CN113715292A - 一种土工格栅及防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本公开属于土工格栅制造技术领域，为了避免传统格栅拉伸工艺中在筋条根部产生裂纹并拉断的缺陷，采用的方法包括：(1)：将超高相对分子质量聚乙烯/线性低密度聚乙烯熔混料利用密炼机制备预制条带；(2)：将高密度聚乙烯和碳黑色母粒置于双螺杆加料斗，同向旋转螺杆，在双螺杆挤出机的第二加料口加入步骤(1)制备的预制条带，进行挤出；(3)：挤出板材表面温度降至130‑135℃时，用上下往复运动的铬铁滚筒相隔2～8cm碾压板材的上表面使其呈一定弧度的凹形，之后在120‑125℃时切出带一定倒角的方孔格栅半成品，并进行拉伸，获得的土工格栅的拉伸强度≥120MPa，且蠕变率≤10％。

Description

一种土工格栅及防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法

技术领域

本公开属于土工格栅制造技术领域，具体涉及一种土工格栅及防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

目前我国高铁、高速公路施工普遍采用斜坡式挡土墙，占地面积大，抗震性能低。未来将大量采用挡土墙式路基，该结构主要有节约土地、抗震性能好、整体刚度大等优势。加筋土挡墙作为轻型支挡结构是我国路基工程未来的重点发展领域，应用前景广阔。

现有的修筑加筋土挡墙所采用的主要筋材为高密度聚乙烯(HDPE)单向拉伸塑料土工格栅。目前该类格栅的生产方法一般为先用挤出机制造出一定宽度和厚度的HDPE板材，在室温下用冲孔装置在板材上冲出方形格栅孔，加温至PE塑料的高弹转变平台区以一定速率和一定张力下单向牵伸4-8倍，即可得到单向拉伸筋条HDPE塑料土工格栅产品。

但是，发明人发现传统的制备方法，在拉伸过程中，方形孔的根部筋条容易发生撕裂断筋的缺陷。因此，如何避免传统格栅拉伸工艺中在筋条根部产生裂纹并拉断的缺陷成为亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本公开提供了一种土工格栅及防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法，该方法可以防止传统的PE格栅拉伸工序中在筋条部位容易发生拉断的现象。

具体地，本公开的技术方案如下所述：

在本公开的第一方面，一种土工格栅，包括下列重量份的组分原料：高密度聚乙烯70～75份、超高相对分子质量聚乙烯/线性低密度聚乙烯熔混料25～30份，碳黑色母粒2-6份。

在本公开的第二方面，一种防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法，包括：

(1)：将超高相对分子质量聚乙烯/线性低密度聚乙烯熔混料利用密炼机制备预制条带；

(2)：将高密度聚乙烯和碳黑色母粒置于双螺杆加料斗，同向旋转螺杆料筒分区段加热将物料熔融塑化，在双螺杆挤出机的第二加料口加入步骤(1)制备的预制条带，进行共熔融挤出制得板材；

(3)：挤出板材表面温度降至130-135℃时，用上下往复运动的铬铁滚筒相隔2～8cm碾压板材的上表面使其呈一定弧度的凹形，之后在120-125℃时用镂空切刀加工出带方孔的格栅半成品，并进行拉伸。

在本公开的第三方面，所述的土工格栅和/或任一所述的方法制备得到的格栅，拉伸强度≥120MPa，且蠕变率≤10％。

本公开中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：

(1)、配料不是采用单纯的高密度聚乙烯(HDPE)，而是将超高相对分子质量聚乙烯/线性低密度聚乙烯熔混料(UHMWPE/LLDPE熔混料)与HDPE复合而成，目的是在格栅制造的拉伸环节使得UHMWPE能够高度取向且形成微原纤，以增加HDPE格栅产品的拉伸强度并降低格栅的蠕变率。

(2)、在本公开的具体实施方式中，格栅所用的PE复合原料的选定、挤出板材冷却到特定温度下进行格栅切孔及筋条拉伸的流水化连续操作设计、预定拉伸屈服位点以防止在格栅筋条根部撕裂拉断的工艺等皆经过精心设计，土工格栅的生产过程稳定且所得的的土工格栅的强度和蠕变率都优于现有的单纯用HDPE拉伸得到的格栅产品，能够适宜于高速公路和高铁挡土式路基施工的工况。

(3)、该工艺生产的路基挡土墙格栅，能避免拉伸工序中在方形孔的根部筋条容易发生撕裂断筋的缺陷，制造工艺过程连续平稳且拉伸格栅产品的力学性能离散性小，其拉伸强度≥120MPa，且蠕变率≤10％。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本公开。应理解，这些实施例仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

目前，在单向HDPE拉伸格栅的生产过程中，在板材切出方形孔，其根部筋条在拉伸时容易发生撕裂断筋的缺陷，为此，本公开提供了一种土工格栅及防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法。

在本公开的一种实施方式中，一种土工格栅，包括下列重量份的组分原料：高密度聚乙烯70～75份、超高相对分子质量聚乙烯UHMWPE/线性低密度聚乙烯LLDPE熔混料25～30份，碳黑色母粒2-6份。

其中，所述超高相对分子质量聚乙烯/线性低密度聚乙烯熔混料的制备方法包括：等重量比的UHMWPE和LLDPE置于密炼机混料，控制混料最高温度不高于180℃，混料10-15min结束后，得到LLDPE/UHMWPE预混料压片并切成胶条。

传统的工艺方法中，配料为单纯的高密度聚乙烯，不同于传统的配料，本公开所述的格栅，采用超高相对分子质量聚乙烯/线性低密度聚乙烯熔混料(UHMWPE/LLDPE熔混料)与HDPE复合而成，有利于在格栅制造的拉伸环节使得UHMWPE能够取向且形成微原纤，以增加HDPE格栅产品的拉伸强度并降低格栅的蠕变率。

在本公开的一种实施方式中，一种防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法，包括：

(1)：将超高相对分子质量聚乙烯/线性低密度聚乙烯混合料利用密炼机熔混后制备预制条带；

(2)：将高密度聚乙烯和碳黑色母粒置于双螺杆加料斗，同向旋转螺杆料筒分区段加热将物料熔融塑化，在双螺杆挤出机的第二加料口加入步骤(1)制备的预制条带，进行共熔融挤出制得板材；

(3)：挤出板材表面温度降至130-135℃时，用上下往复运动的铬铁滚筒相隔2～8cm碾压板材的上表面使其呈一定弧度的凹形，之后在120-125℃时用镂空切刀加工出带一定倒角的方孔格栅半成品，并随即进行拉伸。

传统的制造格栅的工序中，需要使用现成的一定厚度的HDPE板材作为原料，使用冲床在塑料板上冲出方孔，因为是冷切且HDPE塑料板结晶度较高，这样在方孔的边角、立棱处会出现应力集中，极易于在后续拉伸环节在冲孔根部发生筋条撕裂和拉断的现象。本公开采用在挤出板材生产线上连续实现格栅热切孔和高弹态下拉伸操作，避免了传统冷切方孔时产生应力集中和微结构损伤的缺陷；尤为突出的是在PE熔点附近利用滚筒碾压格栅筋条得一弧形压痕，因为滚筒热容量大能及时带走板材表面的热量使得HDPE冷凝呈高弹态故该压痕形成后马上定型，待到拉伸环节弧形压痕的最凹处将成为拉伸屈服的起始点，拉伸屈服处PE大分子链高度取向之后获得自增强效果，屈服向两边蔓延渐次扩展到筋条根部，这就有效的防止了传统拉伸工艺下均厚的筋条容易在应力集中的方孔根部和边棱冲裁损伤点处发生撕裂拉断的缺陷；另外本公开的工艺实现了挤出板材和格栅切孔、拉伸的流水线式连续操作，避免了传统工艺板材冷却、切孔、板材预热再拉伸的热损失，能达到节能降耗的效果。

其中，步骤(1)中，所述预制条带的厚度为2-5mm，优选的，为3mm；或，宽为2-5mm，优选的，为3mm。该预制条带有利于在第二加料口顺利进料又能尽量避免因过度剪切作用而发生的UHMWPE/LLDPE大分子缠结链断链。

其中，步骤(2)中，所述第二加料口设置在双螺杆挤出机螺杆长径比为28的位置，之所以设置在该位置，原因是HDPE此时可以全部熔融塑化，利于喂入后续预制UHMWPE/LLDPE条带料，并容易均匀混熔。

或，双螺杆挤出机的加热分区为六区，料筒加热温度依次设定为：一区160℃，二区180℃，三区190℃，四区200℃，五区220℃，机头区210℃。传统的HDPE格栅生产所用的单螺杆挤出机长径比为20～28，加热分区一般4段，加热方式为PID控制的电加热。然而，本公开发现，对于复合PE料，必须采用双螺杆挤出机以加强混料效果，且需加大螺杆的长径比，加热需要设置六个分区以利于PE复合物料的充分熔融混合。

或，双螺杆挤出机采用鱼尾式机头，鱼尾式有利于熔融料流的顺利展宽成板。

或，机头压力为1.0-2.0MPa，板厚3-8mm，幅宽1.3-2.0m，挤出速度5-10m/min；优选的，机头压力1.2MPa，板厚5mm，幅宽1.6m，挤出速度8m/min；处于该条件下，板材挤出的稳定性好，板材横向上的温度偏差较小。

或，步骤(2)挤出的板材厚度为5-10mm。

其次，在距离挤出机头6～10mm处用与筋条宽度一致的无缝拼接的聚四氟乙烯条形板框承托以5～10m/min向前传送，板材温度用红外测温仪探测记录。通过该方式，实现板材传送，整个挤出板材冷却、格栅切孔及拉伸等工艺都是在传送过程中实现一体化操作。

步骤(3)中，所述滚筒上对应格栅筋条的部位具有凸起的形状，使得碾压区域的PE板材表面呈弧形凹痕，此弧形的凹痕最低点处将成为后续拉伸时首先屈服的部位，在控制合适的温度和拉伸张力下拉伸屈服逐渐平稳地扩展到凹痕根部，这样就可以避免传统格栅拉伸工艺中在筋条根部因为应力集中而容易产生裂纹并被拉断的缺陷。

步骤(3)中，可以采用镂空切刀，选定在物料的熔点附近趁热切孔的优点是方孔边角处的应力集中现象不显著。

此外，拉伸工艺包括：所述格栅半成品继续向前传送，当板材表面温度达到95-105℃时，在横向用卡钳固定两端，前行方向上加牵伸装置，控制牵伸比4-6倍。

或，轴向牵伸得到的格栅在一定张紧力下控温在80-85℃保持2-3分钟消除弹性回复效应，之后加10米长的喷淋水装置将拉伸后的格栅产品冷至室温，然后按定长截断码放。该工艺生产的路基挡土墙格栅，能避免拉伸工序中在方形孔的根部筋条容易发生撕裂断筋的缺陷。

在本公开的一种实施方式中，所述的土工格栅和/或任一所述的方法制备得到的格栅，其特征是，拉伸强度≥120MPa，且蠕变率≤10％。

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

制备UHMWPE/LLDPE熔混料：具体为：

等重量比的UHMWPE和LLDPE置于密炼机混料，控制混料最高温度不高于180℃，混料10-15min结束后，得到LLDPE/UHMWPE熔混料压片并切成胶条。

实施例1

配料比：三井化学CX3702F型号的HDPE 72kg，UHMWPE/LLDPE熔混料28kg，碳黑色母粒3kg。

混料塑化工艺：启动容量为200L的密炼机，先将28kg UHMWPE/LLDPE熔混料倒入，搅拌密炼15min，控制料筒温度为175℃，到设定时间后停止密炼，塑化料经开炼机两辊间薄通出片，出片厚度3mm，随即把该片材放入分切机切成3mm宽的带状待用。

72kg CX3702F和碳黑色母粒3kg置于双螺杆加料斗，双螺杆挤出机选用长径比为38的Ф60机型，同向旋转螺杆，在长径比28处设第二加料口加入上述UHMWPE/LLDPE预制条带，设定双螺杆加热分区为六区，料筒加热温度依次设定为：一区160℃，二区180℃，三区190℃，四区200℃，五区220℃，机头区210℃。

挤出板材机头采用鱼尾式，机头压力1.2MPa，板厚6mm，幅宽1.6m，挤出速度8m/min。在距离挤出机头8mm处用5mm宽无缝拼接的聚四氟乙烯条形板框(其宽度等于PE格栅的横向筋条宽度)承托以8m/min向前传送，板材温度用红外测温仪探测记录。

待板材温度降至133℃时，用上下往复运动的铬铁滚筒碾压，压出呈一定弧度的凹形，122℃时落下裁刀冲出格栅孔。之后加卡钳横向上把板材施压夹紧力，板材前进的轴向上利用卡钳运动的速差将筋条拉伸5倍后完成拉伸动作，柔和松开卡钳，继续保持适当的牵引张紧力向前输送并冷却，格栅温度降至85℃后再保持牵引加紧130秒后喷淋冷水冷却防止拉伸筋条回缩，冷却至室温后切段码放。

放置并经过24小时状态调节，从格栅筋条上取样，测得其拉伸强度为132.2MPa，蠕变率9.58％。

实施例2

配料比：三井化学CX3702F型号的HDPE 75kg，UHMWPE/LLDPE熔混料25kg，碳黑色母粒4kg。

混料塑化工艺：启动容量为200L的密炼机，先将25kg UHMWPE/LLDPE熔混料倒入，搅拌密炼10min，控制料筒温度为175℃，到设定时间后停止密炼，塑化料经开炼机两辊间薄通出片，出片厚度3mm。随即把该片材放入分切机切成3mm宽的带状待用。

75kg CX3702F和碳黑色母粒4kg置于双螺杆加料斗，双螺杆挤出机选用长径比为38的Ф60机型，同向旋转螺杆，在长径比28处设第二加料口加入上述UHMWPE/LLDPE预制条带，设定双螺杆加热分区为六区，料筒加热温度依次设定为：一区160℃，二区180℃，三区190℃，四区200℃，五区220℃，机头区210℃。

挤出板材机头采用鱼尾式，机头压力1.0MPa，板厚3mm，幅宽1.6m，挤出速度10m/min。在距离挤出机头8mm处用5mm宽无缝拼接的聚四氟乙烯条形板框(其宽度等于PE格栅的横向筋条宽度)承托以10m/min向前传送，板材温度用红外测温仪探测记录。

待板材温度降至131℃时，用上下往复运动的铬铁滚筒碾压，压出呈一定弧度的凹形，122℃时落下裁刀冲出格栅孔，之后加卡钳横向上把板材施压夹紧力，板材前进的轴向上利用卡钳运动的速差将筋条拉伸4倍后完成拉伸动作，柔和松开卡钳，继续保持适当的牵引张紧力向前输送并冷却，格栅温度降至85℃后再保持牵引加紧130秒后喷淋冷水防止拉伸筋条回缩，冷却至室温后切段码放。

放置并经过24小时状态调节，从格栅筋条上取样，测得其拉伸强度为123.3MPa，蠕变率9.9％。

实施例3

配料比：三井化学CX3702F型号的HDPE70kg，UHMWPE/LLDPE熔混料30kg，碳黑色母粒5kg。

混料塑化工艺：启动容量为200L的密炼机，先将30kgUHMWPE/LLDPE熔混料倒入，搅拌密炼18min，控制料筒温度为175℃，到设定时间后停止密炼，塑化料经开炼机两辊间薄通出片，出片厚度3mm。随即把该片材放入分切机切成3mm宽的带状待用。

70kg CX3702F和碳黑色母粒5kg置于双螺杆加料斗，双螺杆挤出机选用长径比为38的Ф60机型，同向旋转螺杆，在长径比28处设第二加料口加入上述UHMWPE/LLDPE预制条带，设定双螺杆加热分区为六区，料筒加热温度依次设定为：一区160℃，二区180℃，三区190℃，四区200℃，五区220℃，机头区210℃。

挤出板材机头采用鱼尾式，机头压力1.5MPa，板厚8mm，幅宽1.6m，挤出速度5m/min。在距离挤出机头8mm处用5mm宽无缝拼接的聚四氟乙烯条形板框(其宽度等于PE格栅的横向筋条宽度)承托以5m/min向前传送，板材温度用红外测温仪探测记录。

待板材温度降至135℃时，用上下往复运动的铬铁滚筒碾压，将板材表面压出呈一定弧度的凹形，125℃时落下裁刀冲出格栅孔，之后加卡钳横向上把板材施压一定的夹紧力，板材前进的轴向上利用卡钳运动的速差将筋条拉伸6倍后完成拉伸动作，柔和松开卡钳，继续保持适当的牵引张紧力向前输送并冷却，格栅温度降至85℃后再保持牵引加紧130秒后并喷淋冷水防止拉伸筋条回缩，冷却至室温后切段码放。

放置并经过24小时状态调节，从格栅筋条上取样，测得其拉伸强度为143.5MPa，蠕变率9.6％。

对比例1：

与实施例3相比，区别在于：仅采用实施例3中所用的单纯的HDPE作为格栅主要成分。其它操作工艺参数同实施例1时拉伸格栅产品。从格栅拉伸筋条上取样，样品放置并经过24小时状态调节，测得其拉伸强度为103.7MPa，蠕变率11.3％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种土工格栅，其特征是，包括下列重量份的组分原料加工而得：高密度聚乙烯70～75份、超高相对分子质量聚乙烯/线性低密度聚乙烯熔混料25～30份，碳黑色母粒2～6份。

2.如权利要求1所述的一种土工格栅，其特征是，所述超高相对分子质量聚乙烯/线性低密度聚乙烯熔混料的制备方法包括：等重量比的超高相对分子质量聚乙烯和线性低密度聚乙烯置于密炼机混料，控制混料最高温度不高于180℃，混料10～15min，即得。

3.一种防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法，其特征是，包括：

(1)：将权利要求1所述的土工格栅中的超高相对分子质量聚乙烯/线性低密度聚乙烯熔混料利用密炼机制备预制条带；

(2)：将权利要求1所述的土工格栅中的高密度聚乙烯和碳黑色母粒置于双螺杆加料斗，同向旋转螺杆，在双螺杆挤出机的第二加料口加入步骤(1)制备的预制条带，进行共熔融挤出；

(3)：挤出板材表面温度降至130-135℃时，用上下往复运动的铬铁滚筒相隔2～8cm碾压板材的上表面使其呈一定弧度的凹形，之后在120-125℃时用切刀加工出带一定倒角的方孔格栅半成品，并进行拉伸。

4.如权利要求3所述的一种防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法，其特征是，步骤(1)中，所述预制条带的厚度为2-5mm，优选的，为3mm；或，宽为2-5mm，优选的，为3mm。

5.如权利要求3所述的一种防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法，其特征是，步骤(2)中，所述第二加料口设置在双螺杆挤出机螺杆长径比为28的位置；

或，双螺杆挤出机的加热分区为六区，料筒加热温度依次设定为：一区160℃，二区180℃，三区190℃，四区200℃，五区220℃，机头区210℃；

或，双螺杆挤出机采用鱼尾式机头；

或，机头压力为1.0-2MPa，板厚3-8mm，幅宽1.3-2.0m，挤出速度5～10m/min；优选的，机头压力1.2MPa，板厚5mm，幅宽1.6m，挤出速度8m/min；

或，步骤(2)挤出的板材厚度为5～10mm。

6.如权利要求3所述的一种防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法，其特征是，在距离挤出机头6～10mm处用与筋条宽度一致的无缝拼接的聚四氟乙烯条形板框承托以5～10m/min向前传送，板材温度用红外测温仪探测记录。

7.如权利要求3所述的一种防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法，其特征是，步骤(3)中，所述滚筒上对应格栅筋条的部位具有凸起的形状。

8.如权利要求3所述的一种防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法，其特征是，步骤(3)中，切刀刃口形状为带一定倒角的镂空四边形。

9.如权利要求3所述的一种防止格栅制造中拉断筋条的工艺方法，其特征是，拉伸工艺包括：所述格栅半成品继续向前传送，当板材表面温度达到95-105℃时，在横向用卡钳固定两端，前行方向上加牵伸装置，控制牵伸比4-6倍；

或，轴向牵伸得到的格栅在一定张力下控温在80-85℃保持2-3分钟消除弹性回复效应，之后加10米长的喷淋水装置将拉伸后的格栅产品冷至室温，然后按定长截断码放。

10.权利要求1或2所述的土工格栅和/或权利要求3-9任一所述的方法制备得到的格栅，其特征是，拉伸强度≥120MPa，且蠕变率≤10％。