CN106117733A

CN106117733A - 高强土工格栅及其制备方法

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Publication number: CN106117733A
Application number: CN201610514016.3A
Authority: CN
Inventors: 施建华; 杨增光; 王国表; 袁东恩; 吴虎
Original assignee: Tianhong Construction Group Co Ltd
Current assignee: Tianhong Construction Group Co Ltd
Priority date: 2016-07-02
Filing date: 2016-07-02
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-07-02
Also published as: CN106117733B

Abstract

本发明公开了一种高强土工格栅，经由下列重量份的组分原料加工而成：基体树脂100份；热塑性弹性体20~30份；增强填料20~40份；光稳定剂5~10份；抗氧剂1~5份；邻苯二甲酸酯增塑剂1~3份；交联剂1~3份，经本发明制备的土工格栅具有优异的耐光照辐射的能力，在光照84h后，拉伸强度的保持率在98%左右，显著延缓了土工格栅发生老化，减小土工格栅的变形、损坏。

Description

高强土工格栅及其制备方法

技术领域

本发明涉及土工格栅，特别涉及一种高强土工格栅及其制备方法。

背景技术

随着我国建设事业的飞速发展，在道路施工中选用土工格栅铺设在土木工程中，土工格栅大多是采用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具有一定高度的三维立体网格屏栅，土工格栅可以作为高强加筋土工带，能有效地提高加筋承载面的嵌锁、咬合作用、极大程度地增强地基的承载力、有效地约束土体的侧向位移，增强地基稳固性能。

土工格栅分为塑料土工格栅，是在经挤压制出的聚合物板材上冲孔，然后在加热条件下施行定向拉伸制成；钢塑土工格栅是以高强钢丝与聚乙烯，并添加其他助剂，通过挤出使之成为复合型高强抗拉条带，采用特殊强化粘接的熔焊技术焊接其交接点而成型；玻璃纤维土工格栅是以玻璃纤维为材质，采用一定的编织工艺并经特殊的涂覆处理工艺制成的网状结构材料，目前，仍以塑料土工格栅作为主流。

现有专利中申请公布号为CN 104818704A的中国专利公开了一种PBO纤维高强土工格栅，该种格栅采用PBO纤维增强热塑性聚合物材料制备土工格栅筋条包覆层，使其具有优异的强度、耐腐蚀以及抗老化的性能。

但是，上述格栅以及现有技术中的大部分格栅在铺设完成后，需要在48小时之内进行填土，否则因阳光暴晒后，土工格栅受紫外线辐射发生老化、变形、破损。

发明内容

本发明的目的是提供一种受紫外线照射不易发生老化、形变和破损的高强土工格栅及其制备方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种高强土工格栅，经由下列重量份的组分原料加工而成：

通过采用上述技术方案，该基体树脂具有较好的强度与韧性，向基体树脂中加入热塑性弹性体，增强了基体树脂的耐候性与耐老化性，同时使格栅的弹性能进一步增强，提高了该格栅的抗冲击性能；向基体树脂与热塑性弹性体的共混物中加入增强填料，使制得的格栅具有优异的强度，在道路施工中起到良好的支撑作用，向反应体系内加入光稳定剂、抗氧剂，二者能够产生协同作用，能够有效抑制基体树脂与热塑性弹性体分子链中的双键发生断裂而产生自由基，自由基与氧气反应引起进一步地破坏，使制备的格栅能够抵抗因阳光照射发生老化，避免因老化对格栅造成变形、破损；邻苯二甲酸酯增塑剂是一种可显著增强树脂的流动性的增塑剂，对树脂和弹性体均有良好的相容性，同时兼具毒性低、电性能好、挥发性小、气味小、耐候性好的优点，将它与抗氧剂共同作用时，可促进抗氧剂对紫外线的吸收，更加减缓了受紫外线照射发生老化，造成该格栅的变形、破损，经该配方制备的土工格栅具有优异的强度、抗冲击性能、耐阳光辐射、耐老化的特性，可延长铺设土工格栅完成后填土的时间，同时保持土工格栅良好的支撑强固作用。

本发明进一步设置为：所述基体树脂为PE、PP、PVC、HIPS中的一种或几种与酚醛树脂的混合物，所述酚醛树脂在PE、PP、PVC、HIPS中的一种或几种与酚醛树脂的混合物中的重量百分比为20～30％。

通过采用上述技术方案，PE、PP、PVC和HIPS是常用的热塑性塑料体，可大量使用作为该土工格栅的基体树脂，同时，基体树脂中包含酚醛树脂，酚醛树脂具有优异的耐弱酸和弱碱性，适合在户外天气中使用，具有优异的耐候性、耐老化性与抗腐蚀性，在基体树脂中酚醛树脂的添加量在20～30％时，酚醛树脂与热塑性塑料体产生协同作用，能够使基体树脂保持优异的抗冲击强度、良好的硬度与耐老化性能。

本发明进一步设置为：所述热塑性弹性体为三元乙丙与丁苯橡胶的混合物，其中三元乙丙橡胶在三元乙丙与丁苯橡胶的混合物中的重量百分比为40～60％。

通过采用上述技术方案，三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯和非共轭二烯烃的共聚物，密度在0.86～0.9kg/m³，是密度最轻的常用橡胶，能够吸收大量的填料和油性填料而影响不大，冲击回弹性好，其主链是由化学稳定的饱和烃组成，侧链中合有不饱和双键，具有优异的耐酸碱、有机溶剂的特性；丁苯橡胶是聚苯乙烯和丁二烯共聚物，兼具聚苯乙烯的硬度和丁二烯的柔性，具有优异的弹性以及耐磨性；将三元乙丙橡胶与丁苯橡胶共混，增加了共混物中有机基团的多样性，二者实现优势互补，使抗冲击强度得到大幅度提高，同时可弥补基体树脂的耐老化性差的特性，当三元乙丙橡胶在共混物中的重量百分比为40～60％时，共混物具有最佳的回弹性，抗冲击强度达到最大；同时，该共混物以上述比例混合时，还可填充大量的其他组分，具有优异的可填充性。

本发明进一步设置为：所述增强填料为纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、滑石粉中的一种或几种与碳纳米管的混合物，所述碳纳米管在纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、滑石粉中的一种或几种与碳纳米管的混合物中的重量百分比为5～10％。

通过采用上述技术方案，纳米碳酸钙又称为超微细碳酸钙，可改善塑料制品加工过程中的流动性，提高其成型性，还具有优异的分散性能可均匀分散在基体树脂与热塑性弹性体的共混物中；滑石粉为白色微细无砂性的粉末，具有优良的润滑性、抗黏性、抗酸性、化学稳定性、良好的遮盖力和柔软性，在基体树脂与热塑性弹性体的共混体系中充当增强增韧的作用，增加产品形状的稳定性，增加张力强度、剪切强度，减小变形伸张率和热膨胀系数，可均匀分散在基体树脂与热塑性弹性体的共混物中；纳米二氧化硅是超细纳米级的白色粉末，可均匀分散在热塑性弹性体与基体树脂共混物的空隙中，提高该共混物的抗拉强度与抗冲击强度，同时，能够改善共混物的加工流动性，使加工的复合材料质地均匀，强度较高；碳纳米管是指呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，其中碳原子以sp²杂化为主，使其具有高模量和高强度，在增强填料中碳纳米管的添加量为5～10％时，碳纳米管与其他填料具有最优的复配比，制得的土工格栅具有最佳的力学强度与柔韧性；同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，p轨道彼此交叠在碳纳米管层外形成高度离域的大π键，具有较好的光屏蔽作用，π键有利于碳纳米管与其他带双键的填料构成共轭结构，起到增强作用的同时又提高了该共混材料的光稳定性。

本发明进一步设置为：还包括0～20份纤维填料，所述纤维填料为碳纤维、玻璃纤维、钢纤维中的一种或几种的任意组合。

通过采用上述技术方案，碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，具有较高的比强度、比刚性，轻量化效果十分显著，耐疲劳性好、热膨胀系数小且具有各向异性、耐腐蚀性好；玻璃纤维是性能优异的无机非金属材料，具有优异的绝缘性，抗腐蚀性，机械强度高，但存在着性脆的缺陷，与上述碳纳米管复配使用后，可弥补该玻璃纤维存在的性脆的缺陷，使该土工格栅具有优异的抗冲击性；钢纤维是以切断细钢丝法、冷轧带钢剪切、钢锭铣削或钢水快速冷凝法制成长径比为40～80的纤维，可与基体树脂与热塑性弹性体的共混物进行混合，提高该共混物的硬度，在道路施工中起到优异的支撑强固作用。

本发明进一步设置为：所述纤维填料的长度为1～5mm。

通过采用上述技术方案，采用短切纤维添加到基体树脂与热塑性弹性体的共混物中，长度为1～5mm，可保证纤维填料与共混物之间共混更加均匀，使共混后的复合材料具有优异的强度性能，而长度大于5mm的纤维则不容易均匀分散在共混物中，混合不均匀导致该复合材料的强度降低。

本发明进一步设置为：所述光稳定剂选用2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、邻羟基苯并三唑、水杨酸-4-叔丁基苯酯中的一种。

通过采用上述技术方案，2-羟基-4-正辛氧基二苯甲铜与大多数聚合物相容，特别是与聚烯烃有很好的相容性，挥发性低，具有优异的吸收紫外线的性能，且能吸收300～375nm的紫外线；邻羟基苯并三唑能够较强烈地吸收310～385nm的紫外光，热稳定性优良，挥发性小，有抗氧作用，与其他树脂的相容性较好；水杨酸-4-叔丁基苯酯是较廉价的紫外线吸收剂，与各种树脂的相容性好，性能良好，可用于聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯以及热塑性弹性体中，能够吸收波长为350nm以下的紫外线，同时，具有优异的耐候性，可应用于户外建筑施工中。

本发明进一步设置为：所述抗氧剂选用二苯胺或者对苯二胺。

通过采用上述技术方案，二苯胺和对苯二胺都是具有较好的抗氧化作用的抗氧剂，能够抑制或者延缓聚合物分子链断裂产生自由基的物质，在与光稳定剂共同作用时，由于合有芳烃结构，对光具有屏蔽作用，可显著提高该复合材料耐光照辐射的作用，从而延缓土工格栅的耐老化性能。

本发明还提供了一种高强土工格栅的制备方法，包括如下步骤：

(1)将增强填料、纤维填料在100℃烘箱内进行干燥处理；

(2)按基体树脂100份、热塑性弹性体20～30份、增强填料20～40份、光稳定剂5～10份、抗氧剂1～5份、邻苯二甲酸酯增塑剂1～3份、交联剂1～3份进行称料，将基体树脂、热塑性弹性体、增强填料、纤维填料加入到高速混合机中，高速混合5～10min；再向共混机中加入光稳定剂、抗氧剂、邻苯二甲酸酯增塑剂和交联剂，高速混合10～20min；

(3)将上述共混物放入挤出机中进行熔融挤出，挤出机料筒温度为192～212℃，挤出机螺杆的转速为180～220r/min；

(4)将上述熔体通过三辊压延机成型板材，再经冲压机使用模具进行冲孔，经孔板升温到82～102℃后拉伸即可。

通过采用上述技术方案，制得的土工格栅具有优异的耐光照辐射，延缓因光照辐射造成自身材质的老化，同时，该土工格栅具有优异的硬度、抗冲击强度和良好的回弹性能。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、基体树脂中采用热塑性树脂与热固性酚醛树脂进行共混，制得的基体树脂具有优异的耐候性、耐老化性以及抗冲击性；同时，将基体树脂与热塑性弹性体进行混合，具有优异的抗冲击性能、耐老化与耐腐蚀性能；

2、光氧化剂与抗氧剂起到协同作用，二者实现优势互补，可增强复合材料抵抗紫外线的能力，延缓复合材料发生老化、变形等；

3、邻苯二甲酸酯增塑剂可提高共混体系的加工流动性，同时，邻苯二甲酸酯增塑剂可促进抗氧剂的抗氧作用，能够抑制聚合物分子链产生自由基；

4、选用纳米填料与碳纳米管复配进行增强，可显著提高该复合材料的柔韧性，增强该复合材料的回弹性能，同时，碳纳米管具有高度离域的大π键，π键有利于碳纳米管与其他带双键的填料形成共轭结构，起到了该复合材料的光稳定性。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

检测方法：

(1)拉伸及弯曲性能参照ASTM D238标准在INSTRON-1121型拉伸弯曲试验机上进行测定；

(2)冲击性能参照ASTM D256标准在JJ-20型冲击试验机上进行测定；

(3)耐光老化：选用美国ATLAS公司生产的Ci300+氙气老化试验箱对紫外性能进行检测，光源采用4500w水冷氙灯，波长范围300～400nm，辐照度为90w/m²，相对湿度10％，测试样品与光源距离为500mm。

实施例一：

(1)将20份纳米碳酸钙、1份碳纳米管在100℃烘箱内进行干燥处理；

(2)称取80份PE、20份酚醛树脂、10份三元乙丙橡胶、15份丁苯橡胶、20份纳米碳酸钙、1份碳纳米管加入到高速混合机中，高速混合10min；再向高速混合机中加入5份2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、1份二苯胺、1份邻苯二甲酸二异辛酯和1份交联剂，高速混合20min；

(3)将上述共混物放入挤出机中进行熔融挤出，挤出机料筒温度为192℃，挤出机螺杆的转速为180r/min；

(4)将上述熔体通过三辊压延机成型板材，再经冲压机使用模具进行冲孔，经孔板升温到82℃后拉伸即可。

实施例二：

(1)将25份纳米二氧化硅、1.2份碳纳米管、5份碳纤维在100℃烘箱内进行干燥处理；

(2)称取77份PP、23份酚醛树脂、12份三元乙丙橡胶、12份丁苯橡胶、25份纳米二氧化硅、1.2份碳纳米管和5份碳纤维加入到高速混合机中，高速混合10min；再向高速混合机中加入6份邻羟基苯并三唑、2份对苯二胺、1.5份邻苯二甲酸二异辛酯和1份交联剂，高速混合20min；

实施例三：

(1)将30份滑石粉、1.5份碳纳米管、10份玻璃纤维在100℃烘箱内进行干燥处理；

(2)称取75份PVC、25份酚醛树脂、15份三元乙丙橡胶、10份丁苯橡胶、30份滑石粉、1.5份碳纳米管和10份玻璃纤维加入到高速混合机中，高速混合10min；再向高速混合机中加入7份水杨酸-4-叔丁基苯酯、3份二苯胺、2份邻苯二甲酸二异辛酯和1份交联剂，高速混合20min；

实施例四：

(1)将28份纳米碳酸钙、3份碳纳米管、15份钢纤维在100℃烘箱内进行干燥处理；

(2)称取72份HIPS、28份酚醛树脂、8份三元乙丙橡胶、12份丁苯橡胶、28份纳米碳酸钙、3份碳纳米管和15份钢纤维加入到高速混合机中，高速混合10min；再向高速混合机中加入8份2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、4份对苯二胺、2.5份邻苯二甲酸二异辛酯和1份交联剂，高速混合20min；

实施例五：

(1)将20份纳米碳酸钙、20份纳米二氧化硅、3份碳纳米管、20份碳纤维在100℃烘箱内进行干燥处理；

(2)称取35份PP、35份PVC、30份酚醛树脂、10份三元乙丙橡胶、12份丁苯橡胶、20份纳米碳酸钙、3份碳纳米管和20份碳纤维加入到高速混合机中，高速混合10min；再向高速混合机中加入10份水杨酸-4-叔丁基苯酯、5份二苯胺、3份邻苯二甲酸二异辛酯和1份交联剂，高速混合20min；

对比例一：与实施例二相比，缺少酚醛树脂。

对比例二：与实施例二相比，缺少光稳定剂。

对比例三：与实施例二相比，缺少抗氧剂。

对比例四：与实施例二相比，缺少光稳定剂、抗氧剂。

对比例五：与实施例二相比，缺少碳纳米管。

对比例六：与实施例二相比，缺少碳纳米管、抗氧剂。

拉伸、弯曲及抗冲击性能的检测结果如下表所示：

由上表可知，按照实施例制得的土工格栅具有优异的抗拉强度、弯曲强度和冲击强度，而基体树脂中缺少酚醛树脂的试样，土工格栅的抗拉强度、弯曲强度和冲击强度均有下降；缺少碳纳米管的试样，其抗拉强度、弯曲强度和冲击强度显著下降。

耐光老化性能的检测结果如下表所示：

由上表可知，光稳定剂与抗氧剂产生协同作用，有利于该土工格栅具有较好的耐光照辐射能力，光照84h后，其拉伸强度的保持率为98％左右，同时，试验验证了碳纳米管能够促进抗氧剂发挥抗氧作用。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种高强土工格栅，其特征在于经由下列重量份的组分原料加工而成：

基体树脂 100份；

热塑性弹性体 20~30份；

增强填料 20~40份；

光稳定剂 5~10份；

抗氧剂 1~5份；

邻苯二甲酸酯增塑剂 1~3份；

交联剂 1~3份。

2.根据权利要求1所述的高强土工格栅，其特征在于：所述基体树脂为PE、PP、PVC、HIPS中的一种或几种与酚醛树脂的混合物，所述酚醛树脂在PE、PP、PVC、HIPS中的一种或几种与酚醛树脂的混合物中的重量百分比为20~30%。

3.根据权利要求1所述的高强土工格栅，其特征在于：所述热塑性弹性体为三元乙丙与丁苯橡胶的混合物，其中三元乙丙橡胶在三元乙丙与丁苯橡胶的混合物中的重量百分比为40~60%。

4.根据权利要求1所述的高强土工格栅，其特征在于：所述增强填料为纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、滑石粉中的一种或几种与碳纳米管的混合物，所述碳纳米管在纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、滑石粉中的一种或几种与碳纳米管的混合物中的重量百分比为5~10%。

5.根据权利要求1所述的高强土工格栅，其特征在于：还包括0~20份纤维填料，所述纤维填料为碳纤维、玻璃纤维、钢纤维中的一种或几种的任意组合。

6.根据权利要求5所述的高强土工格栅，其特征在于：所述纤维填料的长度为1~5mm。

7.根据权利要求3所述的高强土工格栅，其特征在于：所述光稳定剂选用2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、邻羟基苯并三唑、水杨酸-4-叔丁基苯酯中的一种。

8.根据权利要求7所述的高强土工格栅，其特征在于：所述抗氧剂选用二苯胺或者对苯二胺。

9.一种高强土工格栅的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将增强填料、纤维填料在100℃烘箱内进行干燥处理；

（2）按基体树脂100份、热塑性弹性体20~30份、增强填料20~40份、光稳定剂5~10份、抗氧剂1~5份、邻苯二甲酸酯增塑剂1~3份、交联剂1~3份进行称料，将基体树脂、热塑性弹性体、增强填料、纤维填料加入到高速混合机中，高速混合5~10min；再向共混机中加入光稳定剂、抗氧剂、邻苯二甲酸酯增塑剂和交联剂，高速混合10~20min；

（3）将上述共混物放入挤出机中进行熔融挤出，挤出机料筒温度为192~212℃，挤出机螺杆的转速为180~220r/min；

（4）将上述熔体通过三辊压延机成型板材，再经冲压机使用模具进行冲孔，经孔板升温到82~102℃后拉伸即可。