CN108219078A - 管道修复树脂及管道修复方法 - Google Patents

管道修复树脂及管道修复方法 Download PDF

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徐海香
陈国夫
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李卓
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Abstract

本发明涉及管道工程技术领域，公开了一种管道修复树脂以及使用该种树脂的管道修复方法。以质量百分含量计，本发明所提供的管道修复树脂包含：30～50％的反应稀释剂、1～2％的交联剂、余量为不饱和聚酯；且其中的反应稀释剂为：动植物油、脂肪酸或木质素经丙烯酸脂化反应所生成的含有丙烯酸酯的单体。本发明使用了基于生物衍生材料的、无毒无害的可反应稀释剂替代了苯乙烯稀释剂，从而实现了管道修复过程中的绿色环保。同时，本发明所使用的稀释剂结构中，丙烯酸酯的双键也参与树脂热固化过程中的交联反应，反应原理与苯乙烯中的双键类似，从而保证了树脂固化后具有良好的交联密度和机械性能，可实现较好的管道修复效果。

Description

管道修复树脂及管道修复方法
技术领域
本发明涉及管道工程技术领域，特别涉及一种管道修复树脂、以及使用该种树脂的管道 修复方法。
背景技术
地下管道在输运污水、雨水等过程中，管道内外都会受到磨损、老化、腐蚀、外力作用 等影响，从而出现破损、断裂等失效。传统修复方法需要进行开挖，露出管道进行修复或更 换，最后填补路面。由于传统施工效率低，并对路面交通造成妨碍，非开挖管道修复技术近 年来逐渐在我国得到推广。非开挖修复技术效率高，且对周围的交通、环境、和其他管线的 影响小，具有显著的优点。非开挖管道修复的工艺大致可分为三大类：第一类是通过树脂固 化的方法在管道内形成新的内衬管道，如现场固化工艺(cured in place pipe，CIPP)；第二类 是采用小管套入大管的方式，在原有管道内部套入直径稍小一点的衬管，如短管内衬，U形 管等；第三类是螺旋制管，在原有管道内部缠绕形成新管。
对于第一类树脂固化形成新内衬管的方法，最常用的树脂是聚酯类树脂(尤其是不饱和 聚酯树脂)和环氧树脂。不饱和聚酯一般是由二羧酸或者酸酐与具有多个羟基官能团的醇类 通过缩合反应得到的缩合产物溶解到可与之反应的稀释剂中而成的。最常见的稀释剂为苯乙 烯，原因是苯乙烯具有溶解性好、价格低、所制备的复合材料机械性能好等优点。然而，苯 乙烯挥发性强、刺激性强、且有毒致癌。在CIPP施工过程中，浸润了尚未固化树脂的内衬织 物被放置或翻转至待修复管道内之后，需要在管道内通热水或者蒸汽进行热固化。此时，苯 乙烯温度升高过程中极易挥发出来，不仅导致由于苯乙烯质量减少而带来的交联密度下降、 机械性质下降的问题，而且挥发出的苯乙烯扩散到管道及附近土壤中，对环境造成污染，同 时对施工人员造成健康的损害。
因此，减少管道修补树脂中稀释剂苯乙烯的挥发或者找到无毒无污染的替代树脂材料， 不但是管道修复工程领域亟待解决的问题，更是环保技术所面临的一个重要课题。对于该问 题，目前有技术采取在树脂中加入石蜡，由于石蜡与树脂的相容性不好，加热后在表面形成 阻碍层阻止苯乙烯挥发；然而石蜡也会妨碍树脂固化时与待修复管道的粘接复合，从而影响 管道修复效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管道修复树脂以及使用该种树脂的管道修复方法，该种管道 修复树脂具有环保无毒的特点，可在保证管道修复效果的同时实现绿色环保。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种管道修复树脂，以质量百分含量计， 该种管道修复树脂包含：30～50％的反应稀释剂、1～2％的交联剂、余量为不饱和聚酯；且其 中所述的反应稀释剂为：动植物油、脂肪酸或木质素经丙烯酸脂化反应所生成的含有丙烯酸 酯的单体。
相对于现有技术而言，本发明的实施方式中所提供的管道修复树脂，使用了无毒无害的 可反应稀释剂替代了现有技术中常用的苯乙烯稀释剂，从而实现了管道修复过程中的绿色环 保。本发明的实施方式中所使用的无毒无害可反应稀释剂为动植物油、脂肪酸或木质素经丙 烯酸脂化反应所生成的含有丙烯酸酯的单体，其为基于生物衍生材料的可反应稀释剂，且不 易挥发，因此完全无毒无害；同时，丙烯酸酯的双键也参与树脂热固化过程中的交联反应， 反应原理与苯乙烯中的双键类似，从而保证了树脂固化后具有良好的交联密度和机械性能， 可实现较好的管道修复效果。
优选地，上述含有丙烯酸酯的单体如式(Ⅰ)或式(Ⅱ)所示：
其中，R1、R2各自独立地为C1～C20烃基，所述烃基为直链饱和烃基、含有支链的饱和 烃基、饱和环状烃基或含有苯环结构的烃基。
进一步优选地，所述R1、R2的碳原子数目为1～5，且R1、R2含有支链。
进一步优选地，R1含有苯环或环状烃基。
进一步优选地，R2的碳原子数为1～5。
作为反应稀释体，本发明实施方式中的含有丙烯酸酯的单体需要有较低的粘度，因此， R1和R2优选采用链长较短的、且含有支链的基团。尤其对于R2，碳原子数优选在1～5之间。 此外，为了保证树脂固化后的机械性能，R1优选为含有苯环或环状烃基，可使得固化后树脂 的玻璃化转变温度和机械性能更高。
更进一步优选地，本发明实施方式中的含有丙烯酸酯的单体可以为甲基丙烯酸月桂酯或 甲基丙烯酸异冰片酯。
此外，本发明的实施方式所提供的管道修复树脂中，交联剂为过氧化物交联剂，例如过 氧化甲乙酮等。不饱和聚酯为由二元酸(或酸酐)与二元醇经缩聚而制得的不饱和线型热固 性树脂，最常用的是马来酸酐与丙二醇反应生成的不饱和聚酯。
本发明的实施方式还提供了一种管道修复方法，包含下述步骤：
(1)制备上述管道修复树脂：合成不饱和聚酯，将所述不饱和聚酯与反应稀释剂、交联 剂混合均匀，得到管道修复树脂；以质量百分含量计，所述管道修复树脂中包含：30～50％的 反应稀释剂、1～2％的交联剂、余量为不饱和聚酯，且所述反应稀释剂为：将动植物油、脂肪 酸或木质素进行丙烯酸脂化反应所生成的含有丙烯酸酯的单体；
(2)对CIPP软管中的内衬织物进行表面改性：将CIPP软管中的内衬织物浸润在质量 百分含量为0.5～1％的3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的水溶液中，所述织物表面的亲水 基团预反应生成可参与固化交联的基团；
(3)形成CIPP软管：将表面改性后的内衬织物浸润在步骤(1)的管道修复树脂中；
(4)施工时软管固化形成新管道：放置或翻转CIPP软管至待修复管道内，加热固化， 不饱和聚酯的双键与反应稀释剂的双键交联，形成交联的聚酯树脂。
树脂固化过程的反应机理举例如下：
以反应稀释剂如式(Ⅰ)所示为例：
以反应稀释剂如式(Ⅱ)所示为例：
相对于现有技术而言，本发明的实施方式所提供的管道修复方法针对非开挖管道修复中 所采用的不饱和聚酯树脂使用苯乙烯作为可反应稀释剂所带来的环境污染问题，抛弃了使用 有毒有害的苯乙烯作为稀释剂，而是采用了动植物油、脂肪酸或木质素经丙烯酸脂化反应所 生成的含有丙烯酸酯的单体作为稀释剂，因此管道修复过程绿色、环保、安全，保障施工过 程中周边人员的健康、并减小对环境的危害。此外，由于丙烯酸酯的双键也参与树脂热固化 过程中的交联反应，反应原理与苯乙烯中的双键类似，树脂固化后具有良好的交联密度和机 械性能，从而保证了该种管道修复方法实现较好的修复效果。
此外，本发明的实施方式所提供的管道修复方法中，为了保证CIPP软管中的内衬织物的 润湿性，在浸润不饱和聚酯树脂前，将内衬织物浸润在质量百分含量为0.5～1％的3-(甲基丙 烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的水溶液中，使织物表面的亲水基团预反应生成可参与固化交联的 基团。上述处理可使内衬织物和树脂有更好的润湿性并参与树脂反应，硅烷的三个Si-O键可 以水解以后和织物表面的羟基反应，而硅烷另外一端的双键是可以参与到不饱和聚酯和稀释 剂的固化反应的，从而将织物与树脂以共价键的方式连接起来。
进一步优选地，步骤(3)中采用加压或抽真空方式使内衬织物在管道修复树脂中充分浸 润；步骤(4)中加热固化的方法为向管道内通入热水或蒸汽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的各实施方式进行详细 的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好 地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式 的种种变化和修改，也可以实现本发明各权利要求所要求保护的技术方案。
在本发明的一些具体实施方式中提供了一种管道修复树脂，以质量百分含量计，管道修 复树脂包含30～50％的反应稀释剂、1～2％的交联剂、余量为不饱和聚酯；且其中的反应稀释 剂为：动植物油、脂肪酸或木质素经丙烯酸脂化反应所生成的含有丙烯酸酯的单体。
在本发明的一些具体实施方式中，含有丙烯酸酯的单体的结构如式(Ⅰ)或式(Ⅱ)所 示：
其中，R1、R2各自独立地为C1～C20烃基，所述烃基为直链饱和烃基、含有支链的饱和 烃基、饱和环状烃基或含有苯环结构的烃基。作为反应稀释体，本发明实施方式中的含有丙 烯酸酯的单体需要有较低的粘度，因此，R1和R2链长较短，优选碳原子个数为1～5且含有支 链的基团。此外，为了保证树脂固化后的机械性能，R1优选为含有苯环或环状烃基，可使得 固化后树脂的玻璃化转变温度和机械性能更高。在一些实施方式中，含有丙烯酸酯的单体为 甲基丙烯酸月桂酯或甲基丙烯酸异冰片酯。
此外，在本发明的一些具体实施方式中，交联剂为过氧化物交联剂，例如过氧化甲乙酮 等。不饱和聚酯为由二元酸(或酸酐)与二元醇经缩聚而制得的不饱和线型热固性树脂，例 如常用的马来酸酐与丙二醇反应生成的不饱和聚酯。
在本发明的另外一些具体实施方式中提供了一种管道修复方法，包含下述步骤：
(1)制备管道修复树脂：合成不饱和聚酯，将所述不饱和聚酯与反应稀释剂、交联剂混 合均匀，得到管道修复树脂；以质量百分含量计，管道修复树脂中包含：30～50％的反应稀释 剂、1～2％的交联剂、余量为不饱和聚酯，且反应稀释剂为：将动植物油、脂肪酸或木质素进 行丙烯酸脂化反应所生成的含有丙烯酸酯的单体；
(2)对CIPP软管中的内衬织物进行表面改性：将CIPP软管中的内衬织物浸润在质量 百分含量为0.5～1％的3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的水溶液中，织物表面的亲水基团 预反应生成可参与固化交联的基团；
(3)形成CIPP软管：将表面改性后的内衬织物浸润在步骤(1)的管道修复树脂中；
(4)施工时软管固化形成新管道：放置或翻转CIPP软管至待修复管道内，加热固化， 不饱和聚酯的双键与反应稀释剂的双键交联，形成交联的聚酯树脂。
此外，在本发明的一些具体实施方式中，步骤(1)制备的管道修复树脂中还加入丙酮， 以进一步降低树脂的粘度。步骤(3)中采用加压或抽真空方式使内衬织物在管道修复树脂中 充分浸润；步骤(4)中加热固化的方法为向管道内通入热水或蒸汽。
以下是一些具体实施方式的举例。
实施例1
一种管道修复树脂，以质量百分含量计，该管道修复树脂包含：40％的反应稀释剂、2％ 的交联剂、余量为不饱和聚酯；且其中的反应稀释剂为：动植物油、脂肪酸或木质素经丙烯 酸脂化反应所生成的含有丙烯酸酯的单体，在本实施例中，该单体为甲基丙烯酸月桂酯。此 外，在本实施例中，交联剂为过氧化甲乙酮，不饱和聚酯为马来酸酐与丙二醇反应生成的不 饱和聚酯。
实施例2
一种管道修复树脂，以质量百分含量计，该管道修复树脂包含：50％的反应稀释剂、1％ 的交联剂、余量为不饱和聚酯；且其中的反应稀释剂为：动植物油、脂肪酸或木质素经丙烯 酸脂化反应所生成的含有丙烯酸酯的单体，在本实施例中，该单体为甲基丙烯酸异冰片酯。 此外，在本实施例中，交联剂为过氧化甲乙酮，不饱和聚酯为马来酸酐与丙二醇反应生成的 不饱和聚酯。
实施例3
一种管道修复方法，包含下述步骤：
(1)制备实施例1中的管道修复树脂：合成不饱和聚酯，将不饱和聚酯与反应稀释剂甲 基丙烯酸月桂酯、交联剂过氧化甲乙酮混合均匀，得到管道修复树脂；以质量百分含量计， 所述管道修复树脂中包含：40％的反应稀释剂甲基丙烯酸月桂酯、2％的交联剂过氧化甲乙酮、 余量为不饱和聚酯。
其中，合成不饱和聚酯的步骤如下：与传统的聚酯树脂类似，在这一步中，采用含有不 饱和双键的酸酐和含有两个羟基官能团的醇反应，生成不饱和聚酯。本实施例中采取最常用 的马来酸酐与丙二醇反应生成不饱和聚酯。由于马来酸酐的双键数量较多，也可加入部分邻 苯二甲酸酐代替马来酸酐，降低双键的数量，即终产物的交联度，以获得韧性更强的树脂。 马来酸酐与丙二醇的反应生成不饱和聚酯的反应方程式如下：
在反应结束后，加入大量的丙酮可溶解反应的产物和剩余未反应完的单体。将溶解后的 溶液倒入甲醇中可以析出生成的不饱和聚酯，而未反应完的单体将仍然存在于溶液中。将溶 有未反应完的单体的上清液去掉，即可获得较纯的不饱和聚酯。
(2)对CIPP软管中的内衬织物进行表面改性：将CIPP软管中的内衬织物浸润在质量 百分含量为1％的3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的水溶液中，织物表面的亲水基团预反 应生成可参与固化交联的基团；
(3)形成CIPP软管：将表面改性后的内衬织物浸润在步骤(1)的管道修复树脂中，通 过加压方式确保树脂在织物中的充分浸润。
(4)施工时软管固化形成新管道：施工时，放置或翻转CIPP软管至待修复管道内，在 管道内通热水进行热固化。固化时，不饱和聚酯的双键与反应稀释剂的双键交联，形成交联 的聚酯树脂。
实施例4
一种管道修复方法，包含下述步骤：
(1)制备实施例2中的管道修复树脂：合成不饱和聚酯，将不饱和聚酯与反应稀释剂甲 基丙烯酸异冰片酯、交联剂过氧化甲乙酮混合均匀，得到管道修复树脂；以质量百分含量计， 所述管道修复树脂中包含：50％的反应稀释剂甲基丙烯酸异冰片酯、1％的交联剂过氧化甲乙 酮、余量为不饱和聚酯。
其中，合成不饱和聚酯的步骤如下：与传统的聚酯树脂类似，在这一步中，采用含有不 饱和双键的酸酐和含有两个羟基官能团的醇反应，生成不饱和聚酯。本实施例中采取最常用 的马来酸酐与丙二醇反应生成不饱和聚酯。由于马来酸酐的双键数量较多，也可加入部分邻 苯二甲酸酐代替马来酸酐，降低双键的数量，即终产物的交联度，以获得韧性更强的树脂。 马来酸酐与丙二醇的反应生成不饱和聚酯的反应方程式如下：
在反应结束后，加入大量的丙酮可溶解反应的产物和剩余未反应完的单体。将溶解后的 溶液倒入甲醇中可以析出生成的不饱和聚酯，而未反应完的单体将仍然存在于溶液中。将溶 有未反应完的单体的上清液去掉，即可获得较纯的不饱和聚酯。
(2)对CIPP软管中的内衬织物进行表面改性：将CIPP软管中的内衬织物浸润在质量 百分含量为0.5％的3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的水溶液中，织物表面的亲水基团预 反应生成可参与固化交联的基团；
(3)形成CIPP软管：将表面改性后的内衬织物浸润在步骤(1)的管道修复树脂中，通 过抽真空方式确保树脂在织物中的充分浸润。
(4)施工时软管固化形成新管道：施工时，放置或翻转CIPP软管至待修复管道内，在 管道内通蒸汽进行热固化。固化时，不饱和聚酯的双键与反应稀释剂的双键交联，形成交联 的聚酯树脂。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实 际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种管道修复树脂，其特征在于，以质量百分含量计，包含：
30～50％的反应稀释剂、
1～2％的交联剂、
余量为不饱和聚酯；
所述反应稀释剂为：动植物油、脂肪酸或木质素经丙烯酸脂化反应所生成的含有丙烯酸酯的单体。
2.根据权利要求1所述的管道修复树脂，其特征在于，所述含有丙烯酸酯的单体如式(Ⅰ)或式(Ⅱ)所示：
其中，R1、R2各自独立地为C1～C20烃基，所述烃基为直链饱和烃基、含有支链的饱和烃基、饱和环状烃基或含有苯环结构的烃基。
3.根据权利要求2所述的管道修复树脂，其特征在于，所述R1、R2的碳原子数为1～5，且R1、R2含有支链。
4.根据权利要求2所述的管道修复树脂，其特征在于，所述R1含有苯环或环状烃基。
5.根据权利要求2所述的管道修复树脂，其特征在于，所述含有丙烯酸酯的单体为甲基丙烯酸月桂酯或甲基丙烯酸异冰片酯。
6.根据权利要求1所述的管道修复树脂，其特征在于，所述交联剂为过氧化物交联剂；所述不饱和聚酯为由二元酸(或酸酐)与二元醇经缩聚而制得的不饱和线型热固性树脂。
7.一种管道修复方法，其特征在于，包含下述步骤：
(1)制备权利要求1至7中任一项所述的管道修复树脂：
合成不饱和聚酯，将所述不饱和聚酯与反应稀释剂、交联剂混合均匀，得到管道修复树脂；以质量百分含量计，所述管道修复树脂中包含：30～50％的反应稀释剂、1～2％的交联剂、余量为不饱和聚酯，且所述反应稀释剂为：将动植物油、脂肪酸或木质素进行丙烯酸脂化反应所生成的含有丙烯酸酯的单体；
(2)对CIPP软管中的内衬织物进行表面改性：
将CIPP软管中的内衬织物浸润在质量百分含量为0.5～1％的3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的水溶液中，所述织物表面的亲水基团预反应生成可参与固化交联的基团；
(3)形成CIPP软管：
将表面改性后的内衬织物浸润在所述步骤(1)的管道修复树脂中；
(4)施工时软管固化形成新管道：
放置或翻转所述CIPP软管至待修复管道内，加热固化，所述不饱和聚酯的双键与所述反应稀释剂的双键交联，形成聚酯树脂。
8.根据权利要求7所述的管道修复方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用加压或抽真空方式使所述内衬织物在所述管道修复树脂中充分浸润。
9.根据权利要求7所述的管道修复方法，其特征在于，所述步骤(4)中加热固化的方法为向所述管道内通入热水或蒸汽。
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