CN103314040B - 用于压力管应用的高载量炭黑母料 - Google Patents

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Abstract

公开了用于压力管应用的母料。该母料包括炭黑(以超过母料的40重量%(wt%)的浓度)和高密度聚乙烯(HDPE)载体树脂(以在母料的40到60重量%范围内的浓度且其具有在2.16kg/190°C下超过100g/10分钟的熔体流动指数和低于100000的重均分子量(Mw)。该母料可以进一步包括一种或多种添加剂(例如，润滑剂和/或抗氧化剂)。在一些实施方案中，在母料中的炭黑的微观分散评分低于3(根据ISO18553)。在一个特定情况下，观察到的炭黑附聚体的98%或更多小于30微米。例如，该母料可被包括在压力管配混物中，其中其用基础聚合物稀释。

Description

用于压力管应用的高载量炭黑母料
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求在2010年10月27日提交的美国非临时申请No.12/913,350的权益。
技术领域
本公开内容涉及母料，且更具体地，涉及用于压力管应用的高载量(加载，loading)炭黑母料。
背景技术
高压管通常用于传输饮用水、流出物、气体、油、工业材料和其他这样的可流动材料。典型的高压管的通常组分是高密度聚乙烯(HDPE)。HDPE是最化学惰性的塑料之一，并因此是耐化学品的和耐腐蚀的。另外，HDPE具有在压力管应用中趋于是理想的优异的机械性能。基于聚合物强度，可将压力管以不同的类别来分类，例如PE63、PE80或PE100。通常，数字越高，抗裂纹扩展性越好且压力管在高压下具有的使用寿命越长。
在制造这样的常规压力管中，将HDPE颗粒与炭黑母料(压力管的另一种主要成分)配混。炭黑母料是炭黑、聚乙烯树脂和可能的添加剂的混合物。在常规母料中的炭黑浓度或载量在25%到40%的范围内，混合物的余量是聚乙烯树脂和各种常规添加剂。聚乙烯树脂典型地是聚烯烃载体例如低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)或HDPE。
发明内容
本发明的一个实施方案提供用于压力管应用的母料。该母料包括超过母料的40重量百分比(重量%)的炭黑和浓度在母料的40-60重量%的范围内的高密度聚乙烯(HDPE)载体树脂，所述载体树脂具有在2.16kg/190°C下100g/10分钟以上的熔体流动指数和低于100000的重均分子量(Mw)。在一些情况下，母料可进一步包括浓度是母料的1重量%或更低的一种或多种添加剂。其他实施方案可具有更高重量百分比的添加剂，例如直至母料的5重量%。在任何这样的情况下，一种或多种添加剂可包括例如润滑剂和抗氧化剂的至少一种。在一个特定的情况下，一种或多种添加剂包括硬脂酸盐润滑剂和酚类抗氧化剂。在另一特定的情况下，炭黑的浓度在母料的45到50重量%范围内。在另一特定的情况下，根据ISO18553，在母料中炭黑的微观分散(microdispersion))评分低于2。在一个这样的特定情况下，观察到的炭黑附聚体的98%或更多小于30微米。在另一种这样的特定情况下，观察到的炭黑附聚体的90%或更多小于10微米。在一些具体情况下，母料包括在压力管配混物中且用基础聚合物稀释。在一个特定的实例情况下，HDPE载体树脂具有低于80000的重均分子量(Mw)、低于14000的数均分子量(Mn)和低于6的多分散指数(PDI)。在另一特定的情况下，HDPE载体树脂具有低于5的多分散指数(PDI)。在另一特定的情况下，炭黑具有以下的至少一种：在65到150m2/g范围内的BET表面积和在90到110cc/100g范围内的DBP吸收，且HDPE载体树脂具有如下的至少一种：>940kg/m3的密度，双峰分子量分布，低于80000的重均分子量(Mw)，低于10000的数均分子量(Mn)和低于5的多分散指数(PDI)。考虑到本公开内容，Mw、Mn和PDI的载体树脂的参数的各种其他组合将是明晰的。
考虑到本公开内容，许多变型将是明晰见的。例如，本发明的另一实例实施方案提供用于压力管应用的母料。在该特定实施方案中，母料包括炭黑，其浓度在母料的45到50重量%范围内。该母料进一步包括HDPE载体树脂，其浓度在母料的40到60重量%范围内。在该实例情况下，HDPE载体树脂具有在2.16kg/190°C下100g/10分钟以上的熔体流动指数、低于80000的重均分子量(Mw)、低于14000的数均分子量和低于6的多分散指数(PDI)。该母料进一步包括一种或多种添加剂，其浓度是(母料的)5重量%或更低，其中一种或多种添加剂包括润滑剂和抗氧化剂的至少一种。在一个这样的特定情况下，一种或多种添加剂包括硬脂酸盐润滑剂和酚类抗氧化剂。在另一特定的情况下，根据ISO18553，在母料中炭黑的微观分散评分低于2，其中观察到的炭黑附聚体的98%或更多小于30微米。在另一特定的情况下，根据ISO18553，在母料中炭黑的微观分散评分低于2，其中观察到的炭黑附聚体的90%或更多小于10微米。在一些情况下，母料包括在压力管配混物中且用基础聚合物稀释，使得在压力管配混物中存在2.0到3.0重量%(如2.5重量%)浓度的炭黑。
本发明的另一实施方案包括压力管配混物，其包括基础聚合物和母料。在该实例情况下，母料包括炭黑，其浓度是母料的45重量%或更高。该母料进一步包括HDPE载体树脂，其浓度在母料的40到60重量%范围内，且具有在2.16kg/190°C下100g/10分钟以上的熔体流动指数、低于80000的重均分子量(Mw)、低于14000的数均分子量(Mn)和低于6的多分散指数(PDI)。母料由基础聚合物稀释，使得在压力管配混物中存在1.5到3.5重量%(如2.0到2.5重量%，根据ISO4427-1)浓度的炭黑。在一种这样的配置中，母料进一步包括一种或多种添加剂，其浓度是母料的1重量%或更低，且其中一种或多种添加剂包括润滑剂和抗氧化剂的至少一种。在另一这样的配置中，炭黑的浓度在母料的45到50重量%范围内。在一个特定的这样的情况下，炭黑具有以下的至少一种：在65到150m2/g范围内的BET表面积和在90到110cc/100g范围内的DBP吸收，和根据ISO18553，在母料中炭黑的微观分散评分低于2，其中观察到的炭黑附聚体的98%或更多小于30微米和/或观察到的炭黑附聚体的90%或更多小于10微米。在一个实例情况下，压力管配混物为成品(finished)压力管的形式。
本文中所述的特征和优点不是包括一切的，且特别地，考虑到附图、说明书和权利要求，许多另外的特征和优点对于本领域技术人员来说是明晰的。而且，应注意，说明书中使用的语言主要是为了可读性和指导目的而选择的，并不限制本发明主题的范围。
具体实施方式
提供高载量炭黑母料配制物，其特别适于压力管应用。在一些实施方案中，母料包括超过母料的40重量%的炭黑浓度，且母料的余量包括高密度聚乙烯(HDPE)载体树脂和任意数量的添加剂(如流动剂及分散剂和/或抗氧化剂)。在一个特定的情况下，HDPE载体树脂具有在2.16kg/190°C下100g/10分钟以上的熔体流动指数。任选的添加剂包括例如硬脂酸钙和酚类抗氧化剂。
一般概述
如之前解释的，在常规母料中的炭黑浓度或载量在(母料的)25到40重量%范围内。为了更好地理解具有超过40重量%的炭黑浓度的本发明的一些实施方案，重要的是首先理解在炭黑载量上长期存在的实际限制的原因。具体地，存在许多与用于压力管应用的母料相关的重要问题。其中，这些问题包括：炭黑的分散质量，和对于管道配料员(compounder)来说用基础聚合物稀释母料的容易程度。
更详细地，关于分散质量，炭黑粒度越小，则炭黑的分散越困难。当处理用于压力管应用的炭黑等级时情况是这样，其典型地要求根据ISO4427的25nm以下的炭黑粒度。稀释问题涉及母料粘度。压力管母料可基于例如作为载体的粘性的聚烯烃树脂(如HDPE、LDPE或LLDPE)。通常，当添加炭黑时，聚烯烃树脂的初始粘度显著增加。那是为什么典型的压力管母料装载40重量%或更低的炭黑-以保持可接受的流动性以及因此可接受的可稀释性。因此，如果使用常规加工以超过40重量%的炭黑浓度配置常规母料配制物，它将趋于产生对于微观分散来说在规格之外和/或太粘性的母料。
与用于压力管应用的母料相关的另一问题大体上涉及在聚合物的分子量和熔体流动指数(MFI)之间的竞争。更详细地，具有高分子量的聚合物具有低流动性(或高粘度)，其意味着低MFI。高分子量聚合物被认为是非常强的材料，因为例如密度、抗冲击性、耐应力开裂性、耐静水压力性、和抗裂纹扩展性的性能直接地与分子量本身相关(越高越好)。这样的物理性能对于压力管应用而言是理想的，并且管道生产者典型地将高分子量聚合物用于基础聚合物(其用于在形成压力管配混物中稀释母料)。
在压力管应用中，由于另一个原因，分子量分布是进一步所关心的。具体地，压力管配混物的分子量分布不应太宽以避免太多的低分子量物质，其对于压力管配混物的机械性能和感官性能是有害的。另外，分子量分布不应太宽以避免加工问题如模具积聚或沉积(例如由于低分子量物质向设备的模具出口的迁移引起的)。另一方面，压力管配混物的分子量分布也不应太窄;否则，可加工性窗口也变得非常窄。
在头脑里有这样的考虑(关于炭黑的分散质量、母料稀释的容易程度、在分子量和MFI之间的竞争、以及分子量分布)并根据本发明的实施方案，提供母料，其包括超过母料的40重量%和直至母料的55重量%、和在一些具体的情况下、在45到50重量%(如45重量%、46重量%、47重量%、48重量%、49重量%、50重量%)范围内的炭黑浓度。例如，可配置炭黑，使得其遵照所需的压力管应用的要求。该实例实施方案的母料进一步包括适于色母料(浓色母料)且具有高MFI(例如在2.16kg/190°C下100g/10分钟以上)的HDPE载体树脂。如已知的，MFI用于表征热塑性聚合物的熔体的流动的容易程度。它通常定义为：通过与在给定的温度(如190°C)施加的施加重量(如2.16kg)相关的压力在给定时间段(如10分钟)内流过特定直径和长度的毛细管的聚合物的质量(如以克表示)。典型的MFI测量标准例如在ASTMD1238和ISO1133中进一步描述。
在一些实例实施方案中，在母料中炭黑的微观分散评分(在冲淡(let-down)后)低于3(根据ISO18553)，且在一些特定的这样的情况下低于2(根据ISO18553)，其中观察到的炭黑附聚体的98%或更多小于30微米。将炭黑和载体树脂混合可例如使用合适范围的机械能和剪切力进行规定的时间段。应用于炭黑的剪切力的量(其容许解附聚和分散)取决于不仅包括混合机设定(例如混合机的类型、转子或捏合元件的几何形状、螺杆的长度、在混合机中的停留时间和螺杆速度)、而且包括在混合过程中熔体的粘度(和因此载体树脂的分子量/MFI)的因素。
通常，且如考虑到本公开内容将理解的，对于给定的混合机设定，在流体聚合物(高MFI)中比在粘性聚合物(低MFI)中更难以实现良好的炭黑分散，因为剪切通过熔融聚合物/树脂载体从设备/混合机传递到炭黑。在这个意义上，考虑将非常高流动性(高MFI)聚合物用于其中期望炭黑分散的应用不是直观的选择。该非直观性进一步被以下事实支持：安装的混合机的设定通常要求最小的粘度(低MFI)以在分散炭黑中是有效的。进一步阻止使用这样的高MFI聚合物的是以下事实：高MFI通常对应于低分子量(其通常是在压力管配混物范围内的非典型的特性)。
在一些实施方案中，炭黑可配置或选择为进一步促进在母料中提高的载量，同时之后保持可分散和可稀释。这样的炭黑的使用具有许多优点，例如增加熔体粘度且从而改善炭黑的整体分散。而且，炭黑在母料中的高载量意味着载体树脂的较低载量(重量%)，这又降低在用基础聚合物稀释母料后在最终压力管配混物中低分子聚合物的量。这可减轻“陌生聚合物(外来聚合物，strangerpolymer)”对压力管配混物参数例如密度、抗冲击性、耐应力开裂性、耐静水压力行和抗裂纹扩展性的潜在的不利影响。
因此，本发明的实例实施方案可使用促进分散的高流动(高MFI)载体树脂和炭黑的组合实施。可将炭黑载量提高到所需水平，同时保持在流体载体中的合适的分散，和在母料中包括的高MFI载体树脂的重量%的降低减轻或缓和在最终应用(例如其中使用管道配混物基础聚合物稀释母料)中陌生聚合物的负面影响。可调整母料的加工和混合技术以进一步使制造这样的用于压力管应用的高载量炭黑母料容易。
实例配制物
如之前解释的，可选择炭黑以遵照压力管应用的要求，在一个实例实施方案中，其包括以下性能：粒度<25nm(例如，ASTMD-3849)；灰分含量<0.1%(例如，ASTMD-1506)；可提取的甲苯<0.03%(例如，ASTMD-1618)；在325筛目的残留物<20ppm(例如，ASTMD-1514)；以及硫含量<0.1%(例如，CabotCTM15.71)。在一些这样的实施方案中，炭黑进一步包括以下特性：在65至150m2/g范围内的BET表面积；和在90至110cc/100g范围内的DBP吸收。在一个特定的实例实施方案中，母料的炭黑部分是由CabotCorporation制造的P100，尽管也可使用具有类似质量/特征的其它合适的炭黑，如考虑到本公开内容将是明晰的。其它合适的炭黑包括例如254、以及满足本文中提供的炭黑特性的其他炭黑。如考虑到本公开内容将理解的，对于BET表面积和DBP吸收提供的实例范围可扩展以容纳特定类型的炭黑。这些范围有效地覆盖设计用于压力管应用的特定炭黑等级(例如P100、254)。
该实例实施方案的母料的载体树脂部分包括例如通过催化剂方法制造的和适于色母料的且具有以下特征的HDPE：具有窄分子量分布(例如，其中Mw<80000、Mn<14000和PDI<6)、相对低的熔点(例如，在100至140°C范围内)以及在2.16kg/190°C下100g/10分钟以上的MFI的非稳定化的共聚物。在一个特定的实例实施方案中，母料的载体树脂部分是由INEOS制造的A1140P，尽管也可使用具有类似质量/特征的其它合适的载体树脂或聚合物，如考虑到本公开内容将是明晰的。在一些这样的实施方案中，MFI在2.16kg/190°C下为150g/10分钟或更高。其他实施方案可包括具有以下品质的一种或多种的HDPE载体树脂：密度>940kg/m3；双峰分子量分布；在2.16kg/190°C下的MFI>=100g/10分钟；Mw<80000；和/或Mn<14000；和PDI<6。
关于母料的载体树脂部分的分子量分布，分子量可例如通过凝胶渗透色谱法(GPC)在高温(如145°C)下测量，尽管可使用其他合适的测量方法。在一个实例GPC方法中，将载体树脂在溶剂(如三氯苯)中稀释，然后注射到加热的柱中。当聚乙烯大分子离开柱时，差示折光率(DRI)检测器检测聚乙烯大分子。离开柱的时间(保留时间或者RT)取决于聚乙烯大分子的质量/尺寸。然后，可绘制相对于分子质量的折射率对它们的保留时间的色谱图，其可转化为分子分布曲线(重量分数对分子质量)，容许提取有用的数据例如重均分子量(Mw)、数均分子量(Mn)和多分散指数(PDI)，所述多分散指数(PDI)是Mw/Mn比且表示分子分布有多宽(更高的PDI意味着更宽的分布)。如之前表明的，用于压力管应用的高载量炭黑母料的一个实例实施方案使用具有低于80000的Mw、低于14000的Mn和低于6的PDI的HDPE载体树脂，在特定的实例实施方案中具有31000或更低的Mw、8500或更低的Mn和3.6或更低的PDI的HDPE载体树脂。在这些给定范围内的其他分子量参数值将是明晰的(例如:其中Mw<100000，Mn<10000，和PDI<5；或其中Mw<95000，Mn<9500，和PDI<4.75；或其中Mw<90000，Mn<9000，和PDI<4.5；或其中Mw<85000，Mn<8500，和PDI<4.25；或其中Mw<75000，Mn<14000，和PDI<6；或其中Mw<70000，Mn<14000，和PDI<6；或其中Mw<65000，Mn<14000，和PDI<6；或其中Mw<60000，Mn<14000，和PDI<6；或其中Mw<55000，Mn<14000，和PDI<6；或其中Mw<50000，Mn<14000，和PDI<6；或其中Mw<45000，Mn<14000，和PDI<6；或其中Mw<40000，Mn<14000，和PDI<6；或其中Mw<35000，Mn<14000，和PDI<6；或其中Mw<30000，Mn<14000，和PDI<6；或其中Mw<25000，Mn<14000，和PDI<6)。如考虑到本公开内容将理解的，可向这些特定的实例值指派适当的容许偏差，例如10%或20%的容许偏差。相反，用于压力管应用的常规母料通常使用具有在100000至400000范围内(典型地在250000附近)的Mw、在10000至25000范围内(典型地在15000附近)的Mn、和在5至15范围内(典型地在10附近)的PDI的HDPE载体树脂。
根据一些实施方案，母料配制物可进一步包括一种或多种添加剂。添加剂可包括例如抗附聚体和流动剂例如硬脂酸钙和/或抗氧化剂例如酚类抗氧化剂。也可使用其他实例添加剂以促进或有益于母料的加工，例如在加工设备(如挤出机口和模头)上减少积聚和/或降低磨损、增加产量、降低功耗和/或加工温度、以及消除或降低表面缺陷的添加剂。
根据本发明的一些实施方案，可实施的特定实例配制物显示在表1中。其他实施方案将是明晰的。
表1：高载量炭黑母料的实例配制物
如考虑到本公开内容将会理解的，可使用除硬脂酸钙或酚类抗氧化剂之外的添加剂，只要可实现所需的分散和流动性。另外，给定目标应用的需要，任何给定的添加剂的重量百分比可变化。例如，其他实施方案可具有更高重量百分比的添加剂，例如直至母料的5重量%(例如2.5重量%的硬脂酸钙和2.5重量%的酚类抗氧化剂)。因此，取决于这样的添加剂的重量百分比和炭黑载量，载体树脂的重量百分比可相应地增加(例如直至60重量%，具有40重量%的炭黑载量和没有添加剂)或减少(例如低至40重量%，具有55重量%的炭黑载量和5重量%的添加剂)。注意，炭黑和/或母料的其他组分的目标载量值可与合理的容许偏差(例如在目标重量百分比附近的+/-1.5%，或者给定预期应用的要求，其他合适的容许偏差)相关联，如果这样需要的话。然而，炭黑在母料中的实际载量不低于40重量%。
供选择的流动剂或抗附聚体或者加工助剂包括例如硬脂酸锌或硬脂酸钙(例如具有直至2重量%的载量)，和/或帮助避免闭塞问题例如在间歇过程中在排出时熔体粘附于门或口的其它合适的润滑剂和脱模剂。例如，可添加抗氧化剂例如酚类抗氧化剂例如以提供加工稳定性和长期的热稳定性。可使用任何合适的酚类抗氧化剂，并且存在大量的可商购商标。亚磷酸酯抗氧化剂也提供在高温加工中的热稳定性且可以其自身使用作为酚类抗氧化剂的代替物或由于协同效应而与酚类抗氧化剂联合使用。可用作这样的流动剂和/或抗氧化剂的替代物或者与其联合使用的其他添加剂包括例如紫外(UV)稳定剂，其抑制成品(例如压力管)由UV辐射的降解。例子包括受阻胺光稳定剂和镍猝灭剂。含氟弹性体也可用作加工助剂，因为它们防止多种不期望的状况例如模具积聚(熔融产物在模具出口处的附聚)、熔体破坏(差的产品表面质量)，且允许多种期望的状况例如增加的输出和操作压力的降低。
特定的实例酚类抗氧化剂(例如，具有直至4重量%的载量)包括: 1010；ChemturaCorporation的20；ClariantCorporation的010；和来自SongwonIndustrialCo.,Ltd.的1010。实例亚磷酸酯抗氧化剂(例如，具有直至2重量%的载量)包括:168，ChemturaCorporation的240；和来自SongwonIndustrialCo.,Ltd.的1680。实例UV稳定剂(例如，具有直至3重量%的载量)包括：ChemturaCorporation的62；81； 622；5062H，ChemturaCorporation的Q84；和SongwonIndustrialCo.,Ltd.的1084。实例聚合物加工助剂/含氟弹性体(例如，具有直至1重量%的载量)包括:DyneonLLC的DynamarTMFX5920和DynamarTMFX5922；DaikinIndustries,Ltd.的DA-810TM和DA-910TM；FF；以及SolvaySolexis,Inc.的11010和注意，在这些实例中给出的重量%是相对于母料的。
测量的性能
在表2中总结对根据本发明的各种实施方案配置的母料的实例批料测量的性能(关于包括灰分残余、MFI、以及微观分散的参数)，其显示对于母料的三个实例炭黑载量(45重量%，47.5重量%和50重量%)。使用的炭黑是P100，和使用的载体树脂是A1140P。然而，注意可使用与这些可比较的(或考虑到本公开内容是合适的)其他炭黑和/或载体树脂，如将理解的。MFI和灰分残余直接对母料测量，且微观分散测试在母料冲淡以形成压力管配混物后进行。然而，注意，且如考虑到本公开内容将理解的，即使微观分散测试在应用水平上(在该情况下，对压力管配混物)进行，它也反映母料自身的分散质量。如可进一步看到的，在母料冲淡(在这些实例中在200°C下用HDPE稀释)后，最终炭黑含量是约2.5重量%，其是根据ISO4427-1的要求的典型的用于压力管配混物的载量。用于这些实例情况中的HDPE是TotalPetrochemicals的HDPE2008SN60，在这里可使用任何数量的合适的基础聚合物，如考虑到本公开内容将是明晰的。例如，包含2.5%炭黑的压力管配混物可通过将6%的高载量炭黑母料的添加物与94%的天然树脂例如HDPE配混来实现。配混和挤出可使用例如密炼机(例如Banbury或Kobelco型)、双辊塑炼机、Buss共捏合机(ko-kneader)或者单或双螺杆挤出机进行。在表2中反映的实例中，使用单螺杆挤出机，设定在200°C和40RPM。可将所得的压力管配混物挤出或模塑以制造用于任意数量的应用的压力管。如将理解的，也可使用具有其他炭黑载量(例如1.5到3.5重量%或其他合适的范围)的配混物，且本发明不意图限于例如根据ISO4427-1配置的管道配混物的实施方案。
表2：高碳黑载量的母料的性能
在该特定实例中的灰分残余是指在母料在900°C在氮气(N2)下充分热解一段时间(例如5分钟)后在母料中炭黑载量的实际重量百分比(重量%)。如可看出的，对于这些实例批料各自的以重量%计的实际炭黑载量为在以重量%计的目标炭黑载量的0.5到0.7之内。如关于表2的特定实例实施方案可进一步看到的，母料的MFI通常随着炭黑载量增加而减少，范围为对于45%的炭黑载量的在190°C和21.6kg下的大于150g/10分钟至对于50%的炭黑载量的在190°C和21.6kg下的约15或16g/10分钟。注意，构成母料的载体树脂的高MFI不同于母料本身的MFI以及不同于稀释的母料的MFI。
在表2中显示的用于具体实例的微观分散测试涉及根据18553进行的压出(press-out)法，其通常涉及在光学显微镜下使用透射光来检查薄的热压配混物样品。基于未分散的炭黑附聚体的尺寸和数量来提供评分。更详细地，然后取压力管配混物(即，如本文所述的高载量母料，其用合适的基础聚合物例如HDPE冲淡/稀释)的针头尺寸的片并将其热压在两个清澈的显微镜载玻片之间。然后将所得扣状物在显微镜下在合适的放大率(例如x100或者更高)下检查并按照在ISO18553中给出的评分表进行评分。如在表2中可看出的，提供的实例实施方案具有在1.5-1.8范围内的平均评分(其很好地在<3的ISO4427标准评分之内)和在2.0到3.0范围内的最大扣状物评分(很好地在<4.5的ISO4427标准评分之内，在六个扣状物上)。为清楚起见，注意ISO4427-1和ISO18553之间存在分别。具体地，涉及塑料管道系统(特别是用于水供给的聚乙烯管道和配件)的ISO4427说明对于管道系统的要求例如管道尺寸和操作压力，以及对于压力管配混物的要求例如微观分散、密度、氧化诱导时间和其它各种管道配混物参数。涉及用于在聚烯烃管道、配件和配混物中评估颜料或炭黑分散程度的方法的ISO18553描述微观分散测试方法且提供与压力管有关的微观分散评分表。
在至少一种意义上，ISO18553规定了用于评估涉及各未分散的炭黑附聚体的数量和尺寸的实际计数的微观分散的更客观的标准。对压力管配混物的实例批料的关于ISO18553标准的测量的微观分散与相应的附聚体尺寸分布一起总结于表3、4和5中，其显示根据三个特定实例实施方案用表2的高碳黑载量母料(45重量%、47.5重量%和50重量%的载量)制造的压力管配混物样品。可观察和测量在给定扣状物中的各单独的炭黑附聚体。因为炭黑附聚体典型地是圆的或轻微椭球状的，所以可使用附聚体的直径或最大尺寸以代表附聚体的尺寸。因此，当在本文中所观察的炭黑附聚体被说成小于X微米时，于是所观察的附聚体的具有小于X的最大尺寸。
表3:微观分散-附聚体尺寸分布
如之前参照表2讨论的，将样品母料冲淡到2.5%的最终炭黑含量。对于压力管配混物，ISO4427对于微观分散性能规定平均评分应该是最大3，且在6个扣状物上的最大评分是4.5。为了增加在微观分散结果中的置信水平，每个样品考虑60个扣状物，这是ISO18553推荐的10倍。如关于表3可看到的，观察的附聚体的大部分在5到10微米(μm)尺寸范围内(检测到的296到408个附聚体)，第二最大类尺寸在11到20微米尺寸范围内(20到39个附聚体)。下一最大类尺寸在21到30微米尺寸范围内(2到9个附聚体)。下一最大类尺寸在31到40微米尺寸范围内(2到3个附聚体)。下一最大类尺寸在41到50微米尺寸范围内(1到3个附聚体)。如可进一步看到的，在51到60微米尺寸范围或更高尺寸范围内未检测到附聚体。
表4:微观分散-附聚体尺寸分布
如关于表4可看到的，对于所有样品，观察到的附聚体的98%或者更多小于30微米。更详细地：对于用具有45重量%的碳载量的母料制造的压力管配混物，观察到的附聚体的99.2%或更多小于30微米；对于用具有47.5重量%的碳载量的母料制造的压力管配混物，观察到的附聚体的98.7%或更多小于30微米；以及对于用具有50重量%的碳载量的母料制造的压力管配混物，观察到的附聚体的99.1%或更多小于30微米。表4进一步显示，观察到的大于40微米的附聚体甚至更少(在0.9%到0%的范围内)，且没有样品显示出观察到的大于50微米的附聚体。如将理解的，表3、4和5的实例证明根据本发明的实施方案配置的产品的非常好的微观分散。
炭黑载量(重量%) ≤10μm ≤20μm ≤30μm
45重量%批料1 93.2% 99.2% 99.2%
45重量%批料2 90.2% 97.3% 100%
47.5重量%批料1 89.5% 98.0% 98.7%
47.5重量%批料2 90.7% 98.0% 99.1%
50重量%批料1 90.5% 96.6% 99.1%
50重量%批料2 92.2% 98.8% 99.4%
表5:微观分散-附聚体尺寸分布
如参照表5可看出的，对于用具有45重量%的碳载量的母料制造的压力管配混物，观察到的附聚体的90.2%或者更多是10微米或更小；对于用具有47.5重量%的碳载量的母料制造的压力管配混物，观察到的附聚体的89.5%或更多是10微米或更小；以及对于用具有50重量%的碳载量的母料制造的压力管配混物，观察到的附聚体的90.5%或更多是10微米或更小。表5进一步显示观察到的20微米或更小的以及30微米或更小的附聚体的相应百分比。
除容易分散和最佳的微观分散之外，这样的高碳黑载量的母料还为母料生产者以及压力管配料员和生产者提供其他优点，如考虑到本公开内容将是明晰的。例如，且根据一些实施方案例如其中炭黑是P100和载体树脂是A1140P的那些，在加工期间的熔融温度可保持在约180°C以下，这导致在配制物中添加的任何添加剂包(additivespackage)的较少的热降解；混合的设备可在远低于其最大功率和扭矩容量下操作，从而消耗较少能量和是更节省成本的；压力管配料员需要更低量的该母料以在最终配混物中实现通常的2.5%炭黑载量(或其他所需的载量目标)，和/或使用更低量的母料是进一步有益的，因为它降低母料对压力管稀释树脂的固有机械性能的负面影响。
虽然如考虑到本公开内容将明晰的，可使用任意数量的合适的混合设备类型和商标，但是在表2-4中反映的实际样品是使用FarrelCorporation的1.642升的Banbury混合机制备的，其取决于批料密度而给出约1.3-1.4kg的批料样品。根据本发明的实施方案可应用以下工艺条件：室温度60°C；转子温度60°C；熔化后的混合时间(mixingtimepostflux)90秒；风筒压力4.2巴；以及转子速度175RPM。这些参数各自可与可接受的容许偏差例如+/-5%或+/-20%相关联。例如，容许偏差的紧密度将取决于例如对所得的母料产物的应用的所需准确性和要求。考虑到本公开内容，许多其他制造方案将是明晰的。
根据工业标准例如EN1201、NF114和EN13244且根据本发明的一些实施方案，表6确定对于黑色(炭黑)压力管配混物的一些实例要求。
表6：压力管要求
本发明的实施方案的以上描述是为了说明和描述的目的提出的。不意在是穷举的或将本发明限于所公开的精确形式。考虑到本公开内容，许多改进和变化是可能的。意图是，本发明的范围不被该详细描述限制，而是由所附权利要求限制。

Claims (22)

1.用于压力管应用的母料，包括：
炭黑，其浓度超出所述母料的40重量百分比(重量％)，所述炭黑具有通过ASTMD-3849的小于25nm的粒度；和
具有大于940kg/m3的密度的高密度聚乙烯(HDPE)载体树脂，所述树脂的浓度在所述母料的40到60重量％范围内，且具有在2.16kg/190℃下100g/10分钟以上的熔体流动指数和低于100000的重均分子量(Mw)。
2.权利要求1的母料，包括：
一种或多种添加剂，其浓度是所述母料的1重量％或更少。
3.权利要求2的母料，其中所述一种或多种添加剂包括硬脂酸盐润滑剂和酚类抗氧化剂。
4.权利要求1的母料，其中所述炭黑的浓度在所述母料的45到50重量％范围内。
5.权利要求1的母料，其中根据ISO18553，在所述母料中所述炭黑的微观分散评分低于2。
6.权利要求5的母料，其中观察到的炭黑附聚体的98％或更多小于30微米。
7.权利要求5的母料，其中观察到的炭黑附聚体的90％或更多小于10微米。
8.权利要求1的母料，其中所述母料包括在压力管配混物中和用基础聚合物稀释。
9.权利要求1的母料，其中所述HDPE载体树脂具有低于80000的重均分子量(Mw)、低于14000的数均分子量(Mn)和低于6的多分散指数(PDI)。
10.权利要求1的母料，其中所述HDPE载体树脂具有低于5的多分散指数(PDI)。
11.权利要求1的母料，其中所述炭黑具有以下的至少一种：在65到150m2/g范围内的BET表面积和在90到110cc/100g范围内的DBP吸收，且所述HDPE载体树脂具有以下的至少一种：双峰分子量分布、低于80000的重均分子量(Mw)、低于10000的数均分子量(Mn)和低于5的多分散指数(PDI)。
12.用于压力管应用的母料，包括：
炭黑，其浓度在所述母料的45到50重量百分比(重量％)范围内，所述炭黑具有通过ASTMD-3849的小于25nm的粒度；
具有大于940kg/m3的密度的高密度聚乙烯(HDPE)载体树脂，所述树脂的浓度在所述母料的40到60重量％范围内，且具有在2.16kg/190℃下100g/10分钟以上的熔体流动指数、低于80000的重均分子量(Mw)、低于14000的数均分子量(Mn)和低于6的多分散指数(PDI)；和
一种或多种添加剂，其浓度是所述母料的5重量％或更低，其中所述一种或多种添加剂包括润滑剂和抗氧化剂的至少一种。
13.权利要求12的母料，其中所述一种或多种添加剂包括硬脂酸盐润滑剂和酚类抗氧化剂。
14.权利要求12的母料，其中根据ISO18553，在所述母料中所述炭黑的微观分散评分低于2，其中观察到的炭黑附聚体的98％或更多小于30微米。
15.权利要求12的母料，其中根据ISO18553，在所述母料中所述炭黑的微观分散评分低于2，其中观察到的炭黑附聚体的90％或更多小于10微米。
16.权利要求12的母料，其中所述母料包括在压力管配混物中和用基础聚合物稀释，使得在所述压力管配混物中存在2.0到3.0重量％浓度的炭黑。
17.压力管配混物，包括：
基础聚合物；和
母料，所述母料包括：
炭黑，其浓度是所述母料的45重量百分比(重量％)或更高，所述炭黑具有通过ASTMD-3849的小于25nm的粒度；和
具有大于940kg/m3的密度的高密度聚乙烯(HDPE)载体树脂，所述树脂的浓度在所述母料的40到60重量％范围内，且具有在2.16kg/190℃下100g/10分钟以上的熔体流动指数、低于80000的重均分子量(Mw)、低于14000的数均分子量(Mn)和低于6的多分散指数(PDI)；
其中母料用所述基础聚合物稀释，使得在所述压力管配混物中存在1.5到3.5重量％浓度的炭黑。
18.权利要求17的压力管配混物，其中所述母料进一步包括一种或多种添加剂，其浓度是所述母料的1重量％或更低，和其中所述一种或多种添加剂包括润滑剂和抗氧化剂的至少一种。
19.权利要求17的压力管配混物，其中所述炭黑浓度在所述母料的45到50重量％范围内，且具有以下的至少一种：在65到150m2/g范围内的BET表面积和在90到110cc/100g范围内的DBP吸收，且根据ISO18553，在所述母料中所述炭黑的微观分散评分低于2，其中观察到的炭黑附聚体的98％或更多小于30微米和/或观察到的炭黑附聚体的90％或更多小于10微米。
20.权利要求17的压力管配混物，其中所述压力管配混物为成品压力管的形式。
21.压力管配混物，包括基础聚合物和权利要求1-11任一项的母料。
22.压力管配混物，包括基础聚合物和权利要求12-16任一项的母料，其中在所述压力管配混物中存在2.0到3.0重量％浓度的炭黑。
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