CN112044646A

CN112044646A - 一种石墨烯传热增强环氧树脂复合管制备装置及工艺

Info

Publication number: CN112044646A
Application number: CN202010900940.1A
Authority: CN
Inventors: 罗奕兵; 余小峰; 华熳煜; 谢炜; 戴晓元
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2020-09-01
Publication date: 2020-12-08

Abstract

一种石墨烯传热增强复合管生产装置及工艺，装置由操作与控制系统、硬质管、金属管旋转装置、挡环、硬质管支撑轴承、钢丝刷、金属管支撑架、复合喷嘴、压缩气体喷嘴、传动轮、加热固化装置、传动带、移动电机、移动导轨、树脂泵、压缩气源组成；树脂喷嘴采用轴承和钢丝刷内置于自转并轴向移动的金属管内，从而环氧树脂喷涂于内表面，管在移动同时逐步加热固化，待树脂丧失流动性后，让金属管继续固化制成复合管。

Description

一种石墨烯传热增强环氧树脂复合管制备装置及工艺

技术领域

本发明涉及到一种金属/聚合物复合管材的成型设备及工艺，尤其涉及到一种石墨烯传热增强环氧树脂复合管制备装置及工艺。

背景技术

复合管由于外层和内衬层可以采取特性各异的材料制成，外层管负责承压和刚性支撑的作用，内衬层则承担耐腐蚀、耐磨损等作用。外层管可以根据输送介质的流量和压力要求，选用不同通径和壁厚的金属管材，例如：热镀锌钢管、直缝焊管、螺旋管、低中压流体输送用无缝钢管、高压锅炉及石油裂化用无缝管钢管、管线管等。根据输送介质化学成分，内衬层则选用不同的耐腐蚀合金或其它材料。内衬材料主要以不锈钢、铜基合金、镍基合金、钛合金、双相不锈钢等新型高耐腐蚀合金为主。但双金属复合管一般先各自成型，然后再经清洗+复合的成型方法，其技术路线较长且复杂、及成本高昂。

而涂塑复合金属管是以焊接管、无缝管为基材，内外壁涂敷环氧树脂或聚乙烯粉末，是防腐、耐侵蚀、无毒、无辐射的绿色环保管材，应用于各种流体输送。这种金属/塑料复合管同时具有阻氧作用，可直接用于直饮水工程，而其内外层又是塑料材质，具有非常好的耐腐蚀性。涂塑复合金属管具有如此优良的性能，其用途非常广泛，在石油、天然气输送、工矿用管、饮水管、排水管等等各种领域均可以见到其身影。

但在一些腐蚀严重的场合下，并且需要热力交换或防止液体产生静电的场合，那么这种内衬层为树脂因其导热差，而双金属复合管则因耐腐蚀能力相对较差，这两类复合管均不太合适于此类工况。

发明内容

本发明针对内衬树脂复合管和双金属复合管的以上不足，提出一种石墨烯传热增强复合管生产装置及工艺，所述复合管的外层为不限于铁合金、铝及铝合金、铜及铜合金的金属管；内层为添加了石墨烯的环氧树脂，环氧树脂层的厚度为0.1-1 mm，环氧树脂层石墨烯的质量百分比为0.5-8%wt。

石墨烯传热增强环氧树脂复合管的工艺原理为，在一高速自转并能轴向移动的金属管内，树脂喷嘴采用轴承和钢丝刷支撑于内；从而，树脂喷嘴和树脂输送管不参与金属管的自转和轴向移动。添加了石墨烯的环氧树脂通过树脂泵和树脂输送管从树脂喷嘴喷涂于金属管内表面，金属管在自转和轴向移动的同时，逐步进入加热固化装置内加热初步固化，待被喷涂的复合树脂丧失流动性后，延时控制器和行程控制器联动电机停止金属管的旋转，让金属管进入固化区其它段，继续固化制成复合管。

所述石墨烯传热增强环氧树脂复合管生产装置由操作与控制系统、硬质管、金属管旋转装置、挡环、硬质管支撑轴承、钢丝刷、金属管支撑架、复合树脂喷嘴、压缩气体喷嘴、传动轮、加热固化装置、传动带、移动电机、移动导轨、树脂泵、压缩气源组成。

所述移动电机通过传动轮、传动带，带动金属管旋转装置和金属管支撑架的支座在移动导轨上作往复移动，支座移动采用行程控制器和延时控制器联动移动电机来控制。装置处于工作状态时，金属管被固定于金属管旋转装置（当金属管长度较小时，自转时金属管自由端摆动不是太明显时），或金属管旋转装置和金属管支撑架，金属管旋转装置提供金属管的自转动力，金属支撑架则在金属管带动下被动旋转，本装置金属管支撑架的数量不小于1。

所述金属管旋转装置为组合机构，包含旋转电机、轴承、轴、金属管卡紧装置、支座；金属管旋转装置通过支座可在移动导轨上做往复移动，旋转电机固定于支座，旋转电机通过传动机构带动轴旋转，轴通过轴承固定于支座，金属管卡紧装置通过机械连接方式与轴连接，金属管卡紧装置采用刚性三爪或四爪卡盘的结构形式。

所述金属管支撑架包括支座、轴承、金属管固定装置，金属管固定装置通过轴承固定于支座，金属管固定装置采用刚性三爪或四爪卡盘的结构形式，金属管固定装置与被固定金属管的接触部位采用柔性材料，如橡胶、毛毡等包覆。

所述硬质管，其结构为树脂输送管和压缩气体输送管外套金属保护管，外套金属保护管形式为全程外套或分段外套，树脂输送管一端与树脂泵相连，另一端与复合树脂喷嘴相连。在伸入金属管内的硬质管设置有若干个硬质管支撑轴承，其硬质管支撑轴承数量依金属管长度、硬质管刚度等决定，硬质管与硬质管支撑轴承的内圈采用机械或焊接等固定的连接方式，此轴承外圈的外径尺寸小于被喷涂的金属管内径，且两者之差不小于10mm，并在硬质管支撑轴承的外圈包覆一层钢丝刷，硬质管支撑轴承滚珠位置的两侧面设置有挡环，挡环主体为与硬质管轴线垂直布置的两环形薄片，以防止钢丝刷的碎屑和金属管内表面被刷下的东西进入滚珠的滚动面。挡环和钢丝刷被固定于轴承外圈，挡环与轴承端面轴向间隙不大于1mm，挡环与硬质管的径向间隙不小于0.5mm。因此，可保证当金属管旋转时，由于硬质管的约束，轴承内圈和喷嘴不会参与金属管的旋转，由于有柔性的钢丝刷隔离了轴承与金属管，金属管发生轴向移动时轴承也不会卡死在金属管内。

所述钢丝刷在圆周方向为分段结构，即钢丝并未布满整个圆周，便于压缩气体把刷下的赃物从管内吹出。

所述移动导轨倾斜布置，后喷的金属管端处于相对较低位置，金属管轴线与水平面的夹角为0-0.5rad，移动导轨长度不小于被喷涂金属管长度的2倍，其中移动导轨处于加热固化装置内的长度不小于移动导轨长度的一半，可确保喷涂完毕的金属管完整处于加热固化装置内。

所述加热固化装置为分段式结构，段与段之间采用隔热棉分开，依环氧树脂和固化剂种类的不同，分别设定加热固化装置各段的加热温度。

进一步，所述加热固化装置各段的工作温度其特征为，第一段的工作温度为70-100℃，相连段之间的温差为20-40℃，最高工作温度不高于300℃。

所述操作与控制系统包含控制单元、显示单元、传感器单元及信号转换及连接单元，实现联动控制、参数调节与自动控制、参数显示功能。

进一步，所述操作与控制系统采用PLC控制方式，内嵌wifi连接方式；

进一步，所述联动控制包含：行程控制联动树脂泵的启/停，行程控制器和延时控制器联动控制移动电机、旋转电机，行程控制器联动控制树脂泵。参数显示功能包含加热固化各段的加热功率和温度、旋转电机转速、支座的移动速度、树脂泵的工作压力、树脂剩余量；参数调节与控制包含树脂泵的压力、旋转电机的转速、加热固化的各段功率和设定温度、以及支座的移动速度、金属管内壁喷涂完毕至停止旋转的延时时间。

进一步，所述传感器单元包括：支座的位移传感器、加热固化装置各段温度传感器、电机转速传感器，

进一步，所述移动电机采用三相交流电机，其支座往复移动的换向采用电路控制，即变换相电流的顺序实现电机旋转方向的变换。

所述复合管制备工艺参数：复合树脂喷涂时，金属管自转转速为50-500 转/min，金属管轴向移动速度为0.05-1m/s，添加固化剂后环氧树脂25℃的黏度为0.02-0.10 Pa·s，金属管喷涂完毕后继续旋转时间为0.5-4min；树脂泵工作压力为0.3-2MPa，加热固化装置工作温度为70-300℃。

本发明的优点在于：

相比常规喷涂与固化，本树脂层更为致密和结合强度高，制成的石墨烯传热增强环氧树脂复合管具有高导热、导电、高耐蚀的特性。具体表现于以下几个方面：

1.由于内层为添加石墨烯的热固性树脂，其抗腐蚀能力相比双金属复合管来说得到大大加强；

2. 与制备双金属复合管相比来说，其生产工艺及条件更简单，生产效率更高；

3.钢丝刷可同步打磨金属管内壁，提高金属管内壁的清洁度和粗糙度，简化了工艺并使复合界面更为清洁，以增大树脂与金属管的结合强度；

4. 与内村为塑料的金属复合管相比，由于树脂层添加了石墨烯，极大的增加了树脂层的导热能力，且由于石墨烯具有导电性能，故本复合管可用于一些腐蚀情况严重，强导热，且需要防止流动介质产生静电的输送管道；

5. 热固性树脂层由于金属管旋转产生的离心力，通过调整加热温度、固化剂等，可让热固性树脂在旋转同时初步完成固化，形成加压加热固化效果，树脂层致密与金属管结合强度高；

6.金属管倾斜放置，便于钢丝刷刮擦产生的废物从管内扫出来；采用环形挡板

7.本发明设备简单，容易实现自动化和机械化，生产效率高，同样道理，本装置也同样适合于没有添加石墨烯的热固性树脂层复合管的生产。

附图说明

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

图1为本发明装置的示意图，图中（1）为操作与控制系统；（2）为硬质管；（3）为金属管旋转装置；（4）为挡环；（5）为硬质管支撑轴承；（6）为钢丝刷；（7）为金属管支撑架；（8）为复合树脂喷嘴；（9）为压缩气体喷嘴；（10）为添加了石墨烯的复合树脂层；（11）为金属管；（12）为传动轮，采用链轮或带轮方式；（13）为加热固化装置；（14）为传动带，采用链条或皮带；（15）为移动电机，采用三相交流电机；（16）为移动导轨，采用金属材料制成；（17）为树脂泵；（18）为压缩气源，采用压缩机方式。

具体实施方式

图1为本发明装置的示意图，图中（1）为操作与控制系统，控制系统采用PLC方式；（2）为硬质管，采用金属管内套树脂输送管和压缩气体输送管；（3）为金属管旋转装置；（4）为挡环；（5）为硬质管支撑轴承；（6）为钢丝刷；（7）为金属管支撑架；（8）为复合树脂喷嘴；（9）为压缩气体喷嘴；（10）为喷涂后的复合树脂层；（11）为金属管；（12）为传动轮，采用同步皮带轮方式；（13）为加热固化装置；（14）为传动带，采用同步皮带；（15）为移动电机；（16）为移动导轨，采用金属结构材料制成；（17）为树脂泵；（18）为压缩气源，采用压缩机形式。

Claims

1.一种石墨烯传热增强复合管生产装置及工艺，其特征在于，生产装置由操作与控制系统、硬质管、金属管旋转装置、挡环、硬质管支撑轴承、钢丝刷、金属管支撑架、复合喷嘴、压缩气体喷嘴、传动轮、加热固化装置、传动带、移动电机、移动导轨、树脂泵、压缩气源组成；

所述石墨烯传热增强复合管的外层为金属材质，内层为添加了石墨烯的环氧树脂，内层厚度为0.1-1 mm，环氧树脂层石墨烯的质量百分比为0.5-8%；

所述石墨烯传热增强复合管生产工艺为：金属管自转转速为50-500 转/min，金属管轴向移动速度为0.05-1m/s，添加固化剂后的环氧树脂25℃黏度为0.02-0.10 Pa·s，金属管喷涂完毕后继续旋转时间为0.5-4min；树脂泵工作压力为0.3-2MPa，加热固化装置的工作温度为70-300℃。

2.根据权利要求1所述金属管旋转装置，其特征在于，金属管旋转装置为组合机构，包含旋转电机、轴承、轴、金属管卡紧装置、支座，旋转电机固定于支座，旋转电机通过传动机构带动轴旋转，轴通过轴承固定于支座，金属管卡紧装置采用机械连接方式与轴连接，金属管卡紧装置采用刚性三爪或四爪卡盘的结构形式。

3.根据权利1要求所述操作与控制系统，其特征在于，系统包含控制单元、显示单元、传感器单元及信号转换及连接单元，实现联动控制、参数调节与自动控制、参数显示功能；

进一步，所述操作与控制系统采用PLC控制方式，内嵌wifi的连接方式；

进一步，所述联动控制包括：行程控制器联动树脂泵的启/停，行程控制器和延时控制器联动控制移动电机、旋转电机；

进一步，所述参数显示功能包含加热固化装置的加热功率和工作温度、旋转电机转速、支座的移动速度、树脂泵的工作压力、树脂剩余量各参数的显示；

进一步，所述参数调节与自动控制包含树脂泵的压力、旋转电机的转速、加热固化装置各段的功率和工作温度、以及支座的移动速度、金属管内壁喷涂完毕至停止旋转的延时时间各参数的调节与控制。

4.根据权利要求1所述钢丝刷，其特征在于，钢丝刷固定于硬质管支撑轴承的外圈，钢丝刷在圆周方向为分段结构。

5.根据权利要求1所述挡环，其特征在于，挡环固定于硬质管支撑轴承的外圈，挡环主体为与硬质管轴线垂直布置的两环形薄片，挡环与轴承端面轴向间隙不大于1mm，挡环与硬质管的径向间隙不小于0.5mm。

6.根据权利要求1所述移动导轨，其特征在于，移动导轨非水平布置，后喷金属管端的移动导轨端处于相对较低位置，移动导轨移动轨迹线与水平面的夹角为0-0.5rad，移动导轨长度不小于被喷涂金属管长度的2倍，其中移动导轨处于加热固化装置内的长度不小于移动导轨长度的一半。

7.根据权利要求1所述加热固化装置，其特征在于，装置为分段式结构，段与段之间采用隔热棉分开，第一段工作温度为70-100℃，相连段之间的工作温度之差为20-40℃，最高工作温度不高于300℃。