CN104019298A - 双层复合管材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层复合管材及其制备方法，旨在解决传统的HDPE管材因添加炭黑色素造成的内壁不光洁、易产生水垢、滋生细菌、造成水质二次污染的技术问题。该双层复合管材包括内层和外层，内层由超高分子质量聚乙烯和乙烯-乙烯醇共聚物或低密度聚乙烯制成；外层由高密度聚乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物和PE专用黑色素颗粒C制成。该方法包括下列步骤：材料配比和除潮；材料塑化；材料成型；真空定径；喷淋冷却。该双层复合管材具有韧性、挠性好，化学稳定性很高，耐腐蚀性能好，密封性好，流通力大，使用寿命长，耐低温能力强，卫生无毒等优点。该制备方法工艺简单、易于操作，能够实现双层复合管材的一体化生产。

Description

双层复合管材及其制备方法
技术领域
本发明涉及供水工程用HDPE管材生产技术领域，具体涉及一种双层复合管材及其制备方法。
背景技术
HDPE -100级管材具有较强的韧性和耐久性以及很好的抗裂变力，目前已被广泛的应用于城乡人畜安全饮水项目中，但由于HDPE本身抗紫外线能力较差，在使用中均需添加一定比例的炭黑色母素（0.2g%-0.5g%）以增强抗紫外线的分解力，达到延长管材使用寿命及提高抗压能力的效果。由于炭黑元素为微分子颗粒状，在受热冷却时表面会形成一些细小裂纹和表层细小颗粒，积淀在管材内层，使管壁不光洁。在水流体通过时，水垢和一些微生物遇阻会停附在裂纹及颗粒周围越积越多，长时间会逐渐形成大量水垢和细菌滋生，给水质卫生安全带来隐患。目前，通常对水质矿化度和含氟量超标的水源，均采用氯氧化物处理及过滤处理，处理过后的水质会有一定的氯氧残留量，经过长期侵泡会使管壁表面炭黑素分解，造成水质的二次污染，炭黑素进入人体后会对肺纤维造成钙化破坏，对人体健康会带来一定的危害。因此，尽快克服HDPE管材在工程应用中的一些缺陷，开发一种性能良好、卫生无毒的新管材是本领域内存在的一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在解决传统的HDPE管材因添加炭黑色素造成的管材内壁不光洁、易产生水垢、滋生细菌、造成水质二次污染的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明双层复合管材，包括内层和外层，所述内层由质量百分比为55%～65%的超高分子质量聚乙烯和35%～45%的乙烯-乙烯醇共聚物或低密度聚乙烯制成；
所述外层由质量百分比为87%～92%的高密度聚乙烯、6%～9%的乙烯-乙烯醇共聚物和1%～4%的PE专用黑色素颗粒C制成。
所用超高分子量聚乙烯是分子量100万以上的聚乙烯，密度为0.920～0.964g/cm3，热变形温度(0.46MPa)85℃，熔点130～136℃，是线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。
所用高密度聚乙烯（HDPE）是白色粉末颗粒状产品，无毒、无味，密度在0.940～0.976 g/cm3范围内；结晶度为80%～90%，软化点为125～135℃，使用温度可达100℃。
所用低密度聚乙烯(即LDPE树脂)为无味、无臭、无毒、表面无光泽、乳白色蜡状颗粒，密度约0.920g/cm3，熔点130℃～145℃。不溶于水，微溶于烃类、甲苯等。能耐大多数酸碱的侵蚀，吸水性小，在低温时仍能保持柔软性，电绝缘性高。
 所用乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）是高度结晶体,其中乙烯含量为20%～45%。具有极好的加工性能，而且也对气体、气味、香料、溶剂等呈现出优异的阻断作用。
优选的，所述内层由质量百分比为60%的超高分子质量聚乙烯和40%的乙烯-乙烯醇共聚物或低密度聚乙烯制成。
优选的，所述外层由质量百分比为90%的高密度聚乙烯、8%的乙烯-乙烯醇共聚物和2%的PE专用黑色素颗粒C制成。
本发明双层复合管材将HDPE100级添加炭黑的色素料作管壁外层，发挥避光和抗紫外线作用，将UHMW-9003高密度超高分子白色透明材料做内层接触水体，能够使管材内的水体快速流动，无附着物，并能增强管材的抗压能力。
本发明双层复合管材的有益效果在于：
1.韧性、挠性好。HDPE-UHMW管道（以下所述“HDPE-UHMW管道”均指本发明双层复合管材）断裂伸长率超过500%，局部震动不会引起全部管子震动，抗震性很强。
2.化学稳定性强，耐腐蚀性能好。聚乙烯为惰性材料，可耐多种化学介质的侵蚀，不需防腐处理。土壤中的化学物质不会对管道造成降解作用，不会腐烂、生锈及被腐蚀。在一定温度和浓度范围内，可以耐受各种腐蚀性介质及有机介质的作用。
3.密封性好、不泄漏。HDPE-UHMW管道采用热熔连接和电熔连接。保证了接口材质、结构与管体本身的同一性。其接口的抗拉强度与爆破强度均高于管道本体。可有效抵抗内压产生的环向力及轴向的拉伸应力。密封性能良好。
4.流通力大，经济合算。HDPE-UHMW管道内层光滑，不结垢。管内表面当量绝对粗糙度比值是钢管的1/20，相同管径，相同长度，相同压力下HDPE-UHMW管道的流通能力要比钢管大30％左右。较高的输送能力，减少了管路的压力损失和输水能耗，经济优势明显。
5.使用寿命长。HDPE-UHMW管道含有2.5％左右的碳黑成分，有很强的抗紫外线辐射功能，能够在室外露天存放，使用寿命长达50年之久。
6.耐低温能力强。HDPE-UHMW管道的低温脆化温度极低，可在零下40摄氏度至40摄氏度温度范围内使用。
7.具有良好的抵抗快速裂纹传递能力。实践中，有些管道发生开裂时，裂纹以很快的速度迅速扩大，瞬间就可能使管道发生几十米甚至几百米的破坏。本项发明针对不同塑料管道的快速裂纹传递进行了大量的试验，结果表明：在塑料管道中HDPE-UHMW管道抵抗裂纹传递的能力具有明显的优势。
8.卫生无毒。HDPE-UHMW管道的卫生指标满足使用要求，完全卫生无毒，可用于接触食品和药物。不会造成二次污染，彻底解决了管道污染水源的缺陷。
本发明上述双层复合管材的制备方法，包括下列步骤：
（1）材料配比和除潮：按上述的原料配比选取内层原料和外层原料，将配比好的内层材料和外层材料分别进行除潮；
（2）材料塑化：将步骤（1）所得的内层材料和外层材料分别输送至螺杆挤出设备的内层进料口和外层进料口，将所述螺杆挤出设备的加料输送段温度设定在200～210℃，压缩段、熔融段的温度设定在235～240℃，均化段温度设定在230～240℃，塑化段温度定在225～230℃，开启该螺杆挤出设备，将所述材料进行塑化；
（3）材料成型：步骤（2）所得的经过塑化后的材料进入机头，使内层材料与外层材料共挤成型，得到成型后的管坯；
（4）真空定径：将步骤（3）所得的管坯在真空度为0.3～0.4MPa的条件下，采用定径套进行定径；
（5）喷淋冷却：当步骤（4）中的管坯进入定径套时，采用真空定型箱冷却系统，进行多段式喷淋冷却，冷却后得到制备完成的双层复合管材。
优选的，步骤（1）中的除潮方法为：
a.一次除潮：将干燥机预热1小时，预热温度设置为90℃；将配比好的材料倒入干燥机中除潮1～1.5小时后放料，且在放料口处吹风排潮；
b.二次除潮:将步骤a所得的材料经真空吸料机输送至真空贮料仓，再经真空贮料仓漏至二次除潮料斗进行二次加热除潮，二次加热除潮温度为80～90℃，时间为10～15min。
优选的，在步骤（3）所述材料成型过程中：机头的第一区合流区的温度设置为240～250℃；第二区内层和外层合流共挤区的区温度设置为230～235℃；第三区和第四区共挤压缩区的温度分别设置为230～235℃、240～245℃；第五区管材成型区的内加热温度设置为240～245℃，外加热温度设置为230～235℃。
优选的，步骤（2）所述螺杆挤出设备为SG/125-33DPE螺杆挤出机。
优选的，步骤（2）中所述塑化阶段的料筒均采用注铅电加热，加热圈功率为3～4kw,380A，供电为热，机身温度降温采用冷却风机。
优选的，步骤（4）所述定径套由黄铜制成，其长度为管材外径的两倍；定径时主机转为45HZ，管材压力等级为0.6～0.8MPa区间内，管坯在定径套内的时间为1.5～2min。
优选的，步骤（5）中喷淋冷却过程为：管坯进入定径套的第一仓前段1.5米为加密喷淋区，水温为40～42℃；第二段为冷却喷淋固化区，水温为30～35℃；第三段为稳定冷却区，水温为15℃；喷淋冷却时的真空度为0.03～0.04MPa。
本发明上述制备方法的有益效果在于：该方法工艺简单、易于操作，能够实现双层复合管材的一体化生产，自动化程度高，有利于节约人力成本，能够显著提高生产效率、减低生产成本。采用该方法制备的双层复合管材具有优越的基本性能和综合使用性能，与现有的管材相比，具有耐磨性和冲击强度更高、自润滑性好、冲击能吸收值高、消音效果好、抗粘附能力极强、密度小等优点，解决了目前HDPE给水用管材由于添加黑色元素分子造成内层不光滑，易于产生水垢积淀，滋生大量细菌的问题，以及目前由于水质处理时氯氧化物（CL）与炭黑发生化学反应对水质产生的二次污染问题。
附图说明
图1为本发明双层复合管材的结构示意图。
其中，1为外层；2为内层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：一种双层复合管材，包括内层和外层，内层由质量百分比为60%的UHMW-9003超高分子质量聚乙烯（UHMW-9003指超高分子质量聚乙烯，型号为9003）和40%的E/VAL-112A乙烯-乙烯醇共聚物制成（E/VAL-112A指乙烯-乙烯醇共聚物，型号为112A），所述外层由质量百分比为90%的HDPE-2480H高密度聚乙烯（HDPE-2480H指高密度聚乙烯，型号为2480H）、8%的E/VAL-112A乙烯-乙烯醇共聚物和2%的PE专用黑色素颗粒C制成。
所用超高分子量聚乙烯是分子量100万以上的聚乙烯，密度为0.920～0.964g/cm3，热变形温度(在0.46MPa条件下)85℃，熔点130～136℃，是线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。
所用高密度聚乙烯（HDPE）是白色粉末颗粒状产品，无毒、无味，密度在0.940～0.976 g/cm3范围内；结晶度为80%～90%，软化点为125～135℃，使用温度可达100℃。
所用低密度聚乙烯(即LDPE树脂)为无味、无臭、无毒、表面无光泽、乳白色蜡状颗粒，密度约0.920g/cm3，熔点130℃～145℃。不溶于水，微溶于烃类、甲苯等。能耐大多数酸碱的侵蚀，吸水性小，在低温时仍能保持柔软性，电绝缘性高。
 所用乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）是高度结晶体,其中乙烯含量为20%～45%。具有极好的加工性能，而且也对气体、气味、香料、溶剂等呈现出优异的阻断作用。
上述双层复合管材的制备方法，包括下列步骤：
（1）材料配比和除潮：按实施例1所述原料的配比选取内层原料和外层原料，将配比好的内层材料和外层材料分别进行除潮；
所述除潮方法为：
a.一次除潮：将干燥机预热1小时，预热温度设置为90℃；将配比好的材料倒入干燥机中，启动22kw的电机和排气风机，每锅料可根据混料机容积确定混料数量，一般每锅可干燥500kg-600kg，除潮时间为1.5小时，放料；放料口备有1.1kw的吹风机，用于吹风排潮；
b.二次除潮:先将步骤a所得的材料经真空吸料机输送至真空贮料仓，采用PE颗粒真空吸料机作为上料机，电机配备功率为2.2kw。上料时间根据实际情况设定，以真空贮料仓仓体总体积的4/5为宜，一般设定在30～40s之间。间隔时间以真空贮料仓内原材料下净，但二次预热除潮料口保持满斗为标准时间，一般间隔50～60s。真空吸料机的感应开关具有辅助吸料的功能，真空贮料仓内原材料一旦下净，此开关自动启动。材料再经真空贮料仓漏至二次除潮料斗进行二次加热除潮，二次加热除潮温度为85℃，二次除潮因为料物为动态，随下料除潮，从加热上方至底部，时间为15min。二次除潮的材料打开料斗下料口，直接漏到螺杆挤出设备的输料段。
（2）材料塑化：将步骤（1）所得的内层材料和外层材料分别输送至螺杆挤出设备的内层进料口和外层进料口，
螺杆挤出设备的电气控制系统均采用PLC电脑自动控制，配备功率为150kw主机电机驱动。共分为五段，第一段为加料输送段，固体材料在此不能塑化，但要预热受压挤实，温度设定在200～210℃；第二段、第三段为压缩段、熔融段，螺槽由大逐渐变小，经过加温料筒螺杆与之迁移摩擦，并形成高弹态、粘流态，温度设定在235℃～240℃；第四段、第五段为均化段、塑化段，当温度高于粘流态时，材料会产生热分解，当温度地域粘流态时或玻璃态时，就会产生脆化，第四段温度设定在230-240℃，第五段温度设定在225-230℃。开启该螺杆挤出设备，将所述材料进行塑化；其中，该螺杆挤出设备为SG/125-33DPE螺杆挤出机。
为便于温度控制，步骤（2）中所述塑化阶段的料筒均采用注铅电加热，加热圈功率为3～4kw,380A，供电为热，机身温度降温采用冷却风机。机身温度降温采用冷却风机，在加温和生产过程中因电阻丝的温度与机身实际设计温度差距较大，所以因热惯性引起的差较大，采用冷却风机可以解决这一的问题。
（3）材料成型：步骤（2）所得的经过塑化后的材料进入机头，经过滤网处由螺旋状改变为轴线走向状态，进入机头第一区合流区，合流区的主要作用是改变物料走向和物料的第一次压缩，这时物料已接内层和外层交汇分流区，为更好的使物料熔融，第一区温度应设置为240～250℃。
机头第二区为内层和外层合流共挤区，实现内层物料经过输送、熔融、均化、剪切、塑化，由横向改为轴向的过程，进行内层和外层物料的共挤，其温度置为230～235℃。
机头第三区和第四区为共挤压缩区。物料经过交汇、分流，进入第三区时，物料内层和外层已根据调查达到均化，粘连在此区进行，在外加热和作用力的共同作用下，熔融粘连，此区温度设置为230～235℃。物料进入第四区时已完成内外层的均化、分流、粘连、熔融过程，完全进入突变式共挤压缩段，达到最初的内外层均化色条共挤。此区温度设置为240～245℃。
材料经过以上几区的共同作用后进入机头第五区管材成型区，主要实现熔融压缩，再熔融再压缩成型的过程，此区也是内加热、外加热和主机螺杆外作用力的共同汇集区，此区内加热温度设置为240～245℃，外加热温度设置为230～235℃。
经过上述五个区的作用后，使内层材料与外层材料共挤成型，得到成型后的管坯；
（4）真空定径：将步骤（3）所得的管坯在真空度为0.3～0.4MPa的条件下，采用定径套进行定径；所述定径套由黄铜制成，因铜导热性能好，热导换快，是制作定径套的优先选择。定径套长度为管材外径的两倍；定径时主机转为45HZ，管材压力等级为0.6～0.8MPa区间内，管坯在定径套内的时间为1.5～2min。
（5）喷淋冷却：当步骤（4）中的管坯进入定径套时，采用真空定型箱冷却系统，进行多段式喷淋冷却，因为高分子材料在骤热冷却定型时易在挤包层内留内应力，导致管材在使用或生产过程中产生龟裂，影响管材使用寿命，所以在管坯进入定径套时，设有水环式冷却装置，防止因管坯温度太高，粘度大而粘在定径套上，管材在冷却过程中会释放热量，冷却水环水量可根据实际情况调剂，以管坯不粘连定径套为准，为保证质量和生产速度，共有两台4kw,380v水泵直供喷淋。管坯进入定径套的第一仓前段1.5米为加密喷淋区，用单独一台4kw水泵供水，水温为40～42℃；第二段与第三段共用一台水泵供水，第二段为冷却喷淋固化区，水温为30～35℃；第三段为稳定冷却区，水温为15℃；喷淋冷却时的真空度为0.03～0.04MPa冷却完成后得到制备完成的双层复合管材。
实施例2：与实施例1的不同之处在于，双层复合管材的内层由质量百分比为62%的超高分子质量聚乙烯和38%的低密度聚乙烯制成。
实施例3：与实施例1的不同之处在于，双层复合管材的内层由质量百分比为65%的超高分子质量聚乙烯和35%的乙烯-乙烯醇共聚物制成；外层由质量百分比为92%的高密度聚乙烯、7%的乙烯-乙烯醇共聚物和1%的PE专用黑色素颗粒C制成。
实施例4：与实施例2的不同之处在于，双层复合管材的内层由质量百分比为55%的超高分子质量聚乙烯和45%的低密度聚乙烯制成；外层由质量百分比为88%的高密度聚乙烯、8%的乙烯-乙烯醇共聚物和4%的PE专用黑色素颗粒C制成。
本发明双层复合管材具有以下工程特性：
1.连接方便、施工简单。因HDPE-UHMW 管道管体较轻，搬运方便；焊接容易；聚乙烯的挠性使HDPE-UHMW 管道可以盘卷（尤其口径小的HDPE-UHMW 管道），减少了大量的连接管件，管线较长时宜采用盘管敷设；HDPE-UHMW 管道管沟要求远比钢管管沟要求低。这都大大降低了施工难度和施工费用。
2.耐磨性极高，比尼龙66和聚四氟乙烯高4倍，比碳钢高6倍，是目前所有合成树脂中最好的。
3.冲击强度高，为聚碳酸酯的2倍，ABS的5倍，且能在液氮温度（-196℃）下保持高韧性。
4.自润滑性好，其自润滑性与聚四氟乙烯相当，磨擦系数仅为0.07－0.11；仅为钢材磨擦系数的1/3－1/4。
5.冲击能吸收值在所有塑料中为最高，消音效果很好。
6.抗粘附能力极强，仅次于“塑料王”聚四氟乙烯。
7.密度在所有工程塑料中最小，比聚四氟乙烯轻56%，比聚碳酸酯轻22%；密度为钢的1/8。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种双层复合管材，包括内层和外层，其特征在于，所述内层由质量百分比为55%～65%的超高分子质量聚乙烯和35%～45%的乙烯-乙烯醇共聚物或低密度聚乙烯制成；
所述外层由质量百分比为87%～92%的高密度聚乙烯、6%～9%的乙烯-乙烯醇共聚物和1%～4%的PE专用黑色素颗粒C制成。
2.根据权利要求1所述的双层复合管材，其特征在于，所述内层由质量百分比为60%的超高分子质量聚乙烯和40%的乙烯-乙烯醇共聚物或低密度聚乙烯制成。
3.根据权利要求1所述的双层复合管材，其特征在于，所述外层由质量百分比为90%的高密度聚乙烯、8%的乙烯-乙烯醇共聚物和2%的PE专用黑色素颗粒C制成。
4.一种权利要求1所述双层复合管材的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）材料配比和除潮：按权利要求1所述原料的配比选取内层原料和外层原料，将配比好的内层材料和外层材料分别进行除潮；
（2）材料塑化：将步骤（1）所得的内层材料和外层材料分别输送至螺杆挤出设备的内层进料口和外层进料口，将所述螺杆挤出设备的加料输送段温度设定在200～210℃，压缩段、熔融段的温度设定在235～240℃，均化段温度设定在230～240℃，塑化段温度定在225～230℃，开启该螺杆挤出设备，将所述材料进行塑化；
（3）材料成型：步骤（2）所得的经过塑化后的材料进入机头，使内层材料与外层材料共挤成型，得到成型后的管坯；
（4）真空定径：将步骤（3）所得的管坯在真空度为0.3～0.4MPa的条件下，采用定径套进行定径；
（5）喷淋冷却：当步骤（4）中的管坯进入定径套时，采用真空定型箱冷却系统，进行多段式喷淋冷却，冷却后得到制备完成的双层复合管材。
5.根据权利要求4所述的双层复合管材的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的除潮方法为：
a.一次除潮：将干燥机预热1小时，预热温度设置为90℃；将配比好的材料倒入干燥机中除潮1～1.5小时后放料，且在放料口处吹风排潮；
b.二次除潮:将步骤a所得的材料经真空吸料机输送至真空贮料仓，再经真空贮料仓漏至二次除潮料斗进行二次加热除潮，二次加热除潮温度为80～90℃，时间为10～15min。
6.根据权利要求4所述的双层复合管材的制备方法，其特征在于，在步骤（3）所述材料成型过程中：机头的第一区合流区的温度设置为240～250℃；第二区内层和外层合流共挤区的区温度设置为230～235℃；第三区和第四区共挤压缩区的温度分别设置为230～235℃、240～245℃；第五区管材成型区的内加热温度设置为240～245℃，外加热温度设置为230～235℃。
7.根据权利要求4所述的双层复合管材的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述螺杆挤出设备为SG/125-33DPE螺杆挤出机。
8.根据权利要求4所述的双层复合管材的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述塑化阶段的料筒均采用注铅电加热，加热圈功率为3～4kw,380A，供电为热，机身温度降温采用冷却风机。
9.根据权利要求4所述的双层复合管材的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述定径套由黄铜制成，其长度为管材外径的两倍；定径时主机转为45HZ，管材压力等级为0.6～0.8MPa区间内，管坯在定径套内的时间为1.5～2min。
10.根据权利要求4所述的双层复合管材的制备方法，其特征在于，步骤（5）中喷淋冷却过程为：管坯进入定径套的第一仓前段1.5米为加密喷淋区，水温为40～42℃；第二段为冷却喷淋固化区，水温为30～35℃；第三段为稳定冷却区，水温为15℃；喷淋冷却时的真空度为0.03～0.04MPa。
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