CN111909463B - 一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料及其制备方法和应用，包括二元乙丙橡胶100份、PIB 5～10份、纳米氧化锌3～5份、聚乙二醇2～5份、过氧化物交联剂2～5份、助交联剂1～2份、防老剂0.2～3份、炭黑N550 15～100份、白炭黑15份、石蜡油5～15份、间苯二酚1～3.5份、甲醛给与体1～3份、片状滑石粉10～80份。采用混炼、开炼后制得复合材料，然后挤出制成管材，150℃～180℃进行硫化，获得用于热力管道修复的复合材料管材。本发明的复合材料用于热力管道修复的管材，具有较好的耐高温性，能在150℃下长期使用；同时具有高气密性，较好的力学性能、耐热性及耐老化性等。

Description

一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料及其制备 方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
输送蒸汽和过热水的管道称为热力管道，由于输送的介质温度高、压力大，对管道的腐蚀比较严重。传统的输送管道是金属的，由于铺设年代久了开始出现不同程度的损伤及老化，不仅会对管道的正常运行造成影响，还会对公众安全和社会稳定构成潜在威胁。及时发现隐患并进行修复对于维护热力管网的安全尤为重要。
目前热力管道修复的主要修复方式是采用小管穿大管的方式，在原有管道内部套入小的热力修复管道，然而修复管的材料选择目前选择范围比较少。由于热力管道温度比较高，常见过热水温度在150℃左右，有的水蒸气最高可以达到200℃，给修复管材料的选择带来难点。而在150℃以上可以选择使用的材料很少，硬质塑料韧性不够，无法压成U行穿管，也无法过弯角的金属管道。橡胶中氢化丁腈橡胶、氟橡胶太贵，而氟橡胶与骨架层粘合仍然是个问题，硅橡胶生胶强度小不适合作为生产长度较长的修复管的材料。
热力管道所处环境决定它修复繁琐的特点，所以决定热力管修复管的属性必须要有较好的耐高温性和高气密性。
发明内容
为了解决现有材料耐高温性及气密性不好的技术问题，而提供一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料及其制备方法和应用。本发明以二元乙丙橡胶为主材料，添加补强材料N550和白炭黑,增加气密性材料片状滑石粉和PIB，以过氧化物进行硫化，制得的材料可以在150℃下长期使用。
为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料，包括如下重量份原材料：
二元乙丙橡胶100份、
PIB 5～10份、
纳米氧化锌3～5份、
聚乙二醇2～5份、
过氧化物交联剂2～5份、
助交联剂1～2份、
防老剂0.2～3份、
炭黑N550 15～100份、
白炭黑15份、
石蜡油5～15份、
间苯二酚1～3.5份、
甲醛给与体1～3份、
片状滑石粉10～80份。
进一步地，所述PIB的分子量为10000g/mol～20000g/mol。
进一步地，所述聚乙二醇为PEG-4000。
进一步地，所述过氧化物交联剂为2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧基-3-己炔、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷、过氧化二异丙苯、叔丁基过氧化异丙基碳酸脂、过氧化叔丁基异丙苯、二-(叔丁基过氧异丙基)苯中的一种。
进一步地，所述助交联剂为三烯基甲基三异氰脲酸脂或N,N'-间苯撑双马来酰亚胺。
进一步地，所述防老剂为4-甲基-6-叔丁基苯酚和/或2-巯基苯并咪唑；所述石蜡油的闪点≥300℃。
进一步地，所述甲醛给与体为六次甲基四胺或六甲氧基甲基密胺。
本发明提供一种上述复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述配比，将二元乙丙橡胶、纳米氧化锌、PIB、聚乙二醇、防老剂、炭黑N550、石蜡油、间苯二酚、白炭黑、片状滑石粉在150℃～170℃下进行密炼8min～15min，当密炼温度降至90℃以下后，加入过氧化物交联剂、助交联剂和甲醛给与体再进行密炼2min～3min，出料后停放24h；
(2)然后在不超过60℃下进行开炼3min～5min，开炼出片后冷却得到热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料。
本发明另外再提供一种复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述配比，将二元乙丙橡胶、纳米氧化锌、PIB、聚乙二醇、防老剂、炭黑N550、石蜡油、间苯二酚、白炭黑、片状滑石粉在150℃～170℃下进行密炼8min～15min得到胶料，出料后停放24小时；
(2)于开炼机上将步骤(1)停放后的所述胶料与过氧化物交联剂、助交联剂和甲醛给与体于不超过55℃下进行开炼3min～5min，开炼出片后冷却得到热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料。
本发明最后一方面提供一种由上述制备方法制得的复合材料在生产热力管道修复管材中的应用，所述应用的过程中需将所述复合材料进行挤出制成管材，然后再进行硫化，获得用于热力管道修复的复合材料管材，所述硫化温度为150℃～180℃。
有益技术效果：
本发明中，纳米氧化锌一方面增加材料的耐热性能，另一方面可增加二元乙丙橡胶的胶料活性。在使用本发明复合材料生产热力管道修复用的管材过程中，也就是硫化过程中，间苯二酚可增加乙丙橡胶基体与增强材料的粘合性，间苯二酚和白炭黑、甲醛给与体三者会发生化学反应生成具有继续反应能力的粘合树脂，这种树脂几乎同时再进行与乙丙橡胶基体的以化学键合、分子间作用为特征的粘合，使最终形成的复合材料管材具有耐高温性、高气密性等优点；高分子量范围的PIB具有较好的耐热、耐老化效果，同时具有对乙丙橡胶增塑、增黏的作用，另外，PIB可以和二元乙丙共硫化，增加二元乙丙的气密性。高分子量的PEG一方面作为分散剂能够将白炭黑较为均匀地分散在乙丙橡胶基体中，很大程度上减弱了白炭黑粒子间的团聚，增加了白炭黑表面的橡胶基体，提高白炭黑在乙丙橡胶基体中的分散性；另一方面高分子量的PEG可以减少白炭黑表面的羟基数，平衡白炭黑与乙丙橡胶基体间的酸碱度，减弱白炭黑的酸性，增加复合材料的碱性，提高复合材料在管材生产过程中的硫化速度，使最终得到的复合材料管材具有较好的力学性能。高闪点的石蜡油能够增加复合材料的耐热性，避免了低闪点的油在复合材料管材生产过程中由于高温使用温度下而挥发，导致管材产品变硬、老化。通过混炼可使大多数片状滑石粉的晶面与气体扩散方向垂直，片状滑石粉具有阻止气体扩散的作用，使形成的乙丙橡胶基复合材料用于生产管材后具有高气密性。
本发明通过混炼，PIB作为增塑、增黏剂渗透在二元乙丙橡胶分子之间；高分子量的PEG将白炭黑较为均匀的分散在橡胶基体中，平衡白炭黑与橡胶基体间的酸碱度，提高复合材料在管材生产过程中的硫化速度，使最终得到的复合材料的管材具有较好的力学性能；通过纳米氧化锌、高闪点石蜡油以及防老剂的使用使复合材料生产的管材具有较好的耐热、耐候和耐老化性；通过片状滑石粉的使用使复合材料生产的管材具有较好的气密性；使用本发明复合材料在生产管材的过程中间苯二酚、甲醛给与体和白炭黑三者发生化学反应生成具有继续反应能力的粘合树脂，在纳米氧化锌的作用下，该粘合树脂同时再与二元乙丙橡胶基体进行化学键合、分子间作用力的粘合，使最终形成的复合材料管材具有耐高温性、高气密性等优点；本发明的耐高温、高气密性复合材料用于热力管道修复用的管材，具有150℃以上较高的耐高温性，能给在150℃下长期使用；本发明的热力管道修复用的耐高温、高气密性材料具有高气密性，耐水和水蒸气优越，耐热性、耐腐蚀性、耐老化性、耐候性俱佳。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
实施例1
一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料，包括如下重量份原材料：二元乙丙橡胶100份、PIB8份、纳米氧化锌4份、聚乙二醇4份、过氧化物交联剂3份、助交联剂1.5份、防老剂1.5份、炭黑N55035份、白炭黑15份、石蜡油10份、间苯二酚2份、甲醛给与体2份、片状滑石粉40份。
其中，所述PIB的分子量为20000g/mol。
其中，所述聚乙二醇为PEG-4000。
其中，所述过氧化物交联剂为2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧基-3-己炔。
其中，所述助交联剂为三烯基甲基三异氰脲酸脂。
其中，所述防老剂为4-甲基-6-叔丁基苯酚。
其中，所述石蜡油为2280。
其中，所述甲醛给与体为六次甲基四胺。
上述热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述配比，将二元乙丙橡胶、纳米氧化锌、PIB、聚乙二醇、防老剂、炭黑N550、石蜡油、间苯二酚、白炭黑、片状滑石粉在160℃下进行密炼10min，当密炼温度降至90℃以下后，加入过氧化物交联剂、助交联剂和甲醛给与体再进行密炼2min，出料后停放24h；
(2)然后在开炼机上温度不超过60℃下进行开炼3min～5min，开炼出片后冷却得到热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料。
实施例2
一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料，包括如下重量份原材料：二元乙丙橡胶100份、PIB 5份、纳米氧化锌5份、聚乙二醇2份、过氧化物交联剂1份、助交联剂1份、防老剂0.5份、炭黑N55015份、白炭黑15份、石蜡油5份、间苯二酚1份、甲醛给与体1份、片状滑石粉20份。
其中，所述PIB的分子量为10000g/mol。
其中，所述聚乙二醇为PEG-4000。
其中，所述过氧化物交联剂为2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷。
其中，所述助交联剂为N,N'-间苯撑双马来酰亚胺。
其中，所述防老剂为2-巯基苯并咪唑。
其中，所述石蜡油为2280。
其中，所述甲醛给与体为六甲氧基甲基密胺。
上述热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述配比，将二元乙丙橡胶、纳米氧化锌、PIB、聚乙二醇、防老剂、炭黑N550、石蜡油、间苯二酚、白炭黑、片状滑石粉在150℃下进行密炼10min得到胶料，出料后停放24h；
(2)于开炼机上将步骤(1)停放后的所述胶料与过氧化物交联剂、助交联剂和甲醛给与体于不超过55℃下进行开炼3min～5min，开炼出片后冷却得到热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料。
实施例3
一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料，包括如下重量份原材料：二元乙丙橡胶100份、PIB 10份、纳米氧化锌3份、聚乙二醇5份、过氧化物交联剂5份、助交联剂2份、防老剂3份、炭黑N55060份、白炭黑15份、石蜡油15份、间苯二酚3份、甲醛给与体3份、片状滑石粉60份。
其中，所述PIB的分子量为20000g/mol。
其中，所述聚乙二醇为PEG-4000。
其中，所述过氧化物交联剂为叔丁基过氧化异丙基碳酸脂。
其中，所述助交联剂为N,N'-间苯撑双马来酰亚胺。
其中，所述防老剂为4-甲基-6-叔丁基苯酚和2-巯基苯并咪唑(质量比2:1)。
其中，所述石蜡油为2280。
其中，所述甲醛给与体为六甲氧基甲基密胺。
上述热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述配比，将二元乙丙橡胶、纳米氧化锌、PIB、聚乙二醇、防老剂、炭黑N550、石蜡油、间苯二酚、白炭黑、片状滑石粉在150℃下进行密炼15min得到胶料，出料后停放24h；
(2)于开炼机上将步骤(1)停放后的所述胶料与过氧化物交联剂、助交联剂和甲醛给与体于不超过55℃下进行开炼3min～5min，开炼出片后冷却得到热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料。
实施例4
一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料，包括如下重量份原材料：二元乙丙橡胶100份、PIB7份、纳米氧化锌5份、聚乙二醇3份、过氧化物交联剂4份、助交联剂1份、防老剂1份、炭黑N55080份、白炭黑15份、石蜡油10份、间苯二酚3.5份、甲醛给与体2.5份、片状滑石粉30份。
其中，所述PIB的分子量为10000g/mol。
其中，所述聚乙二醇为PEG-4000。
其中，所述过氧化物交联剂为过氧化叔丁基异丙苯。
其中，所述助交联剂为三烯基甲基三异氰脲酸脂。
其中，所述防老剂为4-甲基-6-叔丁基苯酚和2-巯基苯并咪唑(质量比2:1)。
其中，所述石蜡油为2280。
其中，所述甲醛给与体为六甲氧基甲基密胺。
制备方法与实施例1相同。
实施例5
对以上实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制得的复合材料分别进行挤出制成管材，然后在烘箱温度分别为150℃、160℃、170℃、180℃的温度下进行硫化，获得用于热力管道修复的复合材料管材。
性能测试：按照实施例5中的硫化温度分别对实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制得的复合材料硫化后进行性能测试，性能测试项目包括力学性能(拉伸强度、断裂伸长率)、耐高温性、透水性。其中透水性的测试方法参照文献《用各种过氧化物体系硫化的二元乙丙橡胶的透水性》(作者：ЛотаковВ.С.，陈根度；年份1991年)。
结果见表1。
表1各实施例的复合材料硫化后的性能数据
Figure BDA0002640699310000071
本发明通过混炼，PIB作为增塑、增黏剂渗透在二元乙丙橡胶分子之间；高分子量的PEG将白炭黑较为均匀的分散在橡胶基体中，平衡白炭黑与橡胶基体间的酸碱度，提高复合材料在管材生产过程中的硫化速度，使最终得到的复合材料硫化后具有较好的力学性能；通过纳米氧化锌、高闪点石蜡油以及防老剂的使用使复合材料生产的管材具有较好的耐热、耐候和耐老化性；通过片状滑石粉的使用使复合材料生产的管材具有较好的气密性；使用本发明复合材料在生产管材的过程中间苯二酚、甲醛给与体和白炭黑三者发生化学反应生成具有继续反应能力的粘合树脂，在纳米氧化锌的作用下，该粘合树脂同时再与二元乙丙橡胶基体进行化学键合、分子间作用力的粘合，使最终形成的复合材料管材具有耐高温性、高气密性等优点；本发明的耐高温、高气密性复合材料用于热力管道修复用的管材，具有150℃以上较高的耐高温性，能给在150℃下长期使用；本发明的热力管道修复用的耐高温、高气密性材料具有高气密性，耐水和水蒸气优越，耐热性、耐腐蚀性、耐老化性、耐候性俱佳。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料，其特征在于，包括如下重量份原材料：
二元乙丙橡胶100份、
PIB 5～10份、
纳米氧化锌3～5份、
聚乙二醇2～5份、
过氧化物交联剂2～5份、
助交联剂1～2份、
防老剂0.2～3份、
炭黑N550 15～100份、
白炭黑15份、
石蜡油5～15份、
间苯二酚1～3.5份、
甲醛给与体1～3份、
片状滑石粉10～60份；
所述PIB的分子量为10000g/mol～20000g/mol；所述聚乙二醇为PEG-4000；所述过氧化物交联剂为2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧基-3-己炔、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷、过氧化二异丙苯、叔丁基过氧化异丙基碳酸脂、过氧化叔丁基异丙苯、二-(叔丁基过氧异丙基)苯中的一种；所述助交联剂为三烯基甲基三异氰脲酸脂或N,N'-间苯撑双马来酰亚胺；所述甲醛给与体为六次甲基四胺或六甲氧基甲基密胺；所述石蜡油的闪点≥300℃；所述防老剂为4-甲基-6-叔丁基苯酚和/或2-巯基苯并咪唑。
2.一种根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照上述配比，将二元乙丙橡胶、纳米氧化锌、PIB、聚乙二醇、防老剂、炭黑N550、石蜡油、间苯二酚、白炭黑、片状滑石粉在150℃～170℃下进行密炼8min～15min，当密炼温度降至90℃以下后，加入过氧化物交联剂、助交联剂和甲醛给与体再进行密炼2min～3min，出料后停放24h；
(2)然后在不超过60℃下进行开炼3min～5min，开炼出片后冷却得到热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料。
3.一种根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照上述配比，将二元乙丙橡胶、纳米氧化锌、PIB、聚乙二醇、防老剂、炭黑N550、石蜡油、间苯二酚、白炭黑、片状滑石粉在150℃～170℃下进行密炼8min～15min得到胶料，出料后停放24小时；
(2)于开炼机上将步骤(1)停放后的所述胶料与过氧化物交联剂、助交联剂和甲醛给与体于不超过55℃下进行开炼3min～5min，开炼出片后冷却得到热力管道修复用的耐高温、高气密性复合材料。
4.一种根据权利要求2或3所述的制备方法制得的所述复合材料在生产热力管道修复管材中的应用，其特征在于，所述应用的过程中需将所述复合材料进行挤出制成管材，然后再进行硫化，获得用于热力管道修复的复合材料管材，所述硫化温度为150℃～180℃。
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