CN114458838B - 一种隔热保温复合管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隔热保温复合管及其制备方法，其结构包括管内层、套设于管内层外部的管外层以及分布在两者之间的纳米隔热层，管内层的外壁面具有多个容纳腔，所述纳米隔热层设置于容纳腔中。其制备方法为采用挤出成型的方式，先成型管内层，管内层的外壁成型有隔热材料的容纳腔；再将纳米隔热材料填充到管内层中；最后成型管外层。本发明的隔热保温复合管避免了在施工现场进行包裹保温材料，大大提高了隔热保温复合管的使用效率，同时本发明的制备方法，适用于各种外径大小的管材。
Description
技术领域
本发明属于复合管制备技术领域，具体涉及一种隔热保温复合管及其制备方法。
背景技术
输送高温液体、蒸汽等高温热能的管道往往需要具备一定的保温功能，以减少热能在输送过程中的损失，提高热能利用率。
目前，常用的管道保温的方法为使用具有保温功能的材料如泡沫塑料、气凝胶毡、棉花等在现场对管道构件进行包裹，但因管道外形为曲面或异形，直接在管道表面包裹时，保温材料往往不能很好地服帖在管道表面，安装精度差，最终导致较大的热损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术中存在的不足，提供一种隔热保温复合管及其制备方法。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种隔热保温复合管，包括管内层、套设于管内层外部的管外层以及分布在两者之间的纳米隔热层，管内层的外壁面具有多个容纳腔，所述纳米隔热层设置于容纳腔中。
较好地，所述纳米隔热层为纳米隔热材料压制成型，所述纳米隔热材料按质量份数包括100份纳米粉体、1~3份吸气剂、0~35份增强纤维和0~10份填料。
较好地，所述管内层和管外层的材质均为耐热聚乙烯、聚丙烯、聚酮、聚醚醚酮、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯或超高分子量聚乙烯；所述纳米粉体为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化锆、纳米气凝胶中的一种或多种；增强纤维为玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、碳纤维、硅酸铝纤维、陶瓷纤维、莫来石纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；吸气剂为活性炭、氧化钙、氧化镁、硅胶中的一种或多种；填料为碳化硅、硅酸锆、氮化硼、二氧化钛、碳粉、氧化铬、滑石粉中的一种或多种。
较好地，所述容纳腔的深度为20-80mm；所述管外层的壁厚为2-10mm。
较好地，所述容纳腔为凹槽形，所述纳米隔热层在所述容纳腔中压制成型。
较好地，所述隔热保温复合管还包括增强层，增强层设置在纳米隔热层与管外层之间；所述增强层为纤维增强材料。
上述隔热保温复合管制备方法为：
S1、成型管内层：管内层材质通过热塑挤出机挤出至管内层用模具中，经冷却定径制得管内层，管内层的外壁成型有隔热材料的容纳腔；
S2、填充纳米隔热材料：在管内层的容纳腔中填充纳米隔热材料，再通过模压将容纳腔中的纳米隔热材料压实为纳米隔热层；管内层旋转一定角度后在未填充纳米隔热材料的容纳腔中继续填充并压实，直至所包含的容纳腔均填充纳米隔热材料并压实，得填充了纳米隔热材料的管内层；
通过旋转一定角度使管内层上待填充的容纳腔位于水平位置，从而实现隔热材料的填充，旋转的角度≤180°，旋转的角度可以等于单个容纳腔所占的角度。
S3、成型管外层：将管外层材质从热塑挤出机挤出至管外层用模具中，其中步骤S2中填充了纳米隔热材料的管内层作为管外层用管模具的芯模，管外层在管外层用模具中冷却定径，在芯模的表面成型出管外层。
较好地，步骤S2中，模压的压强为2.5~3.5MPa。
较好地，管内层用模具的口模内壁上具有能够形成容纳腔的凸起。
较好地，步骤S2中，纳米隔热材料填充到管内层的容纳腔后，在模压前使用纤维增强材料包裹管内层的外壁面；所述纤维增强材料为芳纶纤维、玻璃纤维或碳纤维。
本发明的积极有益效果如下：
本发明制备的隔热保温复合管，其管内层外壁面上设置的多个容纳腔解决了纳米隔热材料在曲面结构上难以稳定分布的难题，再通过模压，纳米隔热材料被稳定铺实在容纳腔中，此外，本发明的隔热保温复合管中，管内层的外壁面上被纳米隔热材料大面积的覆盖，管内层与管外层或增强层直接接触的面积较少，进一步减少了热量散失，因此，本发明制备的复合管具有优异的隔热性能。
本发明直接使用纳米隔热材料粉体作为隔热材料来制备隔热保温复合管，相比于使用气凝胶毡等隔热材料，原材料成本低，同时还解决了粉体隔热材料因力学性能差等原因造成应用受限的问题。
本发明制备的隔热保温复合管，纳米隔热层设在中间部位，管内层以及管外层对中间部位的隔热材料起到了很好的保护作用，因此，本发明的隔热保温复合管具有较长的使用寿命。
本发明的制作工艺直接将纳米隔热材料封装到复合管中进行使用，避免了在施工现场进行包裹保温材料，大大提高了隔热保温复合管的使用效率，同时本发明的制备方法，适用于各种外径大小的管材。
附图说明
图1为实施例1中隔热保温复合管的剖面图；
图2为实施例2中隔热保温复合管的剖面图；
图3为实施例3中隔热保温复合管的剖面图；
图4为实施例4中隔热保温复合管的主视图；
图中，1--管内层；2--纳米隔热层；3--管外层；4--增强层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细、清楚地描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
本发明制备的隔热保温复合管的管内层和管外层均为管状，管内层的内壁充当复合管的内壁，管外层的外壁充当复合管的外壁。
本发明制备的隔热保温复合管的两个端面使用管外层材质进行密封，具体方式为：在管外层用模具的出口处，芯模与口模的端面不在同一个平面上，即芯模端面与口模的端面之间预留有空隙，当成型管外层时，管外层材质填充到该空隙中由此形成隔热保温复合管两个端面的密封层。
本发明在容纳腔形成纳米隔热层的制备过程中，使用与容纳腔宽度尺寸相同的模压工装进行模压，最终纳米隔热层模压后的深度不小于容纳腔的深度。
实施例1：
一种隔热保温复合管，如图1所示，包括管内层1、纳米隔热层2和套设于管内层外部的管外层3，纳米隔热层2设置在管内层1与管外层3之间，管内层1的外壁面上具有多个容纳腔，所述纳米隔热层2设置在容纳腔内。
所述管内层1的外壁面上具有若干个条状凸起，其剖面为拱形形状，相邻两个条状凸起围成一个凹槽，该凹槽即为容纳腔，所述容纳腔的深度为40mm。含有该凸起结构的管内层1与管外层3之间形成线接触，此时的隔热保温复合管热量散失最少，隔热保温性能最好。
所述管内层1和管外层3均为聚丙烯塑料材质，纳米隔热层2组分包括二氧化硅气凝胶粉100份、活性炭1份、玻璃纤维10份、碳化硅2份，所述管外层3的壁面厚度为5mm。
上述隔热保温复合管的制备方法如下：
S1、成型管内层1：将管内层1用聚丙烯塑料粉粒从热塑挤出机挤出进入管内层用模具中，经冷却定径制得管内层1，其中管内层用模具的口模内壁上具有凸起结构，该凸起结构形成了管内层1的外壁面上的凹槽结构，即形成隔热材料的容纳腔；
S2、填充纳米隔热材料：管内层1冷却定径后进入填料装置，该填料装置具有进料窗口和模压工装，首先通过进料窗口向管内层的容纳腔中填充纳米隔热材料，然后使用模压工装将纳米隔热材料压实容纳腔中；然后将管内层旋转一定角度后在未填充纳米隔热材料的容纳腔中继续填充并压实，直至所包含的容纳腔均填充纳米隔热材料并压实，得填充了纳米隔热材料的管内层；
S3、成型管外层3：将管外层3用聚丙烯塑料粉粒从热塑挤出机挤出进入管外层3用管模具，其中步骤S2中填充了纳米隔热材料的管内层1作为该管外层3用管模具的芯模，管外层在管外层用模具中冷却定径，最终在芯模的表面成型管外层3。
所述管内层用模具和管外层用模具均包括芯模和口模，步骤S2中的模压压强为2.5MPa。
实施例2：
一种隔热保温复合管，如图2所示，包括管内层1、纳米隔热层2和套设于管内层外部的管外层3，纳米隔热层2设置在管内层1与管外层3之间，管内层1的外壁面具有若干容纳腔，所述纳米隔热层2设置在容纳腔内。容纳腔的深度为20mm。
所述管内层1和管外层3均为聚四氟乙烯材质，所述纳米隔热层2包括氧化铝气凝胶粉100份、硅胶2份、碳纤维20份、氮化硼5份，所述管外层3的壁面厚度为8mm。
上述隔热保温复合管的制备方法如下：
S1、管内层1成型：将管内层1用聚四氟乙烯塑料粉粒从热塑挤出机挤出进入管内层用管模具中，经冷却定径制得管内层1，此时，管内层1外壁面上成型出剖面为梯形形状的凸起结构，相邻两个凸起结构形成深度为20mm的凹槽，该凹槽由管内层用模具的口模内壁上的凸起结构形成；
S2、填充隔热材料：管内层1冷却定径后进入填料装置，该填料装置具有进料窗口和模压工装，首先通过进料窗口向管内层1的容纳腔中填充氧化铝气凝胶粉，并使用模压工装将纳米隔热材料压实在容纳腔中，然后将管内层旋转一定角度后在未填充纳米隔热材料的容纳腔中继续填充并压实，直至所包含的容纳腔均填充纳米隔热材料并压实，得填充了纳米隔热材料的管内层；
S3、管外层3成型：将管外层3用聚四氟乙烯粉粒从热塑挤出机挤出进入管外层3用管模具，其中步骤S2中填充了纳米隔热材料的管内层1作为该管外层3用管模具的芯模，管外层在管外层用模具中冷却定径，最终在芯模的表面成型管外层3。
所述管内层用模具和管外层用模具均包括芯模和口模，其中步骤S2中的模压压强为3MPa。
实施例3：
一种隔热保温复合管，如图3所示，由内到外依次包括管内层1、纳米隔热层2和套设在管内层1外部的增强层4、管外层3，其中管内层1的外壁面上具有容纳腔，增强层4包裹在纳米隔热层2的表面。
所述管内层1的外壁面具有若干个条状凸起，该凸起的剖面为拱形，相邻两个凸起形成一个凹槽，该凹槽构成容纳腔，所述容纳腔的深度为80mm。
所述管内层1和管外层3均为耐热聚乙烯材质，所述纳米隔热层2包括气相二氧化硅100份、氧化钙2份、莫来石纤维15份和二氧化钛8份，所述管外层3的壁面厚度为10mm，所述增强层4为碳纤维布。
上述隔热保温复合管的制备方法如下：
S1、管内层1成型：将管内层1用耐热聚乙烯粉粒从热塑挤出机挤出，进入内管用模具中冷却定径，制得管内层1，此时管内层1外壁面上成型出容纳腔，其中管内层用模具的口模内壁上具有凸起结构，该凸起结构形成了管内层1的外壁面上的凹槽结构，即形成隔热材料的容纳腔；
S2、填充隔热材料：向管内层1的容纳腔中填充纳米隔热材料，管内层1冷却定径后进入填料装置，该填料装置具有进料窗口和模压工装，首先通过进料窗口向管内层1的容纳腔中填充纳米隔热材料，然后使用模压工装将纳米隔热材料压实容纳腔中；然后将管内层旋转一定角度后在未填充纳米隔热材料的容纳腔中继续填充并压实，直至所包含的容纳腔均填充纳米隔热材料并压实，得填充了纳米隔热材料的管内层；并使用碳纤维布将管内层1包裹，再次模压使纳米隔热材料、纤维布牢固地铺贴在管内层1上，纤维布与纳米隔热材料接触的地方经压制后紧密连接在一起，纤维布从而被固定住；
S3、成型管外层3：将管外层3用耐热聚乙烯粉粒从热塑挤出机挤出进入管外层3用管模具，其中步骤S2中铺贴了纳米隔热材料和纤维布的管内层1作为该管外层3用管模具的芯模，管外层在管外层用模具中冷却定径，最终在芯模的表面成型管外层3。
所述管内层用模具和管外层用模具均包括芯模和口模，其中步骤S2中的模压压强为3.5MPa。
实施例4
一种隔热保温复合管，如图4所示，包括管内层1、纳米隔热层2和套设在管内层1外部的管外层3，纳米隔热层2设置在管内层1与管外层3之间，管内层1的外壁面具有容纳腔，所述纳米隔热层2填充在容纳腔内。
所述管内层1的外壁面具有网格状的凹槽，该纵横交错的凹槽形成了容纳腔，所述容纳腔的深度为20mm。
所述管内层1和管外层3均为聚酮材质，所述纳米隔热层2的组分包括纳米氧化铝100份、氧化镁3份、硅酸铝纤维30份和氮化硼5份。
所述管外层3的壁面厚度为2mm。
上述隔热保温复合管的制备方法如下：
S1、管内层1成型：将管内层1用聚酮从热塑挤出机挤出，进入管模具中冷却定径，制得管内层1，此时在管内层1外壁面形成有网格状的凹槽，该凹槽即为容纳腔，该凹槽由管内层用模具的口模内壁上的凸起结构形成；
S2、填充隔热材料：管内层1冷却定径后进入填料装置，该填料装置具有进料窗口和模压工装，首先通过进料窗口向管内层的容纳腔中填充纳米隔热材料，然后使用模压工装将纳米隔热材料压实在容纳腔中；然后将管内层旋转一定角度后在未填充纳米隔热材料的容纳腔中继续填充并压实，直至所包含的容纳腔均填充纳米隔热材料并压实，得填充了纳米隔热材料的管内层；
S3、管外层3成型：将管外层3用聚酮从热塑挤出机挤出进入管外层3用管模具，其中步骤S2中填充了纳米隔热材料的管内层1作为该管外层3用管模具的芯模，管外层在管外层用模具中冷却定径，最终在芯模的表面成型管外层3。
所述管内层用模具和管外层用模具均包括芯模和口模，所述步骤S2中模压的压强为3MPa。
本发明实施例1-4中，管内层和管外层中间的纳米隔热层的导热系数分别为0.024W/m·K、0.028W/m·K、0.025W/m·K、 0.029W/m·K，相对于传统的聚氨酯发泡材料，本发明制备的复合管的保温性能更优。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种隔热保温复合管，其特征在于，
包括管内层、套设于管内层外部的管外层以及分布在两者之间的纳米隔热层，管内层的外壁面具有多个容纳腔，所述纳米隔热层设置于容纳腔中；所述管内层的外壁面上具有若干个凸起，凸起的剖面为拱形形状或梯形形状，相邻两个凸起形成一个凹槽，所述凹槽构成容纳腔；
或管内层外壁面形成有网格状的凹槽，所述凹槽为容纳腔；
所述纳米隔热层为纳米隔热材料压制成型，所述纳米隔热材料按质量份数由100份纳米粉体、1~3份吸气剂、0~35份增强纤维、0~10份填料组成。
2.根据权利要求1所述的隔热保温复合管，其特征在于，
所述管内层和管外层的材质均为耐热聚乙烯、聚丙烯、聚酮、聚醚醚酮、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯或超高分子量聚乙烯；所述纳米粉体为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化锆、纳米气凝胶中的一种或多种；增强纤维为玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、碳纤维、硅酸铝纤维、陶瓷纤维、莫来石纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；吸气剂为活性炭、氧化钙、氧化镁、硅胶中的一种或多种；填料为碳化硅、硅酸锆、氮化硼、二氧化钛、碳粉、氧化铬、滑石粉中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的隔热保温复合管，其特征在于，
所述容纳腔的深度为20-80mm；所述管外层的壁厚为2-10mm。
4.根据权利要求1所述的隔热保温复合管，其特征在于，
所述容纳腔为凹槽形，所述纳米隔热层在所述容纳腔中压制成型。
5.根据权利要求1所述的隔热保温复合管，其特征在于，
所述隔热保温复合管还包括增强层，增强层设置在纳米隔热层与管外层之间；所述增强层为纤维增强材料。
6.权利要求1~5任一项所述隔热保温复合管的制备方法，其特征在于，
制备方法为：
S1、成型管内层：管内层的材质通过热塑挤出机挤出至管内层用模具中，经冷却定径制得管内层，管内层的外壁成型有隔热材料的容纳腔；所述管内层的外壁面上具有若干个凸起，凸起的剖面为拱形形状或梯形形状，相邻两个凸起形成一个凹槽，所述凹槽构成容纳腔；
或管内层外壁面形成有网格状的凹槽，所述凹槽为容纳腔；
S2、填充纳米隔热材料：在管内层的容纳腔中填充纳米隔热材料，再通过模压将容纳腔中的纳米隔热材料压实为纳米隔热层；管内层旋转一定角度后在未填充纳米隔热材料的容纳腔中继续填充并压实，直至所包含的容纳腔均填充纳米隔热材料并压实，得填充了纳米隔热材料的管内层；
S3、成型管外层：将管外层材质从热塑挤出机挤出至管外层用模具中，其中步骤S2中填充了纳米隔热材料的管内层作为管外层用管模具的芯模，管外层在管外层用模具中冷却定径，在芯模的表面成型出管外层；
所述纳米隔热材料按质量份数由100份纳米粉体、1~3份吸气剂、0~35份增强纤维、0~10份填料组成。
7.根据权利要求6所述的隔热保温复合管的制备方法，其特征在于，
步骤S2中，模压的压强为2.5~3.5MPa。
8.根据权利要求6所述的隔热保温复合管的制备方法，其特征在于，
管内层用模具的口模内壁上具有能够形成容纳腔的凸起。
9.根据权利要求6所述的隔热保温复合管的制备方法，其特征在于，
步骤S2中，纳米隔热材料填充到管内层的容纳腔后，在模压前使用纤维增强材料包裹管内层的外壁面；所述纤维增强材料为芳纶纤维、玻璃纤维或碳纤维。
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