泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙及其製備方法
2023-05-10 22:49:51
專利名稱：泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙及其製備方法
技術領域：
本發明屬於水工及港工泥沙模型試驗用模型沙技術領域，具體涉及一種物理特性 可調，體相親水，各項性能(包括物理和運動特性)能滿足不同類型泥沙實體模型試驗各項 相似比尺設計要求的泥沙實體模型試驗研究使用的複合塑料模型沙，及本複合塑料模型沙 的製備方法。
背景技術：
現有技術中，模型沙的選擇是泥沙實體模型試驗中的一項關鍵技術，直接關係到 模型泥沙運動和河床變形的相似性及試驗精度，關係到模型試驗的成敗。在實體模型設計 時，對模型沙選擇需要全面考慮其物理力學特性及其輸移和衝淤變化的相似性，同時還要 兼顧模型沙的可操作性、經濟性以及對環境影響等。目前，泥沙實體模型國內外常用的模型沙就其生成和物質成分而言大致可分為三 類，第一類為天然礦物，如天然泥沙、滑石粉、煤等，主要特點是電化性質不穩定，模型沙浸 泡後在水中立即產生電離，形成表面帶負電的類似膠體顆粒，採用細顆粒模擬懸移質，受水 中電解質的影響極易產生絮凝，致使模型沙沉降產生偏離，此外該類模型沙除煤和它的半 成品外，密度一般較大(大於2g/cm3)，不易滿足模型的重力相似要求；二是化工合成物，如 電木粉、塑料顆粒等，為高分子聚合物，非常穩定，密度一般較小，易於滿足重力相似條件， 且細顆粒與水合成的懸浮體絮凝現象不明顯；但是，現有技術中的此類模型沙是用廢舊塑 料破碎而成，粒徑、容重等物理特性固定，不能人為調整。三是植物纖維，如木屑、核桃殼等， 採用此類物質作為模型沙主要是利用其密度較小的特點，以滿足重力相似，但最大缺點為 因是有機物質，內含有機油脂，極易腐爛變質，吸水後體積膨脹，保存期短，需經脫脂防腐處 理才能應用。上述不同類型模型沙在大型水利工程與江湖治理實體模型試驗中均得到不同 程度的應用，取得了許多成果和經驗，但它們也存在各種各樣的不足之處，其中最大缺陷為 現有的模型沙存在著一些限制其應用的問題，突出表現為模型沙粒徑、容重等物理特性固 定，不能人為調整，模型設計時往往為了滿足模型沙某一特性需要而使部分相似條件偏離， 給模型設計帶來了許多的限制，將直接影響模型試驗成果質量。因此，開展模型沙的研究，研製開發物理化學性質穩定，密度及粒徑可調，絮凝強 度小，價格較為低廉且能夠大量製備的模型沙，已是泥沙實體模型模擬技術亟待解決的重 大問題之一。
發明內容
針對現有技術的上述不足，本發明要解決的技術問題是提供一種泥沙實體模型試 驗用複合塑料模型沙及其製備方法，本發明的複合塑料模型沙具備密度、粒徑、及顏色均可 人工調整且無環境汙染、能重複使用等優點。而且本發明的方法能價格低廉地大量製備滿 足需要的各種規格、類型的複合塑料模型沙，從而，從根本上解決了泥沙實體模型試驗用的 模型沙的需求問題。
本發明的技術方案是泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙是多種具有不同設定密度的複合塑料模型 沙，所述的多種具有不同設定密度的複合塑料模型沙的組分及重量百分數如下(1)基質組成及重量百分數聚苯乙烯樹脂 45% 80%;超細活性碳酸鈣20% 55%;(2)在上述基質中加入佔基質總重1.0% 3.0%的潤溼劑，和佔基質總重 0. 10% 0. 25%的著色劑。所述的聚苯乙烯樹脂是聚苯乙烯樹脂2 3級回收料，或聚苯乙烯樹脂新料。所述的超細活性碳酸鈣是超細活性重質碳酸鈣粉體，粒度<8 μ m，平均粒徑 98%。所述的潤溼劑是聚丙烯酸鈉，或聚乙二醇，或聚醚多元醇，或它們之中的混合物。所述的著色劑是紅色、或黃色、或藍色、或綠色的油性顏料。前述的泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙的製備方法按以下步驟進行(1)配製模型沙混合原料按照設定的複合塑料模型沙所需要的密度，將聚苯乙烯樹脂經粉碎後，按聚苯乙 烯樹脂重量百分數45% 80%和超細活性碳酸鈣重量百分數20% 55%的比例混合， 形成基質，在基質中再加入佔基質總重1.0% 3.0%的潤溼劑，和佔基質總重0. 10% 0. 25%的著色劑，混合均勻即為模型沙混合原料；(2)將模型沙混合原料進行預塑化處理將模型沙混合原料加入攪拌混合機中進行混合，使其經過預塑化處理；(3)造粒為大顆粒料將預塑化處理後的物料，加入螺杆擠出機中進行加熱混煉、複合交聯、擠出造粒， 擠出溫度設定為160 175°C，擠出粒料尺寸為4 12mm ；(4)粉碎將上述大顆粒料進行粉碎，粉碎獲得的粉粒料粒徑範圍為4. 5 0. 15mm ；(5)顆粒的整形將粒徑範圍為4. 5 0. 15mm的粉粒料，加入攪拌熱處理機，通過葉片低速攪拌和 攪拌機夾層導熱油加熱，使顆粒表面產生微塑化，在顆粒間摩擦力和葉片的擠壓作用下，顆 粒尖角被鈍化，顆粒圓角度被提高，顆粒的整形溫度設定為110 115°C ；(6)篩分和分級整形後的粉粒料，進行粗、細二段篩分，其中，粗篩獲得的粒級尺寸為> 4mm,4 2mm、2 Imm和< Imm四個粒級顆粒料；細篩獲得的粒級尺寸為1 0. 5mm、0. 5 0. 25mm、 0. 25 0. 15mm和< 0. 15mm四個粒級顆粒料；或在需要的情況下，再將< 0. 15mm的顆粒料進行微細粉的製備和分級將粒徑< 0. 15mm的顆粒料進行超細粉碎和分級，獲得平均粒徑為0. 052mm或 0. OlOmm的微細粉；(7)洗滌及處理經過篩分和超細粉碎分級的各粒級粉粒料，通過噴水嘴衝刷、淘洗，使粘附於顆粒表面的游離超細顆粒，及顆粒在水中的析出物得以分離，衝洗水中加有重量百分數為 0. 02%的聚醚350分散劑，使其吸附於顆粒表面，洗滌後得到的顆粒料即為設定密度的多 種粒級的複合塑料模型沙。所述的聚苯乙烯樹脂是聚苯乙烯樹脂2 3級回收料，或聚苯乙烯樹脂新料。所述的超細活性碳酸鈣是超細活性重質碳酸鈣粉體，粒度<8 μ m，平均粒徑 98%。所述的潤溼劑是聚丙烯酸鈉，或聚乙二醇，或聚醚多元醇，或它們之中的混合物。所述的著色劑是紅色、或黃色、或藍色、或綠色的油性顏料。本發明的有益效果是本發明的泥沙實體模型試驗用複合模型沙的密度設計範圍 連續可調，且不同粒徑的模型沙密度穩定，粒徑級配調整範圍寬，顆粒幾何形狀與天然泥沙 相似性好，絮凝強度小，親水性好，水下及空氣中休止角可調整，有利於模型地形製作；顏色 可調，有利於試驗觀測。本發明的泥沙實體模型試驗用複合模型沙不僅力學特性能滿足泥 沙實體模型各項相似比尺設計要求，而且，無毒、無汙染，可重複製備且可再生循環利用，整 體性能指標明顯優於現有的各種傳統模型沙。
具體實施例方式下面以一種設計密度為1. 38g/cm3的複合塑料模型沙的製備為實施例對本發明進 行詳細的描述，本實施例中共製得6個粒級的複合塑料模型沙。複合塑料模型沙分為多少 個粒級，及粒級的大小分級，由泥沙實體模型試驗的需求來定。以下對本實施例進行進一步 闡明，但它們並不構成對本發明的限定。1)配製模型沙混合原料聚苯乙烯樹脂2級回收料經對輥粉碎後，取質量百分數68%的聚苯乙烯樹脂；和 質量百分數32%的超細活性重質碳酸鈣粉體混合為混合原料基質，其中，超細活性重質碳 酸鈣粉體粒度< 7. 8 μ m，平均粒徑=3. 2 μ m，超細活性重質碳酸鈣粉體表面經鋁酸酯偶聯 劑DL-411-AF(鋁酸酯偶聯劑DL-411-AF為市售產品，其中DL-411-AF是產品的牌號)改性 處理，活化度指數=98. 6% (活化度指數按現有技術的方法測定)；在基質中加入佔基質 總重2. 2%的聚醚多元醇1618A(1618A是產品牌號)為潤溼劑；基質中還加入佔基質總重 0. 15%的酞青藍油性顏料，將上述物質混合均勻即為模型沙混合原料。在這裡，超細活性重 質碳酸鈣粉體是現有技術中常用的橡膠製品的補強劑和填充劑，在此用於和聚苯乙烯樹脂 混合，是為了調節複合塑料模型沙的密度，使本發明的複合塑料模型沙能製成一系列不同 設定密度的產品。2)將模型沙混合原料進行預塑化處理將模型沙混合原料加入高速攪拌混合機中進行混合，使其經過預塑化處理，所述 的高速攪拌混合機是塑料行業的常用機械。3)造粒為大顆粒料經預塑化處理後的物料，加入螺杆擠出機中進行加熱混煉、複合交聯、擠出造粒， 擠出溫度設定為170°C，粒料尺寸為4 10mm。螺杆擠出機是塑料行業的常規機械。4)粉碎將上述大顆粒料加入衝擊粉碎機組中進行粉碎，粉碎獲得的粉粒料粒徑範圍為2. 5 0. 15mm。所述的衝擊粉碎機組是塑料行業常用的破碎機械。5)顆粒的整形將粒徑範圍為2. 5 0. 15mm的粉粒料，加入攪拌熱處理機進行微塑化整形處理， 在顆粒間摩擦力和葉片的擠壓作用下，顆粒尖角被鈍化，提高顆粒圓角度，實現對顆粒的整 形，整形溫度設定為112°C。所述的攪拌熱處理機是現有技術的塑料加工機械。6)篩分和分級整形後的粉粒料，加入振動篩分機中進行篩分，獲得的6個粒級尺寸分別為2 ImmU 0. 5mm、0. 5 0. 25mm、0. 25 0. 15mm、0. 10 0. 15mm 禾日< 0. 10mm。振動篩分機 是現有技術的塑料加工機械。7)洗滌及處理將上述6個粒級的粉粒料分別加入六角迴轉式淘洗機中衝刷、淘洗，衝洗水中加 入0. 02%的聚醚350分散劑，使聚醚350分散劑吸附於顆粒表面，乾燥後的6個級別的粉粒 料即為密度為1. 38g/cm3的複合塑料模型沙。六角迴轉式淘洗機是現有技術的塑料加工機 械。本實施例獲得的上述設計密度為1. 38g/cm3複合塑料模型沙，經沉降、起動、沙波 運動等力學特性進行試驗，研究結果表明，其運動特性滿足泥沙實體模型設計的各項相似 比尺要求。在此基礎上，利用長江防洪實體模型對「藕池口水道航道整治工程的試驗研究」， 以及「西江三灘航道整治工程模型試驗研究」，和「西江界首灘航道整治工程模型試驗研 究」，均表明，本複合塑料模型沙相似條件、泥沙模擬範圍、相似比尺等均合理，且較好地克 服了以往細顆粒模型沙易板結的缺點，滿足模型試驗選沙的相似要求，保證了試驗成果的 合理性，為航道整治工程設計提供了科學依據，取得了良好的試驗效果。
權利要求
一種泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙，其特徵在於所述的複合塑料模型沙是多種具有不同設定密度的複合塑料模型沙，所述的多種具有不同設定密度的複合塑料模型沙的組分及重量百分數如下(1)基質組成及重量百分數聚苯乙烯樹脂45％～80％；超細活性碳酸鈣 20％～55％；(2)在上述基質中加入佔基質總重1.0％～3.0％的潤溼劑，和佔基質總重0.10％～0.25％的著色劑。
2.根據權利要求1所述的泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙，其特徵在於所述的 聚苯乙烯樹脂是聚苯乙烯樹脂2 3級回收料，或聚苯乙烯樹脂新料。
3.根據權利要求1所述的泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙，其特徵在於所述的 超細活性碳酸鈣是超細活性重質碳酸鈣粉體，粒度< 8 μ m，平均粒徑 98%。
4.根據權利要求1所述的泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙，其特徵在於所述的 潤溼劑是聚丙烯酸鈉，或聚乙二醇，或聚醚多元醇，或它們之中的混合物。
5.根據權利要求1所述的泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙，其特徵在於所述的 著色劑是紅色、或黃色、或藍色、或綠色的油性顏料。
6.一種權利要求所述的泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙的製備方法，其特徵在於 本方法按以下步驟進行(1)配製模型沙混合原料按照設定的複合塑料模型沙所需要的密度，將聚苯乙烯樹脂經粉碎後，按聚苯乙烯樹 脂重量百分數45% 80%和超細活性碳酸鈣重量百分數20% 55%的比例混合，形成基 質，在基質中再加入佔基質總重1. 0 % 3. 0 %的潤溼劑，和佔基質總重0. 10 % 0. 25 %的 著色劑，混合均勻即為模型沙混合原料；(2)將模型沙混合原料進行預塑化處理將模型沙混合原料加入攪拌混合機中進行混合，使其經過預塑化處理；(3)造粒為大顆粒料將預塑化處理後的物料，加入螺杆擠出機中進行加熱混煉、複合交聯、擠出造粒，擠出 溫度設定為160 175°C，擠出粒料尺寸為4 12mm ；(4)粉碎將上述大顆粒料進行粉碎，粉碎獲得的粉粒料粒徑範圍為4. 5 0. 15mm ；(5)顆粒的整形將粒徑範圍為4. 5 0. 15mm的粉粒料，加入攪拌熱處理機，通過葉片低速攪拌和攪拌 機夾層導熱油加熱，使顆粒表面產生微塑化，在顆粒間摩擦力和葉片的擠壓作用下，顆粒尖 角被鈍化，顆粒圓角度被提高，顆粒的整形溫度設定為110 115°C ；(6)篩分和分級整形後的粉粒料，進行粗、細二段篩分，其中，粗篩獲得的粒級尺寸為>4mm、4 2mm、 2 Imm和< Imm四個粒級顆粒料；細篩獲得的粒級尺寸為1 0. 5mm、0. 5 0. 25mm、 0. 25 0. 15mm和< 0. 15mm四個粒級顆粒料；或在需要的情況下，再將< 0. 15mm的顆粒料進行微細粉的製備和分級將粒徑< 0. 15mm的顆粒料進行超細粉碎和分級，獲得平均粒徑為0. 052mm或0. OlOmm 的微細粉；(7)洗滌及處理經過篩分和超細粉碎分級的各粒級粉顆粒料，通過噴水嘴衝刷、淘洗，使粘附於顆粒表 面的游離超細顆粒，及顆粒在水中的析出物得以分離，衝洗水中加有重量百分數為0. 02% 的聚醚350分散劑，使聚醚350分散劑吸附於顆粒表面，洗滌後得到的顆粒料即為設定密度 的多種粒級的複合塑料模型沙。
7.根據權利要求6所述的泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙的製備方法，其特徵在 於所述的聚苯乙烯樹脂是聚苯乙烯樹脂2 3級回收料，或聚苯乙烯樹脂新料。
8.根據權利要求6所述的泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙的製備方法，其特徵在 於所述的超細活性碳酸鈣是超細活性重質碳酸鈣粉體，粒度< 8 μ m，平均粒徑 98%。
9.根據權利要求6所述的泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙的製備方法，其特徵在 於所述的潤溼劑是聚丙烯酸鈉，或聚乙二醇，或聚醚多元醇，或它們之中的混合物。
10.根據權利要求6所述的泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙的製備方法，其特徵 在於所述的著色劑是紅色、或黃色、或藍色、或綠色的油性顏料。
全文摘要
本發明公開了一種泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙及其製備方法，屬於水工及港工泥沙模型試驗用模型沙技術領域。泥沙實體模型試驗用複合塑料模型沙組分及重量百分數如下(1)基質由聚苯乙烯樹脂和超細活性碳酸鈣組成；(2)基質中加入的潤溼劑，和著色劑。複合塑料模型沙的製備方法按以下步驟進行(1)配製原料，(2)預塑化處理，(3)造粒，(4)粉碎，(5)顆粒的整形，(6)篩分和分級，(7)洗滌及處理。複合模型沙不僅力學特性能滿足泥沙實體模型各項相似比尺設計要求，而且，無毒、無汙染，可重複製備再生循環利用，整體性能指標明顯優於現有的各種傳統模型沙。
文檔編號B29B9/06GK101955612SQ201010214088
公開日2011年1月26日 申請日期2010年6月22日 優先權日2010年6月22日
發明者盧金友, 葉菁, 姚仕明, 孫貴洲, 汪明娜, 魏國遠, 龍超平 申請人:長江水利委員會長江科學院