CN113527840A - 一种内衬层环氧树脂的夹砂管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内衬层环氧树脂的夹砂管及其制备方法，由内衬层、过渡层、中间结构层、内增强层、外表面树脂保护层组成夹砂管。所述内衬层为环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂固化成型，过渡层为Fe3O4‑TETA‑SiO2@PDVBJanus粒子，以改善内衬层与中间结构层之间的粘接力。由于传统胺固化的环氧树脂会对自由基固化的不饱和树脂具有阻聚作用，所以在胺固化的环氧树脂表面直接使用不饱和树脂，或者在不饱和树脂未充分固化时直接使用环氧树脂/胺体系时，两者之间不能形成有效的界面粘接，因此限制了环氧树脂和不饱和树脂混合成型在夹砂管中应用。通过在酸酐固化的环氧树脂和不饱和树脂之间增加一层Fe3O4‑TETA‑SiO2@PDVBJanus为过渡层，可以有效的解决这个问题。
Description
技术领域
本发明属于玻璃钢夹砂管领域，涉及一种内衬层环氧树脂的夹砂管及其制备方法。
背景技术
玻璃钢夹砂管是以不饱和树脂为基体粘合材料，玻璃纤维及其制品为增强材料，优质级配石英砂为填充材料，在成型心轴上绕制成管，经过固化、脱模和热处理而成的新型复合材料管道，其比重较轻，承插式连接，运输安装方便，操作工艺简单，安装速度快，适用于复杂地形施工环境的运输吊装；玻璃钢夹砂管管材具有一定的柔性，能抵御外界的压力和基础沉降所引起的破坏；玻璃钢夹砂管具有优良的耐腐蚀性，能抵抗多种化学性介质的腐蚀，对水质的适应性好，且对水质无二次污染；玻璃钢夹砂管具有较高的强度、良好的耐热性和电绝缘性，适用于-30～120℃的环境温度范围，使用寿命长，免维护；玻璃钢夹砂管内壁光滑，具有优良的水力性特点，糙率低，水力特性好，不结水垢；玻璃钢夹砂管造价便宜、安装费用少、经济实用、综合投资低。由于玻璃钢夹砂管有上述优越性能，世界各国都在积极研制和推广，其广泛应用于供水、供热、石油、化工、能源、海洋开发及污水处理等领域。但是目前玻璃钢夹砂管道内衬层经过长期大量的水流冲刷，管壁出现明显分层，纤维拉伸破坏、脱落、断裂等现象，给安全带来了巨大的隐患。需要寻求更加优良的基体粘合材料，提高夹砂管内衬层的抗冲击能力和耐磨性能。
环氧树脂是指分子结构中含有2个或2个以上环氧基并在适当的化学试剂存在下能形成三维网状固化物的化合物的总称，是一类重要的热固化树脂。环氧树脂具有很强的内聚力，分子结构致密，所有它的力学性能高于不饱和聚酯树脂；环氧树脂固体体系中含有活性极大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基体，赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝土、木材等极性基材以优良的附着力；环氧固化物具有优良的化学稳定性，其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性能优于不饱和聚酯树脂。尽管目前行业内夹砂管内衬层主要以不饱和聚酯树脂为基体粘合材料，但是环氧树脂较不饱和聚酯树脂具有更好的内聚力、附着力、化学稳定性，若将环氧树脂应用于夹砂管内衬层，可较好优化夹砂管内衬层的抗冲击能力和耐磨性能。
但是，由于环氧树脂-胺固化剂体系固化物，对自由基聚合反应具有阻聚作用，因此，如果在胺固化的环氧树脂表面直接成型不饱和树脂，不能形成有效的界面粘接。另外，在未充分固化的不饱和树脂表面直接成型环氧树脂，也不能形成有效的界面粘接。现阶段，一般只能在充分固化的不饱和树脂及其复合材料表面，直接成型环氧树脂-胺固化剂体系，而无法在已经成型的环氧树脂/胺固化剂体系表面，直接成型不饱和树脂体系，也不能在未充分固化的不饱和树脂表面，直接成型环氧树脂/胺固化剂体系；不饱和树脂仅能和酸酐固化环氧树脂体系有一定兼容性，这就限制了环氧树脂与不饱和树脂的混合成型在夹砂管应用。
采用1-氰乙基-2-十一烷基偏苯三酸咪唑盐或者1-氰乙基-2-苯基偏苯三酸咪唑盐作为促进剂，一方面由于具有促进活性很高的咪唑环结构，另一方面引入的稀土有机化合物中稀土金属的空轨道与咪唑环结构络合，从而限制了体系的随机反应，至使交联网络更为均匀，从而提高了环氧树脂的各项性能。
Janus材料由于其拥有两个具有不同化学组成的表面，一部分表面亲水，而另一部分表面同时亲油。本发明采用Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子为过渡层，制备方案按照程威(双球Janus粒子对丙烯酸树脂/环氧树脂复合材料的界面铆钉和增容行为[D].福建师范大学,2019.)获得TETA-SiO2@PDVB Janus粒子，其中亲水端为TETA接枝SiO2，疏水端为PDVB。再在TETA-SiO2@PDVB Janus粒子的亲水端负载Fe3O4。程威制造的TETA-SiO2@PDVB Janus粒子应用于丙烯酸树脂/环氧树脂复合材料，起到的作用为界面铆钉和增容行为。本发明采用Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子为过渡层，基体采用不饱和树脂/环氧树脂复合材料，与程威的方案相比，有3处不同：第一，其基体不同；第二，程威未将其应用于玻璃钢夹砂管领域；第三，亲水端负载Fe3O4，模具与管外层施加一定高压静电电场，通过调整高压静电电场的电压和方向，到达调节Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子受到的合力(重力、电场力、Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子与环氧树脂之间的吸附力，这三种力的合)。该合力使Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子颗粒定向排列在环氧树脂层外表面，从而Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子颗粒亲水端含有的胺基参与环氧固化，疏水端PDVB含有的双键，参与不饱和聚酯的固化，提高了环氧树脂与不饱和树脂之间界面的粘接力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，在环氧树脂/酸酐固化剂体系和不饱和树脂体系之间，增加一层过渡层，提高两种体系的粘接力，从而获得抗冲击能力和耐磨性能好的内衬层环氧树脂的夹砂管。
实现本发明目的的技术方案是：
由内衬层、过渡层、中间结构层、内增强层、外表面树脂保护层组成夹砂管。所述内衬层为环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂固化成型，过渡层为Fe3O4-TETA-SiO2@PDVBJanus粒子。按等当量比计，将环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂按一定配比喷涂于模具上，在环氧树脂未固化前均匀喷涂过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子，模具与管外层施加一定高压静电电场，通过调整高压静电电场的电压和方向，使过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒定向排列，再依次涂覆上以不饱和树脂为基体的中间结构层、内增强层、外表面树脂保护层。
所述的Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子的亲水端为三乙烯四胺(TETA)接枝SiO2，疏水端为聚二乙烯基苯(PDVB)，在亲水端负载Fe3O4,模具与管外层施加一定高压静电电场，使亲水端朝向环氧树脂。
所述的促进剂由A组份和B组分组成。
所述的A组分指的是1-氰乙基-2-十一烷基偏苯三酸咪唑盐、1-氰乙基-2-苯基偏苯三酸咪唑盐之一或其组合。
所述的B组分为稀土有机化合物。
本发明的有益效果是：1.一方面由于环氧树脂具有环氧官能团，与Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米的亲水端胺基形成化学键；另一方面Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒平铺在环氧树脂表面，有效阻隔了环氧树脂体系对不饱和树脂体系的自由基聚合反应阻聚作用，同时由于Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒的疏水侧含双键，参与不饱和聚酯的固化，从而提高了环氧树脂与不饱和树脂之间界面的粘接力。2.为了防止亲水侧参与不饱和聚酯的固化，疏水侧与环氧就没有作用力。在模具和管外层间施加一定电压一定方向高压静电电场，通过调整高压静电电场的电压和方向，达达调节Fe3O4-TETA-SiO2@PDVBJanus纳米颗粒受到的合力(重力、电场力、Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米与环氧树脂之间的吸附力，这三种力的合力)。该合力使Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒定向排列在环氧树脂层外表面，从而Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒亲水端含有的胺基，参与环氧固化，疏水端含有的双键，参与不饱和聚酯的固化。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
下面，通过实施例进一步详细说明本发明。
实施例1
在环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂复合材料表面，未固化前涂覆一层过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒，两侧施加一定电压一定方向高压静电电场，再涂覆上以不饱和树脂为基体的结构层。促进剂由1-氰乙基-2-十一烷基偏苯三酸咪唑盐和稀土有机化合物复合。室温下放置48小时后，测试结构层的附着力和样品的拉伸强度。
实施例2
在环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂复合材料表面，未固化前涂覆一层过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒，两侧施加一定电压一定方向高压静电电场，再涂覆上以不饱和树脂为基体的结构层。促进剂由1-氰乙基-2-苯基偏苯三酸咪唑盐和稀土有机化合物复合。室温下放置48小时后，测试结构层的附着力和样品的拉伸强度。
对比例1
在环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂复合材料表面，再涂覆上以不饱和树脂为基体的结构层。促进剂由1-氰乙基-2-十一烷基偏苯三酸咪唑盐和稀土有机化合物复合。室温下放置48小时后，测试结构层的附着力和样品的拉伸强度。
对比例2
在环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂复合材料表面，再涂覆上以不饱和树脂为基体的结构层。促进剂由1-氰乙基-2-苯基偏苯三酸咪唑盐和稀土有机化合物复合。室温下放置48小时后，测试结构层的附着力和样品的拉伸强度。
对比例3
在环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂复合材料表面，未固化前涂覆一层过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒，再涂覆上以不饱和树脂为基体的结构层。促进剂由1-氰乙基-2-十一烷基偏苯三酸咪唑盐和稀土有机化合物复合。室温下放置48小时后，测试结构层的附着力和样品的拉伸强度。
对比例4
在环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂复合材料表面，未固化前涂覆一层过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒，再涂覆上以不饱和树脂为基体的结构层。促进剂由1-氰乙基-2-苯基偏苯三酸咪唑盐和稀土有机化合物复合。室温下放置48小时后，测试结构层的附着力和样品的拉伸强度。
对比例5
在环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂复合材料表面，未固化前涂覆一层过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒，两侧施加一定电压一定方向高压静电电场，再涂覆上以不饱和树脂为基体的结构层。促进剂为1-氰乙基-2-十一烷基偏苯三酸咪唑盐。室温下放置48小时后，测试结构层的附着力和样品的拉伸强度。
对比例6
在环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂复合材料表面，未固化前涂覆一层过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒，两侧施加一定电压一定方向高压静电电场，再涂覆上以不饱和树脂为基体的结构层。促进剂为1-氰乙基-2-苯基偏苯三酸咪唑盐。室温下放置48小时后，测试结构层的附着力和样品的拉伸强度。
对比例7
在环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂复合材料表面，未固化前涂覆一层过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒，两侧施加一定电压一定方向高压静电电场，再涂覆上以不饱和树脂为基体的结构层。促进剂为稀土有机化合物。室温下放置48小时后，测试结构层的附着力和样品的拉伸强度。
上述附着力使用美国DeFelsko公司PosiTest AT-M数字显示拉拔式附着力测试仪，按照ATSM D4541标准测试。
上述拉伸强度使用美特斯工业系统(中国)有限公司按照E43.104微控万能拉力机，按照GB/T 21238-2007《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管》标准测试。
将上述实施例和对比例的测试结果列入下表中：
通过上表的测试结果分析可知，对比例1、2的测试结果表明，在环氧树脂/酸酐固化剂体系固化物表面直接成型不饱和树脂体系，界面粘接力较弱。而实施例1与对比例1的对比，实施例2与对比例2的对比表明，在环氧树脂/酸酐固化剂体系表面涂覆过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒，两侧施加一定电压一定方向高压静电电场，再涂覆上以不饱和树脂为基体的结构层，可以有效地增加界面粘接力。实施例1和实施例2与对比例3和对比例4的对比表明，两侧施加一定电压一定方向高压静电电场，有效防止羧基参与不饱和聚酯的固化，疏水侧与环氧没有作用力的现象。实施例1和实施例2与对比例5、对比例6、对比例7的对比表明，稀土有机化合物中稀土金属的空轨道与咪唑环结构络合，从而限制了体系的随机反应，至使交联网络更为均匀，从而提高了环氧树脂的各项性能。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种内衬层环氧树脂的夹砂管，其特征在于，所述内衬层环氧树脂的夹砂管按照以下步骤制备得到：
由内衬层、过渡层、中间结构层、内增强层、外表面树脂保护层组成夹砂管。所述内衬层为环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂固化成型，过渡层为Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子。按等当量比计，将环氧树脂/生物质松香酸酐/促进剂按一定配比喷涂于模具上，在环氧树脂未固化前均匀喷涂过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子，同时模具与管外层施加一定高压静电电场，使过渡层Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus纳米颗粒定向排列，依次涂附上以不饱和树脂为基体的中间结构层、内增强层、外表面树脂保护层。
2.根据权利要求1所述的内衬层环氧树脂的夹砂管，其特征是：所述的Fe3O4-TETA-SiO2@PDVB Janus粒子的亲水端为三乙烯四胺(TETA)接枝SiO2，疏水端为聚二乙烯基苯(PDVB)，在亲水端负载Fe3O4,模具与管外层施加一定高压静电电场，使亲水端朝向环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的内衬层环氧树脂的夹砂管，其特征是：所述的促进剂由A组份和B组分组成。
4.根据权利要求3所述的一种内衬层环氧树脂的夹砂管，其特征是：所述的A组分指的是1-氰乙基-2-十一烷基偏苯三酸咪唑盐、1-氰乙基-2-苯基偏苯三酸咪唑盐之一或其组合。
5.根据权利要求3所述的一种内衬层环氧树脂的夹砂管，其特征是：所述的B组分为稀土有机化合物。
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