CN118290845B - 一种具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜及其制造工艺与应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜及其制造工艺与应用，属于土工膜技术领域。该具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜，包括以下组分：改性高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、改性纳米碳酸钙母粒、紫外线吸收剂、抗氧剂和炭黑色母粒。本申请通过将改性高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、改性纳米碳酸钙母粒、紫外线吸收剂、抗氧剂和炭黑色母粒各组分进行复配，有效改善水利土工膜的塑性形变和强度性能。
Description
技术领域
本申请涉及一种具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜及其制造工艺与应用，属于土工膜技术领域。
背景技术
土工膜是以高分子聚合物为基本原料制成的防渗漏材料，其主要功能为防止液体的渗漏和气体的挥发。土工膜因其适应大变形、施工速度快、受气候影响小、工期短、投资较小、可施工处维修方便等优点在国内外挡水建筑物防渗工程中得到较为广泛的应用，土工膜主要用于公路、江河湖海堤岸护坡、水利渠道、涵洞等工程，在工程中，它不仅可以防止渗漏对基础的破坏，同时可保护水库水、渠道水不流失损耗，还能起到隔离、匀荷、稳定的作用。
现有技术，土工膜的生产还只局限于HDPE、LLDPE和PVC等聚乙烯和聚氯乙烯材料，其产品规格厚度一般在0.5-3.0mm。聚乙烯土工膜特别是高密度聚乙烯(HDPE)土工膜当厚度达到1.0mm以上时，因其硬度太大，材质硬脆，耐应力开裂性能相对较差，遇划痕或局部损伤后易于破裂，容易出现渗透或者漏水问题，造成经济损失和负面影响，如何提供一种塑性形变和强度性能均优良的水利土工膜是亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜及其制造工艺与应用，通过将改性高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、改性纳米碳酸钙母粒、紫外线吸收剂、抗氧剂和炭黑色母粒各组分进行复配，有效改善水利土工膜的塑性形变和强度性能。
根据本申请的一个方面，提供了一种具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜，包括以下组分：改性高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、改性纳米碳酸钙母粒、紫外线吸收剂、抗氧剂和炭黑色母粒。
可选的，按照重量分数计，包括以下组分：改性高密度聚乙烯60~70份、线型低密度聚乙烯25~35份、聚丙烯5~10份、聚烯烃弹性体10~20份、茂金属聚乙烯30~35份、改性纳米碳酸钙母粒5~8份、紫外线吸收剂0.01~2份、抗氧剂0.5~2.5份和炭黑色母粒1~1.5份。
具体地，在混合体系中分散一定的微细弹性体，在外来冲击力作用下基体会产生剪切屈服，弹性体则可引发大量银纹和剪切带，同时弹性体可控制银纹的发展并使银纹及时终止而不致发展成破坏性裂纹，由于产生的银纹和剪切带都能消耗大量的能量，所以它们能显著提高材料的冲击强度，即提高韧性。
具体地，本申请通过采用改性纳米碳酸钙，使得纳米碳酸钙以纳米水平均匀分散在高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯中，有效提升土工膜的断裂伸长率、拉伸强度以及直角撕裂强度等性能。
可选的，所述改性纳米碳酸钙的制备包括以下步骤：（1）将纳米碳酸钙放入高速捏合机中搅拌烘干，滴加铝钛酸酯复合偶联剂，搅拌均匀，出料并迅速冷却；（2）将步骤（1）得到的改性纳米碳酸钙与聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯混合均匀，挤出造粒，物料出口温度为192~197℃，得到改性纳米碳酸钙母粒。
具体地，偶联剂将纳米碳酸钙进行包覆，提高纳米碳酸钙的偶联活化质量，使得纳米碳酸钙均匀分散；将改性纳米碳酸钙以低密度聚乙烯、硬脂酸和低密度聚乙烯混合应用，制备得到改性纳米碳酸钙母粒，以提高分散性，进一步提升土工膜的断裂伸长率、拉伸强度以及直角撕裂强度等性能。
具体地，纳米碳酸钙在偶联之前进行搅拌烘干，以去除水分，提升偶联效果；出料后迅速冷却，防止过热变黄及分解。
可选的，所述改性纳米碳酸钙、聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯的重量比为1~1.5：5~10：3~5：1~5。
具体地，所述改性纳米碳酸钙、聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯的重量比为1：7：4：2。
可选的，所述改性高密度聚乙烯的制备方法包括以下步骤：（1）将高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土置于真空箱内，70~80℃干燥3~4h；（2）然后全部放入哈克流变仪中熔融共混，熔融温度为160~170℃，转子转速恒定为180~200r/min，持续共混4~6min。
具体地，凹凸棒土是一种链层状的含水镁铝硅酸盐晶体矿物，其具有无毒，比表面积大、耐温、耐盐碱及良好的生物相容性和较高的吸附脱色能力，具有一定的可塑性和黏结力，可以用来为聚合物复合材料增强增韧，但是凹凸棒土十分容易自身团聚，与聚合物的相容性较差，本申请通过利用金属茂聚乙烯对高密度聚乙烯进行改性，提升聚合物与凹凸棒土的相容性，再利用凹凸棒土作为增强剂，凹凸棒土表面的羟基与改性高密度聚乙烯的羧基发生反应，使得其结构更加致密，得到力学强度优越的改性高密度聚乙烯。
可选的，所述高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土的质量比为1：0.1~0.5：0.01~0.03。
具体地，对高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土的质量比做出具体的限定，凹凸棒土添加量过少，增强增韧效果不明显，凹凸棒土的添加量过多则会出现聚集，过量的凹凸棒土反而降低其机械性能。
优选的，所述高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土的质量比为1：0.2：0.01。
可选的，所述紫外线吸收剂为酚基取代的苯并三唑类紫外吸收剂；所述抗氧剂选自四季戊四醇酯、受阻酚类抗氧剂和受阻胺类抗氧剂中的一种或多种。
具体地，紫外线吸收剂为由宜兴天使合成化学有限公司生产的紫外线吸收剂UV-326，抗氧剂为由宜兴天使合成化学有限公司生产的抗氧剂1010。
根据本申请的另一方面，本申请还提供了一种具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜的制造工艺，包括以下步骤：（1）按照比例称取各原料，备用；（2）将高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、改性纳米碳酸钙母粒置于混料机中进行预混合，得到预混合料；（3）将预混合料、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、紫外线吸收剂、抗氧剂和炭黑色母粒充分混合搅拌后送入双螺杆挤出机；（4）在双螺杆挤出机中熔融并混合均匀，进入三层共挤模头，从圆形模口挤出，经空气吹胀冷却形成管状膜，再经剖开、展平、卷曲成产品。
可选的，双螺杆挤出机的工作温度为190-220℃，转速为20~50r/min。
具体地，双螺杆挤出机的工作温度可以为190℃、200℃、210℃、220℃，转速可以为20r/min、30r/min、40r/min、50r/min。
根据本申请的又一方面，本申请还提供了上述的具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜在水利水电工程中的应用。
本申请的有益效果包括但不限于：
1．根据本申请的具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜，通过将改性高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、改性纳米碳酸钙母粒、紫外线吸收剂、抗氧剂和炭黑色母粒各组分进行复配，有效改善水利土工膜的塑性形变和强度性能。
2．根据本申请的具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜，通过加入聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯二者协同作用，共同起到增韧的效果，在混合体系中分散一定的微细弹性体，在外来冲击力作用下基体会产生剪切屈服，弹性体则可引发大量银纹和剪切带，同时弹性体可控制银纹的发展并使银纹及时终止而不致发展成破坏性裂纹，由于产生的银纹和剪切带都能消耗大量的能量，所以它们能显著提高材料的冲击强度，即提高韧性。
3．根据本申请的具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜，通过采用改性纳米碳酸钙，使得纳米碳酸钙以纳米水平均匀分散在高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯中，有效提升土工膜的断裂伸长率、拉伸强度以及直角撕裂强度等性能；通过本申请通过利用金属茂聚乙烯对高密度聚乙烯进行改性，提升聚合物与凹凸棒土的相容性，再利用凹凸棒土作为增强剂，凹凸棒土表面的羟基与改性高密度聚乙烯的羧基发生反应，使得其结构更加致密，得到力学强度优越的改性高密度聚乙烯，将聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯加入改性高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯形成的混合体系中，以进一步提高力学性能。
4．根据本申请的具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜，将改性高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯形成混合体系，线型低密度聚乙烯链段中存在较多支链，而这些支链能够与改性高密度聚乙烯链段相互缠结，使共混物链段的规整度降低，在受到外力作用时，会吸收更多的能量，使断裂伸长率升高，但是线性低密度聚乙烯的含量过多时，其自身相互缠结会影响其与改性高密度聚乙烯链段的缠结，导致断裂伸长率反而降低；聚丙烯甲基的存在，加入少量聚丙烯会使紧密堆积改性高密度聚乙烯的分子间距增大，改性高密度聚乙烯的熵弹性增大，导致改性高密度聚乙烯的断裂伸长率增加，但是聚丙烯含量逐渐增多时，分散在改性高密度聚乙烯中的少量的聚丙烯微小晶核逐渐堆积，使改性高密度聚乙烯出现了不连续相，导致断裂伸长率急剧下降。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
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。本专利中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1 水利土工膜1#
改性纳米碳酸钙的制备：
（1）将纳米碳酸钙放入高速捏合机中搅拌烘干，滴加铝钛酸酯复合偶联剂，搅拌均匀，出料并迅速冷却；（2）将步骤（1）得到的改性纳米碳酸钙与聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯混合均匀，改性纳米碳酸钙、聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯的重量比为1：5：3：1，挤出造粒，物料出口温度为192℃，得到改性纳米碳酸钙母粒。
改性高密度聚乙烯的制备：
（1）将高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土置于真空箱内，高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土的质量比为1：0.1：0.01，70℃干燥3h；（2）然后全部放入哈克流变仪中熔融共混，熔融温度为160℃，转子转速恒定为180r/min，持续共混4min。
一种具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜1#的制备
（1）按照比例称取改性高密度聚乙烯60份、线型低密度聚乙烯25份、聚丙烯5份、聚烯烃弹性体10份、茂金属聚乙烯30份、改性纳米碳酸钙母粒5份、紫外线吸收剂UV-326 0.01份、抗氧剂1010 0.5份和炭黑色母粒1份，备用；
（2）将高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、改性纳米碳酸钙母粒置于混料机中进行预混合，得到预混合料；
（3）将预混合料、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、紫外线吸收剂、抗氧剂和炭黑色母粒充分混合搅拌后送入双螺杆挤出机；
（4）在双螺杆挤出机中熔融并混合均匀，双螺杆挤出机的工作温度为190℃，转速为20r/min。进入三层共挤模头，从圆形模口挤出，经空气吹胀冷却形成管状膜，再经剖开、展平、卷曲成产品，得到具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜1#。
实施例2水利土工膜2#
改性纳米碳酸钙的制备：
（1）将纳米碳酸钙放入高速捏合机中搅拌烘干，滴加铝钛酸酯复合偶联剂，搅拌均匀，出料并迅速冷却；（2）将步骤（1）得到的改性纳米碳酸钙与聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯混合均匀，改性纳米碳酸钙、聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯的重量比为1.5：10：5：5，挤出造粒，物料出口温度为197℃，得到改性纳米碳酸钙母粒。
改性高密度聚乙烯的制备：
（2）将高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土置于真空箱内，高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土的质量比为1：0.5：0.03，80℃干燥4h；（2）然后全部放入哈克流变仪中熔融共混，熔融温度为170℃，转子转速恒定为 200r/min，持续共混6min。
一种具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜2#的制备
（1）按照比例称取改性高密度聚乙烯70份、线型低密度聚乙烯35份、聚丙烯10份、聚烯烃弹性体20份、茂金属聚乙烯35份、改性纳米碳酸钙母粒8份、紫外线吸收剂UV-326 2份、抗氧剂1010 2.5份和炭黑色母粒1.5份，备用；
（2）将高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、改性纳米碳酸钙母粒置于混料机中进行预混合，得到预混合料；
（3）将预混合料、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、紫外线吸收剂、抗氧剂和炭黑色母粒充分混合搅拌后送入双螺杆挤出机；
（4）在双螺杆挤出机中熔融并混合均匀，双螺杆挤出机的工作温度为220℃，转速为50r/min。进入三层共挤模头，从圆形模口挤出，经空气吹胀冷却形成管状膜，再经剖开、展平、卷曲成产品，得到具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜2#。
实施例3水利土工膜3#
改性纳米碳酸钙的制备：
（1）将纳米碳酸钙放入高速捏合机中搅拌烘干，滴加铝钛酸酯复合偶联剂，搅拌均匀，出料并迅速冷却；（2）将步骤（1）得到的改性纳米碳酸钙与聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯混合均匀，改性纳米碳酸钙、聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯的重量比为1.2：7：4：3，挤出造粒，物料出口温度为195℃，得到改性纳米碳酸钙母粒。
改性高密度聚乙烯的制备：
（3）将高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土置于真空箱内，高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土的质量比为1：0.3：0.02，75℃干燥3h；（2）然后全部放入哈克流变仪中熔融共混，熔融温度为165℃，转子转速恒定为 190r/min，持续共混5min。
一种具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜3#的制备
（1）按照比例称取改性高密度聚乙烯65份、线型低密度聚乙烯30份、聚丙烯7份、聚烯烃弹性体15份、茂金属聚乙烯30份、改性纳米碳酸钙母粒6份、紫外线吸收剂UV-326 0.2份、抗氧剂1010 1份和炭黑色母粒1.5份，备用；
（2）将高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、改性纳米碳酸钙母粒置于混料机中进行预混合，得到预混合料；
（3）将预混合料、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、紫外线吸收剂、抗氧剂和炭黑色母粒充分混合搅拌后送入双螺杆挤出机；
（4）在双螺杆挤出机中熔融并混合均匀，双螺杆挤出机的工作温度为200℃，转速为40r/min。进入三层共挤模头，从圆形模口挤出，经空气吹胀冷却形成管状膜，再经剖开、展平、卷曲成产品，得到具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜3#。
实施例4水利土工膜4#
实施例4与实施例3的区别在于，线型低密度聚乙烯50份，其余均相同。
实施例5水利土工膜5#
实施例5与对比例3的区别在于，聚丙烯20份，其余均相同。
对比例1水利土工膜D1#
对比例1与实施例3的区别在于，采用的不是改性纳米碳酸钙母粒而是粉状碳酸钙，其余均相同。
对比例2水利土工膜D2#
对比例2与实施例3的区别在于，采用高密度聚乙烯而非改性高密度聚乙烯，其余均相同。
对比例3水利土工膜D3#
对比例3与实施例3的区别在于，包括聚烯烃弹性体45份，不包括茂金属聚乙烯，其余均相同。
实验例1
对实施例1~5及对比例1~3得到的土工膜进行性能测试，测试结果见表1。
表1 土工膜性能测试结果
以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜，其特征在于，按照重量份数计，包括以下组分：改性高密度聚乙烯60~70份、线型低密度聚乙烯25~35份、聚丙烯5~10份、聚烯烃弹性体10~20份、茂金属聚乙烯30~35份、改性纳米碳酸钙母粒5~8份、紫外线吸收剂0.01~2份、抗氧剂0.5~2.5份和炭黑色母粒1~1.5份；
所述改性纳米碳酸钙的制备包括以下步骤：
（1）将纳米碳酸钙放入高速捏合机中搅拌烘干，滴加铝钛酸酯复合偶联剂，搅拌均匀，出料并迅速冷却；
（2）将步骤（1）得到的改性纳米碳酸钙与聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯混合均匀，挤出造粒，物料出口温度为192~197℃，得到改性纳米碳酸钙母粒；
所述改性高密度聚乙烯的制备方法包括以下步骤：
（1）将高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土置于真空箱内，70~80℃干燥3~4h；
（2）然后全部放入哈克流变仪中熔融共混，熔融温度为160~170℃，转子转速恒定为180~200r/min，持续共混4~6min；
所述高密度聚乙烯、金属茂聚乙烯和凹凸棒土的质量比为1：0.1~0.5：0.01~0.03。
2.根据权利要求1所述的具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜，其特征在于，所述改性纳米碳酸钙、聚乙烯低分子蜡、硬脂酸和低密度聚乙烯的重量比为1~1.5：5~10：3~5：1~5。
3.根据权利要求1所述的具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜，其特征在于，所述紫外线吸收剂为酚基取代的苯并三唑类紫外吸收剂；所述抗氧剂选自受阻酚类抗氧剂或受阻胺类抗氧剂中的一种或多种。
4.权利要求1~3任一项所述的具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：（1）按照比例称取各原料，备用；（2）将改性高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、改性纳米碳酸钙母粒置于混料机中进行预混合，得到预混合料；（3）将预混合料、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、紫外线吸收剂、抗氧剂和炭黑色母粒充分混合搅拌后送入双螺杆挤出机；（4）在双螺杆挤出机中熔融并混合均匀，进入三层共挤模头，从圆形模口挤出，经空气吹胀冷却形成管状膜，再经剖开、展平、卷曲成产品。
5.根据权利要求4所述的具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜的制造工艺，其特征在于，双螺杆挤出机的工作温度为190-220℃，转速为20~50r/min。
6.权利要求1~3任一项所述的具有优良的塑性形变和强度性能的水利土工膜在水利水电工程中的应用。
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