CN115891345A - 纳米交联复合土工格室及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种纳米交联复合土工格室及其制备方法，该制备方法包括：提供纳米交联聚乙烯和石墨烯改性PA6；将所述纳米交联聚乙烯作为表层，所述石墨烯改性PA6作为芯层，形成三层结构；将所述三层结构热压成型形成整体结构，所述整体机构为纳米交联复合土工格室片材；将多个所述纳米交联复合土工格室片材连接形成所述纳米交联复合土工格室。本申请旨在提升土工格室的强度、模量和耐酸碱性。

Description

纳米交联复合土工格室及其制备方法

技术领域

本申请涉及岩土工程及高分子材料科学技术领域，具体为一种纳米交联复合材料的研发，并使用此材料制作土工格室，用于岩土工程与公路工程加筋，更具体涉及一种纳米交联复合土工格室及其制作方法。

背景技术

土工格室作为一种特种土工合成材料，因其特殊得三维蜂窝结构，在路基路面、边坡和挡土墙工程中运用广泛。相较于其他土工合成材料，土工格室的三维结构可以大大提高土体的表观粘聚力，究其原因，是竖向的格室片材对其包裹的土体有侧限约束作用。目前国内外土工格室片材的主要生产原料多为高聚物，以高密度聚乙烯(HDPE)，聚丙烯(PP)和聚酯(PET)等高分子材料为主；格室节点呈现多样化，由超声波焊接逐渐发展为注塑、插接等节点连接方式。但是众多的工程实践表明，土工格室节点在一般在路基加筋等工程不易破坏，反而土工格室片材的拉伸蠕变变形，对加筋工程的服役寿命有着重要的影响。

随着我国基建工程的大力开展，工程上对土工格室的性能要求日渐提高。以HDPE和PP为主的土工格室片材，大多是由单螺杆或双螺杆挤出机经单个挤出口挤出而成，由于HDPE和PP的抗拉强度较低，耐久性(蠕变和老化)较差，这大大降低了土工格室加筋路基的服役年限；而PET经过二次拉伸生产出的土工格室片材，虽然具有较大的抗拉强度，但PET的耐化学腐蚀性较差，不适于碱性环境(如垃圾填埋场等工程)，这大大制约了PET土工格室的应用范围。目前国内外并没有一种合适的高聚物用于生产土工格室，在既满足基本物理性能的条件下，又提高其抗蠕变性和抗老化性，且使用范围广。这迫切地需要我国技术人员开发出一种新型土工格室，通过改变高聚物的原料和生产工艺，制造出性能更加优异的土工格室，这对提高路基服役年限有着重要的意义。

发明内容

本申请提供一种纳米交联复合土工格室及其制备方法，旨在提升土工格室的强度、模量和耐酸碱性。

本身请提出一种纳米交联复合土工格室的制备方法，包括：

提供纳米交联聚乙烯和石墨烯改性PA6，

将所述纳米交联聚乙烯作为表层，所述石墨烯改性PA6作为芯层，形成三层结构，

将所述三层结构热压成型形成整体结构，所述整体机构为纳米交联复合土工格室片材，

将多个所述纳米交联复合土工格室片材连接形成所述纳米交联复合土工格室。

可选地，所述将所述纳米交联聚乙烯作为表层，所述石墨烯改性PA6作为芯层，形成三层结构的步骤包括：

将第一纳米交联聚乙烯放置于热压成型机内，将所述石墨烯改性PA6放置于所述纳米交联聚乙烯上，再将第二纳米交联聚乙烯放置在所述石墨烯改性PA6上。

可选地，所述将所述三层结构热压成型形成整体结构的步骤包括：

对热压成型机的上底板和下底板加温至预设温度；

将加热后的上底板和下底板对所述三层结构施加压力，以形成所述整体结构。

可选地，所述预设温度为450摄氏度。

可选地，所述将多个所述纳米交联复合土工格室片材连接形成所述纳米交联复合土工格室的步骤包括：

将多个所述纳米交联复合土工格室片材通过超声波焊接形成所述纳米交联复合土工格室。

可选地，所述纳米交联聚乙烯的制备方法包括：

使用芳纶纳米纤维对聚乙烯进行纳米化处理，并添加由粉煤灰产生的硅酸钙，以进行交联聚合反应，得到纳米交联聚乙烯。

可选地，所述芳纶纳米纤维、所述硅酸钙和所述聚乙烯的质量比为1:2:7。

可选地，所述石墨烯改性PA6为将石墨烯类碳材料分散于PA6基体中形成。

可选地，所述将三层结构热压成型形成整体结构之后，所述制备方法还包括：

对所述整体结构进行压纹或者打孔。

本申请还提出一种纳米交联复合土工格室，其由如前所述的纳米交联复合土工格室的制备方法制成。

本申请的技术方案中，在对表层和芯层材料进行制备后，使用热压成型工艺进行土工格室片材的加工制作，形成三层复合结构。该结构可以充分利用纳米交联聚乙烯的耐酸碱和耐化学侵蚀特性，有助于保护土工格室片材的芯层。同时，芯层的石墨烯改性PA6具有抗蠕变性强、强度高、经济性好等优势，但耐酸碱性较弱。三层热压成型后的复合结构，整体强度高、蠕变性小、耐久性好，三层刚度匹配，可协同作用，大幅提高片材自身的综合性能。用于制作土工格室后，在加筋工程中可提高加筋结构体的整体抗剪强度，减小整体结构变形，提高服役年限。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例制备方法的一流程示意图；

图2是本申请实施例制备方法的另一流程示意图；

图3是本申请实施例中提供的纳米交联土工格室片材的结构示意图；

图4是本申请实施例中提供的纳米交联聚乙烯的微观结构示意图；

图5是本申请实施例提出的纳米交联复合土工格室片材与HDPE土工格室的抗蠕变性能的对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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，本领域技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与复合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

参照图1所示，本申请实施例提出一种纳米交联复合土工格室的制备方法，包括：

S100，提供纳米交联聚乙烯和石墨烯改性PA6；

S200，将所述纳米交联聚乙烯作为表层，所述石墨烯改性PA6作为芯层，形成三层结构，

S300，将所述三层结构热压成型形成整体结构，所述整体结构为纳米交联复合土工格室片材；

S500，将多个所述纳米交联复合土工格室片材连接形成所述纳米交联复合土工格室。

在对表层和芯层材料进行制备后，使用热压成型工艺进行土工格室片材的加工制作，形成三层复合结构。该结构可以充分利用纳米交联聚乙烯的耐酸碱和耐化学侵蚀特性，有助于保护土工格室片材的芯层。同时，芯层的石墨烯改性PA6具有抗蠕变性强、强度高、经济性好等优势，但耐酸碱性较弱。三层热压成型后的复合结构，整体强度高、蠕变性小、耐久性好，三层刚度匹配，可协同作用，大幅提高片材自身的综合性能。用于制作土工格室后，在加筋工程中可提高加筋结构体的整体抗剪强度，减小整体结构变形，提高服役年限。需要说明，土工格室片材的连接方式包括不限于：超声波焊接、注塑连接、插接。

本申请实施例的纳米交联复合土工格室可综合利用两种材料的优劣，将耐侵蚀材料放置外层，将力学性能强的材料放置于芯层，利用外层高聚物保护内层高聚物，实现多种高聚物协同作用。

而且，纳米交联复合土工格室相较于传统的HDPE土工格室(即单纯使用外层HDPE材料制成的土工格室)，有着较好的抗拉和抗蠕变性能。试验数据表明纳米交联复合土工格室较HDPE土工格室的拉伸强度提高约60％，具体的抗蠕变性能可参考图5所示，在800N荷载作用下，HDPE土工格室在荷载下趋于蠕变破坏趋势，而纳米交联复合土工格室的蠕变变形却控制在3％以内。

作为上述实施例的可选实施方式，所述将所述纳米交联聚乙烯作为表层，所述石墨烯改性PA6作为芯层，形成三层结构的步骤包括：将第一纳米交联聚乙烯放置于热压成型机内，将所述石墨烯改性PA6放置于所述纳米交联聚乙烯上，再将第二纳米交联聚乙烯放置在所述石墨烯改性PA6上。该结构可以充分利用纳米交联聚乙烯的耐酸碱和耐化学侵蚀特性，有助于保护土工格室片材的芯层。同时，芯层的石墨烯改性PA6具有抗蠕变性强、强度高、经济性好等优势，但耐酸碱性较弱。

作为上述实施例的可选实施方式，所述将所述三层结构热压成型形成整体结构的步骤包括：先对热压成型机的上底板和下底板加温至预设温度，在将加热后的下底板和上底板对所述三层结构施加压力。其中，所述预设温度为加温至450℃。在生产中，将纳米交联聚乙烯和石墨烯改性PA6依次放置于热压成型机的底层、中部、顶层。机器上、下底板温度均预先设置为450℃，这个温度不会让外层高聚物彻底融化，但会让芯层融化，通过这种方式，可将三层高聚物在热压成型机的模具内形成一个三层结构的整体。

作为上述实施例的可选实施方式，所述将多个所述纳米交联复合土工格室片材连接形成所述纳米交联复合土工格室的步骤包括：将多个所述纳米交联土工格室片材通过超声波焊接形成所述纳米交联复合土工格室。

作为上述实施例的可选实施方式，所述纳米交联聚乙烯的内含有芳纶纳米纤维、硅酸钙和聚乙烯，所述芳纶纳米纤维、所述硅酸钙和所述聚乙烯的质量比为1:2:7。纳米交联聚乙烯的微观示意图如图4所示，该高聚物是利用芳纶纳米纤维对聚乙烯进行纳米化处理，并添加由粉煤灰产生的硅酸钙，利用产生的交联聚合作用，提升片材强度、模量和耐酸碱性，具体的配比为10重量％芳纶纳米纤维、20重量％硅酸钙、70重量％聚乙烯。芳纶纳米纤维具有高强度、高模量、耐酸碱、耐高温等特性，可在保留聚乙烯材料优势的基础上，大幅提高拉伸强度。

作为上述实施例的可选实施方式，所述硅酸钙进行了纳米尺度粉碎处理。硅酸钙是由固体废弃物粉煤灰产生，在制作过程中，将其进行纳米尺度粉碎处理，既可以增加片材强度、提升韧性，还可以作为无机物进行材料填充，降低了材料的经济成本。

作为上述实施例的可选实施方式，所述石墨烯改性PA6为将石墨烯类碳材料分散于PA6基体中形成。芯层则使用石墨烯改性PA6，利用石墨烯与PA6首先进行复合，将石墨烯类碳材料均匀地分散于PA6基体中形成纳米复合材料，改善聚合物的结晶形貌，显著提高综合性能。

如图2所示，作为上述实施例的可选实施方式，在步骤S300之后，所述制备方法还包括：

S400，对所述整体结构进行压纹或者打孔。其中，需要说明的是，步骤S400为可选步骤。实施人员在具体实施时，可根据实际需求进行压纹或者打孔工艺。

第二方面，本申请实施例还提出一种纳米交联复合土工格室片材，图3所示，包括：

第一表层，所述第一表层为纳米交联聚乙烯；

芯层，所述芯层设置于所述第一表层上，所述芯层为石墨烯改性PA6；

第二表层，所述第二表层设置于所述第二表层上，所述第二表层为纳米交联聚乙烯；

其中，所述第一表层、芯层和所述第二表层热压形成一体。

在对表层和芯层材料进行制备后，使用热压成型工艺进行土工格室片材的加工制作，形成三层复合结构。该结构可以充分利用纳米交联聚乙烯的耐酸碱和耐化学侵蚀特性，有助于保护土工格室片材的芯层。同时，芯层的石墨烯改性PA6具有抗蠕变性强、强度高、经济性好等优势，但耐酸碱性较弱。三层热压成型后的复合结构，整体强度高、蠕变性小、耐久性好，三层刚度匹配，可协同作用，大幅提高片材自身的综合性能。用于制作土工格室后，在加筋工程中可提高加筋结构体的整体抗剪强度，减小整体结构变形，提高服役年限。

作为上述实施例的可选实施方式，所述纳米交联聚乙烯包括质量比为1:2:7的芳纶纳米纤维、硅酸钙和聚乙烯。使用纳米交联聚乙烯，该高聚物是利用芳纶纳米纤维对聚乙烯进行纳米化处理，并添加由粉煤灰产生的硅酸钙，利用产生的交联聚合作用，提升片材强度、模量和耐酸碱性，具体的配比为10重量％芳纶纳米纤维、20重量％硅酸钙、70重量％聚乙烯。芳纶纳米纤维具有高强度、高模量、耐酸碱、耐高温等特性，可在保留聚乙烯材料优势的基础上，大幅提高拉伸强度。

本申请实施例还提出一种纳米交联复合土工格室，包括多个如前所述的纳米交联土工格室片材，多个所述纳米交联复合土工格室片材连接。用于制作土工格室后，在加筋工程中可提高加筋结构体的整体抗剪强度，减小整体结构变形，提高服役年限。

以上对本申请实施例所提供的一种纳米交联复合土工格室及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种纳米交联复合土工格室的制备方法，其特征在于，包括：

提供纳米交联聚乙烯和石墨烯改性PA6，

将所述纳米交联聚乙烯作为表层，所述石墨烯改性PA6作为芯层，形成三层结构，

将所述三层结构热压成型形成整体结构，所述整体机构为纳米交联复合土工格室片材，

将多个所述纳米交联复合土工格室片材连接形成所述纳米交联复合土工格室。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将所述纳米交联聚乙烯作为表层，所述石墨烯改性PA6作为芯层，形成三层结构的步骤包括：

将第一纳米交联聚乙烯放置于热压成型机内，将所述石墨烯改性PA6放置于所述纳米交联聚乙烯上，再将第二纳米交联聚乙烯放置在所述石墨烯改性PA6上。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述将所述三层结构热压成型形成整体结构的步骤包括：

对热压成型机的上底板和下底板加温至预设温度；

将加热后的上底板和下底板对所述三层结构施加压力，以形成所述整体结构。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述预设温度为450摄氏度。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将多个所述纳米交联复合土工格室片材连接形成所述纳米交联复合土工格室的步骤包括：

将多个所述纳米交联复合土工格室片材通过超声波焊接形成所述纳米交联复合土工格室。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米交联聚乙烯的制备方法包括：

使用芳纶纳米纤维对聚乙烯进行纳米化处理，并添加由粉煤灰产生的硅酸钙，以进行交联聚合反应，得到纳米交联聚乙烯。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述芳纶纳米纤维、所述硅酸钙和所述聚乙烯的质量比为1:2:7。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯改性PA6为将石墨烯类碳材料分散于PA6基体中形成。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将三层结构热压成型形成整体结构之后，所述制备方法还包括：

对所述整体结构进行压纹或者打孔。

10.一种纳米交联复合土工格室，其特征在于，由权利要求1至9中任一项所述的纳米交联复合土工格室的制备方法制成。

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