CN103613829A

CN103613829A - 用于风力提沙蓄能发电的塑料沙

Info

Publication number: CN103613829A
Application number: CN201310646693.7A
Authority: CN
Inventors: 马成锁
Original assignee: Taiyuan Heavy Industry Co Ltd
Current assignee: Taiyuan Heavy Industry Co Ltd
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: CN103613829B

Abstract

本发明提供了一种用于风力提沙蓄能发电的塑料沙，该塑料沙的化学组分包括超高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯纤维和添加剂。本发明的塑料沙具有超强的耐磨性，且强度比较高、化学性质稳定、抗老化性能强，上述特性使得本发明的塑料沙在提沙蓄能过程中易于输送，即在输送过程中造成的能耗少，且耐候性及耐环境性良好，经久耐用，从而大大降低了发电成本。

Description

用于风力提沙蓄能发电的塑料沙

技术领域

本发明涉及一种塑料沙，具体为一种用于风力提沙蓄能的塑料沙。

背景技术

风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，属于可再生能源，风能利用的主要形式是风力发电，自20世纪八十年代以来，风力发电技术取得了突飞猛进的发展，但随着风力发电规模的增大，其弊端日益凸显。

由于风力分布时间及强度的不稳定，使其具有随意性、间歇性的特点，从而造成风力发电的持续性差，难以输出稳定的电能。

为弥补上述风能发电的不足，现有技术公开了多种风力抽水蓄能发电装置，此类发电装置的原理为：利用风力将水抽至高处的储水池，待无风或风力强度较弱，无法输出稳定的电能时，将储水池中的水放出，使其沿特定的通道由高处的储水池流至位于低处的发电机组，在此过程中，水的重力势能转化为动能，动能驱动发电机组发电。

上述装置虽在一定程度上弥补了风能发电不稳定的不足，但该装置不适于用在水源匮乏的地区，且抽水至高处要消耗大量的电能，致使发电成本较高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种在风力蓄能发电中用于替代水的塑料沙及用于制备该塑料沙的组合物。

一种用于风力提沙蓄能发电的塑料沙的组合物，包括超高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯纤维和添加剂。

根据本发明的一实施方式，所述超高分子量聚乙烯的含量为25-40wt%、所述超高分子量聚乙烯纤维的含量为40-55wt%，所述添加剂的含量为10-30wt%。

根据本发明的另一实施方式，所述添加剂选自玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、二硫化钼、硅油、专用蜡、炭黑、金属粉以及阻燃剂中的一种或几种。

根据本发明的另一实施方式，还包括聚酰胺。

根据本发明的另一实施方式，所述聚酰胺选自聚己内酰胺、聚已二酰己二胺、聚癸二酰己二胺、聚十二二酰己二胺、聚ω-氨基十一酰、聚十二内酰胺和聚癸二酰癸二胺中的一种或几种。

根据本发明的另一实施方式，所述聚酰胺的含量为50-60wt%，所述超高分子量聚乙烯的含量为10-20wt%，所述超高分子量聚乙烯纤维的含量为5-10wt%，所述添加剂的含量为10-20wt%。

本发明进一步提供了一种由上述组合物制得的用于风力提沙蓄能发电的塑料沙。

根据本发明的另一实施方式，所述塑料沙的形状为球形、椭球形或短圆柱形。

根据本发明的另一实施方式，所述球形塑料沙的直径为2-5mm。

本发明还提供了一种塑料沙的成型装置，包括柱塞机、螺杆挤出机和依次连通的临时储存仓、缓冲室、模头、成型机，所述临时储存仓还分别与所述柱塞机、所述螺杆挤出机相连接，其中，所述模头为棒材模头或片材模头，所述成型机为多辊斜轧球形轧机或对辊成型机。

本发明的塑料沙具有超强的耐磨性，且强度比较高、化学性质稳定、抗老化性能强，上述特性使得本发明的塑料沙在提沙蓄能装置中易于输送，即在输送过程中造成的能耗少，且耐候性及耐环境性良好，经久耐用，从而大大降低了发电成本。

附图说明

图1为本发明的实施例1的塑料沙的成型装置；

图2为本发明的实施例2的塑料沙的成型装置。

其中，附图标记说明如下：

21、螺杆挤出机 22、临时存储仓

23、柱塞机 24、缓冲室

25、棒材模头 26、多辊斜轧球形轧机

27、塑料沙 35、片材模头

36、对辊成型机 37、型轮

38、半球窝。

具体实施方式

下面，结合具体实施方式对本发明的用于风力提沙蓄能的塑料沙及其制备方法做详细说明：

风力提沙蓄能主要是先利用风力将塑料沙由低处提至高处，待无风或风力强度较弱，无法输出稳定的电能时，将塑料沙沿特定的通道由高处流至位于低处的发电机组，在此过程中，塑料沙的重力势能转化为动能，动能驱动发电机组发电。

因此，上述发电方式所使用的塑料沙，应具有冲击强度高，机械强度好，摩擦系数低，耐磨性好等特点，以达到经久耐用且在流动过程中减少能量损耗的目的。

本发明的塑料沙由一种用于风力提沙蓄能的组合物经加工成型制得，该组合物包括超高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯纤维和添加剂。

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)是分子量在100万以上的聚乙烯，难于加工。UHMW-PE的分子量越高，摩擦系数就越低，其耐磨性和抗冲击性就越高，然而，UHMW-PE的分子量过高，不易加工成型。本发明中，UHMW-PE的重均分子量在200万到500万间，既能保持UHMW-PE优良的性能，又便于加工成型。

UHMW-PE熔融状态的粘度高达108Pa·s，使得其流动性极差，且其熔体指数几乎为零，很难用一般的机械加工方法进行加工。由于UHMW-PE和UHMW-PE纤维具有相同的化学特征，因此化学相容性好，两组份的界面结合力强。向UHMW-PE中加入UHMW-PE纤维可使UHMW-PE的拉伸强度和模量、冲击强度、耐蠕变性大大提高。向UHMW-PE中加入体积含量为60%的UHMW-PE纤维，可使UHMW-PE的最大应力和模量分别提高160%和60%。

本发明中，在超高分子量聚乙烯基体中加入超高分子量聚乙烯纤维，可提高塑料沙的抗冲击强度以及抗压、抗拉性能，其中，超高分子量聚乙烯纤维的重均分子量优选为200万到500万。

本发明中，超高分子量聚乙烯的含量优选为25-40%、超高分子量聚乙烯纤维的含量优选为40-55%，添加剂的含量优选为10-30%，其中，所述含量均为重量百分含量，且以各组分的总重量为基准。

本发明的塑料沙，还包含添加剂，添加剂可以为玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、二硫化钼、硅油、专用蜡、炭黑、金属粉以及阻燃剂中的一种或几种。前述各物质不仅包括其自然形态，还包括被改性或处理后的形态。

其中，玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉等可提高UHMW-PE的硬度、刚度和耐温性，防止塑料沙自高处落下后变形，用偶联剂处理后，效果更加明显。如填充经处理后的玻璃微珠，可使UHMW-PE热变形温度提高30℃。

二硫化钼、硅油和专用蜡可用以降低摩擦因数，从而进一步提高自润滑性。炭黑或金属粉可提高抗静电性、导电性以及传热性。但经添加剂改性后UHMW-PE的冲击强度略有下降，若将添加剂的含量控制在40%以内，制得的塑料沙仍有相当高的冲击强度。

本发明中，专用蜡可以为氯化石蜡和聚乙烯蜡。

本发明中，阻燃剂可以为水合金属氧化物，如氢氧化铝、氢氧化镁；磷系阻燃剂，如磷酸酯、磷酸铵盐；金属氧化物，如Sb₂O₃；金属硼化物，如硼酸锌、硼酸钡。

本发明中，制备塑料沙的组合物还可包括用以提高流动性，使原料易于成型的超支化聚合物，其中，优选为超支化聚酯-酰胺、超支化聚氨酯。

超支化聚合物由于无链缠绕，难以结晶，因而溶解性、相容性大大提高，与同分子量的线型分子相比，其结构紧凑，熔融态粘度较低。

本发明中，为使塑料沙承受更大的压力，可进一步加入聚酰胺，用以增加塑料沙的强度。

聚酰胺纤维，英文名称为polyamide，简称PA，俗称尼龙(Nylon)，尼龙中的主要品种是尼龙6和尼龙66，尼龙6为聚己内酰胺，而尼龙66为聚己二酸己二胺，尼龙66比尼龙6要硬l2%；其次是尼龙11，尼龙12，尼龙610，尼龙612，另外还有尼龙1010、尼龙46、尼龙7、尼龙9、尼龙13，新品种有尼龙6I、尼龙9T和特殊尼龙MXD6（阻隔性树脂）等，尼龙的改性品种数量繁多，如增强尼龙、单体浇铸尼龙（MC尼龙）、反应注射成型(RIM)尼龙、芳香族尼龙、透明尼龙、高抗冲（超韧）尼龙、电镀尼龙、导电尼龙、阻燃尼龙，尼龙与其他聚合物共混物和合金等。

PA6，中文名称：聚己内酰胺，韧性、耐磨性、自润滑性好，刚性小，耐低温，耐细菌、能慢燃，最高使用温度可达180℃，加抗冲改性剂后会降至160℃，另外，PA6成型加工性极好，可注塑、吹塑、浇塑、喷涂、粉末成型、机加工、焊接、粘接。

PA66，中文名称：聚已二酰己二胺，机械强度较高，耐应力开裂性好，是耐磨性最好的PA，自润滑性优良，仅次于聚四氟乙烯和聚甲醛，耐热性也较好，属自熄性材料，化学稳定性好，尤其耐油性极佳，但易溶于苯酚，甲酸等极性溶剂，加碳黑可提高耐候性；吸水性大，因而尺寸稳定性差，另外，PA66成型加工性好，可用于注塑、挤出、吹塑、喷涂、浇铸成型、机械加工、焊接、粘接。

PA610，中文名称：聚癸二酰己二胺，具有较好的机械强度和韧性；吸水性小，因而尺寸稳定性好；耐强碱，比PA6和PA66更耐弱酸，耐有机溶剂，但也溶于酚类和甲酸中；属自熄性材料。但在高温(≧150℃)、卤水、油类和强的外力冲击下时，结构件会产生形变甚至断裂，所以必须改性。改性方法有接枝、共聚、共混、原位聚合、填充和交联等，但单一改性不能达到满意的效果。采用玻纤增强和辐照来改性PA610，能提高PA610的力学强度，耐温等级，耐油和耐水性能。

PA612，中文名称：聚十二二酰己二胺，除具有一般PA特点外，还具有相对宽度小、吸水性低、尺寸稳定性好的优点，有较高的拉伸强度和冲击强度。

PA11，中文名称：聚ω-氨基十一酰，相对密度小，熔点低，吸水性低，尺寸稳定性好，柔性好，耐曲折，低温冲击性好，成型温度范围宽，可用一般热塑性塑料成型工艺加工。

PA12，中文名称：聚十二内酰胺，与PA11性能相似，相对密度小，仅1.02，是尼龙系列中最小的，吸水率低，尺寸稳定性好；耐低温性优良，可达-70℃；熔点低，成型加工容易，成型温度范围较宽；柔软性、化学稳定性、耐油性、耐磨性均较好，且属自熄性材料。长期使用温度为80℃(经热处理后可达90℃)，在油中可于100℃下长期工作，惰性气体中可长期工作温度为110℃。

PA1010，中文名称：聚癸二酰癸二胺，质轻且坚硬，具有吸水性小、尺寸稳定性好、无毒、电绝缘性能优异等特点。

增强尼龙，添加增强材料提高性能的尼龙，增强材料有玻璃纤维，石棉纤维，碳纤维，钛金属等，其中以玻璃纤维为主，提高尼龙的耐热性、尺寸稳定性、刚性、机械性能（拉伸强度和弯曲强度）等，特别是机械性能提高。

增韧尼龙，增韧尼龙又名高抗冲尼龙，以尼龙66、尼龙6为基体，通过与接枝韧性聚合物共混的方法而制得。虽然强度、刚性、耐热性比母体尼龙有所下降，但冲击强度可提高10倍以上，并具有优异的耐磨性和尺寸稳定性。

鉴于上述材料所表现的性质，本发明的聚酰胺可选自聚己内酰胺、聚已二酰己二胺、聚癸二酰己二胺、聚十二二酰己二胺、聚ω-氨基十一酰、聚十二内酰胺和聚癸二酰癸二胺中的一种或几种。

本发明的塑料沙是指类似沙子的塑料颗粒，其具体外形可以为球形、椭球形或短圆柱形，其中优选为球形，球形塑料沙和容器的接触面较小，更易于流动，使其自高处降落的过程中消耗的能量更少。

目前市场上的塑料原料的形状不规则，粒度过小，不易于与气流的分离，因此，本发明的球形塑料沙的直径优选为2-5mm，椭球形及短圆柱形颗粒优选为直径1.5～5mm、长度1.5～5mm，密度优选为1.0-1.2g/cm³。其中，短圆柱形指的是高度尺寸较横截面直径小于2mm的圆柱体。

本发明的塑料沙可以由多辊斜轧成型工艺或对辊成型机成球工艺制得，本发明对塑料沙的制备方法没有限制，其它可制备塑料沙的方法同样适于本发明。

如图1所示，本发明的塑料沙的成型装置，包括螺杆挤出机21、临时储存仓22、柱塞机23、缓冲室24、棒材模头25和多辊斜轧球形轧机26，其中，螺杆挤出机21、临时储存仓22和柱塞机23分别为两个。

工作时，物料首先进入螺杆挤出机21，在螺杆挤出机21内物料经初步加热塑化后，被移至临时储存仓22，而后柱塞机23将初步塑化后的物料沿既定通道挤出到缓冲室24，物料通过缓冲室24进入棒材摸头25，经棒材模头25形成一塑料棒，最后该塑料棒进入多辊斜轧球形轧机26。

在多辊斜轧球形轧机26中，轧辊相互倾斜布置，以相同方向旋转，塑料棒在轧辊作用力下以反向旋转，同时还做轴向运动，在螺旋孔型作用下，直径压缩轴向延伸，塑料棒在轧辊孔型中边旋转边前进，经成型、精整、切断轧制成为特定形状的塑料沙27。

如图2所示，本发明还提供了一种塑料沙的成型装置，包括螺杆挤出机21、临时储存仓22、柱塞机23、缓冲室24、片材模头35和对辊成型机36，工作时，物料首先进入螺杆挤出机21，在螺杆挤出机21内物料经初步加热塑化后，被移至临时储存仓22，而后柱塞机23将初步塑化后的物料沿既定通道挤出到缓冲室24，物料通过缓冲室24进入片材摸头35，经片材模头35后形成一塑料片，最后该塑料片被送入对辊成型机36。

其中，在对辊成型机36中有一对轴线相互平行、直径相同、且彼此间有一定间隙的圆柱形型轮37，型轮37是成型机的主要部件。在型轮37上有许多形状、大小相同、排列规则的半球窝38。在电动机的驱动下，两个型轮37以相同速度、相反方向转动，物料落入两型轮37之间后，在结合处开始受压，此时，物料在相应两半球窝38之间产生体积压缩，随着型轮37的持续转动，球窝逐渐闭合，成型压力也逐渐增大，当转动到两个半球窝38距离最小时成型压力达到最大，然后型轮37转动使球窝逐渐分离，成型压力随着逐渐减小，当成型压力减至零之前，压制成的塑料沙开始膨胀脱离，获得塑料沙。

以下，结合具体实施例对本发明的用于风力提沙蓄能的塑料沙及其制备方法做进一步说明，其中，各组份的含量均为重量百分含量，并以混合物的总重量为基准，如无特别说明，所述分子量均指重均分子量。

实施例4中所使用的超支化聚合物为以二乙醇胺和哌嗪为原料制得的超支化聚氨酯，其分子量为85700。该超支化聚合物的制备方法为现有技术。

实施例1

将分子量为300万的25%的超高分子量聚乙烯、分子量为300万的55%的超高分子量聚乙烯纤维、18%的三氧化二铝以及2%的阻燃剂氢氧化铝在螺杆挤出机21内混合形成一混合物，混合物经加热至120℃初步塑化后，被送到临时储存仓22，而后用柱塞机23将初步塑化后的混合物挤出到缓冲室24，混合物经棒材模头25后形成一塑料棒，将该塑料棒的温度保持在120℃进入多辊斜轧球形轧机26，经成型、精整、切断轧制成直径为3mm的球形塑料沙，所得的球形塑料沙的机械强度为30MPa，滑动摩擦系数为0.13，密度为1.15g/cm3，使用温度为-100℃至100℃。

实施例2

将55%的聚酰胺（PA6）、分子量为200万的15%的超高分子量聚乙烯、分子量为500万的10%的超高分子量聚乙烯纤维以及20%的二氧化硅在螺杆挤出机21内混合形成一混合物，混合物经加热至125℃初步塑化后，被送到临时储存仓22，而后用柱塞机23将初步塑化后的混合物挤出到缓冲室24，混合物经片材摸头35后形成一塑料片，将该塑料片的温度保持在125℃高压下进入对辊成型机36，在对辊成型机36内成型，获得椭球形塑料沙27，所得的椭球形塑料沙27的机械强度为37MPa，滑动摩擦系数为0.18，密度为1.17g/cm3，使用温度为-100℃至120℃。

实施例3

将分子量为400万的40%的超高分子量聚乙烯、分子量为500万的45%的超高分子量聚乙烯纤维、14%的二硫化钼以及1%的阻燃剂Sb₂O₃在螺杆挤出机21内混合形成一混合物，混合物经加热至122℃初步塑化后，被送到临时储存仓22，而后用柱塞机23将初步塑化后的混合物挤出到缓冲室24，混合物经棒材模头25后形成一塑料棒，将该塑料棒的温度保持在122℃进入多辊斜轧球形轧机26，经成型、精整、切断轧制成直径为4mm的球形塑料沙27，所得的球形塑料沙27的机械强度为28MPa，滑动摩擦系数为0.10，密度为1.12g/cm3，使用温度为-100℃至100℃。

实施例4

将60%的聚酰胺（PA66）、分子量为500万的10%的超高分子量聚乙烯、分子量为400万的10%的超高分子量聚乙烯纤维、5%的超支化聚合物、14%的玻璃微珠以及1%的阻燃剂Sb₂O₃在螺杆挤出机21内混合形成一混合物，混合物经加热至123℃初步塑化后，被送到临时储存仓22，而后用柱塞机23将初步塑化后的混合物挤出到缓冲室24，混合物经棒材模头25后形成一塑料棒，将该塑料棒的温度保持在123℃进入多辊斜轧球形轧机26，经成型、精整、切断轧制成直径为3mm的球形塑料沙27，所得的球形塑料沙27的机械强度为40MPa，滑动摩擦系数为0.16，密度为1.18g/cm3，使用温度为-100℃至120℃。

除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。

本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内做出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims

1.一种用于风力提沙蓄能发电的塑料沙的组合物，包括超高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯纤维和添加剂。

2.根据权利要求1的组合物，其中，所述超高分子量聚乙烯的含量为25-40wt%、所述超高分子量聚乙烯纤维的含量为40-55wt%，所述添加剂的含量为10-30wt%。

3.根据权利要求1或2的组合物，其中，所述添加剂选自玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、二硫化钼、硅油、专用蜡、炭黑、金属粉以及阻燃剂中的一种或几种。

4.根据权利要求1的组合物，其中，还包括聚酰胺。

5.根据权利要求4的组合物，其中，所述聚酰胺选自聚己内酰胺、聚已二酰己二胺、聚癸二酰己二胺、聚十二二酰己二胺、聚ω-氨基十一酰、聚十二内酰胺和聚癸二酰癸二胺中的一种或几种。

6.根据权利要求4的组合物，其中，所述聚酰胺的含量为50-60wt%，所述超高分子量聚乙烯的含量为10-20wt%，所述超高分子量聚乙烯纤维的含量为5-10wt%，所述添加剂的含量为10-20wt%。

7.一种由权利要求1至6任一项的组合物制得的用于风力提沙蓄能发电的塑料沙。

8.根据权利要求7的塑料沙，其中，所述塑料沙的形状为球形、椭球形或短圆柱形。

9.根据权利要求8的塑料沙，其中，所述球形塑料沙的直径为2-5mm。

10.一种塑料沙的成型装置，包括柱塞机、螺杆挤出机和依次连通的临时储存仓、缓冲室、模头、成型机，所述临时储存仓还分别与所述柱塞机、所述螺杆挤出机相连接，其特征在于，所述模头为棒材模头或片材模头，所述成型机为多辊斜轧球形轧机或对辊成型机。