CN107987416A - 一种用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料 - Google Patents

一种用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，属于管道材料技术领域。为了解决现有的强度和形状记忆差的问题，提供一种用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，该复合材料包括PVC树脂：100；增塑剂：3.0～20；稳定剂：1.0～5.0；润滑剂：1.0～3.0；填充剂：5.0～30；抗冲击改良剂：1.0～15；所述抗冲击改良剂选自聚醋酸乙烯酯、氯化聚乙烯、聚(甲基丙烯酸‑丁二烯‑苯乙烯)、聚(丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯)中的一种或者多种。本发明具有优异的形状记忆特性，形变发生前后，管道的环刚度、最大载荷、抗拉强度、断裂伸长率、断裂强度、屈服强度都没有明显下降，能够满足施工要求。

Description

一种用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料
技术领域
本发明涉及一种用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，属于管道材料技术领域。
背景技术
形状记忆高分子材料(SMP)是一类具有初始形状的制品，在一定的条件下改变其初始形状并固定后，通过外界条件的刺激，又可以恢复到初始状态的材料，其功能主要来源于材料内部存在不完全相容的两相，即记忆起始形状的固定相和随环境变化会发生软-硬可逆变化的可逆相。与传统金属和钢筋混凝土材料相比，具有形变量大，易加工等优点，因此，在应用于管道的非开挖修复技术使用中受到了人们的普遍关注。
另一方面，由于聚氯乙烯(PVC)原料来源丰富，价格低廉，具有良好的拉伸性能，阻燃，耐化学腐蚀等优点，是仅次于聚乙烯(PE)的第二大通用塑料，是埋地塑料管道原料的主要品种之一。因此，基于PVC材料开发出具有形状记忆功能的塑料管道应用于非开挖管道修复技术中具有很好的实用价值。通过在PVC材料中引入物理或者化学交联点，获得可以发生可逆变化的可逆相，从而赋予其形状记忆性能。如Ratnam等(Ratnam CT,Nasir M,BaharinA.Polymer Testing 2001,20,485.)公开的采用辐射交联方法将线性PVC交联赋予材料良好的形状记忆性能，然而，由于PVC材料辐射交联能力比较弱，需要较大的辐射剂量才能实现交联，这样PVC交联过程中就很容易发生降解。也有利用2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧化)己烷和1,1-二叔丁基过氧化-3,3,5-三甲基环己烷过氧化物为化学交联剂，实现了线性PVC交联。虽然，采用化学交联方法可以显著提高PVC的形状记忆性能，然而，实际生产过程中，往往需要采用多步化学反应，使工艺技术复杂化，设备方面要求严格，同时交联固化后PVC材料不利于塑料管道的加工生产，因此，限制了其在实际在非开挖管道修复技术中的应用。
发明内容
本发明针对以上现有技术中存在的缺陷，提出一种用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，解决的问题是如何实现兼具形状记忆功能和力学强度性能。
本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的，一种用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，其特征在于，该复合材料包括以下成分的重量份：
PVC树脂：100；增塑剂：3.0～20；稳定剂：1.0～5.0；润滑剂：1.0～3.0；填充剂：5.0～30；抗冲击改良剂：1.0～15；所述抗冲击改良剂选自聚醋酸乙烯酯、氯化聚乙烯、聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)中的一种或者多种。
本发明通过在PVC树脂材料中加入抗冲击改良剂对复合材料进行改性，对PVC进行改性，使材料具有增强韧性的功能，从而材料具有特定的形状记忆特性，这些抗冲击材料能够与基材PVC之间形成互联的网络结构，从而使发挥形状回复的功能，有效的发挥形状记忆的作用，当达到特定的回复温度时能够恢复形状；同时，又能够保证PVC的性能，使具有较好的强度性能，使加工成管道后具有较好环刚度、最大载荷、抗拉强度、断裂伸长率、断裂强度、屈服强度都没有明显下降，能够满足施工要求。
在上述的用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料中，作为优选，所述抗冲击改良剂选自聚醋酸乙烯酯、聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)和聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的混合物，且所述聚醋酸乙烯酯：聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)：聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的重量比为1：0.2～0.5：0.05～0.1。采用上述几种材料的混合物作为抗冲击剂，目的是为了实现高抗冲击强度的性能，同时，又由于聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)和聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)本身具有一定的不饱和度，在加工的过程中容易发生分子间聚合，反而会使材料的形状记忆功能降低。作为更进一步的优选，所述聚醋酸乙烯酯：聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)：聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的重量比为1：0.3：0.05。
在上述的用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料中，作为优选，所述PVC树脂选自SG-1、SG-2、SG-3、SG-4和SG-5中的一种或几种。能够使材料具有较好的耐磨性和强度性能。作为进一步的优选，所述PVC树脂中分子量在50000～80000之间。
在上述的用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料中，作为优选，所述增塑剂选自邻苯二甲酸二辛酯、磷酸酯类和环氧大豆油中的一种或者几种。能够提高材料的塑性，使具有成型性好的优点。
在上述的用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料中，作为优选，所述稳定剂选自复合铅和/或金刚红。
在上述的用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料中，作为优选，所述填充剂选自轻质碳酸钙、重质碳酸钙、活性碳酸钙中一种或者几种，目的是为了更好的提高强度性能。
在上述的用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料中，作为优选，所述润滑剂选自石蜡、PE蜡和硬酯酸中一种或者几种。
在上述的用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料中，作为优选，所述复合材料中还含有1.0～1.5重量份的聚降冰片烯。分子带有的双键能够引起显著的环张力，能够提高材料的弹性回复性能。
综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.通过加入抗冲击改性剂能够使材料具有优异的形状记忆特性，形变发生前后，管道的环刚度、最大载荷、抗拉强度、断裂伸长率、断裂强度、屈服强度都没有明显下降，能够满足施工要求。
2.通过加入聚降冰片烯能够进一步提高材料的形状记忆特性和冲击强度性能。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例中用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，该复合材料包括以下成分的重量份：
PVC树脂：100；增塑剂：20；稳定剂：1.0；润滑剂：3.0；填充剂：5.0；抗冲击改良剂：15，其中，抗冲击改良剂为聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)，PVC树脂为SG-1型，增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯，稳定剂为金刚红，润滑剂为石蜡，填充剂轻质碳酸钙。
该复合材料的具体制备方法采用本领域常规的方法即可，具体可以采用以下方法制备得到：
根据上述各成分的重量份比例称取原料将PVC树脂、增塑剂、稳定剂、润滑剂和填充剂加入到高速混合机中混合均匀，然后，再加入抗冲击改良剂聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)，继续高速搅拌，混合均匀，在加入双螺杆挤出机中进行挤出，造粒，得到相应的复合材料。若加工成管道可以直接进行挤出获得圆形PVC塑料管道，再进一步对管材进行加热变形，获得u-型截面的PVC塑料管道。
实施例2
本实施例中用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，该复合材料包括以下成分的重量份：
PVC树脂：100；增塑剂：3.0；稳定剂：5.0；润滑剂：1.0；填充剂：30；抗冲击改良剂：1.0，其中，抗冲击改良剂为聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)，PVC树脂为SG-2型，增塑剂为环氧大豆油，稳定剂为复合铅，润滑剂为PE石蜡，填充剂活性碳酸钙。
本实施例的复合材料的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
实施例3
本实施例中用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，该复合材料包括以下成分的重量份：
PVC树脂：100；增塑剂：10；稳定剂：3.0；润滑剂：2.0；填充剂：20；抗冲击改良剂：10，其中，抗冲击改良剂为聚醋酸乙烯酯，PVC树脂为SG-3型，增塑剂为磷酸酯类，稳定剂为复合铅，润滑剂为硬酯酸，填充剂活性碳酸钙。
本实施例的复合材料的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
实施例4
本实施例中用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，该复合材料包括以下成分的重量份：
PVC树脂：100；增塑剂：15；稳定剂：4.0；润滑剂：1.0；填充剂：10；抗冲击改良剂：12，其中，抗冲击改良剂为聚醋酸乙烯酯、聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)和聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的混合物，且聚醋酸乙烯酯：聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)：聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的重量比为1：0.2：0.1，PVC树脂为SG-4型，且分子量为50000，增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯和环氧大豆油的混合物，且两者的质量比为1：0.5，稳定剂为金刚红和复合铅的混合物，且金刚红：复合铅的质量比为1：1.2，润滑剂为硬酯酸，填充剂重质碳酸钙。
本实施例的复合材料的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
实施例5
本实施例中用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，该复合材料包括以下成分的重量份：
PVC树脂：100；增塑剂：5；稳定剂：2.0；润滑剂：1.5；填充剂：15；抗冲击改良剂：13，其中，抗冲击改良剂为聚醋酸乙烯酯、聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)和聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的混合物，且聚醋酸乙烯酯：聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)：聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的重量比为1：0.5：0.05，PVC树脂为SG-4型，且分子量为80000，增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯和磷酸酯类的混合物，且两者的质量比为1：0.8，稳定剂为金刚红，润滑剂为硬酯酸，填充剂重质碳酸钙。
本实施例的复合材料的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
实施例6
本实施例中用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，该复合材料包括以下成分的重量份：
PVC树脂：100；增塑剂：15；稳定剂：3.0；润滑剂：2.0；填充剂：25；抗冲击改良剂：11，其中，抗冲击改良剂为聚醋酸乙烯酯、聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)和聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的混合物，且聚醋酸乙烯酯：聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)：聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的重量比为1：0.3：0.08，PVC树脂为SG-4型，且分子量为70000，增塑剂为环氧大豆油和磷酸酯类的混合物，且两者的质量比为1：0.2，稳定剂为金刚红，润滑剂为硬酯酸，填充剂重质碳酸钙。
本实施例的复合材料的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
实施例7
本实施例中用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，该复合材料包括以下成分的重量份：
PVC树脂：100；增塑剂：15；稳定剂：2.0；润滑剂：2.0；填充剂：18；抗冲击改良剂：14，其中，抗冲击改良剂为聚醋酸乙烯酯、聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)和聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的混合物，且聚醋酸乙烯酯：聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)：聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的重量比为1：0.2：0.06，PVC树脂为SG-4型，且分子量为80000，增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯和磷酸酯类的混合物，且两者的质量比为1：0.8，稳定剂为金刚红，润滑剂为硬酯酸，填充剂重质碳酸钙，聚降冰片烯1.0重量份。
本实施例的复合材料的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
实施例8
本实施例中用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料的成分组成比例同实施例7一致，区别仅在于其中的聚降冰片烯的加入重为1.5重量份。
随机选取上述实施例中得到的相应复合材料加工成相应的管道后进行相关的性能测试，具体测试结果如下表1所示：
表1：
本发明的复合材料加工形成的U形管道具有较好的形状记忆功能，当温度达到复合材料的回复温度时即可实现回复的效果。具体分析结果如下：
随机选取本发明实施例中得到的相应复合材料进一步加工成PVC管材，在温度为75℃的条件下，使PVC管材弯曲变形成U形管材，随后取出，待其形状固定，然后，在75℃的条件下考察其恢复形变的情况，具体试验结果如下表2所示。
表2：
从上述表2的结果可以看出采用本发明的复合材料加工的管材具有很好的形状记忆功能，且在特定的形状温度条件下基本能够完全恢复形状。
随机选取本发明实施例中得到的相应复合材料进一步加工成PVC片材，在温度为75℃的条件下，使PVC片材弯曲变形成U形管材，随后取出，待其形状固定，然后，在75℃的条件下考察其恢复形变的情况，具体试验结果如下表3所示。
表3：
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (8)

1.一种用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，其特征在于，该复合材料包括以下成分的重量份：
PVC树脂：100；增塑剂：3.0～20；稳定剂：1.0～5.0；润滑剂：1.0～3.0；填充剂：5.0～30；抗冲击改良剂：1.0～15所述抗冲击改良剂选自聚醋酸乙烯酯、氯化聚乙烯、聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)中的一种或者多种。
2.根据权利要求1所述用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，其特征在于，所述抗冲击改良剂为聚醋酸乙烯酯、聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)和聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的混合物，且所述聚醋酸乙烯酯：聚(甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯)：聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的重量比为1：0.2～0.5：0.05～0.1。
3.根据权利要求1或2所述用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，其特征在于，所述PVC树脂选自SG-1、SG-2、SG-3、SG-4和SG-5中的一种或几种。
4.根据权利要求1或2所述用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，其特征在于，所述增塑剂选自邻苯二甲酸二辛酯、磷酸酯类和环氧大豆油中的一种或者几种。
5.根据权利要求1或2所述用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，其特征在于，所述稳定剂选自复合铅和/或金刚红。
6.根据权利要求1或2所述用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，其特征在于，所述填充剂选自轻质碳酸钙、重质碳酸钙、活性碳酸钙中一种或者几种。
7.根据权利要求1或2所述用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，其特征在于，所述润滑剂选自石蜡、PE蜡和硬酯酸中一种或者几种。
8.根据权利要求1或2所述用于非开挖快速修复管道的形状记忆复合材料，其特征在于，所述复合材料中还含有1.0～1.5重量份的聚降冰片烯。
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