一種傳感型塑料土工格柵的製備方法
2023-05-03 10:39:11
一種傳感型塑料土工格柵的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種傳感型塑料土工格柵的製備方法，包括以下步驟：步驟(1)選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導電炭黑的導電母粒為填料，製作導電複合材料；步驟(2)在室內進行導電複合材料的拉伸試驗，測定複合材料的變形與電阻變化間的關係；步驟(3)利用導電複合材料的製備傳感型格柵；步驟(4)確定傳感型格柵的網型，即在傳感型格柵平行的主筋列上添加規則的六邊形輔筋。該類型土工格柵利用導電塑料的拉敏特性，通過測試格柵本身的電阻來獲得其自身的變形信息，無需在土體內部埋入傳感器，避免了因為外部傳感器的植入而引起的變形測試精度下降以及傳感器耐久性不滿足要求的現象。
【專利說明】一種傳感型塑料土工格柵的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明提出了一種添加超導電炭黑的傳感型塑料土工格柵的製備方法，屬於土木工程領域。
【背景技術】
[0002]加筋土結構系列產品以其經濟、美觀、抗震、耐久和易於施工等優點，在道路工程、水利工程、礦山工程中得到廣泛應用，土工合成材料的開發與使用已有幾十年的歷史，高性能的原料賦予土工產品高的強度與耐用性，同時研究表明，在工程中使用土工合成材料約需要增加原投資的1%?2%，而在同等設計標準下，可降低20%?40%的工程造價，經濟效益十分顯著，土工格柵是加筋土結構系列產品的典型代表。然而，目前的土工格柵產品只是起到單一的加筋效果，無法對加固體的變形信息進行檢測，如若檢測則需另採用其他設備，增加了檢測的難度和成本。
【發明內容】
[0003]為了解決現有技術存在的問題，本發明基於機敏導電塑料的拉敏效應，提出一種添加超導電炭黑的傳感型塑料土工格柵的製備方法。
[0004]本發明採用的技術方案如下:
[0005]一種傳感型塑料土工格柵的製備方法，包括以下步驟:
[0006]步驟⑴選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導電炭黑的導電母粒為填料，製作導電複合材料；
[0007]步驟(2)在室內進行導電複合材料的拉伸試驗，測定複合材料的變形與電阻變化間的關係；
[0008]步驟(3)利用步驟(I)得到導電複合材料的製備傳感型格柵；其中在機頭的模具在進行編網時，中筒不旋轉，內筒繞其定位軸旋轉180度，外筒按照與內軸旋轉方向相反的方向繞其定位軸也旋轉180度，按照此規律內筒外筒不斷往復運動；
[0009]步驟(4)確定傳感型格柵的網型，即在傳感型格柵平行的主筋列上添加規則的六邊形輔筋。
[0010]所述的步驟(I)中導電複合材料的製備過程如下:
[0011]選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導電炭黑的導電母粒為填料，以導電母粒佔混合料質量分數為40%?60%的範圍內將二者熔融混合，經多次混合塑化擠出後冷卻造粒，得到導電複合材料。
[0012]所述的步驟(2)中複合材料的變形與電阻變化間的關係如下:
[0013]在室內進行導電複合材料的拉伸試驗，測定複合材料的變形與電阻變化間的關係，可以得出二者間的函數關係:Ω/Ω。= F( ε )，其中Ω/Ω。叫做歸一化電阻率，ε為應變值。
[0014]所述的步驟(3)製備傳感型格柵的工藝過程如下:
[0015](3-1)將高密度聚乙烯和導電母粒按所定的配比攪拌混合均勻，倒入料鬥中。
[0016](3-2)通過吸料機將混合料吸入注塑機中，經過熔融加熱後，將熔融態的混合結合料注入機頭的模具中，進行編網。
[0017](3-3)將生產出的格柵送入冷卻池中冷卻，定型，通過牽引設備牽引成卷。
[0018]本發明的有益效果如下:
[0019]首先，本發明提出的傳感型塑料土工格柵的製備方法，該類型土工格柵利用導電塑料的拉敏特性，通過測試格柵本身的電阻來獲得其自身的變形信息，無需在土體內部埋入傳感器，避免了因為外部傳感器的植入而引起的變形測試精度下降以及傳感器耐久性不滿足要求的現象，特別適用於全壽命周期內土工結構的變形監測與安全預警。
[0020]其次，現有格柵生產技術中，格柵網型會因輔筋的形狀不規則而導致整個網型不齊整，影響格柵使用性能，因此需要改進編網定型工藝，提高格柵性能。現將工廠中模具的編網工藝加以改進:將常規格柵的內外筒反向圓周旋轉編網方式改進為內外筒反向定位旋轉，如圖3所示。改進工藝後製備出的格柵較之常規生產出的格柵網型齊整，規律，使得格柵的傳感性能更為精確。
[0021]另外，在現有格柵網型中，格柵網型會因輔筋的形狀不規則而導致整個網型不齊整，影響格柵使用性能，如採用常規的單向、雙向土工格柵經拉伸後定網則會使複合材料的原有變形-電阻關係函數產生變化，無法準確標定二者關係，因此沒有合適的網型。為解決這個問題，根據蜂巢仿生學原理經優化設計，擬採用一種新型網型，即在平行的主筋列上添加規則的六邊形輔筋，由於將作為蜂巢基本單元的六邊形引入網格設計中，使得格柵的抗變形能力和自身穩定性大大增強。通過之前提到的模具工藝改進，可使這種新型網型的傳感性能更高。新型網型如圖4所示。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1導電聚合物滲濾現象示意圖；
[0023]圖2格柵製備流程圖；
[0024]圖3(1)模具編網的常規工藝；
[0025]圖3 (2)模具編網的改進工藝；
[0026]圖4網型結構圖；
[0027]圖5歸一化電阻率與應變關係；
[0028]圖6歸一化電阻率與應變關係；
[0029]圖中:I外筒，2中筒，3內筒，4內筒定位軸，5外筒定位軸，6輔筋，7主筋。
【具體實施方式】
[0030]本發明的製作原理如下:
[0031](I)導電高分子材料目前已在能源、光電子器件、信息、傳感器、分子導線和器件，以及電磁屏蔽、金屬防腐和隱身技術等領域得到了廣泛應用，填充複合型導電高分子材料是應用最廣泛的導電複合材料，它是在基體聚合物中加入炭黑、碳纖維、石墨、碳納米管等導電填料複合而成。導電複合材料的導電行為一般呈現典型的滲濾現象，如圖1所示。當填料含量增加到某一閾值時，在某一區域內複合材料電阻率急劇下降，這一區域被稱為滲濾區域。機敏材料具有感知和驅動功能，某些導電高分子複合材料也具有機敏性，經過特殊設計後表現出一些特殊效應，如拉敏效應。拉敏效應是在外部拉力作用下導電性發生轉變的過程(低阻一高阻)。拉敏效應的出現是由於當複合材料變形超過某臨界值時，導電通路被部分破壞而成高阻態。
[0032](2)在實際應用中可通過電阻率的變化來確定材料的各性能指標的變化規律，當以添加超導電炭黑的導電聚合物為原料製備的傳感型土工格柵受到外力作用時，受力處的電阻率發生顯著變化，通過選取電阻率變化最明顯時的導電聚合物原料(即特定的最佳填料含量原料)，進行傳感型塑料土工格柵的製備。
[0033]本發明的傳感型塑料土工格柵的製備方法，步驟如下:
[0034](I)超導電炭黑填量的確定
[0035]為得到所需的複合材料，在室內以試驗的方式進行複合材料的研製，選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導電炭黑的導電母粒為填料，以導電母粒佔混合料質量分數為40%?60%的範圍內將二者熔融混合,經塑化擠出後冷卻造粒,得到導電複合材料,為保證複合材料的均勻性，將其進行多次混合塑化擠出、造粒，得到所需複合材料後進行使用。
[0036](2)機敏聚合物變形-電阻關係標定
[0037]在室內進行導電複合材料的拉伸試驗，測定複合材料的變形與電阻變化間的關係，可以得出二者間的函數關係4/^0 = ?「)，其中Ω/Ω0叫做歸一化電阻率，ε為應變值。
[0038](3)傳感型格柵的製備方法
[0039]以導電高密度聚乙烯複合材料(超導電炭黑為導電填料)為原料，選擇質量分數為40%?60%導電母粒填料含量的複合材料進行格柵製備。在土工格柵生產工廠利用土工格柵生產設備經塑化擠出、編網定型等工藝進行批量生產，具體生產流程如圖2。現有格柵生產技術中，格柵網型會因輔筋的形狀不規則而導致整個網型不齊整，影響格柵使用性能，因此需要改進編網定型工藝，提高格柵性能。現將工廠中模具的編網工藝加以改進:將常規格柵的內外筒反向圓周旋轉編網方式改進為內筒、外筒反向定位旋轉，如圖3所示，機頭模具包括內筒3、中筒2和外筒1，工作時，所述的中筒2不旋轉，內筒3繞內筒定位軸4旋轉180度，外筒I按照與內軸旋轉方向相反的方向繞外筒定位軸5也旋轉180度，如此往復。改進工藝後製備出的格柵較之常規生產出的格柵網型齊整，規律，使得格柵的傳感性能更為精確。
[0040](4)確定網型
[0041]在現有格柵網型中，格柵網型會因輔筋的形狀不規則而導致整個網型不齊整，影響格柵使用性能，如採用常規的單向、雙向土工格柵經拉伸後定網則會使複合材料的原有變形-電阻關係函數產生變化，無法準確標定二者關係，因此沒有合適的網型。為解決這個問題，根據蜂巢仿生學原理經優化設計，擬採用一種新型網型，即在平行的主筋7列上添加規則的六邊形輔筋6，由於將作為蜂巢基本單元的六邊形引入網格設計中，使得格柵的抗變形能力和自身穩定性大大增強。通過之前提到的模具工藝改進，可使這種新型網型的傳感性能更高。新型網型如圖4所示。
[0042]本發明的具體應用如下；
[0043]在需要加筋結構的工程中均可使用該類型智能塑料土工格柵，如修建公路、鐵路以及江河湖海岸邊的加筋擋土牆、堤壩、橋面、陡坡、礦山工程等防護工程。
[0044]實例一:道路用傳感型塑料土工格柵的製備
[0045]道路工程中，土工格柵主要用於加固土體、防止沉降，為製備適用於道路的傳感型塑料土工格柵，選取填料比例為45%的導電複合材料(其歸一化電阻率與應變關係式為
= °.098^ + 1.024如圖5所示)，該比例複合材料的製作過程如下:按質量比例將基材
HDPE和超導電炭黑母粒配好、混合；將二者的混合物經擠出機熔融擠出，冷卻後造粒，得到高密度聚乙烯複合材料，為保證複合材料中炭黑的均勻性，將造好的複合材料顆粒重新熔融再造粒，再造粒過程重複2次，即可得到均勻性良好的複合材料。將以炭黑為填料的高密度聚乙烯複合材料利用土工格柵生產設備經塑化擠出、編網定型等工藝生產製成傳感型土工格柵。將該類型傳感型塑料土工格柵鋪設在路基中，不僅可以通過格柵網孔與土體之間的咬合和互鎖作用，構成一個高效的應力傳遞機構，使局部載荷能迅速有效地擴散到大面積的土體中去，降低局部破壞應力，還能通過受力變形後的阻值變化進行定位檢測，為預養護和加固提供科學依據，既保證了工程安全，又減少了全壽命周期的工程成本。
[0046]實例二:礦山用傳感型塑料土工格柵的製備
[0047]在礦山生產作業時，巷道的穩定堅固是安全生產的保證，為加固巷道，通常採用埋掛土工格柵的方法，這樣不僅提高了巷道的堅固性，也能降低施工成本。但即便如此，由於圍壓等因素的作用，依然會使巷道壁變形破壞，甚至垮塌，造成生命財產損失，若採用專用設備定期檢測，則耗時費力，且操作不便。現可採用鋪設傳感型土工格柵的方式解決以上問題。選用填料質量比例為48%的複合導電高密度聚乙烯複合材料(炭黑為導電填料)為
Ω _￡' + 0.096
原料(其歸一化電阻率與應變關係式為Ω — 0.153+ 2.316U+ 0.096)-0,188("+ 0.096)2.如圖6所示)，複合材料的製作過程及要求同實例一。將該類型智能土工格柵掛設在巷道中，不僅可以加固巷道，有效防止巖塊或煤塊的掉落，還能通過傳感型土工格柵受力變形後的阻值變化進行定位檢測，從而為預測礦壓並制定相應的加固措施提供第一手資料，可以防止工程事故發生，減少生命財廣損失。
【權利要求】
1.一種傳感型塑料土工格柵的製備方法，其特徵在於:包括以下步驟: 步驟(I)選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導電炭黑的導電母粒為填料，製作導電複合材料； 步驟(2)在室內進行導電複合材料的拉伸試驗，測定複合材料的變形與電阻變化間的關係; 步驟(3)利用步驟(I)得到導電複合材料的製備傳感型格柵；其中在機頭的模具在進行編網時，中筒不旋轉，內筒繞其定位軸旋轉180度，外筒按照與內軸旋轉方向相反的方向繞其定位軸也旋轉180度，按照此規律內筒外筒不斷往復運動； 步驟(4)確定傳感型格柵的網型，即在傳感型格柵平行的主筋列上添加規則的六邊形輔筋。
2.如權利要求1所述的傳感型塑料土工格柵的製備方法，其特徵在於:所述的步驟(I)中導電複合材料的製備過程如下: 選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導電炭黑的導電母粒為填料，以導電母粒佔混合料質量分數為40%?60%的範圍內將二者熔融混合，經多次混合塑化擠出後冷卻造粒，得到導電複合材料。
3.如權利要求1所述的傳感型塑料土工格柵的製備方法，其特徵在於:所述的步驟(2)中複合材料的變形與電阻變化間的關係如下: 在室內進行導電複合材料的拉伸試驗，測定複合材料的變形與電阻變化間的關係，得出二者間的函數關係= F( ε )，其中Ω/Ω，^做歸一化電阻率，ε為應變值。
4.如權利要求1所述的傳感型塑料土工格柵的製備方法，其特徵在於:所述的步驟(3)製備傳感型格柵的工藝過程如下: (3-1)將步驟I得到的導電複合材料，倒入料鬥中； (3-2)通過吸料機將混合料吸入注塑機中，經過熔融加熱後,將熔融態的混合結合料注入機頭的模具中，進行編網； (3-3)將生產出的格柵送入冷卻池中冷卻，定型，通過牽引設備牽引成卷。
【文檔編號】E02D1/00GK104139541SQ201410294416
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】崔新壯, 隋偉, 張炯, 湯濰澤, 樓俊傑, 高智珺 申請人:山東大學