了这两种常见的土工格栅外，还有形式各异的塑料土工格栅，来满足不同客户的使用要求与工程条件。比如：多向土工格栅、土工网、土工格室等。

塑料土工格栅的生产工艺如下：将聚丙烯或聚乙烯、抗氧化剂、炭黑等原料混合均匀加入挤出机组的料筒中，在一定温度下熔融，经过螺杆挤出板材，挤出的板材经过一段时间的空冷后，经过冲孔模具进行冲孔得到排列规则的孔，冲孔后的板材经过加热后按照一定的拉伸速度和拉伸比拉开，成为单向土工格栅，单向土工格栅紧接着在横向方向上拉开在，则成为双向土工格栅。

我国塑料工业是国民经济的支柱产业之一，已步入世界塑料大国的行列。塑料已成为人类社会生活中不可缺的生产资料和生活资料。随着我国塑料工业的不断发展，废弃塑料再生利用越来越成为我国资源再生和环境保护事业的一个重要方面。解决塑料发展与环境问题的成功策略是实施“3R”战略，即塑料制品的减量(Reduce)，再使用(Reuse)和塑料废弃物的回收利用(Recycle)。

聚丙烯材料易老化降解,失去原有的透明度,表面泛黄、褪色,甚至完全粉化等。这种自然氧化对聚丙烯材料的破坏是相当大的,它不仅影响聚丙烯材料及其制品的表观,而且随着氧化的不断加深,聚丙烯材料将逐步丧失其原有的力学性能,如拉伸强度、冲击强度、弯曲强度等,并由此逐步失去使用价值。为了延长聚丙烯材料的使用寿命,抑制或者延缓聚丙烯材料的氧化降解,最常用的方法是加入抗氧剂。胡行俊指出：无论是热氧化老化还是光氧老化,大分子的叔丁基过氧化氢的形成是聚丙烯老化的关键性的一步。AdamsJH认为聚丙烯的老化与聚合物的氧化降解相同,它是一个具有链引发、链增长、链终止过程的自动氧化连锁反应。抗氧剂的作用就在于阻止聚丙烯自动氧化链反应的进行,或者阻止生成的活性游离基的传递,消除这类中间产物,使之变成稳定的化合物。

A.Alireza等利用废旧PP和废纸，添加适量的马来酸酐接枝PP(PP-g-MAH)，采用热压成型工艺制备了纤维增强复合材料，结果表明，PP-g-MAH可以很好地改善纤维与塑料基体之间的界面相容性，复合材料的弯曲强度、拉伸强度、使用性能等都有所提高。

G.Grubbstrom等对废旧低密度聚乙烯/木粉复合材料的力学性能进行了研究，结果显示经过交联处理的复合材料，其弯曲强度提高了2倍，抗蠕变性、强度和硬度都有提高。

姜亮等通过研究得出，玻璃纤维的含量对PP的性能有很大的影响。PP的力学性能一般随玻纤的增加而增加。玻纤的含量应控制在40％以下，玻纤超过40％时，PP的性能反而下降，成型工艺性能明显变差，玻纤含量为30％--40％时，力学性能达到峰值，玻纤含量低于20％时，力学性能提高幅度不大，玻纤含量增加，PP的密度、拉伸强度、弯曲弹性模量、缺口冲击强度、洛氏硬度、热变形温度等明显提高，断裂成型伸长率、成型收缩率减小，玻纤为30％的PP综合性能已达到了部分工程塑料性能标准。

YongsokSeo等研究了马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)与PP结晶机理的不同。结果表明：PP-g-MAH只以异相成核的方式进行结晶，而等规PP的结晶方式还包括均相成核。由于异相晶核数量的不同，PP-g-MAH的结晶速度比PP更快。PP的结晶度是一个重要的结构参数，许多宏观物理、力学性能都与结晶度直接相关。因此，PP-g-MAH具有优良的物理、力学性能。

北京化工大学的张永涛通过对拉伸规律的研究，确定了拉伸过程中细颈的产生与发展是聚丙烯土工格栅连续生产的关键。当聚丙烯的应力-应变曲线有上扬部分时,可进行连续拉伸。研究表明聚丙烯土工格栅专用料拉伸行为的影响因素即聚丙烯内在结构和结晶状态、聚丙烯内在质量的稳定性。在气相法聚丙烯工业装置上试生产得到了生产低熔体流动速率的双向拉伸土工格栅均聚聚丙烯专用料T1701和T1702的最佳聚合、造粒工艺参数。通过试验研究,找到了最佳助剂配方,确定了最适宜的造粒操作条件。研制开发的双向拉伸聚丙烯土工格栅专用树脂,其性能指标符合攻关技术要求,达到了与国外同类产品相当的质量水平。

左英飞等人评价了双向拉伸土工格栅聚丙烯专用树脂T1701的性能,并与市场上的同类国外产品做了对比分析。结果表明：T1701产品具有良好的分子结构和加工流变性能,熔体拉伸强度较高,利于成型加工。

王清标等人通过对玻塑复合土工格栅的原料、工艺流程、性能指标的介绍，并通过现场拉伸试验，对不同温度下格栅的纵向、横向断裂强度以及断裂伸长率进行了分析研究，得到如下研究结论：格栅条带采用纤维材料，能够抵抗侵蚀和气候变化，保证其性能的稳定性；格栅的断裂强度与温度呈正相关，断裂伸长率与温度呈负相关，并经过一定时间后趋于稳定；结构采用特殊工艺，提高了格栅的抗剥离撕裂强度和对土体的嵌锁咬合能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料及制备方法、应用。在土工格栅的生产过程中，聚丙烯回收料或再生料的加入降低了生产投资成本，又节约了资源，减少了环境污染，但会对产品的力学性能有一定负面影响。因此，在降低成本的情况之下通过材料改性方法提高土工格栅材料的力学性能使其满足实际应用要求，具有一定的理论意义和应用价值。

现有技术普遍采用玻璃纤维对聚丙烯新料进行改性，大幅提高了聚丙烯新料(即：本发明中的聚丙烯专用料)的性能。因此，研究中，本发明首先采用玻璃纤维对聚丙烯回收料和聚丙烯新料进行共同改性，以期获得较优的力学性能，但实验结果表明：由于聚丙烯回收料多为聚丙烯板材切边和冲孔工序中产生的废料或经过高温拉伸后切边产生的废料，成分复杂，性能不稳定；改性过程中，聚丙烯回收料会对聚丙烯全新料的性能产生一定的削弱作用，产品的力学性能不佳。为此，本发明在综合分析聚丙烯材料的拉伸成型过程与形成理论的基础上，对纤维单向增强聚丙烯回收料的作用机制进行了探讨，结果表明：玻璃纤维的质量分数对三元复合材料体系的取向分布和分散均匀性有较大影响，当玻璃纤维的质量分数为5％～15％时，制备的三元复合材料具有较优的宏观力学性能，能够满足土木格栅的实用性要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料10％～30％；玻璃纤维5％～15％；余为聚丙烯专用料。

本发明重点讨论纤维单向增强树脂当受到轴向拉伸作用的情况，并根据上述发现确定了本发明的原料比例。受增强的材料在未受到载荷作用时，基体材料以及纤维中是不存在应变的。当基体受到了外加的拉伸负载作用时，应力集中便产生在纤维的两端部位，并且在纤维的周围存在应力小于平均应力的椭圆区域，如此纤维通过降低基体的平均应力而达到增强效果。当基体受到纵向拉伸时，基体因为外力的影响而发生形变。基体的模量要比纤维的模量小，并且两者又紧密结合，因而纤维制约了基体的形变并将载荷传递至纤维上，如此载荷就由纤维和基体共同承担。因为纤维的刚度、强度都远高于基体，因而纤维的加入提高了材料的力学性能。当基体中存在比较多的玻璃纤维时，纤维两端存在的应力集中被搭接效应消除，因而应力在纤维之间呈现均匀分布的情况。

优选的，上述塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料10％～20％；玻璃纤维5％～10％；余为聚丙烯专用料。

优选的，上述塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料20％～30％；玻璃纤维10％～15％；余为聚丙烯专用料。

玻璃纤维普遍存在性脆，耐磨性较差的缺点，研究发现：当无碱玻璃纤维中碱含量在1％以下，本发明的复合材料具有更好的刚度、强度以及抗老化性能。

短切纤维具有良好的集束性及流动性，不起球，在双螺杆挤出机混合物料进料口或者双螺杆挤出机侧向喂料口处不会搅拌起毛，适合于增强热塑性塑料聚丙烯。

因此，优选的玻璃纤维的直径为1-9mm，

更优选的为4mm。

优选的，所述玻璃纤维是由经过硅烷偶联剂处理的长纤维短切而成。经过硅烷偶联剂处理，纤维材料具有了更优的化学及物理吸附作用和界面结合能力，对聚丙烯回收料产生一定激发作用，使复合材料的刚度、强度以及抗老化性能得到提高。

聚丙烯的改性方法主要包括化学改性、物理改性两大类。其中，化学改性包括共聚改性、接枝改性、交联改性、氯化改性等；物理改性包括填充改性、增强改性、共混改性等。研究中发现：就本发明的三元复合材料体系而言，采用机械共混改性可获得更优的宏观力学性能。

所述复合材料由预混料经机械共混改性后，再挤出、高温拉伸而成。

本发明中所述的共混改性是指用塑料、橡胶或热塑性弹性体与被改性材料共混，以改善韧性和低温脆性。通过共混改性可改善耐低温冲击性、透明性、着色性、抗静电性以及降低成本。

更优选的，所述高温拉伸的拉伸比为12。

本发明还提供了一种塑料土工格栅，采用任一上述的聚丙烯改性三元复合材料制备而成。

本发明上述的塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料可用于软地基加固、公路路面加固、治理水土流失、防护的边坡、回填土坡中等方面。

本发明的有益效果：

1、本发明简要阐述了聚丙烯材料的基本性能以及所用到的土工格栅聚丙烯专用料的基本特性，阐述了聚丙烯材料的拉伸成型过程与形成理论，并对聚丙烯材料改性研究方法和手段进行了总结阐述；

2、对本发明所用聚丙烯回收料的基本性能与老化程度进行了表征，并运用实验方法研究了聚丙烯回收料对土工格栅聚丙烯专用料的宏观性能的影响；

3、对聚丙烯常用增强改性材料玻纤(玻璃纤维)的分类与应用进行了阐述，通过实验研究了玻纤材料对土工格栅聚丙烯专用料性能影响；

4、通过正交试验研究了土工格栅聚丙烯专用料/玻纤/聚丙烯回收料三元复合材料的性能随玻纤与聚丙烯回收料含量的不同而变化的规律，并找到性能优异，成本较低的配方。

附图说明

图1单向拉伸土工格栅和双向拉伸土工格栅

图2新型土工格栅

图3塑料土工格栅生产工艺流程

图4聚丙烯回收料原料

图5PP1535颗粒

具体实施方式

以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例1

1.原料的准备

1.1聚丙烯回收料的来源

本文所使用的聚丙烯回收料来源于上海田强环保科技有限公司的聚丙烯回收料：PP1535，该公司所生产的聚丙烯回收料原料全部是工业废料、边角料、打包带等，供货稳定、工艺统一、绿色环保。

表1-1PP1535基本参数

1.2塑料土工格栅专用料T1701的基本性能

塑料土工格栅聚丙稀树脂,产品牌号为T1701。

表1-2T1701基本参数

1.3玻纤增强聚丙烯的实验研究

1.3.1实验材料准备

本次研究中所使用的玻纤材料采用一级4mm短切玻璃纤维，来源于深圳市纤谷科技有限公司。该种玻纤具体的技术参数见表1-3。

表1-3玻纤技术参数

Table1-3parametersofglassfiber

使用的聚丙烯材料为北京燕山石化有限公司提供的土工格栅专用料T1701。

2.回收料/玻纤/T1701三元复合材料的性能研究

由于回收料的加入会削弱复合材料的力学性能，故考虑通过加入玻纤增强材料对复合材料进行增强，改善复合材料的性能。本章将会对回收料PP1535/玻纤/T1701三元复合材料的性能展开研究。根据实验结果得出三元复合材料性能随着回收料PP1535以及玻纤增强材料所含质量比的变化而变化的规律，最终达到能对实际生产以及产品设计起到指导作用的目的。

2.1正交实验

2.1.1实验方案设计

正交试验设计(orthogonaldesign)简称正交设计(orthoplan)，它是利用正交表(orthogonaltable)科学地安排与分析多因素试验的方法。是最常用的试验设计方法之一。正交表是根据正交原理设计的，已规范化的表格，它是正交设计中安排试验和分析试验结果的基本工具。

本次研究中存在三个因素：回收料PP1535在三元复合材料中的质量比、玻纤材料在三元复合材料中的质量比以及高温拉伸时的不同拉伸比，并且每种因素根据之前的实验研究确定出合理的四个水平，回收料PP1535在三元复合材料中的质量比选择5％、10％、20％、40％四个水平，玻纤材料在三元复合材料中的质量比选择5％、10％、20％、30％四个水平，高温拉伸时的拉伸比选择6、8、10、12四个水平。为了节省试验次数，一般应尽量选用较小的正交表，现在取五因素(两个空白因素)四水平的正交表，见表2-1。这个表最多安排五个因子，需要进行16次试验。

表2-1五因素四水平正交表

Table2-1Orthogonaltablewithfivefactorsandfourlevels

将实验水平代入到正交表中，构成本次实验的实验方案，如表2-2所示。

表2-2正交实验方案

Table5-2Orthogonalexperimentscheme

2.1.2正交实验结果

为了分析各个因素对材料性能的影响，将运用表观分析法来分析室温拉伸后样条的拉伸强度与断裂伸长率。

(1)挤出工艺下正交实验结果分析

表2-3中所展示的是挤出工艺下三元复合材料的拉伸强度指标的直观分析结果。

表2-3直观分析法结果(拉伸强度)

Table2-3Theresultsofintuitiveanalysis(tensilefracturestrength)

从表中可以看出由于R3＞R2＞R1，即拉伸比＞玻纤质量比＞PP1535质量比，并且三者数值的差距较大，由此得出，在实验研究范围内，三个因素会对三元复合材料的拉伸强度产生不同程度的影响，其中，高温拉伸时的拉伸比与玻纤材料的质量比两者的影响力会更高一点。由表格中数据可知，在回收料PP1535质量比水平下，K3＞K2＞K1＞K4，在玻纤质量比水平下，K2＞K1＞K3＞K4，在高温拉伸比水平下，K4＞K3＞K2＞K1。所以，三种因素下应该选择20％的回收料PP1535，10％的玻纤质量比以及数值为12的高温拉伸比。

表2-4中所展示的是挤出工艺下三元复合材料的断裂伸长率指标的直观分析结果。

表2-4直观分析法结果(断裂伸长率)

Table2-4Theresultsofintuitiveanalysis(elongationatbreak)

从表中可以看出由于R2＞R1＞R3，即玻纤质量比＞PP1535质量比＞拉伸比，并且R1、R2的数值较大，由此得出，在实验研究范围内，三个因素会对三元复合材料的断裂伸长率产生不同程度的影响，其中，PP1535质量比与玻纤材料的质量比两者的影响力会更高一点。由表格中数据可知，在回收料PP1535质量比水平下，K4＞K2＞K3＞K1，在玻纤质量比水平下，K1＞K2＞K3＞K4，在高温拉伸比水平下，K4＞K2＞K3＝K1。所以，三种因素下应该选择40％的回收料PP1535，5％的玻纤质量比以及数值为12的高温拉伸比。

通过正交实验研究得出：就针对拉伸强度而言，当回收料PP1535质量比在10％～30％之间，玻纤质量比在5％～15％之间时，得到的产品拉伸强度要高于100％土工格栅专用料T1701生产的产品的力学性能，并且成本要低于100％土工格栅专用料T1701生产的产品的成本(强度提高10％左右，成本降低8％左右)。

实施例2

一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料10％；玻璃纤维5％；余为聚丙烯专用料。

制备方法同实施例1。

实施例3

一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料30％；玻璃纤维15％；余为聚丙烯专用料。

制备方法同实施例1。

实施例4

一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料20％；玻璃纤维10％；余为聚丙烯专用料。

制备方法同实施例1。

实施例5

一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料10％；玻璃纤维5％；余为聚丙烯专用料，所述玻璃纤维的直径为1mm。

制备方法同实施例1。

实施例6

一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料30％；玻璃纤维15％；余为聚丙烯专用料，所述玻璃纤维的直径为9mm。

制备方法同实施例1。

实施例7

一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料20％；玻璃纤维10％；余为聚丙烯专用料；所述玻璃纤维经偶联处理。

制备方法同实施例1。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料10％～30％；玻璃纤维5％～15％；余为聚丙烯专用料。

2.一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料10％～20％；玻璃纤维5％～10％；余为聚丙烯专用料。

3.一种塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料组成：聚丙烯回收料20％～30％；玻璃纤维10％～15％；余为聚丙烯专用料。

4.如权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维中碱含量在1％以下。

5.如权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维的直径为1-9mm，优选的为4mm。

6.如权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维是由经过硅烷偶联剂处理的长纤维短切而成。

7.如权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料由预混料经机械共混改性后，再挤出、高温拉伸而成。

8.如权利要求7所述的复合材料，其特征在于，所述高温拉伸的拉伸比为12。

9.一种塑料土工格栅，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的聚丙烯改性三元复合材料制备而成。

10.权利要求1-8任一项所述的塑料土工格栅用聚丙烯改性三元复合材料在软地基加固、公路路面加固、治理水土流失、防护的边坡、回填土坡中的应用。