CN101706021A - 一种超高分子量聚乙烯复合管材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)材料制成的管材技术领域，具体地讲公开了一种超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)复合管材及其制备工艺。其主要技术方案为：由超高分子量聚乙烯、晶体石墨、加工助剂等材料构成内管层、由超高分子量聚乙烯、碳纤维、增强粘合剂构成中间层和主要由超高分子量聚乙烯、三元乙丙橡胶、复合促进剂构成外管层经过原料的处理和挤出等工序制备而成。由上述工艺制备出的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)复合管材具有内壁面顺溜光滑、机械强度高和良好的耐磨性能。该复合管材用于混凝土泵车输送混凝土物料具有输送效率高、使用寿命长的特点。

Description

一种超高分子量聚乙烯复合管材及其制备方法
技术领域
本发明属于管材技术领域，具体地讲公开了一种用于混凝土泵车上的用于输送混凝土物料的具有高耐磨强度和机械强度的超高分子量聚乙烯复合管材及其制备方法。
现有技术
利用混凝土泵车输送混凝土物料是土建工程中的重要建设手段，但当前，与混凝土泵车配套的用于混凝土输送的管材主要采用钢管。但钢管作为输送混凝土物料的管道存在着以下缺点：钢管管道笨重又不耐磨、使用时噪声大、并且由于水泥与金属管道极易凝固因此在输送过程中不能长时间间断停机、以及因管道早工作过程中支臂伸高、倾斜度大、混凝土泵车底盘轻失去重心而倒塌、既损坏设备又造成人员伤亡等。
专利申请号为200710054073.9、公开号为101020768A的中国发明专利申请公开了一种超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)改性材料管材及其制备方法。尽管该管材的主要原料采用的也是超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)，但该管材为单层结构，是针对一般需求的管道设置，其抗拉强度和拉伸强度只有40——50Mpa，远远不能够满足基建工程中利用泵车输送混凝土的需要；该管材的内表面摩擦系数超过了0.12，利用该摩擦系数的管道泵送混凝土其效率和抗耐磨性能大大折扣。
发明的内容
本发明的第一目的就是提供一种能够具有良好耐磨性、使用寿命长的超高分子量聚乙烯复合管材。
本发明的第二目的就是提供一种制备上述超高分子量聚乙烯复合管材的生产方法。
实现本发明第一目的所提出的技术方案为：
一种超高分子量聚乙烯复合管材，包括有直接与物料接触的内管层、复合于所述内管层外的中间层和复合于所述中间层外部的外管层构成；其中
所述的内管层包含有100重量份的超高分子量聚乙烯、15-20重量份的晶体石墨、2-5重量份的由1∶0.5-1重量比例的油酸酰胺和油酸丁酯组成的加工助剂构成；
所述的中间层由100重量份的超高分子量聚乙烯、15-20重量份的碳纤维、2-5重量份的增强粘合剂构成；
所述的外管层主要由100重量份的超高分子量聚乙烯、25-30重量份的三元乙丙橡胶、2-5重量份的复合促进剂构成。
其附加技术特征包括：
——在构成所述内管层的材料中包含有2-8重量份、粒度在600-1250目之间的金属氧化物粉末；
——构成所述内管层中的晶体石墨的粒度选择在600-1250目之间；
——构成所述中间层中的碳纤维的长度最好选择在10-50毫米之间；
——构成所述中间层中的增强粘合剂最好选用以环氧树脂类为主的合成粘合剂；
——构成所述外管层中的复合促进剂由75-80重量份的噻唑类、15-25重量份的次磺酰胺类和各为0.8-1.2重量份的秋兰姆类、二硫代氨基甲胺类、硫代磷酸盐类构成。
实现本发明第二目的所提出的技术方案即：
制备本发明所提出的一种超高分子量聚乙烯复合管材的方法包括下列步骤：
第一步原料的处理
①内管层料
将UHMW-PE和晶体石墨一同加入搅拌机中，并将搅拌的温度控制在58-62℃之间，搅拌2-3分钟，搅拌均匀；然后再向其中加入高强润滑复合加工助剂，将搅拌温度控制在90℃-100℃之间，搅拌2分钟后出料；
②中间层料
将UHMW-PE和长度10mm-50mm间的碳纤维一同加入搅拌机中，并将搅拌的温度控制在58-62℃之间，搅拌2-3分钟，搅拌均匀；然后再向其中加入增强粘合剂，将搅拌温度控制在90℃-100℃之间，搅拌3分钟后出料；
③外管层料
将UHMW-PE、EPDM(三元乙丙橡胶)两种原料同时加入密炼机中混合密炼5-8分钟，当密炼温度升高到150℃-165℃后，冷却到20℃-30℃的常温，再向其中加入合成促进剂、紫外线吸收剂，炼至上述原料合成一体，再开炼成片、切成颗粒状，即合成为热塑性弹性体料；
第二步复合管材的挤出
将上述处理好的内管层料、中间层料和外管层料分别填入到第一螺杆塑料挤出机A、第二螺杆塑料挤出机C和第三螺杆塑料挤出机D中；调节第一螺杆塑料挤出机料筒的温度，将料筒的温度从进料段到挤出口前的温度由120℃至270℃分段设置；调节第二螺杆塑料挤出机料筒的温度，将料筒的温度从进料段到挤出口前的温度由100℃至260℃分段设置；调节第三螺杆塑料挤出机料筒的温度，将料筒的温度从进料段到挤出口前的温度由80℃至240℃分段设置；
第一螺杆塑料挤出机A挤出内层管料，第二螺杆塑料挤出机C挤出中层管料，第三螺杆塑料挤出机D挤出外皮管料；三种料通过合成复合机头B挤出，经冷却定型机构E后、由牵引机构H和规格切断机G定尺切断，即可生产出PCUHMW塑料合金复合管材。
另外：
所述的第一、二、三螺杆塑料挤出机料筒的温度设置为4-6段；
所述的冷却定型控制机构的定型冷却可以用水冷却或风冷却，冷却的温度控制在15——20℃之间。
利用本发明提供的工艺所加工成型的超高分子量聚乙烯复合管材，与现有技术相比具有以下优点：其一，由于构成超高分子量聚乙烯复合管材的内管层中含有适量的晶体石墨和/或金属氧化物粉末，因此，更进一步的提高了内管层的光滑和耐磨性能，经过检测，该超高分子量聚乙烯复合管材内管层的静摩擦系数仅在0.05-0.07之间，使其对混凝土的输送效率比普通的金属管提高20％以上，比普通的超高分子量聚乙烯复合管材的静摩擦系数高出一倍，是金属泵管静摩擦系数的1/4-1/6；并且由于内管层中含有晶体石墨，因此使得所制备成的复合管材不会与输送的水泥混凝土发生粘合，可以有效避免在泵送混凝土过程中水泥混凝土与输送管发生粘连凝固现象的发生；其二，由于该种复合管材的主要材料超高分子量聚乙烯的分子量在480万——600万之间，所制备成的复合管材的密度为0.94——0.97克/立方厘米之间，是金属管材重量的1/8，为减轻机械自身重量创造了条件；其三，由于构成该复合管材的中层管中添加了均匀分布的碳纤维材料，因此使得所制备成的复合管材具有极高抗压和抗拉性能，其拉伸强度和抗压强度均在150Mpa以上，特别是在零下60℃低温下的环境下，不会出现任何脆裂迹象，并仍具有一定的延展性；其四，该复合管材具有优良的抗老化性，在地表、地下埋设均可，50年不老化.热变形温度90℃，正常使用温度可达100℃，特殊情况下允许在120℃左右的温度下使用.
附图说明
如图所示为生产超高分子量聚乙烯复合管材的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例(制备内径为125毫米壁厚为5、6毫米的两种规格的超高分子量聚乙烯复合管材道)对本发明提供的超高分子量聚乙烯复合管材及其制备方法作进一步的详细说明：
超高分子量聚乙烯复合管材的制备工序为
第一步原料的处理
①内管层料
将UHMW-PE和晶体石墨或金属氧化物一同加入搅拌机中，并将搅拌的温度控制在58-62℃之间，搅拌2-3分钟，搅拌均匀；然后再向其中加入高强润滑复合加工助剂，将搅拌温度控制在90℃-100℃之间，搅拌2分钟后出料：
②中间层料
将UHMW-PE和长度10mm-50mm间的碳纤维一同加入搅拌机中，并将搅拌的温度控制在58-62℃之间，搅拌2-3分钟，搅拌均匀；然后再向其中加入增强粘合剂，将搅拌温度控制在90℃-100℃之间，搅拌3分钟后出料；
③外管层料
将UHMW-PE、EPDM两种原料同时加入密炼机中混合密炼5-8分钟，当密炼温度升高到150℃-165℃后，冷却到20℃-30℃的常温，再向其中加入合成促进剂、紫外线吸收剂，炼至上述原料合成一体，再开炼成片、切成颗粒状，即合成为热塑性弹性体料；
第二步复合管材的挤出
将上述处理好的内管层料、中间层料和外管层料分别填入到第一螺杆塑料挤出机A、第二螺杆塑料挤出机C和第三螺杆塑料挤出机D中；调节第一螺杆塑料挤出机料筒的温度，将料筒的温度从进料段到挤出口前的温度由120℃、150℃、180℃、210℃、240℃和270℃分六段设置；调节第二螺杆塑料挤出机料筒的温度，将料筒的温度从进料段到挤出口前的温度由100℃、120℃、160℃、200℃、240℃和260℃分六段设置；调节第三螺杆塑料挤出机料筒的温度，将料筒的温度从进料段到挤出口前的温度由80℃、110℃、140℃、180℃、220℃和240℃分段设置；
第一螺杆塑料挤出机A挤出内层管料，第二螺杆塑料挤出机C挤出中层管料，第三螺杆塑料挤出机D挤出外管料；三种料通过合成复合机头B，经温度在15——20℃之间的水或风冷冷却定型控制机构E、由牵引机构H牵引和规格切断机G定尺切断，即可生产出PCUHMW塑料复合管材.
利用上述制备工序制备PCUHMW塑料复合管材的原材料的配比为：
实施例1
内管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、粒度为100目的18重量份的晶体石墨、粒度为900目的4重量份的氧化铁以及由2重量份的油酸酰胺和2重量份的油酸丁酯组成的加工助剂构成；
中间层由100重量份的超高分子量聚乙烯、长度为20毫米的15重量份的碳纤维、和由1.5重量份的618环氧树脂、各0.2重量份的2402酚醛树脂和异氰酸酯、0.1重量份的乙烯基三氧基硅烷做硅烷偶联剂复合成的增强粘合剂构成；
外管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、25重量份的三元乙丙橡胶以及由1.5重量份的噻唑类M、0.3重量份的次磺酰胺类CBS、0.016重量份的秋兰姆类TMTD、0.024重量份的三硫代氨甲基盐类PZ和0.020重量份的硫代磷酸盐类ZDEP构成的复合促进剂构成。
实施例2
内管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、粒度为900目的20重量份的晶体石墨以及由1重量份的油酸酰胺和1重量份的油酸丁酯组成的加工助剂构成；
中间层由100重量份的超高分子量聚乙烯、长度为30毫米的20重量份的碳纤维和由2重量份的618环氧树脂、0.5重量份的2402酚醛树脂、0.2重量份的异氰酸酯和0.3重量份的氨丙基三乙氧基硅烷做硅烷偶联剂复合成的增强粘合剂构成；
外管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、30重量份的三元乙丙橡胶以及由2.0重量份的噻唑类DM、0.5重量份的次磺酰胺类OBS、0.030重量份的秋兰姆类TBT、0.020重量份的三硫代氨甲基盐类BZ和0.025重量份的硫代磷酸盐类ZDBP构成的复合促进剂构成。
实施例3
内管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、粒度为600目的16重量份的晶体石墨、粒度为1200目的8重量份的氧化铜以及由2重量份的油酸酰胺和1重量份的油酸丁酯组成的加工助剂构成；
中间层由100重量份的超高分子量聚乙烯、长度为25毫米的18重量份的碳纤维和由3重量份的618环氧树脂、0.3重量份的2402酚醛树脂、0.3重量份的异氰酸酯和0.4重量份的乙烯基三氧基硅烷做硅烷偶联剂复合成的增强粘合剂构成；
外管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、28重量份的三元乙丙橡胶以及由2.34重量份的噻唑类MH、0.75重量份的次磺酰胺类OBS、0.024重量份的秋兰姆类TET、0.036重量份的三硫代氨甲基盐类PX和0.030重量份的硫代磷酸盐类ZDBP构成的复合促进剂构成。
实施例4
内管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、粒度为800目的150重量份的晶体石墨以及由3重量份的油酸酰胺和2重量份的油酸丁酯组成的加工助剂构成；
中间层由100重量份的超高分子量聚乙烯、长度为40毫米的17重量份的碳纤维和由4.5重量份的618环氧树脂、0.1重量份的2402酚醛树脂、0.2重量份的异氰酸酯和0.2重量份的(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷做硅烷偶联剂复合成的增强粘合剂构成；
外管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、26重量份的三元乙丙橡胶以及由1.50重量份的噻唑类DM、0.5重量份的次磺酰胺类BBS、0.024重量份的秋兰姆类TBT、0.020重量份的三硫代氨甲基盐类PZ和0.016重量份的硫代磷酸盐类ZDEP构成的复合促进剂构成。
实施例5
内管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、粒度为1250目的18重量份的晶体石墨以及由1.5重量份的油酸酰胺和1重量份的油酸丁酯组成的加工助剂构成；
中间层由100重量份的超高分子量聚乙烯、长度为35毫米的16重量份的碳纤维和由2重量份的618环氧树脂、0.2重量份的2402酚醛树脂、0.1重量份的异氰酸酯和0.2重量份的乙烯基三氧基硅烷做硅烷偶联剂复合成的增强粘合剂构成；
外管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、25重量份的三元乙丙橡胶以及由2.40重量份的噻唑类M、0.45重量份的次磺酰胺类CBS、0.030重量份的秋兰姆类TRA、0.024重量份的三硫代氨甲基盐类BZ和0.036重量份的硫代磷酸盐类ZDBP构成的复合促进剂构成。
实施例6
内管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、粒度为1100目的15重量份的晶体石墨以及由1.5重量份的油酸酰胺和1.5重量份的油酸丁酯组成的加工助剂构成；
中间层由100重量份的超高分子量聚乙烯、长度为50毫米的18重量份的碳纤维和由2.7重量份的618环氧树脂、0.1重量份的2402酚醛树脂、0.1重量份的异氰酸酯和0.1重量份的(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷做硅烷偶联剂复合成的增强粘合剂构成；
外管层由100重量份的超高分子量聚乙烯、30重量份的三元乙丙橡胶以及由1.95重量份的噻唑类MZ、0.020重量份的次磺酰胺类DZ、0.030重量份的秋兰姆类TET、0.025重量份的三硫代氨甲基盐类EZ和0.9重量份的硫代磷酸盐类ZDEP构成的复合促进剂构成。
在上述实施例中：
——制备中间层中构成增强粘合剂中的硅烷偶联剂选用使用于聚乙烯的硅烷偶联剂均可使用。
——超高分子量聚乙烯的分子量在480万——600万之间。
——如果在外管层的制备中添加适量的抗紫外线剂则能够进一步提高复合管材的防老化性能。

Claims (9)

1.一种超高分子量聚乙烯复合管材，其特征在于，包括有直接与物料接触的内管层、复合于所述内管层外的中间层和复合于所述中间层外部的外管层构成；其中
所述的内管层包含有100重量份的超高分子量聚乙烯、15-20重量份的晶体石墨、2-5重量份的由1∶0.5-1重量比例的油酸酰胺和油酸丁酯组成的加工助剂构成；
所述的中间层由100重量份的超高分子量聚乙烯、15-20重量份的碳纤维、2-5重量份的增强粘合剂构成；
所述的外管层主要由100重量份的超高分子量聚乙烯、25-30重量份的三元乙丙橡胶、2-5重量份的复合促进剂构成。
2.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合管材，其特征在于：在构成所述内管层的材料中包含有2-8重量份、粒度在600-1250目之间的金属氧化物粉末。
3.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合管材，其特征在于：构成所述内管层中的晶体石墨的粒度选择在600-1250目之间。
4.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合管材，其特征在于：构成所述中间层中的碳纤维的长度最好选择在10-50毫米之间。
5.如权利要求3所述的一种超高分子量聚乙烯复合管材，其特征在于：构成所述中间层中的增强粘合剂最好选用以环氧树脂类为主的合成粘合剂。
6.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合管材，其特征在于：构成所述外管层中的复合促进剂由75-80重量份的噻唑类、15-25重量份的次磺酰胺类和各为0.8-1.2重量份的秋兰姆类、二硫代氨基甲胺类、硫代磷酸盐类构成。
7.制备超高分子量聚乙烯复合管材的方法，其步骤为：
第一步原料的处理
①内管层料
将UHMW-PE和晶体石墨一同加入搅拌机中，并将搅拌的温度控制在58-62℃之间，搅拌2-3分钟，搅拌均匀；然后再向其中加入高强润滑复合加工助剂，将搅拌温度控制在90℃-100℃之间，搅拌2分钟后出料；
②中间层料
将UHMW-PE和长度10mm-50mm间的碳纤维一同加入搅拌机中，并将搅拌的温度控制在58-62℃之间，搅拌2-3分钟，搅拌均匀；然后再向其中加入增强粘合剂，将搅拌温度控制在90℃-100℃之间，搅拌3分钟后出料；
③外管层料
将UHMW-PE、EPDM(三元乙丙橡胶)两种原料同时加入密炼机中混合密炼5-8分钟，当密炼温度升高到150℃-165℃后，冷却到20℃-30℃的常温，再向其中加入合成促进剂、紫外线吸收剂，炼至上述原料合成一体，再开炼成片、切成颗粒状，即合成为热塑性弹性体料；
第二步复合管材的挤出
将上述处理好的内管层料、中间层料和外管层料分别填入到第一螺杆塑料挤出机A、第二螺杆塑料挤出机C和第三螺杆塑料挤出机D中；调节第一螺杆塑料挤出机料筒的温度，将料筒的温度从进料段到挤出口前的温度由120℃至270℃分段设置；调节第二螺杆塑料挤出机料筒的温度，将料筒的温度从进料段到挤出口前的温度由100℃至260℃分段设置；调节第三螺杆塑料挤出机料筒的温度，将料筒的温度从进料段到挤出口前的温度由80℃至240℃分段设置；
第一螺杆塑料挤出机A挤出内层管料，第二螺杆塑料挤出机C挤出中层管料，第三螺杆塑料挤出机D挤出外皮管料；三种料通过合成复合机头B挤出，经冷却定型机构E后、由牵引机构H和规格切断机G定尺切断，即可生产出PCUHMW塑料合金复合管材。
8.如权利要求7所述的制备超高分子量聚乙烯复合管材的方法，其特征在于：所述的第一、二、三螺杆塑料挤出机料筒的温度设置为4-6段。
9.如权利要求7所述的制备超高分子量聚乙烯复合管材的方法，其特征在于：所述的冷却定型控制机构的定型冷却可以用水冷却或风冷却，冷却的温度控制在15——20℃之间。
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