CN104558780B - 一种高密度聚乙烯微孔发泡管材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高密度聚乙烯微孔发泡管材及其制备方法，属于管材制备技术领域。它包括以下重量份的组分：高密度聚乙烯100份线性低密度聚乙烯5~10份、主发泡剂1~8份、辅助发泡剂0.5~4份、发泡助剂0.5~4份、成核剂1~5份、偶联剂0.1~0.5份、分散剂0.2~1份和抗氧剂0.5~2份经混合、挤出得到。本发明通过采用复合型发泡体系，挤出过程中吸放热平衡，工艺稳定，得到的微孔发泡的管材，力学性能优良，适合用于低压给水和刚性承载，其制备过程高度连续且稳定、安全无环境污染，适合工业化规模生产。

Description

一种高密度聚乙烯微孔发泡管材及其制备方法
技术领域
本发明属于管材制备技术领域，具体涉及一种高密度聚乙烯微孔发泡管材及其制备方法。
背景技术
聚乙烯的发泡技术的近年来有了很大的发展，其发泡制品具有质轻、耐腐蚀、隔热、绝缘等优点。低密度聚乙烯的发泡性能较好，发泡倍率可以达到45倍，被广泛的用于保温和包装材料。相比于低密度聚乙烯，高密度聚乙烯的发泡性能较差，但是高密度聚乙烯的发泡制品具有更好的强度和刚性、耐热性能，可以用来生产某些低压给水和外护套管材。
但通常高密度聚乙烯发泡泡孔较大，导致比强度下降明显，材料性价比不高，为了改善聚乙烯发泡材料的性能，进而拓宽聚乙烯发泡材料的应用领域，目前发泡工艺中最为热门的研究课题之一就是微孔发泡。微孔发泡显著地提高了发泡材料的力学性能，同时赋予聚合物优异的崭新的性能，成为众多科研人员研究的新领域、新方向。就微孔发泡材料而言，泡孔的直径比较小，约在1-100微米。从聚乙烯微孔发泡的工艺选择上，物理发泡需专用输送物理发泡剂的设备，或增加很繁琐的工艺，成本较高。而化学法微孔发泡设备简单，但是发泡过程的吸放热不利于挤出加工的稳定，会造成泡孔尺寸不均匀，导致性能不稳定。加之聚乙烯管材挤出工序复杂，工艺控制难度大，目前少有化学法微孔发泡技术在聚乙烯管材上的应用研究报道。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种可以连续生产均匀致密的闭孔发泡聚乙烯管材的高密度聚乙烯微孔发泡管材及其制备方法。
所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材，其特征在于包括以下重量份的组分：
高密度聚乙烯100份 线性低密度聚乙烯5~10份
主发泡剂1~8份 辅助发泡剂0.5~4份
发泡助剂0.5~4份 成核剂1~5份
偶联剂0.1~0.5份 分散剂0.2~1份 抗氧剂0.5~2份
所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材，其特征在于所述的高密度聚乙烯为管材专用料或者中空料，其熔融指数为0.15~1.5g/10min。
所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材，其特征在于所述的主发泡剂为碳酸氢钠，其粉体为粒径1~10微米的粉体，所述的辅助发泡剂为柠檬酸、柠檬酸三甲酯、柠檬酸三乙酯、柠檬酸三辛酯和偶氮二甲酰胺中的一种或几种的混合物。
所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材，其特征在于所述的发泡助剂为硬脂酸锌、氧化锌、硬脂酸和芥酸酰胺中的一种或几种的混合物。
所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材，其特征在于所述的成核剂为硫酸钙晶须、链状结构的纳米碳酸钙、柠檬酸钠、超细滑石粉、二氧化钛中的任意一种。
所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材，其特征在于所述的偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、异丙基三(焦磷酸二辛酯)钛酸酯中的任意一种；所述的分散剂为聚乙烯蜡、硬脂酸酰胺、芥酸酰胺、乙烯基双硬脂酰胺的中一种或两种混合物；所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂330或抗氧剂168中的一种或两种混合物。
所述的高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）制备复合发泡剂：将主发泡剂与发泡助剂在打粉机中混合2-4分钟，对主发泡剂进行活化；接着加入辅助发泡剂，搅拌1~3分钟，均匀后将物料放出，制得复合发泡剂；
2）成核剂的分散：将线性低密度聚乙烯、成核剂、分散剂、偶联剂、抗氧剂加入高速混合机中，以735转/分的低速保持50~60℃混合2~3分钟，得到成核剂预分散混合料；
3）将步骤1）得到的复合发泡剂加入到步骤2）的成核剂预分散混合料的高速混合机中，以1475转/分的高速保持70~80℃混合2~3分钟，均匀后出料，制得粉体混合料；
4）将步骤3）得到的粉体混合料和高密度聚乙烯通过失重式配料器进入单螺杆挤出机挤出得到高密度聚乙烯微孔发泡管材，螺杆输送段温度为165~185℃，熔融段和混合段温度为200~230℃，熔体泵到模头口模温度从230℃到170℃逐渐降低。
所述的高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于螺杆输送段分为机筒一区和机筒二区；所述的机筒一区温度为165~170℃，机筒二区温度为 175~185℃。
所述的高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于熔融段和混合段分为三区和四区，所述的三区温度为200~210℃、四区温度为220~230℃。
所述的高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于熔体泵到模头口模温度分为6个区，且温度从230℃降到170℃逐渐降低，具体模头各区温度设定为：一区210℃，二区 190℃，三区185℃，四区180℃，五区175℃，六区170℃。
.通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1）本发明的粉体混合料和高密度聚乙烯树脂通过双组份失重式配料系统进入单螺杆挤出机中，发泡剂充分分解后气体以超临界态均匀分散到高密度聚乙烯中，熔体经熔体稳压泵、挤出机模头成型熔融管胚，形成气、固、液三相共存体，在口模处熔体在160~175℃接触空气后压力迅速下降，由85~95bar骤降到大气压，使得气体在无机粒子间隙开始析出形成泡孔，管材经真空定径、喷淋冷却、牵引、定长切割，在这过程中泡孔经过成长、定型最终形成均匀致密的闭孔发泡管材；
2）本发明为了达到发泡剂充分分解，气体以超临界态均匀分散到高密度聚乙烯中的要求，挤出机以及模头温度采取“低—高—低”的“钟形”温度分布，螺杆输送段温度较低165~185℃，低的温度可以阻止过早发泡，防止气体从喂料斗逸出；熔融段和混合段温度为200~230℃，充分保证发泡母粒以及色母在PE树脂中分散均匀，选用的发泡剂在此完全分解产生气体并溶解在熔融态树脂中；挤出机出来经熔体泵从模头到口模温度逐渐降低，从230℃降到170℃，保证熔体有较高的熔体强度，充分的包裹发泡剂分解产生的气体，产生足够的背压防止泡孔膨胀过大，以及泡孔破裂；
3）本发明通过采用复合型发泡体系，挤出过程中吸放热平衡，工艺稳定，得到的微孔发泡的管材，力学性能优良，适合用于低压给水和刚性承载，其制备过程高度连续且稳定、安全无环境污染，适合工业化规模生产。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的描述，但是不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1：
一种高密度聚乙烯微孔发泡管材由以下重量份数的组份组成：PE100管道料100份，线性低密度聚乙烯6201RQ 6份，碳酸氢钠4份，柠檬酸2份，氧化锌2份，硫酸钙晶须2份，3-氨基丙基三乙氧基硅烷0.1份，乙烯基双硬脂酰0.5份，抗氧剂330（1,3,5-三甲基-2,4,6-三（3,5-二叔丁基-4-羟基苄基）苯）0.5份，抗氧剂168（三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯）1份，本发明的线性低密度聚乙烯为埃克森美孚粉料，其牌号为6201RQ，主要用作粉体助剂的分散载体。
具体实施：
步骤1:将4份碳酸氢钠与2份发泡助剂氧化锌在打粉机中混合3分钟，接着加入2份柠檬酸，搅拌2分钟，均匀后将物料放出，制得复合发泡剂；
步骤2：将6份线性低密度聚乙烯6201RQ粉料、2份硫酸钙晶须，0.5份乙烯基双硬脂酰、0.1份3-氨基丙基三乙氧基硅烷、0.5份的抗氧剂330和1份抗氧剂168加入50℃高速混合机中低速以735转/分混合2分钟；
步骤3：将步骤1制得的复合发泡剂加入步骤2中的高混机，保持80℃以1475转/分混合3分钟后出料；
步骤4：将步骤3的粉体混合料和100份的PE100管材专用树脂，通过双组份失重式配料系统加入挤出机中挤出管材。挤出机机筒各区温度设定为：一区170℃，二区 180℃，三区200℃，四区220℃。模头各区温度设定为：一区210℃， 二区 190℃，三区185℃，四区180℃，五区175℃，六区170℃。
该实施例中，所述的高密度聚乙烯为挤出级的管材专用料或者中空料，其熔融指数为0.15~1.5g/10min，碳酸氢钠其粉体为粒径1~10微米的粉体，所述的辅助发泡剂用柠檬酸、柠檬酸三甲酯、柠檬酸三乙酯、柠檬酸三辛酯和偶氮二甲酰胺中的一种或几种的混合物代替柠檬酸；发泡助剂用硬脂酸锌、氧化锌、硬脂酸和芥酸酰胺中的一种或几种的混合物代替氧化锌；成核剂为链状结构的纳米碳酸钙、柠檬酸钠、超细滑石粉、二氧化钛中的任意一种代替硫酸钙晶须；偶联剂为γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、异丙基三(焦磷酸二辛酯)钛酸酯代替3-氨基丙基三乙氧基硅烷；分散剂为聚乙烯蜡、硬脂酸酰胺、芥酸酰胺、乙烯基双硬脂酰胺的中一种或两种混合物代替乙烯基双硬脂酰胺；抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂330或抗氧剂168中的一种或两种混合物代替抗氧剂330和抗氧剂168的混合物，均能取得同样的技术效果。
实施例2：
一种高密度聚乙烯微孔发泡管材由以下重量份数的组份组成：高密度聚乙烯5000S 100份，线性低密度聚乙烯6201RQ 5份，碳酸氢钠4份，柠檬酸三乙脂2份，氧化锌2份，硫酸钙晶须2份，3-氨基丙基三乙氧基硅烷0.1份，乙烯基双硬脂酰0.5份，抗氧剂330（1,3,5-三甲基-2,4,6-三（3,5-二叔丁基-4-羟基苄基）苯）0.5份，抗氧剂168（三（2，4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯）1份。
具体实施：
步骤1:将4份碳酸氢钠与2份发泡助剂氧化锌在打粉机中混合3分钟，接着加入2份柠檬酸三乙脂，搅拌2分钟，均匀后将物料放出，制得复合发泡剂；
步骤2：将5份线性低密度聚乙烯6201RQ粉料、2份硫酸钙晶须、0.5份乙烯基双硬脂酰、0.1份3-氨基丙基三乙氧基硅烷、0.5份的抗氧剂330和1份抗氧剂168加入50℃高速混合机中低速以735转/分混合2分钟；
步骤3：将步骤1制得的复合发泡剂加入步骤2中的高混机，保持80℃以1475转/分混合3分钟后出料；
步骤4：将步骤3的粉体混合料和100份的高密度聚乙烯5000S，通过双组份失重式配料系统加入挤出机中挤出管材。挤出机机筒各区温度设定为：一区170℃，二区 180℃，三区200℃，四区220℃。模头各区温度设定为：一区210℃， 二区 190℃，三区185℃，四区180℃，五区175℃，六区170℃。
实施例3：
一种高密度聚乙烯微孔发泡管材由以下重量份数的组份组成：高密度聚乙烯PE100 100份，线性低密度聚乙烯6201RQ 5份，碳酸氢钠4份，柠檬酸三乙脂2份，偶氮二甲酰胺2份，氧化锌2份，硫酸钙晶须2份，3-氨基丙基三乙氧基硅烷0.1份，乙烯基双硬脂酰0.5份，抗氧剂330（1,3,5-三甲基-2,4,6-三（3,5-二叔丁基-4-羟基苄基）苯）0.5份，抗氧剂168（三（2，4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯）1份。
具体实施：
步骤1:将4份碳酸氢钠与2份发泡助剂氧化锌在打粉机中混合3分钟，接着加入2份柠檬酸三乙脂和2份偶氮二甲酰胺，搅拌2分钟，均匀后将物料放出，制得复合发泡剂；
步骤2：将5份线性低密度聚乙烯6201RQ粉料、2份硫酸钙晶须、0.5份乙烯基双硬脂酰、0.1份3-氨基丙基三乙氧基硅烷、0.5份的抗氧剂330和1份抗氧剂168加入50℃高速混合机中低速以735转/分混合2分钟；
步骤3：将步骤1制得的复合发泡剂加入步骤2中的高混机，保持80℃以1475转/分混合3分钟后出料；
步骤4：将步骤3的粉体混合料和100份的PE100管材专用树脂，通过双组份失重式配料系统加入挤出机中挤出管材。挤出机机筒各区温度设定为：一区170℃，二区 180℃，三区200℃，四区220℃。模头各区温度设备为：一区210℃， 二区 190℃，三区185℃，四区180℃，五区175℃，六区170℃。
实施例1~3，分别挤出D110、壁厚为4.2mm的发泡管材，管材内外壁光滑，从管材上制样，测得的强度等性能指标如表1所示：
表1 本发明制得的发泡管材的物理性能
性能指标 实施例1 实施例2 实施例3
密度（g/cm³） 0.70 0.68 0.63
拉伸强度（MPa） 16.52 19.36 16.28
断裂伸长率（%） 582.67 400.38 601.38
弯曲模量（N/m2） 682.22 802.11 617.26
泡孔直径（μm） 30~50 50~65 35~45
从表1中可以得知，本发明的微孔发泡高密度聚乙烯管材具有较高的拉伸强度、刚性和比强度，提高了原料利用率，可用于低压給水和电缆护套管等领域。

Claims (8)

1.一种高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，高密度聚乙烯微孔发泡管材包括以下重量份的组分：
高密度聚乙烯100份 线性低密度聚乙烯5~10份
主发泡剂1~8份 辅助发泡剂0.5~4份
发泡助剂0.5~4份 成核剂1~5份
偶联剂0.1~0.5份 分散剂0.2~1份 抗氧剂0.5~2份，
所述的辅助发泡剂为柠檬酸、柠檬酸三甲酯、柠檬酸三乙酯、柠檬酸三辛酯和偶氮二甲酰胺中的一种或几种的混合物，所述的发泡助剂为硬脂酸锌、氧化锌、硬脂酸和芥酸酰胺中的一种或几种的混合物；
其特征在于其制备方法包括如下步骤：
1）制备复合发泡剂：将主发泡剂与发泡助剂在打粉机中混合2-4分钟，对主发泡剂进行活化；接着加入辅助发泡剂，搅拌1~3分钟，均匀后将物料放出，制得复合发泡剂；
2）成核剂的分散：将线性低密度聚乙烯、成核剂、分散剂、偶联剂、抗氧剂加入高速混合机中，以735转/分的低速保持50~60℃混合2~3分钟，得到成核剂预分散混合料；
3）将步骤1）得到的复合发泡剂加入到步骤2）的成核剂预分散混合料的高速混合机中，以1475转/分的高速保持70~80℃混合2~3分钟，均匀后出料，制得粉体混合料；
4）将步骤3）得到的粉体混合料和高密度聚乙烯通过失重式配料器进入单螺杆挤出机挤出得到高密度聚乙烯微孔发泡管材，螺杆输送段温度为165~185℃，熔融段和混合段温度为200~230℃，熔体泵到模头口模温度从230℃到170℃逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于所述的高密度聚乙烯为管材专用料或者中空料，其熔融指数为0.15~1.5g/10min。
3.根据权利要求1所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于所述的主发泡剂为碳酸氢钠，其粉体为粒径1~10微米的粉体。
4.根据权利要求1所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于所述的成核剂为硫酸钙晶须、链状结构的纳米碳酸钙、柠檬酸钠、超细滑石粉、二氧化钛中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于所述的偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、异丙基三(焦磷酸二辛酯)钛酸酯中的任意一种；所述的分散剂为聚乙烯蜡、硬脂酸酰胺、芥酸酰胺、乙烯基双硬脂酰胺的中一种或两种混合物；所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂330或抗氧剂168中的一种或两种混合物。
6.根据权利要求1所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于螺杆输送段分为机筒一区和机筒二区；所述的机筒一区温度为165~170℃，机筒二区温度为175~185℃。
7.根据权利要求1所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于熔融段和混合段分为三区和四区，所述的三区温度为200~210℃、四区温度为220~230℃。
8.根据权利要求1所述的一种高密度聚乙烯微孔发泡管材的制备方法，其特征在于熔体泵到模头口模温度分为6个区，且温度从230℃降到170℃逐渐降低，具体模头各区温度设定为：一区210℃， 二区 190℃，三区185℃，四区180℃，五区175℃，六区170℃。
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