合成樹脂新產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用專欄合成樹脂及塑料，2001, 18(4): 24CHINA SYNTHEIC RESIN AND PLASTICS.聚烯烴土工格室的研制李濤錢德成周瀾趙桂良(北京燕化石油化工股份有限公司樹脂應(yīng)用研究所，102500)通過以改性聚烯烴為原料,經(jīng)擠出成型分切.再超聲焊接制成了土工格室,并介紹了土工格室的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:聚烯烴土工格室專用料超聲焊接土工格室是一種具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的土工合再經(jīng)擠出成型為片材，分切成條狀，焊接成制品。成材料。其獨(dú)特的三維立體結(jié)構(gòu)可有效地約束網(wǎng)工藝路線見圖1。格內(nèi)的填充物,與填充物一起形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)層，基礎(chǔ)樹脂顯示出其他平面土工合成材料無法相比的工程效助劑→共混→雙螺桿造?！某尚汀附庸?正廣泛地應(yīng)用于軟弱路基加固、邊坡防護(hù)、擋改性樹脂圖1土工格室基本成型工藝路線土墻修建等工程。聚烯烴土工格室產(chǎn)品是以改性聚烯烴為原料,1.2技術(shù)要求經(jīng)擠出成型分切再超聲焊接而成，展開后呈立體土工格室產(chǎn)品在巖土工程中作為一種支承結(jié)蜂窩狀結(jié)構(gòu)的土工合成材料。因土工格室的生產(chǎn)流構(gòu)的增強(qiáng)骨架,因此要求產(chǎn)品必須具有強(qiáng)度高,剛程長、成型工序多、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變等特點(diǎn)，因度大且縱、橫向變化均勻等特點(diǎn),在具有較好的力此,對生產(chǎn)該產(chǎn)品的原材料及產(chǎn)品有如下要求:學(xué)性能的同時還必須具有較好的耐老化性能。通(1)產(chǎn)品有較好的機(jī)械性能,以防止在施工過過幾年的工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和工程模型實(shí)驗(yàn)研究，我程和應(yīng)用過程中受到較強(qiáng)的外力、硬物穿刺等的們確定了適應(yīng)不同地理環(huán)境的2種不同使用條件破壞。的土工格室的力學(xué)性能指標(biāo)(見表1)。(2)產(chǎn)品長期在復(fù)雜的環(huán)境中使用,故選擇材料時應(yīng)考慮耐酸堿性和耐霉變等因素。2實(shí)驗(yàn)部分(3)材料應(yīng)有較好的抗老化性能，以滿足在工2.1土工格室專 用料配方篩選程中長期穩(wěn)定使用的需要。2.1.1基料的選擇(4)我國廣闊的地域,南北氣溫變化大,產(chǎn)品基料的選擇對產(chǎn)品性能、加工工藝及對產(chǎn)品所用材料必須有較好的耐低、高溫性能。成本具有直接的影響。(5)為適應(yīng)土工格室的制備工藝要求,材料還聚烯烴樹脂[聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)]是合需具有較好的可焊接性。成材料中產(chǎn)量最大、品種牌號較多的一類通用樹(6)產(chǎn)品在工程應(yīng)用中要求為外形尺寸整齊、脂,具有密度低、適用性強(qiáng)、加工容易、價格便宜等焊距-致,整個網(wǎng)格體系強(qiáng)度-致。特點(diǎn)。選用這一類材料作為土工格室的基材具有(7)產(chǎn)品具有較好的組件連接功能,以保證工原材料供應(yīng)充足,價格較低,可有效地降低工程造程整體加固強(qiáng)度的- -致性。收稿日期: 2001-04-27。作者簡介:李濤， 1992 年畢業(yè)于華北工學(xué)院，現(xiàn)在北京1實(shí)驗(yàn)的工藝 路線及技術(shù)要求燕化石油化I股份有限公司樹脂應(yīng)用研究所從事塑料制1.1 實(shí)驗(yàn)步驟品的研制工作，目前從事土工合成材料的研制及推廣.已將基礎(chǔ)材料和改性樹/脂、助劑經(jīng)共混后造粒,發(fā)表論文數(shù)篇。第4期李濤等.聚烯烴土工格室的研制.25 .表1主要技術(shù)指標(biāo)表3 1'不同比例配方性能比較項(xiàng)測試方法項(xiàng)E1E4E屈服拉伸強(qiáng)度/MPaASTM D63823樹脂C+E C+ED+E彎曲模量/MPaASTMD638 600800MI/[g* (10 min)-"]0.15 0.070.190.09懸臂梁沖擊強(qiáng)度/(J.m~")ASTM D26580屈服強(qiáng)度MPa20.723.5低溫脆點(diǎn)/CASTM D746 - 50-2低溫脆點(diǎn)( - 60C)不斷不斷不斷負(fù)荷下的熱變形溫度/CASTM D6487010利離強(qiáng)度/N●cm"')850759:(0.45 MPa)ESCR(1 000h)3個有裂縫無裂縫2個有裂縫無裂縫耐環(huán)境應(yīng)力開裂性(ESCR)/h ASTM D1639 >1000 >1000注:以上各 試樣的制備方法、制作工藝、測試方法相同。常溫剝離強(qiáng)度/(N . cm"') GB8808- -8810101高溫刺離強(qiáng)度/(N.cm~1) C8808- -8830的剝離強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散,這是由于2種產(chǎn)品的低溫剝離強(qiáng)度/(N . cm~')CB8808- -88相容性不好,共混效果較差,共混材料分子界面出注:該指標(biāo)為土工格室產(chǎn)品的性能指標(biāo)?，F(xiàn)分離,導(dǎo)致剝離強(qiáng)度下降。2E的綜合效果較好，價等優(yōu)勢。但單- -品種材料的綜合性能，不能同為首選配方。時滿足工程和加工要求，必須進(jìn)行合理的共混改(2)2*配方的確定性，使材料的性能均衡。為此,我們進(jìn)行了以下幾2"配方是為應(yīng)用于我國南方地區(qū)施工而研制方面的工作:選擇了PE和PP為基料，并確定了的。 在我國南方地區(qū),夏季炎熱,需要材料具有較PP共聚物(A. B)2種、高密度聚乙烯(HDPE)(C、高的熱變形 溫度。為此，我們選用具有較高熱變D、E) 3種以及改性劑乙烯-醋酸乙烯共聚物形溫度的共聚PP(A、B)為2*配方的基料,但其單(EVA)(F),進(jìn)行配方的篩選。獨(dú)使用時低溫性能和焊接性能較差(見表4中5P.2.1.2共混配方 的確定和8P),分別采用PE(E)和EVA(F)共混改性,以材料共混改性是將單- -基料的各自優(yōu)勢互改善基料的低溫和焊接性能。我們設(shè)計(jì)了10 種不補(bǔ),達(dá)到力學(xué)性能、加工性能和長期使用的耐老化同配比的配方進(jìn)行了測試(見表4)"。要求的三者均衡。對于土工合成材料還應(yīng)考慮產(chǎn)表4 2* 不同比例配方性能比較品在抵御不同外界環(huán)境應(yīng)力狀態(tài)下的能力問題。(1)1*配方的確定序號樹脂拉伸強(qiáng)熱變形 低溫脆 剝離強(qiáng)度/度/MPa溫度/C 點(diǎn)心C (N. am-')1'配方是為適應(yīng)我國北方大部分地區(qū)施工要IP IA+E21.948.6- 45求而研制的，具有較好的耐低溫性能。我們選用P 2A+E 22.657.6- 3388HDPE(C、D、E)為基料。其性能見表2。3P 3A+F 21.889.39表2陀基礎(chǔ)材料性能4P 4A+F24.61025P 5A+F 24.898.0項(xiàng)目CD61B+E21.77P 2B+E22.460.1- 37密度/(g. cm^2)0.956 0.961 0.9583B+F21.5-33熔體流動指數(shù)(M)/[g. (10min)-'] 0.03 0.05 0.40ESCR(xo)/h1000 1000 30注:以上各試樣 采用相同的制備方法、制作工藝和相同屈服強(qiáng)度/MPa25 2324的測試方法。維卡軟化點(diǎn)/C從上表可以看出，4P和8P的綜合性能較好，從表2中可見,C、D是HDPE材料中具有較好但8P的熱變形溫度較低。4P綜合效果最好,初步的力學(xué)性能和ESCR的2個牌號。但這2 個牌號確定為首選配方。的MI較低,加工困難。因此我們選用具有較好流2.2助劑體系的選擇動性能的E,來改善C、D的流動性能,分別設(shè)計(jì)了2.2.1助劑品種 的確定不同比例的4種配方進(jìn)行了比較(見表3)。作為土工合成材料，土工格室材料的性能必從表3可以看出, 1E和3E的剝離強(qiáng)度較低、須具有長期的耐老化性、-定的耐熱性和耐低溫耐環(huán)境應(yīng)力能力較差。在實(shí)驗(yàn)中觀察到,3E和4E性、抗紫外線,同時材料還需有較好的加工性和焊合成樹脂及塑料2001年第18卷接性能，僅僅基料的組合改性達(dá)不到預(yù)期的效2.3 焊接成型工藝的研究果。因此,必須添加功能助劑,使其性能進(jìn)一步改2.3.1網(wǎng)格 節(jié)點(diǎn)連接方式的選擇善。為此,我們添加了抗氧劑、光穩(wěn)定劑、炭黑、成土工格室產(chǎn)品需擠出成條狀片材再經(jīng)二次連核劑等,使最終的材料性能全面滿足工程要求。接成型。其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是保證整個網(wǎng)格體系強(qiáng)2.2.2助劑加人量的確定度的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)中將各種連接方式的制品進(jìn)行了1°配方的主體為HDPE。我們采用了復(fù)合抗連接強(qiáng)度比較,結(jié)果見表6。氧劑,總添加量0. 8%o,降低聚合物在加工和熱作表6連接方式實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比用下的分子鏈的斷裂，提高其熱老化的壽命。連接方式剝離強(qiáng)度/(N. m~')HDPE對紫外線的輻射較敏感。作為工程材料,必須提高產(chǎn)品的光老化性能,因此,添加光穩(wěn)定劑和鉚釘連接82.3-94.8熱熔焊連接64.1- 105.5炭黑,可有效地改善其耐紫外線輻射,提高光老化超聲焊連接103.0~ 117.0壽命。添加量為1.0%~ 1.3%。成核劑能有效地提高聚合物的結(jié)晶速度,有效地提高晶核密度,減從表6可知，超聲焊接方式是目前我們尋找小晶核尺寸,從而提高了材料的強(qiáng)度、硬度和熱變的諸多方案中強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好的方案。形溫度;同時由于成核劑的加人,使聚合物的晶核2.3.2土工格室的超聲 塑料焊接過程細(xì)化，從而使制品焊接區(qū)域焊接后不易形成大的土工格室的超聲焊接屬于點(diǎn)焊與平焊相結(jié)合球晶,減小了焊接應(yīng)力,提高了焊接剝離強(qiáng)度。我的焊接形式，當(dāng)焊具的齒將超聲機(jī)械振動波傳遞們采用了復(fù)合成核劑，其加人量為2.5%0~給塑件時,與焊具齒相接觸的塑件形成相應(yīng)小坑,3.0%0。并在不斷接受新能量情況下，出現(xiàn)樹脂小熔池。2*配方的主體為PP。由于PP分子鏈上的叔熔池下邊的塑件在不斷接受超聲振動的機(jī)械性能碳原子極易被氧攻擊,導(dǎo)致分子鏈斷裂而降解,所和熔池內(nèi)熔融塑料熱交換的相互影響下，也開始以PP的耐熱氧化性和耐光穩(wěn)定性能比PE差。為變軟熔化;上部的塑件逐漸熔穿，形成熔融樹脂了在加工過程和使用過程中,保持優(yōu)良的性能,必流,流人兩層之間的結(jié)合面,在焊具超聲能量的繼須添加一個強(qiáng)化的穩(wěn)定劑抗氧體系。故選用了復(fù)續(xù)作用下,結(jié)合面上的樹脂也迅速熔為- -體,這時合抗氧體系和較大的添加量(3%0 ~ 4%o)。PP的結(jié)超聲停止。壓力繼續(xù)保持至界面冷卻，即完成- -晶度較低，結(jié)晶的球晶較大,故耐沖擊性能較差，次焊接過程。焊接后焊接區(qū)域形成較大的球晶，導(dǎo)致焊接應(yīng)力2.3.3影響焊接質(zhì)量因素討論形成,降低了剝離強(qiáng)度。采用的復(fù)合成核劑,一種.2.3.3.1焊具形狀對焊 接質(zhì)量的影響成核劑的功能是增加晶核密度,減小晶核尺寸,從土工格室是采用點(diǎn)焊與平焊相結(jié)合的焊接,而消除焊接應(yīng)力,提高剝離強(qiáng)度;另-種是為提高焊具形狀決定了點(diǎn)焊和平焊的過程。因此，焊具β晶型的β成核劑，以提高材料的熱變形溫度,總的形狀是影響焊接質(zhì)量的直接因素。加入量為3%0 ~ 4%o(見表5)。我們設(shè)計(jì)的焊具如圖2所示。焊具中的齒高(B),齒間尺寸(A),中央槽寬表5 2'配方添加不同成核劑組成的對比數(shù)據(jù)(C),槽深(D)等尺寸可直接決定焊接過程中能量成核劑拉伸強(qiáng)度MPa 低溫脆點(diǎn)/C 熱變形溫度心C的分布,影響焊接質(zhì)量。我們在相同原料、焊接設(shè)備及焊接工藝條件空白23. 6- 28.184. 125.5- 25.893.6下，對不同齒高的焊具進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn),其結(jié)果如a+β25.7-24.;103.5下:產(chǎn)品:片材厚度為1.25 mm,原料為PP + EVA .確定了各種助劑添加量后，與基料按-一定的共混改性,氣壓為4 MPa,預(yù)觸發(fā)壓力為5 MPa,設(shè)比例共混造粒，得到改性樹脂(1) 和改性樹脂備型號為BRANSON - 8800,保壓時間為1 s(見圖(2)。3)。在穩(wěn)定劑的選擇中，我們還注意到了與炭黑由圖3可知,在不同焊接時間的條件下,不同的配伍使用中的反協(xié)同效作用。的焊具齒高呈不同的剝離強(qiáng)度曲線。焊接時間較第4期李濤等.聚烯烴土工格室的研制.27.不易控制。實(shí)際生產(chǎn)中焊接壓力控制在3~ 6 MPa范圍內(nèi)，焊機(jī)壓力控制在外來氣路系統(tǒng)壓力的[0_000O80%左右，便于焊機(jī)自身壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓力的動態(tài)調(diào)節(jié),使焊機(jī)處于相對穩(wěn)定的壓力區(qū)域,從而保持工藝的穩(wěn)定性口31。QQOOO(2)焊接時間的影響B(tài)當(dāng)焊具形狀、壓力、材料確定后,焊接時間是控制焊接質(zhì)量最直接的因素。對于土工格室而圖2焊具示意圖 .言,過短的焊接時間,在剝離后結(jié)合面出現(xiàn)若干焊x0p接的小斑點(diǎn);時間過長將上塑件擠壓變薄,從而降低了結(jié)合部分的強(qiáng)度。我們經(jīng)過較長期的觀察,百120當(dāng)上塑件焊縫中間起筋，下塑件底面已見隱約的E焊透的痕跡，此時的剝離強(qiáng)度較高。由于焊機(jī)與80-焊機(jī)之間存在著型號和調(diào)整零位的不同，焊接時間也不是一-個確定值， -般以I0 cm高度的土工格室為例,時間控制在1.5~2.5s之間。(3)保壓時間的影響0.5~ 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5高分子材料在超聲振動和超聲壓力作用下,燁擅時間/。大分子間相互擴(kuò)散并擠出焊縫的氣體，開始熔圖3焊接時間與剝離強(qiáng)度的關(guān)系融。但隨著超聲振動停止，焊縫間熔融的高分子1.5mm; 2 1.3mm; 3 1.0 mm材料開始冷卻，此時應(yīng)繼續(xù)在一-定壓力下才能使短,結(jié)合面僅在點(diǎn)焊處被熔化,結(jié)合面積小,易剝氣體完全擠盡。因此，超聲焊接工藝必須有保壓離;隨著時間延長,結(jié)合縫處全被焊上,剝離強(qiáng)度這個環(huán)節(jié)。但保壓時間過長影響加工周期。表7為增高;但隨著焊接時間進(jìn)一步延長,由超聲機(jī)械波不同保壓時間的剝離強(qiáng)度。換成的熱能也急劇增加，上面塑料 片材的溫度升表7不同保壓時間下的剝離強(qiáng)度高、材料軟化,焊具在氣壓的作用下,將上面塑料片材擠壓變形,逐步變薄,在剝離測試時變薄位置時間/s .0.2 0.4 0.8 1.0 1.5 2.0先于焊口處撕開，剝離強(qiáng)度降低。曲線3為齒高剝離強(qiáng)度/(N.em~') s0 60 80 120 120 1201.0 mm的圖形,曲線較陡直，操作工藝不易控制;曲線2為齒高1.3 mm的圖形，曲線趨緩;曲線1保壓時間1 s,即能保證質(zhì)量。為齒高1.5 mm的圖形,曲線較平穩(wěn),工藝易控制，2.3.3.3 片材質(zhì)量對焊接的影響并在相同的焊接時間內(nèi)可獲得較高的剝離。塑料超聲焊接是在塑料一次擠出成型加工后從剝離強(qiáng)度測試后的試樣分析，齒較短的焊的第二次加工，因此一次加工的產(chǎn)品質(zhì)量會直接具一般由于點(diǎn)焊形成的熔池尚未熔穿，起平焊作影響最終產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。用的焊具平面與上塑件接觸，在超聲能量的作用片材公差的影響:超聲焊接過程中,焊具形狀下，上塑件變軟,高壓下擠壓變薄,測試時首先破的設(shè)計(jì)及焊接時間的確定，都與焊接材料的厚度壞。經(jīng)實(shí)驗(yàn)總結(jié),齒高在1.4~1.6 mm范圍較為合有關(guān)。按一定片材厚度設(shè)計(jì)的焊具的齒高和確定的超聲焊接時間,在片材的厚度變化較大時,必然2.3.3.2焊接工藝對焊接質(zhì)量的影響造成焊接強(qiáng)度的較大變化。因此，片材的厚度變(1)壓力的影響化直接影響到產(chǎn)品焊接質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)總結(jié)，當(dāng)片材整個焊接過程和保壓過程都是在設(shè)定壓力下厚度的誤差在0.05 mm之內(nèi)可滿足焊接質(zhì)量要進(jìn)行的,壓力過低會延長焊接時間,使工件上產(chǎn)生求。疤痕或質(zhì)量不佳，壓力過高,在焊接振動后期,材加工工藝的影響: PP 及PE材料為結(jié)晶性材料因溫度升高,在焊具的壓力下產(chǎn)生變形,使工藝料,不同的加工條件下有著不同的結(jié)晶方式。在. 28.合成樹脂及塑料2001年第18卷片材加工中,工藝條件的變化,能導(dǎo)致材料成核速性連接,保證了力的傳遞,以達(dá)到整個系統(tǒng)的工程率結(jié)晶速率的變化,由此而形成片材皮層芯層內(nèi)性能-致。此方法在工程施工時方法簡單,只要.結(jié)構(gòu)的差別,最終引起焊接質(zhì)量的變化。將銷子對準(zhǔn)連接所對應(yīng)的塑件圓孔插入即可，從2.4 組件連接方式的研究而簡化了施工工序，提高了施工速度。采用此方2.4.1組件的不同連 接方式法還可實(shí)現(xiàn)其他方法無法實(shí)現(xiàn)的上下組件連接，為了便于制作和運(yùn)輸，土工格室是由相應(yīng)規(guī)只要齊頭并齊上下組件所對應(yīng)的連接組件,插入格尺寸的單元組成。在應(yīng)用時,通過單元間的連接,長銷即可實(shí)現(xiàn)三維的立體連接。為巖土工程界立組成工程中需要的規(guī)格，組件間可用多種連接方體使用土工格室材料提供了一個有效的方法。由式,如采用現(xiàn)場焊接、現(xiàn)場鉚接、打孔穿繩連接、專于連接部分采用與土工格室片材相同的高分子材用插件的連接。以上各種方法的工程效果見表8。料。在抵御腐蝕方面與片材相同，因此整個系統(tǒng)表8組件的不同連接方式對比的抗腐蝕是均一的，滿足抵抗腐蝕強(qiáng)度- -致的要求。項(xiàng)目連接強(qiáng)度施工環(huán)境要求連接質(zhì)量穩(wěn)定性現(xiàn)場焊接較好嚴(yán)格較差3結(jié)論現(xiàn)場鉚接-般a)通過選擇合適的基材和添加改性材料、助打孔穿繩連接較差般劑,獲得兩組共混改性專用料,用所研制的土工格專用插件的連接好寬松好室專用料制成的土工格室能滿足我國廣闊地域的從表8可知，土工格室產(chǎn)品有多種組件連接不同氣候、自然環(huán)境的工程要求,可在工程中長期方式，專用插件的連接是目前多種連接方式最有穩(wěn)定使用。效、最簡捷、最符合工程需要的一-種。b)土工格室焊接是制備中所選定的諸多連接2.4.2合頁式專 用插件連接方法中最有效的方法。超聲焊接中的焊具的外觀本方法是使用與土工格室相同的材料注射成形狀,焊接時的壓力,焊接時間,保壓時間以及擠型為合頁狀塑件。出片材的質(zhì)量均影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。此合頁狀塑件連接部件截面積均大于片材截c)土工格室產(chǎn)品專用插件連接是目前多種連面積的1.15倍,并采用與土工格室相同的材料注接方式最有效、最簡捷最符合工程需要的一種。塑制成。采用超聲焊接的方式將其焊接在方陣端面。連接時將未展開的土工格室組件并齊，對準(zhǔn)參考文獻(xiàn)相應(yīng)的連接塑件,插人特制圓銷,然后展開。連接1 周維祥.塑料測試技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社后經(jīng)拉伸測試，此連接力可達(dá)2680 N(為片材強(qiáng)! 益小蘇.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用, 1991,3(2):16 ~ 21度90%以上)。并且用此方法連接后,此節(jié)點(diǎn)為剛3謝文心.高分子物理.北京:國防工業(yè)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