生物質(zhì)基硅碳材料在管材中的應(yīng)用

葉曉春   宋俊江

（ 中交第二航務(wù)工程局有限公司）

摘要：稻殼經(jīng)過高溫形成的硅碳材料主要成分是C和SI，通過氣化爐的反應(yīng)通過單一晶體對比形成中空二氧化硅和微孔纖維狀炭晶體。兩種晶體產(chǎn)生具有獨(dú)特的層鏈狀結(jié)構(gòu)特征，在其結(jié)構(gòu)中存在晶格置換，因而，硅碳材料具有獨(dú)特的分散、耐高溫、抗鹽堿等良好的膠體性質(zhì)和較高的吸附能力和一定的可塑性及粘結(jié)力，且介于鏈狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)之間的中間結(jié)構(gòu)。這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其成為天然的一維棒狀材料，因而表現(xiàn)出各種優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，如吸附性、剛性韌性和耐磨性及抗老化性等，也為化學(xué)改性和材料復(fù)合創(chuàng)造了條件。以硅碳材料為原料，通過高溫?zé)峄罨?、化學(xué)處理等反應(yīng)對纖維表面進(jìn)行有機(jī)改性，再利用雙螺桿剪切和加工助劑使硅碳以結(jié)構(gòu)性形式分散在高分子聚合物體系中制得功能性管材專用材料，使其保持獨(dú)特的纖維狀結(jié)構(gòu)，特殊的硅碳排列順序體現(xiàn)材料優(yōu)異的剛性。微孔狀纖維結(jié)構(gòu)在管材中體現(xiàn)出完美的高剛性高彈性。同時硅碳材料是全生物基結(jié)構(gòu)性材料，在食品衛(wèi)生性能更是完善的突出價值。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)基 高環(huán)剛度 表面處理 力學(xué)性能

一．前言

剛性和韌性是塑料制品兩個重要性能指標(biāo)，如何保證塑料制品同時具有良好的剛性和韌性，是長期以來材料科學(xué)研究的重要課題之一。為降低材料成本，所有塑料制品都要填充惰性的無機(jī)粉體，如CaCO3、SiO2、滑石粉等等，這些材料其性能都有比重大、吸濕性強(qiáng)，填充制品不耐老化和脆性大等缺陷。同時，為了提高塑料制品的韌性，還需要添加橡膠或彈性體，如：EVA、POE、EPDM等，以達(dá)到增韌改性的目的，但卻損害了材料寶貴的剛性性能，而且材料的加工性能和耐熱性能將會降低。

利用硅碳材料的纖維微孔結(jié)特性，對顆粒內(nèi)層的纖維孔道進(jìn)行有機(jī)改性，在保持其纖維結(jié)構(gòu)的前提下，提高其與高聚物的相容性，具有了獨(dú)特的改性功能，不僅替代了增韌劑樹脂，并在最終制品中體現(xiàn)的抗老化性能和物理性能更優(yōu)越。

改性后的硅碳材料在和高分子聚合物共混時通過反應(yīng)型雙螺桿加工，在加工過程中硅碳材料表面的修飾活性基和聚合物的分子鏈產(chǎn)生相互交鏈的現(xiàn)象，使材料在聚合物中得到更好的塑化效果，同時凹凸顆粒在雙螺桿剪切力的作用下，將顆粒變成更細(xì)小的短纖維狀，這種短纖維狀在浮力作用下形成相互交錯的形狀，結(jié)構(gòu)如同“#”狀的排列，從而得到更佳的增韌效果?！?”狀纖維的排列作為分子聚合物的分散相，這樣在雙螺桿設(shè)備經(jīng)過壓力的擠出形成高韌性工作切斷的復(fù)合系。因此，在與高聚物共混過程中體現(xiàn)出了功能性的增強(qiáng)增韌作用。

二．應(yīng)用對比

1. 試驗(yàn)部分

1.1 原料：

1.2 生產(chǎn)設(shè)備：

1.3 檢測設(shè)備

1.4 擠出工藝

主機(jī)溫度:183/183/182/182/162/平均模頭溫度192℃

機(jī)頭壓力：2.4        主機(jī)電流:95

熔體溫度：178       真空度：0.3

1.5 檢測對比數(shù)據(jù)如下：

通過以上HDPE和碳酸鈣、滑石粉、重晶石及硅炭材料的數(shù)據(jù)對比較分析，硅炭復(fù)合材料的力學(xué)性能更好的體現(xiàn)。研究證明硅炭材料在PE體系中疏松堆砌，形成以硅炭填充堆砌體為核、PE為殼的分散島相，核-殼結(jié)構(gòu)特征相包容粒子對基體具有良好的增韌和增強(qiáng)效果。

三．雙壁波紋管的實(shí)際應(yīng)用

國內(nèi)管道廠家生產(chǎn)的雙壁波紋管都是采用HDPE 再生料和填充無機(jī)粉體進(jìn)行生產(chǎn)的。管道長期掩埋受壓的情況下容易變形和破裂受損，導(dǎo)致排水的堵塞現(xiàn)象屢屢發(fā)生。其中由于雨水的酸性和污水的細(xì)菌滋生導(dǎo)致這種填充型的管材更容易破壞其結(jié)構(gòu)和表面，長時間侵蝕最終導(dǎo)致管道的坍塌。

本項(xiàng)目研究產(chǎn)品外壁采用生物質(zhì)基納微米結(jié)構(gòu)功能材料硅炭和HDPE進(jìn)行共混合金，提到雙壁波紋管外壁的強(qiáng)度和剛性，達(dá)到12.5MPA的環(huán)剛度。同時微納米結(jié)構(gòu)材料的加入管材在沖擊和共振的情況下可以有相互的調(diào)節(jié)，充分展現(xiàn)外壁材料的回彈能力。

項(xiàng)目研究產(chǎn)品在工程施工方面采用現(xiàn)場土石方回填，無需再用砂石回填！直接降低工程造價成本同時對環(huán)境進(jìn)行資源保護(hù)！同時做為生物機(jī)材料有著很好衛(wèi)生性能，已通過SGS認(rèn)證。

項(xiàng)目產(chǎn)品內(nèi)壁采用的是HDPE/PVDC/MOS2合金，PVDC高阻隔材料有效的阻隔雨水和污水的侵蝕，同時在污水氣味上能夠完全的阻隔。主要在管材滲漏中起到關(guān)鍵作用。在通過MOS2的加入是內(nèi)壁管道表面形成自潤滑的作用，更容易使管道流暢性同時帶有自清潔效果。

舉例說明：

排水排污雙壁波紋管中應(yīng)用比列：

內(nèi)壁材料：

外壁材料：

管材料檢測數(shù)據(jù)分析：

產(chǎn)品性能

管材系統(tǒng)性能:

給水管中實(shí)例應(yīng)用比列數(shù)據(jù)

比列：HDPE:  85份

硅炭材料：15份

產(chǎn)品檢測分析：

1. 檢測數(shù)據(jù)分析：尺寸和收縮率

管材長度、平均外徑、不圓度和壁厚嚴(yán)格按照GB/T8806-2008執(zhí)行

縱向收縮率按GB/T6671-2001中B項(xiàng)檢測：數(shù)據(jù)值為：1.8%

2. 靜液壓強(qiáng)度測試

按照GB/T6111-2003試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)條件下表規(guī)定檢測。

在165小時內(nèi)發(fā)生脆性破壞應(yīng)視為未通過試驗(yàn)。如果試樣在165h內(nèi)發(fā)生韌性破壞，按表中推薦的環(huán)應(yīng)力/時間關(guān)系依次選擇較低的環(huán)應(yīng)力和相應(yīng)的最小破壞時間重新試驗(yàn)，如不通過視為不合格。

3. 氧化誘導(dǎo)時間

按照GB/T19466.6-2009試驗(yàn)檢測：210度檢測時間大于20分鐘

實(shí)際檢測數(shù)據(jù)為：32分鐘

4. 衛(wèi)生要求

  管材衛(wèi)生要求符合GB/T17219規(guī)定。

  同時通過SGS和ROHS檢測。

四．硅炭材料在管材應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

1.  硅炭材料在排水排污雙壁波紋管中的應(yīng)用技術(shù)

雙壁波紋管外壁采用生物質(zhì)基納微米結(jié)構(gòu)功能材料硅炭和HDPE進(jìn)行共混合金，提到雙壁波紋管外壁的強(qiáng)度和剛性，達(dá)到12.5MPA的環(huán)剛度。同時微納米結(jié)構(gòu)材料的加入管材在沖擊和共振的情況下可以有相互的調(diào)節(jié)，充分展現(xiàn)外壁材料的回彈能力。

產(chǎn)品在工程施工方面采用現(xiàn)場土石方回填，無需再用砂石回填！直接降低工程造價成本同時對環(huán)境進(jìn)行資源保護(hù)！同時做為生物機(jī)材料有著很好衛(wèi)生性能，已通過SGS認(rèn)證。產(chǎn)品內(nèi)壁采用的是HDPE/PVDC/MOS2合金，PVDC高阻隔材料有效的阻隔雨水和污水的侵蝕，同時在污水氣味上能夠完全的阻隔。主要在管材滲漏中起到關(guān)鍵作用。在通過MOS2的加入是內(nèi)壁管道表面形成自潤滑的作用，更容易使管道流暢性同時帶有自清潔效果。

2. 硅炭材料在給水管中的應(yīng)用技術(shù)

納微結(jié)構(gòu)的硅炭材料形成分散相在HDPE里，提高管材的密實(shí)度，達(dá)到管材整體抗壓能力。同時硅碳材料的納微米微孔結(jié)構(gòu)屬性，管材在沖擊和共振的情況下可以有相互的調(diào)節(jié)，充分展現(xiàn)管材良好的回彈性。硅碳材料特殊的SIC元素排列，突顯材料的金屬般剛性特征，更有效的提高管材的環(huán)剛度和拉伸強(qiáng)度。較強(qiáng)的密實(shí)度在管材對接焊接時有著更強(qiáng)的牢固性。

3. 硅炭材料在電力電信套管的應(yīng)用技術(shù)

SI和C元素本身具有很高強(qiáng)度的耐磨性能和抗老化及耐酸堿性。電力電信套管在安裝中采用非開挖工藝和導(dǎo)線牽引技術(shù)。這樣高強(qiáng)度的作業(yè)對管材有著硬度剛性和耐磨性的要求，同時在電線電纜的使用過程中，電線電纜的發(fā)熱和電老化能有效的防控。微孔結(jié)構(gòu)的吸附能力，可以有效的進(jìn)行吸熱轉(zhuǎn)化，使電線電纜及管材使用周期大幅度提高，延長使用壽命。