CN113757458B - 一种埋地pc/abs合金管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及埋地管道材料结构设计领域，有其涉及一种埋地PC/ABS合金管及其制备方法。其包括：管道主体和缠绕结构；所述缠绕结构轴向螺旋或环形缠绕在管道主体外表面；所述缠绕结构和管道主体均采用PC/ABS合金塑料进行挤塑成型制备；所述缠绕结构采用曲线形挤出头挤出成型在管道主体的外表面；所述曲线形两端对准管道主体外表面，挤出成型后在管道主体的轴向截面上缠绕结构呈曲线形且其两端与管道主体外表面连接、形成封闭且沿缠绕结构设置在缠绕结构与管道主体外表面之间的空槽。本发明埋地PC/ABS合金管能够非常显著地提高埋地管道的环刚度，普遍达到3.5 MPa以上；制备过程简单高效，材料成本相对较为低廉。

Description

一种埋地PC/ABS合金管及其制备方法

技术领域

本发明涉及埋地管道材料结构设计领域，有其涉及一种埋地PC/ABS合金管及其制备方法。

背景技术

管道作为物料输送的一种重要设施，对于现代工农业生产以及人民生活的重要性是不言而喻地。管道输送是除水运、航运、公路和铁路之外的第五大现

代生产运输方式，在国家建设中占据着非常重要的地位，因此被喻为“地下生命线工程”。目前，在市政埋地管道应用方面，PC/ABS合金管以其耐腐蚀、重量轻、密封性好、管壁光滑、使用寿命长、过流能力大、施工速度快、运输安装方便以及适应场地沉降的大变形能力等优点。某些应用领域（比如城市排水）替代传统管材已是作为一种趋势。

在埋地管供排水领域中供水管需要承受的次高压一般会达到2.0MPa～3.5MPa公称压力，因此在埋地供排水这样的管内部需要承受上述的次高压工作环境中，传统的单一的管道环刚度低，地下由于压力多变，容易发生泄露和破坏。

发明内容

为解决传统的埋地管道存在环刚度低、容易损坏，且自然环境复杂，传统管道对于自然环境的适应性差，除送水次高压损坏的情况外还容易由于埋地后自然环境中的岩石、虫害等影响产生损伤、损坏的问题，本发明提供了一种埋地PC/ABS合金管。

本发明的目的在于：

一、能够显著提高管道的环刚度；

二、增强管道设置的稳定性；

三、提高管道对于自然环境的适应性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种埋地PC/ABS合金管，包括

管道主体和缠绕结构；

所述缠绕结构轴向螺旋或环形缠绕在管道主体外表面；

所述缠绕结构和管道主体均采用PC/ABS合金塑料进行挤塑成型制备；

所述缠绕结构采用曲线形挤出头挤出成型在管道主体的外表面；

所述曲线形两端对准管道主体外表面，挤出成型后在管道主体的轴向截面上缠绕结构呈曲线形且其两端与管道主体外表面连接、形成封闭且沿缠绕结构设置在缠绕结构与管道主体外表面之间的空槽。

本发明采用特殊的螺旋形结构或环形结构配合管道主体，首先能够提高埋地管在地下设置的稳定性，使其不易发生相对滑动，保证了整体管道的连续性不易受损，一定程度上提高了其环境适应性。另一方面，环形缠绕结构或螺旋缠绕结构均能够有效提高管道的环刚度，采用相同的市售PC/ABS合金塑料（230NH）进行管道的制备对比，设有螺旋形结构或环形结构缠绕结构的埋地管道相较于单独的管道主体，其环刚度能够提高40 %以上。

同时中空的缠绕结构相较于实心的缠绕结构，其实际能够起到的环刚度强化效果基本相当，同时又能够进一步节省物料，且减轻埋地管道整体的重量。

作为优选，

所述缠绕结构外部设有向管道主体凹陷的陷槽；

所述陷槽沿缠绕结构螺旋或环形设置。

所述陷槽的设置能够进一步提高埋地管道整体的结构稳定性，进一步提高其环刚度，同时相当于在缠绕结构外表面形成类似“螺纹”的结构，能够更加显著地提高埋地管道的设置稳定性。

作为优选，

所述缠绕结构采用M形挤出头挤出成型。

M形的缠绕结构本身即具有良好的结构稳定性，对于抗弯、抗剪切以及抗压性能等，均能够有较为明显的提升。

作为优选，

所述空槽内沿缠绕结构贯穿设有加强构件。

加强构件能够对缠绕结构形成进一步的支撑强化，两个分体式的结构相较于完全实心的结构，具备更优的缓冲性能，对于极限抗压能力有所提升。

作为优选，

所述加强构件截面为曲线形。

实际最优的加强构件截面构型应与缠绕结构截面构型相当，如缠绕结构截面为M形，则加强构件截面也应当为M形。

作为优选，

所述缠绕结构和管道主体挤出成型所需的挤塑物料由以下质量百分比的物质构成：

水凝胶6～18 %，氧化锌1～3 %，硬脂酸2～6 %，余量为PC/ABS合金塑料。

在上述的物料配比中，合金塑料作为主要且常见的主体物料，其具有防水解、耐热、阻燃等性能，作为主成分。而与常见的埋地管道所不同的是，本发明挤塑物料采用水凝胶对其进行强化，主要是通过水凝胶进一步提高管道整体的强韧性，使其具有更强的极限抗压阈值，在受到极限高压的情况下更不容易发生破裂，同时能够一定程度上降低材料比重，实现管道的轻量化。

作为优选，

所述水凝胶为BC/PEG复合水凝胶。

上述的水凝胶能够形成互穿交联网络结构，并且基于PEG的特性，其能够更加有效地形成交联晶体结构，在定向受力中通过拉伸和释放循环能够形成有效的应力吸收和释放，并且其与BC（细菌纤维素）配合的情况下，能够具备一定的自修复特性，对于自然环境中由于振动等因素造成的表面划损，其能够实现一定的自修复，以避免埋地管道在局部产生大量划损后容易导致局部断裂破损等问题发生。

此外，BC具有强持水的特性，能够较为有效地提高复合水凝胶的性能。避免其干化粉化等问题发生，导致互穿网络结构断裂、受损。

作为优选，

所述BC/PEG复合水凝胶由以下方法进行制备：

于35～45 ℃条件下将PEG溶于过量水中，得到PEG水溶液，加入引发剂搅拌至完全溶解，再加入细菌纤维素粉末并升温至75～85 ℃搅拌溶解均匀，降温至60～65 ℃并插入电极进行高压放电，至溶液出现凝胶状物体，随后恒温反应2～3 h后过滤去除液体，即得到BC/PEG复合水凝胶。

上述制备方法所得的复合水凝胶以PEG为主体，BC辅助形成互穿网络结构，同时BC能够一定程度缠绕在PEG的凝胶网络上。此外，上述的高压放电应当控制放电电压为560～580 V，持续放电时间约为6～8 min，相较于其余高压激发的复合PEG凝胶聚合反应，能够以更低的电压实现激发，降低了制备成本，并且能够保持其具有较高的吸水倍率，能够达到180 倍以上的吸水倍率。

此外，通常而言，BC的用量应占BC和PEG总量的约8～12 wt%。

作为优选，

所述挤塑物料的配制方法为：

将脱水后的水凝胶置于醇溶剂中，将氧化锌粉末加入醇溶剂中，超声分散使氧化锌粉末负载在水凝胶上，过滤后冷冻干燥至其重量为饱和重量的20～30 %，得到负载有氧化锌的水凝胶，切割为粒径≤10×10×10 mm的块状后，将其与PC/ABS合金塑料颗粒和硬脂酸混合，得到挤塑物料。

通过上述的制备方法，首先将氧化锌负载在水凝胶上，水凝胶少量含水能够确保其挤塑过程中不会由于高温过度失水而粉化、失去其强化作用，而含水量过大则容易在挤塑过程中导致PC/ABS合金塑料无法有效进行熔炼挤塑。在该过程中，BC与PEG配合后的强持水性能够确保PC/ABS合金塑料所处的环境中相对干燥，实现有效的“干湿分离”，此外，氧化锌和硬脂酸能够配合反应以补充挤塑过程水凝胶的失水，同时形成一定的填充强化。

一种埋地PC/ABS合金管的制备方法，

所述方法包括：

1）挤塑成型制备管道主体；

2）在管道主体外表面通过挤塑成型的方式制备缠绕结构，或制备缠绕结构后在缠绕结构空槽内插入加强构件；

所述挤塑成型温度为180～210 ℃。

相较于常规的PC/ABS挤塑温度，本发明采用了较低的挤塑温度，以确保水凝胶结构的完整。

本发明的有益效果是：

1）能够非常显著地提高埋地管道的环刚度，普遍达到3.5 MPa以上；

2）材料本身具有良好的化学稳定性，具有良好的环境适应性，无需考虑管道的地下防腐问题；

3）制备过程简单高效，材料成本相对较为低廉；

4）管道固定性优异，能够保证管道的连续性；

5）具有一定的自修复性能，具有更长的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的轴测结构示意图；

图2为本发明的正视结构示意图；

图3为缠绕结构部分的放大示意图；

图4为本发明埋地PC/ABS合金管整体轴向剖面示意图；

图中：100管道主体，200缠绕结构，201空槽，202陷槽，300加强构件。

具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定，“若干”的含义是表示一个或者多个。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。

实施例1

BC/PEG复合水凝胶的制备：

于40 ℃条件下将45 g固体PEG粉末溶于其2000 g去离子中，得到PEG水溶液，加入N’N-亚甲基双丙烯酰胺搅拌至完全溶解，再加入5 g细菌纤维素粉末并升温至80 ℃搅拌溶解均匀，降温至65 ℃并插入电极进行持续6 min的580 V高压放电，至溶液出现凝胶状物体，随后恒温反应2 h后过滤去除液体，即得到BC/PEG复合水凝胶。

实施例2

BC/PEG复合水凝胶的制备：

于45 ℃条件下将44 g固体PEG粉末溶于其2000 g去离子中，得到PEG水溶液，加入N’N-亚甲基双丙烯酰胺搅拌至完全溶解，再加入6 g细菌纤维素粉末并升温至85 ℃搅拌溶解均匀，降温至65 ℃并插入电极进行持续7 min的580 V高压放电，至溶液出现凝胶状物体，随后恒温反应2 h后过滤去除液体，即得到BC/PEG复合水凝胶。

实施例3

BC/PEG复合水凝胶的制备：

于35 ℃条件下将46 g固体PEG粉末溶于其2000 g去离子中，得到PEG水溶液，加入N’N-亚甲基双丙烯酰胺搅拌至完全溶解，再加入4 g细菌纤维素粉末并升温至75 ℃搅拌溶解均匀，降温至60 ℃并插入电极进行持续8 min的560 V高压放电，至溶液出现凝胶状物体，随后恒温反应2 h后过滤去除液体，即得到BC/PEG复合水凝胶。

实施例4

挤塑物料的配制方法为：

对实施例1所制得的水凝胶进行20 min乙醇浸渍置换脱水后取12 g脱水后的水凝胶浸没叔丁醇溶剂中，将2 g氧化锌粉末加入叔丁醇溶剂中，超声分散使氧化锌粉末负载在水凝胶上，过滤后冷冻干燥至其重量为饱和重量的25 %，得到负载有氧化锌的水凝胶，切割为粒径≤10×10×10 mm的块状后，将其与82 g PC/ABS合金塑料颗粒和4 g硬脂酸混合均匀，得到挤塑物料。

实施例5

挤塑物料的配制方法为：

对实施例2所制得的水凝胶进行20 min乙醇浸渍置换脱水后取12 g脱水后的水凝胶浸没叔丁醇溶剂中，将2 g氧化锌粉末加入叔丁醇溶剂中，超声分散使氧化锌粉末负载在水凝胶上，过滤后冷冻干燥至其重量为饱和重量的25 %，得到负载有氧化锌的水凝胶，切割为粒径≤10×10×10 mm的块状后，将其与82 g PC/ABS合金塑料颗粒和4 g硬脂酸混合均匀，得到挤塑物料。

实施例6

挤塑物料的配制方法为：

对实施例3所制得的水凝胶进行20 min乙醇浸渍置换脱水后取12 g脱水后的水凝胶浸没叔丁醇溶剂中，将2 g氧化锌粉末加入叔丁醇溶剂中，超声分散使氧化锌粉末负载在水凝胶上，过滤后冷冻干燥至其重量为饱和重量的25 %，得到负载有氧化锌的水凝胶，切割为粒径≤10×10×10 mm的块状后，将其与82 g PC/ABS合金塑料颗粒和4 g硬脂酸混合均匀，得到挤塑物料。

实施例7

挤塑物料的配制方法为：

对实施例1所制得的水凝胶进行20 min乙醇浸渍置换脱水后取6 g脱水后的水凝胶浸没叔丁醇溶剂中，将1 g氧化锌粉末加入叔丁醇溶剂中，超声分散使氧化锌粉末负载在水凝胶上，过滤后冷冻干燥至其重量为饱和重量的25 %，得到负载有氧化锌的水凝胶，切割为粒径≤10×10×10 mm的块状后，将其与91 g PC/ABS合金塑料颗粒和3 g硬脂酸混合均匀，得到挤塑物料。

实施例8

挤塑物料的配制方法为：

对实施例1所制得的水凝胶进行20 min乙醇浸渍置换脱水后取18 g脱水后的水凝胶浸没叔丁醇溶剂中，将3 g氧化锌粉末加入叔丁醇溶剂中，超声分散使氧化锌粉末负载在水凝胶上，过滤后冷冻干燥至其重量为饱和重量的25 %，得到负载有氧化锌的水凝胶，切割为粒径≤10×10×10 mm的块状后，将其与73 g PC/ABS合金塑料颗粒和6 g硬脂酸混合均匀，得到挤塑物料。

对比例1

挤塑物料的配制方法同实施例1，所不同的是：

以氧化硅替代氧化锌，以硬质酸钠替代硬脂酸。

分别采用180 ℃和210 ℃的挤塑温度，利用等质量的实施例1和对比例1的挤塑物料进行制备试验。

在180 ℃条件下，对比例1挤塑物料所制得产物标记为产物A1、实施例1挤塑物料所制得产物标记为产物A2；在210 ℃条件下，对比例1挤塑物料所制得产物标记为产物B1、实施例1挤塑物料所制得产物标记为产物B2。

对产物A1、产物A2、产物B1和产物B2进行称重，并利用烘箱法塑料水分仪对各个产物进行干物质量称定。称重结果显示，产物A1重量仅为产物A2的约96 %，产物B1重量仅为产物B2重量的94 %。烘箱法塑料水分仪干燥后产物A1、产物A2的干物质量相差率＜0.5 %，干燥后产物B1、产物B2的干物质量相差率＜0.5 %，表明实际产物A1和产物A2、产物B1和产物B2的实际质量差是由其含水量产生的。氧化锌和硬脂酸确实对于挤塑过程保持水凝胶含水量有着较为显著的帮助。

具体管道制备例

以上述所得的挤塑物料进行埋地PC/ABS合金管的挤塑制备，管道主体100、缠绕结构200和加强构件300均通过挤塑的方式进行制备，加强构件300单独制备穿入缠绕结构200的空槽201中，缠绕结构200，并与市售的PC/ABS合金管进行对比，具体如下表所示。

本制备例中均采用管道主体100均采用210 ℃的挤塑温度，确保其流平性更优，缠绕结构200均采用180 ℃的挤塑温度直接制备在管道主体100外表面，确保其构型完整，加强构件300采用205 ℃的挤塑温度，确保其表面平整。

具体的，

上述管道中，除管道G、管道J和管道K以外，均如图1和图2所示设有管道主体100和缠绕结构200，缠绕结构200通过挤出成型的方式直接制备在管道主体100外表面，管道G、管道J和管道K均仅有管道主体100；

所述缠绕结构200如图1和图2所示呈螺旋形缠绕绕设在管道主体100外表面，且缠绕结构200的沿管道主体100的轴向截面为曲线形，曲线形两端与管道主体100外表面连接，在缠绕结构200与管道主体100的外表面之间形成空槽201、缠绕结构200的外表面设有陷槽202，本实施例所述曲线形具体为M形，相较于其余的曲线形结构，M形具有较高的结构稳定性，且制备较为简单高效。

而上述管道中，管道A、管道B、管道C、管道D、管道E和管道H还设有加强构件300，如图3和图4所示，加强构件300截面也为M形，其单独成型制备后插入缠绕结构200的空槽201中。

对上述管道进行性能测试，测试结果如下表所示。所有试验均取十根等规格管道（标准600 mm内径管道、长度180 cm）进行，试验结果取均值记录。

上述测试中，极限氧指数依照GB/T 2460-93标准进行。

通过上述对比可以看出，对于整体埋地管道而言，缠绕结构200的设置能够非常显著地提高其环刚度以及实际额定所能够承载的压力，对比管道I和管道J，以及对比管道F和管道G可以看出，在3.0 MPa的额定压力下，其能够更好地保持其管道的结构，并且从环刚度的测试结果也可以明显直接看出。

此外，对比环刚度测试结果也可以看出，对于管道抗压能力而言，加强构件300的加入也有一定的提升作用。进一步对管道A、管道F和管道H进行振动试验，向下施加3.5 MPa额定压力压紧管道后置于振动试验台上控制振幅为5 mm、频率为90 Hz，持续24 h后管道A无损伤，管道F表面出现轻微裂痕，管道H出现较严重的裂痕。表明加强构件300能够显著地提升管道的抗振性能，对于复杂的自然环境，管道A显然具有更强的适应性，而对比管道A和管道H，可以看出本发明特殊的挤塑物料在加入水凝胶后，对于管道的强韧性有着明显的提升作用。

对管道A和管道H进行人工加速老化试验，试验依照GB/T 16259-2008标准进行。老化1000 h后，管道A的力学性能下降率≤2 %，而管道H的力学性能下降率约为3.6 %。结合上表检测结果，可以明显看出本发明所用的特殊挤塑物料相较于纯PC/ABS合金塑料而言，除了能够显著提高力学性能以外，还能够提高埋地管道的抗老化能力。

另外，根据上表检测结果，对比管道A、管道D和管道E的检测结果可以明显看出，水凝胶的加入量对于管道的力学性能有着较为显著的影响。管道的环刚度随着水凝胶、氧化锌和硬脂酸的加入量先上升后下降，其主要对力学性能产生影响的为水凝胶，水凝胶加入量为物料量的约12 wt%时，达到力学性能峰值。这主要是由于水凝胶交联互穿形成交联网络强化形成的，水凝胶的用量较少时，强化效果不佳，因此实际强化幅度较为有限，而水凝胶用量过多时，则弱化了作为主要原料的PC/ABS的力学性能。因此，需要恰当地选择水凝胶的加入量。

对比管道A、管道H、管道L和管道M，可以明显看出，并非所有的水凝胶均能够起到优异的力学性能强化效果，单独使用PEG水凝胶的情况下，管道L的力学性能相较于管道H有略微的提升，但相较于管道A有非常明显的下降，而管道M的环刚度甚至不及管道H。

在管道A、管道H、管道L和管道M的管道主体100外表面各刻出十道深1 mm、宽0.5mm、长15 mm的划痕。放置24 h后，管道A表面划痕基本消失，而管道H、管道L和管道M表面划痕基本不变。说明本发明所用的BC/PEG水凝胶却是能够使得本发明的埋地PC/ABS合金管产生一定的自修复性能，在复杂的自然环境中，具有自修复性能的管道显然具有更强的适应性，不容易由于划痕等损伤形式的不断累积导致管道产生薄弱处，进而破损。

综上，本发明技术方案从埋地PC/ABS合金管的结构和材料上进行了两方面、全面的改进，使其产生了综合更加优异的性能。

Claims (7)

1.一种埋地PC/ABS合金管，其特征在于，包括：

管道主体和缠绕结构；

所述缠绕结构轴向螺旋或环形缠绕在管道主体外表面；

所述缠绕结构和管道主体均采用PC/ABS合金塑料进行挤塑成型制备；

所述缠绕结构采用曲线形挤出头挤出成型在管道主体的外表面；

所述曲线形两端对准管道主体外表面，挤出成型后在管道主体的轴向截面上缠绕结构呈曲线形且其两端与管道主体外表面连接、形成封闭且沿缠绕结构设置在缠绕结构与管道主体外表面之间的空槽；

所述缠绕结构和管道主体挤出成型所需的挤塑物料由以下质量百分比的物质构成：

水凝胶6～18 %，氧化锌1～3 %，硬脂酸2～6 %，余量为PC/ABS合金塑料；

所述水凝胶为BC/PEG复合水凝胶；

所述BC/PEG复合水凝胶由以下方法进行制备：

于35～45 ℃条件下将PEG溶于过量水中，得到PEG水溶液，加入引发剂搅拌至完全溶解，再加入细菌纤维素粉末并升温至75～85 ℃搅拌溶解均匀，降温至60～65 ℃并插入电极进行高压放电，至溶液出现凝胶状物体，随后恒温反应2～3 h后过滤去除液体，即得到BC/PEG复合水凝胶。

2.根据权利要求1所述的一种埋地PC/ABS合金管，其特征在于，

所述缠绕结构外部设有向管道主体凹陷的陷槽；

所述陷槽沿缠绕结构螺旋或环形设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种埋地PC/ABS合金管，其特征在于，

所述缠绕结构采用M形挤出头挤出成型。

4.根据权利要求1所述的一种埋地PC/ABS合金管，其特征在于，

所述空槽内沿缠绕结构贯穿设有加强构件。

5.根据权利要求4所述的一种埋地PC/ABS合金管，其特征在于，

所述加强构件截面为曲线形。

6.根据权利要求1所述的一种埋地PC/ABS合金管，其特征在于，

所述挤塑物料的配制方法为：

将脱水后的水凝胶置于醇溶剂中，将氧化锌粉末加入醇溶剂中，超声分散使氧化锌粉末负载在水凝胶上，过滤后冷冻干燥至其重量为饱和重量的20～30 %，得到负载有氧化锌的水凝胶，切割为粒径≤10×10×10 mm的块状后，将其与PC/ABS合金塑料颗粒和硬脂酸混合，得到挤塑物料。

7.一种如权利要求1至6任一所述埋地PC/ABS合金管的制备方法，其特征在于，

所述方法包括：

1）挤塑成型制备管道主体；

2）在管道主体外表面通过挤塑成型的方式制备缠绕结构，或制备缠绕结构后在缠绕结构空槽内插入加强构件；

所述挤塑成型温度为180～210 ℃。

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