CN101134827A - 复合改性超高分子量聚乙烯材料及用该材料制作矿用管材的方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合改性超高分子量聚乙烯材料及用该材料制作矿用管材的方法，属于聚乙烯材料的改性技术领域。它包含有以下按重量比计的原料：超高分子量聚乙烯100－400份、液晶高分子材料10－20份、增韧剂15－30份、改性剂0.5－1.5份。本发明所公开的复合改性超高分子量聚乙烯材料的抗拉强度可保障28.5－32MPa、抗冲击强度150KJ/m2(无破坏)、断裂伸长率达420－470％、无磨损、耐疲劳(拉伸次数)强度可达80万次以上、环刚度可达18－19kPa，具有良好的加工流动性和满足熔融连续挤塑要求，完全能适合于制作煤矿用的各种管材；制作工艺步骤少，能保障所得的管材适应严酷的煤矿使用环境。
Description
技术领域
本发明属于聚乙烯材料的改性技术领域，更具体地讲涉及一种复合改性超高分子量聚乙烯材料，并且还涉及用上述材料制作矿用管材的方法。
背景技术
由于超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的高分子量特性使之具有耐磨损性能好(磨耗低)、耐化学药品性、耐冲击、耐压性、抗冻性、保温性、抗结垢性、耐应力开裂性、自润滑性和不易粘附等普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的优良特性，因此在环境严酷的煤矿、矿山、化工、纺织、交通运输、机械、建筑、电气、医疗、体育等领域得到了广泛的应用。
以超高分子量聚乙烯材料制成的管材作为煤矿的重要安全器材为例，除了常规的用于瓦斯抽放、供水、排水、通风外，还用其输送固体颗粒、浆体之类的物质。尤其是当用这种管材输送前述的固体颗粒、浆料类物质时，对管材的抗拉强度、抗冲击强度、断裂伸长率、磨耗率、耐疲劳、阻燃、环刚度等要求尤为严格。
当超高分子量聚乙烯的分子量达150-350万(普通PE仅为2-30万)程度时，能表现出极致的高耐磨、高强度、自润滑、耐低温等特性，但是，如此高数量的分子量同时带来了该种材料在降解温度以下难以甚至无法熔融挤塑成型的问题。领域内的人士周知，可挤塑成型的聚乙烯材料的流动性可用熔体流动速率(MFR)表示，在温度190℃、负荷2.16kg时测定在0.03-30g/min范围内，而超高分子量在负荷增大10倍(21.6kg)条件下均为零，粘度达109Pa·S，没有热融流动性，无法挤塑成型。当前，业界在不断探索对超高分子量聚乙烯的改性，期取获得令人更满意的物理力学性能以及加工流动性、可熔融挤塑更理想藉以满足连续制造管件的工艺要求。
通常的解决超高分子量聚乙烯可流动性的方法之一是加入适量的相对中分子质量聚乙烯，使超高分子量聚乙烯粉体在中相对分子量聚乙烯热熔融流体中被挟持流动，但同时也使得超高分子量聚乙烯的某些性能如拉伸强度、耐磨性均下降。另有方法是采用液晶高分子材料(LCP)与超高分子量聚乙烯共混改性，这种单一的加工性能改性方向，同样会使材料的部分力学性能有所降低。还有改性方法是采用纳米粉体填充补强，等等。
中国专利公开号CN1584383所推荐的产品的抗冲击强度为130KJ/m2左右、环刚度达到18.3KPa，高出一般矿用超高分子量聚乙烯材料8KPa和高出普通聚乙烯管4-6KPa。
目前的矿用超高分子量聚乙烯材料制成的管材的诸项物理力学性能可由下表所示。
| 项目 | 矿用高分子量聚乙烯管 | 矿用普通聚乙烯管 | 煤炭部标准 | |||
| 供、排水管、通风管 | 抽、放瓦斯管 | 供、排水管、通风管 | 抽、放瓦斯管 | 供、排水管、通风管 | 抽、放瓦斯管 | |
| 抗拉强度MPa | 25-28 | 20-25 | 13-16 | 13-16 | 8.34 | 8.34 |
| 抗冲击强度KJ/m2 | ≥50 | ≥30 | 10 | 10 | 无 | 无 |
| 断裂伸长率％ | ≥400 | ≥400 | ≥400 | ≥400 | ≥300 | ≥300 |
| 磨耗率％ | 1 | 1 | 3 | 3 | 无 | 无 |
| 耐疲劳(拉伸次数)万次 | ≥86 | ≥506 | ≤3 | ≤3 | 无 | 无 |
| 阻燃 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 |
| 导电性能(抗静电) | 合格 | ≤1×10 | 合格 | ≤1×10 | 合格 | 合格 |
| 环刚度KPa | 8 | 8 | 4 | 6 | - | - |
由上表可知，较矿用普通聚乙烯管而言，在指标上具有明显的优势，但是申请人认为，仍有改善的必要，藉以满足煤矿愈加严苛的使用要求。
发明内容
本发明的任务是要提供一种具有优异的抗拉强度、抗冲击强度、断裂伸长率、无磨耗、耐疲劳、环刚度理想的、加工流动性和可熔融连续挤塑性好的复合改性超高分子量聚乙烯材料。
本发明的任务还在于提供一种用上述材料制作矿用管材的方法，方法工艺简洁、所得到的管材能满足煤矿更为严苛的使用要求。
本发明的任务是这样来完成的，一种复合改性超高分子量聚乙烯材料，它包含有以下按重量比计的原料：超高分子量聚乙烯100-400份、液晶高分子材料10-20份、增韧剂15-30份、改性剂0.5-1.5份。
一种复合改性超高分子量聚乙烯材料，它包含有以下按重量比计的原料：超高分子量聚乙烯100-350份、液晶高分子材料12-18份、增韧剂18-28份、改性剂0.7-1.3份。
本发明所述的超高分子量聚乙烯的相对分子质量为200～300×104。
本发明所述的液晶高分子材料为液晶颗粒料，该液晶颗粒料为牌号LCP2125、LCP4008、LCP4008L中的任意一种。
本发明所述的增韧剂为无机增韧剂。
本发明所述的无机增韧剂为聚烯烃无机增韧剂。
本发明所述的聚烯烃无机增韧剂为平均粒径0.5-10um的蒙脱土、氢氧化铝、滑石粉、稀土尾矿粉、绢英粉中的至少两种或两种以上的混合物。
本发明所述的改性剂为复合流动改性剂，该复合流动改性剂为褐煤蜡酸复合酯、亚乙基双硬脂酰胺、多元醇复合酯的混合物。
本发明提供的复合改性超高分子量聚乙烯材料制作矿用管材的方法，其所包含的步骤为：
A)备料，按重量比称取超高分子量聚乙烯、液晶高分子材料、增韧剂和改性剂，得到混炼预备料；
B)混炼，将混炼预备料按先后顺序投入混合机中混炼，混炼温度为80-120℃，并且在混炼过程中控制升温速率，混炼结束后出料冷却、熟化，得到制管原料；
C)制管，将制管原料送至挤出成型机挤管，控制挤出成型机的机筒温度、模具温度以及真空度，经冷却后得到矿用管材。
本发明在步骤B)中所述的先后顺序依次为超高分子量聚乙烯、液晶高分子材料、增韧剂、改性剂，所述的升温速率为4-6℃/min，所述的熟化的熟化时间为20-30h；步骤C)中所述的机筒温度分别为机筒前、中、后的温度，机筒前、中、后的温度分别为130-170℃、220-270℃、220-270℃，所述的模具温度为190-200℃，所述的真空度为-0.03-0.05MPa，所述的冷却为真空定型水箱喷淋冷却。
本发明所公开的复合改性超高分子量聚乙烯材料的抗拉强度可保障28.5-32MPa、抗冲击强度150KJ/m2(无破坏)、断裂伸长率达420-470％、无磨损、耐疲劳(拉伸次数)强度可达80万次以上、环刚度可达18-19Kpa，具有良好的加工流动性和满足熔融连续挤塑要求，完全能适合于制作煤矿用的各种管材；制作工艺步骤少，能保障所得的管材适应严酷的煤矿使用环境。
具体实施方式
实施例1：
A)备料，按重量比分别准确称取由市场获得的粉状的并且相对分子质量为200-300×104的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)100份，称取由市售渠道获得的并且为粒状的牌号为LCP2125的液晶高分子材料(LCP)10份，称取优选但不限于的由中国广东省广东炜林纳功能材料有限公司生产的牌号为WAC的平均粒径为0.5-10um的聚烯烃无机增韧剂(PE型WBT)15份，这种聚烯烃无机增韧剂为蒙脱土、氢氧化铝按重量比1∶1相混合的混合物，称取由褐煤蜡酸复合酯、亚乙基双硬脂酰胺、多元醇复合酯按重比1∶2∶1所混合而成的复合流动改性剂0.6份，得到混炼预备料；
B)混炼，先将由步骤A)中称取的超高分子量聚乙烯100份投入高速(转速1000n/min)混炼机中，再将所称取的液晶高分子材料10份投入混炼机中混炼(时间为10min)，接着投入所称取的聚烯烃无机增韧剂15份混炼(时间为4min)，最后投入所称取的复合流动改性剂0.6份继续混炼(时间为4min)，在混炼过程中控制升温速率为5℃/min，混炼温度为85℃，经总耗时18min的混炼，使物料完成物理掺混和化学接枝，水份和低挥发份得到充分排除，得到的物料经冷却熟化22h后，即可得到得以付诸下一步骤即制管用的制管原料；
C)制管，将由步骤B)所得到的制管原料送入设有依需规格的管模的螺杆挤出成型机挤管，控制成型机的机筒前、中、后温度分别为150℃、220℃、220℃，模具温度控制为190-200℃，真空度为-0.03-0.05MPa，挤出后的管坯进入真空定型水箱喷淋冷却，得到成品矿用管材，并且按依需的尺寸裁切定尺。
实施例2：
A)备料，按重量比分别准确称取由市场获得的粉状的并且相对分子质量为200～300×104的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)150份，称取由市售渠道获得的并且为粒状的牌号为LCP4008的液晶高分子材料(LCP)12份，称取优选但不限于的由中国广东省广东炜林纳功能材料有限公司生产的牌号为WAC的平均粒径为0.5-10um的聚烯烃无机增韧剂(PE型WBT)18份，这种聚烯烃无机增韧剂为滑石粉、氢氧化铝按重量比1∶1相混合的混合物，称取由褐煤蜡酸复合酯、亚乙基双硬脂酰胺、多元醇复合酯按重比1∶2∶1所混合而成的复合流动改性剂0.8份，得到混炼预备料；
B)混炼，先将由步骤A)中称取的超高分子量聚乙烯150份投入高速(转速1000n/min)混炼机中，再将所称取的液晶高分子材料12份投入混炼机中混炼(时间为8min)，接着投入所称取的聚烯烃无机增韧剂18份混炼(时间为4min)，最后投入所称取的复合流动改性剂0.8份继续混炼(时间为4min)，在混炼过程中控制升温速率为4℃/min，混炼温度为90℃，经总耗时16min的混炼，使物料完成物理掺混和化学接枝，水份和低挥发份得到充分排除，得到的物料经冷却熟化24h后，即可得到得以付诸下一步骤即制管用的制管原料；
C)制管，将由步骤B)所得到的制管原料送入设有依需规格的管模的螺杆挤出成型机挤管，控制成型机的机筒前、中、后温度分别为150℃、240℃、220℃，模具温度控制为190-200℃，真空度为-0.03-0.05MPa，挤出后的管坯进入真空定型水箱喷淋冷却，得到成品矿用管材，并且按依需的尺寸裁切定尺。
实施例3：
A)备料，按重量比分别准确称取由市场获得的粉状的并且相对分子质量为200～300×104的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)200份，称取由市售渠道获得的并且为粒状的牌号为LCP4008L的液晶高分子材料(LCP)16份，称取优选但不限于的由中国广东省广东炜林纳功能材料有限公司生产的牌号为WAC的平均粒径为0.5-10um的聚烯烃无机增韧剂(PE型WBT)20份，这种聚烯烃无机增韧剂为蒙脱土、氢氧化铝、滑石粉按重量比1∶1∶1相混合的混合物，称取由褐煤蜡酸复合酯、亚乙基双硬脂酰胺、多元醇复合酯按重比1∶2∶1所混合而成的复合流动改性剂1份，得到混炼预备料；
B)混炼，先将由步骤A)中称取的超高分子量聚乙烯200份投入高速(转速1000n/min)混炼机中，再将所称取的液晶高分子材料16份投入混炼机中混炼(时间6min)，接着投入所称取的聚烯烃无机增韧剂20份混炼(时间为6min)，最后投入所称取的复合流动改性剂1份继续混炼(时间为6min)，在混炼过程中控制升温速率为5℃/min，混炼温度为100℃，经总耗时18min的混炼，使物料完成物理掺混和化学接枝，水份和低挥发份得到充分排除，得到的物料经冷却熟化28h后，即可得到得以付诸下一步骤即制管用的制管原料；
C)制管，将由步骤B)所得到的制管原料送入设有依需规格的管模的螺杆挤出成型机挤管，控制成型机的机筒前、中、后温度分别为165℃、250℃、250℃，模具温度控制为190-200℃，真空度为-0.03-0.05MPa，挤出后的管坯进入真空定型水箱喷淋冷却，得到成品矿用管材，并且按依需的尺寸裁切定尺。
实施例4：
A)备料，按重量比分别准确称取由市场获得的粉状的并且相对分子质量为200～300×104的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)250份，称取由市售渠道获得的并且为粒状的牌号为LCP2125的液晶高分子材料(LCP)18份，称取优选但不限于的由中国广东省广东炜林纳功能材料有限公司生产的牌号为WAC的平均粒径为0.5-10um的聚烯烃无机增韧剂(PE型WBT)25份，这种聚烯烃无机增韧剂为蒙脱土、稀土尾矿粉按重量比1∶1相混合的混合物，称取由褐煤蜡酸复合酯、亚乙基双硬脂酰胺、多元醇复合酯按重比1∶2∶1所混合而成的复合流动改性剂1.2份，得到混炼预备料；
B)混炼，先将由步骤A)中称取的超高分子量聚乙烯250份投入高速(转速1000n/min)混炼机中，再将所称取的液晶高分子材料18份投入混炼机中混炼(时间为10min)，接着投入所称取的聚烯烃无机增韧剂25份混炼(时间为8min)，最后投入所称取的复合流动改性剂1.2份继续混炼(时间为6min)，在混炼过程中控制升温速率为6℃/min，混炼温度为110℃，经总耗时24min的混炼，使物料完成物理掺混和化学接枝，水份和低挥发份得到充分排除，得到的物料经冷却熟化20h后，即可得到得以付诸下一步骤即制管用的制管原料；
C)制管，将由步骤B)所得到的制管原料送入设有依需规格的管模的螺杆挤出成型机挤管，控制成型机的机筒前、中、后温度分别为165℃、260℃、260℃，模具温度控制为190-200℃，真空度为-0.03-0.05MPa，挤出后的管坯进入真空定型水箱喷淋冷却，得到成品矿用管材，并且按依需的尺寸裁切定尺。
实施例5：
A)备料，按重量比分别准确称取由市场获得的粉状的并且相对分子质量为200～300×104的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)380份，称取由市售渠道获得的并且为粒状的牌号为LCP4008的液晶高分子材料(LCP)20份，称取优选但不限于的由中国广东省广东炜林纳功能材料有限公司生产的牌号为WAC的平均粒径为0.5-10um的聚烯烃无机增韧剂(PE型WBT)30份，这种聚烯烃无机增韧剂为绢英粉、滑石粉、氢氧化铝按重量比1∶1∶1相混合后的混合物，称取由褐煤蜡酸复合酯、亚乙基双硬脂酰胺、多元醇复合酯按重比1∶2∶1所混合而成的复合流动改性剂1.5份，得到混炼预备料；
B)混炼，先将由步骤A)中称取的超高分子量聚乙烯380份投入高速(转速1000n/min)混炼机中，再将所称取的液晶高分子材料20份投入混炼机中混炼(时间为10min)，接着投入所称取的聚烯烃无机增韧剂30份混炼(时间为4min)，最后投入所称取的复合流动改性剂1.5份继续混炼(时间为4min)，在混炼过程中控制升温速率为5℃/min，混炼温度为115℃，经总耗时18min的混炼，使物料完成物理掺混和化学接枝，水份和低挥发份得到充分排除，得到的物料经冷却熟化27h后，即可得到得以付诸下一步骤即制管用的制管原料；
C)制管，将由步骤B)所得到的制管原料送入设有依需规格的管模的螺杆挤出成型机挤管，控制成型机的机筒前、中、后温度分别为170℃、270℃、270℃，模具温度控制为190-200℃，真空度为-0.03-0.05MPa，挤出后的管坯进入真空定型水箱喷淋冷却，得到成品矿用管材，并且按依需的尺寸裁切定尺。
由上述实施例所得到的管材送兵器工业非金属材料理化检测中心检测，表明具有表1所示的明显优异于已有技术中的煤矿用管材的物理力学性能。
表1
| 项目 | 矿用高分子量聚乙烯管 | 矿用普通聚乙烯管 | 煤炭部标准 | 本发明的实施例所得到的复合改性超高分子量聚乙烯材料制作的煤矿用管材 | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||||||
| 供、排水管、通风管 | 抽、放瓦斯管 | 供、排水管、通风管 | 抽、放瓦斯管 | 供、排水管、通风管 | 抽、放瓦斯管 | 超高分子PE管材 | 超高分子PE管材 | 超高分子PE管材 | 超高分子PE管材 | 超高分子PE管材 | |
| 抗拉强度MPa | 25-28 | 20-25 | 13-16 | 13-16 | 8.34 | 8.34 | 31.8 | 29.3 | 30 | 31 | 28.5 |
| 抗冲击强度150KJ/m2 | ≥50 | ≥30 | 10 | 10 | 无 | 无 | 无破坏 | 无破坏 | 无破坏 | 无破坏 | 无破坏 |
| 断裂伸长率％ | ≥400 | ≥400 | ≥400 | ≥400 | ≥300 | ≥300 | 430 | 425 | 455 | 465 | 468 |
| 磨耗率％ | 1 | 1 | 3 | 3 | 无 | 无 | 无磨损 | 无磨损 | 无磨损 | 无磨损 | 无磨损 |
| 耐疲劳(拉伸次数)万次 | ≥86 | ≥506 | ≤3 | ≤3 | 无 | 无 | ≥80 | ≥80 | ≥80 | ≥80 | ≥80 |
| 阻燃 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 |
| 导电性能(抗静电) | 合格 | ≤1×10 | 合格 | ≤1×10 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 |
| 环刚度KPa | 8 | 8 | 4 | 6 | - | - | 18.5 | 18.3 | 18.7 | 18.4 | 18.9 |
Claims (10)
1.一种复合改性超高分子量聚乙烯材料，其特征在于它包含有以下按重量比计的原料：超高分子量聚乙烯100-400份、液晶高分子材料10-20份、增韧剂15-30份、改性剂0.5-1.5份。
2.一种复合改性超高分子量聚乙烯材料，其特征在于它包含有以下按重量比计的原料：超高分子量聚乙烯100-350份、液晶高分子材料12-18份、增韧剂18-28份、改性剂0.7-1.3份。
3.根据权利要求1或2所述的复合改性超高分子量聚乙烯材料，其特征在于所述的超高分子量聚乙烯的相对分子质量为200～300×104。
4.根据权利要求1或2所述的复合改性超高分子量聚乙烯材料，其特征在于所述的液晶高分子材料为液晶颗粒料，该液晶颗粒料为牌号LCP2125、LCP4008、LCP4008L中的任意一种。
5.根据权利要求1或2所述的复合改性超高分子量聚乙烯材料，其特征在于所述的增韧剂为无机增韧剂。
6.根据权利要求5所述的复合改性超高分子量聚乙烯材料，其特征在于所述的无机增韧剂为聚烯烃无机增韧剂。
7.根据权利要求5所述的复合改性超高分子量聚乙烯材料，其特征在于所述的聚烯烃无机增韧剂为平均粒径0.5-10um的蒙脱土、氢氧化铝、滑石粉、稀土尾矿粉、绢英粉中的至少两种或两种以上的混合物。
8.根据权利要求1或2所述的复合改性超高分子量聚乙烯材料，其特征在于所述的改性剂为复合流动改性剂，该复合流动改性剂为褐煤蜡酸复合酯、亚乙基双硬脂酰胺、多元醇复合酯的混合物。
9.一种如权利要求1或2所述的复合改性超高分子量聚乙烯材料制作矿用管材的方法，其特征在于其所包含的步骤为：
A)备料，按重量比称取超高分子量聚乙烯、液晶高分子材料、增韧剂和改性剂，得到混炼预备料；
B)混炼，将混炼预备料按先后顺序投入混合机中混炼，混炼温度为80-120℃，并且在混炼过程中控制升温速率，混炼结束后出料冷却、熟化，得到制管原料；
C)制管，将制管原料送至挤出成型机挤管，控制挤出成型机的机筒温度、模具温度以及真空度，经冷却后得到矿用管材。
10.根据权利要求9所述的复合改性超高分子量聚乙烯材料制作矿用管材的方法，其特征在于在步骤B)中所述的先后顺序依次为超高分子量聚乙烯、液晶高分子材料、增韧剂、改性剂，所述的升温速率为4-6℃/min，所述的熟化的熟化时间为20-30h；步骤C)中所述的机筒温度分别为机筒前、中、后的温度，机筒前、中、后的温度分别为130-170℃、220-270℃、220-270℃，所述的模具温度为190-200℃，所述的真空度为-0.03-0.05MPa，所述的冷却为真空定型水箱喷淋冷却。
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