聚烯烃土工格室的研制

合成树脂新产品开发与应用专栏合成树脂及塑料，2001, 18(4): 24CHINA SYNTHEIC RESIN AND PLASTICS.聚烯烃土工格室的研制李涛钱德成周澜赵桂良(北京燕化石油化工股份有限公司树脂应用研究所，102500)通过以改性聚烯烃为原料,经挤出成型分切.再超声焊接制成了土工格室,并介绍了土工格室的应用。关键词:聚烯烃土工格室专用料超声焊接土工格室是一种具有立体网状结构的土工合再经挤出成型为片材，分切成条状，焊接成制品。成材料。其独特的三维立体结构可有效地约束网工艺路线见图1。格内的填充物,与填充物一起形成稳定的结构层，基础树脂显示出其他平面土工合成材料无法相比的工程效助剂→共混→双螺杆造粒→片材成型→焊接果,正广泛地应用于软弱路基加固、边坡防护、挡改性树脂图1土工格室基本成型工艺路线土墙修建等工程。聚烯烃土工格室产品是以改性聚烯烃为原料,1.2技术要求经挤出成型分切再超声焊接而成，展开后呈立体土工格室产品在岩土工程中作为一种支承结蜂窝状结构的土工合成材料。因土工格室的生产流构的增强骨架,因此要求产品必须具有强度高,刚程长、成型工序多、应用环境复杂多变等特点，因度大且纵、横向变化均匀等特点,在具有较好的力此,对生产该产品的原材料及产品有如下要求:学性能的同时还必须具有较好的耐老化性能。通(1)产品有较好的机械性能,以防止在施工过过几年的工程应用实验和工程模型实验研究，我程和应用过程中受到较强的外力、硬物穿刺等的们确定了适应不同地理环境的2种不同使用条件破坏。的土工格室的力学性能指标(见表1)。(2)产品长期在复杂的环境中使用,故选择材料时应考虑耐酸碱性和耐霉变等因素。2实验部分(3)材料应有较好的抗老化性能，以满足在工2.1土工格室专 用料配方筛选程中长期稳定使用的需要。2.1.1基料的选择(4)我国广阔的地域,南北气温变化大,产品基料的选择对产品性能、加工工艺及对产品所用材料必须有较好的耐低、高温性能。成本具有直接的影响。(5)为适应土工格室的制备工艺要求,材料还聚烯烃树脂[聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)]是合需具有较好的可焊接性。成材料中产量最大、品种牌号较多的一类通用树(6)产品在工程应用中要求为外形尺寸整齐、脂,具有密度低、适用性强、加工容易、价格便宜等焊距-致,整个网格体系强度-致。特点。选用这一类材料作为土工格室的基材具有(7)产品具有较好的组件连接功能,以保证工原材料供应充足,价格较低,可有效地降低工程造程整体加固强度的- -致性。收稿日期: 2001-04-27。作者简介:李涛， 1992 年毕业于华北工学院，现在北京1实验的工艺 路线及技术要求燕化石油化I股份有限公司树脂应用研究所从事塑料制1.1 实验步骤品的研制工作，目前从事土工合成材料的研制及推广.已将基础材料和改性树/脂、助剂经共混后造粒,发表论文数篇。第4期李涛等.聚烯烃土工格室的研制.25 .表1主要技术指标表3 1'不同比例配方性能比较项测试方法项E1E4E屈服拉伸强度/MPaASTM D63823树脂C+E C+ED+E弯曲模量/MPaASTMD638 600800MI/[g* (10 min)-"]0.15 0.070.190.09悬臂梁冲击强度/(J.m~")ASTM D26580屈服强度MPa20.723.5低温脆点/CASTM D746 - 50-2低温脆点( - 60C)不断不断不断负荷下的热变形温度/CASTM D6487010利离强度/N●cm"')850759:(0.45 MPa)ESCR(1 000h)3个有裂缝无裂缝2个有裂缝无裂缝耐环境应力开裂性(ESCR)/h ASTM D1639 >1000 >1000注:以上各 试样的制备方法、制作工艺、测试方法相同。常温剥离强度/(N . cm"') GB8808- -8810101高温刺离强度/(N.cm~1) C8808- -8830的剥离强度实验数据离散,这是由于2种产品的低温剥离强度/(N . cm~')CB8808- -88相容性不好,共混效果较差,共混材料分子界面出注:该指标为土工格室产品的性能指标。现分离,导致剥离强度下降。2E的综合效果较好，价等优势。但单- -品种材料的综合性能，不能同为首选配方。时满足工程和加工要求，必须进行合理的共混改(2)2*配方的确定性，使材料的性能均衡。为此,我们进行了以下几2"配方是为应用于我国南方地区施工而研制方面的工作:选择了PE和PP为基料，并确定了的。 在我国南方地区,夏季炎热,需要材料具有较PP共聚物(A. B)2种、高密度聚乙烯(HDPE)(C、高的热变形 温度。为此，我们选用具有较高热变D、E) 3种以及改性剂乙烯-醋酸乙烯共聚物形温度的共聚PP(A、B)为2*配方的基料,但其单(EVA)(F),进行配方的筛选。独使用时低温性能和焊接性能较差(见表4中5P.2.1.2共混配方 的确定和8P),分别采用PE(E)和EVA(F)共混改性,以材料共混改性是将单- -基料的各自优势互改善基料的低温和焊接性能。我们设计了10 种不补,达到力学性能、加工性能和长期使用的耐老化同配比的配方进行了测试(见表4)"。要求的三者均衡。对于土工合成材料还应考虑产表4 2* 不同比例配方性能比较品在抵御不同外界环境应力状态下的能力问题。(1)1*配方的确定序号树脂拉伸强热变形 低温脆 剥离强度/度/MPa温度/C 点心C (N. am-')1'配方是为适应我国北方大部分地区施工要IP IA+E21.948.6- 45求而研制的，具有较好的耐低温性能。我们选用P 2A+E 22.657.6- 3388HDPE(C、D、E)为基料。其性能见表2。3P 3A+F 21.889.39表2陀基础材料性能4P 4A+F24.61025P 5A+F 24.898.0项目CD61B+E21.77P 2B+E22.460.1- 37密度/(g. cm^2)0.956 0.961 0.9583B+F21.5-33熔体流动指数(M)/[g. (10min)-'] 0.03 0.05 0.40ESCR(xo)/h1000 1000 30注:以上各试样 采用相同的制备方法、制作工艺和相同屈服强度/MPa25 2324的测试方法。维卡软化点/C从上表可以看出，4P和8P的综合性能较好，从表2中可见,C、D是HDPE材料中具有较好但8P的热变形温度较低。4P综合效果最好,初步的力学性能和ESCR的2个牌号。但这2 个牌号确定为首选配方。的MI较低,加工困难。因此我们选用具有较好流2.2助剂体系的选择动性能的E,来改善C、D的流动性能,分别设计了2.2.1助剂品种 的确定不同比例的4种配方进行了比较(见表3)。作为土工合成材料，土工格室材料的性能必从表3可以看出, 1E和3E的剥离强度较低、须具有长期的耐老化性、-定的耐热性和耐低温耐环境应力能力较差。在实验中观察到,3E和4E性、抗紫外线,同时材料还需有较好的加工性和焊合成树脂及塑料2001年第18卷接性能，仅仅基料的组合改性达不到预期的效2.3 焊接成型工艺的研究果。因此,必须添加功能助剂,使其性能进一步改2.3.1网格 节点连接方式的选择善。为此,我们添加了抗氧剂、光稳定剂、炭黑、成土工格室产品需挤出成条状片材再经二次连核剂等,使最终的材料性能全面满足工程要求。接成型。其网格节点强度是保证整个网格体系强2.2.2助剂加人量的确定度的关键，实验中将各种连接方式的制品进行了1°配方的主体为HDPE。我们采用了复合抗连接强度比较,结果见表6。氧剂,总添加量0. 8%o,降低聚合物在加工和热作表6连接方式实验结果对比用下的分子链的断裂，提高其热老化的寿命。连接方式剥离强度/(N. m~')HDPE对紫外线的辐射较敏感。作为工程材料,必须提高产品的光老化性能,因此,添加光稳定剂和铆钉连接82.3-94.8热熔焊连接64.1- 105.5炭黑,可有效地改善其耐紫外线辐射,提高光老化超声焊连接103.0~ 117.0寿命。添加量为1.0%~ 1.3%。成核剂能有效地提高聚合物的结晶速度,有效地提高晶核密度,减从表6可知，超声焊接方式是目前我们寻找小晶核尺寸,从而提高了材料的强度、硬度和热变的诸多方案中强度较高、稳定性较好的方案。形温度;同时由于成核剂的加人,使聚合物的晶核2.3.2土工格室的超声 塑料焊接过程细化，从而使制品焊接区域焊接后不易形成大的土工格室的超声焊接属于点焊与平焊相结合球晶,减小了焊接应力,提高了焊接剥离强度。我的焊接形式，当焊具的齿将超声机械振动波传递们采用了复合成核剂，其加人量为2.5%0~给塑件时,与焊具齿相接触的塑件形成相应小坑,3.0%0。并在不断接受新能量情况下，出现树脂小熔池。2*配方的主体为PP。由于PP分子链上的叔熔池下边的塑件在不断接受超声振动的机械性能碳原子极易被氧攻击,导致分子链断裂而降解,所和熔池内熔融塑料热交换的相互影响下，也开始以PP的耐热氧化性和耐光稳定性能比PE差。为变软熔化;上部的塑件逐渐熔穿，形成熔融树脂了在加工过程和使用过程中,保持优良的性能,必流,流人两层之间的结合面,在焊具超声能量的继须添加一个强化的稳定剂抗氧体系。故选用了复续作用下,结合面上的树脂也迅速熔为- -体,这时合抗氧体系和较大的添加量(3%0 ~ 4%o)。PP的结超声停止。压力继续保持至界面冷却，即完成- -晶度较低，结晶的球晶较大,故耐冲击性能较差，次焊接过程。焊接后焊接区域形成较大的球晶，导致焊接应力2.3.3影响焊接质量因素讨论形成,降低了剥离强度。采用的复合成核剂,一种.2.3.3.1焊具形状对焊 接质量的影响成核剂的功能是增加晶核密度,减小晶核尺寸,从土工格室是采用点焊与平焊相结合的焊接,而消除焊接应力,提高剥离强度;另-种是为提高焊具形状决定了点焊和平焊的过程。因此，焊具β晶型的β成核剂，以提高材料的热变形温度,总的形状是影响焊接质量的直接因素。加入量为3%0 ~ 4%o(见表5)。我们设计的焊具如图2所示。焊具中的齿高(B),齿间尺寸(A),中央槽宽表5 2'配方添加不同成核剂组成的对比数据(C),槽深(D)等尺寸可直接决定焊接过程中能量成核剂拉伸强度MPa 低温脆点/C 热变形温度心C的分布,影响焊接质量。我们在相同原料、焊接设备及焊接工艺条件空白23. 6- 28.184. 125.5- 25.893.6下，对不同齿高的焊具进行对比实验,其结果如a+β25.7-24.;103.5下:产品:片材厚度为1.25 mm,原料为PP + EVA .确定了各种助剂添加量后，与基料按-一定的共混改性,气压为4 MPa,预触发压力为5 MPa,设比例共混造粒，得到改性树脂(1) 和改性树脂备型号为BRANSON - 8800,保压时间为1 s(见图(2)。3)。在稳定剂的选择中，我们还注意到了与炭黑由图3可知,在不同焊接时间的条件下,不同的配伍使用中的反协同效作用。的焊具齿高呈不同的剥离强度曲线。焊接时间较第4期李涛等.聚烯烃土工格室的研制.27.不易控制。实际生产中焊接压力控制在3~ 6 MPa范围内，焊机压力控制在外来气路系统压力的[0_000O80%左右，便于焊机自身压力调节机构进行压力的动态调节,使焊机处于相对稳定的压力区域,从而保持工艺的稳定性口31。QQOOO(2)焊接时间的影响B当焊具形状、压力、材料确定后,焊接时间是控制焊接质量最直接的因素。对于土工格室而图2焊具示意图 .言,过短的焊接时间,在剥离后结合面出现若干焊x0p接的小斑点;时间过长将上塑件挤压变薄,从而降低了结合部分的强度。我们经过较长期的观察,百120当上塑件焊縫中间起筋，下塑件底面已见隐约的E焊透的痕迹，此时的剥离强度较高。由于焊机与80-焊机之间存在着型号和调整零位的不同，焊接时间也不是一-个确定值， -般以I0 cm高度的土工格室为例,时间控制在1.5~2.5s之间。(3)保压时间的影响0.5~ 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5高分子材料在超声振动和超声压力作用下,烨擅时间/。大分子间相互扩散并挤出焊缝的气体，开始熔图3焊接时间与剥离强度的关系融。但随着超声振动停止，焊缝间熔融的高分子1.5mm; 2 1.3mm; 3 1.0 mm材料开始冷却，此时应继续在一-定压力下才能使短,结合面仅在点焊处被熔化,结合面积小,易剥气体完全挤尽。因此，超声焊接工艺必须有保压离;随着时间延长,结合缝处全被焊上,剥离强度这个环节。但保压时间过长影响加工周期。表7为增高;但随着焊接时间进一步延长,由超声机械波不同保压时间的剥离强度。换成的热能也急剧增加，上面塑料 片材的温度升表7不同保压时间下的剥离强度高、材料软化,焊具在气压的作用下,将上面塑料片材挤压变形,逐步变薄,在剥离测试时变薄位置时间/s .0.2 0.4 0.8 1.0 1.5 2.0先于焊口处撕开，剥离强度降低。曲线3为齿高剥离强度/(N.em~') s0 60 80 120 120 1201.0 mm的图形,曲线较陡直，操作工艺不易控制;曲线2为齿高1.3 mm的图形，曲线趋缓;曲线1保压时间1 s,即能保证质量。为齿高1.5 mm的图形,曲线较平稳,工艺易控制，2.3.3.3 片材质量对焊接的影响并在相同的焊接时间内可获得较高的剥离。塑料超声焊接是在塑料一次挤出成型加工后从剥离强度测试后的试样分析，齿较短的焊的第二次加工，因此一次加工的产品质量会直接具一般由于点焊形成的熔池尚未熔穿，起平焊作影响最终产品的焊接质量。用的焊具平面与上塑件接触，在超声能量的作用片材公差的影响:超声焊接过程中,焊具形状下，上塑件变软,高压下挤压变薄,测试时首先破的设计及焊接时间的确定，都与焊接材料的厚度坏。经实验总结,齿高在1.4~1.6 mm范围较为合有关。按一定片材厚度设计的焊具的齿高和确定的超声焊接时间,在片材的厚度变化较大时,必然2.3.3.2焊接工艺对焊接质量的影响造成焊接强度的较大变化。因此，片材的厚度变(1)压力的影响化直接影响到产品焊接质量。实验总结，当片材整个焊接过程和保压过程都是在设定压力下厚度的误差在0.05 mm之内可满足焊接质量要进行的,压力过低会延长焊接时间,使工件上产生求。疤痕或质量不佳，压力过高,在焊接振动后期,材加工工艺的影响: PP 及PE材料为结晶性材料因温度升高,在焊具的压力下产生变形,使工艺料,不同的加工条件下有着不同的结晶方式。在. 28.合成树脂及塑料2001年第18卷片材加工中,工艺条件的变化,能导致材料成核速性连接,保证了力的传递,以达到整个系统的工程率结晶速率的变化,由此而形成片材皮层芯层内性能-致。此方法在工程施工时方法简单,只要.结构的差别,最终引起焊接质量的变化。将销子对准连接所对应的塑件圆孔插入即可，从2.4 组件连接方式的研究而简化了施工工序，提高了施工速度。采用此方2.4.1组件的不同连 接方式法还可实现其他方法无法实现的上下组件连接，为了便于制作和运输，土工格室是由相应规只要齐头并齐上下组件所对应的连接组件,插入格尺寸的单元组成。在应用时,通过单元间的连接,长销即可实现三维的立体连接。为岩土工程界立组成工程中需要的规格，组件间可用多种连接方体使用土工格室材料提供了一个有效的方法。由式,如采用现场焊接、现场铆接、打孔穿绳连接、专于连接部分采用与土工格室片材相同的高分子材用插件的连接。以上各种方法的工程效果见表8。料。在抵御腐蚀方面与片材相同，因此整个系统表8组件的不同连接方式对比的抗腐蚀是均一的，满足抵抗腐蚀强度- -致的要求。项目连接强度施工环境要求连接质量稳定性现场焊接较好严格较差3结论现场铆接-般a)通过选择合适的基材和添加改性材料、助打孔穿绳连接较差般剂,获得两组共混改性专用料,用所研制的土工格专用插件的连接好宽松好室专用料制成的土工格室能满足我国广阔地域的从表8可知，土工格室产品有多种组件连接不同气候、自然环境的工程要求,可在工程中长期方式，专用插件的连接是目前多种连接方式最有稳定使用。效、最简捷、最符合工程需要的一-种。b)土工格室焊接是制备中所选定的诸多连接2.4.2合页式专 用插件连接方法中最有效的方法。超声焊接中的焊具的外观本方法是使用与土工格室相同的材料注射成形状,焊接时的压力,焊接时间,保压时间以及挤型为合页状塑件。出片材的质量均影响最终产品的质量。此合页状塑件连接部件截面积均大于片材截c)土工格室产品专用插件连接是目前多种连面积的1.15倍,并采用与土工格室相同的材料注接方式最有效、最简捷最符合工程需要的一种。塑制成。采用超声焊接的方式将其焊接在方阵端面。连接时将未展开的土工格室组件并齐，对准参考文献相应的连接塑件,插人特制圆销,然后展开。连接1 周维祥.塑料测试技术.北京:化学工业出版社后经拉伸测试，此连接力可达2680 N(为片材强! 益小苏.现代塑料加工应用, 1991,3(2):16 ~ 21度90%以上)。并且用此方法连接后,此节点为刚3谢文心.高分子物理.北京:国防工业出版社,1989The development of the olefin geocellli Tao, Qian Decheng, Zhou Lan, Zhao Guiliang(Resin Application Research Institute of Bejjig Yanhua Petrochenmical Company, 102500)AbstractThis paper introduced the development and application of the geocell which was manufactured with takingmodifiedpolypropylene as basic resin and being subject to the processing steps of extrusion fonming, cutting andultrasonic welding.Key Words: polyolefn geocell; speciality ; ulrasonic welding