CN103756088A - 高强度耐温耐磨的聚乙烯管材 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，该高强度耐温耐磨的聚乙烯管材从内至外依次包括：微米级改性超高分子量聚乙烯层、高密度聚乙烯与无机矿物的高分子改性材料层、聚乙烯毡层，按重量份计，所述聚乙烯毡层的原料组成为：聚乙烯100份；纳米材料10-20份；相容剂1-3份；增韧剂1-3份；偶联剂1-2份；加工润滑剂1-1.5份；抗氧剂1-1.5份。本发明的优点是：通过纳米粒子在塑料树脂中的充分分散，有效地提高了塑料的耐热、耐候、耐磨等性能。

Description

高强度耐温耐磨的聚乙烯管材
技术领域
本发明涉及管材技术领域，尤其是涉及一种高强度耐温耐磨的聚乙烯管材。
背景技术
目前，随着我国的住宅产业快速发展以及城镇建设和西部大开发的持续开展推进，城市基础设施建设投入持续加大，为塑料管带来巨大的市场需求。资料显示，截止2010年底，全国建筑给水、热水供给领域至少80%采用塑料管，塑料管的需求量达到8-10万吨/年。即，塑料管在冷热水输送领域已得到了很好的发展。
然而，人们在应用塑料管的过程中发现，普通塑料管由于本身材料的原因，造成了管材在施工安装和使用过程中具有一些不足之处。例如对于PP-R管道而言，其材料本身脆性比较大，耐磨性能不佳，在运输及安装过程中，易划伤管材表面，影响管材表面外观质量和美观，严重情况下还会影响管材使用过程中的可靠性。又例如对于HDPE管道而言，其韧性虽然远远优于PP-R管道，但它不能用于热水的输送，且管材表面耐磨性差，表面划伤严重的情况下时有发生从而易发生管道局部破坏或渗漏。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，它具有耐热、耐候、耐磨性能较佳的特点。
本发明所采用的技术方案是：高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，该高强度耐温耐磨的聚乙烯管材从内至外依次包括：微米级改性超高分子量聚乙烯层、高密度聚乙烯与无机矿物的高分子改性材料层、聚乙烯毡层，按重量份计，所述聚乙烯毡层的原料组成为：
聚乙烯——————100份；      纳米材料——————10-20份；
相容剂——————1-3份；      增韧剂——————1-3份；
偶联剂——————1-2份；      加工润滑剂——————1-1.5份；
抗氧剂——————1-1.5份。
所述聚乙烯为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的一种，或者，所述聚乙烯为等重量的高密度聚乙烯与线性低密度聚乙烯的混合物。
所述纳米材料为纳米碳纤维、纳米石墨烯、微米级超高分子量聚乙烯、纳米碳酸钙、纳米硫酸钡中的一种。
所述相容剂为马来酸酐或马来酸酐接枝聚乙烯。
所述增韧剂为二元乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物中的一种。
所述偶联剂为铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的一种。
所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、白油中的一种。
所述抗氧剂为抗氧剂CA、抗氧剂1010、抗氧剂168中的一种。
前述各个组分中，纳米材料的加入形成纳米塑料。所谓“纳米塑料”是指基体为高分子聚合物，通过纳米粒子在塑料树脂中的充分分散，有效地提高了塑料的耐热、耐候、耐磨等性能。“纳米塑料”能使普通塑料具有象陶瓷材料一样的刚性和耐热性，同时又保留了塑料本身所具备的韧性、耐冲击性和易加工性。目前，能实行产业化的有通过纳米粒子改性的NPE、NPET和NPA6(即纳米聚乙烯、纳米PET聚脂、纳米尼龙6），其已在ABS、SPVC、HIPS、PP、PE塑料中得到应用。
其次，该高强度耐温耐磨的聚乙烯管材还具有超高分子量聚乙烯。该超高分子量聚乙烯（UHMW-PE英文全称是ultra-high molecular weightpolyethylene pipe）是由乙烯、丁二烯单体在催化剂的作用下，聚合而成的平均分子量大于200万的热塑性工程塑料。该材料综合性能可长期在-269至+80℃条件下工作，被称为"令人惊异"的工程塑料，超高分子量聚乙烯工程塑料(UHMW---PE)管道技术在我国日渐成熟，越来越多的工程采用了这种管道，成为一种价格适中性能优良的新型热塑性工程塑料。
这样，本发明和现有技术相比所具有的优点是：通过纳米粒子在塑料树脂中的充分分散，有效地提高了塑料的耐热、耐候、耐磨等性能。“纳米塑料”能使普通塑料具有象陶瓷材料一样的刚性和耐热性，同时又保留了塑料本身所具备的韧性、耐冲击性和易加工性。通过硅烷偶联剂将聚乙烯与纳米材料界面偶联起来，从而提高复合材料的性能和增加黏结强度，并获得性能优异、可靠的新型复合材料。用偶联剂对纳米材料的表面处理，可以增加无机材料的填充量，降低塑料材料生产成本，同时提高材料的抗拉抗压强度、力学模量和耐热性等性能，整体提高了聚乙烯管材的质量和经济及社会效益。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的各实施例中高强度耐温耐磨的聚乙烯管材中外层聚乙烯毡材料的制备过程的示意图。
具体实施方式
实施例1
高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，该高强度耐温耐磨的聚乙烯管材从内至外依次包括：微米级改性超高分子量聚乙烯层、高密度聚乙烯与无机矿物的高分子改性材料层、聚乙烯毡层。
其中，该聚乙烯毡层的原料组成为：聚乙烯100kg；纳米材料10kg；相容剂1kg；增韧剂1kg；偶联剂1kg、加工润滑剂1kg；抗氧剂1kg。
更具体的，该聚乙烯采用高密度聚乙烯、该纳米材料采用纳米碳纤维、该相容剂采用马来酸酐、该增韧剂采用二元乙丙橡胶、该偶联剂采用铝酸酯偶联剂、该润滑剂采用聚乙烯蜡、该抗氧剂采用抗氧剂CA。
结合图1所示，该高强度耐温耐磨的聚乙烯管材中外层聚乙烯毡材料的制备，可以采用下述方法：
1）高速混合机预热到机体温度70℃；
2）将纳米材料倒入高速混合机搅拌15分钟，转速500转/分钟；
3）将偶联剂倒入高速混合机中搅拌10分钟；转速500转/分钟；
4）将其余原料倒入高速混合机中低速搅拌5分钟，转速150转/分钟；
5）将步骤（4）所得混合料加入到双螺杆挤出造粒机的加料口，在170-205℃下，以120转/分钟的转速挤出；
6）将步骤（5）所得挤出物依次通过拉条水槽冷却或拉条风冷冷却，并切割为颗粒；
7）将步骤（6）所得的颗粒与中间层材料和内层材料分别放入三层共挤管材生产的储料仓进行管材制备。
在前述高强度耐温耐磨的聚乙烯管材中外层聚乙烯毡材料的制备过程中：
挤出工艺参数为：
内层挤出工艺参数：机筒温度190℃，模头温度205℃，主机转速85转/分钟。
中间层挤出工艺参数：机筒温度175℃，模头温度185℃，主机转速95转/分钟。
外层挤出工艺参数：机筒温度190℃，模头温度180℃，主机转速60转/分钟。
冷却水温度20±10℃，真空定型度0.01-0.09兆帕，牵引速度200厘米/分钟。
步骤5）中170-205℃的挤出温度具体设置如下：第一段180±10℃；第二段185±10℃；第三段195±10℃；第四段195±10℃，第五段195±10℃，第六段195±10℃，第七段195±10℃，第八段190±10℃，第九段180±10℃，第十段175±10℃，第十一段170±10℃。主机转速100-250转/分钟，喂料转速30-50转/分钟。
这样，制备出成品1。
实施例2
与实施例1的区别在于：该聚乙烯毡层的原料组成为：聚乙烯100kg；纳米材料15kg；相容剂2kg；增韧剂2kg；偶联剂1.5kg、加工润滑剂1.2kg；抗氧剂1.2kg。
其中，该聚乙烯采用中密度聚乙烯、该纳米材料采用纳米石墨烯、该相容剂采用马来酸酐接枝聚乙烯、该增韧剂采用三元乙丙橡胶、该偶联剂采用钛酸酯偶联剂、该润滑剂采用硬脂酸、该抗氧剂采用抗氧剂1010。
结合图1所示，该高强度耐温耐磨的聚乙烯管材中外层聚乙烯毡材料的制备，可以采用下述方法：
1）高速混合机预热到机体温度80℃；
2）将纳米材料倒入高速混合机搅拌18分钟，转速600转/分钟；
3）将偶联剂倒入高速混合机中搅拌15分钟；转速600转/分钟；
4）将其余原料倒入高速混合机中低速搅拌5分钟，转速180转/分钟；
5）将步骤（4）所得混合料加入到双螺杆挤出造粒机的加料口，在170-205℃下，以120-380转/分钟的转速挤出；
6）将步骤（5）所得挤出物依次通过拉条水槽冷却或拉条风冷冷却，并切割为颗粒；
7）将步骤（6）所得的颗粒与中间层材料和内层材料分别放入三层共挤管材生产的储料仓进行管材制备。
在前述高强度耐温耐磨的聚乙烯管材中外层聚乙烯毡材料的制备过程中：
挤出工艺参数为：
内层挤出工艺参数：机筒温度:200℃，模头温度210℃，主机转速100转/分钟。
中间层挤出工艺参数：机筒温度180℃，模头温度190℃，主机转速130转/分钟。
外层挤出工艺参数：机筒温度200℃，模头温度190℃，主机转速80转/分钟。
冷却水温度20±10℃，真空定型度0.01-0.09兆帕，牵引速度200厘米/分钟
步骤5）中170-205℃的挤出温度具体设置如下：第一段180±10℃；第二段185±10℃；第三段195±10℃；第四段195±10℃，第五段195±10℃，第六段195±10℃，第七段195±10℃，第八段190±10℃，第九段180±10℃，第十段175±10℃，第十一段170±10℃。主机转速100-250转/分钟，喂料转速30-50转/分钟。
这样，制备出成品2。
实施例3
与实施例1的区别在于：该聚乙烯毡层的原料组成为：聚乙烯100kg；纳米材料20kg；相容剂3kg；增韧剂3kg；偶联剂2kg、加工润滑剂1.5kg；抗氧剂1.5kg。
其中，该聚乙烯采用低密度聚乙烯、该纳米材料采用微米级超高分子量聚乙烯、该增韧剂采用乙烯-醋酸乙烯共聚物、该偶联剂采用硅烷偶联剂、该润滑剂采用白油、该抗氧剂采用抗氧剂168。
结合图1所示，该高强度耐温耐磨的聚乙烯管材中外层聚乙烯毡材料的制备，可以采用下述方法：
1）高速混合机预热到机体温度90℃；
2）将纳米材料倒入高速混合机搅拌20分钟，转速800转/分钟；
3）将偶联剂倒入高速混合机中搅拌20分钟；转速800转/分钟；
4）将其余原料倒入高速混合机中低速搅拌5分钟，转速200转/分钟；
5）将步骤（4）所得混合料加入到双螺杆挤出造粒机的加料口，在170-205℃下，以120-380转/分钟的转速挤出；
6）将步骤（5）所得挤出物依次通过拉条水槽冷却或拉条风冷冷却，并切割为颗粒；
7）将步骤（6）所得的颗粒与中间层材料和内层材料分别放入三层共挤管材生产的储料仓进行管材制备。
在前述高强度耐温耐磨的聚乙烯管材中外层聚乙烯毡材料的制备过程中：
挤出工艺参数为：
内层挤出工艺参数：机筒温度:210℃，模头温度220℃，主机转速120转/分钟。
中间层挤出工艺参数：机筒温度200℃，模头温度200℃，主机转速150转/分钟。
外层挤出工艺参数：机筒温度210℃，模头温度200℃，主机转速100转/分钟。
冷却水温度20±10℃，真空定型度0.01-0.09兆帕，牵引速度200厘米/分钟
步骤5）中170-205℃的挤出温度具体设置如下：第一段180±10℃；第二段185±10℃；第三段195±10℃；第四段195±10℃，第五段195±10℃，第六段195±10℃，第七段195±10℃，第八段190±10℃，第九段180±10℃，第十段175±10℃，第十一段170±10℃。主机转速100-250转/分钟，喂料转速30-50转/分钟。
这样，制备出成品3。
实施例4
与实施例1的区别在于：该聚乙烯毡层的原料组成为：聚乙烯100kg；纳米材料16kg；相容剂1kg；增韧剂2kg；偶联剂1kg、加工润滑剂1.5kg；抗氧剂1kg。
其中，该聚乙烯采用线性低密度聚乙烯、该纳米材料采用纳米碳酸钙、该增韧剂采用乙烯-辛烯共聚物、该偶联剂采用硅烷偶联剂、该润滑剂采用硬脂酸。
制备方法完全相同于实施例1，最终制备出成品4。
实施例5
与实施例2的区别在于：该聚乙烯毡层的原料组成为：聚乙烯100kg；纳米材料13kg；相容剂3kg；增韧剂3kg；偶联剂1.5kg、加工润滑剂1.1kg；抗氧剂1kg。
其中，该聚乙烯采用高密度聚乙烯与50kg的线性低密度聚乙烯的混合物、该纳米材料采用纳米硫酸钡、该增韧剂采用乙烯-醋酸乙烯共聚物。
制备方法完全相同于实施例1，最终制备出成品5。
经常规实验，对前述成品1-5的参数进行测试，结果见下表所示：
附表：成品1-5性能参数对照
Figure BDA0000447554530000091
由附表数据可知，本发明的高强度耐温耐磨的聚乙烯管材的各项性能指标相对于PP-R管道、HDPE管道而言较优，具有较好的耐热、耐候、耐磨性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，该高强度耐温耐磨的聚乙烯管材从内至外依次包括：微米级改性超高分子量聚乙烯层、高密度聚乙烯与无机矿物的高分子改性材料层、聚乙烯毡层，其特征在于：按重量份计，所述聚乙烯毡层的原料组成为：
聚乙烯——————100份；      纳米材料——————10-20份；
相容剂——————1-3份；      增韧剂——————1-3份；
偶联剂——————1-2份；      加工润滑剂——————1-1.5份；
抗氧剂——————1-1.5份。
2.根据权利要求1所述的高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，其特征在于：所述聚乙烯为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的一种，或者，所述聚乙烯为等重量的高密度聚乙烯与线性低密度聚乙烯的混合物。
3.根据权利要求1所述的高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，其特征在于：所述纳米材料为纳米碳纤维、纳米石墨烯、微米级超高分子量聚乙烯、纳米碳酸钙、纳米硫酸钡中的一种。
4.根据权利要求1所述的高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，其特征在于：所述相容剂为马来酸酐或马来酸酐接枝聚乙烯。
5.根据权利要求1所述的高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，其特征在于：所述增韧剂为二元乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物中的一种。
6.根据权利要求1所述的高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，其特征在于：所述偶联剂为铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的一种。
7.根据权利要求1所述的高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，其特征在于：所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、白油中的一种。
8.根据权利要求1所述的高强度耐温耐磨的聚乙烯管材，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂CA、抗氧剂1010、抗氧剂168中的一种。
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