[发明专利]碳纤维毡增强光固化树脂复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及管道石油安全运输技术领域，是一种碳纤维毡增强光固化树脂复合材料及其制备方法和应用，前者原料包括碳纤维毡和光固化树脂，将碳纤维毡放在装有光固化树脂的容器中，置于真空干燥器中脱气，随后将烧杯取出，此过程重复三次；将烧杯表面多余的光固化树脂擦掉后，再将烧杯放在紫外光或者太阳光下固化，得到碳纤维毡增强光固化树脂复合材料。本发明制备过程简单高效，生产成本低，具有优异的力学强度和良好的光热和电加热性能，对钢制管道具有良好的粘附能力，且能够通过电学信号自我监测复合结构的完整性，可用于对输油管道加热以降低原油粘度提高输油效率，有着大规模制备的潜力和广阔的商业应用前景。

技术领域

本发明涉及管道石油安全运输技术领域，是一种碳纤维毡增强光固化树脂复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

大自然的恩赐“原油”，是当今社会最重要的工业能源之一，被称为“黑金”。这种深褐色、粘稠的液体早已渗透到许多与我们生活密切相关的领域，如建材、运输、取暖、航空航天工程等。然而，世界石油资源往往分布在非常偏远的地区，因此高效、低成本的管道运输是最有效的石油运输方式，并且随着石油需求的不断增加，石油运输网络的建设也越来越密集。

一般而言，原油的粘度和类型对原油在管道中的流动阻力有很大的影响，也会影响管道输送的能耗。目前，管道原油输送面临两大挑战：（1）由于管道与环境之间的热交换，原油的流动性能随温度的降低而降低；（2）当原油中胶质和沥青质含量较高、蜡含量较低时，原油粘度高，倾点较低，导致流动过程中的摩阻增大。对于含蜡量较高的原油，在低温管道输送过程中，蜡晶容易析出。随后，蜡晶体会生长形成网状结构，将污泥、树胶、沥青和其他原油成分保存在周围。这将逐渐减小管道的有效输送面积，增加原油的输送阻力，从而对管道的输送效率产生负面影响。为了降低原油粘度，防止管道堵塞，在实际工况下，主要采用两种方法来提高原油的流动性。一是通过设置加热池对管道进行加热，将油温提高到运输所需的温度，保证原油安全到达码头。然而，这种方法需要大量的能量来产生热量，从而增加了运输和环境成本。例如，中国大部分油田都位于高纬度地区，那里的环境温度一年中有四分之三以上低于倾点（32 ℃）。因此，在管道输送过程中，80%以上的原油需要加热以提高其流动性，造成大量的燃油消耗。另一种方法是在原油中添加降凝剂（PPD），以防止原油凝固。然而，PPD是一种昂贵的化工产品，会对原油造成损害，需要在后续加工过程中与石油分离，从而导致额外的生产工艺和成本增加。因此，减少燃料依赖性增温和缓蚀剂的添加，不仅可以提高原油运输效率，还可以降低成本，减少环境污染。

太阳能被公认为是地球上最丰富、最清洁的可再生能源，太阳每小时免费向地球输送约4.4×1014 MJ的能量，远远超过全世界每年的能源消耗量。太阳能光热转换因其装置相对简单、能量转换效率高而被广泛应用于许多领域。例如，《先进功能材料》(Adv.Funct. Mater. 2019, 29, 1900703) 报道了一种仅基于日光加热输油管道的聚吡咯-聚氨酯光热织物，为在光照良好的地方低于倾点温度下的原油输送提供了可能性。然而，这种材料仍然存在力学强度较低、耐用性差等问题。由于织物与管道之间缺乏有效粘合，织物很容易从管道上脱落，限制了其长期使用性。此外，太阳光强度随着时间和气候条件不断变化，单一功能的光热织物仅能在光照良好的有限时间内使用。

发明内容

本发明提供了一种碳纤维毡增强光固化树脂复合材料及其制备方法和应用，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决原油运输现有存在能耗大成本高及可用光热材料强度低耐用性差，使得原油粘度过高堵塞输油管道的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种碳纤维毡增强光固化树脂复合材料，原料包括碳纤维毡和光固化树脂，按照下述步骤制备得到：第一步，将所需量的碳纤维毡放在装有光固化树脂的容器中，再将容器置于真空干燥器中脱气，随后将容器取出，此过程重复三次；第二步，将容器表面多余的光固化树脂擦掉后，再将容器放在365 nm紫外光或者太阳光下固化，得到碳纤维毡增强光固化树脂复合材料，其中，在碳纤维毡增强光固化树脂复合材料中，碳纤维毡的质量分数为0.5%至3%。