具有导电性能的土工合成粘土衬垫的制作方法

本发明涉及土工合成材料及其制造领域。特别地，本发明涉及一种土工合成粘土衬垫，其包括具有导电性能的土工织物。

背景技术：

土工合成膜是在建造保水设施(例如水坝和池塘)或引水设施(例如排水系统和水道)时广泛用作屏障层的防水层。这些膜可以大规模部署，并且可能覆盖数千平方米。这些保护层通常被称为“土工合成材料”，并且可以是防水塑料膜和/或含有粘土的复合材料。

粘土衬里是保水设施的传统防水方法。粘土和土工织物的现代复合材料被称为“土工合成粘土衬垫”或“gcl”。与传统的粘土土方相比，它们具有更好的性能，可用于水库和垃圾填埋场。

gcl通常包括至少三层：即，两个土工合成层和夹在两个土工合成层之间的粘土层。用于夹持粘土的两个土工合成层可以是织造或非织造土工织物、土工格栅、土工网或土工膜的任何组合。例如，该结构可包括土工格栅或土工网的增强层或背衬层以及非织造土工织物。增强层可以是织造织物或网。粘土通常是膨润土并且可以含有添加剂，例如聚合物粘合剂和/或稳定剂。

通过使用纤维将每个土工合成层通过粘土中间体固定到另一个上，可以赋予夹层结构以坚固性。在一些情况下，纤维来自非织造土工织物，其中纤维通过粘土针刺或水力缠结到另一土工合成织物。通过熔融、胶合和本领域已知的其他方法将土工织物纤维粘合到背衬层而将其固定到背衬层上是有利的。在其他情况下，夹层可以缝合在一起。在某些情况下，胶水用于将土工合成材料固定到粘土上。为了在胶合gcl中提供更大的稳健性，可以将粘合剂混合到粘土中。在其他情况下，仅使用一种土工合成材料，并且用粘合剂将粘土固定在其自身和土工合成材料上。这些已知的gcl结构的组合是可能的，并且可以设想到其他结构。

防水层，例如池塘衬垫和gcl，必须保持其屏障性能并且能够进行测试以确保它们保持其屏障性能。即使仅仅一个衬垫上的小孔也会导致严重的漏水，特别是随着时间的推移。在某些情况下，例如在收集采矿废物时，水被污染并被保存或引导以达到保护环境的目的，即使少量的泄漏也很重要并且其可能造成严重的环境危害，并且可能会产生很大的成本来进行整改。在这样的应用中，衬垫的完整性是至关重要的，因为能够始终确定完整性。

在诸如保存水以供进一步使用的其它应用中，水的损失具有成本，这值得投资以确保屏障完整性。

在许多情况下，在准备好的土方工程的基础上使用一层gcl，然后将一层塑料防水土工膜直接铺设在gcl上或在某些情况下在两者之间具有间隔和/或保护层。在某些情况下，土工膜是gcl的一部分。

检测(通常是电绝缘的)防水土工膜屏障的完整性可以包括电检测，其中电压施加到绝缘屏障的表面，并且在正确的条件下，通过屏障材料中的任何缺陷都可以形成电路。对于要形成的电路，需要在屏障的相对侧上施加电压的导电机制。屏障下面存在电解质，即使是非常弱的电解质的地方，也可以携带足够的电流以形成穿过缺陷和检测设备的电路。例如，由于其盐和水含量，粘土通常是充分的电解质。图1说明了这种类型的电路。

为了有助于形成导电通路，可以使用水作为结构的一部分，以便于检测过程。在粘土干燥的情况下，它不起电解质的作用，因此导电检测机制变得不可靠。在屏障层中存在多层绝缘体的情况下，不存在用于形成电路的可靠机制。

为了克服这种可靠性问题，本领域先前已提出了几种方法，以将可靠的导电性引入组件中。其中一个涉及到结合金属线。这已经通过以下方式进行过尝试：将电线结合到织物中；将它们夹在两层织物之间；以及，将它们放在织物上。然后将织物结合到屏障层的结构中，通常在防水土工膜下面。另一种方法是将防水土工膜衬垫制成双层，其表面(水面侧)是电绝缘的，而相对侧是导电的，例如通过两层塑料的层压，相对侧层含有炭黑以提供电传导。类似地，可以在屏障层中使用三层或更多层。

然而，所有这些方法都存在以下问题中的至少一个：各层的制造；各层的安装；或组件的检测。

因此，本发明的一个目的是提供一种土工合成粘土衬垫，其改善了至少一些与现有技术相关的问题。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种土工合成粘土衬垫，其包含导电织物。所述织物可以包含导电纤维或涂有导电涂层。导电纤维优选含有石墨烯，或者涂覆有石墨烯，或者织物本身可以涂覆石墨烯。在一些实施例中，导电纤维含有或涂有其他导电物质，例如金属或其他碳的同素异形体。因此，导电织物为所述土工合成粘土衬垫提供导电性。

石墨烯是单独的石墨层，可以通过许多技术形成，包括“自上而下”的方法，例如石墨的机械或电化学剥离，石墨的化学氧化和剥离为氧化石墨烯，然后部分或完全还原成石墨烯；和“自下而上”的方法，例如从基质或催化剂上的气体或等离子体生长。石墨烯的特征可以从几乎原子上完美的单层到两层、少层和多层石墨烯一直到很多层，其最终形成类似于超细石墨的大团块。石墨烯具有较高的纵横比，最终仅有一个原子层厚度(小于1纳米)并且在平面方向上通常为数百纳米至数百微米。因此，石墨烯通常被称为二维(2d)材料。石墨烯是一种优良的导电体。

发明人已经发现石墨烯可以结合到纤维和织物中和上面以形成导电织物，其提供了用于检测保水应用中屏障衬垫的可靠机制，提供了超过其他所提出的检测屏障衬垫方法的显著优点。

优选地，所述织物形成电路，其电导性可以在至少1米的距离上测量，有利地在100米或更长的距离上测量。

优选地，织物的石墨烯含量在质量上小于或等于20％，或有利地小于或等于10％，或者有利地小于或等于5％。

优选地，织物的纤维是聚合物纤维，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚丙烯(pp)或聚乙烯(pe)。

根据本发明的另一个方面，提供了一种包含如上所述的导电土工织物的多层结构。多层结构包含粘土，其充当水屏障层和背衬织物或网。三层优选通过将土工织物缠绕在粘土中并固定到背衬织物或网上而形成单个多层夹层。如果需要，可以包含三层以上。

这种多层结构可有利地促进原位检测过程以确定水屏障是否完整。

根据本发明的另一个方面，提供了一种检测水屏障的完整性的方法，其中所述水屏障包括如上所述的多层结构，所述方法包括以下步骤：向靠近所述导电gcl的绝缘水屏障的一侧施加电压；检测在gcl中是否形成电路。

可以通过多种方式记录电阻。对于薄板中的导电，通常使用单位“欧姆/平方”(“欧姆/平方”或“欧姆/d”)并称为“片电阻”。该单元的实际优点在于：无论如何构建被测材料，它都能反映出预期的结果。例如，两片电导体可以具有不同的电阻率，但是如果以不同的厚度存在，则可以提供相同的、期望的片电阻。片电阻通常应用于均匀厚度的薄膜，但也可以应用于非均匀的导体薄片，例如本文所述的织物。

有许多测量电阻的方法，包括简单的万用表读数。在存在高电阻的情况下，例如在导电土工织物的一些实施例的情况下，高电压测量是有用的，例如由电绝缘电阻计(通常称为“兆欧表”或由商标名“megger”或“meggar”)。工业上经常使用高压“holiday”探测器来探测绝缘层中的缺陷。诸如特斯拉线圈的简单高压、低电流源也可用于检测非常低水平的电导率。四点电阻表给出了更精确的测量结果。

优选地，所述织物的电阻小于2500欧姆/平方，有利地低至50欧姆/平方或更低。

优选地，测量方法采用不连续电路，通过固有电容，其中织物的电阻小于500,000欧姆/平方，有利地低至50,000欧姆/平方或更低。

现在将通过具体的非限制性实施例参考附图描述本发明的优选实施方案。

附图说明

图1是根据现有技术的用于检测防水土工膜中的缺陷的检测电路的示意图，该防水土工膜用作屏障层。

图2是根据现有技术的用于检测防水土工膜中的缺陷的替代检测电路的示意图，该防水土工膜用作屏障层。

图3是根据本发明的用于检测防水土工膜中的缺陷的检测电路中使用导电gcl的示意图。

图4是根据本发明的适用于检测电路的导电gcl的示意图，该检测电路用于检测防水土工膜中的缺陷。

具体实施方式

本发明在于使用石墨烯作为聚合物纤维的导电部件用于土工织物，该土工织物结合在多层土工合成粘土衬垫中，用作人造土方的水屏障的一部分，其中另一部分水屏障是一种电绝缘塑料土工膜。本发明可以通过石墨烯所附加的电性能来测试土工膜的缺陷，例如孔。

转到附图，我们注意到图1是用于通过使用电压/电流源(14)来检测屏障层(11)中的缺陷的传统检测电路的示意图。当检测探针(13)靠近诸如孔的缺陷(16)时，电流将通过接地触点(15)流过缺陷(16)进入土方工程基础(12)，以形成连续电路。该电路只能在土木工程基础(12)导电时形成，而通常不是这种情况，因此是不可靠的。

图2是图1的检测系统的替代结构的示意图。不是通过接地(25)直接接触土方基础(22)，而是使用相对大面积的接地垫(27)通过电容来提供间接电接触，其中屏障层(21)在接地垫(27)和土方基础(22)之间提供电介质。

图1示出了当在具有导电底层(例如含水粘土基础)的简单水屏障组件上执行漏电检测时形成的电路的示例。在许多情况下使用粘土来为保水(例如水坝和池塘)和水方向(例如水道和排水系统)准备地面。由于其水和离子含量，粘土还为电传导提供了良好的介质。如果粘土基础部分地或完全地干燥，则该过程不可靠并且可能根本不起作用。而且，如果屏障层和粘土基础之间例如由于气穴或水穴而发生物理接触不良，则检测过程可能是不可靠的。在没有粘土基础或等同物的情况下，检测过程是不可靠的。

利用粘土基础作为水屏障的传统土方工程需要相当厚的粘土，有时测量数百厘米的厚度。这些传统土方工程可由土工合成粘土衬垫替代，粘土厚度可仅为1厘米。

电检测技术通常是低压或高压。低压技术通常需要在膜的两侧上具有导电层。这是由被检测区域中存在的水提供的(通常称为“水枪”或“水坑”技术)。高压技术(通常称为“电弧”或“火花”技术)不需要检测屏障层一侧的导体(通常是“顶部”层)，并且可以使用数千伏特来确保可以检测到小孔，甚至针孔。

形成接地连接的两个主要机制在图1和图2中示出。在图1中，在电导体连接到导电底层(图1中未示出)处形成接地(25)，例如通过将金属杆插入粘土基础中，或通过附接到导电织物下层。在图2中，在导体区域，接地垫(27)位于标称绝缘屏障层(21)的顶部。在一些情况下，屏障层(21)不是完美的绝缘体，因此在诸如由接地垫(27)形成的大接触区域上，足够的电流可以流过探针(23)和地之间的电路(25)。在其他情况下，屏障层(21)用作电介质，接地垫(27)用作电容器的一个电极。

图3是体现本发明的应用的示意图。检测电路用于通过使用电压/电流源(34)来检测屏障层(31)中的缺陷。当检测探针(33)靠近缺陷(36)时，电流通过接地触点(35,37)流过缺陷(36)进入并通过导电gcl(38)以形成电路。

图4是用于构建土工合成粘土衬垫的三层的示意图。导电土工织物(41)和织物或网的背衬层(43)将粘土屏障层(42)夹在中间。

如图3中根据本发明所示，如果在屏障层(31)下方添加导电层作为gcl(38)的一部分，则土方基础(32)可以是任何材料并且在屏障层(31)下方或内部不需要其他导电性。将石墨烯结合到gcl中使用的土工织物中或其上将倾向于使gcl充分导电，以允许根据屏障层(31)的厚度和需要检测的缺陷(36)的尺寸来执行低压和高压检测技术。缺陷(36)越大，屏障层(31)越薄，检测所需的电压越低。图3示出了具有导电gcl(38)和检测结构的这种配置。

可以通过许多方法来执行对屏障层中的缺陷的电检测。已设定工业标准以使检测条件正常化。这些体现在以下国际标准文件中：astmd6747，astmd7002，astmd7007，astmd7240，astmd7703和astmd7852。

电检测方法依赖于导电性来形成电路。充分的导电性取决于导电路径的尺寸和长度以及介质(水、土壤、导电织物、屏障层)的导电性。这种变量组合使得检测方法可以在广泛范围内有效。需要将检测方法调整到所需的结果和条件。这允许导电gcl的导电性也量身适合于期望的应用和检测方法。在一些情况下，导电gcl的导电率可以非常低，例如在检测电压高、缺陷尺寸大且电路路径短的情况下。

土工织物是可渗透的织物，当与土壤结合使用时，具有分离、过滤、增强、保护或排水的能力。通常由合成纤维制成，例如聚丙烯或聚酯，但可能包括其他合成纤维，例如：聚酰胺；丙烯腈；聚乳酸；聚酯；纤维素；聚氨酯；聚乙烯，和/或半合成纤维，例如：再生纤维素，和/或天然纤维，其主要是纤维素，例如：蕉麻；椰壳纤维；棉；亚麻；黄麻；木棉；红麻；酒椰叶纤维；竹；大麻；莫代尔；凤梨麻；苎麻；剑麻，或；大豆蛋白。天然纤维通常是可生物降解的，而合成纤维则不是。因此，纤维选择取决于应用。

与其他织物一样，土工织物可以通过许多方法由纤维形成，包括：纺织、针织、打结、编织和非织造覆盖技术，其中进一步的步骤，例如缠结(例如针刺、毡合、水力缠结、水刺、水针刺)，并且可以包括各种步骤以改善所需的性能，例如梳理和热粘合。

在本发明的上下文中，土工织物有利地由纤维制成，并且通常是织造的或非织造的。非织造土工织物通常是连续纤维，也称为长丝或短纤维。短纤维是可以形成织物的较短的长度。在某些情况下，短纤维是特定的纤维和其他纤维簇。

土工合成材料因其在土木工程应用中的应用而得名，包括：机场；银行保护；运河；沿海工程；水坝；泥石流控制；河堤；侵蚀；铁路；保存结构、储水器；道路；沙丘保护；斜坡稳定；风暴潮；流渠道；洼地；波浪作用。

存在各种形式的石墨烯。理想的石墨烯是纯碳，是石墨烯家族中最好的电导体。它往往没有缺陷和其他化学取代基，例如氧。氧化石墨烯(go)是高度氧化形式的石墨烯，是电绝缘体。中间物种可以通过各种描述来提及，例如部分还原的氧化石墨烯(prgo)或功能化的石墨烯，其中各种化学基团连接到石墨烯的边缘和/或基础平面。

该功能使得可以定制石墨烯的电学和物理性质，例如以使其更容易结合到材料(例如塑料)中或材料上，以形成复合材料。其中碳原子被其他原子(例如氮)和其他共价键合的原子取代的“杂原子”的结合也可用于定制石墨烯的性质。

无论石墨烯是单层石墨烯还是多层，石墨烯都可以具有各种尺寸。已经使用各种术语来描述结构排列，并且已经在标准化术语方面进行了一些尝试。无论术语如何，石墨烯的这些单层和多层结构具有有用的导电性，其产生如本文所述的复合聚合物、纤维和织物的性质。除非另外详述并描述了它们的性质，否则这些石墨烯的各种排列在本文中概括为“石墨烯”。

可以促进从导电至电绝缘范围的石墨烯的形式意味着许多形式的石墨烯都可以用作电导体。即使导电性相对较差的石墨烯也可以达到目的，特别是在其他性能使其适合使用的情况下。

石墨烯可以通过许多方法产生，包括：阳极键合；碳纳米管解理；化学去角质；化学合成；化学气相沉积；电化学剥离；电化学插层；碳化硅上的生长；液相剥离；微机械解理；微波剥离；分子束外延；光剥离；从金属中沉淀；热剥离。

其中的一些路径产生了以下材料：化学转化的石墨烯的材料；少层石墨烯；go；石墨烯；氧化石墨烯；石墨烯纳米薄片；石墨烯纳米片；石墨烯纳米带；石墨烯纳米片；石墨纳米薄片；石墨纳米片；石墨纳米片；氧化石墨；lcgo；液晶氧化石墨烯；多层石墨烯；部分还原的氧化石墨烯；部分还原的氧化石墨；prgo；rgo；还原的氧化石墨烯；还原的氧化石墨。

可以通过许多方法将石墨烯结合到织物中，但是在每种情况下，纤维和织物的性质将取决于纤维化学、石墨烯化学、石墨烯形状以及用于将石墨烯结合到石墨烯中或石墨烯上的工艺。

优选的方法包括在形成纤维之前将石墨烯混合到聚合物中。然而，也可以用石墨烯涂覆纤维或织物以制造导电织物。石墨烯可以作为粉末或作为流体中的分散体存在，以促进石墨烯在聚合物中的分散。涂覆石墨烯优选来自石墨烯在流体中的分散体。

将石墨烯结合到聚合物中的方法可包括：将石墨烯熔融混合到聚合物中；聚合物与石墨烯的原位聚合，和溶液混合。无论使用哪种技术，都希望石墨烯充分分散以使得可以用最少的石墨烯来实现导电性。在某些情况下，需要添加剂来减少石墨烯和聚合物的相分离。

可以将其他导电添加剂添加到石墨烯涂层或含石墨烯的聚合物中。这些导电添加剂可以提高石墨烯提供导电性的有效性。例如，炭黑、碳纤维和碳纳米管都是导电碳，其可以帮助石墨烯分散在涂布液中或聚合物混合物中并提供进一步的互连性。

在优选实施例中，导电土工织物由包括石墨烯的纤维形成，其中纤维通过从聚合物的粒料或粉末熔融挤出而形成。石墨烯以分散在载体聚合物中的浓缩形式加入到熔体挤出物中，载体聚合物可以与本体聚合物相同，或者可以不同。将浓缩形式的石墨烯聚合物分散体在熔融挤出过程中混合并稀释，以在纤维中获得所需浓度的石墨烯。

在一个替代实施例中，浓缩形式的石墨烯分散在流体中，例如：油、溶剂或水。

在另一个实施例中，通过将含有石墨烯或湿纺聚合物纤维的聚合物的湿纺溶液制成含有石墨烯的凝固浴以在纤维上产生石墨烯的表面涂层来制备纤维。

在另一个实施例中，通过在掺入gcl之前将石墨烯添加到粘土中，可以使gcl导电。

在另一个实施例中，通过在聚合物中加入石墨烯或将石墨烯涂覆在已经形成的织物或网上，使得强化织物或网导电，可以使gcl导电。

实例1-通过将导电土工织物针刺穿过粉末状膨润土粘土到织造的非导电土工网的背衬中制成大约100平方厘米的gcl矩形。通过火焰熔化突出的纤维将穿孔的土工织物纤维密封到背衬土工网上。通过用含有石墨烯分散体的溶液涂覆非织造的低重量(150克/平方米)pet土工织物以在土工织物上获得2％的重量百分比负载的石墨烯来制备导电土工织物。测量导电土工织物的电阻为2000欧姆/平方，并将其保持在组装的gcl中。

实例2-将来自实例1的样品置于防水土工膜下方，其中在其上冲压特意形成的孔。该孔的直径约为1毫米。当用大约15,000伏特的火花检测器检测时，来自实例1的gcl样品被证明是合适的电导体，以允许防水土工膜的火花测试，并且孔被可靠地检测。

实例3-使用得到的100平方厘米的商业gcl，并通过针刺穿过现有的gcl将导电土工织物粘附到现有的非织造、非导电土工织物表面上。导电土工织物与实例1中使用的材料相同。按照实例2来测试样品，得到与实例2中相同的结果。

实例4-使用得到的100平方厘米的商业gcl，并通过胶合将导电土工织物粘附到现有的非织造、非导电土工织物表面上。导电土工织物与实例1中使用的材料相同。按照实例2来测试样品，得到与实例2中相同的结果。

实例5-类似于实例1，gcl由导电土工织物组装而成，其中土工织物由短纤维制成并且已经涂覆有石墨烯以在组装到gcl之前导电。

实例6-使用得到的100平方厘米的商品gcl，并通过涂覆石墨烯溶液使gcl表面上的非导电土工织物导电。按照实例2来测试样品，得到与实例2中相同的结果。

本领域技术人员将理解，上述实施例仅是如何实现本发明构思的若干实例。应当理解，可以设想其他实施例，虽然它们的细节不同，但是落入相同的发明构思内并且代表相同的发明。