CN112024243A - 一种石墨烯/有机硅树脂多层复合管制备装置及工艺 - Google Patents

Abstract

一种石墨烯/有机硅树脂多层复合管生产装置及工艺，复合管由三层组成，外层为金属管且内径不小于30mm；中间层为添加了石墨烯的有机硅树脂，层厚为0.2‑1 mm，石墨烯的质量百分比为0.5‑8%wt，内层为有机硅树脂，层厚为0.05‑0.5 mm；添加了石墨烯的有机硅树和有机硅树脂分别通过泵和输送管从喷嘴喷涂于自转金属管内表面，金属管加热固化成复合管。

Description

一种石墨烯/有机硅树脂多层复合管制备装置及工艺

技术领域

本发明涉及到一种金属/聚合物复合管材的成型设备及工艺，尤其涉及到一种石墨烯/有机硅树脂多层复合管制备装置及工艺。

背景技术

复合管由于外层和内衬层可以采取特性各异的材料制成，外层管负责承压和刚性支撑的作用，内衬层则承担耐腐蚀、耐磨损等作用。外层管可以根据输送介质的流量和压力要求，选用不同通径和壁厚的金属管材，例如：热镀锌钢管、直缝焊管、螺旋管、低中压流体输送用无缝钢管、高压锅炉及石油裂化用无缝管钢管、管线管等。根据输送介质化学成分，内衬层选用不同的耐腐蚀合金或其它材料。内衬材料主要以不锈钢、铜基合金、镍基合金、钛合金、双相不锈钢等新型高耐腐蚀合金为主。但双金属复合管一般先各自成型，然后再经清洗+复合的成型方法，其技术路线较长且复杂、及成本高昂。

而涂塑复合金属管是以焊接管、无缝管为基材，内外壁涂敷环氧树脂或聚乙烯粉末，是防腐、耐侵蚀、无毒、无辐射的绿色环保管材，应用于各种流体输送。这种金属/塑料复合管还具有阻氧作用，可直接用于直饮水工程，而其内外层又是塑料材质，具有非常好的耐腐蚀性。涂塑复合金属管具有如此优良的性能，其用途非常广泛，在石油、天然气输送、工矿用管、饮水管、排水管等等各种领域均可以见到其身影。环氧树脂和聚乙烯虽具有良好耐腐蚀性能，但热、电性能不佳，这极大地限制了这类涂塑复合管的应用。

在一些腐蚀严重的场合下，并且需要热力交换或防止液体产生静电的场合，那么这种内衬层为树脂因其导热差，而双金属复合管则因耐腐蚀能力相对较差，这两类复合管均不太合适于此类工况。针对以上不足，提出一种石墨烯/有机硅树脂多层复合管，该管具有导热性强、耐磨、耐蚀特性，复合管的热、电性能得到极大提升。

发明内容

本发明提出一种石墨烯/有机硅树脂多层复合管生产装置及工艺，所述复合管由三层组成，外层为金属管，且金属管内径不小于30mm；中间层为添加了石墨烯的有机硅树脂，有机硅复合树脂层的厚度为0.2-1 mm，石墨烯的质量百分比为0.5-8%wt，内层为有机硅树脂，树脂层厚度为0.05-0.5 mm。

石墨烯/有机硅树脂多层复合管的工艺原理为，在一高速自转并能轴向移动的金属管内，相对静止的树脂输送管和喷嘴采用轴承和钢丝刷内置于管内，树脂输送管和喷嘴不参与金属管的自转和轴向移动，添加了石墨烯的有机硅树和有机硅树脂分别通过泵和输送管从喷嘴喷涂于金属管内表面，被喷涂的金属管逐步进入加热固化装置内固化，待树脂丧失流动性后，延时控制器和行程控制器联动电机停止金属管的旋转和轴向移动，金属管被送入加热固化装置的其它段，继续固化制成复合管。

所述石墨烯/有机硅树脂多层复合管生产装置由操作与控制***、硬质管、金属管旋转装置、挡环、硬质管支撑轴承、钢丝刷、金属管支撑架、复合树脂喷嘴、树脂喷嘴、传动轮、加热固化装置、传动带、移动电机、移动导轨、树脂泵、复合树脂泵组成。

所述移动电机通过传动轮、传动带，带动金属管旋转装置和金属管支撑架的支座在移动导轨上作往复移动，支座移动采用行程控制器和延时控制器联动移动电机来控制，工作状态时，金属管固定于金属旋转装置和金属管支撑架，金属旋转装置提供金属管旋转动力，金属支撑架则可被动旋转，且金属管支撑架的数量不小于1。

所述金属管旋转装置为组合机构，包含旋转电机、轴承、轴、金属管卡紧装置、支座，旋转电机固定于支座，旋转电机通过传动机构带动轴旋转，轴通过轴承固定于支座，金属管卡紧装置通过机械连接方式与轴连接，金属管卡紧装置采用刚性三爪或四爪卡盘的形式。

所述金属管支撑架包括支座、轴承、金属管固定装置，金属管固定装置通过轴承固定于支座，金属管固定装置采用刚性三爪或四爪卡盘的结构形式，金属管固定装置与被固定金属管的接触部位采用柔性材料包覆。

所述硬质管，其为若干段树脂输送管和复合树脂输送管和支撑环组成的复合结构，树脂输送管采用金属管或橡胶管、复合树脂输送管采用金属管或橡胶管的形式，硬质管一端与泵相连，一端与喷嘴相连，硬质管与硬质管、以及硬质管与喷嘴之间采用支撑环来实现连接，支撑环为加工有2个轴向通道的圆台结构，硬质管与支撑环之间采用卡扣、或管接头、或焊接形式连接，喷嘴与支撑环之间则采用卡扣、或焊接或螺纹连接方式，支撑环外径与硬质管支撑轴承的内径为过盈配合，轴承两端装配有挡环，挡环固定于支撑环，挡环主体为两个环形薄片，环形薄片大圆半径大于硬质管支撑轴承外圈的内径，环形薄片与硬质管支撑轴承的外圈之间的轴向间隙为0.5-2mm，且在环形薄片与硬质管支撑轴承的外圈之间的轴向间隙设置柔性封条。

进一步，在所述支撑环之间设置有抗扭的加固杆件；

进一步，所述档环为圆环结构，档环外径不大于硬质管支撑轴承的外圈。

进一步，所述钢丝刷固定于硬质管支撑轴承的外圈，钢丝刷在圆周方向为多段结构，钢丝朝向为硬质管支撑轴承外圈向外的径向。

所述移动导轨倾斜布置，后喷的金属管端处于相对较低位置，金属管轴线与水平面的夹角为0-0.5rad，移动导轨长度不小于被喷涂金属管长度的2倍，其中移动导轨处于加热固化装置内的长度不小于移动导轨长度的一半，可确保喷涂完毕的金属管完整处于加热固化装置内。

所述加热固化装置为分段式结构，段与段之间采用隔热棉分开，依有机硅树脂和固化剂种类的不同，分别设定加热固化装置各段的加热温度。

进一步，所述加热固化装置各分段的温度设置为，第一分段工作温度为70-100℃，相连分段之间的工作温之差为20-40℃，加热固化装置最高工作温度为不高于300℃。

所述操作与控制***包含控制单元、显示单元、传感器单元及信号转换及连接单元，实现联动控制、参数调节与自动控制、参数显示功能。

进一步，所述操作与控制***采用PLC方式，内嵌Wifi连接方式；

进一步，所述传感器单元包含位移、转速、温度、电流、压力、功率传感器；

进一步，所述联动控制包含：支座位移联动树脂泵的启/停，支座位移和延时控制器联动控制移动电机、旋转电机。参数显示功能包含加热固化各段的加热功率和温度、旋转电机转速、支座的移动速度、支座位移、树脂泵的工作压力、树脂剩余量；参数调节与控制包含树脂泵的压力、旋转电机的转速、加热固化的各段功率和设定温度、支座的移动速度、金属管内壁喷涂完毕至停止旋转的延时时间。

进一步，所述移动电机采用三相交流电机，其支座往复移动的换向通过电路变换相电流的顺序，变换电机旋转方向来实现。

所述石墨烯的添加方式采用振动筛子形式，让石墨烯从筛子里自落入强力搅拌的树脂容器。

所述复合管制备工艺参数：复合树脂喷涂时，金属管自转转速为50-500 转/min，金属管轴向移动速度为0.05-1m/s，添加固化剂后有机硅树脂25℃的黏度为0.01-0.10Pa·s，金属管喷涂完毕后继续旋转时间为0.5-4min；复合树脂泵工作压力为0.3-2MPa，树脂泵工作压力为0.2-1.5MPa，加热固化装置工作温度为70-300℃。

本发明的优点在于：

相比常规喷涂与固化，本树脂层更为致密和结合强度高，制成的石墨烯/有机硅树脂多层复合管具有高导热、导电、高耐蚀的特性。具体表现于以下几个方面：

1.由于中间层添加了石墨烯，使有机硅树脂层的耐热性得到极大提高，且石墨烯处于内层有机硅的保护，致使石墨烯不会因为流体冲刷而脱落，提高了复合管使用寿命；

2. 与制备双金属复合管相比来说，其生产工艺及条件更简单，生产效率更高；

3.钢丝刷可同步打磨金属管内壁，提高金属管内壁的清洁度和粗糙度，简化了工艺并使复合界面更为清洁，以增大树脂与金属管的结合强度；

4. 与内村为塑料的金属复合管相比，由于中间层添加了石墨烯，极大的增加了树脂层的导热能力，且由于石墨烯具有导电性能，故本复合管可用于一些耐磨、腐蚀要求高，且由于石墨烯和有机硅树脂具有优异导电性能，该复合管可用于防止静电产生的输送管道；

5.树脂层由于金属管旋转产生的离心力，通过调整加热温度、固化剂等，可让有机硅树脂在旋转同时初步完成固化，形成加压加热固化效果，树脂层致密度高；

6.金属管倾斜放置，便于钢丝刷刮擦产生的废物从管内扫出来；

7.有机硅树脂具有良好电性能及热稳定性，因此，该复合管综合了金属管、石墨烯、有机硅树脂三者优点，具有高强、耐磨、耐蚀、导电及导热性好等优点；

8.本发明设备简单，容易实现自动化和机械化，生产效率高，同样道理，本装置也同样适合于没有添加石墨烯的有机硅树脂层复合管的生产。

附图说明

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

图1为本发明装置的示意图，图中（1）为操作与控制***；（2）为硬质管；（3）为金属管旋转装置；（4）为挡环；（5）为硬质管支撑轴承；（）为支撑环；（6）为钢丝刷；（7）为金属管支撑架；（8）为树脂喷嘴；（9）为复合树脂喷嘴；（10）为喷涂后石墨烯的复合树脂层；（11）为金属管；（12）为传动轮，采用链轮或带轮方式；（13）为加热固化装置；（14）为传动带，采用链条或皮带；（15）为移动电机，采用三相交流电机；（16）为移动导轨，采用金属材料制成；（17）为树脂泵；（18）为复合树脂泵。

具体实施方式

图1为本发明装置的示意图，图中（1）为操作与控制***，控制***采用PLC方式；（2）为硬质管，采用金属管；（3）为金属管旋转装置；（4）为挡环，采用金属材料制成；（5）为硬质管支撑轴承；（）为支撑环，采用金属材料制成；（6）为钢丝刷；（7）为金属管支撑架；（8）为树脂喷嘴；（9）为复合树脂喷嘴；（10）为喷涂后的复合层；（11）为金属管；（12）为传动轮，采用同步皮带轮方式；（13）为加热固化装置；（14）为传动带，采用同步皮带；（15）为移动电机；（16）为移动导轨，采用金属制成；（17）为树脂泵，采用叶片泵或齿轮泵形式；（18）复合树脂泵，采用叶片泵或齿轮泵。

Claims (5)

1.一种石墨烯/有机硅树脂多层复合管生产装置及工艺，装置由操作与控制***、硬质管、金属管旋转装置、挡环、硬质管支撑轴承、钢丝刷、金属管支撑架、复合树脂喷嘴、树脂喷嘴、传动轮、加热固化装置、传动带、移动电机、移动导轨、树脂泵、复合树脂泵组成；其特征在于，复合管由三层组成，外层为金属管且内径不小于30mm；中间层为添加了石墨烯的有机硅树脂，层厚为0.2-1 mm，石墨烯的质量百分比为0.5-8%wt，内层为有机硅树脂，层厚为0.05-0.5 mm；

所述金属管旋转装置为组合机构，包含旋转电机、轴承、轴、金属管卡紧装置、支座，旋转电机固定于支座，旋转电机通过传动机构带动轴旋转，轴通过轴承固定于支座，金属管卡紧装置通过机械连接方式与轴连接，金属管卡紧装置采用刚性三爪或四爪卡盘的形式；

所述金属管支撑架包括支座、轴承、金属管固定装置，金属管固定装置通过轴承固定于支座，金属管固定装置采用刚性三爪或四爪卡盘的结构形式，金属管固定装置与被固定金属管的接触部位采用柔性材料包覆；

所述移动电机通过传动轮、传动带，带动金属管旋转装置和金属管支撑架的支座在移动导轨上作往复移动，支座移动采用行程控制器和延时控制器联动移动电机来控制；

所述硬质管为若干段树脂输送管和复合树脂输送管和支撑环组成的复合结构，硬质管一端与泵相连，一端与喷嘴相连，硬质管与硬质管、以及硬质管与喷嘴之间采用支撑环来实现连接，支撑环为加工有2个轴向通道的圆台结构，硬质管支撑轴承固定于支撑环，轴承两端装配有挡环，挡环固定于支撑环；

进一步，所述支撑环之间设置有抗扭的加固杆件；

进一步，所述档环为圆环结构，档环外径不大于硬质管支撑轴承的外圈；

进一步，所述钢丝刷固定于硬质管支撑轴承的外圈，钢丝刷圆周方向为多段结构，钢丝朝向为硬质管支撑轴承外圈向外的径向；

所述移动导轨倾斜布置，后喷的金属管端处于相对较低位置，金属管轴线与水平面的夹角为0-0.5rad，移动导轨长度不小于被喷涂金属管长度的2倍，其中移动导轨处于加热固化装置内的长度不小于移动导轨长度的一半；

所述加热固化装置为分段式结构，段与段之间采用隔热棉分开，各分段的工作温度设置为，第一分段工作温度为70-100℃，相连分段之间的工作温差为20-40℃，加热固化装置的最高工作温度不高于300℃。

2.根据权利要求1所述挡环，其特征在于，挡环主体为两个环形薄片，环形薄片的大圆半径大于硬质管支撑轴承外圈的内径，环形薄片与硬质管支撑轴承的外圈之间的轴向间隙为0.5-2mm，在环形薄片与硬质管支撑轴承的外圈之间的轴向间隙设置有柔性封条。

3.根据权利要求1所述操作与控制***，其特征在于，***包含控制单元、显示单元、传感器单元及信号转换及连接单元，实现联动控制、参数调节、自动控制、参数显示功能；

进一步，所述传感器单元包含位移、转速、温度、电流、压力、功率传感器；

进一步，所述联动控制包含：支座位移联动树脂泵和复合树脂泵的启/停，支座位移和延时控制器联动控制移动电机、旋转电机的启/停；

进一步，所述参数显示功能包含加热固化各段的加热功率和温度、旋转电机转速、支座的移动速度、支座位移、树脂泵的工作压力、树脂剩余量；

进一步，所述参数调节与控制包含树脂泵的压力、旋转电机的转速、加热固化的各段功率和设定温度、支座的移动速度、金属管内壁喷涂完毕至停止旋转的延时时间。

4.根据权利要求1所述石墨烯，其特征在于，石墨烯添加方式为，采用振动筛分形式，石墨烯从筛子里自落入强力搅拌的树脂容器。

5.根据权利要求1所述复合管制备工艺，其特征在于，树脂喷涂时，金属管的自转转速为50-500 转/min，金属管轴向移动速度为0.05-1m/s，添加固化剂后有机硅树脂25℃的黏度为0.01-0.10 Pa·s，喷涂完毕后金属管继续旋转时间为0.5-4min；复合树脂泵工作压力为0.2-1.5MPa，树脂泵工作压力为0.3-2MPa，加热固化装置的工作温度为70-300℃。

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