CN115785552A - 一种输送氢气的聚乙烯管材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，在酸性条件下，将气体阻隔剂投入硅烷偶联剂溶液中，室温搅拌均匀后取出，并烘干至恒重，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂；将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与聚乙烯燃气管专用料混合均匀后，通过挤出造粒工艺，制备出改性的聚乙烯树脂料；将改性的聚乙烯树脂料通过挤出成型工艺，制备出力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。经测试，尺寸为32mm×3mm的聚乙烯管材，对氢气的透过量为0.01～0.02cm3/m2 24h，表现出了优异的氢气阻隔性能。
Description
技术领域
本发明属于氢气输送管材领域，特别涉及一种输送氢气的聚乙烯管材及其制备方法。
背景技术
氢气管道可分为长距离输送管道和短距离配送管道。长输管道输氢压力较高，管道直径较大，主要用于制氢单元与氢气站之间的高压氢气的长距离、大规模输送，配送管道输氢压力较低，管道直径较小，主要用于氢气站与各个用户之间的中低压氢气的配送。我国氢气输送***建设较为滞后，现有氢气输送管道总里程仅约400km。目前，氢气输送管道多采用无缝钢管，管道材料主要为X42、X52、X56等低强度管线钢，输送压力有限，管道壁厚大，导致输送效率低且建设投资成本高，进一步限制了氢能的大规模使用。近年来，国外针对氢气管输***降本提效方面开展了大量的研究工作，一方面试图开发新型材料如纤维复合材料用于氢气输送，降低氢气输送管道建设成本。另一方面，开展传统管材如高强钢的性能表征与评估研究，揭示不同压力和荷载频率对管材本体及焊缝的影响规律。
传统使用的无缝钢管在输送氢气过程中会发生“氢脆”现象，逐渐在钢内部形成细小的裂纹，导致严重的安全隐患。而对于高分子管材，如在输送天然气时常用的聚乙烯管材，虽然其在输送氢气过程中不会发生“氢脆”现象且成本低廉，但由于其加工成型后分子间隙大，导致氢气的渗透率较高，同样限制了聚乙烯管材在氢气输送领域的大规模使用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种输送氢气的聚乙烯管材及其制备方法，将聚乙烯燃气管专用料与改性后的气体阻隔剂(蒙脱土、高岭土)充分混合后，通过挤出成型工艺，制备出力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。
本发明采用的技术方案是：一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将气体阻隔剂依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干；在酸性条件下，将气体阻隔剂投入质量分数为0.5～5％的硅烷偶联剂溶液中，室温搅拌18h～24h后取出，并烘干至恒重，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂；
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与聚乙烯燃气管专用料混合均匀后，通过挤出造粒工艺，制备出改性的聚乙烯树脂料；
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，制备出聚乙烯管材。
进一步的，所述气体阻隔剂为蒙脱土、高岭土中的一种或几种。
进一步的，所述硅烷偶联剂溶液中的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
进一步的，所述硅烷偶联剂溶液中的溶剂为水、甲醇、乙醇中的一种或几种。
进一步的，步骤1中的所述酸性条件由醋酸提供，PH值为3.5～5.5。
进一步的，步骤1中，烘干的温度为30～70℃。
进一步的，所述硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与聚乙烯燃气管专用料的质量比为1：100～1：1000。
进一步的，所述聚乙烯燃气管专用料为北欧化工、沙比克、上海石化所生产的PE(聚乙烯)树脂燃气管专用料中的一种或几种。
本发明采用的技术方案还是：上述输送氢气的聚乙烯管材制备方法制备的聚乙烯管材。
进一步的，所述聚乙烯管材成型后的尺寸为32mm×3mm。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：本发明利用硅烷偶联剂溶液对气体阻隔剂进行改性，再与聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出成型工艺，制备出力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。经测试，尺寸为32mm×3mm的聚乙烯管材，对氢气的透过量为0.01～0.02cm3/m2 24h，表现出了优异的氢气阻隔性能。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作详细说明。
实施例一
本发明的实施例提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：将100g蒙脱土依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干。在1000g质量百分数为1％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中加入醋酸，调节至PH＝5，搅拌5min。然后将烘干的蒙脱土投入至上述溶液中，室温搅拌24h后，在60℃烘箱中烘干至恒重后，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂。
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与10000g北欧化工生产的聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出造粒技术，制备出改性的聚乙烯树脂料。
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，得到力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。聚乙烯管材的尺寸为32mm(直径)×3mm(壁厚)。
氢气透过量测试：采用氢气阻隔性测试装置检测聚乙烯管材的氢气透过量，测试压力为0.1MPa，测试时间为24h。该过程重复三次，测量的平均值作为聚乙烯管材的氢气透过量。
取修剪后的聚乙烯管材，放置在氢气阻隔性测试装置中，密封后，打开氢气阀加压至0.1MPa后停止加压，24h后测试装置的压力变化，经计算，聚乙烯管材的氢气透过量为0.01cm3/m2 24h。
实施例二
本发明的实施例提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：将100g高岭土依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干。在100g质量百分数为5％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中加入醋酸，调节至PH＝4，搅拌5min。然后将烘干的高岭土投入至上述溶液中，室温搅拌24h后，在60℃烘箱中烘干至恒重后，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂。
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与20000g北欧化工生产的聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出造粒技术，制备出改性的聚乙烯树脂料。
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，得到力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。聚乙烯管材的尺寸为32mm(直径)×3mm(壁厚)。
氢气透过量测试：采用氢气阻隔性测试装置检测聚乙烯管材的氢气透过量，测试压力为0.1MPa，测试时间为24h。该过程重复三次，测量的平均值作为聚乙烯管材的氢气透过量。
取修剪后的聚乙烯管材，放置在氢气阻隔性测试装置中，密封后，打开氢气阀加压至0.1MPa后停止加压，24h后测试装置的压力变化，经计算，聚乙烯管材的氢气透过量为0.02cm3/m2 24h。
实施例三
本发明的实施例提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：将100g蒙脱土依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干。在100g质量百分数为2％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中加入醋酸，调节至PH＝5，搅拌5min。然后将烘干的蒙脱土投入至上述溶液中，室温搅拌24h后，在60℃烘箱中烘干至恒重后，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂。
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与30000g北欧化工生产的聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出造粒技术，制备出改性的聚乙烯树脂料。
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，得到力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。聚乙烯管材的尺寸为32mm(直径)×3mm(壁厚)。
氢气透过量测试：采用氢气阻隔性测试装置检测聚乙烯管材的氢气透过量，测试压力为0.1MPa，测试时间为24h。该过程重复三次，测量的平均值作为聚乙烯管材的氢气透过量。
取修剪后的聚乙烯管材，放置在氢气阻隔性测试装置中，密封后，打开氢气阀加压至0.1MPa后停止加压，24h后测试装置的压力变化，经计算，聚乙烯管材的氢气透过量为0.02cm3/m2 24h。
实施例四
本发明的实施例提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：将100g高岭土依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干。在100g质量百分数为1％的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的水溶液中加入醋酸，调节至PH＝3.5，搅拌5min。然后将烘干的高岭土投入至上述溶液中，室温搅拌24h后，在30℃烘箱中烘干至恒重后，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂。
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与40000g沙比克生产的聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出造粒技术，制备出改性的聚乙烯树脂料。
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，得到力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。聚乙烯管材的尺寸为32mm(直径)×3mm(壁厚)。
氢气透过量测试：采用氢气阻隔性测试装置检测聚乙烯管材的氢气透过量，测试压力为0.1MPa，测试时间为24h。该过程重复三次，测量的平均值作为聚乙烯管材的氢气透过量。
取修剪后的聚乙烯管材，放置在氢气阻隔性测试装置中，密封后，打开氢气阀加压至0.1MPa后停止加压，24h后测试装置的压力变化，经计算，聚乙烯管材的氢气透过量为0.02cm3/m2 24h。
实施例五
本发明的实施例提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：将100g蒙脱土依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干。在100g质量百分数为0.5％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中加入醋酸，调节至PH＝5，搅拌5min。然后将烘干的蒙脱土投入至上述溶液中，室温搅拌18h后，在70℃烘箱中烘干至恒重后，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂。
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与50000g沙比克生产的聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出造粒技术，制备出改性的聚乙烯树脂料。
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，得到力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。聚乙烯管材的尺寸为32mm(直径)×3mm(壁厚)。
氢气透过量测试：采用氢气阻隔性测试装置检测聚乙烯管材的氢气透过量，测试压力为0.1MPa，测试时间为24h。该过程重复三次，测量的平均值作为聚乙烯管材的氢气透过量。
取修剪后的聚乙烯管材，放置在氢气阻隔性测试装置中，密封后，打开氢气阀加压至0.1MPa后停止加压，24h后测试装置的压力变化，经计算，聚乙烯管材的氢气透过量为0.01cm3/m2 24h。
实施例六
本发明的实施例提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：将100g高岭土依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干。在100g质量百分数为2.5％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中加入醋酸，调节至PH＝5.5，搅拌5min。然后将烘干的高岭土投入至上述溶液中，室温搅拌24h后，在60℃烘箱中烘干至恒重后，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂。
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与60000g沙比克生产的聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出造粒技术，制备出改性的聚乙烯树脂料。
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，得到力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。聚乙烯管材的尺寸为32mm(直径)×3mm(壁厚)。
氢气透过量测试：采用氢气阻隔性测试装置检测聚乙烯管材的氢气透过量，测试压力为0.1MPa，测试时间为24h。该过程重复三次，测量的平均值作为聚乙烯管材的氢气透过量。
取修剪后的聚乙烯管材，放置在氢气阻隔性测试装置中，密封后，打开氢气阀加压至0.1MPa后停止加压，24h后测试装置的压力变化，经计算，聚乙烯管材的氢气透过量为0.02cm3/m2 24h。
实施例七
本发明的实施例提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：将100g蒙脱土依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干。在100g质量百分数为1.0％的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中加入醋酸，调节至PH＝5，搅拌5min。然后将烘干的蒙脱土投入至上述溶液中，室温搅拌24h后，在60℃烘箱中烘干至恒重后，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂。
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与70000g沙比克生产的聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出造粒技术，制备出改性的聚乙烯树脂料。
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，得到力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。聚乙烯管材的尺寸为32mm×3mm。
氢气透过量测试：采用氢气阻隔性测试装置检测聚乙烯管材的氢气透过量，测试压力为0.1MPa，测试时间为24h。该过程重复三次，测量的平均值作为聚乙烯管材的氢气透过量。
取修剪后的聚乙烯管材，放置在氢气阻隔性测试装置中，密封后，打开氢气阀加压至0.1MPa后停止加压，24h后测试装置的压力变化，经计算，聚乙烯管材的氢气透过量为0.01cm3/m2 24h。
实施例八
本发明的实施例提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：将100g高岭土依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干。在100g质量百分数为2.0％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中加入醋酸，调节至PH＝4，搅拌5min。然后将烘干的高岭土投入至上述溶液中，室温搅拌24h后，在60℃烘箱中烘干至恒重后，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂。
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与80000g上海石化生产的聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出造粒技术，制备出改性的聚乙烯树脂料。
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，得到力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。聚乙烯管材的尺寸为32mm×3mm。
氢气透过量测试：采用氢气阻隔性测试装置检测聚乙烯管材的氢气透过量，测试压力为0.1MPa，测试时间为24h。该过程重复三次，测量的平均值作为聚乙烯管材的氢气透过量。
取修剪后的聚乙烯管材，放置在氢气阻隔性测试装置中，密封后，打开氢气阀加压至0.1MPa后停止加压，24h后测试装置的压力变化，经计算，聚乙烯管材的氢气透过量为0.01cm3/m2 24h。
实施例九
本发明的实施例提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：将100g蒙脱土依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干。在100g质量百分数为1.0％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中加入醋酸，调节至PH＝5，搅拌5min。然后将烘干的蒙脱土投入至上述溶液中，室温搅拌20h后，在45℃烘箱中烘干至恒重后，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂。
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与90000g上海石化生产的聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出造粒技术，制备出改性的聚乙烯树脂料。
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，得到力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。聚乙烯管材的尺寸为32mm×3mm。
氢气透过量测试：采用氢气阻隔性测试装置检测聚乙烯管材的氢气透过量，测试压力为0.1MPa，测试时间为24h。该过程重复三次，测量的平均值作为聚乙烯管材的氢气透过量。
取修剪后的聚乙烯管材，放置在氢气阻隔性测试装置中，密封后，打开氢气阀加压至0.1MPa后停止加压，24h后测试装置的压力变化，经计算，聚乙烯管材的氢气透过量为0.02cm3/m2 24h。
实施例十
本发明的实施例提供了一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：将100g高岭土依次用蒸馏水、无水乙醇、蒸馏水充分清洗后烘干。
在100g质量百分数为1.0％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中加入醋酸，调节至PH＝5，搅拌5min。然后将烘干的高岭土投入至上述溶液中，室温搅拌24h后，在60℃烘箱中烘干至恒重后，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂。
步骤2：将100g硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与100000g上海石化生产的聚乙烯燃气管专用料充分混合后，通过挤出造粒技术，制备出改性的聚乙烯树脂料。
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料放入到双螺杆挤出机中，通过挤出成型工艺，得到力学性能优良、气体阻隔性良好、可用于输送氢气的聚乙烯管材。聚乙烯管材的尺寸为32mm×3mm。
氢气透过量测试：采用氢气阻隔性测试装置检测聚乙烯管材的氢气透过量，测试压力为0.1MPa，测试时间为24h。该过程重复三次，测量的平均值作为聚乙烯管材的氢气透过量。
取修剪后的聚乙烯管材，放置在氢气阻隔性测试装置中，密封后，打开氢气阀加压至0.1MPa后停止加压，24h后测试装置的压力变化，经计算，聚乙烯管材的氢气透过量为0.01cm3/m2 24h。
以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。
Claims (10)
1.一种输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在酸性条件下，将气体阻隔剂投入质量分数为0.5～5％的硅烷偶联剂溶液中，室温搅拌18h～24h后取出，并烘干至恒重，得到硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂；
步骤2：将硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与聚乙烯燃气管专用料混合均匀后，通过挤出造粒工艺，制备出改性的聚乙烯树脂料；
步骤3：将改性的聚乙烯树脂料通过挤出成型工艺，制备出聚乙烯管材。
2.如权利要求1所述的输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其特征在于：所述气体阻隔剂为蒙脱土、高岭土中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂溶液中的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂溶液中的溶剂为水、甲醇、乙醇中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其特征在于：步骤1中的所述酸性条件由醋酸提供，PH值为3.5～5.5。
6.如权利要求1所述的输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其特征在于：步骤1中，烘干的温度为30～70℃。
7.如权利要求1所述的输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂改性的气体阻隔剂与聚乙烯燃气管专用料的质量比为1：100～1：1000。
8.如权利要求1所述的输送氢气的聚乙烯管材制备方法，其特征在于：所述聚乙烯燃气管专用料为北欧化工、沙比克、上海石化所生产的PE树脂燃气管专用料中的一种或几种。
9.一种输送氢气的聚乙烯管材，其特征在于：采用权利要求1-8中任一所述的输送氢气的聚乙烯管材制备方法制备得到。
10.如权利要求9所述的输送氢气的聚乙烯管材，其特征在于：聚乙烯管材成型后的尺寸为32mm×3mm。
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