CN109942956A - 一种土工格栅用复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土工格栅用复合材料及其制备方法，所述土工格栅用复合材料由如下重量份的原料制成：聚丙烯100‑150份、碳纤维6‑8份、黄麻纤维10‑20份、相容剂2‑4份。采用本发明的复合材料制备的土工格栅具有优异的力学性能和抗蠕变性能，而且使用寿命长，制备成本低。

Description

一种土工格栅用复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及土木格栅制造技术领域，具体涉及一种土工格栅用复合材料及其制备方法。

背景技术

土工格栅是由聚丙烯、高密度聚乙烯、聚酯纤维、玻璃纤维等聚合物材料以拉伸、编制或焊接等工艺进行加工后，形成具有规则网孔且强度较高的土工合成材料。土工格栅作为一种新型建筑材料，具有抗拉能力强、变性小、耐腐蚀、寿命长、施工便捷、造价低等优势，自产生以来，已被广泛应用于铁路及公路路基、港口、码头、防洪水坝、挡墙、隧洞、边坡防护以及矿山巷道等加筋土工程。

随着社会对道路、建筑等工程质量要求的不断提高，工程对土工格栅的性能及功能要求也越来越高。然而目前的土工格栅产品通常只具有单一的加筋效果，并且由于其自身的材料强度和设计的问题，导致土工格栅在实际工程中的抗拉伸强度较低，实际起到的加筋效果有限。

另外，蠕变是指材料在一定温度和恒定荷载的作用下，应变随时间增长的现象。蠕变是土工合成材料的一种重要特性，是高聚物材料独特粘弹性的一种体现。由于高聚物分子链结构的不同、柔性的差异，相同条件下分子链运动状态的不同，宏观上蠕变行为也存在显著差别。土工格栅作为加筋材料用在挡土墙、桥台、堤坡等建筑物结构中，其蠕变量必须限制在一定的范围内，但现有土工格栅的抗蠕变性能仍有待提高。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种土工格栅用复合材料及其制备方法。采用本发明的复合材料制备的土工格栅具有优异的力学性能和抗蠕变性能，而且使用寿命长，制备成本低。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种土工格栅用复合材料，由如下重量份的原料制成：

聚丙烯100-150份、碳纤维6-8份、黄麻纤维10-20份、相容剂2-4份。

优选的，所述土工格栅用复合材料，由如下重量份的原料制成：

聚丙烯120份、碳纤维7份、黄麻纤维15份、相容剂3份。

作为优选，所述聚丙烯的熔体质量流动速率(MFR)230/2.16为1.4-1.8g/10min；聚丙烯的数均分子量(Mn)为14-18万，其中，相对分子质量为15万的聚丙烯所占的质量百分比为60-80％。

聚丙烯原料选择直接影响制备的土工格栅产品的质量，其中，MFR会影响最终制备的土工格栅的拉伸性能和冲击性能。聚丙烯分子链末端是材料固有的微观损伤，相对分子质量越大，单位体积内链末端数越少，强度越高，直至临界值；另外，相对分子质量越大，分子链越长，晶片间的连接分子越多，大分子间有较多的缠结，有利于提高土工格栅的长期抵抗蠕变能力。但相对分子质量也不宜过大，相对分子质量过大会增加原料的制备成本。另外，当平均分子量一定时，分子量分布越宽，低分子量级分含量增加，单位体积内的分子数增多，链末端数增大，强度下降，因此，聚丙烯原料的分子量分布会影响土工格栅的力学性能和抗蠕变性能。本发明通过对聚丙烯原料的MFR、数均分子量和分子量分布的优化考察，结果发现，聚丙烯原料的MFR在1.4-1.8g/10min、数均分子量在14-18万，其中，相对分子质量为15万的聚丙烯所占的质量百分比为60-80％时，既能提高土工格式的强度和抗蠕变能力，又有利于加工成型。

作为优选，所述碳纤维为短切碳纤维，其类型为T300SC-1200-50C。碳纤维具有较高的热阻性和强度，在聚丙烯基体中加入碳纤维能够提高土工格栅的抗冲击性和抗高温性。

作为优选，所述黄麻纤维由如下方法制备而成：

将黄麻的茎部用质量浓度为6-10％的NaOH水溶液在60-80℃条件下浸泡处理30-60min；然后采用高浓磨浆机进行磨浆，得到浆液；向浆液中加入含有纤维素酶的水溶液，在30-40℃条件下酶解2-4h；然后将酶解后的浆液采用对撞流干燥的方法进行干燥，所述对撞流干燥的参数条件为：气流温度120-140℃，气流速度35-40m/s，载带率0.02-0.03kg/kg。

更优选的，所述磨浆采用二道磨浆，第一道磨浆浓度为12-14％，磨浆间隙为0.2mm；第二道磨浆浓度为6-10％，磨浆间隙为0.1mm。

更优选的，所述含有纤维素酶的水溶液中，纤维素酶的质量浓度为1-2％；浆液与含有纤维素酶的水溶液加入的体积比为1:1。

由于黄麻纤维素分子中存在大量羟基，采用传统方法干燥脱水后，纤维素大分子链内部及其之间更易成氢键结合，从而絮聚成团。本发明采用对撞流干燥方法干燥黄麻纤维，不仅可以提高干燥过程的传质传热效果，而且可以利用热气流与湿物料之间产生的剪切力、冲击力及物料之间产生的摩擦力来分散纤维，防止纤维干燥失水后絮聚成团。采用本发明方法制备的黄麻纤维，其抗拉伸强度和柔韧性均得到了本质上的提升。

作为优选，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)。马来酸酐接枝聚丙烯可以有效改善碳纤维、黄麻纤维与聚丙烯基体之间的粘合性。

本发明的第二方面，提供上述复合材料在制备土工格栅中的应用。

本发明的第三方面，提供一种土工格栅，以上述的复合材料为原料，按如下方法制备而成：

(1)将聚丙烯、短切碳纤维、黄麻纤维和相容剂混合，经熔融共混造粒；

(2)将造粒后的颗粒用挤出机加温混炼，通过成型机直接挤出带有规则孔阵列的中间网状板材；

(3)将步骤(2)制备的中间网状板材预热升温，然后进行纵向、横向双向拉伸，即制得土工格栅。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种用于制备土工格栅的复合材料，采用本发明的复合材料制备的土工格栅具有优异的力学性能和抗蠕变性能，而且使用寿命长，制备成本低。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术中所介绍的，目前的土工格栅产品通常只具有单一的加筋效果，并且由于其自身的材料强度和设计的问题，导致土工格栅在实际工程中的抗拉伸强度较低，实际起到的加筋效果有限；而且现有土工格栅的抗蠕变性能也有待提高。

基于此，本发明提供了一种新的土工格栅用复合材料。本发明的土工格栅用复合材料是以聚丙烯为基体，并在基体中添加有碳纤维和黄麻纤维作为增强材料，有效提高了制备的土工格栅的抗拉伸强度和抗蠕变性能。

本发明的土工格栅用复合材料的结构由纤维、基体和界面三部分组成，与传统的聚丙烯材料相比，本发明的复合材料具有更好的抗拉伸强度、抗冲击性、抗高温性和抗蠕变性等优点。作为纤维增强材料，其中，碳纤维具有较高的热阻性和强度，可以提高复合材料的力学性能和耐热性能，但碳纤维的成本太高，大量使用会增加土工格栅的制备成本。黄麻纤维属于生物纤维，具有成本低、密度低、可接受的比强度等优势，将黄麻纤维与碳纤维进行复配，在提高复合材料的力学性能和抗蠕变性能的同时，还能降低土工格栅的制备成本。

但由于碳纤维和黄麻纤维与聚丙烯基体的相容性较差，若直接将碳纤维和黄麻纤维添加到聚丙烯基体中，纤维与基体之间难以形成牢固的结合，其对复合材料的改善效果有限。

由此，本发明对黄麻纤维进行了处理，并添加了一定量的马来酸酐接枝聚丙烯作为相容剂，从而极大提高了碳纤维、黄麻纤维与聚丙烯基体的相容性，纤维悬浮分散在聚丙烯基体中，从而形成完整而牢固的两相过渡界面，极大提高了复合材料的抗拉伸强度、抗冲击性、抗高温性和抗蠕变性能。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

本发明实施例和对比例中所用的试验材料未详尽说明的均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。

实施例1：土工格栅的制备

(1)制备黄麻纤维：

将黄麻的茎部用质量浓度为8％的NaOH水溶液在70℃条件下浸泡处理40min；然后采用高浓磨浆机进行磨浆，述磨浆采用二道磨浆，第一道磨浆浓度为14％，磨浆间隙为0.2mm；第二道磨浆浓度为8％，磨浆间隙为0.1mm，得到浆液；向浆液中加入含有纤维素酶的水溶液，所述含有纤维素酶的水溶液中，纤维素酶的质量浓度为1.5％，浆液与含有纤维素酶的水溶液加入的体积比为1:1，在35℃条件下酶解3h；然后将酶解后的浆液采用对撞流干燥的方法进行干燥，所述对撞流干燥的参数条件为：气流温度130℃，气流速度36m/s，载带率0.025kg/kg。

(2)制备土工格栅：

将120重量份的聚丙烯颗粒(聚丙烯的MFR为1.6g/10min，数均分子量为15万，其中，相对分子质量为15万的聚丙烯所占的质量百分比为70％)、7重量份的碳纤维(T300SC-1200-50C)、15重量份的黄麻纤维和3重量份马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)在300℃下熔融共混挤出造粒；然后在300℃下混炼，通过成型机挤出纵肋和横肋，纵肋和横纵在熔融状态下交汇成节点，直接形成带有规则孔阵列的中间网状板材；将中间网状板材预热升温至80℃，然后进行纵向、横向拉伸制得土工格栅。

实施例2：土工格栅的制备

(1)制备黄麻纤维：

将黄麻的茎部用质量浓度为6％的NaOH水溶液在80℃条件下浸泡处理30min；然后采用高浓磨浆机进行磨浆，述磨浆采用二道磨浆，第一道磨浆浓度为12％，磨浆间隙为0.2mm；第二道磨浆浓度为6％，磨浆间隙为0.1mm，得到浆液；向浆液中加入含有纤维素酶的水溶液，所述含有纤维素酶的水溶液中，纤维素酶的质量浓度为1％，浆液与含有纤维素酶的水溶液加入的体积比为1:1，在30℃条件下酶解4h；然后将酶解后的浆液采用对撞流干燥的方法进行干燥，所述对撞流干燥的参数条件为：气流温度120℃，气流速度40m/s，载带率0.02kg/kg。

(2)制备土工格栅：

将100重量份的聚丙烯颗粒(聚丙烯的MFR为1.6g/10min，数均分子量为15万，其中，相对分子质量为15万的聚丙烯所占的质量百分比为70％)、8重量份的碳纤维(T300SC-1200-50C)、10重量份的黄麻纤维和4重量份马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)在300℃下熔融共混挤出造粒；然后在300℃下混炼，通过成型机挤出纵肋和横肋，纵肋和横纵在熔融状态下交汇成节点，直接形成带有规则孔阵列的中间网状板材；将中间网状板材预热升温至80℃，然后进行纵向、横向拉伸制得土工格栅。

实施例3：土工格栅的制备

(1)制备黄麻纤维：

将黄麻的茎部用质量浓度为10％的NaOH水溶液在60℃条件下浸泡处理60min；然后采用高浓磨浆机进行磨浆，述磨浆采用二道磨浆，第一道磨浆浓度为14％，磨浆间隙为0.2mm；第二道磨浆浓度为10％，磨浆间隙为0.1mm，得到浆液；向浆液中加入含有纤维素酶的水溶液，所述含有纤维素酶的水溶液中，纤维素酶的质量浓度为2％，浆液与含有纤维素酶的水溶液加入的体积比为1:1，在40℃条件下酶解2h；然后将酶解后的浆液采用对撞流干燥的方法进行干燥，所述对撞流干燥的参数条件为：气流温度140℃，气流速度36m/s，载带率0.03kg/kg。

(2)制备土工格栅：

将150重量份的聚丙烯颗粒(聚丙烯的MFR为1.6g/10min，数均分子量为15万，其中，相对分子质量为15万的聚丙烯所占的质量百分比为70％)、6重量份的碳纤维(T300SC-1200-50C)、20重量份的黄麻纤维和2重量份马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)在300℃下熔融共混挤出造粒；然后在300℃下混炼，通过成型机挤出纵肋和横肋，纵肋和横纵在熔融状态下交汇成节点，直接形成带有规则孔阵列的中间网状板材；将中间网状板材预热升温至80℃，然后进行纵向、横向拉伸制得土工格栅。

对比例1：土工格栅的制备

将120重量份的聚丙烯颗粒(聚丙烯的MFR为1.6g/10min，数均分子量为15万，其中，相对分子质量为15万的聚丙烯所占的质量百分比为70％)在300℃下熔融挤出造粒；然后在300℃下混炼，通过成型机挤出纵肋和横肋，纵肋和横纵在熔融状态下交汇成节点，直接形成带有规则孔阵列的中间网状板材；将中间网状板材预热升温至80℃，然后进行纵向、横向拉伸制得土工格栅A。

对比例2：土工格栅的制备

将120重量份的聚丙烯颗粒(聚丙烯的MFR为1.6g/10min，数均分子量为15万，其中，相对分子质量为15万的聚丙烯所占的质量百分比为70％)和22重量份的碳纤维(T300SC-1200-50C)在300℃下熔融共混挤出造粒；然后在300℃下混炼，通过成型机挤出纵肋和横肋，纵肋和横纵在熔融状态下交汇成节点，直接形成带有规则孔阵列的中间网状板材；将中间网状板材预热升温至80℃，然后进行纵向、横向拉伸制得土工格栅B。

对比例3：土工格栅的制备

将120重量份的聚丙烯颗粒(聚丙烯的MFR为1.6g/10min，数均分子量为15万，其中，相对分子质量为15万的聚丙烯所占的质量百分比为70％)、22重量份的黄麻纤维(制备方法同实施例1)在300℃下熔融共混挤出造粒；然后在300℃下混炼，通过成型机挤出纵肋和横肋，纵肋和横纵在熔融状态下交汇成节点，直接形成带有规则孔阵列的中间网状板材；将中间网状板材预热升温至80℃，然后进行纵向、横向拉伸制得土工格栅C。

对比例4：土工格栅的制备

将120重量份的聚丙烯颗粒(聚丙烯的MFR为1.6g/10min，数均分子量为15万，其中，相对分子质量为15万的聚丙烯所占的质量百分比为70％)和3重量份马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)在300℃下熔融共混挤出造粒；然后在300℃下混炼，通过成型机挤出纵肋和横肋，纵肋和横纵在熔融状态下交汇成节点，直接形成带有规则孔阵列的中间网状板材；将中间网状板材预热升温至80℃，然后进行纵向、横向拉伸制得土工格栅D。

对比例5：土工格栅的制备

(1)制备黄麻纤维：

将黄麻的茎部采用高浓磨浆机进行磨浆，述磨浆采用二道磨浆，第一道磨浆浓度为14％，磨浆间隙为0.2mm；第二道磨浆浓度为8％，磨浆间隙为0.1mm，得到浆液；向浆液中加入含有纤维素酶的水溶液，所述含有纤维素酶的水溶液中，纤维素酶的质量浓度为1.5％，浆液与含有纤维素酶的水溶液加入的体积比为1:1，在35℃条件下酶解3h；然后将酶解后的浆液进行真空干燥，制备得到黄麻纤维。

(2)制备土工格栅：

将120重量份的聚丙烯颗粒(聚丙烯的MFR为0.8g/10min，数均分子量为10万)、7重量份的碳纤维(T300SC-1200-50C)、15重量份的黄麻纤维和3重量份马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)在300℃下熔融共混挤出造粒；然后在300℃下混炼，通过成型机挤出纵肋和横肋，纵肋和横纵在熔融状态下交汇成节点，直接形成带有规则孔阵列的中间网状板材；将中间网状板材预热升温至80℃，然后进行纵向、横向拉伸制得土工格栅E。

试验例：性能测试

1.试验方法：

将实施例1-3以及对比例1-5制备的土工格栅进行性能测试，检测方法如下：

(1)拉伸及弯曲性能参照ASTM D238标准在拉伸弯曲试验机上进行测定；

(2)冲击性能参照ASTM D256标准在冲击试验机上进行测定；

(3)抗蠕变性能采用金属悬重进行试验，试验时间为1000h，记录1000h后增加的应变量。

2.试验结果：

试验结果见表1。

表1：

样品	拉伸强度(MPa)	弯曲强度(MPa)	冲击强度(J/m)	蠕变量(cm)
					实施例1	84.5	86.2	542.6	1.8
实施例2	78.4	80.6	510.4	2.4
					实施例3	80.2	82.0	518.5	2.5
对比例1	28.5	30.2	240.6	6.2
					对比例2	34.2	35.8	312.4	5.4
对比例3	38.4	40.2	326.0	5.6
					对比例4	31.5	34.0	284.5	5.8
对比例5	54.8	62.6	425.6	3.6

由表1可以看出，采用本发明实施例制备的土工格栅具有优异的抗拉强度、弯曲强度、冲击强度和抗蠕变性能。而基体树脂中缺少碳纤维、黄麻纤维和相容剂中的一种或多种，则土工格栅的抗拉强度、弯曲强度、冲击强度和抗蠕变性能均显著下降，说明本发明的用于土工格栅的复合材料中各原料组成是一个有机的整体，具有协同促进作用。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种土工格栅用复合材料，其特征在于，由如下重量份的原料制成：

聚丙烯100-150份、碳纤维6-8份、黄麻纤维10-20份、相容剂2-4份。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，由如下重量份的原料制成：

聚丙烯120份、碳纤维7份、黄麻纤维15份、相容剂3份。

3.根据权利要求1或2所述的土工格栅用复合材料，其特征在于，所述聚丙烯的熔体质量流动速率(MFR)230/2.16为1.4-1.8g/10min；聚丙烯的数均分子量(Mn)为14-18万，其中，相对分子质量为15万的聚丙烯所占的质量百分比为60-80％。

4.根据权利要求1或2所述的土工格栅用复合材料，其特征在于，所述碳纤维的类型为T300SC-1200-50C。

5.根据权利要求1或2所述的土工格栅用复合材料，其特征在于，所述黄麻纤维由如下方法制备而成：

将黄麻的茎部用质量浓度为6-10％的NaOH水溶液在60-80℃条件下浸泡处理30-60min；然后采用高浓磨浆机进行磨浆，得到浆液；向浆液中加入含有纤维素酶的水溶液，在30-40℃条件下酶解2-4h；然后将酶解后的浆液采用对撞流干燥的方法进行干燥，所述对撞流干燥的参数条件为：气流温度120-140℃，气流速度35-40m/s，载带率0.02-0.03kg/kg。

6.根据权利要求5所述的土工格栅用复合材料，其特征在于，所述磨浆采用二道磨浆，第一道磨浆浓度为12-14％，磨浆间隙为0.2mm；第二道磨浆浓度为6-10％，磨浆间隙为0.1mm。

7.根据权利要求5所述的土工格栅用复合材料，其特征在于，所述含有纤维素酶的水溶液中，纤维素酶的质量浓度为1-2％；浆液与含有纤维素酶的水溶液加入的体积比为1:1。

8.根据权利要求1或2所述的土工格栅用复合材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。

9.权利要求1-8任一项所述的复合材料在制备土工格栅中的应用。

10.一种土工格栅，其特征在于，以权利要求1-8任一项所述的复合材料为原料，按如下方法制备而成：

(1)将聚丙烯、短切碳纤维、黄麻纤维和相容剂混合，经熔融共混造粒；

(2)将造粒后的颗粒用挤出机加温混炼，通过成型机直接挤出带有规则孔阵列的中间网状板材；

(3)将步骤(2)制备的中间网状板材预热升温，然后进行纵向、横向双向拉伸，即制得土工格栅。