一种新型双层过塑钢丝及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于钢丝表面处理方法技术领域，具体涉及一种用于钢丝网骨架聚烯烃复合管的粉末涂料、粘接树脂双层过塑的钢丝及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分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。
钢丝缠绕增强塑料复合管是我国拥有自主知识产权的高新技术产品。这种新型管道是用高强度过塑钢丝网骨架和热塑性塑料聚乙烯或聚丙烯为原材料，钢丝缠绕网作为塑料管的骨架增强体，以管道级聚烯烃为基体，采用高性能马来酸酐接枝改性的粘结树脂将钢丝骨架与内、外层管道聚烯烃紧密地连接在一起，使之具有优良的复合效果。因为有了高强度钢丝增强体被包覆在连续热塑性塑料之中，因此这种复合管克服了钢管和塑料管各自的缺点，而又保持了钢管和塑料管各自的优点，使之具有更高的耐压性能。同时，该复合管具有优良的柔性，适用于长距离埋地用供水、输气管道系统。
钢丝网骨架塑料复合管的增强体钢丝是通过钢丝在塑料芯管经过左旋缠绕、右旋缠绕后用马来酸酐接枝改性的粘接树脂对钢丝进行固定而得到的。马来酸酐接枝改性的粘接树脂对钢丝的固定作用是基于马来酸酐基团与钢丝表面的范德华力，因此在实际应用中钢丝增强体容易在超压使用或输送高温介质发生钢丝抽出引起复合管灯笼破坏。灯笼破坏主要是由于钢丝增强体没有经过焊接固定、粘接树脂对钢丝的粘接固定作用力不够引起。马来酸酐接枝改性的粘接树脂对钢丝增强体固定作用随复合管使用温度升高急剧降低，主要是由于粘接树脂是热塑性材料，温度升高后，粘接树脂本身的强度显著降低，更容易发生蠕变形变，同时高温下粘接树脂马来酸酐基团与钢丝表面的分子间相互作用力也大大减弱。
发明内容
针对上述现有技术中存在钢丝管因钢丝层缠绕而未焊接固定、粘接树脂对钢丝的固定作用对温度的敏感这两个问题，本发明的目的是提供一种粉末涂料、粘接树脂双层过塑的钢丝及其制备方法和应用。对钢丝表面进行粉末涂料、粘接树脂双层过塑处理，使钢丝、粉末涂料、粘接树脂三种异种物质形成优异层间结合力的复合体。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
本发明的第一个方面，提供一种双层过塑钢丝，由内到外分别为钢丝、粉末涂料、粘接树脂。
发明人经过研究发现，对钢丝表面进行粉末涂料、粘接树脂双层过塑处理，利用环氧树脂对钢丝具有优异粘接强度、马来酸酐接枝型粘接树脂可以参与粉末涂料的固化原理，经过高温固化使钢丝、粉末涂料、粘接树脂三种异种物质形成优异层间结合力的复合体。粉末涂料在固化过程，粉末涂料中的羟基、羧基、异氰酸酯基、环氧基团与钢丝表面的极性基团发生化学反应，对钢丝形成均匀牢固的处理层；粘接树脂中的马来酸酐基团能参与粉末涂料的固化反应，因而粘接树脂层通过与粉末涂料进行化学反应，形成牢固的化学粘接。因而粘接树脂对钢丝的粘接力大大提高。
本发明的第二个方面，提供上述双层过塑钢丝的制备方法，所述方法如下步骤进行：
S1钢丝放卷、预处理及预热：钢丝经过放卷装置放卷，预处理后进入高频加热或电加热的预热装置，对钢丝进行预加热，加热后的钢丝温度为100-400℃；
S2钢丝表面上粉末涂料：预热后的钢丝经过粉末涂料上粉装置；
S3上粉钢丝过塑粘接树脂：上粉末涂料后的钢丝经过螺杆挤出机的模具，在钢丝的环氧表面包覆上一层粘接树脂，螺杆挤出机的温度为200-300℃；
S4双层过塑钢丝的后固化：经过双层过塑的钢丝进入后固化烘道，烘道的温度为200-300℃，烘道的长度为0.5m-50m；
S5双层过塑钢丝的冷却及收卷：经过烘道固化后双层钢丝进行冷却水槽冷却，利用收卷机收成卷。
本发明的第三个方面，提供上述双层过塑钢丝在制备钢丝网骨架增强聚烯烃复合管中的应用；优选的，所述聚烯烃复合管为聚乙烯复合管或聚丙烯复合管。
本发明的一个或多个具体实施例至少取得了以下技术效果：
(1)本发明对钢丝表面进行粉末涂料、粘接树脂双层过塑处理，钢丝、粉末涂料、粘接树脂三种异种物质通过化学反应牢固粘接到一起。按照GB/T32439中的粘接树脂与钢丝的剪切强度测试方法测试钢丝的剪切强度，本发明钢丝与粘接树脂的剪切强度比普通钢丝与粘接树脂的剪切强度最大提高了15MPa，表明通过粉末涂料、粘接树脂双层过塑处理，可以提高粘接树脂对钢丝的束缚力。
(2)本发明对钢丝表面进行粉末涂料、粘接树脂双层过塑处理，钢丝、粉末涂料、粘接树脂三种异种物质通过化学反应牢固粘接到一起。双层过塑钢丝应用到钢丝网骨架复合管上，粘接树脂对钢丝具有更强的束缚力，降低了钢丝网骨架复合管钢丝在端面穿出及管端发生鼓胀抽丝引起的灯笼破坏的技术风险，弥补了高温下粘接树脂马来酸酐基团与钢丝表面的分子间作用力减弱的缺陷。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的双层过塑钢丝的结构示意图；
其中，1、钢丝，2、粉末涂料固化层，3、粘接树脂层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
如前所述，现有技术中存在钢丝管因钢丝层缠绕而未焊接固定、粘接树脂对钢丝的固定作用对温度的敏感这两个问题。
有鉴于此，本发明的一个具体实施方式中，提供一种双层过塑钢丝，由内到外分别为钢丝、粉末涂料、粘接树脂。
本发明的的又一具体实施方式中，所述钢丝为无镀层钢丝、镀锌钢丝、镀黄铜钢丝、镀紫铜钢丝中的一种；
本发明的的又一具体实施方式中，所述粉末涂料固化层的厚度为0.02-0.25mm，该厚度范围可以使粉末涂料在保证对钢丝形成均匀牢固处理层的基础上，同时与粘接树脂反应形成更牢固的化学粘接；
本发明的的又一具体实施方式中，所述粉末涂料层为粉末涂料经过流化床工艺或喷涂工艺形成；
本发明的的又一具体实施方式中，所述粘接树脂为马来酸酐接枝改性的聚乙烯或马来酸酐接枝改性的聚丙烯，粘接树脂层的厚度为0.02-0.50mm，该厚度范围可以使粘结树脂对钢丝具有更强的束缚力，进一步提高粘接树脂对钢丝的粘结力；
本发明的的又一具体实施方式中，提供上述双层过塑钢丝的制备方法，所述方法如下步骤进行：
S1钢丝放卷、预处理及预热：钢丝经过放卷装置放卷，预处理后进入高频加热或电加热的预热装置，对钢丝进行预加热，加热后的钢丝温度为100-400℃；
S2钢丝表面上粉末涂料：预热后的钢丝经过粉末涂料上粉装置；
S3上粉钢丝过塑粘接树脂：上粉末涂料后的钢丝经过螺杆挤出机的模具，在钢丝的粉末涂料流平后的表面包覆上一层粘接树脂，螺杆挤出机的温度为200-300℃；
S4双层过塑钢丝的后固化：经过双层过塑的钢丝进入后固化烘道，烘道的温度为200-300℃，烘道的长度为0.5m-50m；
S5双层过塑钢丝的冷却及收卷：经过烘道固化后双层钢丝进行冷却水槽冷却，利用收卷机收成卷。
本发明的的又一具体实施方式中，所述步骤S1中的预处理方式包括除油处理、除锈处理、表面粗化处理中的至少一种，更进一步，所述除油处理采用溶剂或碱液除油，所述溶剂为汽油或卤代烃；所述除锈处理采用手工工具除锈或动力工具除锈，所述手工工具采用钢丝刷，所述动力工具采用机动钢丝刷；所述表面粗化处理采用喷砂处理；
本发明的的又一具体实施方式中，所述步骤S1中加热后的钢丝温度为200-300℃，在该温度范围内，钢丝表面的极性基团更有利于与粉末涂料中的羟基、羧基、异氰酸酯基、环氧基团发生化学反应，提高处理层的牢固度；
本发明的的又一具体实施方式中，所述步骤S2中上粉的工艺为流化床浸涂或喷枪喷涂；
本发明的的又一具体实施方式中，提供上述双层过塑钢丝在制备钢丝网骨架增强聚烯烃复合管中的应用；优选的，所述聚烯烃复合管为聚乙烯复合管或聚丙烯复合管。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
实施例1
S1钢丝放卷、除油及预热：直径为0.9mm的镀铜钢丝经过放卷装置放卷，采用汽油除油处理后进入高频加热或电加热的预热装置，对钢丝进行预加热，加热后的钢丝的温度为250℃；
S2钢丝表面上环氧粉末：预热后的钢丝经过粉末涂料上粉装置，上粉工艺为流化床浸涂；
S3上粉钢丝过塑粘接树脂：上环氧粉末后的钢丝经过螺杆挤出机的模具，在钢丝的环氧表面包覆上一层粘接树脂(聚乙烯粘接树脂牌号：EN360H，山东东宏管业股份有限公司)，螺杆挤出机的温度为255℃；
S4双层过塑钢丝的后固化：经过双层过塑的钢丝进入后固化烘道，烘道的温度为300℃；
S5双层过塑钢丝的冷却及收卷：经过烘道固化后双层钢丝进行冷却水槽冷却，利用收卷机收成卷。
按照GB/T32439附录以EN360H粘接树脂与双层过塑钢丝制备剪切测试样品，制备10个样品，测试钢丝剪切强度，计算10组的平均剪切强度；将实施例1的钢丝制备dn160、压力为3.5MPa的聚乙烯钢丝复合管，对复合管测试20℃、2PN(7.0MPa)静液压测试，记录钢丝管发生鼓胀或破坏时打压测试的时间。
对比例1(钢丝表面过塑粘接树脂)：
S1钢丝放卷、除油及预热：直径为0.9mm的镀铜钢丝经过放卷装置放卷，采用汽油除油处理后进入高频加热或电加热的预热装置，对钢丝进行预加热，加热后的钢丝的温度为250℃；
S3钢丝过塑粘接树脂：上环氧后的钢丝经过螺杆挤出机的模具，在钢丝的环氧表面包覆上一层粘接树脂(聚乙烯粘接树脂牌号：EN360H，山东东宏管业股份有限公司)，螺杆挤出机的温度为255℃；
S4过塑钢丝的后固化：经过双层过塑的钢丝进入后固化烘道，烘道的温度为300℃；
S5过塑钢丝的冷却及收卷：经过烘道固化后双层钢丝进行冷却水槽冷却，利用收卷机收成卷。
按照GB/T32439附录以EN360H粘接树脂与双层过塑钢丝制备剪切测试样品，制备10个样品，测试钢丝剪切强度，计算10组的平均剪切强度；将对比例1的钢丝制备dn160、压力为3.5MPa的聚乙烯钢丝复合管，对复合管测试20℃、2PN(7.0MPa)静液压测试，记录钢丝管发生鼓胀或破坏时打压测试的时间。
对比例2(钢丝表面过塑环氧树脂)：
S1钢丝放卷、除油及预热：直径为0.9mm的镀铜钢丝经过放卷装置放卷，采用汽油除油处理后进入高频加热或电加热的预热装置，对钢丝进行预加热，加热后的钢丝的温度为250℃；
S2钢丝表面上环氧粉末：预热后的钢丝经过环氧粉末上粉装置，上粉工艺为流化床浸涂；
S4过塑钢丝的后固化：经过双层过塑的钢丝进入后固化烘道，烘道的温度为300℃；
S5过塑钢丝的冷却及收卷：经过烘道固化后双层钢丝进行冷却水槽冷却，利用收卷机收成卷。
按照GB/T32439附录以EN360H粘接树脂与过塑钢丝制备剪切测试样品，制备10个样品，测试钢丝剪切强度，计算10组的平均剪切强度；将对比例2的钢丝制备dn160、压力为3.5MPa的聚乙烯钢丝复合管，对复合管测试20℃、2PN(7.0MPa)静液压测试，记录钢丝管发生鼓胀或破坏时打压测试的时间。
对比例3(钢丝过塑环氧固化后再过塑粘接树脂)：
S1钢丝放卷、除油及预热：直径为0.9mm的镀铜钢丝经过放卷装置放卷，采用汽油除油处理后进入高频加热或电加热的预热装置，对钢丝进行预加热，加热后的钢丝的温度为250℃；
S2钢丝表面上环氧粉末：预热后的钢丝经过环氧粉末上粉装置，上粉工艺为流化床浸涂；
S3双层过塑钢丝的后固化：经过上环氧钢丝进入后固化烘道，烘道的温度为300℃；
S4环氧固化钢丝过塑粘接树脂：上环氧固化后的钢丝经过螺杆挤出机的模具，在钢丝的环氧表面包覆上一层粘接树脂(聚乙烯粘接树脂牌号：EN360H，山东东宏管业股份有限公司)，螺杆挤出机的温度为255℃；
S5双层过塑钢丝的冷却及收卷：经过烘道固化后双层钢丝进行冷却水槽冷却，利用收卷机收成卷。
按照GB/T32439附录以EN360H粘接树脂与双层过塑钢丝制备剪切测试样品，制备10个样品，测试钢丝剪切强度，计算10组的平均剪切强度；将对比例3的钢丝制备dn160、压力为3.5MPa的聚乙烯钢丝复合管，对复合管测试20℃、2PN(7.0MPa)静液压测试，记录钢丝管发生鼓胀或破坏时打压测试的时间。
对比例4(双层过塑钢丝不进行后固化)：
S1钢丝放卷、除油及预热：直径为0.9mm的镀铜钢丝经过放卷装置放卷，采用汽油除油处理后进入高频加热或电加热的预热装置，对钢丝进行预加热，加热后的钢丝的温度为250℃；
S2钢丝表面上环氧粉末：预热后的钢丝经过环氧粉末上粉装置，上粉工艺为流化床浸涂；
S3上粉钢丝过塑粘接树脂：上环氧后的钢丝经过螺杆挤出机的模具，在钢丝的环氧表面包覆上一层粘接树脂(聚乙烯粘接树脂牌号：EN360H，山东东宏管业股份有限公司)，螺杆挤出机的温度为255℃；
S4双层过塑钢丝的冷却及收卷：经过烘道固化后双层钢丝进行冷却水槽冷却，利用收卷机收成卷。
按照GB/T32439附录以EN360H粘接树脂与双层过塑钢丝制备剪切测试样品，制备10个样品，测试钢丝剪切强度，计算10组的平均剪切强度；将实施例1的钢丝制备dn160、压力为3.5MPa的聚乙烯钢丝复合管，对复合管测试20℃、2PN(7.0MPa)静液压测试，记录钢丝管发生鼓胀或破坏时打压测试的时间。
实施例2
S1钢丝放卷、除油及预热：直径为0.9mm的镀锌钢丝经过放卷装置放卷，采用汽油除油处理后进入高频加热或电加热的预热装置，对钢丝进行预加热，加热后的钢丝的温度为250℃；
S2钢丝表面上粉末涂料：预热后的钢丝经过聚酯粉末涂料上粉装置，上粉工艺为喷枪喷涂；
S3上粉钢丝过塑粘接树脂：上环氧后的钢丝经过螺杆挤出机的模具，在钢丝的环氧表面包覆上一层粘接树脂(聚乙烯粘接树脂牌号：EN360T，山东东宏管业股份有限公司)，螺杆挤出机的温度为300℃；
S4双层过塑钢丝的后固化：经过双层过塑的钢丝进入后固化烘道，烘道的温度为260℃；
S5双层过塑钢丝的冷却及收卷：经过烘道固化后双层钢丝进行冷却水槽冷却，利用收卷机收成卷。
按照GB/T32439附录以EN360T粘接树脂与双层过塑钢丝制备剪切测试样品，制备10个样品，测试钢丝剪切强度，计算10组的平均剪切强度；将实施例2的钢丝制备dn160、压力为3.5MPa的聚乙烯钢丝复合管，对复合管测试20℃、2PN(7.0MPa)静液压测试，记录钢丝管发生鼓胀或破坏时打压测试的时间。
实施例3
S1钢丝放卷、除油及预热：直径为0.9mm的普通钢丝经过放卷装置放卷，采用除油处理后进入高频加热或电加热的预热装置，对钢丝进行预加热，加热后的钢丝的温度为280℃；
S2钢丝表面上聚氨酯粉末涂料：预热后的钢丝经过聚氨酯粉末涂料上粉装置，上粉工艺为喷枪喷涂；
S3上粉钢丝过塑粘接树脂：上聚氨酯粉末涂料后的钢丝经过螺杆挤出机的模具，在钢丝的环氧表面包覆上一层聚丙烯粘接树脂(聚丙烯粘接树脂牌号：EN690，山东东宏管业股份有限公司)，螺杆挤出机的温度为270℃；
S4双层过塑钢丝的后固化：经过双层过塑的钢丝进入后固化烘道，烘道的温度为280℃；
S5双层过塑钢丝的冷却及收卷：经过烘道固化后双层钢丝进行冷却水槽冷却，利用收卷机收成卷。
按照GB/T32439附录以EN690粘接树脂与双层过塑钢丝制备剪切测试样品，制备10个样品，测试钢丝剪切强度，计算10组的平均剪切强度；将实施例3的钢丝制备dn160、压力为3.5MPa的聚丙烯钢丝复合管，对复合管测试20℃、2倍PN(7.0MPa)静液压测试，记录钢丝管发生鼓胀或破坏时打压测试的时间。
通过上述实施例及对比例得到的碳纳米管改性聚烯烃双抗料的力学性能及抗管材的表面电阻、阻燃、外观性能数据见表1所示：
表1钢丝剪切强度测试及20℃，2倍PN管材打压破坏时间测试数据
从上述表中显示的实施例1-3与对比例1、2、3、4的性能数据可知：
本发明的实施例1-3的钢丝剪切强度均大于GB/T32439要求的大于13MPa，管材20℃，2PN管材打压破坏时间均远高于GB/T32439要求的1h标准。
通过实施例1和对比例1的对比可知，本发明涉及的粉末涂料、粘接树脂双层处理，经过环氧的固化及粘接树脂参与环氧的固化反应，实施例1提高钢丝剪切强度及管材20℃，2PN管材打压破坏时间；
通过实施例1和对比例2的对比可知，只过塑环氧树脂，由于环氧固化后为极性材料与粘接树脂的相容性差，无法与粘接树脂发生化学反应，钢丝剪切强度低，实施例1提高钢丝剪切强度及管材20℃，2PN管材打压破坏时间；
通过实施例1和对比例3的对比可知，过塑环氧树脂先固化，由于环氧固化后不能再与粘接树脂反应，钢丝剪切强度低，实施例1提高钢丝剪切强度及管材20℃，2PN管材打压破坏时间；
通过实施例1和对比例4的对比，过塑环氧后再过塑粘接树脂，不进行后固化，钢丝剪切强度较对比例有较大幅度提高，主要是由于在制样过程的加热环氧继续发生固化反应，实施例1提高钢丝剪切强度及管材20℃，2PN管材打压破坏时间。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
