一种夹层无机管道及其制备方法与流程

本发明属于管道输送技术领域，具体涉及一种夹层无机管道及其制备方法。

背景技术：

金属管道在输送技术领域被广泛应用，但是，金属管道的耐腐蚀能力不及无机材料的，尤其在输送腐蚀性强的液体、气体和粉末的场合中，而无机材料管道可以输送除氢氟酸和热磷酸以外的任何腐蚀性物质；一些含有重金属的金属管道还会污染输送对象，而无机材料管道则不会；但是，无机材料的脆性大，例如玻璃管道更是公知的典型脆性材料的代表，抗冲击性差，耐介质压力不超过0.6mpa，限制了其在管道输送领域的应用。

聚合物材料富有弹性，抗冲击性好。无机材料与聚合物材料复合，可一定程度上改善无机材料脆性大的弱点，但是如何设计复合材料的体系、结构是决定材料性能改善的关键，同时，合适的制备方法是决定复合材料工业化的关键。平板玻璃与聚合物复合制备的夹胶平板玻璃得到广泛应用，其中间层是纯有机物，材料复合的优势没有得到充分发挥。

为减少连接工程管线的结头，输送管道有达到一定长度的规格要求，而现有制备夹胶平板玻璃的工艺和设备对所制备制品的长度有严格的限制，不适合生产夹层输送管道。

此外，现有生产夹胶平板玻璃的方法采用贴边条封边的操作和摆动法或真空釜法去除中间层气泡，排泡的操作不仅繁琐、效率低，而且质量不稳定。摆动法是利用气泡在预聚体中受到的浮力和随整个平板玻璃摆动的离心力上升而被排除，然而当预聚体中加入了无机改性粉末，形成了高粘度浆体时，气泡在高粘度浆体中更不容易排除；真空釜法不仅是对中间层抽真空，而且要求真空釜内整个空间也达到一定的真空度，因而需要较长的抽真空时间，耗能高。

现有法制备夹胶平板玻璃的工艺和设备不能及时排除固化放热或对固化加热，而预聚体固化需要有严格的“温度-时间”制度，以提高中间层的固化质量。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供一种夹层无机管道，用于输送液体、气体和/或粉末，尤其是输送腐蚀性强的液体、气体和/或粉末；本发明的另一目的在于提供一种夹层无机管道的制备方法，将浆体注入不同直径无机材料管道的夹层中，并使浆体原位固化形成聚合物中间层，将两个或者两个以上不同直径的无机材料管道粘结在一起，成为不仅具有高化学稳定性，而且有良好抗冲击性和安全性的夹层无机材料管道。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种夹层无机管道，包括两个直径不同的第一直径管道和第二直径管道，第二直径管道套装在第一直径管道外周形成夹层无机管道，在所述的第一直径管道内形成中心孔，在第一直径管道和第二直径管道之间形成夹层，在夹层中填充浆体固化形成聚合物中间层；其中，浆体包括预聚体和无机改性粉末，预聚体和无机改性粉末的质量比为1：0.01～3.0。

所述的第一直径管道和第二直径管道是直径相差大于1.0mm的无机管道。

所述的无机管道，选自石英玻璃管道、硼硅酸盐玻璃管道、硅酸盐玻璃管道微晶玻璃管道、物理钢化或化学钢化处理过的硅酸盐玻璃管道和铸石管道中的任一一种或者几种的组合。

所述的预聚体由有机单体或高分子树脂均聚、共聚或混合而成，所述的有机单体或高分子树脂选自合成pva、pvb、pmma、pa、abs、ea、聚酯、不饱和树脂、聚酰胺、聚氨酯、环氧树脂、二甲氧基改性硅烷聚醚改性树脂中的任一一种或几种的组合。

所述的无机改性粉末粒度小于100目，无机改性粉末是化学合成的或矿物粉磨加工得到的，无机改性粉末选自氧化钙、碳酸钙、氧化硅、氧化钛、炭黑、硫酸钡、碳酸钡和硅酸盐粉末中的任意一种或者几种的组合。

所述的一种夹层无机管道的制备方法，包括如下步骤：

1)在反应釜中加入有机单体或高分子树脂和助剂，引发聚合并控制单体转化率，得到预聚体，高速搅拌下再加入无机改性粉末，其中，预聚体和无机改性粉末的质量比为1：0.01～3.0，然后进行或不进行真空脱气得到浆体；其中，助剂为稀释剂、引发剂、偶联剂和固化剂；根据有机单体或高分子树脂的类型，参考现有技术，选择稀释剂、引发剂、偶联剂和热敏或光敏固化剂的类型和加入量；

2)清洗无机管道并干燥；

3)将第一直径管道、第二直径管道叠套在一起组成一组叠套无机管道；

4)将一个或多个20-40mm高的上弹性橡胶密封圈的u形环槽分别罩在每组叠套的无机管道的上端并压入，将上弹性橡胶密封圈的第一软管、第二软管分别与输送预聚体的胶管和抽真空的排气管相连接，成为注胶和抽真空工序的通道；

5)将一个或多个20-40mm高的下弹性橡胶密封圈的u形环槽罩在一组叠套无机管道的下端并压入，起到封闭管道下端夹层间隙的封底作用；

6)将浆体通过第一软管缓慢注入夹层，直至注满夹层；

7)经第二软管通过真空泵对注入了浆体的夹层抽真空约1-20分钟，负压排除聚合物中间层中预聚体的气泡，然后缓慢减少负压直至常压；第一直径管道和第二直径管道之间形成夹层；

8)固化浆体得到聚合物中间层，直至与无机材料管道牢固的粘结成整体，拆除步骤4)所罩上的弹性橡胶密封圈和下弹性橡胶密封圈，得到夹层无机管道。

可选择布置在容器壁上换热器、紫外灯、射线辐射器或电子束辐射器使浆体固化。由于紫外灯、射线辐射器、电子束辐射器布置在以上容器内部，使生产更安全。

在所述的步骤5)之后，将多组封底后的无机管道整齐排列在栅格托盘上，一起移入一个能容纳栅格托盘和整齐直排无机管道的容器中，然后进行步骤6)-8)。

所述的步骤5)的封底过程替换为在步骤3)中的无机管道的下端夹层中塞入宽度大于或相等于夹层间距的pvb胶片，并用热风将pvb胶条烤软固定在聚合物中间层中，起到封闭无机管道下端夹层间隙的作用；或者在无机管道的底端夹层中填充10-20mm高的封底胶；或借助于火焰、发热器的加热以及在玻璃焊料辅助下实现封底。

所述的步骤8)中，固化温度为0～120℃。

发明原理：本发明设计一种夹层无机管道，为复合结构增加了一个能量消耗机制。聚合物中间层中加入无机改性粉末起到吸收、分散来自外界对管道的冲击等吸收能量的作用，这些弥散分布的无机改性粉末可以通过防止或阻止裂纹在聚合物中间层中传播，从而提高复合材料的断裂强度，或者物理地阻挡和阻止裂纹或转移和分裂它们，从而妨碍其穿过聚合物中间层；它们还可以承载一定比例的载荷来提高复合材料的刚度和强度，尤其是抗冲击性。本发明设计一种夹层中带有气体分配管路和多排出/入气孔的栅格托盘，作为热交换介质的热/冷气体进入栅格托盘的夹层，流经其多排的出/入气孔，再穿过无机材料管道的中心孔和多组无机材料管道的间隙，及时地移除浆体聚合反应的放热或对聚合反应加热，使聚合反应条件控制在更精确、更稳定的环境下，从而提高聚合物中间层的粘结强度。本发明在更宽广的材料类型中选择和设计复合材料体系，在制备形成聚合物中间层的预聚体中加入无机改性粉末，产生协同效应，提高夹层无机材料管道的力学性能，尤其是抗冲击性。本发明设计一种具有u形环槽的上弹性橡胶密封圈，能以较小的负压排除夹层中浆体的气泡，甚至高粘度浆体中的气泡。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种夹层无机管道，在预聚体中添加了无机改性粉末，力学性能有了显著提高；使用具有u形环槽的上弹性橡胶密封圈负压对浆体排泡，真空表显示的负压值只有真空釜排泡所需要的1/4～1/10，可以不使用大型真空釜，操作方便；调节栅格托盘夹层内部作为热交换介质热/冷气体的压力和流速，测得无机材料管道的中心孔和多组叠套的无机材料管道间隙中的温度波动可达到±1.0℃，使浆体能在更精确、更稳定的环境下聚合固化，提高了固化质量；本发明的制备方法，工艺简单，易于推广和应用，具备很好的实用性。

附图说明

图1是u形环槽上弹性橡胶密封圈连接关系示意图；

图2是上弹性橡胶密封圈的u形环槽结构示意图；

图3是栅格托盘结构示意图；

图4是一组叠套无机管道结构示意图；

图5是二甲氧基改性硅烷聚醚改性树脂预聚体中添加不同比例的钛白粉夹层玻璃管道的破坏载荷曲线图；

图6是二甲氧基改性硅烷聚醚改性树脂添加不同比例的钛白粉夹层玻璃管道的冲击能量和冲击强度曲线图；

图7是不同预聚体中添加相同比例偶联剂处理过氧化硅夹层玻璃管的弹性模量曲线图；

图8是不同预聚体中添加相同比例偶联剂处理过的氧化硅夹层玻璃管的冲击能量和冲击强度曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1-4所示，附图标记如下：上弹性橡胶密封圈1、第一软管2、第二软管3、胶管4、排气管5、中心孔6、第一直径管道7、第二直径管道8、下弹性橡胶密封圈9、聚合物中间层10、u形环槽11、格栅托盘12、气孔13、夹层14、气流入口15。上弹性橡胶密封圈1的高度h为20-40mm。第一直径管道7是小直径管道，第二直径管道8是大直径管道，第一直径管道7和第二直径管道8是直径相差大于1.0mm的无机管道。

无机管道，选自石英玻璃管道、硼硅酸盐玻璃管道、硅酸盐玻璃管道微晶玻璃管道、物理钢化或化学钢化处理过的硅酸盐玻璃管道和铸石管道中的任一一种或者几种的组合；根据使用场合的不同，将选择以上不同类型的无机管道进行组合。各无机管道的壁厚可以是相同的，也可以是不相同的。

在夹层中填充浆体固化形成聚合物中间层10；其中，浆体包括预聚体和无机改性粉末，预聚体和无机改性粉末的质量比为1：0.01～3.0。

根据对聚合物中间层10的粘结强度、抗冲击性能、弹性模量、尺寸稳定性和浆体的表观粘度和流动性的要求，选择浆体和无机改性粉末的质量比为1：0.01～3.0。采用或不采用常用品种的偶联剂溶液对无机改性粉末进行或不常用表面处理方法进行表面处理，以改善无机改性粉末表面的化学极性。

预聚体由有机单体或高分子树脂均聚、共聚或混合而成，有机单体或高分子树脂选自合成pva、pvb、pmma、pa、abs、ea、聚酯、不饱和树脂、聚酰胺、聚氨酯、环氧树脂、二甲氧基改性硅烷聚醚改性树脂中的任一一种或几种的组合。

无机改性粉末是能改善以上高分子聚合物材料中间层的粘结强度、抗冲击性能、弹性模量、尺寸稳定性和改善浆体表观粘度，提高其流动性的，粒度小于100目，这些无机改性粉末可以是化学合成的也可以是矿物粉磨加工得到的，如氧化钙、碳酸钙、氧化硅、氧化钛、炭黑、硫酸钡、碳酸钡、硅酸盐粉末(如水泥)等。

一种夹层无机管道的制备方法，包括如下步骤：

1)在反应釜中加入有机单体或高分子树脂、并根据对中间层的粘结强度、抗冲击性能、弹性模量、尺寸稳定性和浆体的表观粘度和流动性等材料性能和工艺性能的要求，选择稀释剂、引发剂、偶联剂等助剂；引发聚合并控制单体转化率；高速搅拌下再加入经过或不经过偶联剂处理过的无机改性粉末，预聚体和无机改性粉末的质量比为1：0.01～3.0，然后进行或不进行真空脱气得到浆体；

2)用常规的清洗剂溶液、水冲洗清洗无机管道并干燥；

3)将第一直径管道7、第二直径管道8叠套在一起组成一组叠套无机管道；其中，第一直径管道7、第二直径管道8为直径相差大于1.0mm的无机管道；

4)将一个或多个20-40mm高的上弹性橡胶密封圈1的u形环槽11分别罩在每组叠套的无机管道的上端并压入，将上弹性橡胶密封圈1的第一软管2、第二软管3分别与输送浆体的胶管4和抽真空的排气管5相连接，成为下道工序(注胶和抽真空)的通道；

5)将一个或多个20-40mm高的下弹性橡胶密封圈9的u形环槽1罩在一组叠套无机管道的下端并压入，起到封闭管道下端夹层间隙的封底作用；

步骤5)也可以选择在步骤3)中的管道的下端夹层中塞入宽度略大于或相等于夹层间距的pvb胶片，并用热风将这些pvb胶条烤软固定在夹层间，起到封闭管道下端夹层间隙的作用(封底)；或者在以上管道的底端夹层中填充10-20mm高的热熔丁基胶或聚硫密封胶或聚氨酯密封胶或丙酮型室温硫化硅橡胶(硅酮胶)等现有的封底胶；或借助于火焰、发热器的加热以及在玻璃焊料辅助下实现封底；

6)注胶：将浆体通过第一软管2缓慢注入以上管道的夹层，直至注满夹层；

7)排泡：经第二软管3通过真空泵对以上管道夹层抽真空约1-20分钟，负压排除夹层中浆体的气泡，然后缓慢减少负压直至常压；

8)固化：根据浆体的类型选择热、uv、射线、电子束辐射等方式固化或常温常压等方式固化浆体，直至与无机材料管道牢固的粘结成整体，拆除步骤4)所罩上的弹性橡胶密封圈和下弹性橡胶密封圈，得到夹层无机管道。

在固化过程中让热/冷气体流经无机材料管道的中心孔和多组叠套无机管道的间隙，作为热交换介质及时移除固化反应放热或加热，使浆体能在更精确、更稳定的“温度-时间”环境下聚合固化，提高聚合物中间层10的粘结强度。

为了提高制备工效和固化质量，步骤5)之后，可将多组封底后的以上管道整齐排列在栅格托盘上，一起移入一个能容纳栅格托盘和整齐直排管道的容器中，然后进行步骤6)-步骤8)。

固化方式中可在以上容器壁上布置换热器、紫外灯、射线辐射器、电子束辐射器使浆体固化。由于换热器、紫外灯、射线辐射器、电子束辐射器布置在以上容器内部，使生产更安全。

工作原理：通过u形环槽11和第一软管2、第二软管3，配合上弹性橡胶密封圈1向夹层中注入浆体和负压排除夹层中浆体的气泡；通过将多组管道排列在带有夹层14分配气管路的格栅托盘12上，让作为热交换介质通过气流入口15进入夹层14的热/冷气体，经格栅托盘12表面上的多个出/入气孔13穿过无机管道的中心孔6和多组叠套无机管道的间隙，通过调节栅格托盘12的夹层14中热/冷气流的流量和流速，及时地移除聚合固化反应的放热或对聚合固化反应加热，从而使浆体能在更精确、更稳定的“温度-时间”环境下聚合固化，提高聚合物中间层10的粘结强度。

实例1

步骤1)在反应釜中加入一定量的聚合物单体、稀释剂、引发剂、偶联剂、固化剂等助剂，引发聚合并控制单体转化率；高速搅拌下再加入经过或不经过偶联剂处理过的无机改性粉末，预聚体和无机改性粉末的质量比为1：0.01～3.0，然后进行或不进行真空脱气得到浆体；

步骤2)用清洗剂溶液、水冲洗清洗并干燥不同直径第一直径管道7、第二直径管道8的硼硅酸盐玻璃管道或硅酸盐玻璃管道；

步骤3)将第一直径管道7、第二直径管道8叠套在一起组成一组叠套无机管道；其中，第一直径管道7、第二直径管道8为直径相差大于1.0mm的无机管道；

步骤4)将一个或多个20-40mm高的上弹性橡胶密封圈1的u形环槽11分别罩在每组叠套的以上管道的上端并压入，将上弹性橡胶密封圈1的第一软管2、第二软管3分别与输送浆体的胶管4和抽真空的排气管5相连接，成为下道工序(注胶和抽真空)的通道；

步骤5)将一个或多个20-40mm高的下弹性橡胶密封圈9的u形环槽1罩在一组叠套无机管道的下端并压入，起到封闭管道下端夹层间隙封底作用；将多组以上管道整齐排列在栅格托盘12上，并一起移入一个能容纳栅格托盘12和整齐直排管道的容器中；

步骤6)注胶：将浆体通过第一软管2缓慢注入以上管道的夹层，直至注满夹层；

步骤7)排泡：经第二软管3通过真空泵对以上管道夹层抽真空约1-20分钟，负压排除夹层中浆体的气泡，然后缓慢减少负压直至常压；

步骤8)固化：通过多支10-20mm的间距排布在容器壁上的40w紫外灯管照射以上管道40-50分钟。其间通过调节格栅托盘12的夹层14中热/冷气流的流量和流速，使热/冷气流从栅格托盘12的出/入气孔13处穿过以上管道的中心孔6和管道的间隙，作为热交换介质及时移除固化反应放热或加热，使浆体能按设定的“温度-时间”条件聚合固化，直至与叠套管道牢固地粘结成整体，拆除步骤4)和步骤5)所罩上的弹性橡胶密封圈1和下弹性橡胶密封圈9，得到夹层硼硅酸盐玻璃管道或硅酸盐玻璃管道。

实例2

步骤1)在反应釜中先按重量配比加入丙烯酸甲酯，二丁酯，苯甲酸，硅烷，过氧化苯甲酰、偶联剂等助剂，引发聚合并控制单体转化率；高速搅拌下再加入经过或不经过偶联剂处理过的无机改性粉末，预聚体和无机改性粉末的质量比为1：0.01～3.0，然后进行或不进行真空脱气得到浆体；

步骤2)用清洗剂溶液、水冲洗清洗并干燥不同直径的锂铝硅微晶玻璃管道,和/或硼硅酸盐玻璃或硅酸盐玻璃管道；

步骤3)将第一直径管道7、第二直径管道8叠套在一起组成一组叠套无机管道；其中，第一直径管道7、第二直径管道8为直径相差大于1.0mm的无机管道；

步骤4)将20-40mm高的上弹性橡胶密封圈1的u形环槽11分别罩在以上管道的上端并压入，将上橡胶密封圈的软管2和软管3分别与输送浆体的胶管4和抽真空的排气管5相连接，成为下道工序(注胶和抽真空)的通道；

步骤5)在以上管道下端的夹层中塞入宽度略大于或相等于夹层间距的pvb胶片，并用热风将这些pvb胶条烤软固定在夹层间，起到封闭管道下端夹层间隙的作用(封底)；或者在以上管道的底端夹层中填充10-20mm高的热熔丁基胶或聚硫密封胶或聚氨酯密封胶或丙酮型室温硫化硅橡胶(硅酮胶)的封底；

步骤(5-1)将多组以上管道整齐排列在栅格托盘12上，并一起移入一个能容纳栅格托盘12和整齐直排管道的容器中；

步骤6)注胶：将浆体通过第一软管2缓慢注入以上管道的夹层，直至注满夹层；

步骤7)排泡：经软管3通过真空泵对以上管道夹层抽真空约1-20分钟，负压排除夹层中浆体的气泡，然后缓慢减少负压直至常压；

步骤8)固化：在固化过程中让热/冷气流进入栅格托盘的夹层中并从出/入气孔穿过无机管道的中心孔6和多组叠套的无机管道的间隙，作为热交换介质及时移除固化反应放热或加热，注意在温度敏感点60℃、85℃、100℃的保温时间，使浆体能按设定的“温度-时间”条件聚合固化，直至与叠套管道牢固的粘结成整体，拆除步骤4)所罩上的弹性橡胶密封圈1，得到锂铝硅微晶玻璃夹层管道或锂铝硅微晶玻璃和硼硅酸盐玻璃或硅酸盐玻璃的复合的夹层管道。

实例3

步骤1)在反应釜中加入聚氨酯改性聚酯树脂、间苯不饱和聚酯树脂、降粘稀释剂、消泡剂、固化剂、乙烯基三乙氧基硅烷(a-151)偶联剂等助剂，引发聚合并控制单体转化率；高速搅拌下再加入经过或不经过偶联剂处理过的无机改性粉末，预聚体和无机改性粉末的质量比为1：0.01～3.0，然后进行或不进行真空脱气得到浆体；

步骤2)用清洗剂溶液、水冲洗清洗并干燥不同直径的物理钢化或化学钢化处理过的硅酸盐玻璃管道；

步骤3)将第一直径管道7、第二直径管道8叠套在一起组成一组叠套无机管道；其中，第一直径管道7、第二直径管道8为直径相差大于1.0mm的无机管道；

步骤4)将一个或多个20-40mm高的上弹性橡胶密封圈1的u形环槽11分别罩在每组叠套的无机管道的上端并压入，将上弹性橡胶密封圈1的第一软管2、第二软管3分别与输送浆体的胶管4和抽真空的排气管5相连接，成为下道工序(注胶和抽真空)的通道；

步骤5)将一个或多个20-40mm高的下弹性橡胶密封圈的u形环槽1罩在一组叠套无机管道的下端并压入，起到封闭管道下端夹层间隙的封底作用；

步骤6)注胶：将浆体通过第一软管2缓慢注入以上管道的夹层，直至注满夹层；

步骤7)排泡：经第二软管3通过真空泵对以上管道夹层抽真空约1-20分钟，负压排除夹层中浆体的气泡，然后缓慢减少负压直至常压；

步骤8)固化：常温常压下静置固化，然后拆除步骤4)和步骤5)所罩的上弹性橡胶密封圈1和下弹性橡胶密封圈9，得到夹层物理钢化或化学钢化的硅酸盐玻璃管道。

实例4

将实例2中步骤3)的锂铝硅微晶玻璃管道和/或硼硅酸盐玻璃或硅酸盐玻璃管道改为铸石管道，其它操作与实例1、实例2或实例3基本相同。

实例5测试例

对制备的以上夹层无机材料管道的进行性能测试，用微机万能材料试验机(rgtest控制系统)，测量试样的抗折性能，跨距＝3×压头直径×试样直径，加载速度为0.5mm/min；用zbc2000摆锤冲击试验机测量试样的抗冲击性能，跨距为40mm，冲击速度为5.2m/s。

数据处理方法

弹性模量按公式e＝σ/ε(mpa)计算，

其中σ为应力/mpa；ε为应变。

应力按公式σ＝f/s(mpa)计算，

其中f为破坏载荷/kn；s为截面积(以外层管道的外直径计算截面积)/m²。

应变按公式ε＝dl/l，其中dl为位移/m；l为外层管道的外直直径/m。冲击强度按公式a＝w/s(kj/m²)，其中w为冲击能量/j；s为截面积(以外层管道的外直径计算截面积)/m²。以夹层玻璃管道为例：

如图5-6所示，所用玻璃管规格均为外径10mm、内径7mm和外径6mm、内径4mm，中间层聚合物为二甲氧基改性硅烷聚醚改性树脂中添加了不同比例的钛白粉。夹层前，玻璃管的破坏载荷、冲击能量和冲击强度分别为0.157kn，0.32焦耳，1.997kj/m²；夹层后，玻璃管的破坏载载、冲击能量和冲击强度的峰值为分别0.613kn，0.87焦耳和3.9kj/m²。

如图7所示，所用玻璃管规格均为外径32mm、内径29mm和外径22mm、内径19mm，中间层为不同聚合物并添加了相同比例经偶联剂处理过的氧化硅粉末；比较夹层前后，管道的弹性模量提高了25％。

如图8所示，所用玻璃管的直径不同，但中间层厚度、材料和玻璃管壁厚均相同；如管径50mm的单层石英玻璃管，实验测得，夹层前，冲击能量为2焦耳，冲击强度为1.34kj/m²，经过pvb夹层加工操作之后，其最高冲击能量和最高冲击强度分别为271焦耳和137.5kj/m²，提高了135.5倍和102.5倍。