CN111394160B - 一种高性能盾尾密封脂及其制备方法 - Google Patents

一种高性能盾尾密封脂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能盾尾密封脂，以重量份计，包括以下组分：植物油20‑30份，二元乙丙橡胶15‑23份，增强纤维3‑6份，分散剂0.5‑1.5份，膨润土1‑2份，轻质碳酸钙5‑10份，氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料2‑5份，中空介孔二氧化钛1‑5份。本发明还公开了该盾尾密封脂的制备方法。该盾尾密封脂耐水、耐高温性能好，密封性能优异，泵送性能好，且制备方法简单，成本低。

Description

一种高性能盾尾密封脂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及密封技术领域，具体涉及一种高性能盾尾密封脂及其制备方法。
背景技术：
21世纪是隧道及地下空间大发展的时代，地下空间的开发因具有不占用地面资源、缓解地面交通、不影响景观、有利于环境保护等优点而备受青睐，因此铁路隧道、公路隧道、城市地铁、过江隧道、引水隧道、市政管道和地下行人通道的建设方兴未艾，中国具有目前世界上最大的隧道及地下工程施工市场，其潜力正快速释放。
盾构法作为城市地下隧道施工的主流方法，具有较高的自动化程度、较快的施工速度、安全稳定、效率高、对环境影响小等优点，在地下施工中显示出强大的优势，随着国内盾构施工技术的不断发展、成熟，长距离、大直径、大埋深、高水压及复杂断面的隧道施工越来越多。盾构机在地下施工时，为了保证盾构机壳体内部有安全干净的施工环境，其密封系统至关重要。
盾尾密封油脂是盾构法施工中隧道盾构掘进机钢丝刷型盾尾的主要配套材料之一，具有密封和润滑作用，可有效地保护盾尾和隔绝泥浆，保障盾构顺利推进，对盾构有防蚀和减少磨损的效果。良好的盾尾密封脂具有密封性能强，泵送效果好，对环境友好、润滑性能佳，化学稳定性好等优点。中国专利(201010607629.4，申请日：2010.12.28)公开了一种盾尾密封脂，组分包括基油、润滑油、氯化石蜡、聚异丁烯、纤维、碳酸钙。上述盾尾密封脂虽然具有良好的耐高水性、止水性能、泵送性能好，但是其可生物降解性较差，阻燃性能不好，且水密封性以及力学性能需要进一步改善。
发明内容：
本发明要解决的技术问题之一是，针对现有技术的不足，提供一种高性能盾尾密封脂，该盾尾密封脂耐水、耐高温性能好，密封性能优异，泵送性能好，具有一定的可生物降解性能，阻燃性能佳。
本发明要解决的技术问题之二是，提供一种高性能盾尾密封脂的制备方法，该方法操作简单，制得的盾尾密封脂稳定性好。
为更好的解决上述第一个技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高性能盾尾密封脂，以重量份计，包括以下组分：
植物油20-30份，二元乙丙橡胶15-23份，
增强纤维3-6份，分散剂0.5-1.5份，
膨润土1-2份，轻质碳酸钙5-10份，
氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料2-5份，
中空介孔二氧化钛1-5份。
作为上述技术方案的优选，所述植物油为菜籽油、大豆油中的一种或多种混合物。
作为上述技术方案的优选，所述增强纤维为木质纤维、竹炭纤维的一种或两种混合。
作为上述技术方案的优选，所述分散剂为聚丙烯酸钠。
作为上述技术方案的优选，所述氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料的制备方法为：将氮化硼纳米片和异丙醇混合超声处理，制得氮化硼纳米片分散液；将蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠水溶液混合超声处理，制得纳米蒙脱土分散液；然后加入上述制得的氮化硼纳米片分散液，继续超声处理，最好将混合液过滤、干燥、研磨，制得氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料。
作为上述技术方案的优选，所述氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料的制备方法为：将氮化硼纳米片和异丙醇混合，在1000W功率下超声处理30min，制得氮化硼纳米片分散液；将蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠水溶液混合，在500W功率下超声处理30-60min，制得纳米蒙脱土分散液；然后加入上述制得的氮化硼纳米片分散液，继续超声处理30min，最好将混合液过滤、干燥、研磨，制得氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料。
作为上述技术方案的优选，所述蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠的质量比为1：(0.01-0.05)。
作为上述技术方案的优选，所述氮化硼纳米片和蒙脱土的质量比为1：(2-3)。
作为上述技术方案的优选，所述中空介孔二氧化钛的制备方法为：制备聚乙烯醇水溶液，然后加入钛酸四丁酯，常温下搅拌反应5-10h，之后滴加盐酸溶液制得含钛溶胶，静置陈化24h，得到含钛凝胶，然后经过洗涤，煅烧，制得中空介孔二氧化钛。
为了更好的解决上述上述第二个技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高性能盾尾密封脂的制备方法，包括以下步骤：
将植物油、二元乙丙橡胶、分散剂加入到捏合机中，50-60℃下搅拌捏合处理1-2h，然后冷却至室温，继续加入膨润土、轻质碳酸钙、增强纤维、氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛，继续搅拌捏合1-3h，制得高性能盾尾密封脂。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明在盾尾密封脂中加入氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛作为改性剂，并添加聚丙烯酸钠作为分散剂，有效改善了氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛在植物油中的分散性；有效改善了植物油的润滑性能和耐高温性能。而且氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛具有良好的抗氧化性能、化学稳定性好，且热稳定性佳；这也在一定程度上改善了植物油的化学稳定性。
本发明首先制备氮化硼纳米片分散液，然后制得蒙脱土纳米分散液，并加入十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，然后将两种分散液混合，在十二烷基苯磺酸钠的导向下，氮化硼纳米片插入到蒙脱土层间，制得的复合材料分散性好，具有一定的减摩性能，力学性能佳。本发明制得的盾尾密封脂稳定性，泵送性优异，且化学稳定性佳，抗水密封性好。
本发明以植物油作为基油，添加竹纤维/竹炭纤维作为增强材料，制得的盾尾密封脂具有良好的可生物降解性能，本发明还在密封脂内加入膨润土、轻质碳酸钙、氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛，在一定程度上改善的密封脂的阻燃性能。
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种高性能盾尾密封脂，以重量份计，包括以下组分：
菜籽油20份，二元乙丙橡胶15份，
木质纤维5份，聚丙烯酸钠0.5份，
膨润土1份，轻质碳酸钙5份，
氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料2份，
中空介孔二氧化钛1份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将氮化硼纳米片和异丙醇混合，在1000W功率下超声处理30min，制得氮化硼纳米片分散液；将蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠水溶液混合，在500W功率下超声处理30min，制得纳米蒙脱土分散液；然后加入上述制得的氮化硼纳米片分散液，继续超声处理30min，最好将混合液过滤、干燥、研磨，制得氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料；其中，蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠的质量比为1：0.01；氮化硼纳米片和蒙脱土的质量比为1：2；
(2)制备50ml质量浓度为5％聚乙烯醇水溶液，然后加入1.5mol钛酸四丁酯，常温下搅拌反应5h，之后滴加盐酸溶液制得含钛溶胶，静置陈化24h，得到含钛凝胶，然后经过洗涤，煅烧，制得中空介孔二氧化钛；
(3)将菜籽油、二元乙丙橡胶、聚丙烯酸钠加入到捏合机中，50℃下搅拌捏合处理1h，然后冷却至室温，继续加入膨润土、轻质碳酸钙、木质纤维、氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛，继续搅拌捏合1h，制得高性能盾尾密封脂。
实施例2
一种高性能盾尾密封脂，以重量份计，包括以下组分：
大豆油30份，二元乙丙橡胶23份，
竹炭纤维6份，聚丙烯酸钠1.5份，
膨润土2份，轻质碳酸钙10份，
氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料5份，
中空介孔二氧化钛5份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将氮化硼纳米片和异丙醇混合，在1000W功率下超声处理30min，制得氮化硼纳米片分散液；将蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠水溶液混合，在500W功率下超声处理60min，制得纳米蒙脱土分散液；然后加入上述制得的氮化硼纳米片分散液，继续超声处理30min，最好将混合液过滤、干燥、研磨，制得氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料；其中，蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠的质量比为1：0.05；氮化硼纳米片和蒙脱土的质量比为1：(2-3)；
(2)制备50ml质量浓度为5％聚乙烯醇水溶液，然后加入1.5mol钛酸四丁酯，常温下搅拌反应10h，之后滴加盐酸溶液制得含钛溶胶，静置陈化24h，得到含钛凝胶，然后经过洗涤，煅烧，制得中空介孔二氧化钛；
(3)将大豆油、二元乙丙橡胶、聚丙烯酸钠加入到捏合机中，60℃下搅拌捏合处理2h，然后冷却至室温，继续加入膨润土、轻质碳酸钙、竹炭纤维、氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛，继续搅拌捏合3h，制得高性能盾尾密封脂。
实施例3
一种高性能盾尾密封脂，以重量份计，包括以下组分：
菜籽油23份，二元乙丙橡胶17份，
木质纤维6份，聚丙烯酸钠0.7份，
膨润土1份，轻质碳酸钙6份，
氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料3份，
中空介孔二氧化钛2份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将氮化硼纳米片和异丙醇混合，在1000W功率下超声处理30min，制得氮化硼纳米片分散液；将蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠水溶液混合，在500W功率下超声处理40min，制得纳米蒙脱土分散液；然后加入上述制得的氮化硼纳米片分散液，继续超声处理30min，最好将混合液过滤、干燥、研磨，制得氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料；其中，蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠的质量比为1：0.02；氮化硼纳米片和蒙脱土的质量比为1：2；
(2)制备50ml质量浓度为5％聚乙烯醇水溶液，然后加入1.5mol钛酸四丁酯，常温下搅拌反应6h，之后滴加盐酸溶液制得含钛溶胶，静置陈化24h，得到含钛凝胶，然后经过洗涤，煅烧，制得中空介孔二氧化钛；
(3)将菜籽油、二元乙丙橡胶、聚丙烯酸钠加入到捏合机中，55℃下搅拌捏合处理1.5h，然后冷却至室温，继续加入膨润土、轻质碳酸钙、木质纤维、氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛，继续搅拌捏合2h，制得高性能盾尾密封脂。
实施例4
一种高性能盾尾密封脂，以重量份计，包括以下组分：
大豆油25份，二元乙丙橡胶20份，
竹炭纤维6份，聚丙烯酸钠0.9份，
膨润土2份，轻质碳酸钙7份，
氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料4份，
中空介孔二氧化钛3份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将氮化硼纳米片和异丙醇混合，在1000W功率下超声处理30min，制得氮化硼纳米片分散液；将蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠水溶液混合，在500W功率下超声处理50min，制得纳米蒙脱土分散液；然后加入上述制得的氮化硼纳米片分散液，继续超声处理30min，最好将混合液过滤、干燥、研磨，制得氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料；其中，蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠的质量比为1：0.03；氮化硼纳米片和蒙脱土的质量比为1：3；
(2)制备50ml质量浓度为5％聚乙烯醇水溶液，然后加入1.5mol钛酸四丁酯，常温下搅拌反应7h，之后滴加盐酸溶液制得含钛溶胶，静置陈化24h，得到含钛凝胶，然后经过洗涤，煅烧，制得中空介孔二氧化钛；
(3)将大豆油、二元乙丙橡胶、聚丙烯酸钠加入到捏合机中，50℃下搅拌捏合处理1h，然后冷却至室温，继续加入膨润土、轻质碳酸钙、竹炭纤维、氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛，继续搅拌捏合1h，制得高性能盾尾密封脂。
实施例5
一种高性能盾尾密封脂，以重量份计，包括以下组分：
菜籽油28份，二元乙丙橡胶22份，
木质纤维5份，聚丙烯酸钠1.2份，
膨润土2份，轻质碳酸钙8份，
氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料4份，
中空介孔二氧化钛4份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将氮化硼纳米片和异丙醇混合，在1000W功率下超声处理30min，制得氮化硼纳米片分散液；将蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠水溶液混合，在500W功率下超声处理50min，制得纳米蒙脱土分散液；然后加入上述制得的氮化硼纳米片分散液，继续超声处理30min，最好将混合液过滤、干燥、研磨，制得氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料；其中，蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠的质量比为1：0.04；氮化硼纳米片和蒙脱土的质量比为1：3；
(2)制备50ml质量浓度为5％聚乙烯醇水溶液，然后加入1.5mol钛酸四丁酯，常温下搅拌反应8h，之后滴加盐酸溶液制得含钛溶胶，静置陈化24h，得到含钛凝胶，然后经过洗涤，煅烧，制得中空介孔二氧化钛；
(3)将菜籽油、二元乙丙橡胶、聚丙烯酸钠加入到捏合机中，55℃下搅拌捏合处理2h，然后冷却至室温，继续加入膨润土、轻质碳酸钙、木质纤维、氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛，继续搅拌捏合3h，制得高性能盾尾密封脂。
对比例1
未添加氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料，其他条件和实施例5相同。
对比例2
未添加中空介孔二氧化钛，其他条件和实施例5相同。
下面对本发明制得的高性能盾尾密封脂进行性能测试，测试结果和测试方法如表1所示。
表1
Figure BDA0002449777010000091
从上述测试结果可以看出，本发明制得的盾尾密封脂，密封性能和泵送性能优异，稳定性好，耐水性能优异，阻燃性能佳，且生物降解性好。
虽然已经对本发明的具体实施方案进行了描述，但是本发明的许多其他形式和改变对本领域技术人员而言是显而易见的。应理解所附权利要求和本发明通常涵盖本发明真实精神和范围内的所有这些明显的形式和改变。

Claims (8)

1.一种高性能盾尾密封脂，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：
植物油20-30份，二元乙丙橡胶15-23份，
增强纤维3-6份，分散剂0.5-1.5份，
膨润土1-2份，轻质碳酸钙5-10份，
氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料2-5份，
中空介孔二氧化钛1-5份；
所述氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料的制备方法为：将氮化硼纳米片和异丙醇混合超声处理，制得氮化硼纳米片分散液；将蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠水溶液混合超声处理，制得纳米蒙脱土分散液；然后加入上述制得的氮化硼纳米片分散液，继续超声处理，将混合液过滤、干燥、研磨，制得氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料；
所述中空介孔二氧化钛的制备方法为：制备聚乙烯醇水溶液，然后加入钛酸四丁酯，常温下搅拌反应5-10h，之后滴加盐酸溶液制得含钛溶胶，静置陈化24h，得到含钛凝胶，然后经过洗涤，煅烧，制得中空介孔二氧化钛。
2.根据权利要求1所述的一种高性能盾尾密封脂，其特征在于，所述植物油为菜籽油、大豆油中的一种或多种混合物。
3.根据权利要求1所述的一种高性能盾尾密封脂，其特征在于，所述增强纤维为木质纤维、竹炭纤维的一种或两种混合。
4.根据权利要求1所述的一种高性能盾尾密封脂，其特征在于，所述分散剂为聚丙烯酸钠。
5.根据权利要求1所述的一种高性能盾尾密封脂，其特征在于，所述氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料的制备方法为：将氮化硼纳米片和异丙醇混合，在1000W功率下超声处理30min，制得氮化硼纳米片分散液；将蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠水溶液混合，在500W功率下超声处理30-60min，制得纳米蒙脱土分散液；然后加入上述制得的氮化硼纳米片分散液，继续超声处理30min，将混合液过滤、干燥、研磨，制得氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种高性能盾尾密封脂，其特征在于，所述蒙脱土纳米粉末和十二烷基苯磺酸钠的质量比为1：(0.01-0.05)。
7.根据权利要求5所述的一种高性能盾尾密封脂，其特征在于，所述氮化硼纳米片和蒙脱土的质量比为1：(2-3)。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种高性能盾尾密封脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将植物油、二元乙丙橡胶、分散剂加入到捏合机中，50-60℃下搅拌捏合处理1-2h，然后冷却至室温，继续加入膨润土、轻质碳酸钙、增强纤维、氮化硼纳米片/蒙脱土插层复合材料、中空介孔二氧化钛，继续搅拌捏合1-3h，制得高性能盾尾密封脂。
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