CN105128346A - 碳纤维增强hdpe双壁缠绕管的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法是，首先由高密度聚乙烯、过氧化物引发剂、多官能团单体、高分子相容剂、抗氧剂制备高密度聚乙烯混合料：由碳纤维和硅烷偶联剂制备改性碳纤维。然后将高密度聚乙烯混合料与改性碳纤维通过双螺杆挤出机反应共挤，经模具挤出和真空定型，得到碳纤维增强HDPE中空方管；再将碳纤维增强HDPE中空方管经螺旋缠绕和塑料热熔胶焊接制作成碳纤维增强HDPE双壁缠绕管。本发明由于采用了碳纤维增强HDPE制作中空方管，其抗蠕变性、模量、抗冲击、抗划痕、抗慢速裂纹扩展性、抗环境应力开裂性及耐高温性得到的极大的提升；因而双壁缠绕管道整体具有足够的缝拉伸强度，有效的提高了管道的整体性能。

Description

碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法

技术领域

本发明涉及管材，特别涉及一种碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法。

背景技术

高密度聚乙烯(HDPE)双壁缠绕管以高密度聚乙烯为主要原料，经挤出成型为方管后，再经缠绕、熔接的工序制作而成的一种管壁成方孔的螺旋状缠绕管，其轴向管壁截面为双壁工字形，内壁致密光滑，中空，管材本身质量轻而强度高。由于其独特的成型工艺，可生产口径达3000mm的大口径管材。作为一种新型的化学建材，HDPE双壁缠绕管具有重量轻、耐腐蚀、管壁光滑、过流能力大、密封性能好、使用寿命长、运输安装方便及施工速度快等优点，可广泛应用于市政、工业、民用和公共建筑的雨污水排放。

蠕变是塑料管道损坏的一种表现形式。蠕变是塑料管道在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与管道的弹性变形不同，弹性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。特别是在淤泥、淤泥质土、冲填土、湿陷性土、软土、膨胀岩土、多年冻土、盐渍岩土等不良工程地质地区，由于地层的移动或变形会使得管道系统的局部承受的应力更高、时间更长，产生应力会使热塑性塑料管道系统发生蠕变，当蠕变到一定然后屈服或引发并形成裂纹，或加速原有裂纹扩张速度。因此在不良工程地质环境地区，塑料排水管道原料除了要具备高的弹性模量和好的柔韧性外，还应具有耐蠕变性能，以提供足够的安全使用性能和长期的使用寿命。

一般情况下，通过添加玻璃纤维或者无机粉体填料(碳酸钙、滑石粉等)到HDPE管材树脂基体中，可以有效地增加管材的刚性、耐蠕变性能。由于玻璃纤维和无机粉体都属于无机材料，与HDPE有机树脂基体之间的相容性比较差。随着添加量，管材的脆性明显增加，表现为管材的环柔性差、拉伸强度低。这些缺陷都限制了玻璃纤维和无机粉体填料在管材上的实际应用。

碳纤维是近代发展起来的一种增强材料，具有高比强度和高比模量以及较高的抗蠕变性且耐疲劳、耐腐蚀，已成为最重要的增强材料之一，广泛应用于制备纤维增强树脂基材料。碳纤维由有机纤维或低分子烃气体原料在气氛中经高温碳化而成的纤维状化合物。其主要成分是碳，相对玻璃纤维和无机粉体来说，与HDPE树脂的碳-碳分子链有着更好的相容性。经过一定的表面改性，碳纤维与有机树脂基体的浸润性进一步提高，形成较强的界面结合力，充分发挥其增强作用。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：一种碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法，包括以下步骤：

1.1、由以下重量份含量的物质制备高密度聚乙烯混合料：

1.2、由以下重量份含量的物质制备改性碳纤维：

碳纤维100份

硅烷偶联剂0.5-5份

1.3、将高密度聚乙烯混合料与改性碳纤维按80-99.9:0.1-20的重量配比通过双螺杆挤出机反应共挤，经模具挤出和真空定型，得到碳纤维增强HDPE中空方管；

1.4、将碳纤维增强HDPE中空方管经螺旋缠绕和塑料热熔胶焊接制作成碳纤维增强HDPE双壁缠绕管。

所述的双螺杆挤出机的长径比≥28:1，反应共挤温度控制在90-260℃，转速控制在120-1200转/分钟，物料在螺杆挤出机中停留时间控制在0.1-10分钟。

所述高密度聚乙烯的熔融指数为0.05-20g/10min(190度，2.16kg)。

所述过氧化物引发剂选自过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰、过邻苯二甲酸二叔丁酯、2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化乙烷、2,5-二甲基-2,5二苯甲酰过氧基乙烷、2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化-3-乙炔、1,1-二过氧化叔丁基-3,3,5-三甲基环己烷中的一种或多种的混合物。

所述多官能团单体选自硫脲、马来酸二烯丙酯、二乙烯基苯、二乙二醇二丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、氰脲酸三烯丙酯、磷酸三烯丙酯、二甲基丙烯酸酯或亚油酸三甘酯中的一种或多种的混合物。

所述高分子相容剂选自马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯、丙烯酸接枝聚乙烯、硅烷接枝聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物、乙烯丙烯酸共聚物中的一种或多种的混合物。

所述抗氧剂选自硫代二丙酸双月桂酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸]季戊醇酯、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯、1,3,5-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八烷醇酯中的一种或多种的混合物。

所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧乙氧基)硅烷、1,3,5,7-四乙烯基-1,3,5,7-四甲基环四硅氧烷、乙烯基三丁酮肟基硅烷中的一种或多种的混合物。

本发明的碳纤维增强HDPE双壁缠绕管由于采用了碳纤维增强高密度聚乙烯，缠绕管管道中空方管处的抗蠕变性、模量、抗冲击、抗划痕、抗慢速裂纹扩展性、抗环境应力开裂性及耐高温性得到的极大的提升；同时双壁缠绕管道整体具有足够的缝拉伸强度，有效的提高了管道的整体性能。

本发明的方法制作工艺容易控制，碳纤维与聚乙烯界面相容性好。挤出定型过程中，在聚乙烯/碳纤维复合材料中加入与碳纤维有良好相容性的高分子反应相容剂，改善了聚乙烯和碳纤维的界面相容性，得到的碳纤维增强聚乙烯方管具有抗蠕变、高强度、高韧性、高耐环境应力开裂性、耐磨、耐高温等性能，扩大了材料的应用范围。

具体实施方式

实施例1

由以下重量份含量的物质制备高密度聚乙烯混合料：高密度聚乙烯100份，2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化乙烷1份，硫脲3份，丙烯酸接枝聚乙烯5份，硫代二丙酸双月桂酯0.3份；另外由以下重量份含量的物质制备改性碳纤维：碳纤维100份，乙烯基三乙氧基硅烷3份。

在制作时，先将高密度聚乙烯混合料与改性碳纤维按90:10的重量配比通过双螺杆挤出机反应共挤，经模具挤出和真空定型，得到碳纤维增强HDPE中空方管；再将碳纤维增强HDPE中空方管经螺旋缠绕和塑料热熔胶焊接制作成碳纤维增强HDPE双壁缠绕管。所述的双螺杆挤出机的长径比≥28:1，反应共挤温度控制在90-260℃，转速控制在120-1200转/分钟，物料在螺杆挤出机中停留时间控制在0.1-10分钟。

实施例2

由以下重量份含量的物质制备高密度聚乙烯混合料：高密度聚乙烯100份，过氧化二异丙苯2份，马来酸二烯丙酯0.5份，甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯10份，三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯0.05份；另外由以下重量份含量的物质制备改性碳纤维：碳纤维100份，乙烯基三甲氧基硅烷0.5份。

在制作时，先将高密度聚乙烯混合料与改性碳纤维按80:20的重量配比通过双螺杆挤出机反应共挤，经模具挤出和真空定型，得到碳纤维增强HDPE中空方管；再将碳纤维增强HDPE中空方管经螺旋缠绕和塑料热熔胶焊接制作成碳纤维增强HDPE双壁缠绕管。

实施例3

由以下重量份含量的物质制备高密度聚乙烯混合料：高密度聚乙烯100份，过邻苯二甲酸二叔丁酯0.02份，二乙烯基苯5份，马来酸酐接枝聚丙烯2份，四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸]季戊醇酯0.5份；另外由以下重量份含量的物质制备改性碳纤维：碳纤维100份，乙烯基三(2-甲氧乙氧基)硅烷5份。

在制作时，先将高密度聚乙烯混合料与改性碳纤维按99.9:0.1的重量配比通过双螺杆挤出机反应共挤，经模具挤出和真空定型，得到碳纤维增强HDPE中空方管；再将碳纤维增强HDPE中空方管经螺旋缠绕和塑料热熔胶焊接制作成碳纤维增强HDPE双壁缠绕管。

实施例4

由以下重量份含量的物质制备高密度聚乙烯混合料：高密度聚乙烯100份，过氧化二苯甲酰1.5份，二乙二醇二丙烯酸酯0.2份，马来酸酐接枝聚乙烯8份，β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯0.2份；另外由以下重量份含量的物质制备改性碳纤维：碳纤维100份，1,3,5,7-四乙烯基-1,3,5,7-四甲基环四硅氧烷2份。

在制作时，先将高密度聚乙烯混合料与改性碳纤维按85:15的重量配比通过双螺杆挤出机反应共挤，经模具挤出和真空定型，得到碳纤维增强HDPE中空方管；再将碳纤维增强HDPE中空方管经螺旋缠绕和塑料热熔胶焊接制作成碳纤维增强HDPE双壁缠绕管。

上述各实施例中，高密度聚乙烯的熔融指数为0.05-20g/10min(190度，2.16kg)。

Claims (8)

1.一种碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1、由以下重量份含量的物质制备高密度聚乙烯混合料：

1.2、由以下重量份含量的物质制备改性碳纤维：

碳纤维100份

硅烷偶联剂0.5-5份

1.3、将高密度聚乙烯混合料与改性碳纤维按80-99.9:0.1-20的重量配比通过双螺杆挤出机反应共挤，经模具挤出和真空定型，得到碳纤维增强HDPE中空方管；

1.4、将碳纤维增强HDPE中空方管经螺旋缠绕和塑料热熔胶焊接制作成碳纤维增强HDPE双壁缠绕管。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法，其特征在于：所述的双螺杆挤出机的长径比≥28:1，反应共挤温度控制在90-260℃，转速控制在120-1200转/分钟，物料在螺杆挤出机中停留时间控制在0.1-10分钟。

3.根据权利要求1所述的碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法，其特征在于：所述高密度聚乙烯的熔融指数为0.05-20g/10min。

4.根据权利要求1所述的碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法，其特征在于：所述过氧化物引发剂选自过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰、过邻苯二甲酸二叔丁酯、2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化乙烷、2,5-二甲基-2,5二苯甲酰过氧基乙烷、2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化-3-乙炔、1,1-二过氧化叔丁基-3,3,5-三甲基环己烷中的一种或多种的混合物。

5.根据权利要求1所述的碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法，其特征在于：所述多官能团单体选自硫脲、马来酸二烯丙酯、二乙烯基苯、二乙二醇二丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、氰脲酸三烯丙酯、磷酸三烯丙酯、二甲基丙烯酸酯或亚油酸三甘酯中的一种或多种的混合物。

6.根据权利要求1所述的碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法，其特征在于：所述高分子相容剂选自马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯、丙烯酸接枝聚乙烯、硅烷接枝聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物、乙烯丙烯酸共聚物中的一种或多种的混合物。

7.根据权利要求1所述的碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法，其特征在于：所述抗氧剂选自硫代二丙酸双月桂酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸]季戊醇酯、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯、1,3,5-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八烷醇酯中的一种或多种的混合物。

8.根据权利要求1所述的碳纤维增强HDPE双壁缠绕管的制作方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧乙氧基)硅烷、1,3,5,7-四乙烯基-1,3,5,7-四甲基环四硅氧烷、乙烯基三丁酮肟基硅烷中的一种或多种的混合物。