CN101699119A - 内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材及其制造方法。其特征在于内层为超高分子量聚乙烯管，外层为聚氯乙烯管，在内层与外层之间设置钢丝，钢丝直径的五分之一以上嵌入到内层超高分子量聚乙烯管的外壁上。其中，聚氯乙烯外壁加入了抗冲击改性剂、热稳定剂、润滑剂以及其它常用PVC加工助剂。本发明提供了一种既具有超高分子量聚乙烯管材的耐磨、耐腐蚀、难粘附的特性，又具有增韧聚氯乙烯材料的强度高、抗蠕变的优良性能，管材内、外壁均耐腐蚀，超高分子量聚乙烯内管、聚氯乙烯外壁及嵌入其中的钢丝热熔复合而成，大大提高了三种材料之间的复合强度，把三种材料牢固结合在一体，从根本上解决了不同材料之间的结合问题。
Description
技术领域
本发明是一种内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材及其制造方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管材耐磨、耐腐蚀、化学稳定性好，表面极性低，属难溶解、难粘接材料，特别适合于输送具有腐蚀性、粘附性、强磨损性的流体物料。但存在抗拉、抗剪切强度低、抗蠕变能力差的不足，导致其应用受限。
聚氯乙烯(PVC)材料抗拉、抗冲击强度高、刚性好，但其耐磨性、抗粘附性、耐溶剂性能远不及超高分子量聚乙烯管，难以达到有关卫生技术标准。其应用亦受到限制。
现有技术中的金属塑料复合管材，提高了塑料管材的强度，解决了管道内壁的耐腐蚀问题，但是，加工过程需要翻边、焊接法兰等制造工艺，外管壁仍然存在腐蚀问题；通过胶粘剂层复合，金属塑料之间结合强度低，制造工艺复杂，生产成本高。
中国专利CN101117017A、101020768A、101249719A、101220297A等公开了挤出法生产超高分子量聚乙烯管材的设备与方法。但是超高分子量聚乙烯的抗拉强度低、抗蠕变能力差、抗切削能力差。单纯的超高分子量聚乙烯管材耐压强度低，容易蠕变，抗自然或人为破坏能力差，其使用领域受到限制。
中国专利CN101230938A公开了一种超高分子量聚乙烯高强钢丝复合管道及其制备方法，其特征在于以超高分子量聚乙烯管为基体管，在基体管外壁以垂直于基体管轴线方式缠绕钢丝，钢丝外壁包裹片材状螺旋缠绕的辐射交联聚乙烯拉伸胶带，在钢丝与钢丝之间、钢丝与基体管之间、钢丝与辐射交联聚乙烯拉伸胶带之间采用聚乙烯热熔胶加热粘合成一体。该专利解决了超高分子量聚乙烯高强钢丝复合管道的技术问题，但需要多次采用热熔胶，钢丝外壁包裹片材状螺旋缠绕的辐射交联聚乙烯拉伸胶带也不易实现连续化生产。
发明内容
本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种既具有超高分子量聚乙烯管材的耐磨、耐腐蚀、难粘附的特性，又具有聚氯乙烯材料的强度高、抗蠕变的优良性能，管材内、外壁均耐腐蚀，内管、钢丝、外壁结合牢固的理想的内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材。
本发明的目的还在于提供一种本发明的内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材的制造工艺简单、复合强度高，生产成本低的制造方法。
本发明的目的可以通过如下措施来达到：
一种内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材，其特征在于内层为超高分子量聚乙烯管，外层为聚氯乙烯管，在内层与外层之间设置钢丝，钢丝直径的五分之一以上嵌入到内层超高分子量聚乙烯管的外壁上，当钢丝全部嵌入到内层超高分子量聚乙烯管的外壁上时嵌入深度不超出钢丝直径的2倍。
缠绕钢丝的目的是为了提高管材的耐压强度和抗破坏能力。根据不同的管径和耐压要求，选用不同直径的钢丝和缠绕密度。钢丝双向交叉所形成菱形的锐角大于30°，也可以与管材轴线成45°；钢丝可以双向双线，也可采用双向多线的方法。
所述内层超高分子量聚乙烯管与外层聚氯乙烯管的厚度比为1/10至10/1，优选3/10至10/3。
超高分子量聚乙烯内管、聚氯乙烯外壁及嵌入其中的钢丝热熔复合而成，大大提高了三种材料之间的复合强度，把三种材料牢固结合在一体，从根本上解决了不同材料之间的结合问题。
利用钢丝缠绕机在超高分子量聚乙烯管的外壁上双向交叉缠绕钢丝，在钢丝缠绕在超高分子量聚乙烯管的外壁之前，把钢丝加热，使得超高分子量聚乙烯管外壁少量熔化，把钢丝直径的五分之一以上嵌入到超高分子量聚乙烯管的外壁上；然后将聚氯乙烯通过锥形双螺杆挤出机的复合模具，使得聚氯乙烯均匀地包敷在超高分量聚乙烯管材的外壁，最后经过定型、牵引、切断得到超高分子量聚乙烯/聚氯乙烯复合管。
所述钢丝的加热方式可以采用公知的各种加热方式。由于感应加热时间短、速度快，并且还是非接触式(加热物体不需要与感应圈接触)的加热，优选高频加热或者高频感应加热。钢丝的加热温度一般在100℃以上，实际上钢丝的加热温度与缠绕速度、加热点与钢丝和超高分子量聚乙烯管外壁的切点之间的距离、钢丝缠绕的张紧力等很多因素有关；钢丝加热温度的确定原则是：使得外壁上的超高分子量聚乙烯部分熔化，将钢丝直径的五分之一以上嵌入到超高分子量聚乙烯管的外壁上。
所述聚氯乙烯外层的主要作用是为了进一步保护缠绕层、提高管材的耐压强度以及超高分子量聚乙烯管的抗蠕变能力。所述聚氯乙烯中可以加入抗冲击改性剂、热稳定剂、润滑剂以及其它常用PVC加工助剂中的一种或几种形成聚氯乙烯合金材料。
一种适宜的聚氯乙烯外壁包括如下以重量份数计的原料组分：
聚氯乙烯树脂(PVC) 100
抗冲击改性剂 0-15
热稳定剂 0.5-8
润滑剂 0.07-1
颜料 适量。
优选的组成为：
聚氯乙烯树脂 100
抗冲击改性剂 8-12
热稳定剂 0.8-7
润滑剂 0.1-0.8
颜料 适量。
所述抗冲击改性剂为MBS(甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯的共聚物)、CPE(氯化聚乙烯)、ACR(丙烯酸酯共聚物)中的一种或其中两种或三种的混合物。其它加工助剂包括：热稳定剂、润滑剂、抗氧剂。热稳定剂推荐使用三盐基硫酸铅或二盐基硬脂酸铅或者两者的复配体系；润滑剂推荐使用硬脂酸。可以根据管材颜色的要求加入不同种类、份数的颜料。
这种高抗冲击PVC合金材料具有优异的耐老化性能和抗环境应力开裂能力，可以抵抗各种砸、压等自然和人为的破坏，其老化寿命在30年以上。
按所述配方配好原料，置于高速混料机中混合至90-130℃，放入冷却混料机中搅拌冷却至60℃以下。将混合好的原料用适合于PVC加工的双螺杆挤出机，配以模具挤出成型。挤出机料筒温度130～180℃。挤出机转速10～25rpm。
本发明可配以专用复合模具，包括中空芯棒，内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯管从中穿过；芯棒带有隔热夹层，以防止超高分子量聚乙烯内管热变形；外套长于芯棒，并在末端收缩，以使PVC合金材料紧紧包敷在超高分子量聚乙烯内管的外壁；采用侧进料方式。复合模具温度控制在140℃-220℃，模具的压缩比选择5-7。
本发明的发明人巧妙构思，将超高分子量聚乙烯内管与改性聚氯乙烯外壁复合在一起，二者取长补短、优势互补，将增强钢丝嵌入其中，使超高分子量聚乙烯、钢丝、聚氯乙烯复合于一体，不仅避免了单纯超高分子量聚乙烯管材、单纯聚氯乙烯管材性能方面存在不足，而且能够实现连续化生产。这种复合管既具有超高分子量聚乙烯管的优异特性，如耐磨性、抗粘附性、化学稳定性、低摩擦系数及卫生性，还具有聚氯乙烯管材优良的抗冲击性能、抗蠕变性能、耐老化性，并且抗拉强度高，刚性好。增强钢丝的嵌入，使管材的耐压强度明显提高，增强了其抗蠕变和抗破坏能力，使之特别适合于强腐蚀和高磨损浆料，使用寿命比无缝钢管提高几倍至十几倍；由于这种管材内壁的不粘附性和磨擦系数小，可降低输送阻力，可用于长距离输送；由于这种管材的导热系数比钢小一百多倍，大大降低了输送管路的保温和加热要求，适合于寒冷地带和冬季原油及其它物料的输送；这种管材符合卫生性要求，可用于自来水的上水管。
本发明的内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材及其制造方法相比现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，并能产生如下技术效果：
1.提供了一种既具有超高分子量聚乙烯管材的耐磨、耐腐蚀、难粘附的特性，又具有增韧聚氯乙烯材料的强度高、抗蠕变的优良性能，管材内、外壁均耐腐蚀，内管、钢丝、外壁结合牢固的理想的内嵌增强钢丝超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材。
2.提供了一种本发明的内嵌增强钢丝超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材的制造工艺简单、复合强度高，生产成本低的制造方法。
3.避免了单纯超高分子量聚乙烯管材、单纯聚氯乙烯管材性能方面存在不足，而且能够实现连续化生产，从根本上解决了不同材料之间的复合不够牢固的问题。
附图说明
图1为本发明复合管材的结构示意图；
图2是本发明所使用的复合专用模具结构示意图
图中，1-中空芯棒，2-芯棒隔热层，3-芯棒过渡段，4-复合专用模具外套，5-模口收缩段，6-侧面进料口，7-复合管，8-空气吹入口，9-内层超高分子量聚乙烯管，10-钢丝，11-外层聚氯乙烯管
具体实施方式
本发明下面将结合实施例作进一步详述：
实施例1制造φ110×10mm内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材
包括如下步骤：
a.嵌入增强钢丝
用钢丝缠绕机将直径0.8mm的钢丝缠绕在市售φ100*5mm超高分子量聚乙烯管外壁上，钢丝与管材轴线成45°，钢丝间距3.0mm。采用高频感应加热的方式将钢丝加热到180℃-200℃，使得外壁上的超高分子量聚乙烯部分熔化，将钢丝直径的二分之一嵌入到超高分子量聚乙烯管的外壁上。
b.步骤a嵌入增强钢丝的超高分子量聚乙烯内管与聚氯乙烯外壁的复合
①配料
准确称取聚氯乙烯(PVC)S-1000树脂100公斤、冲击改性剂MBS树脂(B-56)10公斤、热稳定剂三盐基硫酸铅0.85公斤、二盐基硬脂酸铅0.2公斤，润滑剂硬脂酸0.4公斤，炭黑0.05公斤，投入高速混料机中，混合逐渐升至120℃，放入冷却混料机中，搅拌下冷却至60℃以下，备挤出复合用；
②挤出成型复合
采用双螺杆挤出机，采用专用的复合模具挤出成型，同时与超高分子量聚乙烯内管热熔复合在一起，操作条件：
料筒温度，℃：一区140，二区160，三区180，四区180
模具温度，℃：一区150，二区170，三区180，四区200
挤出机转速20rpm；，模具的压缩比选择6；
③牵引、定型、冷却
定型模具通入冷却水将复合管冷却到60℃以下，采用PVC加工的常用设备牵引、定型、冷却。得到的复合管的耐压强度为6.0MPa，而普通的超高分子量聚乙烯管的耐压强度为2.2MPa。
从复合模具的中空芯棒1处连续吹入空气来冷却超高分子量聚乙烯管的内壁，以防止内管热变形。牵引机牵引复合管进入定型模具中，在定型模具通入冷却水将复合管冷却到60℃以下。PVC合金材料外管经过牵引拉伸和冷却收缩后，紧紧包敷在内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙管上并与之复合成为一体，得到内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管。
如图1，内层9为超高分子量聚乙烯管，外层11为聚氯乙烯管，在内层和外层之间嵌入钢丝10.
图2所示的复合模具，包括中空芯棒1，内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯管从中穿过；芯棒带有隔热夹层2，以防止超高分子量聚乙烯内管热变形；外套4长于芯棒1，并在末端收缩，以使PVC合金材料紧紧包敷在超高分子量聚乙烯内管的外壁；采用侧进料方式。
实施例2-7按照实施例1的方法和步骤，采用表1的以原料重量份数计的配方制造本发明的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材。
表1
| 原料、控制技术指标 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 |
| 聚氯乙烯 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| MBS树脂 | 5 | 3 | 8 | |||
| CPE树脂 | 10 | 4 | 6 | 4 | ||
| ACR树脂 | 3 | 6 | ||||
| 三盐基硫酸铅 | 0.5 | 1 | 0.5 | 0.8 | ||
| 二盐基硬脂酸铅 | 2 | 1 | 1.5 | 0.8 | 1 | |
| 硬脂酸 | 0.07 | 1 | 0.6 | 0.1 | 0.8 | 0.4 |
| 颜料 | 适量 | 适量 | 适量 | 适量 | 适量 | 适量 |
| 挤出机滚筒温度，℃ | 180 | 130 | 160 | 140 | 150 | 170 |
| 挤出机转速，rpm | 25 | 20 | 18 | 15 | 10 | 22 |
| 复合模具温度，℃ | 220 | 210 | 180 | 160 | 140 | 200 |
| 模具的压缩比选择 | 5 | 6 | 7 | 6 | 7 | 5 |
| 耐压强度，MPa | 5.8 | 6.2 | 5.4 | 6.1 | 6.3 | 6.1 |
Claims (10)
1.一种内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材，其特征在于内层为超高分子量聚乙烯管，外层为聚氯乙烯管，在内层与外层之间设置钢丝，钢丝直径的五分之一以上嵌入到内层超高分子量聚乙烯管的外壁上，当钢丝全部嵌入到内层超高分子量聚乙烯管的外壁上时嵌入深度不超出钢丝直径的2倍。
2.根据权利要求1所述的复合管材，其特征在于所述钢丝双向交叉缠绕在超高分子量聚乙烯管的外壁上。
3.根据权利要求1所述的复合管材，其特征在于所述内层超高分子量聚乙烯管与外层聚氯乙烯管的厚度比为1/10至10/1。
4.根据权利要求3所述的复合管材，其特征在于所述内层超高分子量聚乙烯管与外层聚氯乙烯管的厚度比为3/10至10/3。
5.根据权利要求1所述的复合管材，其特征在于所述钢丝双向交叉所形成菱形的锐角大于30°。
6.根据权利要求5所述的复合管材，其特征在于双向交叉的钢丝均与管材轴线成45°。
7.根据权利要求1所述的复合管材，其特征在于所述外层聚氯乙烯管包括如下以重量份数计的原料组分：
聚氯乙烯树脂 100
抗冲击改性剂 0-15
热稳定剂 0.5-8
润滑剂 0.07-1
颜料 适量。
8.根据权利要求7所述的复合管材，其特征在于所述外层聚氯乙烯管包括如下以重量份数计的原料组分：
聚氯乙烯树脂 100
抗冲击改性剂 8-12
热稳定剂 0.8-7
润滑剂 0.1-0.8
颜料 适量。
9.根据权利要求7所述的复合管材，其特征在于所述抗冲击改性剂是从甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯的共聚物、氯化聚乙烯、丙烯酸酯共聚物中选择出来的一种或其任意两种以上组合，所述热稳定剂是三盐基硫酸铅、二盐基硬脂酸铅中的一种或二者的混合物，所述润滑剂是硬脂酸。
10.一种权利要求1～9之一的内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管材的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
a.嵌入增强钢丝
将预嵌入钢丝加热到100℃以上，使得超高分子量聚乙烯管外壁少量熔化，缠绕嵌入，将钢丝直径的五分之一以上嵌入到超高分子量聚乙烯管的外壁上；
b.采用双螺杆挤出机，使聚氯乙烯均匀地包敷在超高分量聚乙烯管材的外壁，最后经过定型、牵引、切断得到内嵌增强钢丝的超高分子量聚乙烯聚氯乙烯复合管。
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Effective date of registration: 20110304 Address after: High tech Zone Huashan Road 255086 Shandong city of Zibo Province, No. 200 Applicant after: Shandong Keli New Materials Co., Ltd. Address before: High tech Zone Huashan Road 255000 Shandong city of Zibo Province, No. 200 Applicant before: Shandong Qilu Keli Chemical Research Institute Co., Ltd. |
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| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100428 |