一种高性能海上抗台风支架材料及其制备方法与流程

本发明属于海上工程材料，具体是指一种高性能海上抗台风支架材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着海洋养殖、海上风电等海洋产业的快速发展，中深海域的开发利用日益广泛，各类海上支架结构的需求量大幅增加。中深海域环境恶劣，不仅面临15级左右强台风的冲击，还受到复杂洋流的长期侵蚀、循环应力作用及静水压影响，对支架材料的力学性能、耐候性及结构稳定性提出了极高要求。

2、目前，海上支架常用材料主要包括普通高密度聚乙烯（pe）、钢材及玻璃钢等。钢材虽力学强度高，但耐海水腐蚀性差，长期浸泡易锈蚀，维护成本高昂且使用寿命有限；玻璃钢耐腐蚀性较好，但抗冲击性能不足，在强台风冲击下易发生脆裂，且成型工艺复杂、成本较高。普通pe材料具有良好的耐腐蚀性和加工性，但力学强度偏低，尤其是长期静水压强度、抗冲击性能及抗循环应力性能难以满足中深海域抗台风需求，在强台风及洋流作用下易发生变形、断裂，导致支架结构失效，造成重大经济损失。

3、为提升pe材料的力学性能，现有技术常采用添加纤维增强体的方式制备复合材-料。玄武岩纤维作为一种高性能无机纤维，具有强度高、耐腐蚀性强、耐高温、抗老化等优点，是理想的增强体材料。但玄武岩纤维与pe基体的界面相容性较差，直接混合易出现纤维团聚、分散不均的问题，难以充分发挥增强效果，且复合后的材料加工性能及焊接性能易受影响。同时，现有纤维增强pe复合材料的配方及工艺缺乏针对性设计，无法精准匹配中深海域抗台风、抗洋流的使用需求，其力学性能及稳定性难以达到15级台风环境下的使用标准。

技术实现思路

1、为了解决上述提出的问题，本发明提供了一种高性能海上抗台风支架材料及其制备方法，通过优化基体选型、增强体处理、配方比例及复合工艺，解决玄武岩纤维与pe基体相容性差、增强效果有限及材料性能无法匹配中深海域抗台风需求的问题，获得力学性能、加工性能及耐候性能均衡的复合支架材料。

2、为了实现上述功能，本发明采取的技术方案如下：一种高性能海上抗台风支架材料，由基体、增强体和相容剂组成，各组分按质量百分比计如下：基体70%~88%，增强体12%~30%，相容剂为增强体质量的15%~20%；

3、所述基体为pe100或pe100-rc等级的高密度聚乙烯，该等级为管材专用最高级别，具备优异的耐慢速裂纹增长性能及长期力学稳定性；

4、所述增强体为经表面处理的短切玄武岩纤维，纤维长度为3~6mm，表面经相容剂预处理或在熔融共混时同步加入相容剂实现界面改性；

5、所述相容剂为pe-g-mah或马来酸酐接枝聚乙烯与硅烷偶联剂的复配体系；所述硅烷偶联剂选kh-550或kh-560。

6、优选地，所述增强体添加比例根据应用海域海况调整，中深海域、需抵御15级左右台风及强洋流环境时，增强体添加比例为12%~15%；普通海域、海况平缓时，增强体添加比例为15%~30%。

7、优选地，在所述相容剂为复配体系时，kh-550与pe-g-mah联用，kh-560与pe-g-mah复配使用，硅烷偶联剂的用量为增强体质量的0.5%~2.0%。

8、一种高性能海上抗台风支架材料的制备方法，其包括如下步骤：

9、(1)原料预处理：选取pe100或pe100-rc等级高密度聚乙烯颗粒，干燥至含水率≤0.1%；选取长度3~6mm的短切玄武岩纤维，采用相容剂预处理方案或直接共混方案进行界面改性处理；

10、(2)界面改性处理采用以下两种方案之一：a.将短切玄武岩纤维浸入马来酸酐接枝聚乙烯的丙酮溶液中，浸渍时间10~20min，随后在80~100℃下烘干2~3h，使相容剂均匀包覆在纤维表面，所述丙酮溶液中马来酸酐接枝聚乙烯的质量浓度为5%~10%，相容剂用量为玄武岩纤维质量的15%~20%，若复配硅烷偶联剂，将硅烷偶联剂按纤维质量的0.5%~2.0%加入丙酮溶液中，同步完成包覆；b.将短切玄武岩纤维、pe树脂颗粒及相容剂按比例准备，其中相容剂用量为玄武岩纤维质量的15%~20%，若复配硅烷偶联剂，硅烷偶联剂用量为纤维质量的0.5%~2.0%

11、(3)熔融共混：将预处理后的原料加入双螺杆挤出机中进行熔融共混，挤出机各段温度控制在160~190℃，螺杆转速150~250r/min，剪切混炼时间5~10min，实现纤维均匀分散及界面充分反应；

12、(4)造粒成型：共混物料经双螺杆挤出机挤出后，冷却、切粒，得到复合颗粒；

13、(5)支架制备：将复合颗粒通过注塑或挤出成型工艺制备成支架型材，成型温度170~190℃，压力5~10mpa；

14、(6)连接成型：采用全自动热熔对接焊机对支架型材进行焊接，焊接温度200~220℃，保压时间5~10min，保证焊接质量的一致性及结构稳定性。

15、与现有技术相比，本发明采取上述方案取得有益效果如下：

16、1、选用pe100或pe100-rc高密度聚乙烯作为基体，搭配3~6mm短切玄武岩纤维增强，通过优化纤维添加比例，可精准匹配不同海况需求，材料的长期静水压强度、抗冲击性能及抗循环应力性能显著提升，能稳定抵御15级左右台风及复杂洋流影响，解决普通pe材料力学强度不足的问题；

17、2、采用马来酸酐接枝聚乙烯作为核心相容剂，其马来酸酐官能团可与玄武岩纤维表面羟基反应，pe链段与基体pe完全相容并共结晶，形成强界面结合，复配硅烷偶联剂时可进一步优化界面性能，同时通过纤维预处理方案实现相容剂均匀包覆，避免纤维团聚，大幅提升增强体与基体的相容性及分散性，充分发挥玄武岩纤维的增强作用；

18、3、通过控制双螺杆挤出机的温度、转速等参数，兼顾熔融共混效果与材料加工性能，复合颗粒可稳定用于注塑、挤出成型，配套全自动热熔对接焊机焊接，保证焊接质量一致性，成型后的支架结构整体性强，避免因焊接缺陷导致的结构失效；

19、4、玄武岩纤维具备优异的耐海水腐蚀、抗老化性能，与pe基体复合后，材料耐候性显著优于钢材及普通复合材料，使用寿命可达10年以上，原料易得，制备工艺简单，无需复杂设备，生产成本低于玻璃钢及特种钢材，适合大规模工业化生产及海上工程推广应用

1.一种高性能海上抗台风支架材料，其特征在于，由基体、增强体及相容剂组成，各组分按质量百分比计如下：基体70%~88%，增强体12%~30%，相容剂为增强体质量的15%~20%；所述基体为pe100或pe100-rc等级的高密度聚乙烯；所述增强体为短切玄武岩纤维，纤维长度为3~6mm；所述相容剂为pe-g-mah或马来酸酐接枝聚乙烯与硅烷偶联剂的复配体系；所述硅烷偶联剂选自kh-550或kh-560。

2.根据权利要求1所述的一种高性能海上抗台风支架材料，其特征在于，所述增强体的添加比例根据应用海域海况调整，中深海域、需抵御15级左右台风及强洋流环境时，增强体添加比例为12%~15%；普通海域、海况平缓时，增强体添加比例为15%~30%。

3.根据权利要求1所述的一种高性能海上抗台风支架材料，其特征在于，在所述相容剂为复配体系时，kh-550与pe-g-mah联用，kh-560与pe-g-mah复配使用，硅烷偶联剂的用量为增强体质量的0.5%~2.0%。

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种高性能海上抗台风支架材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：