CN101974177A

CN101974177A - 多功能聚乙烯管材和制造方法

Info

Publication number: CN101974177A
Application number: CN 201010536988
Authority: CN
Inventors: 程全山; 岳喜东
Original assignee: Xuzhou B & Q Building Materials Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Baianju Pipes Co., Ltd.
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: CN101974177B

Abstract

本发明公开了一种多功能聚乙烯管材及其制造方法，属高分子复合材料。以高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚辛烯橡胶(TOR)、过氧化二异丙苯(DCP)、纳米稀土β晶型成核剂和硅酮聚合物共混改性而成，各原料具体质量分为：高密度聚乙烯(HDPE)30-50份，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)70-90份，聚辛烯橡胶(TOR)10-15份，纳米稀土β晶型成核剂1.5-2.0份，过氧化二异丙苯(DCP)1.0-1.5份，硅酮聚合物阻燃剂3-5份，色母3-5份。有益效果是解决了聚乙烯管材的低温脆性、耐磨性、耐腐蚀性、抗老化性、耐热性、加工性、阻燃性等问题。可广泛应用于给排水、排污、油气、煤电、矿业、供气供暖、化工、电力通信、海洋、疏浚等领域。

Description

多功能聚乙烯管材和制造方法

技术领域

本发明属于新型多功能高分子复合材料，具体是一种多功能聚乙烯管材及其制造方法。

背景技术

1933年英国ICI公司首先发现了PE。世界经济发达国家从40年代末已经开始研究聚乙烯管道，并应用于给排水及燃气工程，从60年代相继在给水输配系统、排水输配系统和燃气输配系统中使用聚乙烯管道，且使用比例逐步扩大。如英国聚乙烯管道使用量以1968年应用于天然气输送为转折点，使用量急剧增加，1979年埋设的干、支管道中，聚乙烯管占80％，美国在1983年埋设的燃气管道中有88.6％为PE管，现在国际上欧、美、日等发达国家已经全部采用聚乙烯管道。在国外，塑料管道正不断代替金属或其他传统材料的管道，发展十分迅速。从1980～1990年的十年中除塑料管道以外，其他各种材料的管道增长率总和不足2％，而塑料管道的增长率是其他各种管道增长率总和的4倍，达到8％，进入九十年代塑料管道的需求量将仍是每年4.2％的速率增长，其产值大约以每年8％的速率递增。

发展至今，PE是由多种工艺方法生产的，具有多种结构和特性及多种用途的系列品种的树脂，已经占世界合成树脂产量的三分之一，居第一。PE的最佳用途之一是可以用来生产输送除高浓度强酸、强碱外的任何介质的管材，广泛用于给水、燃气输送、排污、农业浇灌、矿山细颗粒固体输送，以及油田、化工和邮电通讯等领域。

由于PE管材料本身的特点，PE管也有一定的弱点，如强度低，碰到坚石，金属碰撞挤压，易引起凹坑，直至穿孔；没有阻燃性；对最高使用压力有限制，而在我国北方地区，在冬季野外铺设的聚乙烯埋地给水时，总结出一条经验是在零度以下就不适宜铺设施工，因为这时聚乙烯管轻易脆裂；另外，PE管堆放要求高，不能长时间日晒雨淋，否则轻易老化，降低使用寿命。

因此保持PE管道原有的优良性能，改善其韧性不足，提高其阻燃性能、耐磨性能、抗冲击性、抗开裂性、防结垢性能、耐腐蚀性能、延长系统使用寿命，就成了PE管道创新发展的课题之一，也是突破PE管道局限性的关键。

目前PE管道性能改进方式为：国际上PE管道技术创新的主要方向是：通过材料和加工工艺的技术创新，制造出比传统PE管道性能更好，兼有高强度、高韧性、阻燃、绝缘、高耐磨、防结垢、耐压安全的管道系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，结合高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚辛烯橡胶(TOR)、过氧化二异丙苯(DCP)、纳米稀土β晶型成核剂、硅酮聚合物的优点，提供了一种多功能聚乙烯管材及其制造方法，它复合使用HDPE、UHMWPE、TOR物理共混形成共混体系，采用过氧化二异丙苯(DCP)交联剂化学交联共混体系，采用纳米稀土β晶型成核剂增容共混体系，采用硅酮聚合物阻燃剂改性共混体系，有效解决了PE管材的低温脆性、耐磨性、耐腐蚀性、抗老化性、耐热性、加工性、阻燃性等问题。

本发明是以如下技术方案实现的：本发明提供一种多功能聚乙烯管材，以高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚辛烯橡胶(TOR)、过氧化二异丙苯(DCP)、纳米稀土β晶型成核剂和硅酮聚合物共混改性而成，各原料具体质量分为：

高密度聚乙烯(HDPE) 30-50份

超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 70-90份

聚辛烯橡胶(TOR) 10-15份

纳米稀土β晶型成核剂 1.5-2.0份

过氧化二异丙苯(DCP) 1.0-1.5份

硅酮聚合物阻燃剂 3-5份

色母 3-5份。

所述的纳米稀土β晶型成核剂是由纳米级稀土和β晶型成核剂按质量比1∶2的比例混合搅拌至温度98-102℃时即为纳米稀土β晶型成核剂。

本发明中使用了高密度聚乙烯(HDPE)树脂，是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。原态HDPE的外表呈乳白色，在微薄截面呈一定程度的半透明状。HDPE具有优良的耐大多数生活和工业用化学品的特性。该聚合物不吸湿并具有好的防水蒸汽性，可用于包装用途。HDPE具有很好的电性能，特别是绝缘介电强度高，使其很适用于电线电缆。中到高分子量等级具有极好的抗冲击性，在常温甚至在-40℃低温度下均如此。

本发明中使用了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，UHMWPE极高的分子量赋予其优异的使用性能，而且属于价格适中、性能优良的热塑性工程塑料，它几乎集中了各种塑料的优点，具有普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的耐磨、耐冲击、自润滑、耐腐蚀、吸收冲击能、耐低温、卫生无毒、不易粘附、不易吸水、密度较小等综合性能。事实上，目前还没有一种单纯的高分子材料兼有如此众多的优异性能。提高管材的机械性能、耐磨性能、抗老化性能、耐腐蚀性能、防结垢性能等。

本发明中使用了聚辛烯橡胶(TOR)，为进口TOR橡胶，是一种部分结晶橡胶。作为一种聚合物助剂，它在混合和制造过程中成为聚合物的增塑剂，其参与交联反应，而且作为一种弹性体被完全结合到整个物质化学键的网络结构中，有效解决了管材的韧性、敏感性、抗老化性差的问题。

本发明中使用了纳米稀土β晶型成核剂，为共混体系成核剂，是一种新功能助剂，提高共混体系相容性，透过改变树脂的结晶行为，加快结晶速率、增加结晶密度和促使晶粒尺寸细微化，达到缩短成型周期、提高管材透明性、表面光泽、抗拉强度、刚性、热变形温度、抗冲击性、抗蠕变性等综合性能。

本发明中使用了过氧化二异丙苯(DCP)交联剂，在共混体系熔融加工过程中，交联反应可以使共混体系分子链间形成三维网状的体型结构，不仅能提高管材耐热性，还能改善其化学性能，电性能，耐介质性，耐候耐老化性等各项性能。

本发明中使用了硅酮聚合物阻燃剂改性，具有润滑耐磨和分散的作用，提高共混体系的阻燃性能和力学性能，增加管材挤出速度，减少次品率，提高管材加工的流动性、降低扭矩、提高充模和脱膜能力，提高管材的表面滑爽性(手感)、耐磨、抗刮性，提高产品自洁性能。

上述多功能聚乙烯管材的制造方法为：高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚辛烯橡胶(TOR)、过氧化二异丙苯(DCP)、纳米稀土β晶型成核剂、硅酮聚合物阻燃剂和色母按比例称重后一起加入高速混合机搅拌10-15分钟，加入挤出机造粒，将粒料加入全自动一体化挤出机挤出真空定型、喷码、切割、检验、包装、入库；挤出温度是：进料段为150-180℃，压缩段为200-220℃，塑化段为220-230℃，均化段为200-210℃，模具温度为190-210℃，冷却水温度15-20℃；冷却定型真空为0.4MPa。

所得管材其性能为：低温脆性温度＜-70℃、200℃氧化诱导时间36min、热变形温度≥122℃、拉伸屈服应力为45MPa、断裂伸长率480％、简支梁缺口冲击强度为155KJ/m²、氧指数85％、自熄时间1S、表面电阻率1.8×10⁹Ω、摩擦系数0.04、砂浆磨损率0.1％、纵向回缩率1％、静液压试验和静液压状态下热稳定性试验无渗漏、无破裂，管材符合《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》。

与现有聚乙烯管材比较，本发明具有以下优越性：

1.耐腐蚀：化学稳定性极高，具有优良的耐化学药品性，除强氧化性酸液外，在一定的温度和浓度范围内能耐酸、碱盐及有机溶剂腐蚀。

2.抗老化性好：经过改性使用寿命超过普通聚乙烯管，氧化诱导时间为36min、使用60年左右，认可保持80％的机械性能。

3.节能、卫生、环保：产品能抑制细菌的产生，符合饮用水安全标准。

4.阻燃性好：加入阻燃剂改性，产品适用于特殊行业的防火环境。

5.电性能优：电气性能优于HDPE管材。

6.防结垢性：摩擦系数为0.04，自润滑性和不粘附性好，流动阻力小，能长期保持流量和流速。

7.物理性能高：冲击强度高，柔韧性好。无论外界强冲击，还是内部压力波动都难以使其开裂，在低温时冲击强度反而达到更高值，为安全系统提供了安全可靠的保障。

8.高耐磨性：砂浆磨损率0.1％，大幅度提高了管道的使用寿命。

9.环境适应性好：可以长期在-70℃到95℃的温度下工作，具有优良的耐环境应力开裂和耐疲劳性。

10.安装方便、快捷：采用热熔焊接，柔韧性好，能适应各种安装环境，可以直接弯曲铺设，可以承插旧管道安装。

本发明多功能聚乙烯管材用途十分广泛，主要应用领域为：

1.给水工程：饮用水、纯净水、冷热水、农田灌溉、工业用水的输送管道。

2.排水排污工程：生活、工业污水排放处理的输送管道。

3.油气工程：原油、天然气的输送管道。

4.煤电、矿业工程：煤粉、矿粉、尾矿、矿浆等固体颗粒、固液体混合物的耐磨输送管道。

5.供气供暖工程：暖气、天然气、煤气的输送管道。

6.化学工程：强酸、强碱等高腐蚀性介质的输送管道，盐化工的卤水、盐浆、原盐的输送管道。

7.电力通信工程：电线、电缆护套管道。

8.海洋工程：海水淡化中海水、淡水输送管道。

9.疏浚工程：江、河、湖、港口、码头等清淤工程泥沙的输送管道。

本发明有益效果是：解决了聚乙烯管材的低温脆性、耐磨性、耐腐蚀性、抗老化性、耐热性、加工性、阻燃性等问题。可广泛应用于给排水、排污、油气、煤电、矿业、供气供暖、化工、电力通信、海洋、疏浚等领域。

具体实施方式

实施例1：

配方为：高密度聚乙烯(HDPE)70份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)70份、聚辛烯橡胶(TOR)10份、过氧化二异丙苯(DCP)1份、纳米稀土β晶型成核剂1.5份、硅酮聚合物阻燃剂3份、色母3份，按上述制造方法生产样管。样管经检测，低温脆性温度＜-70℃，200℃氧化诱导时间36min，热变形温度≥122℃，拉伸屈服应力为45MPa，断裂伸长率480％，简支梁缺口冲击强度为155KJ/m²，氧指数85％，自熄时间1S，表面电阻率1.8×10⁹Ω，摩擦系数0.04，砂浆磨损率0.1％，纵向回缩率1％，静液压试验和静液压状态下热稳定性试验无渗漏、无破裂，管材符合《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》。

实施例2：

配方为：高密度聚乙烯(HDPE)40份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)90份、聚辛烯橡胶(TOR)15份、过氧化二异丙苯(DCP)1.5份、纳米稀土β晶型成核剂2份、硅酮聚合物阻燃剂5份、色母5份，按上述制造方法生产样管。样管经检测，低温脆性温度＜-70℃，200℃氧化诱导时间42min，热变形温度≥128℃，拉伸屈服应力为48MPa，断裂伸长率520％，简支梁缺口冲击强度为158KJ/m²，氧指数88％，自熄时间1S，表面电阻率1.8×10⁹Ω，摩擦系数0.02，砂浆磨损率0.05％，纵向回缩率1.6％，静液压试验和静液压状态下热稳定性试验无渗漏、无破裂，管材符合《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》。

实施例3：

配方为：高密度聚乙烯(HDPE)30份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)80份、聚辛烯橡胶(TOR)10份、过氧化二异丙苯(DCP)1份、纳米稀土β晶型成核剂1.5份、硅酮聚合物阻燃剂3份、色母3份，按上述制造方法生产样管。样管经检测，低温脆性温度＜-70℃，200℃氧化诱导时间36min，热变形温度≥122℃，拉伸屈服应力为46MPa，断裂伸长率480％，简支梁缺口冲击强度为155KJ/m²，氧指数85％，自熄时间1S，表面电阻率1.8×10⁹Ω，摩擦系数0.03，砂浆磨损率0.08％，纵向回缩率1.2％，静液压试验和静液压状态下热稳定性试验无渗漏、无破裂，管材符合《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》。

实施例4：

配方为：高密度聚乙烯(HDPE)30份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)90份、聚辛烯橡胶(TOR)10份、过氧化二异丙苯(DCP)1.5份、纳米稀土β晶型成核剂2份、硅酮聚合物阻燃剂5份、色母5份，按上述制造方法生产样管。样管经检测，低温脆性温度＜-70℃，200℃氧化诱导时间40min，热变形温度≥128℃，拉伸屈服应力为48MPa，断裂伸长率480％，简支梁缺口冲击强度为157KJ/m²，氧指数88％，自熄时间1S，表面电阻率1.8×10⁹Ω，摩擦系数0.02，砂浆磨损率0.06％，纵向回缩率1.4％，静液压试验和静液压状态下热稳定性试验无渗漏、无破裂，管材符合《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》。

实施例5：

配方为：高密度聚乙烯(HDPE)50份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)80份、聚辛烯橡胶(TOR)15份、过氧化二异丙苯(DCP)1.5份、纳米稀土β晶型成核剂2.0份、硅酮聚合物阻燃剂3份、色母5份，按上述制造方法生产样管。样管经检测，低温脆性温度＜-70℃，200℃氧化诱导时间42min，热变形温度≥122℃，拉伸屈服应力为45MPa，断裂伸长率480％，简支梁缺口冲击强度为158KJ/m²，氧指数85％，自熄时间1S，表面电阻率1.8×10⁹Ω，摩擦系数0.04，砂浆磨损率0.1％，纵向回缩率1％，静液压试验和静液压状态下热稳定性试验无渗漏、无破裂，管材符合《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》。

实施例6：

配方为：高密度聚乙烯(HDPE)30份、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)80份、聚辛烯橡胶(TOR)10份、过氧化二异丙苯(DCP)1.5份、纳米稀土β晶型成核剂2.0份、硅酮聚合物阻燃剂5份、色母5份，按上述制造方法生产样管。样管经检测，低温脆性温度＜-70℃，200℃氧化诱导时间36min，热变形温度≥122℃，拉伸屈服应力为45MPa，断裂伸长率500％，简支梁缺口冲击强度为155KJ/m²，氧指数88％，自熄时间1S，表面电阻率1.8×10⁹Ω，摩擦系数0.03，砂浆磨损率0.09％，纵向回缩率1.6％，静液压试验和静液压状态下热稳定性试验无渗漏、无破裂，管材符合《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》。

Claims

1.一种多功能聚乙烯管材，其特征在于：它使用高密度聚乙烯HDPE、超高分子量聚乙烯UHMWPE、聚辛烯橡胶TOR进行共混改性而成，采用过氧化二异丙苯DCP交联剂化学交联共混体系、纳米稀土β晶型成核剂增容共混体系和硅酮聚合物阻燃剂改性共混体系制造；所述的复合材料的质量份组成为：

高密度聚乙烯(HDPE) 30-50份

超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 70-90份

聚辛烯橡胶(TOR) 10-15份

纳米稀土β晶型成核剂 1.5-2.0份

过氧化二异丙苯(DCP) 1.0-1.5份

硅酮聚合物阻燃剂 3-5份

色母 3-5份；

2.按权利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的高密度聚乙烯(HDPE)为PE100树脂。

3.按权利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为分子量600万UHMWPE树脂。

4.按权利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的聚辛烯橡胶TOR为进口半结晶聚辛烯橡胶。

5.按权利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的纳米稀土β晶型成核剂为纳米级稀土改性共混体系成核剂，直径为10-20nm。

6.按权利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的过氧化二异丙苯(DCP)为化学交联剂，相对分子质量270.37。

7.按权利要求1所述的多功能聚乙烯管材，其特征在于所述的硅酮聚合物阻燃剂为进口超高分子量多功能阻燃剂。

8.一种权利要求1所述的多功能聚乙烯管材的制造方法，其特征在于将高密度聚乙烯HDPE、超高分子量聚乙烯UHMWPE、聚辛烯橡胶TOR、过氧化二异丙苯DCP、纳米稀土β晶型成核剂、硅酮聚合物阻燃剂和色母按权利要求1所述的比例称重后一起加入高速混合机搅拌10-15分钟，加入挤出机造粒，然后将粒料加入全自动一体化挤出机挤出真空定型、喷码、切割、检验、包装、入库。

9.根据权利要求8所述的多功能聚乙烯管材的制造方法，其特征在于挤出温度是：进料段为150-180℃，压缩段为200-220℃，塑化段为220-230℃，均化段为200-210℃，模具温度为190-210℃，冷却水温度15-20℃；冷却定型真空为0.4MPa。