一种智慧型热塑性复合材料输氢管道及其制备方法

本发明涉及输氢管道材料，尤其涉及一种智慧型热塑性复合材料输氢管道及其制备方法。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、近年来，氢能作为一种清洁环保的二次能源愈发受到重视，由于氢气的来源并非均匀分布，因此有必要将氢气长距离运输到相应的市场。当前氢气输送的主要方式根据氢气的状态不同分为气态长管拖车运输、液态槽车运输、气态管道运输三种形式。但对于大规模集中制氢和长距离输氢来说，管道运输是最经济的方式。

3、目前，输氢管道材料应用较多的是低合金钢、碳钢和部分管线钢等材料，但氢在进入金属后，容易引起金属塑性下降、诱发裂纹或断裂的现象，发生氢脆问题。另外，这些金属长期暴露在氢气中，尤其是在高温高压下，其强度会大大降低，导致失效。增强热塑性复合管因具有抗氢脆性能、耐疲劳性能、柔性可弯曲等多种优势，近些年来得到了较多的研究，其截面由多层、多种材料构成，材料结构的设计对整体输氢管道性能将产生较大影响，目前的增强热塑性复合管往往难以同时兼顾气体阻隔性、耐高温高压和力学性能。因此，如何提供一种具有高气体阻隔性、耐高温高压、高强度高韧性的热塑性复合材料输氢管道是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种智慧型热塑性复合材料输氢管道及其制备方法，解决了现有增强热塑性复合管难以同时兼顾气体阻隔性、耐高温高压和力学性能的问题，而且本发明的热塑性复合材料输氢管道还能够实时对气体泄露情况进行监测，同时具有良好的耐腐蚀性能，应用前景广阔。

2、第一方面，本发明提供了一种智慧型热塑性复合材料输氢管道，其由内到外依次包括基管、复合阻氢层、增强层、监控层和防护层；

3、所述基管由包含以下质量份的物料制得：100份高密度聚乙烯，2～10份疏水改性蒙脱土，15～30份丁腈橡胶；

4、所述复合阻氢层包括内层、中间层和外层，所述复合阻氢层的内层和外层为聚烯烃层，中间层为乙烯/乙烯醇共聚物层；

5、所述增强层由纤维增强热塑性树脂预浸带多层缠绕而得；所述监控层由感应监控单元铺设而得；所述防护层包括内层防腐层和外层保温层。

6、优选的，所述基管由包含以下质量份的物料制得：100份高密度聚乙烯，3～6份疏水改性蒙脱土，18～25份丁腈橡胶。

7、优选的，所述复合阻氢层中还包括疏水改性蒙脱土，所述疏水改性蒙脱土存在于复合阻氢层的内层、中间层或外层中的任意一层或多层。

8、进一步的，所述复合阻氢层中，疏水改性蒙脱土的质量分数为1～5wt％。

9、优选的，所述基管和复合阻氢层的疏水改性蒙脱土为烷基氨基酸、有机季铵盐、硅烷偶联剂或茂金属改性的蒙脱土。

10、优选的，所述纤维增强热塑性树脂预浸带中，纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种或多种，热塑性树脂选自聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、尼龙或聚醚醚酮中的一种或多种。

11、优选的，所述感应监控单元选自光纤、光栅、磁栅或应变片中的一种或多种。

12、优选的，所述防护层的内层防腐层为涂覆防腐涂料的聚乙烯层；所述防护层的外层保温层为聚氨酯泡沫塑料层。

13、进一步的，所述防腐涂料选自环氧树脂涂料、乙烯基树脂涂料、不饱和聚酯涂料或呋喃树脂涂料中的任意一种。

14、第二方面，本发明提供了上述智慧型热塑性复合材料输氢管道的制备方法，包括如下步骤：

15、将疏水改性蒙脱土、丁腈橡胶和高密度聚乙烯熔融共混后，通过挤出成型工艺制备基管；

16、对所述基管进行活化处理后，在基管表面包缠或涂覆复合阻氢层；

17、在所述复合阻氢层表面热熔缠绕多层纤维增强热塑性树脂预浸带，构建得到增强层；

18、在所述增强层铺设氢气感应监控单元，构建监控层；在所述监控层表面依次粘接防腐层和保温层，即得。

19、优选的，所述活化处理选自化学氧化、火焰氧化、溶剂蒸气浸蚀或等离子体处理中的任意一种。

20、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

21、本发明提供的智慧型热塑性复合材料输氢管道，其由内到外依次包括基管、复合阻氢层、增强层、监控层和防护层；基管以高密度聚乙烯作为主要材料，同时引入合适比例的疏水改性蒙脱土和丁腈橡胶，既能确保具有优异的气体阻隔性能，又能够避免韧性下降；复合阻氢层能进一步加强氢气阻隔性能，其中引入的聚烯烃能够有效减轻乙烯/乙烯醇共聚物因高吸湿性引起的气体阻隔性能下降，增强层能够提高管道的承压能力和疲劳性能；监控层配备智能监控体系，对管道的承压应变、温度、氢泄露等进行数据监控；防护层能够对应用环境的老化起到防护作用，并大大提高了管道使用安全性和便捷性；通过各层之间的彼此配合，本发明提供的智慧型热塑性复合材料输氢管道能够同时发挥高阻氢、高承压、耐腐蚀、耐疲劳性好、智能监控的优势，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种智慧型热塑性复合材料输氢管道，其特征在于，其由内到外依次包括基管、复合阻氢层、增强层、监控层和防护层；

2.如权利要求1所述的智慧型热塑性复合材料输氢管道，其特征在于，所述基管由包含以下质量份的物料制得：100份高密度聚乙烯，3～6份疏水改性蒙脱土，18～25份丁腈橡胶。

3.如权利要求1所述的智慧型热塑性复合材料输氢管道，其特征在于，所述复合阻氢层中还包括疏水改性蒙脱土，所述疏水改性蒙脱土存在于复合阻氢层的内层、中间层或外层中的任意一层或多层；所述复合阻氢层中，疏水改性蒙脱土的质量分数为1～5wt％。

4.如权利要求3所述的智慧型热塑性复合材料输氢管道，其特征在于，所述基管和复合阻氢层的疏水改性蒙脱土为烷基氨基酸、有机季铵盐、硅烷偶联剂或茂金属改性的蒙脱土。

5.如权利要求1所述的智慧型热塑性复合材料输氢管道，其特征在于，所述纤维增强热塑性树脂预浸带中，纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种或多种，热塑性树脂选自聚丙烯、聚对苯二甲酸、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、尼龙或聚醚醚酮中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的智慧型热塑性复合材料输氢管道，其特征在于，所述感应监控单元选自光纤、光栅、磁栅或应变片中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的智慧型热塑性复合材料输氢管道，其特征在于，所述防护层的内层防腐层为涂覆防腐涂料的聚乙烯层；所述防护层的外层保温层为聚氨酯泡沫塑料层。

8.如权利要求7所述的智慧型热塑性复合材料输氢管道，其特征在于，所述防腐涂料选自环氧树脂涂料、乙烯基树脂涂料、不饱和聚酯涂料或呋喃树脂涂料中的任意一种。

9.如权利要求1～8任一项所述的智慧型热塑性复合材料输氢管道的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述活化处理选自化学氧化、火焰氧化、溶剂蒸气浸蚀或等离子体处理中的任意一种。

技术总结本发明公开了一种智慧型热塑性复合材料输氢管道及其制备方法，属于输氢管道材料技术领域。所述输氢管道由内到外依次包括基管、复合阻氢层、增强层、监控层和防护层；所述基管由包含以下质量份的物料制得：100份高密度聚乙烯，2～10份疏水改性蒙脱土，15～30份丁腈橡胶；所述复合阻氢层包括内层、中间层和外层，所述复合阻氢层的内层和外层为聚烯烃层，中间层为乙烯/乙烯醇共聚物层；所述增强层由纤维增强热塑性树脂预浸带多层缠绕而得；所述监控层由感应监控单元铺设而得；所述防护层包括内层防腐层和外层保温层。通过各层之间的彼此配合，其能同时发挥高阻氢、高承压、耐腐蚀、耐疲劳性好、智能监控的优势，应用前景广阔。技术研发人员：狄成瑞,乔琨,慈胜宗,于龙江,姜华伟,宋霖玮受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23