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滑坡和泥石流灾害
研究动机、目的
泥石流作为山区城镇常见的地质灾害，是一种含有大量固体物质的特殊洪流(高浓度的液相、固相混合流)，其中的固体物质特指泥、砂、石。泥石流具有突发性、破坏性极大、运动快速、历时短暂等特点，且具有强大的侵蚀、搬运能力等自然属性，其是以冲撞(击)、淤埋和堵塞等方式对其流经路途上的各种城镇设施进行破坏，危害程度往往比单一的滑坡、崩塌和洪水的危害更为广泛和严重，对人类生产生活场所、交通运输、水利水电工程、矿山等造成严重损失。当前，我国山区城镇泥石流问题十分突出，且灾情相当严重。因此，分析山区城镇泥石流灾害及其成因，对于加强城镇泥石流的防治有着重要意义。
关键词：山区城镇;泥石流;灾害;成因
研究方法
采用调查研究，通过资料整理出数据
研究内容
一、泥石流的相关概述
(一)泥石流的概念
泥石流是暴雨、洪水将含有沙石且松软的土质山体经饱和稀释后形成的洪流，由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。在适当的地形条件下，大量的水体浸透山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。
泥石流是一种广泛分布于世界各国一些具有特殊地形、地貌状况地区的自然灾害，是山区沟谷或山地坡面上由暴雨、冰雪融化等水源激发的，含有大量泥沙石块的介于挟沙水流和滑坡之间的土、水、气混合流。泥石流大多伴随山区洪水而发生。它与一般洪水的区别是洪流中含有足够数量的泥沙石等固体碎屑物，其体积含量最少为15﹪，最高可过80﹪左右，因此比洪水更具破坏力。
(二)泥石流的类型
即：(1)按水源补给分为：冰川型、降雨型;(2)按沟谷形态分为：沟谷型、坡面型;(3)按物质组成分为：泥石流、泥流、水石流;(4)按结构流变分为：黏性(容量为2.0～2.3t/m3)、稀性(容量为1.5～1.8t/m3)、过渡性(容量为1.8～2.0t/m3);(5)按规模大小分为：小型(一次泥石流总堆积量<10万m3)、中型(10万～50万m3)、大型(50万～100万m3)、特大型(>100万m3)。
二、泥石流对城镇的危害
泥石流是松散固体物质在降雨、冰雪融水、库坝溃决等水动力作用下沿较陡坡度的沟道或斜坡高速流动的现象，流动过程中夹带的大量泥沙、石块等具有强大的冲击力和破坏力，往往对其流经路途上的各种城镇设施造成毁灭性的破坏。
(1)由于泥石流具有强烈的破坏力，其可冲毁城镇“坚固”的设施，如楼房、工厂、桥梁、供水供电设施、公路、铁路、高压线路、车辆、堤坝、电线杆等与之遭遇的固定设施和活动目标，从而严重危害到人们的生命财产安全。如甘肃舟曲2010-08-07暴发泥石流，水毁农田1417亩，水毁房屋307户、5508间，进水房屋4189户、20945间，机关单位办公楼水毁21栋，损坏车辆18辆。(2)由于泥石流中挟带着大石块及树干等杂物，其会使桥涵堵塞导致泥石流体超越排洪堤外溢等引发次生灾害，致使泥流大范围淤埋、淹没和推毁城镇设施和居民，造成重大的人身伤亡事故。如2011-05-11，广西全州咸水乡洛江村广坑槽屯一采石场爆发泥石流，工棚的工人来不及躲避，被泥石流掩埋，致使12人死亡，10人失踪。(3)如泥石流规模较大时，泥石流体可穿越主河形成拦河坝，受阻河水在坝上游形成堰塞湖，导致沿河城镇被淹没;而当坝体发生溃决时，强大的特殊洪流，会对下游城镇及各种设施形成水毁灾害，如冲毁下游房屋、道路及农田等。(4)由于泥石流中有固体物质，当泥石流中的固体物质堵塞了其流通道路，则会造成漫流改道，冲毁或淹没下游各种设施。(5)挤压主河道。泥石流冲出的大量泥沙使堆积扇不断扩大，形成通航河道的险滩，有碍通航，并将主河逼向对岸，使对岸遭受严重冲刷，造成山坡失稳，危害各种目标。
研究结论
三、山区城镇泥石流灾害形成的原因
泥石流的形成，必须同时具备丰富的松散固体物质、短时间内有大量水的来源和有一定坡度的利于集水集物的沟状地形三个基本条件，人类工程活动也是诱发泥石流的因素之一。
(一)泥石流灾害形成的客观条件
即：(1)地形地貌条件：地形地貌可为泥石流灾害的发生提供势能条件，并可为其提供充足的固体物质来源条件。(2)松散物质来源条件，如易于破碎的岩层表面、断层皱褶发育、断层密布等，还有滥伐森林造成水土流失，开山采矿、采石弃渣、老泥石流堆积等，这些则为泥石流的形成提供了丰富的固体物质来源。(3)水源条件，如强度较大的暴雨、积雪的强烈消融、水库的突然溃决等，致使沟床、沟侧的大量堆积物运动，都有可能导致泥石流灾害的发生。
(二)城镇发展缺乏合理规划与防灾意识淡薄
当前，随着城镇人口的不断增加和城镇规模的不断扩大，特别是随着山区经济与建设的蓬勃发展，人口增长迅速，城区的建设范围也在日益扩大，但由于部分山区城镇建设缺乏统一规划指导，如把房屋等建筑物修建在低洼处、沟道边、沟道内等泥石流严重危险区，或是把房屋建在泥石流通道。再加上部分城镇缺乏一定的防灾意识，在城镇建设上缺乏配套的防灾意识，致使泥石流发生时，给城镇居民造成了重大的灾害。
(三)诱发泥石流的人为因素
随着山区城镇人口增长，城镇经济发展与城镇规模扩大，人类在泥石流沟下游与泥石流争地的同时，也不断向沟上游争地和破坏。一方面，不适当的削坡、毁林开荒、开山采石、随意排放采矿弃土和弃渣、陡坡开荒种地、大量砍伐森林、
开山修路、过度放牧以及不合理的城镇建设等活动日益增多，极大的改变了地表原有结构，导致生态环境恶化，水土流失加剧，促进泥石流活动性增强，加剧了滑坡、泥石流灾害的发生。另一方面，环山而建的引水渠因渗漏而诱发滑坡，甚至直接诱发泥石流。与此同时，随着城镇人口的不断增长，由于管理不善和人们对乱挖乱开和乱砍伐等造成的危害认识不足，导致人为泥石流灾害的发生或加剧了泥石流的危害。
研究心得
四、结束语
总之，当前我国山区城镇泥石流问题十分严重，对城镇设施的破坏巨大，且威胁着城镇居民的生命安全，严重影响了山区城镇的经济发展，因此，应重视对泥石流的防治。在本文中，论述了泥石流的灾害及其成因，希望能对泥石流的防灾工程有一定的启示作用。
应对山体滑坡的山区公路施工措施论文
摘要: 滑坡对工程建设的危害很大，常使交通中断，影响公路的正常运输，本文结合实际，重点阐述了应对山体滑坡的山区公路施工措施。
关键词: 滑坡;公路;措施
1 滑坡概述
斜坡上的部分岩体和土体在自然或人为因素的影响下沿某个滑动面发生剪切破坏向下运动的现象称为滑坡。滑动面可以是受剪应力最大的贯通性剪切破坏面或带，也可以是岩体中已有的软弱结构面。规模大的滑坡一般是缓慢的、长期的往下滑动，有些滑坡滑动速度也很快，其过程分为蠕动变形和滑动破坏阶段，但也有一些滑坡表现为急剧的滑动，下滑速度从每秒几米到几十米不等。滑坡多发生在山地的山坡、丘陵地区的斜坡、岸边、路堤或基坑等地带。滑坡对工程建设的危害很大，轻则影响施工，重则破坏建筑;由于滑坡，常使交通中断，影响公路的正常运输;大规模的滑坡，可以堵塞河道，摧毁公路，破坏厂矿，掩埋村庄，对山区建设和交通设施危害很大。
滑坡分类的目的在于对发生滑坡作用的地质环境和形态特征以及形成滑坡的各种因素进行概括，以便反映出各类滑坡的工程地质特征及其发生发展的规律，从而有效地预测和预防滑坡的发生，或在滑坡发生之后有效的进行治理。根据不同的原则和指标，各国学者和工程部门对滑坡提出了各种分类方案。对于一个滑坡，从不同的角度可以有不同的分类，但实践中，我们应该抓住问题的主要矛盾，根据突出因素对滑坡进行分类，分类的原则就是看对我们认识、防治和处理此滑坡是否有帮助。
2 滑坡机理分析
2.1在地质构造上，坡体表层为全、强风化岩层，岩性较软弱，岩石破碎，节理裂隙发育;
2.2路堑边坡开挖后，造成坡体岩层层面临空，使坡体上的岩土体失去平衡;
2.3路堑的开挖和削坡，破坏了坡体原有的平衡，同时坡体的卸荷，造成坡体节理裂隙张开，为坡体上水的入渗提供了通道，而灌溉水沟的存在又为坡体滑动提供了水源;
2.4下渗的水软化强风化板岩和其中的泥质，为滑坡的最终形成提供了有利条件。
3 滑动面参数取值
根据对该滑坡勘察所取得的地质资料及目前滑坡的滑动状态，采用反演分析方法，选取典型的横断面反算滑面的力学参数，并将此反演值作为滑坡处理设计时的参数值。地下水是诱发滑坡的因素之一，在滑坡稳定性分析中，均考虑了地下水的场应力。
4 某山区公路应对滑坡的设计方案
按照“安全、环保、舒适、美观”的原则，在满足安全和规范要求的前提下，考虑施工技术的可行性和经济上的合理性，同时根据场地地形、工程地质条件及本合同段现场实际情况，对滑坡体进行处理。
在某山区公路施工中，由于滑坡推力较大，故在2#滑坡西块滑体的上级滑坡布设一排预应力锚索抗滑桩，以抵抗滑坡的下滑力作用，桩中心距左线线路中线约18m。由于锚索孔与桥墩存在交叉，部分抗滑桩因锚索与桥墩无法避开而改为普通抗滑桩。共设抗滑桩15根，其中锚索抗滑桩12根，普通抗滑桩3根。
4.1主要施工流程
先施工抗滑桩，滑坡稳定后施工桥梁墩台。
锚索抗滑桩施工顺序为:测放桩位→清理并稳固桩孔附近坡面→施工抗滑桩锁口→开挖→节桩孔→绑扎护壁钢筋→支模→浇注护壁砼→开挖下一节桩孔→重复上面四道工序直到设计标高→封底→绑扎桩身钢筋→浇灌桩身砼至距桩头2m处，预留锚索孔位→浇注剩余砼。锚索孔钻孔→下钢绞线→注浆→张拉→锁定。
锚索与桩身工程可分别进行，先后顺序可根据实际情况确定，但应注意相互的配合与衔接。
4.2抗滑桩施工
4.2.1测量放桩
抗滑桩要按桩排方向及控制桩身的里程、坐标位置准确放线定位。
4.2.2普通地质情况桩身开挖
a.抗滑桩施工前应先将桩位附近边坡或表层易滑塌部分清除，并做好桩位附近地表水的拦截工作。
b.抗滑桩跳桩分节开挖，做好锁口盘和每节护壁。每节开挖深度不超过1m，开挖一节，做好该节护壁，当护壁砼具有一定强度后方可开挖下一节，护壁各节纵向钢筋必须焊接，禁止简单绑扎。
c.浇筑护壁砼时，必须保证护壁不侵入桩截面净空以内。桩坑开挖过程中应随时校准其垂直度和净空尺寸。 4.2.3特殊地质情况桩身开挖
2#滑坡西块滑体6#～15#地质为褐黄、褐灰、褐黑色亚黏土，顶部松散。滑坡地段地表水、地下水丰富，桩身开挖过程中渗水量大，土质流动性大，呈流塑状，桩身护壁四周坍塌严重，成孔困难。护壁后侧的部位空洞严重，已完成的护壁承受土压力极大，导致护壁变形、开裂，给工程施工安全带来极大隐患。
特殊地质抗滑桩护壁施工处治方案:
(1)已完成的护壁，由于变形、开裂严重，用φ108*6钢管做横撑做临时支撑，控制护壁变形。
(2)在已完成的护壁上开孔，由孔口处向护壁后空洞部分填充C25砼，直至护壁后空洞完全密实为止。护壁开孔由上往下，尺寸为30×30cm方孔，按2m间距梅花型布设，并在开孔处适当加设φ25Ⅱ级钢筋，使护壁、填充砼、桩周土体形成一体。
(3)护壁砼厚度由原设计的`20cm调整至40cm，护壁钢筋由原单层钢筋网调整为双层钢筋网。抗滑桩每节护壁长度控制60cm。
(4)为保证抗滑桩顺利施工，在滑动面地段布置超前小导管，超前小导采用L=2mφ42*4花管，间距为50×50cm梅花型布置，外插角30度，小导管超前有效长度为1.73m，可以分二个至三个循环进行开挖。小导管采用双液注浆机注双液浆，双液浆配合比为C:S=1:0.5水灰比为0.7:0.9，注浆压力为2.5MPa。小导管不仅固结已开挖段护壁四周背后松散体，还起到超前支护的作用。
(5)护壁开挖严重无法进行，下步开挖时，回填透水性材料碎石土至开裂处进行二次开挖。
4.2.4抗滑桩锚索施工
a.锚索孔位测放应准确，偏差不得超过±3口，倾角允许误差小于锚索长度的3%;考虑沉碴的影响，为确保锚索深度，实际钻孔深度再大于设计深度1.0m。
b.锚索钻孔时禁止开水钻进，以确保锚索深度施工不致于恶化滑坡工程地质条件。2#滑坡锚索施工时，锚索孔眼时常发生塌孔，不能正常施工。处治方法为注双液浆固结松散体，钻机二次钻孔。
c.锚索张拉分五级进行，每级荷载分别设计拉力的0.25、0.5、0.75、1.0、1.1倍，最后一级需要稳定10～20分钟外，其余每级需要稳定5分钟，分别记录每一级钢绞线的伸长量。在每一级稳定时间内必须测读锚头位移三次。锚索张拉除考虑预张拉外还要交替分级张拉，交替张拉可保证各孔锚索受力均匀，张拉后若有明显的预应力损失，及时进行补张拉。
d.张拉到最后一级荷载且变形稳定后，卸荷至锁定锚索。锚索锁定后，按要求切除多余钢绞线，锚头及锚孔在桩身的锚孔部位补浆完成后，用C25砼及时封闭锚头。
5 结论
以上对滑坡的形态特征、影响边坡稳定性因素及滑坡形成条件、滑坡的防治措施做了简单的介绍。天然的或人工开挖形成的边坡到处可见，由于各种原因导致边坡失稳，引起各种规模的滑坡时有发生，给人们的生产生活带了巨大的灾难。因此，作为土木工程技术人员，我们有责任和义务去研究和治理滑坡，从而减少滑坡的发生和降低因滑坡造成的损失。相信通过我们研究的不断深入，滑坡现象将在一定程度上得到控制，我们的公路建设也会更加安全。
参考文献
[1]隆威，郝宇.关于某高速公路滑坡原因及处治措施分析.
[2]施凤彬.浅谈滑坡群抗滑桩施工技术.
[3]肖庆丰，孙连军，王火明.浅谈滑坡成因及防治措施[J].中国水运(学术版)，2006，9.
开题报告填写事项
一、填写必须实事求是，字迹要端正、清楚。
二、本报告的第一至第六部分由研究生本人填写（字数不少于2000字）。其余部分由指导教师、开题报告评议小组、教研室（研究室）主任、院长、研究生处填写。
三、硕士研究生开题报告日期规定为进校后第三学期完成。
四、开题报告评议小组由学院统一集中组织，对开题报告通不过者要在1至2个月内补做，重新审核合格后，才允许正式进入课题，否则取消进入论文阶段资格。
五、此表留存研究生处学位办一份。
本课题所涉及的内容（包括实验数据、计算机程序、导师未公开发表的研究成果及心得等），除在毕业论文中所发表的以外，本人保证：未经导师正式同意，五年内不以任何形式向第三方公开。
研究生（签字）
导 师（签字）
年 月 日
一、课题的来源及意义
本课题主要来源于导师的研究课题。
现代科学技术发展使得复合化成为材料发展的必然规律。近年来，纳米复合材料的研究发展迅速，无论是从学术研究角度考虑，还是从工业生产实际出发，人们都已开展了大量的实验研究工作。所谓纳米复合材料（Nanocomposites）是80年代初由Roy等人提出的，是指复合材料中分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。由于纳米粒子具有小尺寸效应、大的比表面产生的界面效应、量子效应等特殊性能，故能赋予纳米复合材料许多特殊的性能，为设计和制备高性能、多功能新材料提供了新的机遇。纳米复合材料被誉为“21世纪最有前途的材料”，成为材料科学研究的热点之一。
聚合物/层状硅酸盐（Polymer/Layered Silicate，PLS）纳米复合材料是纳米复合材料领域重要研究方向之一。PLS纳米复合材料既具有高分子材料的质轻、耐腐蚀、绝缘性好、易加工等特点，又具有无机材料的高强度、高模量、高耐热性等优点，有着广阔的发展前景。PLS纳米复合材料除具有一般纳米复合材料的性能外，还因其特有的纳米尺度上的片层结构使得复合材料的耐热性、尺寸稳定性、气体阻隔性及阻燃性等得到明显提高。PLS纳米复合材料的研制与开发为提高传统聚合物材料性能、拓宽聚合材料的应用范围起到了极大的促进作用。
根据复合物的微观结构，可以把复合物分成四类：相容性差的粒子填充复合物；普通的微粒填充复合物；插层型纳米复合材料；剥离型纳米复合材料。只有第三、第四类复合物实现了纳米尺度上的插层复合，且第四类复合物即剥离型纳米复合材料由于无机物在聚合物基体中实现了充分均匀的分散，其纳米尺度效应显著、界面结合强度更高。此类复合材料具有优异的力学性能和耐热性，并且材料的阻隔性均有所提高，是当前研究的主方向。
PLS纳米复合材料以其优良的性能越来越受到广泛地重视。目前，PLS纳米复合材料已从基础研究阶段向工业化生产阶段发展，日本的丰田公司（TOYOTA）、宇部公司（Unitsika）、美国的南方粘土（Southernay）等已经研制开发出PLS纳米复合材料的商业化产品。
本课题利用省内层状硅酸盐矿物（膨润土）和高分子原料，对聚合物原料进行改性，对膨润土原料进行深加工处理。研究聚合物、层状硅酸盐二者之间的复合机理、结晶过程、界面特征以及结构性能之间的关系，研究加工制备工艺过程对PLS纳米复合材料性能的影响以及最佳制备工艺参数的确定。用合理的加工技术方法，制备出性能优良的剥离型纳米复合材料。这既是本课题的特色和创新之处也是纳米复合材料的研究发展趋势所在。
二、简述该领域目前的国内外研究水平和发展趋势
聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料是当今众多无机纳米粒子改性复合材料中最有潜力的一类纳米复合材料，也是目前研究最多、最有希望工业化生产的聚合物纳米复合材料。自从1987年日本丰田公司的研究开发中心首次报道用插层聚合的方法制备了尼龙6/粘土纳米复合材料以来，由于聚合物/粘土纳米复合材料实现了纳米相分散、强界面作用和自组装并具有较常规聚合物/无机填料复合材料无法比拟的优点（如优异的力学、热学性能和气体阻隔性能等），因此倍受关注。
据报导，预计今后PLS纳米复合材料的产值每年会增长约100%。到2009年，产值会达到15亿欧元/年，产量会达到50万吨/年。PLS纳米复合材料将会遍及人们生活的各个方面，飞机、汽车、包装、电子电器、建材、家俱等产业将广泛受益于这种新型材料。
1、 国外PLS纳米复合材料研究现状
自从20世纪80年代末期，Okada等人报道了PA6/层状硅酸盐纳米复合材料以来，迄今这一领域已得到长足的发展，成为目前聚合物材料的一个新热点。到目前为止，日本丰田研究中心、美国康耐尔大学、密歇根大学以及中国科学院化学研究所国内外众多研究单位都在这一领域进行深入的科学研究。
1987年，丰田中心研究和发展公司的Fukushima和Inagaki仔细地研究了聚合物/层状硅酸盐复合材料后，用季铵盐取代粘土片层间的无机离子，成功地改善了粘土与聚合物基体的相容性，研制出PLS型尼龙6/硅酸盐纳米复合材料，材料的热变形温度较纯尼龙6有大幅度提高，同时力学性能与阻隔性能均有不同程度的提高。丰田中心研究和发展公司的Usuki、Fukushima用已内酰胺的原位聚合法制备了剥离型的尼龙6/蒙脱土纳米复合材料（季铵盐改性的蒙脱土事先被均匀地分散于已内酰胺中），并制备出聚酰亚胺/蒙脱土纳米复合材料，发现只需添加2%（质量分数）的粘土，材料的气体阻隔性及线胀系数显著降低，适合PI在微电子领域的应用，这极大地引起了材料科学家的关注。
美国Comell大学的R A Vaia和E P Giannelis等对聚合物熔体插层进行了热力学分析，认为该过程是焓驱动的，因而必须加强聚合物与粘土间的相互作用以补偿整个体系熵值的减少。在此理论的指导下，他们通过聚合物熔体插层制备出PS/粘土，聚氧乙烯/粘土纳米复合材料，并对层间聚合物的受限运动行为进行了研究。Usuki等人深入研究了有机插层剂对插层复合的影响，并制备出一系列PLS纳米复合材料，并首先报道了“两步法”制备聚酰胺6/蒙脱土纳米复合材料，即先用12~18烷基氨基酸作插层剂对钠基蒙脱土进行阳离子交换处理，然后将阳离子交换后的蒙脱土与ε-己内酰胺复合，在常规条件下聚合，得到聚酰胺6/粘土纳米复合材料。西欧一些国家也先后制定了发展纳米复合材料研究的计划。一些国外的大公司特别是生产聚合物的厂家纷纷加入聚合物纳米材料的开发应用。
目前，丰田汽车公司已成功地将Nylon 6/clay纳米复合材料应用于汽车上。由于层状硅酸盐是纳米尺度分散于聚合物基体中，可以成膜、吹瓶和纺丝。在成膜和吹瓶过程中，硅酸盐片层平面取向形成阻挡层，因此可用于高性能包装和保鲜膜。
2、国内PLS纳米复合材料研究现状
我国的PLS纳米复合材料研究开始于90年代，现已取得了许多成果，并已列入国家“863规划”和“九五计划”的重点研究开发课题。中科院化学所对聚合物基粘土纳米复合材料的研究，发明了“一步法”制备Nylon 6/粘土纳米复合材料（nc-PA6），即将蒙脱土阳离子交换、己内酰胺单体插层以及单体聚合在同一个分散体系中完成，在不降低产品性能的前提下缩短了工艺流程，降低了成本。黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究在学术界极有影响；另外，四川大学高分子科学与工程国家重点实验室发明的磨盘法、超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的制备手段。
中科院化学所工程塑料国家重点实验室取得的成就有：单体插层缩聚制备了尼龙6/粘土纳米复合材料，可大幅度提高其热变形温度，扩大了材料的应用范围，并对插层剂的碳链长度与有机蒙脱土的层间距的关系进行了研究，在此基础上开发了PET/粘土、PBT/粘土纳米复合材料，提高了材料的热性能和阻隔性，其中PET/粘土纳米复合材料的结晶速度较PET提高了约5倍。此外还通过聚合物溶液插层及熔体插层分别制备出硅橡胶/蒙脱土及PS/粘土纳米复合材料，其中硅橡胶/蒙脱土纳米复合材料具有良好的耐磨性，各项物理、力学性能指标得到很大提高，可代替气相白炭黑填充硅橡胶，具有实用前景。相信在不久的将来，PLS纳米复合材料将会广泛应用于高分子材料及其它领域。
3、存在的问题及研究发展趋势
PLS纳米复合材料的不断涌现以及大量研究结果的报道，让我们看到了这类复合材料具有的优异特性，使得层状无机物插层改性聚合物制备高性能纳米复合材料成为国际上最新技术热点之一，但也存在以下几个问题。
① PLS纳米复合材料的研究尽管十分热门，但由于其插层复合机理复杂、结构与界面特征复杂，微区尺寸小，再加上量子效应、表面效应等，对它的研究还不够深入，特别是运用热力学、动力学和结晶学知识研究不够。对其结构、形态特征与材料性能的关系研究较少，合成方法大多基于合成宏观材料上的改进，存在着一定局限性；
② 剥离型PLS纳米复合材料比其它类型的复合材料具有更优异的性能，但对原材料加工处理、制备方法要求严格，对其制备工艺及过程研究不够；
③ 高聚物与纳米材料的混合、分散缺乏专业设备，用传统的设备往往使纳米粒子得不到良好的分散，要研究出新的混合分散技术方法及设备。
三、课题所要研究的内容及实施方案
(主要研究内容及预期成果，拟采用的研究方法、技术路线、实验方案的可行性分析。)
1、研究内容
（1）了解相应聚合物的物理化学性质，合成方法，用途及研究现状；了解PLS纳米复合材料所具备的优良性能，熟悉国内外PLS纳米复合材料的应用现状、研究进展、存在的问题及解决的措施；
（2）研究层状硅酸盐（膨润土）矿物学特征和纳米结构特征（层间距、层面特征和边缘特征），熟悉测试表征方法；并掌握对测试结果分析的技术方法；
（3）深入研究膨润土提纯、钠化、有机化的各种方法、反应机理；了解钠基土及有机土的应用价值和研究现状；制定合理的实验方案，对膨润土进行提纯，通过实验选择合适的反应条件和合适的钠化剂和表面修饰剂进行钠化、有机化，制备出亲油或亲水亲油的纳米膨润土；
（4）了解剥离型PLS纳米复合材料制备方法及性能特点，从动力学、热力学、结晶学、流变学等方面探讨纳米材料复合过程和机理；
（5）选择聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚氨酯（PU）两种聚合物，对其进行改性（接枝方法和离子化方法）制定合理的加工制备方案、确定最佳实验流程及实验参数，制备出剥离型PLS纳米复合材料；
（6）从制备方法、表面改性剂的选择、加入第三组分等方面研究有机膨润土在聚合物中的分散形态；并探讨多相体系中物相界面结构特征，制备出剥离型纳米复合材料。
（7） 研究PLS纳米复合材料结构和性能之间的关系。进行产品结构分析、力学性能和阻燃性能对比测试分析。
2、预期成果
（1）制备出优良的有机膨润土，制备出改性性能良好的聚合物；
（2）制备出剥离型PLS纳米复合材料；
（3）预期在核心期刊发表2篇论文或申报1项发明专利；
（4）完成毕业论文的编写，顺利通过答辩。
3、研究方法及技术路线
（1）实验研究流程图
（2）实验研究过程（方案）
① 层状硅酸盐的选择及改性处理
目前为止，能够在PLS纳米复合材料中得到应用的有膨润土、高岭土、海泡石等少数几种属于层状硅酸盐的矿物质。这其中最根本的原因是绝大多数的层状无机矿物质无法利用插层处理的方式扩张其片层之间的重复间距。因此，虽然他们具有层状的结构，各相邻的片层之间也具有一定的空间，但却不足以容纳旋转半径为上百埃的聚合物分子链插入到各片层之间，形成所谓的插层复合材料；而仅仅允许离子、小分子等小的介质进入其中。对于膨润土、高岭土等粘土矿物， 由于他们具有较大的初始间距以及可交换的层间阳离子，使得我们可以利用离子交换的方式将他们的层间距扩大到允许聚合物分子链插入的程度，从而可以利用它们制备出性能优异的插层纳米复合材料。
本课题利用省内矿产资源优势膨润土，其主要成分为蒙脱石。蒙脱石的基本结构单元是有一片铝氧八面体夹在两片硅氧四面体之间靠共用氧原子而形成的层状结构，属于2：1型层状硅酸盐。每个结构单元的尺度为1nm厚、长宽均为100nm的片层，层间有可交换性阳离子，如Na+、Ca2+、Mg2+等金属离子，因此容易与烷基季铵盐或其他有机阳离子进行交换反应生成有机膨润土。由于膨润土本身的亲油性较差，聚合物的单体或分子链又多为亲油性物质。因此，膨润土使用前必须经过有机化改性处理。
膨润土改性处理方案。
A、膨润土的提纯
实验方案：将膨润土与水（固液比为1：10）配成悬浮液，再经高速旋转的离心机沉降分离，并且加入适量的分散剂（六偏磷酸钠），进一步分离粒度较细的碎屑矿物（长石、碳酸盐等），得到粒度小于5µm的膨润土浆料或悬浮液，再将该悬浮液抽滤、洗涤、干燥、打散解聚，即可得到高纯度的膨润土产品。测其吸蓝量，CEC，膨胀倍，胶质价等性能指标。
B、钙基膨润土的钠化
钠化原理：当膨润土-水系统中存在两种离子时，就存在一个动态的吸附-解吸平衡，即离子吸附与交换过程。如当膨润土-水系统中同时含有Ca2+、Na+时就会发生如下离子交换平衡：
Ca-膨润土+2Na+ 2Na-膨润土+Ca2+
钠化剂的选择、用量、钠化温度及钠化时间对钠化效果都有一定的影响，通过实验，确定最佳反应条件。
C、膨润土的有机化
在制备PLS纳米复合材料时，常采用有机阳离子（插层剂）进行离子交换而使层间距增大，并改善层间微环境，使粘土内外表面由亲水转变为疏水，降低硅酸盐表面能，以利于单体或聚合物插入粘土层间形成PLS纳米复合材料。因此插层剂的选择是制备PLS纳米复合材料的关键步骤之一。它必须符合以下几个条件：（1）容易进入层状硅酸盐晶片（001面）间的纳米空间，并能显著增大粘土晶片间层间距；（2）插层剂分子应与聚合物单体或高分子链具有较强的物理或化学作用；（3）价廉易得，最好是现有的工业品。
在不同用量、酸碱性、反应温度等条件下，选择阳离子（十六烷基三甲基溴化铵）、阴离子（十二烷基硫酸钠）及阴阳双离子为插层剂，制备有机土，通过测试确定最佳反应条件。
② 聚合物改性
③ PLS纳米复合材料的制备
A、复合材料的类型
从微观结构上看，复合材料可分为四类，如下图。在第一类复合物中（a），蒙脱土颗粒分散在聚合物基体中，但聚合物与蒙脱土的接触仅限于蒙脱土的颗粒表面，聚合物没有进入蒙脱土颗粒中。第二类复合物（b）中，聚合物进入蒙脱土颗粒，但没有插层进入硅酸盐片层中。在插层型复合物（c）中，聚合物不仅进入蒙脱土颗粒，而且插层进入硅酸盐片层间，使蒙脱土的片层间距明显扩大，但还保留原来的方向，片层仍然具有一定的有序性。在剥离型复合物（d）中，蒙脱土的硅酸盐片层完全聚合物打乱，无规则地分散在聚合物基体中，此时蒙脱土片层与聚合物实现了纳米尺度上的均匀混合。四类复合材料中只有后两种才算是纳米复合材料，而且第四类剥离型复合材料比第三类插层型复合材料具有更理想的性能，是众多材料科学家追求的目标，也是本课题研究的重点。
B、制备方法
插层复合法（Intercalation Compounding）是制备PLS纳米复合材料的方法。按照复合的过程，插层复合法可分为两大类。（1）插层聚合法（Intercalation Polymerization），即先将聚合物单体分散、插层进入层状硅酸盐片层中，然后原位聚合，利用聚合时放出的大量热量，克服硅酸盐片层间的库仑力，使其剥离（exfoliate），从而使硅酸盐片层与聚合物基体以纳米尺度相复合；（2）聚合物插层（Polymer Intercalation），即将聚合物熔体或溶液与层状硅酸盐混合，利用力化学或热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀分散在聚合物基体中。
从制备方法来看，PLS纳米复合材料的制备可分为单体插层原位聚合与大分子直接插层；从实施途径来说有溶液法和熔体法。它们互相组合成四种具体制备过程：大分子熔体直接插层；大分子溶液直接插层；单体熔体插层原位本体聚合；以及单体溶液插层原位溶液聚合。制备PLS纳米复合材料流程图如下：
C、有机土加入量的选取
有机土加入量的多少直接影响着制品的质量和性能，有机土的加入量过高时，体系的粘度增大，很难脱泡及浇注；有机土加入量过低时，有机土在体系中的分散不好，起不到增强和增韧的效果。对于有机土加入量的多少，在研究领域内众口不一。我们采用不同含量（2-5%）的有机土进行插层复合，寻找最佳加入量。
D、实验方案
以PBT、PU聚合物为例，选用合适的插层方法，在不同的配料比下插层复合，测其力学性能、阻燃性能、热稳定性能等，从热力学、动力学等方面研究复合机理及影响复合过程的因素，得到性能优良的剥离型PLS纳米复合材料。
（3）PLS纳米复合材料主要性能测试与表征
① 甲醛容量法测膨润土阳离子交换容量（CEC），测吸蓝量计算膨润土中蒙脱土的含量，带塞量筒测其膨胀倍、胶质价；
② 扫描电镜（SEM）测聚合物及PLS纳米复合材料的微观形貌；
③ 傅立叶转换红外光谱(FTIR)分析，根据谱图的吸收峰判断有机化改性效果及插层效果；
④ X射线衍射分析仪（XRD）测试膨润土的层间距和复合材料的剥离程度；根据谱图用Jade软件确定蒙脱土的化学成分及含量；
⑤ 差热-热失重分析仪（TG-DTA）测定膨润土的转化温度及复合材料的热稳定性；
⑥ 电子万能实验机测拉伸强度和断裂伸长率，判断聚合物及PLS纳米复合材料的力学性能。
4、实验研究方案的可行性分析
（1）实验室有一系列的实验仪器：如真空泵、磁力搅拌器、恒温水浴锅、高温炉、干燥箱、开练机、双螺杆机和造粒机等；学校测试中心有扫描电镜、X-射线衍射仪、傅立叶转换红外光谱仪、差热-热失重分析仪、原子力显微镜等测试用仪器；
（2）导师长期从事这一领域的研究工作，有扎实的理论基础和丰富的实践经验，有师生组成的研究团队；
（3）学校图书馆可以查到大量的中外文文献资料和学术专著，可供参考；
（4）与企业合作，有丰富的实践基地和广阔的应用前景；
（5）已做了一些实验前期工作，制得的复合材料力学性能显著提高，且热稳定性很好；
（6）实验方案叙述合理，技术路线可行，理论基础清楚明了，实验研究条件基本具备，加上前期研究工作的进展，故本实验研究方案是可行的。
四、课题研究的创新之处
(研究内容、拟采用的研究方法、技术路线等方面有哪些创新之处。)
（1）PLS纳米复合材料作为一个崭新的研究领域，对其研究尤其剥离型复合材料的研究可以说仍处于初级阶段，理论上不够成熟，制备技术不够完善，对材料的复合机理，材料的结构及结构与性能间的关系等方面还有待于进一步探索。本课题从热力学、动力学等方面研究聚合物与层状硅酸盐（膨润土）复合的界面特征、内部结合机理，并探讨复合过程、材料结构对其力学性能、阻隔性能、流变性能、结晶性能等的影响。
（2）剥离型PLS纳米复合材料的发展水平仍处在实验研究或专利阶段，工业化项目极少，在高性能工程塑料、高性能树脂基体中的研究报道还较少。本课题从表面改性剂的选择、加入第三组分、高性能纳米膨润土的制备、聚合物的改性、合理制备方法的选择等方面进行系统实验研究，制备出性能优异的剥离型纳米复合材料。
五、工作量及工作进度安排(包括文献查阅、方案设计与实现、计算与实验、论文书写等)
起止日期 课题阶段工作进程
2007.2~2007.9
2007.10~2007.12
2008.1~2008.2
2008.3~2008.4
2008.5~2008.6
2008.7~2008.8
2008.9~2008.10
2008.11~2008.12
2009.1~2009.3
查阅文献资料、学术专著、参考书等，同时做了大量实验前期工作及一定的实验研究工作；
写开题报告并进行答辩，准备实验所需试剂和仪器；
研究钠基土、有机土的结构及结构与性能的关系，设计实验方案；通过实验和性能表征确定钠化、有机化过程最佳反应条件；在最佳反应条件下制备大量有机土，用XRD、FTIR、TG-DTA等表征，做好实验记录；
以PBT、PU聚合物为例，了解其物理化学性能、合成机理、合成方法及应用现状；选择合适的反应装置、合成方法，用单体合成所需要的聚合物；
查阅大量当前最新的中外文文献，了解纳米复合材料的研究现状及先进的制备方法；选择不同的有机土加入量（2-5%），用聚合物熔融插层法，聚合物熔液插层法，单体插入原位聚合法等不同的方法，控制反应条件，制备PLS纳米复合材料；
对制品进行力学性能、热学性能、阻隔性能等方面的测试，确定有机土的最佳加入量，找出即使制品性能优异、成本低又环保的制备方法；
用SEM测试产品的形貌，证实其剥离程度；用XRD测试有机土的层间距，分析其改性效果；复合材料中界面层的性质可以用示差扫描量热法（DSC）来表征；热失重分析（TGA）可以研究有机物对蒙脱土的改性程度及纳米复合材料的耐热性；
选择最好的制备方法，将聚合物与有机土进行复合，研制出纳米复合材料制品并详细表征其各种性能；
撰写论文，准备答辩。
六、国内外主要参考文献（列出作者、论文名称、期刊名称、出版年月）
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1、 至少列举国内外参考文献20篇；
2、 教科书、工具书不能作为参考文献；
3、 专著等参考书的数量小于总数量的三分之一；
4、 近五年出版的参考书数量不小于总数量的三分之一；
5、 外文参考文献的数量不小于总数量的三分之一。
CNKI 一般专业的论文都有~
