生物质基硅碳材料在管材和生物降解袋中的应用
生物质基硅碳材料在管材中的应用
叶晓春 宋俊江
（ 中交第二航务工程局有限公司）
摘要：稻壳经过高温形成的硅碳材料主要成分是C和SI，通过气化炉的反应通过单一晶体对比形成中空二氧化硅和微孔纤维状炭晶体。两种晶体产生具有独特的层链状结构特征，在其结构中存在晶格置换，因而，硅碳材料具有独特的分散、耐高温、抗盐碱等良好的胶体性质和较高的吸附能力和一定的可塑性及粘结力，且介于链状结构和层状结构之间的中间结构。这一独特结构使其成为天然的一维棒状材料，因而表现出各种优异的物理化学性质，如吸附性、刚性韧性和耐磨性及抗老化性等，也为化学改性和材料复合创造了条件。以硅碳材料为原料，通过高温热活化、化学处理等反应对纤维表面进行有机改性，再利用双螺杆剪切和加工助剂使硅碳以结构性形式分散在高分子聚合物体系中制得功能性管材专用材料，使其保持独特的纤维状结构，特殊的硅碳排列顺序体现材料优异的刚性。微孔状纤维结构在管材中体现出完美的高刚性高弹性。同时硅碳材料是全生物基结构性材料，在食品卫生性能更是完善的突出价值。
关键词：生物质基 高环刚度 表面处理 力学性能
一．前言
刚性和韧性是塑料制品两个重要性能指标，如何保证塑料制品同时具有良好的刚性和韧性，是长期以来材料科学研究的重要课题之一。为降低材料成本，所有塑料制品都要填充惰性的无机粉体，如CaCO3、SiO2、滑石粉等等，这些材料其性能都有比重大、吸湿性强，填充制品不耐老化和脆性大等缺陷。同时，为了提高塑料制品的韧性，还需要添加橡胶或弹性体，如：EVA、POE、EPDM等，以达到增韧改性的目的，但却损害了材料宝贵的刚性性能，而且材料的加工性能和耐热性能将会降低。
利用硅碳材料的纤维微孔结特性，对颗粒内层的纤维孔道进行有机改性，在保持其纤维结构的前提下，提高其与高聚物的相容性，具有了独特的改性功能，不仅替代了增韧剂树脂，并在最终制品中体现的抗老化性能和物理性能更优越。
改性后的硅碳材料在和高分子聚合物共混时通过反应型双螺杆加工，在加工过程中硅碳材料表面的修饰活性基和聚合物的分子链产生相互交链的现象，使材料在聚合物中得到更好的塑化效果，同时凹凸颗粒在双螺杆剪切力的作用下，将颗粒变成更细小的短纤维状，这种短纤维状在浮力作用下形成相互交错的形状，结构如同“#”状的排列，从而得到更佳的增韧效果。“#”状纤维的排列作为分子聚合物的分散相，这样在双螺杆设备经过压力的挤出形成高韧性工作切断的复合系。因此，在与高聚物共混过程中体现出了功能性的增强增韧作用。
二．应用对比
1. 试验部分
1.1 原料：
1.2 生产设备：
1.3 检测设备
1.4 挤出工艺
主机温度:183/183/182/182/162/平均模头温度192℃
机头压力：2.4 主机电流:95
熔体温度：178 真空度：0.3
1.5 检测对比数据如下：
通过以上HDPE和碳酸钙、滑石粉、重晶石及硅炭材料的数据对比较分析，硅炭复合材料的力学性能更好的体现。研究证明硅炭材料在PE体系中疏松堆砌，形成以硅炭填充堆砌体为核、PE为壳的分散岛相，核-壳结构特征相包容粒子对基体具有良好的增韧和增强效果。
三．双壁波纹管的实际应用
国内管道厂家生产的双壁波纹管都是采用HDPE 再生料和填充无机粉体进行生产的。管道长期掩埋受压的情况下容易变形和破裂受损，导致排水的堵塞现象屡屡发生。其中由于雨水的酸性和污水的细菌滋生导致这种填充型的管材更容易破坏其结构和表面，长时间侵蚀最终导致管道的坍塌。
本项目研究产品外壁采用生物质基纳微米结构功能材料硅炭和HDPE进行共混合金，提到双壁波纹管外壁的强度和刚性，达到12.5MPA的环刚度。同时微纳米结构材料的加入管材在冲击和共振的情况下可以有相互的调节，充分展现外壁材料的回弹能力。
项目研究产品在工程施工方面采用现场土石方回填，无需再用砂石回填！直接降低工程造价成本同时对环境进行资源保护！同时做为生物机材料有着很好卫生性能，已通过SGS认证。
项目产品内壁采用的是HDPE/PVDC/MOS2合金，PVDC高阻隔材料有效的阻隔雨水和污水的侵蚀，同时在污水气味上能够完全的阻隔。主要在管材渗漏中起到关键作用。在通过MOS2的加入是内壁管道表面形成自润滑的作用，更容易使管道流畅性同时带有自清洁效果。
举例说明：
排水排污双壁波纹管中应用比列：
内壁材料：
外壁材料：
管材料检测数据分析：
产品性能
管材系统性能:
给水管中实例应用比列数据
比列：HDPE: 85份
硅炭材料：15份
产品检测分析：
1. 检测数据分析：尺寸和收缩率
管材长度、平均外径、不圆度和壁厚严格按照GB/T8806-2008执行
纵向收缩率按GB/T6671-2001中B项检测：数据值为：1.8%
2. 静液压强度测试
按照GB/T6111-2003试验，根据试验条件下表规定检测。
在165小时内发生脆性破坏应视为未通过试验。如果试样在165h内发生韧性破坏，按表中推荐的环应力/时间关系依次选择较低的环应力和相应的最小破坏时间重新试验，如不通过视为不合格。
3. 氧化诱导时间
按照GB/T19466.6-2009试验检测：210度检测时间大于20分钟
实际检测数据为：32分钟
4. 卫生要求
管材卫生要求符合GB/T17219规定。
同时通过SGS和ROHS检测。
四．硅炭材料在管材应用的关键技术
1. 硅炭材料在排水排污双壁波纹管中的应用技术
双壁波纹管外壁采用生物质基纳微米结构功能材料硅炭和HDPE进行共混合金，提到双壁波纹管外壁的强度和刚性，达到12.5MPA的环刚度。同时微纳米结构材料的加入管材在冲击和共振的情况下可以有相互的调节，充分展现外壁材料的回弹能力。
产品在工程施工方面采用现场土石方回填，无需再用砂石回填！直接降低工程造价成本同时对环境进行资源保护！同时做为生物机材料有着很好卫生性能，已通过SGS认证。产品内壁采用的是HDPE/PVDC/MOS2合金，PVDC高阻隔材料有效的阻隔雨水和污水的侵蚀，同时在污水气味上能够完全的阻隔。主要在管材渗漏中起到关键作用。在通过MOS2的加入是内壁管道表面形成自润滑的作用，更容易使管道流畅性同时带有自清洁效果。
2. 硅炭材料在给水管中的应用技术
纳微结构的硅炭材料形成分散相在HDPE里，提高管材的密实度，达到管材整体抗压能力。同时硅碳材料的纳微米微孔结构属性，管材在冲击和共振的情况下可以有相互的调节，充分展现管材良好的回弹性。硅碳材料特殊的SIC元素排列，突显材料的金属般刚性特征，更有效的提高管材的环刚度和拉伸强度。较强的密实度在管材对接焊接时有着更强的牢固性。
3. 硅炭材料在电力电信套管的应用技术
SI和C元素本身具有很高强度的耐磨性能和抗老化及耐酸碱性。电力电信套管在安装中采用非开挖工艺和导线牵引技术。这样高强度的作业对管材有着硬度刚性和耐磨性的要求，同时在电线电缆的使用过程中，电线电缆的发热和电老化能有效的防控。微孔结构的吸附能力，可以有效的进行吸热转化，使电线电缆及管材使用周期大幅度提高，延长使用寿命。