CN101514769B - 非开挖专用pe给水管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非开挖专用PE给水管。所述非开挖专用PE给水管其制备材料中包括以下重量份材料：聚乙烯：90～95；增刚增韧助剂：3～5；相容剂：3～5。所述非开挖专用PE给水管的制备方法包括：将重量份为聚乙烯：90～95、增刚增韧助剂：3～5、相容剂：3～5的材料混合；采用挤出、模压或注射方式处理上述混合材料；对所述挤出、模压或注射方式得到的管材进行冷却成型。本发明非开挖专用PE给水管可有效增加PE管材的韧性和强度，特别适合于非开挖领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及管材领域，特别是涉及采用聚乙烯(PE)制备的埋地式非开挖专用PE给水管。
背景技术
随着社会、经济的持续发展，建筑规模日益增长，尤其是城镇基础设施建设、环保设施建设和住宅建设增长较快，用于排水、输气、输水的埋地式管材用量越来越大。
目前的埋地式管材主要采用开挖式技术，对于抗拉及弯曲强度不高、韧性较差的开挖式埋地式管材，在无法施工或不允许开挖施工的场合，如穿越河流、湖泊、重要交通干线、重要建筑物等表现出很大的局限性和明显的不足，难以满足更高的要求。因此，对技术更高，又不会破坏城市环境和设施的非开挖埋地式管材的要求口益显现。
在非开挖埋地式应用中，要求非开挖埋地式管材具有较高的韧性和强度。目前聚乙烯管材在非开挖埋地式应用中有所采用。但是，现有技术聚乙烯管材也存在韧性差(特别是缺口冲击强度低)、高温强度刚度不足、耐热等级不高等缺点，无法很好满足非开挖埋地式的苛刻应用。
在一些公开的技术文献中，有利用“后改性”的方法，通过添加各类改性材料并辅以适当的化学、物理改性，以获取低成本高性能的、可应用于非开挖埋地领域的聚乙烯管材。具体方法是在高分子基体中填充碳酸钙、玻璃纤维等无机“填料”，试图改善高分子材料的强度、刚性、热变形温度及尺寸稳定性等。
但是，目前对这些在高分子基体中填充增刚增韧助剂制备高分子复合材料的研究尚不成熟。比如，在给水管领域中，在使用多少增刚增韧助剂能使给水管成品达到最佳材料强度、刚度、模量和耐热性，使用何种添加剂方面可增加给水管材料强度、刚度、模量和耐热性等方面并无令人满意的成果。某些配方的聚乙烯混合物在提高塑料韧性的同时，材料强度、刚度、模量和耐热性却大幅下降，某些配方的聚乙烯混合物却相反，无法达到同时增强增韧及提高耐热等级的目标。
而且，给水管在埋地时需要一根根熔接，现有技术采用增刚增韧助剂的聚乙烯配方无法得到高强度的熔接部分，使得熔接后的管材容易拉断，造成渗水甚至供水中断，管材的熔接部分成为进行增刚增韧后管材的短板。
发明内容
为解决现有技术配方的PE管材无法同时实现较高韧性和较高强度的技术缺陷，本发明提供一种非开挖专用PE给水管，其管材同时具有较高的韧性和较高强度，可以应用于非开挖等要求苛刻的领域中。
本发明的一个方面是提供一种非开挖专用PE给水管，其制备材料中包括以下重量份材料：聚乙烯：90～95；增刚增韧助剂：3～5；相容剂：3～5。
较优实施方式中，所述聚乙烯是高密度聚乙烯。
较优实施方式中，所述增刚增韧助剂的重量份是：3。
较优实施方式中，所述增刚增韧助剂是有机或无机材料增刚增韧助剂，所述无机材料是氧化锌、碳酸钙、碳酸钡、碳酸铬、二氧化硅、二氧化钛、蒙脱土或苯甲酸钠或至少以上成分之一的纳米材料。
较优实施方式中，所述相容剂是聚丙烯接枝马来酸酐(PEgMAH)。
较优实施方式中，进一步包括以下重量份的材料：抗氧剂：2～3；颜料：2～3。
较优实施方式中，抗氧剂是2，4，6-三叔丁基苯酚。
本发明的有益效果是：区别于现有技术配方的PE管材无法同时实现较高韧性和较高强度的技术缺陷，本发明提供的非开挖专用PE给水管，其管材制备混合材料中的增刚增韧助剂含量较为适当，可以有效地诱导聚乙烯材料生成结晶体，为颗粒填料与PE聚合物基质之间形成良好的物理缠结打下基础，克服通常PE材料韧性差、耐热等级不高等“瓶颈”问题，制备得到的管材同时具有较高的韧性和较高强度，
而且，通过增刚增韧助剂的纳米化，减少PE结晶体的颗粒体积，可以增加这些结晶颗粒与PE聚合物的界面粘接强度；再进一步使结晶颗粒微细化，则越能增加这些颗粒填料与PE聚合物基质的接触面积，为形成良好的物理缠结提供保证，最终克服通常PE材料韧性差、耐热等级不高等“瓶颈”问题。
本发明主要性能指标如下：
本发明非开挖专用PE给水管主要技术性能指标与现有技术的对比
(检验依据：GB/T13663-2000)
因性能优异，本发明可以应用于非开挖等要求苛刻的领域中。
附图说明
图1是本发明非开挖专用PE给水管的制备方法实施方式的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
发明人经过长期试验得出，需要在无机或有机改性剂增强增刚的基础上，采取其它既能提高PE韧性和耐热特性，又不降低材料刚性和耐热性能的方法，才能获得强度和韧性更高、性能更为均衡的PE改性材料。发明人还发现，PE作为一种高度结晶的半结晶聚合物，结晶性能在一定程度上决定着其物理机械性能。通过减少PE结晶体的颗粒体积，可以增加这些结晶颗粒与PE聚合物的界面粘接强度；再进一步使结晶颗粒微细化，则越能增加这些颗粒填料与PE聚合物基质的接触面积，为形成良好的物理缠结提供保证，最终克服通常PE材料韧性差、耐热等级不高等“瓶颈”问题。而且，在管材制备混合材料中控制增刚增韧助剂使其含量到合适程度，可以有效地诱导PE形成良好的结晶结构，为颗粒填料与PE聚合物基质之间形成良好的物理缠结打下基础。
因此，本发明提出一种非开挖专用PE给水管，其制备材料中包括以下重量份材料：
聚乙烯：90～95；
增刚增韧助剂：3～5％；
相容剂：3～5。
上述实施方式的技术效果可参见下面表一。
表一：本发明非开挖专用PE给水管主要技术性能指标与现有技术的对比
(检验依据：GB/T13663-2000)
可以看出，本发明非开挖专用PE给水管通过采用合适份量的增刚增韧助剂，可以有效地诱导PE形成良好的结晶结构，为颗粒填料与PE聚合物基质之间形成良好的物理缠结打下基础，克服通常PE材料韧性差、耐热等级不高等“瓶颈”问题，具有抗拉及弯曲强度高、刚性好、韧性佳、耐热点高、耐腐蚀性强；抗低温冲击好、重量轻、施工方便、连接方便等特点。
由于全部主要指标超过标准，特别是拉伸强度、弯曲强度均大大超过现有技术标准，因此本发明非开挖专用PE给水管非常适合于应用在非开挖技术领域。与开挖施工法相比，非开挖施工技术具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、可广泛用于穿越公路、铁路、建筑物、河流，以及闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等不允许开挖的场合，是市政供水的新一代环保管材。
特别是，体现熔接效果的焊口拉伸强度也大大超过现有技术标准，因此应用本发明非开挖专用PE给水管在埋地环境中时，熔接缝不会由于土壤移动或活载荷的作用而断开，避免现有技术非开挖专用PE给水管熔接处强度不高造成易于拉断、渗水的技术问题，保证在苛刻环境中也能正常工作不出事故。
本发明还具有其他效果如下：
A、具有良好的卫生性能
PE管加工时不添加重金属盐稳定剂，材质无毒性，无结垢层，不滋生细菌，很好地解决城市饮用水的二次污染问题。
B、较佳的耐腐蚀性能
除少数氧化剂外，可耐多种化学介质的侵蚀；无电化学腐蚀。
C、长久的使用寿命
在额定温度、压力下，非开挖专用PE给水管可安全使用50年以上。
D、较好的耐冲击性
PE管韧性好，耐冲击强度高，重物直接压过管道，不会导致管道破裂。
E、良好的施工性能
由于采用聚乙烯的非开挖专用PE给水管道质轻，因此焊接工艺简单，施工方便，工程综合造价低。其中，可以采用专用的对接焊机将各个非开挖专用PE给水管连接，方式包括：热熔连接和电熔连接等。
在其他实施方式中，所述聚乙烯是高密度聚乙烯。所述增刚增韧助剂的重量份是：3，或接近3，以达到较高的刚性。所述增刚增韧助剂是有机或无机材料增刚增韧助剂，所述无机材料是氧化锌、碳酸钙、碳酸钡、碳酸铬、二氧化硅、二氧化钛、蒙脱土或苯甲酸钠或至少以上成分之一的纳米材料。
其中，无机材料的增刚增韧助剂可以为无机改性剂。对于常用的无机改性剂，一般而言，尺寸越小，所得到的复合材料性能越均衡：长径比越大越有利于增强增刚和提高热变形温度，但增韧效果正好相反。通过添加具有大长径比的片状、针状无机物，特别是无机纤维等可以制得各种高分子增强材料。因此，近年来，随着纳米科学和纳米技术的发展，一系列无机纳米改性剂特别是纳米碳管等，以其巨大的长径比、很小的尺寸和所谓“纳米效应”而受到人们的重视，本发明也可以采用纳米材料作为增刚增韧助剂。
采用纳米材料增刚增韧助剂，对PE的结晶有明显的诱导作用，达到异相成核的效果，可以大大提高PE的结晶度。纳米级材料粒径小，因此比表面积大、表层原子数多、表面活性高，使得PE结晶体颗粒小。由于纳米级材料与PE聚合物的界面粘接程度高，可以很好地改善PE管材的抗冲击强度和聚合物的力学性能。
由于纳米材料增刚增韧助剂比一般材料增刚增韧助剂更细微，粒子越细微，粒子表面原子数目越大，可以导致粒子表面的电子和晶体结构都发生变化。粒子到了纳米级水平，粒子称为有限个原子的集合体，使纳米材料增刚增韧助剂具有一系列优良的理化性能。最明显最有代表性地体现在比表面积和表面能的变化上。粒子越小，单位质量的比表面能越大，同时粒子与聚合物基质的接触面积也越大，为增刚增韧助剂粒子与PE聚合物基质之间形成良好的物理缠结提供保证。
根据粒子在聚合物中的增刚增韧理论，一个必要条件是分散粒子与树脂界面接触良好。这样，在树脂受到外力作用时，刚性纳米粒子能引起基体树脂银纹化，以吸收能量，从而提高增刚增韧效果。
另外，晶须也可以作为增刚增韧助剂。晶须是一种在特殊条件下以单晶形式生长形成的纤维，其直径极小，达亚微米或纳米级，具有高度有序的原子排列，因而没有大的晶体缺陷，可接近材料原子问价键的理论强度，在目前工业化应用的众多增强纤维中，具有最高的强度和模量，因而用作增强材料有可能赋予复合材料极高的强度。与玻纤相比，晶须容易与树脂复合、加工容易、材料各向同性且外观质量优良，因而非常适合于制造形状复杂、尺寸精度高、表面光洁的制品。特别是晶须具有长径比很大(可达数十至数百)且尺寸微细(长度仅相当于玻纤的直径)的特点，完全有可能在良好分散的情况下，既保持显著的增强效果，又同时具有较好的增韧效果。
本发明中的增刚增韧助剂，可以是无机物，一般是具有较大形状比(指不同方向上尺寸差别较大，如长径比)的无机物，如纤维状的玻璃纤维等，针状的硅灰石、凹凸棒等，片状的滑石粉、云母粉、蒙脱土等。特别是各种晶须，无机须晶如无机钛酸钾、硼酸铝、氧化锌、硫酸镁、硫酸钙、碳酸钙、碳化硅、硼酸镁等的晶须，有机晶须如纤维素晶须；或各种纳米尺寸的增强材料，如纳米碳管、纳米晶、剥离处理的层状纳米片层等。或者可以是某一种无机物单独使用，也可以是几种并用的混合物，并且可以经过表面处理或表面修饰，如用表面活性剂、偶联剂处理、等离子体处理、通过各种化学反应对其表面剂进行修饰等，也可以用橡胶类弹性体进行包裹处理等。
本发明中的增刚增韧助剂还可以是某一种单独使用，也可以是几种并用的混合物。可以是用于实现增韧的无机粒子，可以是各种微细、超细或纳米粉体，如超细碳酸钙、纳米碳酸钙、二氧化硅等，这些无机粒子可以经过表面处理或表面改性，可以是某一种单独使用，也可以是几种并用的混合物。
本发明中的增刚增韧助剂还可以是用于实现增韧的橡胶，可以是各种橡胶，特别是三元乙丙胶(EPDM)、乙丙胶(EPR)、丁苯胶、顺丁胶、丁腈胶等。也可以是各种热塑性弹性体，如苯乙烯一丁二烯.苯乙烯(SBS)、氢化SBS(SEBS)、乙烯-辛烯共聚物(POE)、乙烯.醋酸乙烯共聚物(EVA)等。橡胶或热塑性弹性体，可以单独一种，也可以是几种并用。对于各种增韧剂，可以是其中任意一种，也可以是其中几种或多种的并用。
本发明的材料中，还可以用到各种其它助剂，如加工助剂、分散剂、填料等，不影响本发明非开挖专用PE给水管的性能，并且根据实际情况使用。
在改性方法上，本发明可以选择尺寸小、长径比大、高强高模的无机物，如无机晶须、纳米材料、微细粉体等无机物或它们的复合物为主增强剂，通过对增强剂进行适当的表面处理，或用橡胶类弹性体对无机物进行适当包裹处理，改善其在高分子基体中的分散性，并与基体形成适当的界面作用，解决目前无机改性剂增强高分子通常所面临的强度提高幅度大而其它性能如冲击、外观、加工性能提高幅度不大甚至大幅降低等共性问题，在一定程度上实现无机改性剂大幅增强的同时不致劣化其它性能。通过将无机复合改性技术与聚烯烃的结晶改性技术的有机集成，就可制备出一系列高强高韧甚至高耐热聚烯烃改性材料。
本发明中的所述相容剂可以是聚丙烯接枝马来酸酐(PEgMAH)。
在上述材料配方的基础上，还可以进一步包括以下重量份的材料：
抗氧剂：2～3；
颜料：2～3。
其中，所述抗氧剂可以是2，4，6-三叔丁基苯酚。
参阅图1，本发明还提供一种非开挖专用PE给水管的制备方法，包括：
1、将重量份为聚乙烯：90～95、增刚增韧助剂：3～5、相容剂：3～5的材料混合；
2、采用挤出、模压或注射方式处理上述混合材料；
3、对所述挤出、模压或注射方式得到的管材进行冷却成型。
其中，
冷却成型的所述非开挖专用PE给水管在使用时采用热熔连接方式相接。
所述混合材料中还可以包括以下重量份的材料：抗氧剂：2～3；颜料：2～3。
本发明中使用到的制备方法，均可以为通用的高分子材料改性或制品加工方法，如挤出、模压、注射等，没有特殊要求。
例如，以从晶须等商品化增强剂中选择一种或多种作为主改性剂，针对无机改性剂结构上的特点，选择适当的表面处理剂，对增强剂进行表面改性处理。然后，处理好的增强剂与增韧剂、高分子基体混合均匀，在双螺杆挤出机上挤出造粒，即可制得改性材料。
本发明提出的材料和制备方法，可获得可协同实现聚烯烃大幅增强、增韧、提高耐热等级等高性能化材料。
值得说明的是，本发明中聚乙烯的重量份可以是90、91、92、93、94或95，同理，增刚增韧助剂的重量份还可以是4或5，相容剂的重量份可以是3、4或5。
以上对本发明所提供的一种非开挖专用PE给水管进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种非开挖专用PE给水管，其特征在于，其制备材料由以下重量份材料组成：
聚乙烯：90～95；
增刚增韧助剂：3～5；
相容剂：3～5；
其中，
所述聚乙烯是高密度聚乙烯；
所述增刚增韧助剂是有机或无机材料增刚增韧助剂，所述无机材料是氧化锌、碳酸钙、碳酸钡、碳酸铬、二氧化硅、二氧化钛、蒙脱土或苯甲酸钠或至少以上成分之一的纳米材料；
所述相容剂是聚丙烯接枝马来酸酐。
2.根据权利要求1所述的非开挖专用PE给水管，其特征在于：所述增刚增韧助剂的重量份是：3。
3.一种非开挖专用PE给水管，其特征在于，其制备材料由以下重量份材料组成：
聚乙烯：90～95；
增刚增韧助剂：3～5；
相容剂：3～5；
抗氧剂：2～3；
颜料：2～3；
其中，
所述聚乙烯是高密度聚乙烯；
所述增刚增韧助剂是有机或无机材料增刚增韧助剂，所述无机材料是氧化锌、碳酸钙、碳酸钡、碳酸铬、二氧化硅、二氧化钛、蒙脱土或苯甲酸钠或至少以上成分之一的纳米材料；
所述相容剂是聚丙烯接枝马来酸酐。
4.根据权利要求3所述的非开挖专用PE给水管，其特征在于：所述抗氧剂是2，4，6-三叔丁基苯酚。
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