CN102850629A - 一种矿用聚乙烯管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿用聚乙烯管，包括以下重量份的各组分：高密度聚乙烯55-85份，乙丙橡胶5-20份，聚丙烯5-20份，低密度聚乙烯3-10份，润滑剂3-8份，相容剂2-6份，硫化剂0.1-6.0份，阻燃剂5-10份，碳黑10-20份，硫磺0-5份。与现有矿用聚乙烯管材比较，本发明提供的矿用聚乙烯管阻燃性优良，抗老化性好，耐腐蚀好，化学稳定性极高，耐磨性好，抗冲击性强。

Description

一种矿用聚乙烯管

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，具体的说，涉及一种矿用聚乙烯管。

背景技术

聚乙烯是结构最简单的高分子有机化合物，当今世界应用最广泛的高分子材料之一。聚乙烯由乙烯聚合而成，可制成各种应用材料，管材是其中非常重要的一种，以其他材质的管材相比，PE管具有以下特点：1）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，很好地解决了城市饮用水的二次污染；2）卓越的耐腐蚀性能：除少数强氧化剂外，可耐多种化学介质的侵蚀；无电化学腐蚀；3）长久的使用寿命：在额定温度、压力状况下，PE管道可安全使用50年以上；4）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；5）可靠的连接性能：PE管热熔或电熔接口的强度高于管材本体，接缝不会由于土壤移动或活载荷的作用断开；6）良好的施工性能：管道质轻，焊接工艺简单，施工方便，工程综合造价低。

矿用聚乙烯管材以其优异的综合性能得到日益广泛的应用，随着国家对煤矿安全的不断重视，用PE管取代钢管、玻璃钢管已经成为保证煤矿安全的理想选择。但由于PE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，耐低温性能差等。

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，也是突破矿用PE管道局限性的关键。

聚乙烯根据密度的不同可分为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯。其中，高密度聚乙烯具有刚性、硬度和机械强度大，低温抗冲击性好，抗应力开裂性好，耐磨性好，耐老化的特性，特别适合在煤矿等大压力，严苛输送环境下使用。

橡胶是一类重要的高分子材料，具有弹性好、韧性好、绝缘性好、机械强度大，低温抗冲击性好，抗应力开裂性好，耐磨性好，耐老化的特性。

因此，本发明采用高密度聚乙烯为基材，添加硫化橡胶作为增强增韧剂，并加入阻燃剂，抗氧化剂、相容剂等，提供一种耐磨性好，耐腐蚀性好，抗冲击性强的矿用聚乙烯管。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐磨性好，耐腐蚀性好，抗冲击性强的矿用聚乙烯管。

本发明所述的矿用聚乙烯管包括以下重量份的各组分：高密度聚乙烯55-85份，乙丙橡胶5-20份，聚丙烯5-20份，低密度聚乙烯3-10份，润滑剂3-8份，相容剂2-6份，硫化剂0.1-6.0份，阻燃剂5-10份，碳黑10-20份，硫磺0-5份。

优选的，所述的矿用聚乙烯管包括以下重量份的各组分：高密度聚乙烯75-80份，乙丙橡胶5-10份，聚丙烯5-10份，低密度聚乙烯3-5份，润滑剂3-5份，相容剂2-3份，硫化剂0.1-2.0份，阻燃剂5-8份，碳黑10-15份，硫磺0-2份。

其中，所述高密度聚乙烯树脂可选择密度大于0.949g/cm³，熔融指数为0.1-52g/10min之间的HDPE树脂；优选熔融指数为0.1-10g/10min，含有下述a）和b）组分的HDPE树脂：a)具有5,000amu-50,000amu的重均分子量和具有2.5-4.5的短链支化指数的低分子量乙烯共聚物；b)具有60,000amu-800,000amu的重均分子量和具有1-2.5的短链支化指数的高分子量乙烯共聚物。

所述乙丙橡胶选择三元乙丙橡胶；所述硫化剂选择三元乙丙橡胶常用的硫化剂，优选硫磺硫化体系硫化剂，如二硫化二吗啡啉等，所述硫化剂的用量优选为0.1-2份；

所述聚丙烯选择均聚聚丙烯，优选熔融指数为1.8～5.0g/min，密度为0.90～0.91g/cm³的均聚聚丙烯；更优选熔融指数为3.5～4.6g/10min的均聚聚丙烯；

所述低密度聚乙烯树脂的熔融粘度小，流动性好，易加工，因而对其熔体指数的选择范围也较宽，通常MI在0.3-30g/10min之间；优选MI在0.3-2g/10min，密度为0.913g/cm³-0.923g/cm³的LLDPE树脂。

所述润滑剂可选择硬脂酸，硬脂酸盐，硅油，蜡油，石蜡，聚乙烯蜡等常用润滑剂中的一种或多种；优选硬脂酸，石蜡或聚乙烯蜡；

所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯；所述马来酸酐接枝聚乙烯的熔融指数可以为1.3～2.5g/min，密度可以为0.89～0.91g/cm³；优选熔融指数为1.5～2.1g/10min，密度为0.89～0.90g/cm³的马来酸酐接枝聚乙烯；

所述炭黑为常用的白炭黑，导电乙炔炭黑等中的一种；

所述阻燃剂可采用本领域常用的阻燃体系，如卤-锑体系，即十溴二苯醚、六溴环十二烷、八溴醚、四溴双酚A等，加上阻燃协效剂三氧化二锑；或无机填充料为阻燃剂，如为氢氧化镁，氢氧化铝等，考虑到本发明聚乙烯管的组分，可利用丙烯酸五溴苄酯与三元乙丙橡胶的接枝共聚物阻燃，优选丙烯酸五溴苄酯或无极填料，所述无极填料优选质量比为2:1-1.1的氢氧化镁，氢氧化铝的混合物，

本发明所提供的高密度聚乙烯管可采用以下方法制备：

1)将高密度聚乙烯和低密度聚乙烯和润滑剂在双螺杆挤出机中共混造粒，双螺杆挤出机的各段温度为200-250℃之间，螺杆转速为200-350rpm，制得改性高密度聚乙烯；

2)将所得的改性高密度聚乙烯与乙丙橡胶、聚丙烯、相容剂在密炼机或炼塑机中共混，充分混合然后加入硫化剂和硫磺，阻燃剂和炭黑，密炼混合；密炼机或炼塑机的温度为150~280℃，总混合时间为30-360min；

3）将步骤2）制得的密炼胶料经挤出机挤出，制成管材，挤出机的温度为170~220℃，挤出机转速为45-125rad/min，牵引速度为320-800cm/min。

步骤2）实际上是一个动态硫化的过程，可以使乙丙橡胶硫化，并作为增强增韧相分布在高密度聚乙烯内。

在具体的工艺上，动态硫化可以分两步走，高密度聚乙烯可以分两次加入与橡胶混合，以保护塑料在动态硫化时受到硫化剂的氧化作用；另外，为提高阻燃效果，如果采用的无机填料阻燃剂，先将无机填料混合均匀，再分两次或两次以上加入密炼机内；如采用丙烯酸五溴苄酯，则与聚丙烯一起先期加入密炼机中，因此，步骤2）可分成多步进行。

步骤1）的挤出过程可如下进行：可用双螺杆挤出机熔融挤出造粒，所述双螺杆挤出机的9区加热温度可分别为200～210℃，210～220℃，220～230℃，230～240℃，230～240℃，230～220℃，210～220℃，200～210℃，200～210℃。

步骤3）的挤出过程可如下进行：挤出机的机筒区长度均分为4段，每段温度为：第1段为173±5℃，第2段为178±5℃，第3段为183±5℃，第4段为185±5℃，挤出机模头区的模头长度均分为7段，每段温度为：第1段为193±10℃，第2段为187±5℃，第3段为185±5℃，第4段为195±5℃，第5段为200±10℃，第6段为205±10℃，第7段为210±10℃，挤出机转速为45-125rad/min，牵引速度为320-800cm/min。

挤出后的高密度聚乙烯矿用管在0.012-0.04MPa的真空及水温20-25℃下定型后，再置于18-23℃的水箱中进行二次冷却，产品打印，牵引，定尺切割，即成本发明管材。

与现有矿用聚乙烯管材比较，本发明具有以下优越性：

1）阻燃性优良：加入阻燃剂改性，产品适用于特殊行业的防火环境；2）抗老化性好；3）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；4）耐磨性好，抗冲击性强。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述。如无特别指明，本发明所用的原料均为市购。

实施例1

本发明所述的矿用聚乙烯管包括以下重量份的各组分：高密度聚乙烯55份，乙丙橡胶10份，聚丙烯10份，低密度聚乙烯10份，润滑剂3份，相容剂5份，硫化剂2.0份，阻燃剂5份，碳黑20份。

其中，所述高密度聚乙烯树脂的熔融指数为10g/10min，密度为0.958g/cm³，含有下述a）和b）组分的HDPE树脂：a)具有5,000amu的重均分子量和具有4.5的短链支化指数的低分子量乙烯共聚物；b)具有60,000amu的重均分子量和具有1.5的短链支化指数的高分子量乙烯共聚物。

所述乙丙橡胶为三元乙丙橡胶；所述硫化剂为二硫化二吗啡啉；

所述聚丙烯为均聚聚丙烯，优选熔融指数为5.0g/min，密度为0.91g/cm³的均聚聚丙烯；

所述低密度聚乙烯树脂的MI为0.3g/10min，密度为0.920g/cm³g/cm³的LLDPE树脂。

所述润滑剂为硬脂酸，石蜡或聚乙烯蜡；

所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯；所述马来酸酐接枝聚乙烯的熔融指数为1.5g/10min，密度为0.90g/cm³的马来酸酐接枝聚乙烯；

所述炭黑为导电乙炔炭黑；

所述阻燃剂为无极填料，所述无极填料为质量比为2:1的氢氧化镁，氢氧化铝的混合物；

然后，将上述原料采用以下方法制备本发明的矿用聚乙烯管：

1)将高密度聚乙烯和低密度聚乙烯和润滑剂在双螺杆挤出机中共混造粒，双螺杆挤出机的各段温度为200-250℃之间，螺杆转速为200rpm，制得改性高密度聚乙烯；

2)将所得的改性高密度聚乙烯与乙丙橡胶、聚丙烯、相容剂在密炼机或炼塑机中共混，充分混合然后加入硫化剂和硫磺，阻燃剂和炭黑，密炼混合；密炼机或炼塑机的温度为150~280℃，总混合时间为200min；

3）将步骤2）制得的密炼胶料经挤出机挤出，制成管材，挤出机的温度为170~220℃，挤出机转速为125rad/min，牵引速度为320cm/min。

挤出后的高密度聚乙烯矿用管在0.04MPa的真空及水温25℃下定型后，再置于18℃的水箱中进行二次冷却，产品打印，牵引，定尺切割，即成本发明管材。

实施例2

本发明所述的矿用聚乙烯管包括以下重量份的各组分：所述的矿用聚乙烯管包括以下重量份的各组分：高密度聚乙烯75份，乙丙橡胶5份，聚丙烯8份，低密度聚乙烯5份，润滑剂8份，相容剂2份，硫化剂1.0份，阻燃剂8份，碳黑15份，2份。

其中，所述高密度聚乙烯树脂的熔融指数为5g/10min，密度为0.960g/cm³，含有下述a）和b）组分的HDPE树脂：a)具有50,000amu的重均分子量和具有3.5的短链支化指数的低分子量乙烯共聚物；b)具有800,000amu的重均分子量和具有2.5的短链支化指数的高分子量乙烯共聚物。

所述乙丙橡胶为三元乙丙橡胶；所述硫化剂为二硫化二吗啡啉；

所述聚丙烯为均聚聚丙烯，熔融指数为3.5g/min，密度为0.901g/cm³的均聚聚丙烯；

所述低密度聚乙烯树脂的MI在10g/10min，密度为0.913g/cm³的LLDPE树脂。

所述润滑剂为硬脂酸；

所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯；所述马来酸酐接枝聚乙烯的熔融指数可以为2.5g/min，密度可以为0.89g/cm³；

所述炭黑为导电乙炔炭黑；

所述阻燃剂为丙烯酸五溴苄酯；

然后，将上述原料采用以下方法制备本发明的矿用聚乙烯管：

1)将高密度聚乙烯和低密度聚乙烯和润滑剂在双螺杆挤出机中共混造粒，双螺杆挤出机的各段温度为200-250℃之间，螺杆转速为350rpm，制得改性高密度聚乙烯；

2)将所得的改性高密度聚乙烯与乙丙橡胶、聚丙烯、相容剂在密炼机或炼塑机中共混，充分混合然后加入硫化剂和硫磺，阻燃剂和炭黑，密炼混合；密炼机或炼塑机的温度为150~280℃，总混合时间为360min；

3）将步骤2）制得的密炼胶料经挤出机挤出，制成管材，挤出机的温度为170~220℃，挤出机转速为45rad/min，牵引速度为500cm/min。

挤出后的高密度聚乙烯矿用管在0.04MPa的真空及水温25℃下定型后，再置于18℃的水箱中进行二次冷却，产品打印，牵引，定尺切割，即成本发明管材。

实施例3

本发明所述的矿用聚乙烯管包括以下重量份的各组分：所述的矿用聚乙烯管包括以下重量份的各组分：高密度聚乙烯80份，乙丙橡胶10份，聚丙烯5份，低密度聚乙烯3份，润滑剂5份，相容剂3份，硫化剂0.1份，阻燃剂6份，碳黑10份，硫磺1份。

其中，所述高密度聚乙烯树脂的熔融指数为8g/10min，密度为0.965g/cm³，含有下述a）和b）组分的HDPE树脂：a)具有10,000amu的重均分子量和具有2.5的短链支化指数的低分子量乙烯共聚物；b)具有800,000amu的重均分子量和具有1.6的短链支化指数的高分子量乙烯共聚物。

所述乙丙橡胶为三元乙丙橡胶；所述硫化剂为二硫化二吗啡啉；

所述聚丙烯为均聚聚丙烯，熔融指数为4.6g/min，密度为0.91g/cm³；

所述低密度聚乙烯树脂的MI为2g/10min，，密度为0.923g/cm³。

所述润滑剂为石蜡；

所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯；所述马来酸酐接枝聚乙烯的熔融指数为2.1g/min，密度为0.89g/cm³；

所述炭黑为导电乙炔炭黑；

所述阻燃剂为无极填料，所述无极填料为质量比为2:1.1的氢氧化镁，氢氧化铝的混合物，

然后，将上述原料采用以下方法制备本发明的矿用聚乙烯管：

1)将高密度聚乙烯和低密度聚乙烯和润滑剂在双螺杆挤出机中共混造粒，双螺杆挤出机的各段温度为200-250℃之间，螺杆转速为250rpm，制得改性高密度聚乙烯；

2)将所得的改性高密度聚乙烯与乙丙橡胶、聚丙烯、相容剂在密炼机或炼塑机中共混，充分混合然后加入硫化剂和硫磺，阻燃剂和炭黑，密炼混合；密炼机或炼塑机的温度为150~280℃，总混合时间为160min；

3）将步骤2）制得的密炼胶料经挤出机挤出，制成管材，挤出机的温度为170~220℃，挤出机转速为100rad/min，牵引速度为320cm/min。

挤出后的高密度聚乙烯矿用管在0.04MPa的真空及水温25℃下定型后，再置于18℃的水箱中进行二次冷却，产品打印，牵引，定尺切割，即成本发明管材。

按照煤炭行业标准MT588.1-2005《煤矿井下用塑料管材》第一部分聚乙烯管材对实施例1-3制备的管材进行检测，其各项性能均达到所规定的标准。具体检测如下：

液压实验：按照GB/T6111-2003《流体输送用热塑性塑料管材耐内压实验方法》测定，在实验压力下保持100h，管材无泄漏和破坏。

拉伸强度和拉断伸长率：按照GB/T8804-2003《热塑性塑料管材拉伸性能测定》进行检测，拉伸强度大于9.0MPa，拉断伸长率大于300%。

酒精喷灯燃烧实验：按照MT181-88《煤矿井下用塑料管安全性能检验规范》测定。1）6根试样的有焰燃烧时间的算术平均值小于3s，其中任意一根的有焰燃烧时间小于10s；2）6根试样的无焰燃烧时间的算术平均值小于20s，其中任意一根的无焰燃烧时间小于60s。结果见表1：

表1各实施例碳纳米管增强聚乙烯管检测结果

从表1可以看出，与普通HDPE，本本发明提供的矿用聚乙烯管机械强度高，耐撕裂，介电性能高、电绝缘性能好。

Claims (10)

1.一种矿用聚乙烯管，其特征在于，包括以下重量份的各组分：高密度聚乙烯55-85份，乙丙橡胶5-20份，聚丙烯5-20份，低密度聚乙烯3-10份，润滑剂3-8份，相容剂2-6份，硫化剂0.1-6.0份，阻燃剂5-10份，碳黑10-20份，硫磺0-5份。

2.根据权利要求1所述的矿用聚乙烯管，其特征在于，所述的矿用聚乙烯管包括以下重量份的各组分：高密度聚乙烯75-80份，乙丙橡胶5-10份，聚丙烯5-10份，低密度聚乙烯3-5份，润滑剂3-5份，相容剂2-3份，硫化剂0.1-2.0份，阻燃剂5-8份，碳黑10-15份，硫磺0-2份。

3.根据权利要求1或2所述的矿用聚乙烯管，其特征在于，所述高密度聚乙烯树脂选择密度大于0.949g/cm³，熔融指数为0.1-52g/10min之间的HDPE树脂；优选熔融指数为0.1-10g/10min，含有下述a）和b）组分的HDPE树脂：a)具有5,000amu-50,000amu的重均分子量和具有2.5-4.5的短链支化指数的低分子量乙烯共聚物；b)具有60,000amu-800,000amu的重均分子量和具有1-2.5的短链支化指数的高分子量乙烯共聚物。

4.根据权利要求1或2所述的矿用聚乙烯管，其特征在于，所述乙丙橡胶为三元乙丙橡胶；所述硫化剂为二硫化二吗啡啉。

5.根据权利要求1或2所述的矿用聚乙烯管，其特征在于，所述聚丙烯为均聚聚丙烯，优选熔融指数为1.8～5.0g/min，密度为0.90～0.91g/cm³的均聚聚丙烯；更优选熔融指数为3.5～4.6g/10min的均聚聚丙烯。

6.根据权利要求1或2所述的矿用聚乙烯管，其特征在于，所述低密度聚乙烯树脂的熔融指数在0.3-30g/10min之间；优选熔融指数为0.3-2g/10min，密度为0.913-0.923g/cm³的LLDPE树脂。

7.根据权利要求1或2所述的矿用聚乙烯管，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸，硬脂酸盐，硅油，蜡油，石蜡，聚乙烯蜡常中的一种或多种；优选硬脂酸，石蜡或聚乙烯蜡。

8.根据权利要求1或2所述的矿用聚乙烯管，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯；所述马来酸酐接枝聚乙烯的熔融指数为1.3～2.5g/min，密度为0.89～0.91g/cm³；优选熔融指数为1.5～2.1g/10min，密度为0.89～0.90g/cm³的马来酸酐接枝聚乙烯。

9.根据权利要求1或2所述的矿用聚乙烯管，其特征在于，所述阻燃剂为丙烯酸五溴苄酯或无极填料；所述无极填料优选质量比为2:1-1.1的氢氧化镁，氢氧化铝的混合物。

10.根据权利要求1~9任一所述的矿用聚乙烯管的制备方法，包括以下步骤：

1)将高密度聚乙烯和低密度聚乙烯和润滑剂在双螺杆挤出机中共混造粒，双螺杆挤出机的各段温度为200-250℃之间，螺杆转速为200-350rpm，制得改性高密度聚乙烯；

2)将所得的改性高密度聚乙烯与乙丙橡胶、聚丙烯、相容剂在密炼机或炼塑机中共混，充分混合然后加入硫化剂和硫磺，阻燃剂和炭黑，密炼混合；密炼机或炼塑机的温度为150~280℃，总混合时间为30-360min；

3）将步骤2）制得的密炼胶料经挤出机挤出，制成管材，挤出机的温度为170~220℃，挤出机转速为45-125rad/min，牵引速度为320-800cm/min。