本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种粉煤灰管材及其制备方法。
背景技术：
常规塑料管的受力形式主要为环向受拉，管壁厚度正比于直径与内压的乘积。由于一般塑料材料的抗拉强度都比较低(如聚乙烯材料的抗拉强度为22Mpa)，因此，在较大直径和较大压力下，管壁厚度相当大，并且随管径和内压加大而迅速增大，制造成本随之快速增加。近年来开发应用了钢丝网骨架、加筋增强等塑料复合管，在提高管材抗压能力上效果明显，但是因为材料特性和工艺技术的制约，管材壁厚依然很大，特别是在使用量最多的压力(如0.8-1.0Mpa)区间管材，其壁厚还超过了常规塑料管，成本和价格很高。
目前，对粉煤灰的利用主要作为水泥、空心砖等建材的辅料，应用比例和使用量都不理想。粉煤灰可塑性材料制备管材的构想，受粉煤灰与其它材料各自抗拉强度及弹性模量等固有特性的影响，不能形成可在各个材料间平衡的受力主体，使其受力后难以实现协调变形，且材料的强度不够。
由此可见，传统的塑料管材在制造成本，抗压能力以及材料强度方面，存在严重的不足和缺陷，亟待进一步改进。
技术实现要素：
本发明的目的在于一种加筋增强粉煤灰塑料管材及其制备方法，用以解决现有的塑料管材在制造和应用过程中的存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种加筋增强粉煤灰塑料管材，包括改性粉煤灰塑料管、缠绕在所述粉煤灰塑料管外表面的筋材以及包覆所述粉煤灰塑料管的外包层，其中，所述粉煤灰塑料管原料以重量份数计：高分子树脂30-60份、粉煤灰30-70份、偶联剂0.5-5份、聚乙烯蜡1-10份、硬脂酸0.1-5份、抗冲改性剂0.1-0.5份、炭黑1-5份。
本发明的一个实施例中，所述改性粉煤灰塑料管的原料以重量份数计：高分子树脂35-55份、粉煤灰35-65份、偶联剂1-4份、聚乙烯蜡3-7份、硬脂酸0.5-4份、抗冲改性剂0.2-0.4份、炭黑2-4份。
本发明的一个实施例中，所述抗冲改性剂为ACR或CPE。
本发明的一个实施例中，所述粉煤灰的细度为100-500目。
本发明的一个实施例中，所述高分子树脂为密度在0.940-0.976g/cm3的高密度聚乙烯。
本发明还提供一种上述所述的加筋增强粉煤灰塑料管材的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将粉煤灰、偶联剂混合并搅拌均匀形成第一混合物；
将高分子树脂、聚乙烯蜡、硬脂酸、抗冲改性剂、炭黑依次加入所述第一混合物中，混合并搅拌均匀形成改性粉煤灰树脂；
将所述改性粉煤灰树脂进行造粒得到改性粉煤灰树脂颗粒料；
将所述改性粉煤灰树脂颗粒料与高分子树脂混合均匀形成第二混合物，并将所述第二混合物挤入管材模具挤压成模，定型冷却形成改性粉煤灰塑料管；
将所述筋材通过环筋机包覆在所述改性粉煤灰塑料管材外表面；
将所述改性粉煤灰塑料管的外表面包覆一层外包层，所述外包层为所述第二混合物或高密度聚乙烯。
本发明的一个实施例中，所述第一混合物是依次将所述粉煤灰、所 述偶联剂加入高速混合机搅拌形成的，所述第一混合物的形成温度范围为80℃-110℃。
本发明的一个实施例中，所述定型冷却是在喷淋冷却水环境中进行的。
本发明的一个实施例中，所述筋材的直径为0.1-5mm，抗拉强度为1000-4000Mpa。
本发明的一个实施例中，所述外包层在所述改性粉煤灰塑料管的外表面的包覆厚度为1-5mm。
本发明的加筋增强粉煤灰塑料管材具有以下优点：
本发明将高强度金属筋材、改性粉煤灰树脂与高分子树脂复合，改性粉煤灰树脂颗粒料的可塑性好，材料的刚度强，并将金属筋材呈连续螺旋状嵌入改性粉煤灰的管材中，作为承载内水压力的主体，控制了受力后的变形，减少了壁厚20～90％；此外，本发明管材中含有30～50％价格低廉的粉煤灰，大大降低了管材整体成本，应用范围广泛，开辟了对粉煤灰综合利用的新途径，达到了对废物进行回收利用的目的；本发明的制备方法中通过调整各个条件以及加料的次序，提高了粉煤灰管本身的强度。
附图说明
图1为本发明的加筋增强粉煤灰塑料管材的制备过程。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种加筋增强粉煤灰塑料管材，其包括改性粉煤灰塑料管、缠绕在所述粉煤灰塑料管外表面的筋材以及包覆所述粉煤灰塑料管的外包层，其中，改性粉煤灰塑料管原料以重量份数计：高分子树脂30-60份、粉煤灰30-70份、偶联剂0.5-5份、聚乙烯蜡1-10份、硬脂酸0.1-5份、抗冲改性剂0.1-0.5份、炭黑1-5份。
在本发明的各个实施例中，优选地，改性粉煤灰塑料管原料以重量 份数计：高分子树脂35-55份、粉煤灰35-65份、偶联剂1-4份、聚乙烯蜡3-7份、硬脂酸0.5-4份、抗冲改性剂0.2-0.4份、炭黑2-4份。
在本发明的各个实施中，优选地，改性粉煤灰塑料管原料以重量份数计：高分子树脂40-50份、粉煤灰40-60份、偶联剂2-3份、聚乙烯蜡4-6份、硬脂酸2-3份、抗冲改性剂0.25-0.35份、炭黑2.5-3.5份。
其中，上述实施例中，高分子树脂为高密度聚乙烯，其为无毒、无味，密度在0.940-0.976g/cm3范围内；结晶度为80％-90％，软化点为125-135℃，使用温度可达100℃；熔化温度120-160℃。偶联剂为硅烷类偶联剂。抗冲改性剂为丙烯酸酯类聚合物(ACR)或氯化聚乙烯(CPE)。ACR(Acrylic copolymer)是具有核壳结构的丙烯酸酯类共聚物，是一种综合性能优良的PVC抗冲改性剂。氯化聚乙烯材料(CPE)为饱和高分子材料，具有良好的耐油性、阻燃性及着色性能。
其中，筋材为高强度金属筋材，该高强度金属筋材为环向金属筋材，其为丝状，直径为0.1-5毫米，抗拉强度为1000-4000Mpa。
本发明中，粉煤灰细度为100-500目，比如：110目、120目、130目、140目、150目、180目、200、220目、250目、280目、300目、330目、350目、380目、400目、420目、450目、480目或500目，以及其中任意两值之间的范围。
如图1所示，本发明的加筋增强粉煤灰塑料管材的制备方法，包括以下步骤：
将粉煤灰、偶联剂混合并搅拌均匀形成第一混合物，粉煤灰、偶联剂混合并搅拌过程中的温度范围为85℃-110℃，第一混合物是依次将粉煤灰、偶联剂加入高速混合机搅拌形成的。
将高分子树脂、聚乙烯蜡、硬脂酸、抗冲改性剂、炭黑依次加入第一混合物中，混合并搅拌均匀形成改性粉煤灰树脂；
将改性粉煤灰树脂进行造粒得到改性粉煤灰树脂颗粒料；
将改性粉煤灰树脂颗粒料与高分子树脂混合均匀，并将混合物挤入管材模具挤压成模，定型冷却，其中，定型冷却是在喷淋水箱中进行定 型。
通过环筋机将改性粉煤灰塑料管材上包覆金属筋材，具体的，在管材外壁上沿着管材的长度方向相隔一定间距，呈连续螺旋状的缠绕环向金属筋材。
最后，将所述改性粉煤灰塑料管的外表面及金属筋材包覆一层外包层，所述外包层为所述第二混合物或高密度聚乙烯，形成加筋增强粉煤灰塑料管材。再进一步的将加筋增强粉煤灰塑料管材通过牵引机牵引，定尺加工以及精加工后入库。
本发明首先对粉煤灰表面的进行处理，先形成第一混合物，再将高分子树脂、聚乙烯蜡、硬脂酸、抗冲改性剂、炭黑依次加入第一混合物中形成可塑性的改性粉煤灰树脂。该过程恰到好处的适应了粉煤灰的改性过程，该加料顺序对改性粉煤灰树脂的形成就有重要的影响作用，在保持可塑性的同时，也增强了原料形成后的刚度和强度。本发明粉煤灰中的金属氧化物如SiO2、Al2O3、FeO、MgO、TiO2等对高密度聚乙烯等热塑性树脂起到有效增强作用，同时保留了良好的可塑性，使得支撑的管材的环刚度等性能大大提高。本发明管材进一步地结合缠绕的金属或非金属丝的协同倍增作用大大提高了管材的环刚度、耐压和承压效果。
由于本发明加筋增强粉煤灰塑料管材的综合性能优异，最小壁厚以DN50、63、75、90、110、125、160、200、250、315(mm)管材为例分别为2.0、2.2、2.6、3.0、3.6、4.0、4.8、5.8、7.0、8.5(mm)，其中包覆第二混合物或者高密度聚乙烯的厚度依管材性能要求不同为1-5mm之间。加筋增强粉煤灰塑料管材充分有效地利用了粉煤灰，提高了管材抗压能力、显著降低了制造成本，该管材应用范围广，可代替常规多种输水用管材。
实施例1
本发明的加筋增强粉煤灰塑料管材，改性粉煤灰塑料管原料以重量份数计：高分子树脂30份、粉煤灰30份、偶联剂0.5份、聚乙烯蜡1份、 硬脂酸0.1份、抗冲改性剂0.1份、炭黑1份。
实施例2
本发明的加筋增强粉煤灰塑料管材，改性粉煤灰塑料管原料以重量份数计：高分子树脂40份、粉煤灰50份、偶联剂3份、聚乙烯蜡6份、硬脂酸3份、抗冲改性剂0.3份、炭黑2份。
实施例3
本发明的加筋增强粉煤灰塑料管材，其中，改性粉煤灰塑料管原料以重量份数计：高分子树脂60份、粉煤灰70份、偶联剂5份、聚乙烯蜡10份、硬脂酸5份、抗冲改性剂0.5份、炭黑3份。
下面具体通过一个实施例来说明上述任意一种加筋增强粉煤灰塑料管材的制备方法。
本发明的加筋增强粉煤灰塑料管材的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：将粉煤灰、偶联剂混合并搅拌均匀形成第一混合物，粉煤灰、偶联剂混合并搅拌过程中的温度范围为90℃，第一混合物是依次将粉煤灰、偶联剂加入高速混合机形成的。
步骤B：将高分子树脂、聚乙烯蜡、硬脂酸、抗冲改性剂、炭黑依次加入第一混合物中，混合并搅拌均匀形成改性粉煤灰树脂；
步骤C：将改性粉煤灰树脂进行造粒得到改性粉煤灰树脂颗粒料；
步骤D：将改性粉煤灰树脂颗粒料与高分子树脂混合均匀形成第二混合物，并将第二混合物挤入管材模具挤压成模，定型冷却形成改性粉煤灰塑料管；其中，定型冷却是在喷淋冷却水环境中进行定型。
步骤E：通过环筋机将筋材缠绕到粉煤灰塑料管上得到加筋增强改性粉煤灰塑料管；具体的，在管材外壁上沿着管材的长度方向相隔一定间距，呈连续螺旋状的环向金属筋材，其中，环向金属筋材为丝状，其直径为0.1-5毫米，抗拉强度为1000-4000Mpa。
步骤F：在加筋增强粉煤灰塑料管的外面包覆一层外包层，该外包层为第二混合物或高密度聚乙烯，形成加筋增强粉煤灰塑料管材。将加筋 增强粉煤灰塑料管材通过牵引机牵引，定尺加工以及精加工后入库。
本发明对筋增强粉煤灰塑料管材的性能进行了如下测试，如表1和表2所示：
表1为本发明的加筋增强粉煤灰塑料管材的材料及力学性能结果：
表2为加筋增强粉煤灰塑料管材与同类其它管材的性能比较结果
注：比较是以工程中应用较多的规格为：口径315mm，额定压力1.0 Mpa为例。
表1和表2的试验数据表明：本发明的加筋增强粉煤灰塑料管材比同类其它管材更耐压、重量更轻、成本更低、能耗少、环境更友好，更环保。
本发明将高强度金属筋材、改性粉煤灰树脂与高分子树脂复合，改性粉煤灰树脂颗粒料的可塑性好，强度大，进一步地通过该金属筋材呈连续螺旋状嵌入由上述材料构成的管材中，并且作为承载内水压力的主体，控制了受力后的变形，其管壁的受力形式变为环向受拉和以环向钢筋为支座的纵向连续梁受弯，壁厚不再随压力及管径的变化而增加，减少壁厚20～90％。此外，本发明中，价格低廉的粉煤灰在管壁材料中占比达到30～50％，大大降低了管材成本，应用范围广泛，开辟了对粉煤灰综合利用的新途径，达到了对废物进行回收利用的目的。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。