短切丝碳纤维PP复合材料在制造密闭回路取样器中的应用

技术领域

本发明属于新材料领域，具体涉及将短切丝碳纤维/PP复合材料应用在制造密闭回路取样器的领域。

背景技术

当前石油化工管线关键部位，需要安装取样设施，分析取样器管线内介质腐蚀、外表面在自然环境下易发生自然腐蚀、老化现象，造成滴漏堵安全隐患，所以在一定时间内需要更换。定期更换设备虽然避免了安全隐患，但是由于更换周期短而导致设备费用高，并且取样钢瓶沉重，增加了生产成本，同时造成资源浪费。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种将短切丝碳纤维/PP复合材料应用于制造密闭回路取样器中的方法，将短切丝碳纤维/PP复合材料制造取样器，可对取样器进行轻量化，防腐蚀和增强处理，从而进一步提高取样器的使用寿命和延长更换周期。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

短切丝碳纤维/PP复合材料在制造密闭回路取样器中的应用，所述复合材料的原料包括PP和短切丝碳纤维预浸料，短切丝碳纤维预浸料中的短切丝碳纤维的长度为0.2-0.3mm，取样器包括取样器内胆和表面加强层，取样器内胆由PP制成，所述表面加强层由短切丝碳纤维预浸料涂覆固化得到。

所述短切丝碳纤维预浸料的制备为：将短切丝碳纤维和分散剂混合均匀，再将环氧树脂加入到短切丝碳纤维与分散剂的混合体系，最后加入润湿剂、活化剂、固化剂和有机硅烷类偶联剂，混合均匀，形成均一的流体短切丝碳纤维预浸料。

短切丝碳纤维预浸料中，各原料的重量百分数为，短切丝碳纤维50-60%，环氧树脂40-50%，润湿剂0-0.08%，活化剂0-0.22%，固化剂0-0.1%，分散剂0-0.05%，有机硅烷类偶联剂0-1.2%。短切丝超过60%强度下降，减少50%强度也会下降。

一种短切丝碳纤维/PP复合材料制造密闭回路取样器的方法，包括以下步骤：

（1）制备短切丝碳纤维预浸料：首先，将短切丝碳纤维和分散剂混合均匀，再将环氧树脂加入到短切丝碳纤维与分散剂的混合体系，最后加入润湿剂、活化剂、固化剂和有机硅烷类偶联剂，混合均匀，形成均一的浆料状短切丝碳纤维预浸料；

（2）制备取样器：模具内注入PP，高温成型，脱模，得到取样器内胆；

（3）制备表面加强层：将短切丝碳纤维预浸料涂覆在取样器内胆的表面，采用远红外线加热或微波加热对取样器内胆加热，取样器表面固化即可。

步骤（3）中，取样器内胆的表面指取样器内胆的内表面和/或取样器内胆的外表面。

步骤（1）中，短切丝碳纤维预浸料中，各原料的重量百分数为，短切丝碳纤维50-60%，环氧树脂40-50%，润湿剂0-0.08%，活化剂0-0.22%，固化剂0-0.1%，分散剂0-0.05%，有机硅烷类偶联剂0-1.2%。

步骤（3）中，固化时间为3-5min。

表面加强层的厚度为3-5cm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明中，用短切丝碳纤维/PP复合材料模压成型，表面喷短切丝涂碳纤维预浸料增强，具有轻量化，耐腐蚀、防泄漏的效果，将其安装应用在石油化工管线关键部位上，可有效防止介质对金属取样器的腐蚀及金属表面自然腐蚀，避免泄露造成安全隐患和事故，延长了取样器的使用寿命。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

短切丝碳纤维/PP复合材料在制备密闭回路取样器中的应用，所述复合材料的原料包括PP和短切丝碳纤维预浸料，短切丝碳纤维预浸料中的短切丝碳纤维的长度为0.2-0.3mm，取样器包括取样器内胆和表面加强层，取样器内胆由PP制成，所述表面加强层由短切丝碳纤维预浸料涂覆固化得到。

所述短切丝碳纤维预浸料的制备为：将短切丝碳纤维和分散剂混合均匀，再将环氧树脂加入到短切丝碳纤维与分散剂的混合体系，最后加入润湿剂、活化剂、固化剂和有机硅烷类偶联剂，混合均匀，形成均一的浆料状短切丝碳纤维预浸料；具体的，短切丝碳纤维预浸料中，各原料的重量百分数为，短切丝碳纤维50-60%，环氧树脂40-50%，润湿剂0-0.08%，活化剂0-0.22%，固化剂0-0.1%，分散剂0-0.05%，有机硅烷类偶联剂0-1.2%。

短切丝碳纤维预浸料中，环氧树脂作为基料，短切丝碳纤维和其他助剂都均匀的分散在环氧树脂中；其中，渗透剂JFC作为润湿剂，可增加或保持物体表面湿润的原料，形成表面加强层后，使得表面加强层不干裂；十二烷基苯磺酸钠作为活化剂，在表面加强层表面形成难容的活化薄膜，同时，十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，使得短切丝碳纤维能够分散均匀，得到均一的浆料；苯酚磺酸作为固化剂使得环氧树脂固化，得到坚硬的表面加强层，延长取样器的使用寿命；有机硅烷类偶联剂改善短切丝碳纤维和环氧树脂的粘合性能，将短切丝碳纤维和环氧树脂结合起来，形成的表面加强层不易皲裂，同时其在本体系内还有效提高填充剂的分散度，起到短切丝碳纤维分散均匀的作用，提高加工性能作用。作为整个体系，短切丝碳纤维预浸料中各原料的配比直接影响着表面加强层的性能，本发明中，在上述各原料配比下，短切丝碳纤维预浸料可在短时间内固化，且在涂覆过程中，可均匀涂覆，且不会发生物料流淌的情况，保证形成的表面加强层均匀。

上述方案中，将PP（聚丙烯）和短切丝碳纤维用于制造石油化工管线取样器；其中PP作为基料，制备取样器内胆，短切丝碳纤维作为增强料，涂覆在取样器内胆的表面，包括内表面和外表面，PP和短切丝碳纤维复合材料具有耐腐蚀、防泄漏，轻量化等优点，而由PP和短切丝碳纤维复合材料制造的取样器，不会被介质腐蚀，避免介质流动过程中泄露而造成安全隐患和事故，延长了取样器的使用寿命，减低成本。

碳纤维的长度影响着其在预浸料中的分散效果，本发明中所使用的是短切丝碳纤维，其长度为0.2-0.3mm，保证了短切丝碳纤维的分散性均匀，使得预浸料在取样品内胆表面形成的表面加强层更加均匀，同时由于表面加强层均匀，则表面加强层与取样器内胆粘接更紧密，在使用过程中，不会发生表面加强层剥落的情况。同时，发明人发现，在其他条件相同的情况下，碳纤维的长度为0.2-0.3mm时，取样器的耐压性更强。另外，本发明中，短切丝碳纤维预浸料中短切丝碳纤维的含量50-60%，在研究过程中发现，短切丝碳纤维的含量超过60%，取样器的性能并没有更进一步增强，甚至随着短切丝碳纤维含量的增加而下降，而短切丝碳纤维的含量为50-60%时，能够很好的对PP取样器内胆起到加强作用。

短切丝碳纤维预浸料中的有机硅烷类偶联剂，一方面改善短切丝碳纤维与环氧树脂之间的界面性能，改善碳纤维的分散性，得到的短切丝碳纤维预浸料中的碳纤维分散均匀，且使得碳纤维与环氧树脂之间的黏合性增强，最终形成表面加强层内部致密，无细微间隙，保证强度的同时，腐蚀气体不能进入接触到取样器内胆；另一方面，在固化过程中，改善短切丝碳纤维和PP两者之间的界面性能，形成良好界面，提高短切丝碳纤维/PP复合体系的弯曲模量、硬度、复合变形温度，特别是尺寸稳定性。

一种短切丝碳纤维/PP复合材料制造密闭回路取样器的方法，包括以下步骤：（1）制备短切丝碳纤维预浸料：将短切丝碳纤维和分散剂混合均匀，再将环氧树脂加入到短切丝碳纤维与分散剂的混合体系，最后加入润湿剂、活化剂、固化剂和有机硅烷类偶联剂，混合均匀，形成均一的浆料状短切丝碳纤维预浸料；（2）制备取样器：模具内注入PP，高温成型，冷却固化，脱模，得到取样器内胆；（3）制备表面加强层：将短切丝碳纤维预浸料涂覆在取样器内胆的表面，采用远红外线加热或微波加热对取样器加热，取样器表面固化即可。

步骤（3）中，取样器内胆的表面指取样器内胆的内表面和/或取样器内胆的外表面；且涂覆的方式包括但不限于喷涂、浸覆等常规的涂覆方式。

步骤（1）中，短切丝碳纤维预浸料中，各原料的重量百分数为，短切丝碳纤维50-60%，环氧树脂40-50%，润湿剂0-0.08%，活化剂0-0.22%，固化剂0-0.1%，分散剂0-0.05%，有机硅烷类偶联剂0-1.2%。

步骤（3）中，固化时间为3-5min。

表面加强层的厚度为3-5cm。本发明中，表面加强层3-5cm即可满足在3MPa的条件下正常使用。

实施例1

（1）制备短切丝碳纤维预浸料：将短切丝碳纤维和分散剂混合均匀，再将环氧树脂加入到短切丝碳纤维与分散剂的混合体系，最后加入润湿剂、活化剂、固化剂和有机硅烷类偶联剂，混合均匀，形成均一的浆料状短切丝碳纤维预浸料；其中含短切丝碳纤维50.25%，含环氧树脂49.3%，含润湿剂0.08%，含活化剂0.22%，含固化剂0.1%，含分散剂0.05%；

（2）制备取样器：模具内注入PP，高温成型，冷却固化，脱模，得到取样器内胆；

（3）制备表面加强层：将短切丝碳纤维预浸料喷涂在取样器内胆的内表面和外表面，采用远红外线加热对取样器，取样器表面固化即可。

实施例2

（1）制备短切丝碳纤维预浸料：将短切丝碳纤维和分散剂混合均匀，再将环氧树脂加入到短切丝碳纤维与分散剂的混合体系，最后加入润湿剂、活化剂、固化剂和有机硅烷类偶联剂，混合均匀，形成均一的浆料状短切丝碳纤维预浸料；其中含短切丝碳纤维56.25%，含环氧树脂43.3%，含润湿剂0.08%，含活化剂0.22%，含固化剂0.1%，含分散剂0.05%；

（2）制备取样器：模具内注入PP，高温成型，冷却固化，脱模，得到取样器内胆；

（3）制备表面加强层：将短切丝碳纤维预浸料喷涂在取样器内胆的内表面和外表面，采用远红外线加热对取样器，取样器表面固化即可。

实施例3

（1）制备短切丝碳纤维预浸料：将短切丝碳纤维和分散剂混合均匀，再将环氧树脂加入到短切丝碳纤维与分散剂的混合体系，最后加入润湿剂、活化剂、固化剂和有机硅烷类偶联剂，混合均匀，形成均一的浆料状短切丝碳纤维预浸料；其中含短切丝碳纤维59.1%，含环氧树脂40%，含润湿剂0.03%，含活化剂0.1%，含固化剂0.05%，含分散剂0.02%，含有机硅烷类偶联剂0.7%；

（2）制备取样器：模具内注入PP，高温成型，冷却固化，脱模，得到取样器内胆；

（3）制备表面加强层：将短切丝碳纤维预浸料喷涂在取样器内胆的内表面和外表面，采用远红外线加热对取样器，取样器表面固化即可。

经检测，本发明制备的取样器，可在0-3MPa的条件下正常使用，以及在0-140℃条件下正常使用，而普通的聚丙烯制备的取样器，通常只能在0-1MPa的条件下，以及0-50℃的条件下使用。