一种热塑性聚烯烃土工复合材料及其制备方法与流程

本发明属于水电工程技术领域，具体涉及一种热塑性聚烯烃土工复合材料及其制备方法。

背景技术：

在水电工程领域，土石坝、堆石坝、拱坝等坝体防渗的优劣对水电工程结构稳定和长期运行效益具有重要作用。当前，我国水电工程坝体防渗主要采用高厚混凝土面板层防渗技术为主，也有混凝土面板/土工膜复合防渗结构，但现有的复合防渗结构在基层沉降变形工程中混凝土面板易开裂、产生渗漏。

根据我国能源行业标准NB/T35027-2014《水电工程土工膜防渗技术规范》，对于防渗水头低于70m的水电工程防渗中，可采用聚氯乙烯(PVC)土工膜、高密度聚乙烯(HDPE)土工膜、线性低密度聚乙烯(LLDPE)土工膜，通常还需要另设覆盖层。

在大量工程的应用中，发明人发现上述防渗材料存在诸多问题，不能满足应用需求。例如，PVC土工膜材料在长期使用过程中面临着增塑剂迁移、变硬等影响制品服役寿命的问题，并且PVC本体结构含有氯(Cl)及添加加工助剂含量铅等有毒元素，环保性较差；HDPE模量高，硬度大，柔韧性差，施工性能偏差，同时在长期应用过程中易产生环境应力，因此也存在易开裂的问题；LLDPE土工膜相比HDPE柔韧性得以改善，但该薄膜平整性差、施工性能低，且存在环境应力开裂问题，并且上述材料且不能直接外露应用。

技术实现要素：

本发明针对现有的防渗材料无法长期且直接暴露应用于水电工程中的问题，提供一种新型坝体防渗用热塑性聚烯烃土工复合材料。本发明的热塑性聚烯烃土工复合材料可直接暴露应用于大坝、水库、堤岸、围堰、水渠、隧道、核电站等新建和维修水电水利工程防渗。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

一种热塑性聚烯烃土工复合材料，包括复合的热塑性聚烯烃层和土工织物层；所述热塑性聚烯烃层的厚度为0.1-10mm，所述热塑性聚烯烃层的宽度为0.8-5m，且所述热塑性聚烯烃层的宽度大于所述土工织物层的宽度，其中所述热塑性聚烯烃层的边缘未复合土工织物层的位置处为搭接边，所述搭接边的宽度为5-15cm。

其中，搭接边的作用是焊接施工时使相邻材料搭接，以确保热塑性聚烯烃在坝体面层形成连续的密封体。

优选的是，所述土工织物层可以为短纤针刺或/和长纤土工布；更优选的是，所述土工织物层为聚丙烯土工织物、聚酯土工织物、聚酰胺土工织物中的任意一种或几种。

其中，土工织物层的作用是保护热塑性聚烯烃层抵挡应用环境的基层中不规则凸起物、滚石以及施工不规范等外界因素产生的破坏，同时也能够提高热塑性聚烯烃层的尺寸稳定性、机械强度、坡度稳定性等，还能够作为排水和排气通道。

优选的是，所述复合材料包括两层土工织物层，所述热塑性聚烯烃层设于所述两层土工织物层之间，每层所述土工织物层克重为100～1000g/m²。更优选的是，每层所述土工织物层克重为100～800g/m²。

优选的是，所述热塑性聚烯烃层的原料包括热塑性聚烯烃树脂，所述热塑性聚烯烃树脂的弯曲模量为：2-300MPa，邵氏硬度为：10-50邵D。

优选的是，所述复合材料的红外吸收光谱在波数2800-3000cm^-1和1300-1500cm^-1处有振动吸收峰，前者有3-4个吸收峰，后者有2-3个吸收峰，属于树脂特征结构峰。

优选的是，所述热塑性聚烯烃树脂的聚合物中包括刚性链段(塑料相)和柔性链段(橡胶相)，所述柔性链段占聚合物的重量百分含量大于或等于35％，所述刚性链段为具有有序结构的聚丙烯或/和聚乙烯结构单元，所述柔性链段为乙烯-丙烯和/或乙烯-丙烯-α-烯烃结构单元。

其中，柔性链段均匀地分散在连续的刚性链段中，以实现材料模量和柔韧性的平衡，同时赋予复合材料优异的耐高低温性能(-50℃仍保持柔韧性)以及加工性能和焊接施工性能，使得材料能够较好适应应用环境的变形并实现抵抗凸起顶破特性，此外，还能适应不同气候环境下工程对材料低温性能的要求。

优选的是，所述热塑性聚烯烃树脂包括热塑性聚丙烯基弹性体、热塑性聚烯烃弹性体、聚丙烯、聚丙烯共混合金、聚乙烯、乙丙橡胶中的一种或几种的混合。

优选的是，所述热塑性聚烯烃层的原料还包括加工助剂、光稳定剂、填料、颜料；其中，所述热塑性聚烯烃层的原料的重量份数为：热塑性聚烯烃树脂65～100份，加工助剂0.1～5份，光稳定剂0.1～5份，填料0.1～35份，颜料0.1～5份。

优选的是，所述光稳定剂包括炭黑、钛白粉、邻羟基二苯甲铜类、苯并三唑类、水杨酸酯类、受阻胺类光稳定剂中的任意一种或几种的混合；所述加工助剂包括抗氧剂、润滑剂中的任意一种或两种；所述填料包括碳酸钙、滑石粉、云母、氢氧化镁中的任意一种或几种的混合；所述填料粒径为800～3000目。

其中，填料粒径在800～3000目范围内可以提高复合材料的抗渗性能。加工助剂的作用是进一步改善热塑性聚烯烃树脂的加工性能、复合材料产品的耐久性及服役寿命。

本发明还提供一种上述的热塑性聚烯烃土工复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将热塑性聚烯烃层的原料置于200-240℃的螺杆挤出机中熔融后挤出得到熔体层；

将土工织物与挤出的所述熔体层在经过改良具有液压冷却功能且呈0-70角度排列的三辊轧光机中复合，形成热塑性聚烯烃土工复合材料，该工艺解决了传统加工过程中的粘辊问题。

其中，上述步骤的复合包括采用高温热压复合或采用粘结剂粘接复合。还包括将挤出的熔体层冷却后，在对熔体层表面涂覆高温热熔胶层，然后与土工织物热压复合。

本发明的热塑性聚烯烃土工复合材料中包括复合的热塑性聚烯烃层和土工织物层，该复合材料兼具橡胶的高柔韧性、延伸性和耐久性以及热塑性塑料优异的熔融加工特性，该复合材料中不含任何增塑剂，其耐紫外光老化性能优异、抗穿刺强度高、耐顶破强度高、耐静水压高、热焊接性能优异，能够承受200m以上水压冲击，因此，其可直接暴露应用于大坝、水库、堤岸、围堰、水渠、隧道、核电站等新建和维修水电水利工程防渗，且应用寿命与建筑同寿命。

此外，该复合材料中不含任何有毒污染元素，其加工废料可回收，在全寿命周期内绿色环保，且制备工艺简单、可连续化生产等优点；使用时其施工简便、成本低廉。

附图说明

图1为本发明的实施例1的热塑性聚烯烃土工复合材料的结构示意图；

图2为本发明的实施例1的热塑性聚烯烃土工复合材料红外吸收光谱图；

图3为本发明的实施例2的热塑性聚烯烃土工复合材料的结构示意图；

图4为本发明的实施例3的热塑性聚烯烃土工复合材料红外吸收光谱图；

其中，附图标记为：1、热塑性聚烯烃层；2、土工织物层；3、搭接边。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种热塑性聚烯烃土工复合材料，如图1所示，包括一层复合的热塑性聚烯烃层和一层土工织物层。

其中，热塑性聚烯烃层的厚度2.5mm，幅宽1m，土工织物层为克重100g/m²的无纺聚丙烯土工布，土工织物层边缘离热塑性聚烯烃层的边缘预留5cm作为搭接边。

本实施例的热塑性聚烯烃土工复合材料的红外吸收光谱图见图2，该复合材料的制备方法如下：

将热塑性聚烯烃树脂、碳酸钙填料、抗氧剂及光稳定剂输送至螺杆挤出机喂料装置中，温度200-240℃，螺杆转速200转/min的条件下进行熔融挤出得到挤出物即高温熔体；

然后将挤出物输送至具有液压冷却、呈斜L型排列的压延辊间；

将克重100g/m²的无纺聚丙烯土工布经放卷、调偏等工序送入到上述压延辊间并与上述高温熔体共同经热压复合，待冷却后经裁剪、测厚、收卷等工艺得到热塑性聚烯烃土工复合材料。

其中，热塑性聚烯烃树脂、碳酸钙填料、抗氧剂及光稳定剂的重量份为：65份、0.1份、0.1份、0.1份，所述填料粒径为800目。热塑性聚烯烃树脂的弯曲模量小于300MPa，邵氏硬度小于50邵D。

实施例2：

本实施例提供一种热塑性聚烯烃土工复合材料，如图3所示，为三层结构，由上而下依次为：土工织物层、热塑性聚烯烃层、土工织物层。

其中，热塑性聚烯烃层上方的土工织物层为500g/m²的无纺针刺聚酯土工布，热塑性聚烯烃层下方的土工织物层为克重800g/m²的有纺聚丙烯土工布。热塑性聚烯烃层厚度0.3mm，幅宽2m；土工织物层两端离热塑性聚烯烃层两端边缘各10cm。

需要说明的是热塑性聚烯烃层上方与下方的两层土工织物层的材质、结构、克重等可相同也可不相同，具体情况可以根据实际应用进行选择。

该复合材料的制备方法如下：

将聚丙烯共混合金(生产厂家利安德巴塞尔、树脂型号Hifax C721)、碳酸钙填料、抗氧剂及光稳定剂输送至螺杆挤出机喂料装置中，螺杆转速350转/min的条件下进行熔融挤出得到挤出物即高温熔体；

然后将挤出物输送至压延辊间；

将克重500g/m²的无纺针刺聚酯土工布经放卷、调偏等工序送入到上述压延辊间并与上述高温熔体共同经热压复合，待冷却后，再在热塑性聚烯烃层两层涂覆热熔胶，并与克重800g/m²的有纺聚丙烯土工布粘接复合，经冷却、裁剪、测厚、收卷等工艺得到热塑性聚烯烃土工复合材料。

其中，热塑性聚烯烃树脂、碳酸钙填料、抗氧剂及光稳定剂的重量份为：100份、35份、5份、5份，所述填料粒径为3000目。

实施例3：

本实施例提供一种热塑性聚烯烃土工复合材料，其具有与实施例1的热塑性聚烯烃土工复合材料类似的结构，其与实施例1的区别在于，热塑性聚烯烃层厚度3mm，幅宽4m，土工织物为克重700g/m²的无纺针刺聚酯土工布，土工织物层边缘两端离热塑性聚烯烃层两端边缘各10cm作为搭接边。

热塑性聚烯烃树脂、碳酸钙填料、抗氧剂及光稳定剂的重量份为：80份、15份、3份、3份，其中，所述填料粒径为2000目。无纺针刺聚酯土工布的克重800g/m²，螺杆转速400转/min。

本实施例的热塑性聚烯烃土工复合材料的红外吸收光谱图见图4。

实施例4：

本实施例提供一种热塑性聚烯烃土工复合材料，其具有与实施例1的热塑性聚烯烃土工复合材料类似的结构，其与实施例1的区别在于，热塑性聚烯烃层厚度10mm，幅宽5m，土工织物为克重500g/m²的无纺针刺聚酯土工布，土工织物层两端离热塑性聚烯烃层两端边缘各15cm作为搭接边。

无纺针刺聚酯土工布的克重500g/m²，螺杆转速200转/min。

将实施例1-4的热塑性聚烯烃土工复合材料进行性能测试，测试结果见表1。

测试条件及如下：

硬度根据GB/T2411-2008塑料和硬橡胶使用硬度计测定压痕硬度测试，5s读数；

断裂强度和延伸率按照GB/T328.9-2007《建筑防水卷材试验方法第5部分：高分子防水卷材拉伸性能》中的方法A进行试验；拉伸速率500mm/min，试样条数5条，取平均值；

撕裂强度按照GB/T1376-2010《土工合成材料梯形撕破强力的测定》，拉伸速率50mm/min；

产品相邻搭接边采用热风焊接成密实的整体，焊接温度500℃、速率2.5m/min，以最大剥离力记作材料的接缝剥离强度，测试方法采用GB/T328.21建筑防水卷材试验方法第21部分高分子防水卷材接缝剥离强度测试，拉伸速率100mm/min；

垂直渗透系数按照GB19979.2-2006《土工合成材料防渗性能第2部分：渗透系数的测定》；

涨破形变率采用可调压力的压力容器测试，孔径75mm，压力2.5MPa、30min，用于表征材料抵抗水头高度；

抗静水压按照GB/T19979.1-2005土工合成材料防渗性能第1部分：耐静水压测定，用于表征材料抵抗水头高度；

顶破强度按照GB/T14800-2010土工布顶破强力试验方法测试，速率50mm/min；

低温弯折性能按照GB/T328.15建筑防水卷材试验方法第15部分高分子防水卷材低温弯折性测试，试验条—50℃；

热老化性能采用热老化试验箱，温度115℃±2℃、老化224天；

人工气候加速老化测试按照ASTM G151方法测试。

表1

对比例1为市售的高密度聚乙烯(HDPE)土工膜，对比例2为市售的线性低密度聚乙烯(LLDPE)土工膜，对比例3为市售的聚氯乙烯(PVC)土工膜。将对比例1、对比例2和对比例3的土工膜采用上述实验方法进行测试，测试结果见表2。

表2

由表1和表2中数据可知，实施例1-4具有优异的柔韧性，表现在较低的邵氏硬度(40邵D以下)以及搞得延伸率，达650％以上，而对比例1-3中硬度较大、延伸率偏低，相对柔韧性偏低。人工气候老化和热老化性能是制品耐久性能优劣的关键指标，实施例1-4无论是热老化(115℃/224天)还是人工气候老化(10080Kj/m²辐照量)性能保持率均在90％以上且-50℃低温性能仍然优异，呈现优异的耐久性，而对比例1-3相关性能偏低，耐久性极差。

本实施例也具有比对比例更加优异的抗低温弯折性能，如在—50℃环境弯折无裂纹，而对比例均开裂或有裂纹，可见本实施例具有更宽的温度应用环境特性；同时，在2.5MPa(相当于250m水压)压力下无渗水，且涨破多向变形率高达400％，充分表明实施例具有更加优异的耐水压性能、顶破性能以及适应基层变形特性，远优于现有材料。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。