CN101900227B - 陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管及制造方法，属复合耐磨管领域。采用4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚酯二醇、1，4-丁二醇(BD)、陶瓷颗粒等作为原料配制复合材料液态浇注料，采用离心浇注工艺在外套管内壁浇注聚氨酯基陶瓷颗粒增强复合材料内衬层。有益效果是制得的陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管有优异的耐磨性和耐蚀性，使用寿命大大提高；该发明原料易得，制造工艺简单，成本较低，便于工厂实际应用和批量生产，经济效益显著。

Description

陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合耐磨管。具体是一种陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管及其制造方法。特别涉及以聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料作为内衬层的金属管的制造工艺。

背景技术

在采矿、冶金等各种行业领域中，有许多过程例如矿坑回填、矿物运送、废料处理、挖掘沙泥、清洗矿石、运送煤灰等都需要远距离输送大量固态物料或固液混杂的浆料，这些物料或浆料含有大量高硬度的块状或粒状固体，因此相应的输送管道面临着严重的磨损问题。在这些工业应用中，不仅要求输送管道强度高、韧性好，还需要尽可能提高管道的耐磨性能。单一金属材料制备的管道耐磨性能提高很有限，因此，新型复合内衬金属管道，是解决管道耐磨性和良好的施工性能的措施之一。近年来国内外相关技术人员在此领域进行了大量研究和创新。

国内发明专利CN1072007提出了一种铸石内衬的耐磨耐腐蚀复合钢管及其制造方法，其特点在于在普通钢管内固定一层以耐磨防腐蚀性能高的铸石材料为基料混合粘结性好、有韧性具有防腐耐磨的胶结料构成的内衬，提高了管道的耐磨和防腐蚀性。其缺陷在于铸石内衬管道较为笨重，运输和安装均较困难；而且铸石内衬在管道受应力变化较剧烈时容易断裂脱落。

国内实用新型专利CN201225460提出了一种陶瓷材料内衬耐磨管道，其特点在于内衬为整体陶瓷管，在内衬管与外套管间设有由耐温胶和隔热填料组成的填料层，使管道耐磨损和耐腐蚀性能显著增强。其缺陷在于陶瓷内衬管的制备工艺非常复杂，成本高昂；而且陶瓷材料脆性大，容易发生“雪崩式”脱落、断裂；在高温情况下由于外套管和内衬管热膨胀系数差别很大，极容易造成内外管脱落。

国内发明专利CN2219411提出了一种双金属复合耐磨管，其特点在于内衬层采用铸铁材料，具有很好的耐磨性能和强韧性能，内外层材料结构相近，热相容性好，使用寿命长。其缺点在于复合内衬厚度大，内衬与外壁不易实现冶金结合，在腐蚀性环境中，腐蚀液易通过缝隙使管外壁快速腐蚀而发生泄漏。

美国发明专利US4101623提出了一种采用热固性塑料作为内衬层的耐磨管道制造方法，更有效地提高了管道的耐磨性能，并降低了制造成本。其缺陷在于热固性塑料耐腐蚀性能较差，而且容易老化失效；塑料和钢管间的结合力较低，容易发生变形和脱落。

上述复合管道虽然不同程度改善了传统金属管道在输送物料过程中的磨损情况，但都具有各自难以克服的缺陷。

发明内容

本发明旨在提供一种陶瓷颗粒增强复合材料内衬金属管及其制造工艺，所制得的陶瓷颗粒增强复合材料内衬金属管的特点是具有较高的耐磨性和较长的使用寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管，由外套管和内衬层组成，外套管为合金钢管或其他类型的金属管；内衬层是将聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料浇注到外套管内壁上固化后得到的陶瓷颗粒强化复合材料；作为内衬层的陶瓷颗粒强化复合材料的基体为聚氨酯橡胶材料，增强相为陶瓷颗粒；在外套管内壁还涂覆有用于提高复合材料内衬层和金属外套管之间的结合力的橡胶-金属粘结剂；所述的聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料使用下述材料和方法制得：由4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯和聚酯二醇作为预聚体，1，4-丁二醇作为扩链剂，陶瓷颗粒作为增强相，在一定条件下混合形成液态浇注料，具体方法是：

a、将100～300目的氧化铝颗粒、石英砂颗粒或其他种类的陶瓷颗粒按颗粒级配混合均匀，用丙酮溶液清洗干净后干燥，待用；

b、用硅烷偶联剂配制质量分数为5％的水溶液作为陶瓷颗粒的预处理液；

c、将步骤a里干燥好的陶瓷颗粒浸入步骤b中配制好的预处理液中，搅拌0.5～2小时后过滤掉液体，在110℃下烘干待用；

d、采用4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯和聚酯二醇的混合物作为预聚体，将步聚c中准备好的陶瓷颗粒浸入预聚体中并搅拌0.5～2小时，使充分混合均匀，得到聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料预混液；

e、将1，4-丁二醇按配比加入步骤d中所得预混液中并搅拌均匀，制得聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料。

上述的陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管的制造方法，将聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料浇注到外套管内壁上，在一定温度下固化后得到，具体步骤如下：

F、在外套管内壁均匀涂抹商用橡胶金属结合剂，以此提高复合材料内衬层与外套金属管之间的结合力；

g、将外套管放置在大型烘炉中的四个滚筒上，其中有一个滚筒保持200～500转/分的转速，其它滚筒处于从动状态；

h、调节烘炉气氛温度并保温0.5～2小时，使外套管温度达到80℃～120℃范围内；

i、将一根下方沿轴向开有窄槽的浇注管道沿外套管中心轴线伸入外套管内；

j、将聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料制备方法步骤e中准备好的液态浇注料在一定的压力下从浇注管道下方开槽挤出，并浇注在外套管内壁上，液态浇注料接触管壁后2～20分钟内即凝胶化成为固态；

k、随着浇注料的不断挤出和外套管的旋转，外套管内壁逐渐形成沿轴向和圆周厚度都较为均匀的聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料固态凝胶层；

l、凝胶层厚度达到预期要求时，停止通入液态浇注料，并撤出浇注管道；

m、浇注完成1～2小时后滚筒停止转动，在100℃～110℃下继续保温3℃～30℃小时使凝胶层继续硫化，最终完全固化形成具有很高耐磨性和耐冲蚀性的聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料固态内衬层。

所述陶瓷颗粒强化复合材料液态浇注料的固化温度为100℃～110℃，固化时间为3～30小时。

所述的陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管复合材料内衬层的邵氏硬度A为50～120。

所述的陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管的制造方法中通过调整浇注料的注入压力和滚筒转速和浇注时间调整复合材料内衬层的厚度。

在上述制造过程中，调整浇注料的注入压力、滚筒转速和浇注时间，可以调整复合材料内衬层的厚度；对陶瓷颗粒使用硅烷偶联剂水溶液进行预处理的目的是提高陶瓷颗粒与聚氨酯基体的结合力，继而提高复合材料的强度和耐磨性；由于聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料制备方法步骤e中配制好的液态浇注料在室温下粘度会缓慢增加以致最终无法浇注，因此应在配制好后尽快进行浇注操作，并控制每次的配制量。

本发明相比现有技术具有如下优势：

a.内衬层采用聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料，其耐磨性和耐蚀性相比其他内衬层材料和单一聚氨酯材料有很大提升，使管道使用寿命得到提高；

b.内衬层复合材料中聚氨酯基体采用4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)体系，使用1，4-丁二醇(BD)作为扩链剂，生产过程中原料挥发性和毒性均很小；

c.内衬层与金属管道内壁之间通过橡胶金属结合剂提高结合力，改进了现有技术界面结合力差的缺陷；

d.通过下方开槽的浇注管道进行浇注，改善了现有技术浇注过程中内衬层厚度沿轴向分布不均的缺陷；

e.该发明原料易得，制造工艺简单，成本较低，便于工厂实际应用和批量生产，经济效益显著。

本发明的有益效果是：通过在金属管道中引入聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料内衬层，极大地提高了金属管道的耐磨性和使用寿命。

附图说明

图1是制备聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料的工艺流程图；

图2是制备聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料内衬金属管的工艺流程图；

图3是陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管结构及其浇注过程的示意图；

图4是图3的A-A剖面图。

图中：1、外套管，2、内衬层，3、液态浇注料，4、浇注管道，5、滚筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例一

参照附图1，称量180目的工业用氧化铝颗粒50kg，浸入含KH-550型硅烷偶联剂质量分数为5％的水溶液中，搅拌1小时后过滤并烘干；将1000份4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)和500份聚酯二醇的混合物作为聚氨酯预聚体，与上述经过预处理的氧化铝颗粒混合，搅拌2小时后再加入80份1，4-丁二醇(BD)，搅拌均匀后制得聚氨酯液态浇注料。

参照图2、图3和图4，复合材料内衬金属管的制造：先在不锈钢无缝钢管即外套管1的内壁均匀涂刷一层橡胶金属粘结剂，然后将其放置在大型烘炉里的四个滚筒5上，其中一个滚筒以300转/分的转速转动。待外套钢管被加热至90℃时，保持恒温，伸入下方有开槽的浇注管道4，将液态浇注料3在一定压力下注入浇注管道内，使液态浇注料沿下方开槽挤出并附着在外套管1内壁上。

当浇注厚度达到要求后停止通入液态浇注料并撤走浇注管道，继续离心旋转1小时后停止滚筒转动。将温度升至120℃并保温20小时，使聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料充分硫化，形成稳定的固态内衬层2。

实施例二

参照附图1，称量300目的工业用石英砂颗粒100kg，浸入含KH-550型硅烷偶联剂质量分数为5％的水溶液中，搅拌1小时后过滤并烘干；将1000份黎明化工研究院的M5050型聚氨酯预聚体(主要成份为4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯)，与上述经过预处理的石英砂颗粒混合，搅拌1.5小时后再加入50份1，4-丁二醇(BD)，搅拌均匀后制得聚氨酯液态浇注料。

用开姆洛克(Chemlok)公司的218型橡胶金属粘结剂均匀涂敷不锈钢无缝钢管内壁，然后将其放置在大型烘炉里的四个滚筒上，其中一个滚筒以500转/分的转速转动。待外套钢管被加热至100℃时，保持恒温，伸入下方有开槽的浇注管道，将液态浇注料在一定压力下注入浇注管道内，使液态浇注料沿开槽挤出并附着在外套管内壁上。

当浇注厚度达到要求后停止通入液态浇注料并撤走浇注管道，继续离心旋转2小时后停止滚筒转动。继续保温48小时，使聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料充分硫化，形成稳定的固态内衬层。

Claims (4)

1.一种陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管，由外套管和内衬层组成，外套管为合金钢管或其他类型的金属管；内衬层是将聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料浇注到外套管内壁上固化后得到的陶瓷颗粒强化复合材料；作为内衬层的陶瓷颗粒强化复合材料的基体为聚氨酯橡胶材料，增强相为陶瓷颗粒；在外套管内壁还涂覆有用于提高复合材料内衬层和金属外套管之间的结合力的橡胶-金属粘结剂；其特征在于：所述的聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料使用下述材料和方法制得：由4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯和聚酯二醇作为预聚体，1，4-丁二醇作为扩链剂，陶瓷颗粒作为增强相，在一定条件下混合形成液态浇注料，具体方法是：

a、将100～300目的氧化铝颗粒、石英砂颗粒按颗粒级配混合均匀，用丙酮溶液清洗干净后干燥，待用；

b、用硅烷偶联剂配制质量分数为5％的水溶液作为陶瓷颗粒的预处理液；

c、将步骤a里干燥好的陶瓷颗粒浸入步骤b中配制好的预处理液中，搅拌0.5～2小时后过滤掉液体，在110℃下烘干待用；

d、采用4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯和聚酯二醇的混合物作为预聚体，将步聚c中准备好的陶瓷颗粒浸入预聚体中并搅拌0.5～2小时，使充分混合均匀，得到聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料预混液；

e、将1，4-丁二醇按配比加入步骤d中所得预混液中并搅拌均匀，制得聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料。

2.一种权利要求1所述的陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管的制造方法，其特征在于：将聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料液态浇注料浇注到外套管内壁上，在一定温度下固化后得到，具体步骤如下：

F、在外套管内壁均匀涂抹商用橡胶金属结合剂，以此提高复合材料内衬层与外套金属管之间的结合力；

g、将外套管放置在大型烘炉中的四个滚筒上，其中有一个滚筒保持200～500转/分的转速，其它滚筒处于从动状态；

h、调节烘炉气氛温度并保温0.5～2小时，使外套管温度达到80℃～120℃范围内；

i、将一根下方沿轴向开有窄槽的浇注管道沿外套管中心轴线伸入外套管内；

j、将权利要求1步骤e中准备好的液态浇注料在一定的压力下从浇注管道下方开槽挤出，并浇注在外套管内壁上，液态浇注料接触管壁后2～20分钟内即凝胶化成为固态；

k、随着浇注料的不断挤出和外套管的旋转，外套管内壁逐渐形成沿轴向和圆周厚度都较为均匀的聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料固态凝胶层；

l、凝胶层厚度达到预期要求时，停止通入液态浇注料，并撤出浇注管道；

m、浇注完成1～2小时后滚筒停止转动，在100℃～110℃下继续保温3～30小时使凝胶层继续硫化，最终完全固化形成具有很高耐磨性和耐冲蚀性的聚氨酯基陶瓷颗粒复合材料固态内衬层。

3.根据权利要求2所述的陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管的制造方法，其特征在于：复合材料内衬层的邵氏硬度A为50～120。

4.根据权利要求2所述的陶瓷颗粒强化复合材料内衬金属管的制造方法，其特征在于：通过调整浇注料的注入压力和滚筒转速和浇注时间调整复合材料内衬层的厚度。