CN117229691A - 一种碳纤维增强隔热防腐材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于管道内壁补强修复材料技术领域,具体涉及一种碳纤维增强隔热防腐材料及其制备方法和应用,由主剂与固化剂按质量比为100:25‑40混合制成;主剂成分:环氧树脂20‑30份,酚醛树脂20‑30份,增韧剂10‑15份,聚乙二醇二缩水甘油醚5‑10份,消泡剂0.5‑2份,分散剂0.2‑0.5份,碳纤维10‑20份,中空玻璃微珠10‑20份,有机膨润土0.3‑1份,聚酰胺蜡0.5‑2份,1‑2质量份硅烷偶联剂,0‑2质量份二甲苯;固化剂成分:脂环胺固化剂99‑99.5份,胺官能团的低聚酰胺溶液0.5‑1份。本发明固化后形成具有优异力学性能的内插管结构,对旧管线起到补强、防护作用。
Description
技术领域
本发明属于管道内壁补强修复材料技术领域,具体涉及一种碳纤维增强隔热防腐材料及其制备方法和应用。
背景技术
集输输油管道常年输送具有腐蚀性的原油及含油污水、还原菌、钢管腐蚀产物、沉积物、反应产生的沉淀物等,上述物质沉积在管壁形成坚硬的垢层,对钢管内壁形成化学腐蚀,使得钢管厚度减薄,严重的直接腐蚀穿孔,严重影响钢质管线的使用寿命。
目前市场上使用的管道内防腐材料一般只能对新投管线提供有效的防护,对于旧管线的防护效果较差。原因在于:由于目前使用的防腐材料一般硬度高、脆性大,只能依靠附着于管壁提供防护能力,一旦与基材发生剥离,涂层极易在短时间内开裂、脱落而丧失对基材的保护效果。而对于旧管线来说,在进行防护处理时,需要进行底材处理,一旦底材处理不到位,上述防腐材料就容易脱落,无法起到长期防腐保护的效果。
发明内容
为了解决目前材料在旧管线内防腐上应用的局限性的问题,本发明提供了一种碳纤维增强隔热防腐材料及其制备方法和应用,本发明材料具有高强度、高韧性、厚涂性、隔热性等性能,可在旧管线底材处理不完全的条件下,涂层自主形成内插管结构(即涂层即使与管道内壁脱离,涂层由于具有厚涂性、且高韧性,涂层在管道内壁可形成连续的管道结构),一定程度上代替管线进行介质输送,进而起到保护管线和延长管线使用寿命的作用。
本发明具体是通过如下技术方案来实现的。
一种碳纤维增强隔热防腐材料,由主剂与固化剂按质量比为100:25-40混合制成;
所述主剂由以下重量份数的原料制成:
环氧树脂20-30份,酚醛树脂20-30份,增韧剂10-15份,聚乙二醇二缩水甘油醚5-10份,消泡剂0.5-2份,分散剂0.2-0.5份,碳纤维10-20份,中空玻璃微珠10-20份,有机膨润土0.3-1份,聚酰胺蜡0.5-2份,硅烷偶联剂1-2份,二甲苯0-2份;
所述固化剂由以下重量份数的原料制成:
脂环胺固化剂99-99.5份,胺官能团的低聚酰胺溶液0.5-1份。
进一步的,所述环氧树脂为E44环氧树脂或E51环氧树脂。
进一步的,所述酚醛树脂为双酚F型酚醛环氧树脂。
进一步的,所述增韧剂为弹性体改性环氧树脂。
进一步的,所述消泡剂为白炭黑改性聚硅氧烷。
进一步的,所述分散剂为含有酸性基团的高分子型嵌段聚合物。
进一步的,所述有机膨润土为有机改性的硅酸铝镁化合物。
进一步的,碳纤维增强隔热防腐材料25℃粘度为5000-6000mpa.s,25℃流挂为850-1075μm,25℃拉伸强度为20-30MPa,25℃断裂延伸率为20-30%,2mm涂层抗压能力为10-15MPa,导热系数为0.03-0.05w/(m·k)。
本发明还提供了所述碳纤维增强隔热防腐材料的制备方法,包括以下步骤:
S1、主剂和固化剂的制备:
分别称取以下重量份数的原料:环氧树脂20-30份,酚醛树脂20-30份,增韧剂10-15份,聚乙二醇二缩水甘油醚5-10份,消泡剂0.5-2份,分散剂0.2-0.5份,碳纤维10-20份,中空玻璃微珠10-20份,有机膨润土0.3-1份,聚酰胺蜡0.5-2份,硅烷偶联剂1-2份,二甲苯0-2份;
将环氧树脂、酚醛环氧树脂、碳纤维混合,分散均匀,制备碳纤维与树脂混合液;将碳纤维与树脂混合液、增韧剂、聚乙二醇二缩水甘油醚、消泡剂、分散剂、中空玻璃微珠、有机膨润土、聚酰胺蜡、硅烷偶联剂,分散得到主剂;
固化剂的制备:
分别称取以下重量份数的原料:脂环胺固化剂99-99.5份,胺官能团的低聚酰胺溶液0.5-1份;将脂环胺固化剂和胺官能团的低聚酰胺溶液混合,得到固化剂;
S2、将主剂与固化剂按质量比为100:25-40混合,得碳纤维增强隔热防腐材料。
本发明提供的所述碳纤维增强隔热防腐材料用于输水、输油旧管线的内补强、修复、防腐,在旧管线内壁防腐固化后可自主形成内插管结构。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
1、本发明材料具有高强度、高韧性、厚涂性、隔热性性能,拉开法附着力高,且可在旧管线底材处理不完全的条件下,涂层自主形成内插管结构,一定程度上代替管线进行介质输送,进而起到保护管线和延长管线使用寿命的作用,具体原因在于:
环氧树脂、酚醛环氧树脂为整个配方体系提供刚性,用于提升材料的拉伸强度。增韧剂为弹性体改性环氧树脂,能够提升常规环氧树脂的韧性,使得材料具有良好的形变量,提升材料的断裂延伸率,还能提高材料的拉开法附着力;聚乙二醇二缩水甘油醚作为环氧活性稀释剂,同时具有双官能团结构,降粘的同时又能为材料的提升韧性。碳纤维是一种高强度高模量纤维,作为增强材料与树脂复合,能够提升材料整体的强度和模量,同时还可以提高材料的拉开法附着力;中空玻璃微珠质量轻、体积大、导热系数低,提升材料的隔热保温性能。有机膨润土、聚酰胺蜡、低聚酰胺溶液,三者协同作用,提升材料的抗流变性,以提升材料的厚涂性。消泡剂、分散剂分别解决材料固化过程中的消泡效果和对颜填料的润湿性。
也就是说,本发明通过上述组分协同,使得涂层材料具有优异的拉伸强度、韧性、厚涂性好,使得涂层能够在管道内壁涂覆成完整的内管状结构,且该涂层管状结构具有良好的机械性能,即使涂层与管线内壁因为底材处理不完全等问题发生分离,涂层自身形成的管状结构也可以输送介质,代替管线起到介质输送的作用,通过这种方式,可以对旧管线进行保护,延长管线的使用寿命。
2、材料具有优异的力学性能,拉伸强度超过20MPa,同时断裂延伸率可达到20%,拉开法附着力高达25.99MPa,应用于旧管线内防腐,固化后形成具有优异力学性能的内插管结构,对旧管线起到补强、防护作用。
3、材料可应用于新投管线的内防护,对基材处理等级达到Sa2.5的条件下,附着力可超过20MPa,对新管线内壁具有优异的防护效果。
4、材料具有优异的厚涂性能,单次成膜厚度可达1000μm,可极大地缩短施工周期。
5、材料具有良好的隔热保温性能,导热系数达到0.03-0.05w/(m·k)。
6、本发明原料价格低廉,来源广泛,且制备方法简单,效果好,适合规模化生产应用。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施,下面结合具体实施例和数据对本发明作进一步说明,但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述各实施例中所述实验方法和检测方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均可在市场上购买得到。
本发明构思是:
本发明为了解决目前材料在旧管线内防腐上应用的局限性的问题,本发明提供了一种碳纤维增强隔热防腐材料,由主剂与固化剂按质量比为100:25-40混合制成;
所述主剂由以下重量份数的原料制成:
环氧树脂20-30份,酚醛树脂20-30份,增韧剂10-15份,聚乙二醇二缩水甘油醚5-10份,消泡剂0.5-2份,分散剂0.2-0.5份,碳纤维10-20份,中空玻璃微珠10-20份,有机膨润土0.3-1份,聚酰胺蜡0.5-2份;
所述固化剂由以下重量份数的原料制成:
脂环胺固化剂99-99.5份,胺官能团的低聚酰胺溶液0.5-1份。
上述材料具有高强度、高韧性、厚涂性、隔热性等性能,且可在旧管线底材处理不完全的条件下,涂层自主形成内插管结构,一定程度上代替管线进行介质输送,进而起到保护管线和延长管线使用寿命的作用。
可采用喷涂、挤涂、刷涂等传统工艺完成基材涂装。
本发明材料具有上述性能的原因在于:
环氧树脂、酚醛环氧树脂为整个配方体系提供刚性,用于提升材料的拉伸强度。
增韧剂为弹性体改性环氧树脂,能够提升常规环氧树脂的韧性,使得材料具有良好的形变量,提升材料的断裂延伸率。
聚乙二醇二缩水甘油醚作为环氧活性稀释剂,同时具有双官能团结构,降粘的同时又能为材料的提升韧性。
碳纤维是一种高强度高模量纤维,作为增强材料与树脂复合,能够提升材料整体的强度和模量。
中空玻璃微珠质量轻、体积大、导热系数低,提升材料的隔热保温性能。
有机膨润土、聚酰胺蜡、低聚酰胺溶液,三者协同作用,提升材料的抗流变性,以提升材料的厚涂性。
消泡剂、分散剂分别解决材料固化过程中的消泡效果和对颜填料的润湿性。
上述组分协同,使得涂层能够在管道内壁涂覆成完整的内管状结构,且该涂层管状结构具有良好的机械性能,即使涂层与管线内壁因为底材处理不完全等问题发生分离,涂层自身形成的管状结构也可以输送介质,代替管线起到介质输送的作用,通过这种方式,可以对旧管线进行保护,延长管线的使用寿命。
下面通过以下实施例和对比例对本发明进行具体说明。
下述实施例和对比例中:
环氧树脂可选用长春BE188树脂。
酚醛树脂可选用南亚170树脂。
增韧剂可选用南亚的133L树脂。
聚乙二醇二缩水甘油醚可选用绿色家园215。
消泡剂可选用毕克化学1790。
分散剂可选用泰格598。
碳纤维可选用东丽T-700炭纤维粉。
中空玻璃微珠可选上海向岚化工VS5500。
有机膨润土可选毕克化学1958。
聚酰胺蜡可选用海明斯229。
硅烷偶联剂可选用道康宁Z-6011。
脂环胺固化剂可选用空气化工2280。
胺官能团的低聚酰胺溶液可选用毕克化学R607。
实施例1
一种碳纤维增强隔热防腐材料,包括主剂和固化剂,所述主剂与固化剂混合质量比为100:30。
所述主剂按质量比包括:
环氧树脂20份,酚醛树脂20份,增韧剂10份,聚乙二醇二缩水甘油醚10份、消泡剂1份、分散剂0.5份、碳纤维10份、中空玻璃微珠17份、有机膨润土0.5份、聚酰胺蜡2份、硅烷偶联剂1份、二甲苯1份;
所述固化剂按质量比包括:
脂环胺固化剂99.5份,胺官能团的低聚酰胺溶液0.5份。
上述一种碳纤维增强隔热防腐材料的制备方法为:
(1)碳纤维预分散:将20份双酚A型环氧树脂、20份酚醛树脂、10份碳纤维混合,高速分散30分钟,制备预分散好的碳纤维、树脂混合液;
(2)将步骤(1)的50份预分散好的碳纤维、树脂混合液,10份增韧剂、10份聚乙二醇二缩水甘油醚、1份消泡剂、0.5份分散剂、17份中空玻璃微珠、0.5份有机膨润土、2份聚酰胺蜡、1份硅烷偶联剂、1份二甲苯,高速分散得到主剂。
(3)固化剂制备,将99.5份脂环胺固化剂、0.5份胺官能团的低聚酰胺溶液混合均匀,得固化剂。
(4)使用时,主剂与固化剂按100:30混合均匀,即可得碳纤维增强隔热防腐材料。
实施例2
一种碳纤维增强隔热防腐材料,包括主剂和固化剂,所述主剂与固化剂混合质量比为100:35。
所述主剂按质量比包括:
环氧树脂25份,酚醛树脂20份,增韧剂15份,聚乙二醇二缩水甘油醚10份、消泡剂1份、分散剂0.5份、碳纤维12份、中空玻璃微珠12份、有机膨润土0.5份、聚酰胺蜡2份、硅烷偶联剂1份;
所述固化剂按质量比包括:
脂环胺固化剂99份,胺官能团的低聚酰胺溶液1份。
上述一种碳纤维增强隔热防腐材料的制备方法为:
(1)碳纤维预分散:将25份双酚A型环氧树脂、20份酚醛树脂、12份碳纤维混合,高速分散60分钟,制备预分散好的碳纤维、树脂混合液;
(2)将步骤(1)的57份预分散好的碳纤维、树脂混合液,15份增韧剂、10份聚乙二醇二缩水甘油醚、1份消泡剂、0.5份分散剂、12份中空玻璃微珠、0.5份有机膨润土、2份聚酰胺蜡、1份硅烷偶联剂,高速分散得到主剂。
(3)固化剂制备,将99份脂环胺固化剂、1份胺官能团的低聚酰胺溶液混合均匀,得固化剂。
(4)使用时,主剂与固化剂按100:35混合均匀,即可得碳纤维增强隔热防腐材料。
实施例3
一种碳纤维增强隔热保温材料,包括主剂和固化剂,所述主剂与固化剂混合质量比为100:40。
所述主剂按质量比包括:
环氧树脂20份,酚醛树脂30份,增韧剂10份,聚乙二醇二缩水甘油醚10份、消泡剂1份、分散剂0.5份、碳纤维12份、中空玻璃微珠12份、有机膨润土0.5份、聚酰胺蜡2份、硅烷偶联剂1份;
所述固化剂按质量比包括:
脂环胺固化剂99份,胺官能团的低聚酰胺溶液1份。
上述一种碳纤维增强隔热防腐材料的制备方法为:
(1)碳纤维预分散:将20份双酚A型环氧树脂、30份酚醛树脂、12份碳纤维混合,高速分散30分钟,制备预分散好的碳纤维、树脂混合液。
(2)将步骤(1)的62份预分散好的碳纤维、树脂混合液,10份增韧剂、10份聚乙二醇二缩水甘油醚、1份消泡剂、0.5份分散剂、12份中空玻璃微珠、0.5份有机膨润土、2份聚酰胺蜡、1份硅烷偶联剂,高速分散得到主剂。
(3)固化剂制备,将99份脂环胺固化剂、1份胺官能团的低聚酰胺溶液混合均匀,得固化剂。
(4)使用时,主剂与固化剂按100:40混合均匀,即可得碳纤维增强隔热防腐材料。
对比例1
一种防腐材料,包括主剂和固化剂,所述主剂与固化剂混合质量比为100:35。
所述主剂按质量比包括:
环氧树脂25份,酚醛树脂20份,增韧剂15份,聚乙二醇二缩水甘油醚10份、消泡剂1份、分散剂0.5份、沉淀硫酸钡12份、中空玻璃微珠12份、有机膨润土0.5份、聚酰胺蜡2份、硅烷偶联剂1份。
所述固化剂按质量比包括:
脂环胺固化剂99份,胺官能团的低聚酰胺溶液1份。
上述一种防腐材料的制备方法为:
(1)将25份双酚A型环氧树脂、20份酚醛树脂、12份沉淀硫酸钡混合,高速分散30分钟,制备混合液;
(2)将步骤(1)全部的混合液、15份增韧剂、10份聚乙二醇二缩水甘油醚、1份消泡剂、0.5份分散剂、12份中空玻璃微珠、0.5份有机膨润土、2份聚酰胺蜡、1份硅烷偶联剂,高速分散得到主剂。
(3)固化剂制备:将99份脂环胺固化剂、1份胺官能团的低聚酰胺溶液混合均匀,得固化剂。
(4)使用时,主剂与固化剂按100:35混合均匀,即可得碳纤维增强隔热防腐材料。
对比例2
一种防腐材料,包括主剂和固化剂,所述主剂与固化剂混合质量比为100:35。
所述主剂按质量比包括:
环氧树脂25份,酚醛树脂20份,增韧剂15份,聚乙二醇二缩水甘油醚10份、消泡剂1份、分散剂0.5份、碳纤维12份、沉淀硫酸钡12份、有机膨润土0.5份、聚酰胺蜡2份、硅烷偶联剂1份;
所述固化剂按质量比包括:
脂环胺固化剂99份,胺官能团的低聚酰胺溶液1份。
上述一种防腐材料的制备方法为:
(1)碳纤维预分散:将25份双酚A型环氧树脂、20份酚醛树脂、12份碳纤维混合,高速分散30分钟,制备预分散好的碳纤维、树脂混合液;
(2)将步骤(1)全部的预分散好的碳纤维、树脂混合液、15份增韧剂、10份聚乙二醇二缩水甘油醚、1份消泡剂、0.5份分散剂、12份沉淀硫酸钡、0.5份有机膨润土、2份聚酰胺蜡、1份硅烷偶联剂,高速分散得到主剂。
(3)固化剂制备:将99份脂环胺固化剂、1份胺官能团的低聚酰胺溶液混合均匀,得固化剂。
(4)使用时,主剂与固化剂按100:35混合均匀,即可得碳纤维增强隔热防腐材料。
对比例3
一种防腐材料,包括主剂和固化剂,所述主剂与固化剂混合质量比为100:35。
所述主剂按质量比包括:
环氧树脂35份,酚醛树脂25份,聚乙二醇二缩水甘油醚10份、消泡剂1份、分散剂0.5份、碳纤维12份、中空玻璃微珠12份、有机膨润土0.5份、聚酰胺蜡2份、硅烷偶联剂1份;
所述固化剂按质量比包括:
脂环胺固化剂99份,胺官能团的低聚酰胺溶液1份。
上述一种防腐材料的制备方法为:
(1)碳纤维预分散:将35份双酚A型环氧树脂、25份酚醛树脂、12份碳纤维混合,高速分散30分钟,制备预分散好的碳纤维、树脂混合液;
(2)将步骤(1)全部的预分散好的碳纤维、树脂混合液、10份聚乙二醇二缩水甘油醚、1份消泡剂、0.5份分散剂、12份中空玻璃微珠、0.5份有机膨润土、2份聚酰胺蜡、1份硅烷偶联剂,高速分散得到主剂。
(3)固化剂制备:将99份脂环胺固化剂、1份胺官能团的低聚酰胺溶液混合均匀,得固化剂。
(4)使用时,主剂与固化剂按100:35混合均匀,即可得碳纤维增强隔热防腐材料。
实施例1-3得到的一种碳纤维增强隔热防腐材料涂层性能检测,依照Q/XTD 02-2020标准测试。测试结果见表1所示:
表1各实施例制备的材料涂层性能检测数据
表1测试结果表明,本发明制备的一种碳纤维增强隔热防腐材料拉开法附着力在22.48-25.99Mpa之间,拉伸强度在28.55-29.62之间,断裂延伸率在21.61-25.67之间,耐10%H2SO4,10%NaOH,3%NaCl,耐80℃原油,耐80℃含油污水以及耐盐雾性能良好,说明一种碳纤维增强隔热防腐材料在新管线、旧管线内壁可以形成的内插管结构,具有优异的防腐、力学性能。可以对新、旧管线起到良好的防护效果,提高管线的使用寿命。
用实施例2和对比例1-3制得的防腐材料进行实验,依照Q/XTD 02-2020标准测试。测试结果见表2所示:
表2实施例2和对比例1-3制备的材料涂层性能检测数据
表2测试结果表明,对比例1中去掉碳纤维,对材料的力学性能有明显影响,同时降低拉开法附着力、拉伸强度和断裂延伸率,拉开法附着力为材料内部断裂,说明材料的强度明显降低。对比例2中去掉中空玻璃微珠,材料的导热系数提升,失去保温效果。对比例3中去掉增韧剂,材料的拉伸强度明显提升,但韧性降低,其中耐弯曲有裂纹,断裂延伸率只有10%左右,且拉开法附着力也降低,材料的附着性能降低。
由此可见,本申请通过碳纤维、增韧剂的协同,可以提高材料的韧性、强度,同时还有助于提高材料的拉开法附着力,提高材料的附着性能。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种碳纤维增强隔热防腐材料,其特征在于,由主剂与固化剂按质量比为100:25-40混合制成;
所述主剂由以下重量份数的原料制成:
环氧树脂20-30份,酚醛树脂20-30份,增韧剂10-15份,聚乙二醇二缩水甘油醚5-10份,消泡剂0.5-2份,分散剂0.2-0.5份,碳纤维10-20份,中空玻璃微珠10-20份,有机膨润土0.3-1份,聚酰胺蜡0.5-2份,硅烷偶联剂1-2份,二甲苯0-2份;
所述固化剂由以下重量份数的原料制成:
脂环胺固化剂99-99.5份,胺官能团的低聚酰胺溶液0.5-1份。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强隔热防腐材料,其特征在于,所述环氧树脂为E44环氧树脂或E51环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强隔热防腐材料,其特征在于,所述酚醛树脂为双酚F型酚醛环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的碳纤维增强隔热防腐材料,其特征在于,所述增韧剂为弹性体改性环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增强隔热防腐材料,其特征在于,所述消泡剂为白炭黑改性聚硅氧烷。
6.根据权利要求1所述的碳纤维增强隔热防腐材料,其特征在于,所述分散剂为含有酸性基团的高分子型嵌段聚合物。
7.根据权利要求1所述的碳纤维增强隔热防腐材料,其特征在于,所述有机膨润土为有机改性的硅酸铝镁化合物。
8.根据权利要求1所述的碳纤维增强隔热防腐材料,其特征在于,碳纤维增强隔热防腐材料在25℃的粘度为5000-6000mpa.s,25℃流挂为850-1075μm,25℃拉伸强度为20-30MPa,25℃断裂延伸率为20-30%,2mm涂层抗压能力为10-15MPa,导热系数为0.03-0.05w/(m·k)。
9.根据权利要求1所述的碳纤维增强隔热防腐材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、主剂和固化剂的制备:
分别称取以下重量份数的原料:环氧树脂20-30份,酚醛树脂20-30份,增韧剂10-15份,聚乙二醇二缩水甘油醚5-10份,消泡剂0.5-2份,分散剂0.2-0.5份,碳纤维10-20份,中空玻璃微珠10-20份,有机膨润土0.3-1份,聚酰胺蜡0.5-2份,硅烷偶联剂1-2份,二甲苯0-2份;
将环氧树脂、酚醛树脂、碳纤维混合,分散均匀,制备碳纤维与树脂混合液;将碳纤维与树脂混合液、增韧剂、聚乙二醇二缩水甘油醚、消泡剂、分散剂、中空玻璃微珠、有机膨润土、聚酰胺蜡、硅烷偶联剂、二甲苯混合,分散得到主剂;
固化剂的制备:
分别称取以下重量份数的原料:脂环胺固化剂99-99.5份,胺官能团的低聚酰胺溶液0.5-1份;将脂环胺固化剂和胺官能团的低聚酰胺溶液混合,得到固化剂;
S2、将主剂与固化剂按质量比为100:25-40混合,得碳纤维增强隔热防腐材料。
10.根据权利要求1所述的碳纤维增强隔热防腐材料在输水或输油旧管线的内补强、修复或防腐中的应用,其特征在于,在旧管线内壁固化后自主形成内插管结构。
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