CN110387100A - 一种仿生水草及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生水草及其制备方法，本发明采用聚碳酸酯30‑50份、嵌段共聚聚丙烯25‑45份、改性纳米二氧化硅2‑10份、分散剂3‑5份、磷酸酯5‑10份、金属粉1‑5份、粘结剂2‑6份、固化剂3‑6份，制备得到的仿生水草使用寿命长，抗腐蚀、抗老化性能较好且柔软性高，同时仿生水草对流动水域的柔性粘滞阻尼效果得到了进一步提高，进而加快了海底泥沙的沉积速度，缩短了海底悬空管道的治理周期。本发明采用的原料价格低廉易得，而且本发明制备方法简单，便于操作，制得的产品性能有益，具有优秀的产业化前景和推广价值。

Description

一种仿生水草及其制备方法
技术领域
本发明涉及海底防冲刷技术领域，尤其涉及一种仿生水草及其制备方法。
背景技术
在海洋工程中，由于波浪、水流的作用造成海底结构物底部及其附近海床的泥沙运动，即我们通常所说的海底冲刷现象，根据海洋冲刷动力学分析：海底冲刷的形成主要是由于海洋结构物安装在海底之后，打破了原有水下流场的平衡，引起局部水流速度加快，使正常流动的水流形成一定的压力梯度并构成对海底的剪切力，导致冲刷现象的出现。同时海洋结构物的出现还改变了水流的方向使之产生湍流和漩涡，更加速了冲刷作用。
对于海底管道冲刷会使管道外露甚至一定长度的淘空，这时管道可能会因为波浪、潮流的巨大作用而损坏。海底冲刷现象与水流速度和水流方向及海床特征，包括海底地形、物质构成等多方面因素有关。
仿生草采用仿生学制造的高分子材料，所以叫做仿生草。仿生草叶片利用浮力作用在海水中起浮飘动，海水受到防生草的柔性粘滞阻尼作用，流速得以降低，减缓了水流对海床的冲刷能力；同时。由于流速的降低和仿生草的阻碍，促使水流中夹杂的泥沙在重力的作用下不断地沉积到仿生草安装基垫上.逐渐形成一个被海生物加强了的海底沙洲从而控制了海底结构物附近海床的冲刷。但是，目前应用制备的仿生草力学性能普遍偏低，且抗化学腐蚀性能较差，在海底的使用寿命偏短。
因此，研究制造出一种力学性能强且具有优秀的抗化学腐蚀性能、使用寿命长的仿生水草是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种仿生水草及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
仿生水草，由以下重量份数原料制备得到：聚碳酸酯30-50份、嵌段共聚聚丙烯25-45份、改性纳米二氧化硅2-10份、分散剂3-5份、磷酸酯5-10份、金属粉1-5份、粘结剂2-6份、固化剂3-6份。
本发明的有益效果在于：本发明采用相对廉价的原料，降低了整个生产成本，本发明以聚碳酸酯和嵌段共聚聚丙烯作为主原料，通过分散剂、磷酸酯等辅料的作用，有效提高了仿生水草的力学性能、柔软性、仿生水草的使用寿命以及抗腐蚀、抗老化性能，同时还能够提高仿生水草对流动水域的柔性粘滞阻尼效果，进而加快了海底泥沙的沉积速度，缩短了海底悬空管道的治理周期。
进一步，上述分散剂为聚乙二醇、月桂醇硫酸钠、甘油中的一种或多种。
采用上述进一步的有益效果在于：本发明采用的分散剂能够使聚碳酸酯、嵌段共聚聚丙烯、改性纳米二氧化硅各物质之间相互混合均匀，同时增加了聚碳酸酯和嵌段共聚聚丙烯对改性纳米二氧化硅的负载量，还具有防止颗粒的沉降和凝聚的作用。
进一步，上述磷酸酯为卵磷脂、三乙基磷酸酯、硬脂醇磷酸酯的一种或多种。
采用上述进一步的有益效果在于：本发明采用的磷酸酯能够增加仿生水草的稳定性，进一步的可以提高仿生水草的使用寿命，通过阻止海水中的离子与仿生水草接触，进一步提高了仿生水草的抗腐蚀性能。
进一步，上述金属粉为铝粉或铜粉。
采用上述进一步的有益效果在于：本发明采用的金属粉为不活泼金属，在海水中能够有效阻止海水中的离子与本发明中的仿生水草形成离子交换作用，进而提高了本发明仿生水草的抗腐蚀性能。
进一步，上述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮、羟丙基纤维素、聚丙烯酸钠的一种或多种。
进一步，上述固化剂为二甲基氢硅氧烷、甲基氢硅氧烷、二甲基硅氧烷、乙基苯的一种或多种。
本发明还提供了上述仿生水草的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数比例称取各原料；
(2)将聚碳酸酯、嵌段共聚聚丙烯、改性纳米二氧化硅放入混料机中，加热搅拌15-25min，然后将分散剂和磷酸酯依次加入到混料机中，继续加热搅拌10-15min，得到混合物；
(3)将步骤(2)的到的混合物、金属粉和粘结剂放入行星球磨机中进行球磨10-18h；
(4)打开步骤(3)球磨完成之后的球磨机，加入固化剂，继续进行球磨2-5h，的仿生水草初级材料；
(5)将步骤(4)中得到的仿生水草初级材料放入剪切机中剪切，然后放入挤压机中，挤压成型，冷却，既得仿生水草。
进一步，上述步骤(2)中混料机中的加热温度为90-110℃。
采用上述进一步的有益效果在于：
进一步，上述步骤(3)中行星球磨机的转速为150-200r/min。
更进一步，上述步骤(4)中行星球磨机的转速为150-200r/min。
与现有技术相比本发明的有益技术效果在于：本发明的仿生水草的使用寿命长以及抗腐蚀、抗老化性能较好，同时仿生水草对流动水域的柔性粘滞阻尼效果得到了进一步提高，进而加快了海底泥沙的沉积速度，缩短了海底悬空管道的治理周期。本发明采用的原料价格低廉易得，而且本发明制备方法简单，便于操作，制得的产品性能有益，具有优秀的产业化前景和推广价值。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
仿生水草的制备方法，步骤如下：
(1)准确称取聚碳酸酯30kg、嵌段共聚聚丙烯45kg、改性纳米二氧化硅10kg、聚乙二醇5kg、卵磷脂5kg、硬脂醇磷酸酯5-10kg、铝粉1kg、聚丙烯酸钠2kg、二甲基氢硅氧烷1kg、甲基氢硅氧烷1kg、二甲基硅氧烷1kg；
(2)将聚碳酸酯、嵌段共聚聚丙烯、改性纳米二氧化硅放入混料机中，在110℃条件下搅拌15min，然后将分散剂和磷酸酯依次加入到混料机中，继续在90℃条件下搅拌15min，得到混合物；
(3)将步骤(2)的到的混合物、金属粉和粘结剂放入行星球磨机中在150r/min条件下球磨18h；
(4)打开步骤(3)球磨完成之后的球磨机，加入固化剂，在150r/min条件下球磨5h，的仿生水草初级材料；
(5)将步骤(4)中得到的仿生水草初级材料放入剪切机中剪切，然后放入挤压机中，挤压成型，冷却，既得仿生水草。
实施例2
仿生水草的制备方法，步骤如下：
(1)准确称取聚碳酸酯50kg、嵌段共聚聚丙烯25kg、改性纳米二氧化硅2kg、月桂醇硫酸钠1kg、甘油2kg、三乙基磷酸酯5kg、硬脂醇磷酸酯5kg、铜粉5kg、聚乙烯吡咯烷酮2kg、羟丙基纤维素4kg、二甲基氢硅氧烷3kg、乙基苯3kg；
(2)将聚碳酸酯、嵌段共聚聚丙烯、改性纳米二氧化硅放入混料机中，在90℃条件下搅拌15min，然后将分散剂和磷酸酯依次加入到混料机中，继续在110℃条件下搅拌10min，得到混合物；
(3)将步骤(2)的到的混合物、金属粉和粘结剂放入行星球磨机中在200r/min条件下球磨10h；
(4)打开步骤(3)球磨完成之后的球磨机，加入固化剂，在200r/min条件下球磨2h，的仿生水草初级材料；
(5)将步骤(4)中得到的仿生水草初级材料放入剪切机中剪切，然后放入挤压机中，挤压成型，冷却，既得仿生水草。
实施例3
仿生水草的制备方法，步骤如下：
(1)准确称取聚碳酸酯40kg、嵌段共聚聚丙烯33kg、改性纳米二氧化硅6kg、甘油3kg、三乙基磷酸酯8kg、铝粉3kg、聚乙烯吡咯烷酮4kg、二甲基氢硅氧烷4kg；
(2)将聚碳酸酯、嵌段共聚聚丙烯、改性纳米二氧化硅放入混料机中，在100℃条件下搅拌20min，然后将分散剂和磷酸酯依次加入到混料机中，继续在100℃条件下搅拌12min，得到混合物；
(3)将步骤(2)的到的混合物、金属粉和粘结剂放入行星球磨机中在170r/min条件下球磨12h；
(4)打开步骤(3)球磨完成之后的球磨机，加入固化剂，在180r/min条件下球磨3h，的仿生水草初级材料；
(5)将步骤(4)中得到的仿生水草初级材料放入剪切机中剪切，然后放入挤压机中，挤压成型，冷却，既得仿生水草。
实施例4
仿生水草的制备方法，步骤如下：
(1)准确称取聚碳酸酯46kg、嵌段共聚聚丙烯42kg、改性纳米二氧化硅7kg、聚乙二醇2kg、月桂醇硫酸钠2kg、卵磷脂6kg、铝粉2kg、羟丙基纤维素3kg、二甲基氢硅氧烷2kg、二甲基硅氧烷2kg；
(2)将聚碳酸酯、嵌段共聚聚丙烯、改性纳米二氧化硅放入混料机中，在105℃条件下搅拌18min，然后将分散剂和磷酸酯依次加入到混料机中，继续在95℃条件下搅拌13min，得到混合物；
(3)将步骤(2)的到的混合物、金属粉和粘结剂放入行星球磨机中在170r/min条件下球磨15h；
(4)打开步骤(3)球磨完成之后的球磨机，加入固化剂，在190r/min条件下球磨4h，的仿生水草初级材料；
(5)将步骤(4)中得到的仿生水草初级材料放入剪切机中剪切，然后放入挤压机中，挤压成型，冷却，既得仿生水草。
实施例5
仿生水草的制备方法，步骤如下：
(1)准确称取聚碳酸酯36kg、嵌段共聚聚丙烯36kg、改性纳米二氧化硅4kg、聚乙二醇5kg、硬脂醇磷酸酯8kg、铜粉2kg、聚乙烯吡咯烷酮5kg、二甲基氢硅氧烷3kg；
(2)将聚碳酸酯、嵌段共聚聚丙烯、改性纳米二氧化硅放入混料机中，在95℃条件下搅拌22min，然后将分散剂和磷酸酯依次加入到混料机中，继续在105℃条件下搅拌12min，得到混合物；
(3)将步骤(2)的到的混合物、金属粉和粘结剂放入行星球磨机中在190r/min条件下球磨15h；
(4)打开步骤(3)球磨完成之后的球磨机，加入固化剂，在160r/min条件下球磨3h，的仿生水草初级材料；
(5)将步骤(4)中得到的仿生水草初级材料放入剪切机中剪切，然后放入挤压机中，挤压成型，冷却，既得仿生水草。
试验例1
对实施例1-5得到的仿生水草进行机械性能强度及线密度测试测试，实验结果如表1。
表1实施例1-5仿生水草拉伸试验结果
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
拉力强度(N) 1465 1485 1520 1532 1526
伸长率(％) 204 198 235 284 276
洛氏硬度(HRC) 7 8 3 5 5
线密度(Tex) 2868 2965 3020 2996 3002
由表1数据可知本发明制备所得仿生水草具有优秀的力学性能，其最高延展率可达280％，同时其洛氏硬度仅在5左右，充分证明了本发明仿生水草具备优秀的柔软性；另外本发明采用柔软度测定仪(型号LB-R1000)对实施例1-5制得的仿生水草进行了柔软度测定，同时按GB10721-1989对本发明实施例1-5制得的仿生水草进行柔软性测定；测试结果如表2。
表2实施例1-5仿生水草柔软度测定结果
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
柔软度(mN) 28 32 25 25 27
柔软性(mm) 12 10 8 10 11
试验例2
制作盐度为70％的水溶液，将实施例1-5得到的仿生水草分别放入制得的水溶液和海水中并设计定床模型和动床模型，向水中通电，实验结果以出现腐蚀、脱落或者仿生水草出现降解为标准，记录浸泡时间，同时记录70％盐度溶液中本发明仿生水草完全降解的时间，实验结果如表3。
表3实施例1-5仿生水草抗腐蚀性能试验结果
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
70％盐度溶液 45个月 42个月 48个月 45个月 47个月
海水 86个月 80个月 85个月 90个月 88个月
完全降解 80个月 78个月 85个月 88个月 82个月
实验结果证明，本发明的仿生水草具有优秀的抗腐蚀性能，同时在海底使用15年可完全降解，将降解之后的溶液送至第三方检测机构进行检测未发现任何有毒有害物质，证明本发明的仿生水草使用寿命长且安全无毒。
试验例3
采用本发明制得的仿生水草，参照辽东湾海域波浪、潮流、泄流条件，分别设计定床模型和动床模型实验。通过波浪、水流和波流共同作用实验，研究水深、波高、波长等因素对仿生防护技术消波、缓流效果的影响；通过水流和波流共同作用试验，研究仿生草铺设区域泥沙促淤变化。
本发明仿生水产可将距离海床0.1m以上匀速水流速度减缓至原始的12％，且可使变速的自由流体在同样条件下降低至3％。
铺设段消浪效果受水深、浮草高度和铺设长度等因素影响，当水深较小、浮草高度和铺设长度较大时，消浪效果较好。
水流作用下，海底仿生草顺水流方向倒伏，且随着水深增大，仿生草铺设段内近底流速减小明显，仿生防护系统对减小海床水流动力效果较好。
波浪作用下，仿生草叶片前后摆动，草内及后部接近海底的水平速度有效值略大于仿生草前的值，表明仿生防护系统对消减海床波浪动力影响作用甚小。不同水深、水流流速作用下仿生草铺设段促淤结果表明，当水位较深时，仿生防护系统有较好的缓流促淤的效果。

Claims (10)

1.一种仿生水草，其特征在于，由以下重量份数原料制备得到：聚碳酸酯30-50份、嵌段共聚聚丙烯25-45份、改性纳米二氧化硅2-10份、分散剂3-5份、磷酸酯5-10份、金属粉1-5份、粘结剂2-6份、固化剂3-6份。
2.根据权利要求1所述一种仿生水草，其特征在于，所述分散剂为聚乙二醇、月桂醇硫酸钠、甘油中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述一种仿生水草，其特征在于，所述磷酸酯为卵磷脂、三乙基磷酸酯、硬脂醇磷酸酯的一种或多种。
4.根据权利要求1所述一种仿生水草，其特征在于，所述金属粉为铝粉或铜粉。
5.根据权利要求1所述一种仿生水草，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮、羟丙基纤维素、聚丙烯酸钠的一种或多种。
6.根据权利要求1所述一种仿生水草，其特征在于，所述固化剂为二甲基氢硅氧烷、甲基氢硅氧烷、二甲基硅氧烷、乙基苯的一种或多种。
7.一种仿生水草的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按权利要求1-6任一项所述重量份数称取各原料；
(2)将聚碳酸酯、嵌段共聚聚丙烯、改性纳米二氧化硅放入混料机中，加热搅拌15-25min，然后将分散剂和磷酸酯依次加入到混料机中，继续加热搅拌10-15min，得到混合物；
(3)将步骤(2)的到的混合物、金属粉和粘结剂放入行星球磨机中进行球磨10-18h；
(4)打开步骤(3)球磨完成之后的球磨机，加入固化剂，继续进行球磨2-5h，的仿生水草初级材料；
(5)将步骤(4)中得到的仿生水草初级材料放入剪切机中剪切，然后放入挤压机中，挤压成型，冷却，既得仿生水草。
8.根据权利要求7所述一种仿生水草的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述混料机中的加热温度为90-110℃。
9.根据权利要求7所述一种仿生水草的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述行星球磨机的转速为150-200r/min。
10.根据权利要求7所述一种仿生水草的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述行星球磨机的转速为150-200r/min。
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