CN113172948A - 一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道及其制备方法，管道分为三层：从内到外依次为抗结垢、聚烯烃树脂层和高导热层；抗结垢层由抗结垢复合材料挤塑而成；抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、亲水功能母粒1‑10份；聚烯烃树脂由耐热聚乙烯材料挤塑而成；高导热层由高导热复合材料挤塑而成；高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒1‑10份。通过三台挤出机采用三层共挤的制备方法，经过真空定径、冷却定型后得到具有高导热性能的抗结垢地暖管道。本发明所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道及其制备方法，解决了现有聚烯烃管道导热效率低且内壁易结垢的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种功能型塑料管道及其制备技术领域，尤其是涉及一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道及其制备方法。
背景技术
地暖的全称是低温热水地板辐射采暖，是一种以水为介质，通过管道内的低温热水加热地板，然后地板将热量以辐射的方式散发到房间内，以此来提高房间的舒适度。相比于传统的散热片采暖，地暖更加高效节能，而且由于其自下而上的梯度式加热方法，会给人一种脚暖头凉的舒适感，符合“温足而凉顶”的中医健身理论。因此，地暖受到越来越多家庭的青睐。
由于集中供采暖的供水含有较多杂质，使地暖管道在运行几个采暖季后内壁就会附着大量的生物黏泥、水垢等物质。这些物质不仅会堵塞管道，导致水流不畅，还会降低地暖管道本身的导热性能，严重影响供热温度及效率。另一方面，聚烯烃管道本身的导热系数并不高，因此地暖管道在运行的过程中，热量传递慢且热交换效率不高，不能很好的将供水中的热量转移到室内，造成了较大的资源浪费。
因此，为了减少资源的损耗并提高换热效率，需要开发一种能够提高聚烯烃管道换热效率并具备防止管道内壁结垢的新型地暖管道。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道及其制备方法，以提高地暖管道单位时间内的热通量，能够以更高的换热效率和更快的时间将供水中的热量转移到室内；同时减少污垢、黏泥等在管道内壁的附着，从根本上解决内壁结垢的问题。
本发明的另一目的在于提供该具有高导热性能的抗结垢地暖管道的制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道，管道由外到内依次设置三层，分别为高导热层、聚烯烃树脂层和抗结垢层，所述高导热层、聚烯烃树脂层和抗结垢层的厚度比为8:1:1；
所述高导热层由高导热复合材料挤塑而成；高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒1-10份；其中，所述高导热功能母粒包括碳纳米管1-10份、偶联剂1-3份；
所述聚烯烃树脂层由耐热聚乙烯材料挤塑而成；
所述抗结垢层由抗结垢复合材料挤塑而成；所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒1-10份；其中所述抗结垢功能母粒包括二氧化硅1-10份、聚乙烯醇2-6份。
进一步地，所述高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒1-8份；
所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒2-8份。
进一步地，所述高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒3-7份；
所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒4-8份。
进一步地，所述高导热功能母粒中的碳纳米管为单壁碳纳米管，管径为0.8-1.5nm。
进一步地，所述高导热功能母粒中的偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、KH-560、KH-570中的一种或多种。
进一步地，所述抗结垢功能母粒中的二氧化硅为未经表面处理的气相二氧化硅。
进一步地，所述抗结垢功能母粒中聚乙烯醇的重均分子质量为18000-20000。
利用三台挤出机采用三层共挤的方式，经过口芯模、真空定径、冷却定型等步骤后得到具有高导热性能的抗结垢塑料管道。
一种高导热层的高导热复合材料的制备方法：
称取一定量的单壁碳纳米管于超声波清洗器中分散30-60min，在三口烧瓶中加入一定量的乙醇溶液，水浴搅拌加热至60-80℃，缓慢滴加2-5滴偶联剂，水解10-30min后，加入分散好的单壁碳纳米管反应1-2h，反应结束后，经真空抽滤并用乙醇反复洗涤后在真空干燥箱中于120℃下烘干6h，经研磨后得到表面改性的单壁碳纳米管粉末。然后按照配方将聚烯烃树脂和改性后的单壁碳纳米管分别从主喂料口和侧喂料口加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，温度为190-200℃，双螺杆挤出机的长径比≥30，经剪切造粒后得到高导热复合材料。
一种抗结垢层的抗结垢复合材料的制备方法：
按配比称取烘干后的气相二氧化硅粉末和聚乙烯醇粉末，倒入高速搅拌机中，搅拌10-20min，然后按照配方将聚烯烃树脂和混合好的改性助剂分别从主喂料口和侧喂料口加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，温度为190-200℃，双螺杆挤出机的长径比≥30，经剪切造粒后得到抗结垢复合材料。
一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道的制备方法：
利用三台挤出机采用三层共挤的方式，经过口芯模、真空定径、冷却定型等步骤后得到具有高导热性能的抗结垢塑料管道；
高导热层挤出机的模头温度为205-215℃，机筒温度为195-205℃；
聚烯烃树脂层挤出机的模头温度为195-205℃，机筒温度为185-195℃；
抗结垢层挤出机的模头温度为200-210℃，机筒温度为190-200℃；
管道在挤出过程中的牵引速度为20-30m/min，口模内径尺寸为30-45mm。
作用原理：采用共混方法制备高导热复合材料的关键在于最大程度的形成导热通路，而具有超高长径比的一维材料碳纳米管可以在填料与填料之间形成较大的接触面积，为热量的载体声子的传递提供了更广阔的通路，降低了界面接触热阻；另一方面，通过硅烷偶联剂对碳纳米管表面进行修饰，提高了其与基体材料的相容性，改善了碳纳米管在基体中的分散性，优化了声子的传输通道，通过两方面的作用，从而提高了复合材料的导热系数。抗结垢层中的填料未处理的气相二氧化硅和聚乙烯醇，二者都含有丰富的含氧官能团如羟基、羧基，和水之间能以氢键相连接，因此其具有优异的亲水性能，能够在抗结垢层的表面形成一层薄薄的水膜，从而起到防垢的作用。
相对于现有技术，本发明所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道及其制备方法具有以下有益效果：
本发明所述的一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道，由于提高了管材本体的导热性数，单位时间内的热通量得到显著提高，相比于普通地暖管道可以将供水中的热量以更高的效率和更快的时间转移到室内，从而可以使房间内的温度快速升高到设定温度，起到舒适节能的目的；而管道内层的亲水材料则可以在管道内壁覆盖一层亲水膜，有效降低黏泥及污垢等的附着力，从根本上解决内壁易结垢的问题，从而防止因结垢而导致的管道阻塞、水力分配不均衡而引起的温度不均等现象。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，而且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道的剖面结构示意图。
附图标记说明：
1-高导热层；2-聚烯烃树脂层；3-抗结垢层。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道，包括从外到内设置的高导热层1、聚烯烃树脂层2和抗结垢层3，所述高导热层1、聚烯烃树脂层2和抗结垢层3的层厚比为8:1:1。
所述高导热层1由高导热复合材料挤塑而成；高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒1-10份；其中，所述高导热功能母粒包括碳纳米管1-10份、偶联剂1-3份。
所述聚烯烃树脂层2由耐热聚乙烯材料挤塑而成。
所述抗结垢层3由抗结垢复合材料挤塑而成；所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒1-10份；其中所述抗结垢功能母粒包括二氧化硅1-10份、聚乙烯醇2-6份。
特别的，所述高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、功能母粒1-8份；所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒2-8份。
特别的，所述高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、功能母粒3-7份；所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒4-8份。
所述高导热功能母粒中的碳纳米管为单壁碳纳米管，管径为0.8-1.5nm。
所述高导热功能母粒中的偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、KH-560、KH-570中的一种或多种。
所述抗结垢功能母粒中的二氧化硅为未经表面处理的气相二氧化硅。
所述抗结垢功能母粒中聚乙烯醇的重均分子质量为18000-20000。
上述具有高导热性能的抗结垢地暖管道的具体制备方法如下：
将高导热层1的高导热复合材料加入到第一台挤出机中。
将聚烯烃树脂层2的耐热聚乙烯材料加入到第二台挤出机中。
将抗结垢层3的抗结垢复合材料加入到第三台挤出机中。
利用三台挤出机采用三层共挤的方式，经过口芯模、真空定径、冷却定型等步骤后得到具有高导热性能的抗结垢塑料管道。
高导热层1的高导热复合材料制备方法如下：
称取一定量的单壁碳纳米管于超声波清洗器中分散30-60min，在三口烧瓶中加入一定量的乙醇溶液，水浴搅拌加热至60-80℃，缓慢滴加2-5滴偶联剂，水解10-30min后，加入分散好的单壁碳纳米管反应1-2h，反应结束后，经真空抽滤并用乙醇反复洗涤后在真空干燥箱中于120℃下烘干6h，经研磨后得到表面改性的单壁碳纳米管粉末。然后按照配方将聚烯烃树脂和改性后的单壁碳纳米管分别从主喂料口和侧喂料口加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，温度为190-200℃，双螺杆挤出机的长径比≥30，经剪切造粒后得到高导热复合材料。
抗结垢层3的抗结垢复合材料制备方法如下：
按配比称取烘干后的气相二氧化硅粉末和聚乙烯醇粉末，倒入高速搅拌机中，搅拌10-20min，然后按照配方将聚烯烃树脂和混合好的改性助剂分别从主喂料口和侧喂料口加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，温度为190-200℃，双螺杆挤出机的长径比≥30，经剪切造粒后得到抗结垢复合材料。
高导热层挤出机的模头温度为205-215℃，机筒温度为195-205℃。
聚烯烃树脂层挤出机的模头温度为195-205℃，机筒温度为185-195℃。
抗结垢层挤出机的模头温度为200-210℃，机筒温度为190-200℃。
管道在挤出过程中的牵引速度为20-30m/min，口模内径尺寸为30-45mm。
具体实施例1：
一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道，包括从外到内设置的高导热层1、聚烯烃树脂层2和抗结垢层3，所述高导热层、聚烯烃树脂层和抗结垢层的层厚比为8:1:1。
所述高导热层1由高导热复合材料挤塑而成；高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒3份。
所述聚烯烃树脂层2由耐热聚乙烯材料挤塑而成。
所述抗结垢层3由抗结垢复合材料挤塑而成；所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒4份。
将高导热层1的高导热复合材料加入到第一台挤出机中。
将聚烯烃树脂层2的耐热聚乙烯材料加入到第二台挤出机中。
将抗结垢层3的抗结垢复合材料加入到第三台挤出机中。
利用三台挤出机采用三层共挤的方式，经过口芯模、真空定径、冷却定型等步骤后得到具有高导热性能的抗结垢塑料管道。
具体实施例2：
一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道，包括从外到内设置的高导热层1、聚烯烃树脂层2和抗结垢层3，所述高导热层、聚烯烃树脂层和抗结垢层的层厚比为8:1:1。
所述高导热层1由高导热复合材料挤塑而成；高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒5份。
所述聚烯烃树脂层2由耐热聚乙烯材料挤塑而成。
所述抗结垢层3由抗结垢复合材料挤塑而成；所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒6份。
将高导热层1的高导热复合材料加入到第一台挤出机中。
将聚烯烃树脂层2的耐热聚乙烯材料加入到第二台挤出机中。
将抗结垢层3的抗结垢复合材料加入到第三台挤出机中。
利用三台挤出机采用三层共挤的方式，经过口芯模、真空定径、冷却定型等步骤后得到具有高导热性能的抗结垢塑料管道。
具体实施例3：
一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道，包括从外到内设置的高导热层1、聚烯烃树脂层2和抗结垢层3，所述高导热层、聚烯烃树脂层和抗结垢层的层厚比为8:1:1。
所述高导热层1由高导热复合材料挤塑而成；高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒7份。
所述聚烯烃树脂层2由耐热聚乙烯材料挤塑而成。
所述抗结垢层3由抗结垢复合材料挤塑而成；所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒8份。
将高导热层1的高导热复合材料加入到第一台挤出机中。
将聚烯烃树脂层2的耐热聚乙烯材料加入到第二台挤出机中。
将抗结垢层3的抗结垢复合材料加入到第三台挤出机中。
利用三台挤出机采用三层共挤的方式，经过口芯模、真空定径、冷却定型等步骤后得到具有高导热性能的抗结垢塑料管道。
具体实施例1-3的任一实施例中基础其的工艺条件如表1所示：
表1
根据GB/T 3399-1982护热平板法，按照实施例1-3中的配方制备测试样品，在常温常湿下的条件下测试导热系数，测试结果如表2所示：
表2
| 测试项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 导热系数 | 0.51W/m k | 0.72W/m k | 0.83W/m k |
由表中测试数据可知，所制样品的导热系数随高导热功能母粒含量的增加而逐渐增大，最大为0.83W/m k。相比于纯耐热聚乙烯的0.41W/m k提高了102.44％。
根据GB/T 30693-2014，按照实施例1-3中的配方制备测试样品，在常温的条件下进行接触角测试，测试结果如表3所示：
表3
| 测试项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 接触角 | 30° | 22° | 18° |
由表中测试数据可知，所制样品的接触角随抗结垢功能母粒含量的增加而逐渐减小，最大为18°。相比于纯耐热聚乙烯的98°降低了81.63％。
本发明所制备的具有高导热性能的抗结垢地暖管道，由于提高了管材本体的导热性数，单位时间内的热通量得到显著提高，相比于普通地暖管道可以将供水中的热量以更高的效率和更快的时间转移到室内，从而可以使房间内的温度快速升高到设定温度，起到舒适节能的目的；而管道内层的亲水材料则可以在管道内壁覆盖一层亲水膜，有效降低黏泥及污垢等的附着力，从根本上解决内壁易结垢的问题，从而防止因结垢而导致的管道阻塞、水力分配不均衡而引起的温度不均等现象。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有高导热性能的抗结垢地暖管道，其特征在于，管道由外到内依次设置三层，分别为高导热层(1)、聚烯烃树脂层(2)和抗结垢层(3)，所述高导热层(1)、聚烯烃树脂层(2)和抗结垢层(3)的厚度比为8:1:1；
所述高导热层(1)由高导热复合材料挤塑而成；高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒1-10份；其中，所述高导热功能母粒包括碳纳米管1-10份、偶联剂1-3份；
所述聚烯烃树脂层(2)由耐热聚乙烯材料挤塑而成；
所述抗结垢层(3)由抗结垢复合材料挤塑而成；所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒1-10份；其中所述抗结垢功能母粒包括二氧化硅1-10份、聚乙烯醇2-6份。
2.根据权利要求1所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道，其特征在于：所述高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒1-8份；
所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒2-8份。
3.根据权利要求1所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道，其特征在于：所述高导热复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、高导热功能母粒3-7份；
所述抗结垢复合材料的组成成分及其质量份数为：耐热聚乙烯100份、抗结垢功能母粒4-8份。
4.根据权利要求1所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道，其特征在于：所述高导热功能母粒中的碳纳米管为单壁碳纳米管，管径为0.8-1.5nm。
5.根据权利要求1所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道，其特征在于：所述高导热功能母粒中的偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、KH-560、KH-570中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道，其特征在于：所述抗结垢功能母粒中的二氧化硅为未经表面处理的气相二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道，其特征在于：所述抗结垢功能母粒中聚乙烯醇的重均分子质量为18000-20000。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道中，所述高导热层(1)的高导热复合材料的制备方法，其特征在于：
称取一定量的单壁碳纳米管于超声波清洗器中分散30-60min，在三口烧瓶中加入一定量的乙醇溶液，水浴搅拌加热至60-80℃，缓慢滴加2-5滴偶联剂，水解10-30min后，加入分散好的单壁碳纳米管反应1-2h，反应结束后，经真空抽滤并用乙醇反复洗涤后在真空干燥箱中于120℃下烘干6h，经研磨后得到表面改性的单壁碳纳米管粉末；然后按照配方将聚烯烃树脂和改性后的单壁碳纳米管分别从主喂料口和侧喂料口加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，温度为190-200℃，双螺杆挤出机的长径比≥30，经剪切造粒后得到高导热复合材料。
9.一种根据权利要求1-7任一项所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道中，所述抗结垢层(3)的抗结垢复合材料的制备方法，其特征在于：
按配比称取烘干后的气相二氧化硅粉末和聚乙烯醇粉末，倒入高速搅拌机中，搅拌10-20min，然后按照配方将聚烯烃树脂和混合好的改性助剂分别从主喂料口和侧喂料口加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，温度为190-200℃，双螺杆挤出机的长径比≥30，经剪切造粒后得到抗结垢复合材料。
10.一种根据权利要求1-7任一项所述的具有高导热性能的抗结垢地暖管道的制备方法，其特征在于：
利用三台挤出机采用三层共挤的方式，经过口芯模、真空定径、冷却定型等步骤后得到具有高导热性能的抗结垢塑料管道；
高导热层(1)挤出机的模头温度为205-215℃，机筒温度为195-205℃；
聚烯烃树脂层(2)挤出机的模头温度为195-205℃，机筒温度为185-195℃；
抗结垢层(3)挤出机的模头温度为200-210℃，机筒温度为190-200℃；
管道在挤出过程中的牵引速度为20-30m/min，口模内径尺寸为30-45mm。
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