新材料

发布时间:2016-10-28|阅读次数:29

 

利用固体废弃物制备多孔吸附材料技术

技术简介

利用赤泥和粉煤灰以及煤矸石等为主要原料,制备出用于废水和废气治理的吸附材料,多次循环使用之后经过一定的处理可以用于混凝土骨料继续使用。赤泥用量在50%~60%,粉煤灰用量为2030%,烧结温度范围为1100℃~1125℃左右,可以获得符合要求的多孔吸附材料产品。制品的颗粒抗压强度可以达到8MPa以上,吸水率在40%左右。应用于工业废气和废水的治理。可以部分替代活性炭,降低成本,达到以废治废的目的。

环氧沥青钢桥面铺装技术

技术简介

随着我国经济的飞速发展,在公路工程项目建设中修筑了许多大跨径的梁桥,而正交异性钢桥面板具有重量轻、跨度大等优点,在国内大跨径钢桥中得到了广泛的应用,如江阴大桥、南京长江三桥、佛山平胜大桥、天津富民桥、湛江海湾大桥等。然而使用传统的复合改性沥青混凝土施工铺装,出现了温度变化大,易产生脱层推移、车辙和裂缝等病害特征,虎门大桥在通车一年内即出现病害,采用灌缝填缝等修补手段均难以阻止病害的进一步发展,多座桥梁的SMA铺装已进行翻修,甚至二次大修。在分析比较目前国际应用较为成熟的钢桥面铺装技术的基础上,对用于钢桥面铺装的联结层、铺装层进行了系统的调查研究后,设计开发施工简便、既经济又易维护的,在钢桥面铺装领域具有创新和国内自主知识产权的环氧沥青组合体系新型钢桥面铺装技术。

环氧沥青钢桥面铺装技术是首先在钢板层上,采用改性环氧树脂粘结一层35mm粒径的碎石形成碎石与环氧及环氧与钢板粘结牢固的防水防腐又粗糙且耐高温的抗滑界面,一步实现钢桥铺装界面的防水和防剪切滑移,这种新型界面形式称为环氧粘结碎石层界面(Epoxy Bonding Chips Layer, EBCL; 冷拌沥青混凝土整体化层(Resin AsphaltRA)由树脂沥青和矿料拌和组成, 在其完全固化前,表面均匀洒布一层1013mm粒径的石子,采用胶轮压路机进行碾压,要求撒布石料粒径的一半以上嵌入RA表层;当上述RA层完全固化后,在其表面洒布防水沥青层,用于增强层间的防水和粘结;最后铺装传统的复合改性沥青混凝土,形成表面功能层。ERS的设计,旨在通过EBCL层中环氧树脂及RA层中树脂沥青两类材料性能的突破,实现桥面材料极性的梯度化过渡,实现弱极性的沥青混凝土在强极性钢桥面上的铺装,解决传统工艺下脱层等的病害。

1 EBCL环氧树脂胶料主要性能指标

序号

项目

指标

实验方法

1

拉拔强度 MPa

≥470℃)

GB/T 5210-1985

≥525℃)

2

拉剪强度 MPa

≥170℃)

≥325℃)

3

抗弯强度 MPa

≥470℃)

GB/T 2570-1995

≥525℃)

4

伸长率/%

≥570℃)

GB/T 2568-1995

≥325℃)

5

指干时间(25℃) h

10≥t≥1

指干法

6

固化时间(25℃) h

72≥t

拉拔试验

7

环氧胶料/碎石界面

内聚破坏

目测法

 

2 RA层主要性能指标

序号

项目

指标

实验方法

1

剥离强度 N/15mm

(同EBCL及防水沥青层)

≥2或材料破坏

GB/T 7122-1996

2

马歇尔稳定性 kN

≥30

T 0709-2000

3

流值 mm

20~50

T 0709-2000

4

车辙动稳定度次/mm

≥10000

T 7019

5

指干时间(25℃) h

10≥t≥1

指干法

6

固化时间(25℃) h

72≥t

-

7

有机相/无机相界面

内聚破坏

目测法

8

孔隙率 %

1-4

T 0709-2000

目前在国内钢桥上得到成功应用的环氧沥青包括美国、日本及国产的专利产品,这几种环氧沥青的特性、施工工艺及路用性能不尽相同。国内已积累了较为丰富的环氧沥青混凝土铺装工程经验,但目前均未形成钢桥面铺装或环氧沥青混凝土铺装的设计与施工技术规程或规范。截至2007 年底,上海地区尚无环氧沥青混凝土铺装技术的应用经验,国内亦无在桁架梁正交异性钢桥面上实施环氧沥青混凝土铺装的先例。低碳时代即将到来,对我国大量的交通建筑等基础设施建设使用的传统材料进行高性能化改性,实现高效和长效利用将成为实现低碳发展的优先选择。先进的环氧沥青材料是传统筑路材料沥青的革命性升级产品,从根本上改变了沥青的热塑性本质,大大扩展了沥青铺面材料使用的温度范围,极大地延长了沥青铺面的使用寿命,近期越来越受到全球研究者的关注。我们有理由相信,在不久的将来,环氧沥青钢桥面铺装技术在国内钢桥面铺装中会得到广泛的应用。

目前用作正交异性钢桥面铺装的材料包括浇注式沥青混合料、改性SMA混合料和环氧沥青混合料三种结构类型。国内大跨径钢桥对这三种铺装结构类型都有使用,通过使用效果看,除环氧沥青混合料铺装外,其余两种结构类型均出现早期铺装破坏。将设计年限末的总投资折算到初始投资来计算,双层环氧沥青铺装单价为:国产450/m2, 进口780/m2,浇注式沥青混凝土铺装单价为:2366/m2,改性沥青SMA10铺装单价为1383/m2。我们可以看到环氧沥青铺装可以为我们带来巨大的经济效益。

新型膨润土插层改性复合功能材料产业化

技术简介

项目1基于超分子化工和纳米技术,将具有特定光学特性分子引入膨润土层状主体结构中,实现分子尺度的均一复合,得到具有发光效率高、亮度强、寿命长、稳定性好、色度纯正的光学功能纳米材料,并将其添加到高分子树脂中获得新型复合荧光油墨。该系列高性能材料的产业化在光致/电致发光。荧光传感器等领域有重要的应用前景。特别是可以作为新一代稀土替代型荧光防伪材料。防伪商标,防伪标签的使用者,从事各类产品包装及证件的公司和相关政府企业均可作为本项目产品的主要用户。预计 2015年,本产品国内年需求量将达1万吨,国内年消费额达6.5亿元,投资回收期约4.2年。

项目2基于插层组装原理,将功能性聚合物在膨润土表面及层间进行插层改性,以实现膨润土相关物理化学特性(如亲水亲油性。热稳定性、力学强度等)的精细调控。将该类无机有机复合材料应用于高附加值化工助剂领域,如高分子聚合物(如橡胶、塑料。涤纶等)的增韧材料、阻燃材料、热稳定材料、抗冲击材料等,实现复合材料功能的一体化。技术指标包括,(1)性状:暗白色粉末;(2)平均粒径:0.1μm;(3)灼烧减量:36-44%;(4)比表面积:5-20m2/g;(5)比重:1.46g/cm3;(6PH 值(10%悬浮液):7-9;(7)含水率≤1.0%;(8)附着水<5%

丙烯酸聚合物的开发

技术简介

剪切变稀是流体的一种流变学行为,某些流体在施加剪切力后,流体的粘度降低。现已发现不少天然产物及聚合物的溶液具有剪切变稀的特性,同时,剪切变稀性质也得到广泛应用,如:大多数涂料被赋予剪切变稀特性,涂刷时,对涂料施加剪切力,涂料变稀,易于均匀地分散在被涂覆物表面,一旦停止涂刷,剪切力消失后,涂料粘度恢复到施加剪切力前的粘度,限制涂料自发流动,避免产生涂层不均一、流挂等现象。随着剪切变稀性质研究的深入,以及应用范围的不断扩大,对剪切变稀性能要求也在不断提高,不时有具备剪切变稀性质的聚合物设计合成出来。其中,聚丙烯酸因其易于合成、性能可调等优点逐步在市场上占据主导地位。疏水改性聚丙烯酸聚合物是聚丙烯酸剪切稀化剂的第二代产品。较第一代碱溶胀型聚丙烯酸剪切稀化性更容易控制,可调范围更宽。尽管疏水改性聚丙烯酸聚合物剪切稀化性能可调范围宽,但是市售产品并不能做到面面俱到,覆盖整个需求范围。本项目即根据需求方的提出的特殊性能要求开发特定疏水改性聚丙烯酸聚合物。

需求方性能要求如下:

1)与丙二醇有很好的相容性;2)剪切稀化指数(0.3rpm30rpm的粘度比值)要求20℃≥15-20℃≥10,且30rpm粘度值小于10003)粘度对盐的敏感性高;4)耐剪切:2000rpm剪切5min,要求粘度损失小于10%5)高温稳定性:要求80℃还能保持增稠效果。

目前市售疏水改性丙烯酸聚合物的均是针对水体系开发的,本项目要求与丙二醇有相容性,针对的不完全水体系,必须有特定结构的聚合物才能满足要求。

疏水改性丙烯酸聚合物在国外已经有相关产品上市,但是作为产品,市场定位是应用,这类产品是以功能化的角度进入市场,比如:水性涂料增稠剂等。根据需求方提供的信息,市场上没有专用除冰液增稠剂产品。由于生产企业对产品结构保密,无法从产品结构方面全面了解国外状况,因此无法从产品结构判定市场上是否满足需方要求的产品。

国内还没有见到疏水改性丙烯酸有影响力的产品,市售产品还仅为第一代的碱溶胀型聚丙烯酸。需求方试用了国内所有产品,均不能达到性能要求。

30年前提出部分疏水改性丙烯酸的理念后,国内外学术界有过大量研究,不过学术研究与产品技术开发着眼点不同,现有的报道都是对结构性能的一般规律性研究,体统合成制备方面研究报道很少。更重要的是尚未看到水-丙二醇体系的相关研究。

根据现有资料,疏水改性聚丙烯酸聚合物制备可以分为两大类:合成法和改性法。合成法采用疏水性单体与丙烯酸共聚使聚合物结构中带有疏水性基团;改性法用市售聚丙烯酸通过酯化方法在丙烯酸链上带上疏水性基团。合成法的优点是可进行分子设计,疏水性可调范围宽、改性法的优点是较合成法简单,但是疏水可调性受限。疏水改性聚丙烯酸制备的工艺路线分为:1、沉淀法,聚合物结构容易控制,高校科研单位以发文章为目的均采用此法。但是,该方法后处理极为繁琐,通过环评难度较大;2、界面聚合法,工艺简单,但是,产品质量差,而且不稳定;3、胶束共聚法,工艺也较为简单,产品质量虽然不如沉淀法好,但是,产品质量稳定;以上3条工艺路线为合成法。4、聚合物改性法,产品质量较易控制,也较为稳定,但是成本较高,后处理也较为复杂。

本研究组已有30多年的聚合物合成研究经历,承担过多个聚合物制备类项目,涉及的单体基本为丙烯酸类,苯乙烯类。曾经承担过疏水改性丙烯酸的合成项目,用于油田高温、高盐地层的采油。对疏水改性丙烯酸聚合物合成有一定的经验。

本项目开发50L“较高剪切稀化指数的碱溶胀疏水改性聚丙烯酸聚合物”制备技术,制备的“较高剪切稀化指数的碱溶胀疏水改性聚丙烯酸聚合物”达到需求方提出的技术指标。本项目采用疏水性单体与丙烯酸共聚的方法制备“较高剪切稀化指数的碱溶胀疏水改性聚丙烯酸聚合物”。该路线疏水性可调范围宽,变化不同结构的疏水性单体及含量即可加以调节。同时,剪切稀化指数也可以用此方法调节。采用胶束共聚工艺路线,生产过程易于控制,产品质量稳定。

UV固化抗菌涂料

技术简介:

UV固化涂料已经成为较为成熟的技术,特别是随着人们环保意识的提高,生产和研究人员更加注意UV固化涂料的开发和应用。UV固化涂料是一种绿色环保型涂料,它完全符合“4E”原则,一般UV固化能耗为热固化的1/5,且UV固化涂料含挥发组分较少,污染小,最吸引研究人员和开发商的是UV固化涂料能减少原材料消耗,有利于降低经济成本。目前的UV固化材料各种各样,但是还是不同程度的存在着一些问题,现有的UV固化涂料经光固化后收缩率大、产生收缩应力, 导致涂膜性脆、附着力和耐冲击力差、以及涂膜的柔韧性差和硬度低、不耐腐蚀、易黄变老化等缺点,这一系列问题都需要针对不同的用途继续改良,降低生产成本,扩大用途。

本技术提供一种专用UV固化抗菌涂料及其制备方法。本技术的有益效果是:配方中添加IPBC抗菌物质,具有抗氧化,抑霉变的作用;添加助剂,流平性好,使涂料具有良好的柔韧性、硬度、附着力、耐磨、耐刮擦,节能环保,生产效率高,适用于塑料表面。该涂料可以采用滚涂、喷涂的施工方式进行施工。按以上方案制得的涂料涂装在木板上附着力都好于二级,耐75%乙醇24 小时以上,耐碱24小时以上、耐酸48小时以上,耐受零下40 度和40度的冷热循环10 次不发生开裂,耐15%食盐水60 小时以上,硬度可在2HB 3H 间调节,耐磨指数在4000转以上。

非异氰酸酯法制备可生物降解结晶热塑性聚(醚氨酯)及弹性体

技术简介

本技术成果主要利用非异氰酸酯法制备可生物降解结晶热塑性聚(醚氨 )及弹性体的方法。具体涉及以脂肪族二氨酯二醇与聚醚二元醇为原料,通过熔融缩聚的氨酯交换反应,得到可生物降解结晶热塑性聚(醚氨酯)及弹性体,属于聚氨酯技术领域。

聚氨酯是日常生活中应用非常广泛的高分子材料,具有良好的强度、韧 性和耐磨性等优异性能。聚氨酯目前主要由多异氰酸酯和含活泼氢化合物来合成,而多异氰酸酯有毒,对环境和人体有害,且其制备原料为剧毒的光气;同时,异氰酸酯可与水反应形成气泡,影响了聚氨酯的性能。为了克服这些缺点,近年来提出了非异氰酸酯法来合成聚氨酯,主要利用环碳酸酯与二元或多元胺反应制备。

本技术提供了一种对真空度和设备要求不高、操作简便、绿色环保的非异氰酸酯法,制备可生物降解结晶热塑性 (醚氨酯)及弹性体的方法。该方法原料便宜易得,制备的热塑性聚( 氨酯)结构规整、高分子量、结晶性能较好、力学性能优异,为脂肪族的直链结构,可被微生物和酶降解。本技术采用熔融缩聚氨酯交换的非异氰酸酯法,先以不同的二胺分别和环状碳酸酯反应制备直链型和脂环型两种二氨酯二醇,并将其中直链型二氨酯二醇聚合成预聚体(作为硬段),再与聚醚二元醇(作为软段)及脂环型二氨酯二醇在催化剂存在下进行氨酯交换反应,得到可生物降解结晶热塑性聚 (醚氨酯)及弹性体。由此得到的聚(醚氨酯)具有脂肪族线形结构,该方法操作简便、绿色、清洁、高效,得到产物为热塑性材料,具有较高的分子量、较高的熔点、良好的结晶性能和优异的力学性能,可与常规异氰酸酯方法得到的聚氨酯媲美。其拉伸强度可达49.44MPa,断裂伸长率达1490.0%。可通过改变二氨酯二醇预聚体硬段和聚醚软段的长度以及软硬段、脂环型二氨酯二醇配比,从而得到性能各异的材料,可以是热塑性塑料,也可以是热塑性弹性体。

功能性3D打印耗材的研发

技术简介

3D打印的种类目前有熔融沉积成型、立体光固化印刷、选区激光烧结以及选择性粉体粘结等。其中,熔融沉积成型的设备已逐渐由桌面级发展为工业级,打印耗材(线材)的市场巨大,当前线材市场呈现价格而非性能的竞争态势。Market Research Reports.biz报告称,到20233D打印材料市场的容量将超过3D打印机市场,到2025年全球3D打印机市场销售将到83亿美元。BCC研究公司认为,热塑性塑料将成为发展最快的3D耗材,年增率将达20%。该公司预测,全球高级3D打印耗材市场到2019年的市值将达6.5亿美元,复合年增长率将达17.9%。熔融沉积成型所使用耗材优点是材料利用率高、可选材料种类丰富、工艺相对简单,而其缺点是材料缺乏功能性。

该课题组研发了一系列功能化3D打印耗材,进行了3D打印生物可吸收颅骨材料开发与制作。

采用聚乳酸/羟基磷灰石复合材料配制、优化及羟基磷灰石表面改性,聚乳酸/羟基磷灰石复合材料3D打印线材挤出,可提高强度、促进成骨。

汽车件快速成型复合材料用高温韧性环氧树脂体系的研制

技术简介

碳纤维复合材料要真正应用于汽车领域,必须适应高产量汽车生产的成本和生产速度,因此对复合材料的规模化、自动化、快速成型技术提出了更高的要求。高效率批量化生产要求新型的快速固化成型环氧树脂复合材料。其中主要涉及到的是预浸料的模压成型工艺:利用固化时间在2~5min的环氧树脂预浸料模压成型工艺生产。首先使用23分钟即可硬化的环氧树脂和碳纤维制造预浸料,然后再放入模具加热,在310MPa的高压下冲压成型。成型周期仅为约10分钟,在热硬化性CFRP中生产效率上佳。

北京化工大学先进材料研究院中心将化学流变学理论应用于碳纤维预浸料专用树脂体系的设计指导通过流变学调控树脂体系的初始粘度,实现树脂对纤维的充分浸润。通过化学反应降低预浸料的树脂流动度,提高预浸料的工艺性能。已申请专利6项。在工艺设备创新方面,采用双行星双动力的搅拌方式,低速运转的行星搅拌锚使物料上下翻动混合,高速运转的行星分散盘使物料产生强烈的碰撞和剪切。课题组充分利用北京化工大学的高分子学科优势,基于国产碳纤维的产能扩张,结合不同级别国产碳纤维(T300T700T800) 的表面特性,自主设计了不同耐温等级的环氧树脂体系,开发了系列化(8090100120180)的预浸料专用树脂体系,以开拓国产碳纤维的下游加工应用。

在快速固化耐高温韧性环氧树脂体系的研制方面,环氧树脂分子设计需要满足几个条件,1、含有噁唑烷酮环的环氧树脂固化后不仅具有较好的耐热性,其玻璃化转变温度和热分解温度亦高于纯环氧树脂和其他的传统环氧热固性材料。2.具备出色的电气绝缘性能,物理机械性能。3.噁唑烷酮结构极性基团的存在使得环氧树脂与碳纤维的粘结强度增加。4.聚氨酯柔性链的存在,使得树脂的柔韧性提高。固化体系设计包括:固化剂的液化改性;储存稳定性;吸水性;分散性。MHT150-PN预浸料树脂是中高温固化快速成型的阻燃环氧树脂体系,具有高耐热、环保阻燃和高韧性等特点,主要用于汽车件等快速固化预浸料领域,具有优异的操作性及贴合性。

300℃聚氨酯高强复合隔热板的制备技术

技术简介

300℃复合隔热板是以聚氨酯(PU)预聚体为基体材料,以中空玻璃微球(HGM)为增强材料,并且添加催化剂等助剂制备的一类PU耐高温隔热复合材料。采用预聚体法分别制备了改变PU交联度和改变填料用量的2PU/HGM复合材料;通过压缩实验、硬度实验、导热系数和TG-DTA测试,结果表明:当HGM用量在一定质量分数比例时,所制得复合材料压缩强度为37.42MPa,弹性模量为9.96MPa,最大压缩应变5.19%,导热系数为0.1483W/m·K,耐热性(使用温度)为220左右,300时失重率为80%。材料的综合性能最优。

中空玻璃微球(HGM)主要从粉煤燃烧后的粉煤灰中提取出的和人工合成的,原料来源广泛、价格低廉。HGM 具有诸多优良的性能,包括质轻、导热系数低和抗压能力强等。HGM 在复合材料中广泛应用,不仅可以降低复合材料的密度,而且还可以增加复合材料的力学性能、绝缘性和耐热性等性能。中空玻璃微球(HGM)主要从粉煤燃烧后的粉煤灰中提取出的和人工合成的,原料来源广泛、价格低廉。HGM 具有诸多优良的性能,包括质轻、导热系数低和抗压能力强等。HGM 在复合材料中广泛应用,不仅可以降低复合材料的密度,而且还可以增加复合材料的力学性能、绝缘性和耐热性等性能。通过HGM 对PU泡沫燃烧和力学性能的影响的实验表明,PU泡沫中仅加入HGM 对其氧指数和水平燃烧速度影响不大,但可改变其应力-应变过程:当压力低于临界值时,应变随压力增大而缓慢增加;而当压力超过临界值后,应变随压力增大而迅速增加。通过向硬质PU泡沫塑料中添加石墨和HGM,实验表明:10%(wt,质量分数,下同)的HGM、20%的石墨和70%的硬质泡沫塑料制得的复合材料具有最佳的阻燃性能,且复合材料的极限氧指数达到了30%(体积比),并得到了最大耐压强度和弹性模量。随着HGM 的含量增加,复合材料的拉伸强度增加,而其密度和溶胀比下降。密度为125kg/m3 的HGM 对低密度(54~90kg/m3)硬质泡沫塑料的性能影响,在微球含量为0.5%~5%的范围内确定微球含量对该泡沫塑料热膨胀系数、拉伸和压缩性能的影响。

海洋中应用的碳纤维复合材料技术

技术简介

碳纤维复合材料是由碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的纤维增强材料,因其具有重量轻,强度高,耐高低温等优良特点,近年来广泛应用于航空航天、体育休闲、高铁汽车、土木建筑等领域。碳纤维复合材料在质轻高强的同时,还具有优良的耐疲劳性、耐腐蚀性以及比强度高导致的优良施工性能等,使得它在对于材料性能有着特殊要求的海洋领域的应用前景同样不可小觑。近年来,北京化工大学碳纤维复合材料在船舶制造、海上能源开发、海洋工程修复等领域不断探索新技术。

在船舶上的应用

相比于传统的造船材料,碳纤维复合材料具有天然的优势。首先,碳纤维复合材料具有良好的机械性能。用其制造船体,具有质轻低油耗的特性,而且建造工艺相对简单、周期短、成型方便,因此施工和维护费用远低于钢制船舶。同时由于碳纤维与树脂基体的界面能有效的阻止裂纹扩展,故材料具有良好的耐疲劳性能;此外,由于碳纤维表面的化学惰性,船体具有水生物难以附生,耐腐蚀的特性,这也是船舶建造选材非常重要的因素之一。

碳纤维复合材料具有良好的声、磁、电性能:透波、透声性好,无磁性,因此可以用于提高军舰的隐身性能。在舰船的上层建筑中使用复合材料不仅可以减轻船体的重量,而且通过在夹层中嵌入有滤波功能的频率选择层,就可以在预定的频率下发射和接受电磁波,从而屏蔽敌方的雷达电磁波。各种天线和有关设备都统一组合装备在该结构内,不易被腐蚀,更有利于设备的保养。研制出类似的封闭综合传感器桅杆,这种桅杆是由纳米技术制造的玻璃纤维与碳纤维复合后作为增强体而制成。它可以让各种雷达波束和通信信号相互之间不受干扰地通过,并且损耗极低。碳纤维复合材料还可应用在舰船的其他方面。例如,在推进系统上可用作螺旋桨[和推进轴系,减轻船体的振动效应和噪声,多用于侦察舰和快速巡航舰。在机械和装备上可用作方向舵,某些特殊的机械装置和管道系统等。此外,高强度的碳纤维绳索在海军军舰的缆绳和其他军用物品上也有较为广泛的应用。

民用游艇大型游艇一般为私人所有,价格昂贵,要求质量轻,强度高,耐用性好。碳纤维复合材料可以应用于游艇的仪器表盘和天线,方向舵以及甲板、船舱、船舱壁等增强结构中。传统的复合材料游艇主要由玻璃钢制成,但是由于刚度不足,满足刚度设计要求后往往船体过重,而且玻璃纤维是致癌物质,国外逐步禁用。如今的复合材料游艇中碳纤维复合材料的使用比例大大增加,有的甚至全部采用碳纤维复合材料。例如超级游艇“巴拿马”号双桅船,船身和甲板采用了以碳纤维/环氧树脂为蒙皮。乙烯酯树脂夹层复合材料,pvc泡沫和碳纤维复合材料,桅杆吊杆均是定制的碳纤维复合材料,只有部分的船身使用了玻璃钢。空载重量仅有45t。速度快,油耗低,性能卓越。

在海洋能源开发上的应用

海底油气田近年来,碳纤维复合材料在海洋油气开发领域的应用越来越广泛。海洋环境下的腐蚀,高压,水底暗流流动带来的强剪切作用对材料的耐腐蚀性,强度和疲劳性能提出了严格的要求。碳纤维复合材料在海洋油田开发中有着明显的质轻、耐久、抗蚀方面的优势:一个1500m水深的钻井平台,其钢制系缆的质量就达6500t左右,而碳纤维复合材料密度是普通钢材的1/4,若使用碳纤维复合材料取代部分钢材将显著减少钻井平台的载重负荷,节省平台的建造成本;抽油杆的往复运动,由于管外海水压力与管内压力不平衡极易引发材料的疲劳断裂,而用碳纤维复合材料即可解决这一问题;由于海水环境耐腐蚀,其在海水中使用寿命比钢材要长,且使用深度更深。碳纤维复合材料可以用作油田钻井平台中的生产井管、抽油杆、储藏槽、海底输油管、甲板等部件。制造工艺分为拉挤成型工艺和湿法缠绕工艺。拉挤成型法一般用在普通管材和连接管上。缠绕法一般用作储槽和压力容器的表面,也可用在各向异性的柔性管道之中,其中碳纤维复合材料以特定的角度缠绕排列在铠装层之中。碳纤维复合材料的连续抽油杆是一种类似胶片的带状结构,柔韧性很好。使用碳纤维抽油杆能明显提高出油量,减少电机的载荷,相比之下更节能。而且碳纤维复合材料抽油杆比钢制抽油杆更耐疲劳,抗腐蚀性能更好,更适合应用在海底油田的开发中。

海上风电资源丰富,是未来发展的重要领域,也是风电技术最先进、要求最高的领域。我国海岸线约1800km,岛屿6000多个,东南沿海及岛屿地区风力资源丰富且易于开发。近年来大力促进海上风电能源的开发已经得到了有关部门的支持。风力发电叶片90%以上重量由复合材料组成。海上风力大,发电功率大,势必要求更大的叶片和更优良的比强度和耐久度。显然,碳纤维复合材料能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求,和玻璃纤维复合材料相比更适合应用于海洋领域。碳纤维复合材料在海洋风力发电中具有显著的优势。碳纤维复合材料叶片质量低,刚度大,模量是玻璃纤维制品的3~8倍;海洋环境下湿度大,气候多变,且风机24h工作。叶片耐疲劳性较好,能较好的抵御恶劣的天气;改善了叶片的空气动力学性能,减少对塔和轮轴的负载,从而使风机的输出功率更平滑更均衡,提高能量效率;利用碳纤维的导电性能,通过特殊的结构设计,可有效地避免雷击对叶片造成的损伤;降低风力机叶片的制造和运输成本;具有振动阻尼特性等。

碳纤维复合材料用于海洋工程建筑,主要利用其轻质高强耐腐的特性,以筋索材及结构件的形式,替代传统钢筋建材,解决海水侵蚀钢筋、运输路途遥远运输成本高的问题。已应用于海上岛礁建筑、码头、浮动平台、灯塔塔架等。

耐低温抗冲击尼龙树脂制备技术

技术简介

尼龙(PA)是第一大工程塑料,它具有强度高、耐磨、耐油、耐化学腐蚀、自润滑等特点,因此得到广泛的应用。但PA存在低温和干态冲击强度低、易脆化、吸水性高的弊端,尤其是PA6。为适应工业发展的需要,近年来对PA6进行改性,使其向高冲击性、低吸水性和优化加工性能等方向发展的研究已成为广泛关注的热点。

北京化工大学利用自制的新型有机官能化具有独特硅氧骨架结构的有机-无机杂化纳米粒子修饰核壳型抗冲击改性剂,采用独特的配方和加工工艺,将改性剂与基体尼龙树脂原位复合,所制备的复合材料微观结构观察可以使冲击改性剂增韧相达到纳米级的均匀分散,同时相应的宏观力学性能优异,冲击性能达到超韧级别,特别是在低温下依然保持优良的抗冲击性能。改性后的尼龙复合材料可以极大地扩大尼龙作为工程塑料在低温和韧性要求较为苛刻的应用环境下的推广应用,并且该改性方法成本较为低廉,成型工艺简单,可以采用挤出、注塑等传统的成型方法进行加工,适合于工业推广应用。

无缺口冲击强度:不断(常温),不断(-20℃);断裂伸长率:73%-20℃);拉伸强度:45MPa;热失重温度:395℃;熔融加工温度:220260℃。应用于低温环境下使用的抗冲击工程塑料,汽车部件、电子电器、交通运输、体育器材,管件,油管护套等。目前市场上缺少在-20℃以下使用的抗冲击工程塑料,市场情景相当广阔。项目投资200300万。

光催化性能新型半导体复合颗粒的制备技术

技术简介

环境污染的日益加剧时刻威胁着人类的生命健康。温室效应带来的全球变暖义威胁着人类的生存家园。如何面对和解决这些环境问题一直是科学家们努力的研究方向之一。光催化技术作为一种新兴的废气和废水深度绿色处理技术,受到人们广泛的关注,而制备具有高效光催化能力的催化剂则是这一技术的核心。目前,TiO2及其复合材料被广泛用作光催化反应的催化剂。但纳米TiO2只吸收紫外光,通过改性能够将TiO2的光吸收范围拓宽至可见光区。该方面的研究能够提高太阳能利用率,具有重要意义。本技术主要以催化降解水中污染物和催化还原CO2的效果作为评价标准对纳米TiO:实施多种改性方案,旨在以新型方法制备出新型结构并且催化效率高的光催化剂。首先以微波法制备了结构新颖,可用于光敏剂的酞菁。然后分别制备了水溶性的负载型酞菁及酞菁敏化TiO2纳米颗粒,并实施了金属氧化物复合、非金属与金属氧化物共复合纳米TiO2颗粒的制备及光催化应用。

水性阻尼降噪涂料的合成技术

技术简介

核壳结构乳胶粒子的合成及其性能的研究是乳液聚合领域中的一个重要方面,其中多层核壳结构乳胶粒子是一组特殊的群体,在生物、物理、化学等方面都有着潜在的应用。本技术利用分子设计的思想,成功合成了具有梯度结构的多层核壳聚(I-J)互穿网络聚合物,以此乳液作为基料树脂,通过加入合适的助剂及填料,配制成阻尼涂料。将具有不同玻璃化温度的乳液进行共混并测试混合乳液的阻尼性能,发现共混乳液的阻尼性能不如多层核壳结构乳胶粒乳液的阻尼性能优良;在同等工艺条件下合成的具有不同层数的核壳乳胶粒子中,多层核壳结构乳胶粒子的阻尼性能最佳。

熔体静电纺丝中的震荡拔河效应

技术简介

国家自然科学基金项目。熔体静电纺丝不需要溶剂,比溶液静电纺丝环境友好、成本低、效率高,越来越受到国际科学界和工业界的重视,但是其纤维直径偏大,成了制约其发展的瓶颈。借鉴工业上已成功的振动力场降低粘度的方法,本课题拟引入震荡电场力,通过大量实验和介观模拟深入考察熔体静电纺丝过程中的震荡拔河效应-电场力的震荡幅度、频率、波形以及射流上电荷性质对纤维直径、高分子线团解缠、分子链取向及运动轨迹的影响规律。研究结果将对深刻理解静电纺丝过程中的分子链运动规律等基础物理现象、获得大批量高性能的纳米级纤维制备方法、开创纳米纤维大规模应用的新时代具有十分重要的意义。目前该项目在研。

超临界二氧化碳发泡成型技术及装备

技术简介

超临界二氧化碳(SCCO2)具有安全性高、环保、成本低等突出优点,是氟氯烃类发泡剂最有潜力的替代物。但由于二氧化碳在聚苯乙烯中的溶解度较低,且扩散系数较大,因此难于制备低密度的聚苯乙烯发泡材料。针对二氧化碳发泡剂的特点,在自行研制的超临界CO2挤出发泡试验装置上,通过改变成核剂种类及含量,添加过氧化物控制发泡材料降解,PMMA共混等改性手段,研究影响发泡材料表观密度的因素,制备出低密度发泡材料。

北京化工大学自行研制的XPS生产线,可针对聚苯乙烯,聚丙烯,聚乳酸,聚酯等进行连续挤出和注塑发泡成型,其中环保型聚苯乙烯保温板生产线已经在国内推广了10余条生产线。该项目是国家十二五科技支撑计划项目,中德合作国际项目以及国家环保部重点支持项目。

氯乙烯共聚树脂

技术简介

氯乙烯是氯碱工业副产氯气的重要消纳产品,但在过去十年里,氯乙烯装置的建设规模过大,聚氯乙烯装置的开工率已低于60%,聚氯乙烯树脂行业已经入了微利和亏损的时期。特别是高速增长的房地产行业开始进入调整期,聚氯乙烯树脂的一个重要市场--下水管和塑钢门窗,也将进入停滞和收缩。面对这一挑战,开发高附加值的、差异化的氯乙烯共聚树脂,对提高氯乙烯树脂企业的竞争力有积极的意义。

目前工业化的氯乙烯共聚树脂主要有氯乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物(氯醋树脂),氯乙烯与丙烯酸酯的共聚物和氯乙烯与乙烯基醚的共聚物(氯醚树脂)。其中氯醋树脂和氯乙烯与丙烯酸的共聚树脂是比较老的品种。氯醚树脂是一种较新的共聚树脂,首先由BASF公司工业化生产,用于工业防腐和印刷油墨,是氯化橡胶和氯化聚丙烯的替代品。特别是随着四氯化碳的禁用,氯醚树脂生产过程无污染,产品性能可调控范围大,是一种快速发展的氯乙烯共聚物。

传统的氯醚树脂是线性聚合物,我们开发了一种新型的可交联的氯乙烯共聚物。结合力氯乙烯的阻燃性、高密度,可用于低粘度、高固含的防腐涂料和建筑保温泡沫层。与现有的氯醚树脂相比,可以降低涂料的VOC排放60-80%,符合国家产业政策。

此外,鉴于塑化剂导致的人们对DOP等邻苯二甲酸酯类的担心,聚氯乙烯软制品的应用受到限制。针对这一问题,我们开发了自增塑的氯乙烯软树脂。其特色是将增塑剂单分子单体共聚到聚氯乙烯分子链中,在加工过程中无须加入小分子的增塑剂,从根本上解决了增塑剂在使用过程中的迁移问题。

目前上述的共聚树脂已经完成了实验室的研发,需寻找合作方进行中试和工业技术开发。

高性能多官能度可控合成和应用

技术简介

环氧树脂具有良好的耐腐蚀性、固化收缩率低、机械性能和电性能优异等特点,因而广泛用于涂料、胶黏剂、复合材料(^及电子封装材料等领域。然而传统双酷A型环氧材料存在质脆、耐热性不足和使用温度低等问题,限制了它的应用。针对上述问题,本项目的研究工作主要从分子设计出发制备了一系列结构可控的多官能环氧树脂,FF其中包括超支化环氧聚合物W及四官能度环氧树脂,并将它们添加到双酷A型环氧树脂(DGEBA)中改性。经超支化环氧聚合物改性后,FF材料的拉伸强度、冲击强度及玻璃化转变湿度(Tg)等性能得到同FF时改善;经四官能度环氧树脂改性后,材料能够在Tg大于250°C的同FF时还兼具优异的强度和初性。基于这些改性效果,深入研究了结构与FF性能的关系,并讨论了改性机理。本项目的主要内容如下:

提出了一种超支化可控聚合的新方法,即利用竞争反应得到分子量可控及支化度不变的超支化聚合物。制备了一种可控Tg的超支化聚合物体系。利用竞争聚合反应制备了端基为环氧基的聚厳型超支化聚合物EHBPE。利用竞争反应原理制备出四种不同结构的超支化环氧聚合物。制备了一种髙性能的环氧均聚材料。制备了一系列新结构四官能度环氧树脂。

水滑石插层结构紫外阻隔材料的制备技术

技术简介

太阳光中过量的紫外福射对地球上的生物及材料造成极大的破坏作用,每年材料的紫外老化导致了大量的资源浪费和经济损失。水淆石(LDHs)作为一类无机超分子结构功能材料,已经被广泛应用于医药材料、阻燃材料、催化材料等领域。近年来LDHs材料在耐紫外老化沥青的应用中表现出了良好的效果,可明显减缓沥青的老化。为进一步提高LDHs材料的紫外阻隔性能,有必要更深入地探索和研究LDHs材料的超分子结构对紫外光的阻隔机理及构效关系,从而为开发性能优异的新型超分子结构层状紫外阻隔材料及进一步探索其在高分子材料抗紫外老化领域的应用提供实验依据和理论支持。本项目针对高分子材料的紫外老化现象和目前紫外阻隔材料在应用过程中存在的问题,基于结构化学和超分子化学基本原理,探索了FLDHs材料的紫外阻隔技术,LDHs层状材料的超分子结构、能级特征、缺陷结构、主客体相互作用W及协同作用等方面进行了系统研究。结合高分子材料的老化机理和LDHs材料的结构特征,LDHs的层板结构和层间客体进行了调控,制备了一系列性能优良的超分子结构紫外阻隔材料。进一步将其添加到沥青和聚丙稀(PP)中进行紫外加速老化实验,考察了其对高分子材料的抗紫外老化效果,为其实际应用提供了一定的理论基础和技术支持。

环境友好大豆蛋白质材料改性开发

技术简介

由于环境污染的加剧及石油基资源的日益短缺,基于可再生资源的生物材料日益受到重视。大豆蛋白质是豆油产业的副产物,是一种来源丰富的可再生植物资源,也是一类添加增塑剂后可热塑成型的天然高分子材料。然而,单独由大豆蛋白质制备的塑料硬且脆,加入小分子增塑剂后,大豆蛋白质热塑性改善,柔韧性增加,但力学强度较低且对水敏感,限制了其发展和应用。本项目以大豆分离蛋白质(SPI)为主要原料,通过与其他生物可降解材料的共混,以及与纳米粒子的复合来得到廉价、加工性良好且力学及防水性能改善的大豆蛋白质环境友好材料。本技术的创新之处在于:(1)制备了邻苯二甲酸酐改性的大豆蛋白质(PAS)并用其来增强甘油增塑的大豆蛋白质,在不添加任何增容剂的情况下得到了两相相容性良好、性能改善的大豆蛋白质复合材料,探讨填料、基体相似的化学结构与相容性之间的关系;(2)将碳纳米管进行酸改性后与大豆蛋白质复合,得到分散性良好、增强效果明显的纳米复合材料,研究酸改性后纳米管表面极性的变化对其在基体中的分散以及与基体相容性的影响;(3)在无增塑剂添加的情况下,通过熔融共混制备了全生物降解的SPI/聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)共混材料,该共混材料在高蛋白质填充量的情况下仍具有较好的韧性和强度;(4)首次通过熔融法制备了SPI/聚乙烯醇(PVA)共混膜材料,制备过程简单、绿色且产品性能优良;为了进一步改善共混材料的力学性能,继而在SPI/PVA材料中引入层状硅酸盐蒙脱土(MMT),利用SPI/PVAMMT三者间强的氢键作用制备剥离型或插层型纳米复合材料,所得材料强度、热稳定性、防水性提高。