CN110747582A - 一种自增强聚丙烯复合塑料土工布及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及塑料土工布技术领域，具体涉及一种自增强聚丙烯复合塑料土工布，包括如下原料：80~120份的聚丙烯，5~10份的多孔无机物，3~5份的功能型填料，2~5份的无机胶黏剂，1~3份的无机速凝剂，1~3份的热稳定剂，0.5~2份的抗氧剂，1~2份的阻燃剂，3~8份的润滑剂。本发明将聚丙烯与无机速凝剂等熔融拉伸成丝，经成网针刺和钙盐水浸泡，干燥定型。通过无机速凝剂硅酸钠加入聚丙烯融体制备成丝，丝状聚丙烯复合物形成的土工布在使用时，随着使用环境潮湿化，其中的钙离子不断与聚丙烯纤维中分散的硅酸钠形成硅酸钙，这一过程使得土工布与覆盖物连接牢固度进一步加强最终达到自增强的目的。
Description
技术领域
本发明涉及塑料土工布技术领域，具体涉及一种自增强聚丙烯复合塑料土工布及其制备方法。
背景技术
土工布，又称土工织物，它是由合成纤维通过针刺或编织而成的透水性土工合成材料。成品为布状，一般宽度为4~6米。土工布分为有纺土工布和无纺土工布。目前，土工布主要应用于水利、港口、航道、铁路、公路等泥沙直径小受力大的工程，其主要作用包括1：隔离作用，对不同物理性质的建筑材料进行隔离，使材料不混杂，保持材料的整体性；2：过滤作用，当水由细料土层流入粗料土层时，利用土工布的透水性，让水通过而拦截住土颗粒、细沙等物料；3：稳定作用，增强土体抗拉抗变形能力，增强建筑结构稳定性。
土工布具有如下特点：1、强力高，由于使用塑料纤维，在干湿状态下都能保持充分的强力和伸长；2、耐腐蚀，在不同的酸碱度的泥土及水中能长久地耐腐蚀；3、透水性好 在纤维间有空隙，故有良好的渗水性能；4、抗微生物性好 对微生物、虫蛀均不受损害；5、施工方便，由于材质轻、柔，故运送、铺设、施工方便。土工布具有优秀的过滤、排水、隔离、加筋、防护作用，具有重量轻、抗拉强度高、渗透性好、耐高温、抗冷冻、耐老化、耐腐蚀的特性。
土工织物种类繁多，从材料上分可以分为PP（聚丙烯或丙纶）、PET（聚酯或涤纶）、PE（聚乙烯或乙纶）、PA（锦纶）等。在全球土工织物市场，聚丙烯材料占据绝对主导地位，聚丙烯类土工织物占全球土工织物市场产值的88%。聚丙烯材料十分稳定，除浓硫酸、浓硝酸外，几乎不和其他试剂发生反应。聚丙烯是一种半结晶的热塑性塑料，具有较高的耐冲击性，机械性质强韧，抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀。
根据实际测试结果，聚丙烯土工布在60℃ 氢氧化钙溶液中浸泡三天几乎可以保持100%的强力，而聚酯土工布的强力损失率可以达到10~15%。若浸泡时间更长，聚酯材料会继续水解直至消失。聚丙烯土工布能够广泛地适应各种土质环境，特别是在盐碱土质、水泥、三合土（石灰、黏土、细沙）、各种尾矿等具有不同程度酸碱性环境的条件下使用，保证工程50年甚至100年的服役寿命要求。而聚酯土工布的使用则需要考虑应用环境的酸碱性等条件，否则会给工程造成难以预料的损失。
而现有的常用聚丙烯土工布结构单一，抗拉强度和抗变形能力低，土工布在水环境使用时，强度不断降低，最终丧失功能。特别是近些年来，随着海堤工程、隧道工程的快速发展，在水环境的土工布需求激增，水环境土工布性能要求更高，如何增强土工布的强度至关重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自增强聚丙烯复合塑料土工布及其制备方法，解决了现有技术中土工布自身抗拉强度和抗变形能力低的问题。本发明一方面通过将多孔无机物和功能型填料加入聚丙烯融体制备成丝，使得土工布与覆盖物连接牢固度进一步加强；另一方面，由于无机速凝剂不断将土工布自粘结从而达到自增强的效果。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将聚丙烯加热形成聚丙烯融体，加入多孔无机物、功能型填料、无机速凝剂、热稳定剂、抗氧剂和阻燃剂、润滑剂至融体中分散均匀得到预分散融体待用；
步骤二、将步骤一中的预分散融体挤出得到聚丙烯长丝，得到丝状聚丙烯复合物待用；
步骤三、将步骤二中的丝状聚丙烯复合物铺成纤维网进行拉伸，拉伸后依次进行针刺和钙盐水浸泡，干燥后进行热辊定型，卷取得到自增强聚丙烯复合塑料土工布。
所述自增强聚丙烯复合塑料土工布制备方法采用如下重量份的原料：80~120份的聚丙烯，5~10份的多孔无机物，3~5份的功能型填料， 1~3份的无机速凝剂，1~3份的热稳定剂，0.5~2份的抗氧剂，1~2份的阻燃剂，3~8份的润滑剂。
一方面通过将多孔无机物和功能型填料加入聚丙烯融体制备成丝，使得土工布与覆盖物连接牢固度进一步加强；另一方面，由于无机速凝剂不断将土工布自粘结从而达到自增强的效果。
自增强聚丙烯复合塑料土工布将多孔无机物、功能型填料、无机胶黏剂、无机速凝剂加入聚丙烯融体中制备成丝，在钙盐液中浸泡使钙离子在聚丙烯纤维附着，形成的土工布在使用时，随着使用环境潮湿化，其中的钙离子不断与聚丙烯纤维中分散的无机速凝剂形成硅酸钙，这一过程使得土工布与覆盖物连接牢固度进一步加强。
进一步地，所述多孔无机物为沸石粉、多孔碳、二氧化硅气凝胶中的至少一种；
所述功能型填料为硫酸钙晶须、球形硅微粉、超细硅藻土中的至少一种。
硫酸钙晶须是一种以单晶形式生长的新型针状、具有均匀横截面、完整外形、内部结构完善的纤维亚纳米材料。其形态是由于晶体在轴向和侧面生长速率的差异造成的，晶须主要沿轴向方向的螺旋错位生长，其侧面是低能面，生长非常缓慢，通过表面扩散给晶须的尖端或基面上露头螺旋供料。硫酸钙晶须具有高强度、高模量、高韧性、高绝缘性、耐磨耗、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀、红外线反射性良好、易于表面处理、易与聚合物复合、无毒等诸多优良的理化性能。硫酸钙晶须集增强纤维和超细无机填料二者的优势于一体，可用于树脂、塑料、橡胶、涂料、油漆、造纸、沥青、摩擦和密封材料中作补强增韧剂或功能型填料；又可直接作为过滤材料、保温材料、耐火隔热材料、红外线反射材料和包覆电线的高绝缘材料。
球形硅微粉的产品描述准球形硅微粉，系天然结晶粉末，主要化学成分SiO2，不溶于水。球形硅微粉具备高档填料所要求的无杂质、细度好、强着色力、高硬度、耐磨性好、高电阻率、耐酸碱等特性，且具有比一般粘土矿物（碳酸钙、高岭土、滑石等）低得多的吸水性、吸油率和迅速的分散性，它不仅赋予油漆、涂料良好的稳定性，使许多合成品能够接纳较高比例的填充料，能显著提高油漆、涂料的抗腐蚀性、耐磨性、绝缘性、耐候性和耐高温性能。球形硅微粉不仅颗粒形状为准球状，颗粒晶体内核无裂纹，而且整体粒度对于平均值离散性较小（颗粒大小均细）；球形硅微粉与有机高分子材料混合时分密实，增强机体的强度。易分散、混料均匀、可明显增加材料的流动性、防沉降性能，有效提高混合材料的加工工艺性能。
超细硅藻土具有良好的微孔结构、吸附性能和抗压缩性能，不仅能使被滤液体获得较好的流速比，并且能滤除微细的悬浮物，保证了澄清度。超细硅藻土的特点是质轻、多孔、高强、耐磨、绝缘、绝热、吸附及填充方便。超细硅藻土具有良好的化学稳定性，是隔热、研磨、过滤、吸附、抗凝、脱模、填充、载体等重要工业材料。超细硅藻土用于土工布可以提高土工布的过滤效果，并且可以增强土工布的强度和耐磨效果。
进一步优选地，所述多孔无机物为多孔碳；所述功能型填料为硫酸钙晶须。
所述无机速凝剂为硅酸钠；
所述热稳定剂为硬脂酸钙、硬脂酸锌中的至少一种；
所述抗氧剂为三（2，4- 二叔丁苯基）亚磷酸酯、四[3-（3，5- 二叔丁基-4- 羟苯基）丙酸] 季戊醇酯中的至少一种；
所述阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝、磷酸钠、磷酸二铵中的至少一种；
所述润滑剂为硬脂酸、乙撑双硬脂酰胺、聚乙烯蜡、硅酮粉中的至少一种。
自增强聚丙烯复合塑料土工布将多孔碳（多孔无机物）、硫酸钙晶须（功能型填料）、硅酸钠（无机速凝剂）加入聚丙烯融体制备成丝，然后在钙盐水中浸泡，快速干燥，使钙离子在聚丙烯纤维附着。丝状聚丙烯复合物形成的土工布在使用时，随着使用环境潮湿化，其中的钙离子不断与聚丙烯纤维中分散的硅酸钠形成硅酸钙，这一过程使得土工布与覆盖物连接牢固度进一步加强；另一方面，由于硅酸钙的生成从未导致将土工布不断自粘结，最终达到自增强的目的。
进一步优选地，所述步骤二中预分散融体的挤出温度为230~250℃，所述预分散融体流动速率为3~4g/min。挤出过程控制流速，更利于控制聚丙烯长丝的粗细和力学性能。
进一步优选地，所述步骤三中针刺的频率为400~1000 次/min，针板植针密度为2000~5000枚/m2，针刺动程为4~7mm，针深为3~3.5mm。
进一步优选地，所述步骤三中热辊定型的温度为60~80℃，热辊定型的速率为20~50m/min。
本发明的另一目的是提供由上述方法制备得到的一种自增强聚丙烯复合塑料土工布。
本发明的有益效果是：自增强聚丙烯复合塑料土工布将多孔无机物、功能型填料、无机速凝剂加入聚丙烯融体中制备成丝，在钙盐液中浸泡使钙离子在聚丙烯纤维附着，形成的土工布在使用时，随着使用环境潮湿化，其中的钙离子不断与聚丙烯纤维中分散的无机速凝剂形成硅酸钙，这一过程使得土工布与覆盖物连接牢固度进一步加强。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种自增强聚丙烯复合塑料土工布，所述自增强聚丙烯复合塑料土工布包括如下重量份的原料：80份的聚丙烯，5份的多孔无机物（沸石粉），3份的功能型填料（超细硅藻土），1份的无机速凝剂（硅酸钠），1份的热稳定剂（硬脂酸钙），0.5份的抗氧剂（三（2，4- 二叔丁苯基）亚磷酸酯），1份的阻燃剂（氢氧化镁），3份的润滑剂（硬脂酸）。
上述自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将聚丙烯加热形成聚丙烯融体，按照上述重量份配比加入多孔无机物、功能型填料、无机速凝剂、热稳定剂、抗氧剂和阻燃剂、润滑剂至融体中分散均匀得到预分散融体待用；
步骤二、将步骤一中的预分散融体挤出得到聚丙烯长丝，挤出温度为230℃，预分散融体流动速率为3g/min，聚丙烯长丝粗细为6D，得到丝状聚丙烯复合物待用；
步骤三、将步骤二中的丝状聚丙烯复合物铺成纤维网进行拉伸，拉伸倍数为5倍，拉伸后依次进行针刺和钙盐水浸泡，针刺频率为400次/min，针板植针密度为5000枚/m2，针刺动程为7mm，针深为3.5mm，干燥后进行热辊定型，温度为60℃，速率为20m/min，卷取得到自增强聚丙烯复合塑料土工布。
实施例2
一种自增强聚丙烯复合塑料土工布，所述自增强聚丙烯复合塑料土工布包括如下重量份的原料： 120份的聚丙烯， 10份的多孔无机物（多孔碳），5份的功能型填料（球形硅微粉），3份的无机速凝剂（硅酸钠），3份的热稳定剂（硬脂酸锌），2份的抗氧剂（四[3-（3，5- 二叔丁基-4- 羟苯基）丙酸] 季戊醇酯），2份的阻燃剂（氢氧化铝），8份的润滑剂（硅酮粉）。
上述自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将聚丙烯加热形成聚丙烯融体，按照上述重量份配比加入多孔无机物、功能型填料、无机速凝剂、热稳定剂、抗氧剂和阻燃剂、润滑剂至融体中分散均匀得到预分散融体待用；
步骤二、将步骤一中的预分散融体挤出得到聚丙烯长丝，挤出温度为250℃，预分散融体流动速率为4g/min，聚丙烯长丝粗细为8D，得到丝状聚丙烯复合物待用；
步骤三、将步骤二中的丝状聚丙烯复合物铺成纤维网进行拉伸，拉伸倍数为6倍，拉伸后依次进行针刺和钙盐水浸泡，针刺频率为1000 次/min，针板植针密度为2000枚/m2，针刺动程为4mm，针深为3mm，干燥后进行热辊定型，温度为80℃，速率为50m/min，卷取得到自增强聚丙烯复合塑料土工布。
实施例3
一种自增强聚丙烯复合塑料土工布，所述自增强聚丙烯复合塑料土工布包括如下重量份的原料：90份的聚丙烯，6份的多孔无机物（二氧化硅气凝胶），4份的功能型填料（硫酸钙晶须），2份的无机速凝剂（硅酸钠），2份的热稳定剂（硬脂酸钙），1.0份的抗氧剂（四[3-（3，5- 二叔丁基-4- 羟苯基）丙酸] 季戊醇酯），1份的阻燃剂（磷酸二铵），4份的润滑剂（聚乙烯蜡）。
上述自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将聚丙烯加热形成聚丙烯融体，按照上述重量份配比加入多孔无机物、功能型填料、无机速凝剂、热稳定剂、抗氧剂和阻燃剂、润滑剂至融体中分散均匀得到预分散融体待用；
步骤二、将步骤一中的预分散融体挤出得到聚丙烯长丝，挤出温度为240℃，预分散融体流动速率为3g/min，聚丙烯长丝粗细为6D，得到丝状聚丙烯复合物待用；
步骤三、将步骤二中的丝状聚丙烯复合物铺成纤维网进行拉伸，拉伸倍数为5倍，拉伸后依次进行针刺和钙盐水浸泡，针刺频率为600次/min，针板植针密度为3000枚/m2，针刺动程为5mm，针深为3.2mm，干燥后进行热辊定型，温度为70℃，速率为40m/min，卷取得到自增强聚丙烯复合塑料土工布。
实施例4
一种自增强聚丙烯复合塑料土工布，所述自增强聚丙烯复合塑料土工布包括如下重量份的原料：100份的聚丙烯，7份的多孔无机物（多孔碳），4份的功能型填料（硫酸钙晶须），2份的无机速凝剂（硅酸钠），2份的热稳定剂（硬脂酸钙），1份的抗氧剂（三（2，4- 二叔丁苯基）亚磷酸酯），2份的阻燃剂（氢氧化铝），5份的润滑剂（乙撑双硬脂酰胺）。
上述自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将聚丙烯加热形成聚丙烯融体，按照上述重量份配比加入多孔无机物、功能型填料、无机速凝剂、热稳定剂、抗氧剂和阻燃剂、润滑剂至融体中分散均匀得到预分散融体待用；
步骤二、将步骤一中的预分散融体挤出得到聚丙烯长丝，挤出温度为240℃，预分散融体流动速率为3g/min，聚丙烯长丝粗细为8D，得到丝状聚丙烯复合物待用；
步骤三、将步骤二中的丝状聚丙烯复合物铺成纤维网进行拉伸，拉伸倍数为6倍，拉伸后依次进行针刺和钙盐水浸泡，针刺频率为800次/min，针板植针密度为4000枚/m2，针刺动程为6mm，针深为3.5mm，干燥后进行热辊定型，温度为70℃，速率为30m/min，卷取得到自增强聚丙烯复合塑料土工布。
实施例5
一种自增强聚丙烯复合塑料土工布，所述自增强聚丙烯复合塑料土工布包括如下重量份的原料：100份的聚丙烯，8份的多孔无机物（多孔碳），4份的功能型填料（硫酸钙晶须），2份的无机速凝剂（硅酸钠），3份的热稳定剂（硬脂酸钙），2份的抗氧剂（三（2，4- 二叔丁苯基）亚磷酸酯），2份的阻燃剂（氢氧化铝），5份的润滑剂（乙撑双硬脂酰胺）。
上述自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将聚丙烯加热形成聚丙烯融体，按照上述重量份配比加入多孔无机物、功能型填料、无机速凝剂、热稳定剂、抗氧剂和阻燃剂、润滑剂至融体中分散均匀得到预分散融体待用；
步骤二、将步骤一中的预分散融体挤出得到聚丙烯长丝，挤出温度为240℃，预分散融体流动速率为4g/min，聚丙烯长丝粗细为8D，得到丝状聚丙烯复合物待用；
步骤三、将步骤二中的丝状聚丙烯复合物铺成纤维网进行拉伸，拉伸倍数为6倍，拉伸后依次进行针刺和钙盐水浸泡，针刺频率为700 次/min，针板植针密度为3500枚/m2，针刺动程为6mm，针深为3mm，干燥后进行热辊定型，温度为70℃，速率为30m/min，卷取得到自增强聚丙烯复合塑料土工布。
对比例1
一种自增强聚丙烯复合塑料土工布，所述自增强聚丙烯复合塑料土工布包括如下重量份的原料：100份的聚丙烯，8份的多孔无机物（多孔碳），4份的功能型填料（硫酸钙晶须），3份的热稳定剂（硬脂酸钙），2份的抗氧剂（三（2，4- 二叔丁苯基）亚磷酸酯），2份的阻燃剂（氢氧化铝），5份的润滑剂（乙撑双硬脂酰胺）。
上述自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将聚丙烯加热形成聚丙烯融体，按照上述重量份配比加入多孔无机物、功能型填料、热稳定剂、抗氧剂和阻燃剂、润滑剂至融体中分散均匀得到预分散融体待用；
步骤二、将步骤一中的预分散融体挤出得到聚丙烯长丝，挤出温度为240℃，预分散融体流动速率为4g/min，聚丙烯长丝粗细为8D，得到丝状聚丙烯复合物待用；
步骤三、将步骤二中的丝状聚丙烯复合物铺成纤维网进行拉伸，拉伸倍数为6倍，拉伸后依次进行针刺和钙盐水浸泡，针刺频率为700 次/min，针板植针密度为3500枚/m2，针刺动程为6mm，针深为3mm，干燥后进行热辊定型，温度为70℃，速率为30m/min，卷取得到自增强聚丙烯复合塑料土工布。
对比例1在制备丝状聚丙烯复合物时没有加入硅酸钠粉，其余制备与实施例5 一致。因制备的土工布附着钙盐后不能在后期生成硅酸钙，因此不具备自增强的功能。
将实施例1~实施例5、对比例1制备的土工布控制在同一厚度，定量约为350g/m²，铺设在同一工地潮湿环境作泥土隔离网，测试铺设初期的土工布断裂强度，然后分别测试铺设3个月、5个月后的土工布断裂强度，测试数据如表格1所示：
表
：
| 测试项目 | 实施1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 |
| 铺设时的强度（KN/m） | 42 | 43 | 42 | 43 | 43 | 40 |
| 铺设3个月的强度（KN/m） | 47 | 48 | 47 | 48 | 49 | 32 |
| 铺设5个月的强度（KN/m） | 51 | 52 | 52 | 53 | 53 | 28 |
从表格1中的数据可以看出，实施例1~实施例5制备得到的自增强聚丙烯复合塑料土工布在潮湿环境中使用时，随着时间推移，附着的钙盐逐步与纤维内的硅酸钠渗透结合，反应生成硅酸钙，从而强化了土工布，使土工布的断裂强度不降反升。而对比例1由于没有预制硅酸钠，因此未能生产硅酸钙强化土工布，而且在水环境中土工布的强度随时间延长，强度不断劣化。
Claims (9)
1.一种自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将聚丙烯加热形成聚丙烯融体，加入多孔无机物、功能型填料、无机速凝剂、热稳定剂、抗氧剂和阻燃剂、润滑剂至融体中分散均匀得到预分散融体待用；
步骤二、将步骤一中的预分散融体挤出得到聚丙烯长丝，得到丝状聚丙烯复合物待用；
步骤三、将步骤二中的丝状聚丙烯复合物铺成纤维网进行拉伸，拉伸后依次进行针刺和钙盐水浸泡，干燥后进行热辊定型，卷取得到自增强聚丙烯复合塑料土工布；
所述自增强聚丙烯复合塑料土工布制备方法采用如下重量份的原料：80~120份的聚丙烯，5~10份的多孔无机物，3~5份的功能型填料， 1~3份的无机速凝剂，1~3份的热稳定剂，0.5~2份的抗氧剂，1~2份的阻燃剂，3~8份的润滑剂。
2.根据权利要求1所述一种自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，其特征在于：所述多孔无机物为沸石粉、多孔碳、二氧化硅气凝胶中的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，其特征在于：所述功能型填料为硫酸钙晶须、球形硅微粉、超细硅藻土中的至少一种。
4.根据权利要求1所述一种自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，其特征在于：所述无机速凝剂为硅酸钠。
5.根据权利要求1所述一种自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，其特征在于：所述热稳定剂为硬脂酸钙、硬脂酸锌中的至少一种；所述抗氧剂为三（2，4- 二叔丁苯基）亚磷酸酯、四[3-（3，5- 二叔丁基-4- 羟苯基）丙酸] 季戊醇酯中的至少一种；所述阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝、磷酸钠、磷酸二铵中的至少一种；所述润滑剂为硬脂酸、乙撑双硬脂酰胺、聚乙烯蜡、硅酮粉中的至少一种。
6.根据权利要求1所述一种自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，其特征在于：步骤二中预分散融体的挤出温度为230~250℃。
7.根据权利要求1所述一种自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，其特征在于：步骤三中针刺的频率为400~1000 次/min，针板植针密度为2000~5000枚/m2，针刺动程为4~7mm，针深为3~3.5mm。
8.根据权利要求1所述一种自增强聚丙烯复合塑料土工布的制备方法，其特征在于：步骤三中热辊定型的温度为60~80℃，热辊定型的速率为20~50m/min。
9.一种自增强聚丙烯复合塑料土工布，其特征是由权利要求1-8任一项所述的方法制备得到。
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