CN110039871A - 一种用于制作土工格室的复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于土工格室制造领域，具体涉及一种用于制作土工格室的复合材料及其制备方法，所述复合材料为三层结构，包括一个芯层和两个相同的外层，组成外层的组分包含通用塑料，所述芯层的组分包含工程塑料和通用塑料。各层组成还可以包含有无机填料和助剂，各层组成的原料分别经由挤出机处理后，经共挤出成型，经单向拉伸，压纹，打孔后获得复合材料。该复合材料集合了不同材料的优点，一方面可以采用价格低廉的普通塑料作为主体材料，节约成本；另一方面利用少量的高性能工程塑料进行改性，大大提升了土工格室的各项关键性能指标，满足工程需要而不过多增加成本；同时本发明制备的复合材料也具备优异的抗蠕变性能。

Description

一种用于制作土工格室的复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于土工格室制造领域，具体涉及一种用于制作土工格室的复合材料及其制备方法。
背景技术
土工格室是由高分子聚合物材料经强力焊接或铆接而接成的立体网状结构，经填充各种土工石料如碎石，混凝土碎料，再生沥青，粉煤灰等后，能够构成强大的侧向限制和大刚度的结构体。土工格室可以用于坡面防护、冲刷防护及路基垫层，为各种岩土工程提供承载基础，如在土工格室结构体上覆盖绿色植物，不仅可以达到绿化效果，同时可实现水土保持，也是一种重要的环保材料。
作为一种新型建筑材料，土工格室具有良好的适应性(几乎适用所有填料)、经济性(节约投资)和稳定性(耐候性，不易被破坏)，能够大大减少土地占用，减少土石方量，能够加快工程进度，被广泛地应用于水利、道路、边坡、铁路、海港、采矿、军工等领域。
市售的土工格室多由单一高分子材料构成，如聚乙烯、聚丙烯或聚酯等等。单一高分子材料均存在某方面性能的不足，例如抗拉强度不足、抗蠕变差、成本过高等。现有的土工格室国家标准和行业标准均未对抗蠕变和耐腐蚀性有明确规定，导致土工格室在检测中虽然合格，但难以满足实际工程需要。
发明内容
针对现有产品的不足，本发明提出了一种用于制作土工格室的复合材料，所述复合材料为三层结构，两个相同的外层和一个芯层，组成所述外层的组分包含通用塑料，组成所述芯层的组分包含工程塑料和通用塑料。
进一步的，每个所述外层和芯层的厚度比为(1.5-2.5)：1。
进一步的，所述复合材料的厚度为1-2mm。
进一步的，所述通用塑料为聚乙烯PE和/或聚氯乙烯PVC。
进一步的，所述工程塑料为聚碳酸酯(PC)和/或聚甲醛(POM)。
进一步的，所述PE为高密度聚乙烯(HDPE)或中密度聚乙烯(MDPE)；
进一步的，组成所述外层的组分中还包含有无机填料和/或助剂。
进一步的，组成所述芯层的组分中还包含有无机填料和/或助剂。
进一步的，所述芯层的组分中还包含改性剂。
进一步的，所述无机填料为碳酸钙、滑石粉和二氧化硅中的至少一种。
进一步的，所述助剂为乙烯基双硬脂酰胺。
进一步的，所述改性剂为邻苯二甲酸二异辛酯。
进一步的，所述芯层由以下重量百分比的原材料制成：(70-90)％通用塑料、(8-20)％工程塑料、(1-4)％无机填料、(0-10)％改性剂和(0-5)％助剂。
进一步的，所述芯层由以下重量百分比的原材料制成：(80-90)％通用塑料、(10-15)％工程塑料、(1-4)％无机填料和(1-5)％助剂。
进一步的，所述芯层由以下重量百分比的原材料制成：(70-80)％通用塑料、(10-15)％工程塑料、(1-4)％无机填料、(5-10)％改性剂和(2-5)％助剂。
进一步的，所述外层由以下重量百分比的原材料制成：(95-98)％通用塑料、(1.5-4)％无机填料和(0.5-1)％助剂。
上述各原材料均为预先干燥好再使用。
本发明还提供了上述复合材料的制备方法，具体如下：
将制成芯层、两个外层的原材料各自预干燥后分别加入各自挤出机，然后经过一个公共挤出头共挤出成型，然后经单向拉伸，压纹，打孔后获得复合材料，将复合材料焊接或者粘合或者铆接可以制成土工格室。
进一步的，上述复合材料的制备方法如下：
(1)将制成芯层的原材料预干燥后，混合均匀加入第一挤出机中；
(2)将制成外层的原材料预干燥后，混合均匀，分别加入第二挤出机和第三挤出机中；
(3)三台挤出机同时启动，控制三台挤出机工作温度为100℃-150℃，模头温度为150℃-250℃，转速设为130-160转/分钟，从三台挤出机出来的熔融物料分别进入公共挤出模头的不同流道中，在公共挤出模头的出口处的一个流道中汇合，汇合后的材料经流延冷却挤压成型，再经单向拉伸，压纹，打孔后获得复合材料。
进一步的，步骤(1)-(2)中所述混合均匀时均采用高速混合机(简称“高混机”)混合。
进一步的，所述三台挤出机的工作温度为130℃-150℃，模头温度为190℃-230℃，转速设为130-160转/分钟。
进一步的，所述经单向拉伸为在130℃下经过50％拉伸。
上述工程塑料和通用塑料共混物具备良好的力学性能，尤其是抗蠕变性，使得本发明制备的复合材料成为一种成本适中的高性能土工格室材料。根据添加的工程塑料和通用塑料的比例不同，所得土工格室片材的抗拉强度可达70Mpa，断裂伸长率小于6％，蠕变率小于2％，连接处采用高温或者超声焊接，焊接处抗拉强度200-400N/cm。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明制备的复合材料集合了不同材料的优点，一方面可以采用价格低廉的普通通用塑料作为主体材料，节约成本；另一方面利用少量的高性能工程塑料进行改性，大大提升土工格室的各项关键性能指标，满足工程需要而不过多增加成本；同时本发明制备的复合材料也具备优异的抗蠕变性能。
附图说明
图1为对比例1、实施例1-3制备的用于制作土工格室复合材料的蠕变曲线图。
具体实施方式
实施例中所用部分原料的来源如下：
HDPE：高密度聚乙烯，美国陶氏，90052L；
PC：聚碳酸酯，台湾奇美PC-122；
聚甲醛POM：杜邦500P；
PVC：聚氯乙烯，新疆天业，SG-5。
除非特别说明，本发明中的原料百分比均为重量百分比，所用的挤出机为南京达力特YP-120。
实施例1一种用于制作土工格室的复合材料，由以下方法制备得到：
原料预处理：分别将HDPE、PC在100℃的条件下干燥4个小时,备用；乙烯基双硬脂酰胺在90℃的条件下干燥2个小时,备用；碳酸钙、滑石粉在100℃的条件下干燥3个小时，备用。
按下表1准备配料。
按照表1将相应比例预处理过的碳酸钙、滑石粉、HDPE和PC经高混机混合均匀后,加入到挤出机中1机筒中后启动挤出机1。
将相应比例预处理过的碳酸钙、滑石粉、乙烯基双硬脂酰胺和HDPE经高混机混合均匀后,加入到挤出机中2的机筒中后启动挤出机2。
挤出机3的操作和配料完全同挤出机2。
三个挤出机同时启动，其设置参数相同：
挤出机工作温度为150℃，模头温度为230℃，转速设为150转/分钟，从三台挤出机出来的熔融物料分别进入公共挤出模头的不同流道中，在公共挤出模头的出口处的一个流道中汇合，汇合后的材料经流延冷却挤压成型，获得三层结构的复合片材，挤出机1中出来的材料为复合片材的芯层，挤出机2和3中出来的材料为复合片材的两个外层，复合片材在130℃经过50％拉伸(即长度比原来增加50％)，再经压纹后打孔得到复合材料，其厚度约为1.5mm，其中芯层厚度约为0.3mm，第一外层和第二外层厚度均约为0.6mm，可以用于制作土工格室。
表1
实施例2一种用于制作土工格室的复合材料，由以下方法制备得到：
原料预处理：分别将HDPE、聚甲醛POM在100℃的条件下干燥4个小时,备用；乙烯基双硬脂酰胺在90℃的条件下干燥2个小时，备用；将碳酸钙、二氧化硅、滑石粉在100℃的条件下干燥3个小时，备用。
按照表2将相应比例预处理过的HDPE、POM、碳酸钙、二氧化硅和乙烯基双硬脂酰胺经高混机混合均匀后,加入到挤出机中1机筒中后启动挤出机1。
按下表2准备配料。
将相应比例预处理过的HDPE、碳酸钙、滑石粉和乙烯基双硬脂酰胺经高混机混合均匀后,加入到挤出机中2的机筒中后启动挤出机2。
挤出机3的操作和配料完全同挤出机2。
三个挤出机同时启动，其设置参数相同：
挤出机工作温度为130℃，模头温度为190℃，转速设为150转/分钟，从三台挤出机出来的熔融物料分别进入公共挤出模头的不同流道中，在公共挤出模头的出口处的一个流道中汇合，汇合后的材料经流延冷却挤压成型，获得三层结构的复合片材，挤出机1中出来的材料为复合片材的芯层，挤出机2和3中出来的材料为复合片材的外层，复合片材在130℃经过50％拉伸(即长度比原来增加50％)，再经压纹后打孔得到所需复合材料，其厚度约为1.5mm，其芯层厚度约为0.3mm，第一外层和第二外层厚度均约为0.6mm，可以用于制作土工格室。
表2
实施例3一种用于制作土工格室的复合材料，由以下方法制备得到：
原料预处理：分别将PVC、聚甲醛POM在100℃的条件下干燥4个小时,备用；乙烯基双硬脂酰胺在90℃的条件下干燥2个小时,备用；邻苯二甲酸二异辛酯在90℃下干燥2个小时,备用；碳酸钙、二氧化硅、滑石粉在100℃的条件下干燥3个小时，备用。
按下表3准备配料。
按照表3将相应比例预处理过的碳酸钙、乙烯基双硬脂酰胺、PVC、POM和邻苯二甲酸二异辛酯经高混机混合均匀后,加入到挤出机中1机筒中后启动挤出机1。
将相应比例预处理过的HDPE、碳酸钙、滑石粉和乙烯基双硬脂酰胺加入到挤出机中2机筒中后启动挤出机2。
挤出机3的操作和配料完全同挤出机2。
三个挤出机同时启动，其设置参数相同：
挤出机工作温度为130℃，模头温度为190℃，转速设为150转/分钟，从三台挤出机出来的熔融物料分别进入公共挤出模头的不同流道中，在公共挤出模头的出口处的一个流道中汇合，汇合后的材料经流延冷却挤压成型，获得三层结构的复合片材，挤出机1中出来的材料为复合片材的芯层，挤出机2和3中出来的材料为复合片材的外层，复合片材在130℃经过50％拉伸(即长度比原来增加50％)，再经压纹后打孔得到所需复合材料，其厚度约为1.5mm，其芯层厚度约为0.3mm，第一外层和第二外层厚度均约为0.6mm，可以用于制作土工格室。
表3
将上述各实施例制备的用于制作土工格室的复合材料按照国家标准GB/T19274-2003进行性能测试，与市面购买的PE土工格室材料，即对比例1-PE土工格室(TGLG20)测试结果对比于下表4。可见本发明制备的土工格片材的拉伸弹性模量和抗拉强度相比于对比例1的材料均有显著提高，增加了一倍以上；由于片材芯层含工程塑料，材料的刚性和强度增加，其断裂伸长率明显减小。
表4
注：表中焊接处抗拉强度检测时，预先将实施例1-3的材料通过超声波焊接成土工格室，然后再进行检测。
土工格室在使用中会受到长期载荷而发生形变，积累至一定程度土工格室可能失效，失去对路基、坝体等的保护作用，因此土工格室的抗蠕变性能应该加以重视，但国家标准对土工格室抗蠕变性能没有强制要求，本发明按照《SLT235-1999土工合成材料测试规程》测量了对比例1的材料和实施例1-3制备的复合材料的蠕变性能，测试载荷为最大拉伸强度的60％，测试温度为60℃，湿度70％，以应变(％)为纵坐标，时间(h)为横坐标获得的蠕变曲线，见图1，四条曲线从上到下对应的材料依次对应对比例1、实施例1、实施例2、实施例3的复合材料。可以看出对比例1的PE土工格室在初始阶段即发生高达10％的应变，在达到稳定阶段后应变仍然增加较快，表明该材料的抗蠕变性较差，而实施例1-3制备的复合材料初始阶段的应变均小于3％，随后蠕变达到稳定，其应变随时间变化增长的极为缓慢，在测试时间250h内的应变小于4％，尤其实施例3材料的应变小于2％，表明用本发明方法制备的土工格室材料较之市售的普通土工格室具备优异的抗蠕变性能。

Claims (10)

1.一种用于制作土工格室的复合材料，所述复合材料为三层结构，两个相同的外层和一个芯层，组成所述外层的组分包含通用塑料，组成所述芯层的组分包含工程塑料和通用塑料。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述通用塑料为聚乙烯和/或聚氯乙烯，所述工程塑料为聚碳酸酯和/或聚甲醛。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述聚乙烯为高密度聚乙烯或中密度聚乙烯。
4.根据权利要求3所述的复合材料，其特征在于，组成所述外层的组分中还包含有无机填料和/或助剂。
5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于，组成所述芯层的组分中还包含有无机填料和/或助剂。
6.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，组成所述芯层的组分中还包含改性剂。
7.根据权利要求6所述的复合材料，其特征在于，所述无机填料为碳酸钙、滑石粉和二氧化硅中的至少一种；所述助剂为乙烯基双硬脂酰胺；所述改性剂为邻苯二甲酸二异辛酯。
8.根据权利要求7所述的复合材料，其特征在于，所述芯层由以下重量百分比的原材料制成：70%-90%通用塑料、8%-20%工程塑料、1%-4%无机填料、0%-10%改性剂和0%-5%助剂；所述外层由以下重量百分比的原材料制成：95%-98%通用塑料、1.5%-4%无机填料和0.5%-1%助剂。
9.一种权利要求1-8任一项所述复合材料的制备方法，步骤如下：
将制成芯层、两个外层的原材料各自预干燥后分别加入各自挤出机，然后经过一个公共挤出头共挤出成型，然后经单向拉伸，压纹，打孔后获得复合材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法的具体步骤如下：
（1）将制成芯层的原材料预干燥后，混合均匀加入第一挤出机中；
（2）将制成外层的原材料预干燥后，混合均匀分别加入第二挤出机和第三挤出机中；
（3）然后三台挤出机同时启动，控制三台挤出机工作温度为100℃-150℃，模头温度为150℃-250℃，转速设为130-160转/分钟，从三台挤出机出来的熔融物料分别进入公共挤出模头的不同流道中，在公共挤出模头的出口处的一个流道中汇合，汇合后的材料经流延冷却挤压成型，再经单向拉伸、压纹、打孔后获得复合材料。
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