一种保温、减阻、静音供热一体管道、制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种保温、减阻、静音供热一体管道、制备方法及应用 (Heat-preservation, resistance-reduction and mute heat supply integrated pipeline, preparation method and application ) 是由 吕健 丁良玉 王百提 张礼涛 梁哲楠 张长伟 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及流体输送技术领域,公开了一种保温、减阻、静音供热一体管道、制备方法及应用,包括内层工作管和外层保温层,所述内层工作管包括聚烯烃和聚乙烯吡咯烷酮,所述外层保温层包括聚烯烃和改性中空玻璃微球,所述改性中空玻璃微球包括中空玻璃微球和硅烷偶联剂；通过在内层工作管中加入聚乙烯吡咯烷酮,工作管内壁在与水接触一段时间后管材内壁会形成水合层,减少水与管材内壁之间的湍流从而增加流体的时均速梯度,实现管道的减阻增输。通过在保温层中加入中空玻璃微球实现管道的保温,这避免了发泡材料表面需要外设外护层的麻烦,也实现了管道的一体成型。(The invention relates to the technical field of fluid transportation, and discloses a heat-preservation, resistance-reduction and mute heat-supply integrated pipeline, a preparation method and application, wherein the heat-preservation, resistance-reduction and mute heat-supply integrated pipeline comprises an inner-layer working pipe and an outer-layer heat-preservation layer, the inner-layer working pipe comprises polyolefin and polyvinylpyrrolidone, the outer-layer heat-preservation layer comprises polyolefin and modified hollow glass microspheres, and the modified hollow glass microspheres comprise hollow glass microspheres and a silane coupling agent; by adding polyvinylpyrrolidone into the inner working pipe, the inner wall of the pipe can form a hydration layer after contacting with water for a period of time, so that turbulence between the water and the inner wall of the pipe is reduced, the time-average velocity gradient of fluid is increased, and the resistance reduction and the output increase of the pipeline are realized. The heat preservation of the pipeline is realized by adding the hollow glass microspheres in the heat preservation layer, so that the trouble that an outer protective layer is required to be arranged on the surface of the foaming material is avoided, and the integral forming of the pipeline is also realized.)
技术领域
本发明涉及流体输送技术领域，尤其涉及一种保温、减阻、静音供热一体管道、制备方法及应用。
背景技术
许多家庭都要用到供热管道，特别是北方，集中供热已经是一种普遍现象，但集中供热的一个弊端就是热水的供应距离太长，热水在输送的过程中热量流失严重，这不仅是对资源的浪费，用户体验也会下降。想要解决这一问题，可以从两方面考虑，首先是提高管材的保温性能，降低热传递效率，其次是提高热水的流动速率，减少热水在无效区域停留的时间。目前市场上常见的保温性能是通过发泡材料来实现的，但这种方式实现的保温性能很难做到一体成型。而提高热水的流动速率往往是通过增大水泵的功率来实现，但这种方式将会大大增加供热的成本也增加了耗能，也经常会导致水流产生的噪音过大从而降低用户感受。
公开号为CN108266579A，公开日为2018年07月10日的中国专利文献公开了一种高密度聚乙烯聚氨酯内减阻保温管，包括工作管，工作管内壁涂有减阻材料层，工作管外层设有保温层，保温层外层设有保温外护管，保温层和保温外护管之间设有粘连剂。采用新型减阻涂料用于保温管工艺，适当降低管壁内粗糙突起的高度进而增加壁面的平滑度，能够有效降低因粗糙突起而产生的脉动，通过增加流体的时均速度梯度，实现管道的减阻増输。提高工作管表面减阻材料层和钢管结构的剪切力，保证直埋管道整体结构的“三位一体”性，保证其整体的剪切强度，提高抗氧化性能。但这种管道的保温效果是通过高密度聚乙烯聚氨酯材料层来实现，但这种材料的保温性能不如发泡材料，另外，这种管材的减阻效果是通过在管材内壁涂布减阻涂层来实现的，涂层减阻不仅工艺复杂，在管道内涂布不平整还可能会造成阻力增加。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种保温、减阻、静音供热一体管道，通过聚烯烃与聚乙烯吡咯烷酮共混得到管材的内层工作管；采用超浸润减阻的方法，通过在内层工作管中加入超浸润材料，内层工作管内壁在与水接触一段时间后管材内壁会形成水合层，减少水与管材内壁之间的湍流从而增加流体的时均速梯度，实现管道的减阻增输。通过在保温层中加入改性中空玻璃微球实现管道的保温，这避免了发泡材料表面需要外设外护层的麻烦，也实现了管道的一体成型；本发明同时公开了所述一体管道的制备方法及应用。
本发明的具体技术方案为：一种保温、减阻、静音供热一体管道，包括内层工作管和外层保温层，所述内层工作管包括聚烯烃和聚乙烯吡咯烷酮，所述外层保温层包括聚烯烃和改性中空玻璃微球，所述改性中空玻璃微球包括中空玻璃微球和硅烷偶联剂；所述内层工作管和外层保温层为一体管道。
本发明通过聚烯烃与聚乙烯吡咯烷酮共混得到管材的内层工作管。在内层工作管内通热水后，管材内的吡咯酮基团由于其亲水疏油的特性会逐渐向管材通水侧迁移，而聚乙烯吡咯烷酮的聚乙烯链与聚烯烃相容性较好，分子链之间的缠结较多，聚乙烯吡咯烷酮不会迁移至水中，与水接触的吡咯酮基团与水结合后会形成水合层，减少工作管内壁的湍流产生，降低了水流动能的损失，降低了湍流产生的噪音，提高了安静使用条件的流速上限，同时通过水合层的自清洁作用，水中的杂质很难附着到管材内壁，这不仅维持了管材内壁的洁净，也保证了内壁的平整，避免了管材内壁粗糙带来的湍流。而水合层易形成菌落的问题也因为管材是供热管道得以解决。管材保温层的保温作用是通过在聚烯烃中均匀分散中空玻璃微球来实现的，但由于中空玻璃微球与聚烯烃之间的相容性较差，需要使用硅烷偶联剂提高中空玻璃微球与聚烯烃之间的相容性，从而得到有效的保温效果。保温层与工作管通过共挤的方式结合在一起，由于两者材料的主体一致，通过共挤得到的管材，层间的结合力较好，形成一体管材。
作为优选，所述的内层工作管由聚烯烃和聚乙烯吡咯烷酮共混而成，所述聚乙烯吡咯烷酮的质量为所述聚烯烃质量的30～50％；所述外层保温层中，改性中空玻璃微球的质量为所述聚烯烃质量的10～20％，所述硅烷偶联剂的质量为所述中空玻璃微球质量的0.4～0.8％。
本发明中，所述聚乙烯吡咯烷酮的质量为所述聚烯烃质量的30～50％为聚乙烯吡咯烷酮最优添加量，由于聚乙烯吡咯烷酮的吡咯烷酮基具有亲水疏油的特性会向管材通水侧迁移，而聚乙烯吡咯烷酮的聚乙烯链与聚烯烃相容性较好，分子链之间的缠结较多，导致聚乙烯吡咯烷酮不会迁移至水中，当聚乙烯吡咯烷酮添加量＜30％时，与管材主体材料聚烯烃相容的聚乙烯链较少，导致聚乙烯吡咯烷酮迁移至水中；当聚乙烯吡咯烷酮添加量＞50％时管材的环刚度，拉伸强度都会有明显下降。
作为优选，所述的聚烯烃为耐热非交联聚乙烯、无规共聚聚丙烯和高密度聚乙烯中一种或几种；所述聚乙烯吡咯烷酮为PVP-K15、PVP-K30和PVP-K90中的一种或几种。
作为优选，所述的改性中空玻璃微球的制备方法包括以下步骤：
(1)偶联剂制备：将硅烷偶联剂与水混合，加入乙醇，直至硅烷偶联剂与水没有明显的分层，再加入盐酸，将混合液的pH调整到2～3，搅拌，得到偶联剂；
(2)中空玻璃微球表面处理：将浓硫酸与质量分数为30～40％的双氧水以7～8：2～3的比例混合得到混合溶液，将混合溶液加热至溶液中产生气泡后加入中空玻璃微球，搅拌，直至表面不再有气泡产生，取出中空玻璃微球，清洗，得到表面处理后的中空玻璃微球；
(3)改性中空玻璃微球：将步骤(2)中得到的表面处理后的中空玻璃微球与步骤(1)得到的偶联剂进行混合搅拌，冷冻干燥后得到改性中空玻璃微球。
作为优选，所述的步骤(1)中硅烷偶联剂与水的质量比为0.5～1.5：100，混合液搅拌时间为1～2小时。
作为优选，所述的步骤(1)中硅烷偶联剂为正辛基三乙氧基硅烷、异辛基三乙氧基硅烷、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和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
作为优选，所述的步骤(2)中，所述食人鱼溶液的加热温度为70～80℃。
作为优选，所述的步骤(3)中，所述混合搅拌时间为8～12h。
一种所述保温、减阻、静音供热一体管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)管材挤出：将聚烯烃与聚乙烯吡咯烷酮混合制备内层工作管原料浆料；将聚烯烃与改性中空玻璃微球混合制备外层保温层原料浆料；将内层工作管原料浆料与外层保温层原料浆料通过共挤形成一体管道；
(2)管材起效：将步骤(1)制备的一体管道在80～100℃水中浸泡直到管材内壁开始变滑，得到所述保温、减阻、静音供热一体管道。
一种所述保温、减阻、静音供热一体管道或所述管道的制备所得到的一体管道在供热系统中的应用。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的管道具有较好的保温，减阻增压静音，自清洁等功能，降低了热水在输送过程中的热能损耗，提高了热水在相同功率条件下的流速，减少了水垢堆积导致的流量下降等问题；
(2)通过在保温层中加入改性中空玻璃微球实现管道的保温，解决了发泡材料表面需要外设外护层的问题，也实现了管道的一体成型，节省原料成本；
(3)原料都可以共混加入，不必二次加工，节省加工成本。
附图说明
图1是本发明实施例1中不同水温浸泡后管内壁接触角变化图；
图2是不同管材保温层导热系数图；
图3是在相同功率条件下，管径为25mm的不同管材流过100m后的水流流速图；
图4为在相同功率条件下，管径为25mm的不同管材流过100m后的水温图；
图5为在1.2m/s流速的条件下，管径为25mm的不同管材的噪声分贝图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。在本发明中所涉及的装置、连接结构和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、连接结构和方法。
总实施例
一种保温、减阻、静音供热一体管道，包括内层工作管和外层保温层，其特征在于，所述内层工作管由聚烯烃和聚乙烯吡咯烷酮共混而成，所述聚乙烯吡咯烷酮的质量为所述聚烯烃质量的30～50％；所述外层保温层包括聚烯烃和改性中空玻璃微球，所述改性中空玻璃微球包括中空玻璃微球和硅烷偶联剂；所述改性中空玻璃微球的质量为所述聚烯烃质量的10～20％，所述硅烷偶联剂的质量为所述中空玻璃微球质量的0.4～0.8％，所述内层工作管和外层保温层为一体管道。
所述的聚烯烃为聚烯烃、无规共聚聚丙烯和高密度聚乙烯中一种或几种；所述聚乙烯吡咯烷酮为PVP-K15、PVP-K30和PVP-K90中的一种或几种。
所述的改性中空玻璃微球的制备方法包括以下步骤：
(1)偶联剂制备：将硅烷偶联剂与水按质量比为0.5～1.5：100混合，加入乙醇，直至硅烷偶联剂与水没有明显的分层，再加入盐酸，将混合液的pH调整到2～3，搅拌1～2h，得到偶联剂；
(2)中空玻璃微球表面处理：将浓硫酸与质量分数为30～40％的双氧水以7～8：2～3的比例混合得到混合溶液，将混合溶液在70～80℃下加热至溶液中产生气泡后加入中空玻璃微球，搅拌，直至表面不再有气泡产生，取出中空玻璃微球，清洗，得到表面处理后的中空玻璃微球；
(3)改性中空玻璃微球：将步骤(2)中得到的表面处理后的中空玻璃微球与步骤(1)得到的偶联剂进行混合搅拌8～12h，冷冻干燥后得到改性中空玻璃微球。
所述的步骤(1)中硅烷偶联剂为正辛基三乙氧基硅烷、异辛基三乙氧基硅烷、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和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
一种所述保温、减阻、静音供热一体管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)管材挤出：将聚烯烃与聚乙烯吡咯烷酮混合制备内层工作管原料浆料；将聚烯烃与改性中空玻璃微球混合制备外层保温层原料浆料；将内层工作管原料浆料与外层保温层原料浆料通过共挤形成一体管道；
(2)管材起效：将步骤(1)制备的一体管道在80～100℃水中浸泡直到管材内壁开始变滑，得到所述保温、减阻、静音供热一体管道。
一种所述保温、减阻、静音供热一体管道或所述管道的制备所得到的一体管道在供热系统中的应用。
实施例1：
一种保温、减阻、静音供热一体管道，包括内层工作管和外层保温层，其特征在于，所述内层工作管由耐热非交联聚乙烯和PVP-K15共混而成，所述PVP-K15的质量为所述耐热非交联聚乙烯质量的30％；所述外层保温层包括耐热非交联聚乙烯和改性中空玻璃微球，所述改性中空玻璃微球包括中空玻璃微球和正辛基三乙氧基硅烷；所述改性中空玻璃微球的质量为所述耐热非交联聚乙烯质量的10％，所述正辛基三乙氧基硅烷的质量为所述中空玻璃微球质量的0.4％，所述内层工作管和外层保温层为一体管道。
所述的改性中空玻璃微球的制备方法包括以下步骤：
(1)偶联剂制备：将正辛基三乙氧基硅烷与水按质量比为1：100混合，加入乙醇，直至正辛基三乙氧基硅烷与水没有明显的分层，再加入盐酸，将混合液的pH调整到2，搅拌2h，得到偶联剂；
(2)中空玻璃微球表面处理：将浓硫酸与质量分数为30％的双氧水以7：3的比例混合得到混合溶液，将混合溶液在80℃下加热至溶液中产生气泡后加入中空玻璃微球，搅拌，直至表面不再有气泡产生，取出中空玻璃微球，清洗，得到表面处理后的中空玻璃微球；
(3)改性中空玻璃微球：将步骤(2)中得到的表面处理后的中空玻璃微球与步骤(1)得到的偶联剂进行混合搅拌10h，冷冻干燥后得到改性中空玻璃微球。
一种所述保温、减阻、静音供热一体管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)管材挤出：将耐热非交联聚乙烯与PVP-K15混合制备内层工作管原料浆料；将耐热非交联聚乙烯与改性中空玻璃微球混合制备外层保温层原料浆料；将内层工作管原料浆料与外层保温层原料浆料通过共挤形成一体管道；
(2)管材起效：将步骤(1)制备的一体管道在80℃水中浸泡直到管材内壁开始变滑，得到所述保温、减阻、静音供热一体管道。
一种所述保温、减阻、静音供热一体管道或所述管道的制备所得到的一体管道在供热系统中的应用。
实施例2：
一种保温、减阻、静音供热一体管道，包括内层工作管和外层保温层，其特征在于，所述内层工作管由高密度聚乙烯和PVP-K30共混而成，所述PVP-K30的质量为所述高密度聚乙烯质量的50％；所述外层保温层包括聚烯烃和改性中空玻璃微球，所述改性中空玻璃微球包括中空玻璃微球和异辛基三乙氧基硅烷；所述改性中空玻璃微球的质量为所述高密度聚乙烯质量的20％，所述异辛基三乙氧基硅烷的质量为所述改性中空玻璃微球质量的0.8％，所述内层工作管和外层保温层为一体管道。
所述的改性中空玻璃微球的制备方法包括以下步骤：
(1)偶联剂制备：将异辛基三乙氧基硅烷与水按质量比为0.5：100混合，加入乙醇，直至异辛基三乙氧基硅烷与水没有明显的分层，再加入盐酸，将混合液的pH调整到3，搅拌1h，得到偶联剂；
(2)中空玻璃微球表面处理：将浓硫酸与质量分数为35％的双氧水以8：2的比例混合得到混合溶液，将混合溶液在70℃下加热至溶液中产生气泡后加入中空玻璃微球，搅拌，直至表面不再有气泡产生，取出中空玻璃微球，清洗，得到表面处理后的中空玻璃微球；
(3)改性中空玻璃微球：将步骤(2)中得到的表面处理后的中空玻璃微球与步骤(1)得到的偶联剂进行混合搅拌8h，冷冻干燥后得到改性中空玻璃微球。
一种所述保温、减阻、静音供热一体管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)管材挤出：将高密度聚乙烯与PVP-K30混合制备内层工作管原料浆料；将聚烯烃与改性中空玻璃微球混合制备外层保温层原料浆料；将内层工作管原料浆料与外层保温层原料浆料通过共挤形成一体管道；
(2)管材起效：将步骤(1)制备的一体管道在90℃水中浸泡直到管材内壁开始变滑，得到所述保温、减阻、静音供热一体管道。
一种所述保温、减阻、静音供热一体管道或所述管道的制备所得到的一体管道在供热系统中的应用。
实施例3：
一种保温、减阻、静音供热一体管道，包括内层工作管和外层保温层，其特征在于，所述内层工作管由无规共聚聚丙烯和PVP-K90共混而成，所述PVP-K90的质量为所述无规共聚聚丙烯质量的40％；所述外层保温层包括无规共聚聚丙烯和改性中空玻璃微球，所述改性中空玻璃微球包括中空玻璃微球和γ-氨丙基三乙氧基硅烷；所述改性中空玻璃微球的质量为所述聚烯烃质量的15％，所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷的质量为所述改性中空玻璃微球质量的0.5％，所述内层工作管和外层保温层为一体管道。
所述的改性中空玻璃微球的制备方法包括以下步骤：
(1)偶联剂制备：将γ-氨丙基三乙氧基硅烷与水按质量比为1.5：100混合，加入乙醇，直至γ-氨丙基三乙氧基硅烷与水没有明显的分层，再加入盐酸，将混合液的pH调整到2，搅拌2h，得到偶联剂；
(2)中空玻璃微球表面处理：将浓硫酸与质量分数为40％的双氧水以7：3的比例混合得到混合溶液，将混合溶液在75℃下加热至溶液中产生气泡后加入中空玻璃微球，搅拌，直至表面不再有气泡产生，取出中空玻璃微球，清洗，得到表面处理后的中空玻璃微球；
(3)改性中空玻璃微球：将步骤(2)中得到的表面处理后的中空玻璃微球与步骤(1)得到的偶联剂进行混合搅拌12h，冷冻干燥后得到改性中空玻璃微球。
一种所述保温、减阻、静音供热一体管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)管材挤出：将无规共聚聚丙烯与PVP-K90混合制备内层工作管原料浆料；将无规共聚聚丙烯与改性中空玻璃微球混合制备外层保温层原料浆料；将内层工作管原料浆料与外层保温层原料浆料通过共挤形成一体管道；
(2)管材起效：将步骤(1)制备的一体管道在100℃水中浸泡直到管材内壁开始变滑，得到所述保温、减阻、静音供热一体管道。
一种所述保温、减阻、静音供热一体管道或所述管道的制备所得到的一体管道在供热系统中的应用。
对比例1：
本发明对比例为普通供热聚烯烃管道。
对比例2：
本发明对比例2为市面上发泡LDPE为保温层，聚烯烃为工作管的保温管。
对比例3：
对比例3与实施例1的区别在于聚乙烯吡咯烷酮的添加量为耐热非交联聚乙烯质量的25％，其他原料和工艺均与实施例1相同。
对比例4：
对比例4与实施例1的区别在于聚乙烯吡咯烷酮的添加量为耐热非交联聚乙烯质量的55％，其他原料和工艺均与实施例1相同。
测试例
1工作层内壁的接触角
将实施例1得到的管材使用不同温度热水浸泡不同时间所得接触角，结果见表1。
表1
从图1和表1中可以看出，随着时间的增加，水温的升高，管材内壁的接触角下降明显，随着吡咯烷酮基团向管材内壁迁移，管材的接触角会下降，而基团的迁移速率会随着温度上升、时间推移而越发明显。
2保温层的导热性能
对实施例1和对比例1-2得到的管材保温层进行导热系数测试，结果见表2。
表2
导热系数(W/(m·K))
实施例1
0.056
对比例1
0.420
对比例2
0.044
从图2和表2可以看出：加入改性中空玻璃微球的保温层导热系数明显下降，与发泡材料相比导热系数差别不大，中空玻璃微球以其中空的特性代替发泡材料中的气泡降低了保温材料的导热性能，要想提高保温性能还可以添加更多的中空玻璃微球。
3保温管的流速
对实施例1和对比例1-2得到的管材保温层进行导热系数测试，结果见表3。
表3
流速(m/s)
实施例1
1.18
对比例1
0.96
对比例2
0.92
对比例3
0.98
对比例4
1.02
从图3和表3中可以看出：在相同的功率条件下，即使用同一个水泵，经过100m后，水流速可以看出，普通供热管道与保温管流速明显比保温、减阻、静音供热一体管道流速低。在工作管内通热水后，管材内的吡咯酮基团由于其亲水疏油的特性会逐渐向管材通水侧迁移，而聚乙烯吡咯烷酮的聚乙烯链与聚烯烃相容性较好，分子链之间的缠结较多，聚乙烯链不会迁移至水中，与水接触的吡咯酮基团与水结合后会形成水合层，减少工作管内壁的湍流产生，降低了水流动能的损失，提高了安静使用条件的流速上限。
对比例3和对比例4与实施例1比较说明聚乙烯吡咯烷酮的添加量为耐热非交联聚乙烯质量的30～50％为最优添加量，这是因为由于聚乙烯吡咯烷酮的吡咯烷酮基具有亲水疏油的特性会向管材通水侧迁移，而聚乙烯吡咯烷酮的聚乙烯链与聚烯烃相容性较好，分子链之间的缠结较多，导致聚乙烯吡咯烷酮不会迁移至水中，当聚乙烯吡咯烷酮添加量＜30％时，与管材主体材料聚烯烃相容的聚乙烯链较少，分子链之间的缠结较少，聚乙烯吡咯烷酮迁移至水中，此外迁移至水中的吡咯烷酮基较少因此不利于形成水合层，而水合层的形成是降低水流动能损失，提高安静条件下流速上限的关键。
4保温管的温度变化
对实施例1和对比例1-2得到的在相同功率条件下，管径为25mm的不同管材流过100m后的水温，结果见表4。
表4
初始温度(℃)
100m后温度(℃)
实施例1
91
81
对比例1
91
86
对比例2
91
87
从图4和表4中可以看出：管径为25mm的不同管材流过100m后的水温变化保温、减阻、静音供热一体管道的变化率，这是由于其优异的保温性能以及对水流阻力的减少让在相同的长度下水温的流失更少。
5保温管的噪声分贝
对实施例1和对比例1-2得到的在1.2m/s流速的条件下，管径为25mm的不同管材的噪声分贝，结果见表5。
表5
噪声分贝(dB)
实施例1
59.6
对比例1
23.5
对比例2
16.5
对比例3
25.6
对比例4
24.3
从图5和表5中可以看出：在1.2m/s流速的条件下，管径为25mm的不同管材的噪声分贝中保温、减阻、静音供热一体管道的噪声明显较低，这是因为水合层让管道的湍流现象更少，减少了动能向震动的转变。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
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