CN105482261A - 基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料及其制备方法 - Google Patents

基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于有机高分子纳米复合材料技术领域，具体公开了一种基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料及其制备方法，该材料由以下原料制备而成：热塑性聚丙烯树脂55-80%，有机长玻璃纤维15-40%，抗冲击剂0.5-1.5%，扩链剂0.5-1.5%，色母粒2-4%；制备方法：将热塑性聚丙烯树脂、抗冲击剂、扩链剂、色母粒、有机长玻璃纤维放入高速混料机进行混料，然后将混合物放入双螺杆挤出机中，通过挤出机将玻璃纤维与聚丙烯进行均衡共混，最后经挤出机机头拉出、冷却、吹干、切粒。本发明材料的力学性能优异，可用于耐压水泵壳体，可替代传统水泵金属壳体材料，有效解决传统金属泵体笨重、价格昂贵、易重金属污染等问题。

Description

基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机高分子纳米复合材料技术领域，具体涉及一种基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料及其制备方法。
背景技术
高压水泵是为高压旋喷水泥浆提供高压动力的设备，可用于建筑、公路等地基强化加固，亦可用于高压水射流辅助破岩落煤，井下液压支柱供液，锚固有水利膨胀金属锚杆泵送高压水，地下大型管道疏通清淤清洗等。由于高压水泵的特殊用途，因此对于水泵的整体材料特别是外壳材料的要求特别高，高压水泵的外壳材料应具备耐高压、无毒、抗冲击性强、耐低温脆性、使用寿命长、耐蠕变性强、抗老化性能强等一系列要求。
目前，水泵外壳分类主要包括钢壳、铝合金壳和塑料壳几大类。钢壳和铝合金壳比较适合中高压的水泵，而塑料壳(主要是工程塑料壳)由于性能所限，主要适合中低压的水泵。
传统的金属类高压水泵壳体材料性能虽然较为稳定，但由于金属泵体笨重、金属价格昂贵、加工工艺复杂、生产制造设备投入大、含重金属的钢和铝合金易造成水污染等一系列问题，限制了金属类高压水泵壳体的进一步发展。另外，高压水泵轻量化、小型化也将是未来的发展方向。
虽然，一部分工程塑料如尼龙虽然经过一定程度的加工改性，其性能上有了很大的提高，可以应用于中低压水泵上；但由于工程塑料加工温度较高、材料价格往往较贵，而且如尼龙等工程塑料具有含极性官能团(如氢键)，使得复合材料极易吸水导致性能大幅度下降以及尺寸不稳定等缺点，也限制了其在高端水泵中的发展。
聚丙烯，是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂，最轻的通用塑料，综合性能优异，价格较为低廉。开发一款可用于高压水泵壳体的聚丙烯材料具有良好的市场和经济价值。传统的聚丙烯耐老化、抗冲击性能、刚性、力学强度仅为适中，还不能满足高压水泵的要求。聚丙烯采用玻纤增强后，其力学性能和耐老化性能等会有较大的提升，完全可满足各种高压水泵壳体的需求。但玻纤属于极性材料而聚丙烯属于非极性材料，聚丙烯中如有玻纤的存在，玻纤增强聚丙烯的相容性和焊接性能较差，易形成相分离或应力集中现象；导致高压水泵在高速运行时，水泵壳体极易形成应力开裂或者应力变形，不能满足高压水泵追求高性能的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料及其制备方法，采用长玻璃纤维、抗冲击剂、扩链剂等改性增强聚丙烯，通过将长玻璃纤维有机浸润，在长玻纤的表面包覆一层有机膜，从而有效提高玻纤和聚丙烯的相容性，这种效果大大优于传统的长玻纤与聚丙烯直接共混改性效果；另外，在浸润长玻纤的同时加入聚丙烯用的分散剂、低分子聚合物、复配抗氧化剂、抗紫外线剂，在提高聚丙烯性能的同时，进一步提高助剂在聚丙烯基体中的分散性，提高复合材料的综合性能。
本发明所述的基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料，其是由以下重量百分比的原料制备而成，热塑性聚丙烯树脂55-80％，有机长玻璃纤维15-40％，抗冲击剂0.5-1.5％，扩链剂0.5-1.5％，色母粒2-4％；
进一步，所述热塑性聚丙烯树脂为均聚聚丙烯，其熔融指数为16-18g/min；
进一步，所述抗冲击剂为氯化聚乙烯，所述扩链剂为松香甘油酯；
进一步，所述的有机长玻璃纤维为经过有机浸润预处理的无碱玻璃纤维，所述有机长玻璃纤维的长径比为150-400；
更进一步，所述的有机长玻璃纤维的制备方法依次包括以下步骤：
步骤1：75v/v％乙醇溶液与偶联剂γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷按体积比2：5的比例混合；
步骤2：分别配置与步骤1所得溶液体积比为5:1的聚乙烯醇、体积比为9:1的分散剂聚乙烯蜡、质量比为100:1的抗氧化剂和质量比为95:1的抗紫外线剂，然后依次加入到步骤1所得溶液中，充分混合；
步骤3：将干燥的无碱玻璃纤维加入高速混合机中，边搅拌边加入步骤2所得溶液，步骤2所得溶液与干燥的无碱玻璃纤维以质量比3.5：10的比例浸润混合1小时后取出；
步骤4：在65℃干燥2小时，得到所述有机长玻璃纤维。
再进一步，所述聚乙烯醇分子量为500-1000，所述分散剂聚乙烯蜡分子量为1000-2000；
所述的抗氧化剂为主抗氧剂硫代双酚和辅助抗氧剂对苯二胺质量比4:1的混合物；所述抗紫外线剂为邻羟基苯甲酸苯酯和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮质量比3:1的混合物，其中，硫代双酚醛优选为4,4'-硫代双苯硫酚和/或4,4-硫代二苯酚。
上述基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料的制备方法，其步骤如下：1)依次将热塑性聚丙烯树脂、抗冲击剂、扩链剂、色母粒、有机长玻璃纤维放入高速混料机进行混料处理，混合搅拌5-15分钟；2)然后将混合物放入双螺杆挤出机中，通过挤出机进行均衡共混，最后共混物经挤出机机头拉出、冷却、吹干、切粒即得高压水泵壳体材料。
与现有技术相比本发明的优点和有益效果如下：
通过本发明制备的基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料、生产成本低、工艺简单、无毒、无污染，环保性能符合欧盟ROHS标准；材料力学性能优异，力学强度高、耐冲击性能高、刚性高，可用于高压水泵壳体，替代传统的水泵金属壳体材料，能有效解决传统金属泵体笨重、价格昂贵、易重金属污染等问题。
具体实施方式
下面申请人将结合具体的实施例对本发明的产品及方法做进一步的详细说明，目的在于使本领域技术人员能够清楚地理解本发明。以下实施例不应在任何程度上被理解为对本发明权利要求书请求保护范围的限制。本领域技术人员按本申请的思路修改制备类似的复合材料也应在本发明权利要求书请求保护范围的限制内。
以下实施例和对比例中：
原料热塑性聚丙烯树脂均为均聚聚丙烯，其熔融指数为16-18g/min；
抗冲击剂均为牌号为CPE135A的氯化聚乙烯；
扩链剂均为牌号138的松香甘油酯；
聚乙烯醇分子量均为500-1000；
分散剂聚乙烯蜡分子量均为1000-2000；
实施例1
一种基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料及其制备方法，所述基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料的原料组成如下：
所述的有机长玻璃纤维的制备方法依次包括以下步骤：
步骤1：75v/v％乙醇溶液与偶联剂γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷按体积比2：5的比例混合，所得溶液体积为V1，质量为M1；
步骤2：依次将体积5V1的聚乙烯醇、体积为9V1的分散剂聚乙烯蜡、质量为100M1的抗氧化剂(主抗氧剂4,4'-硫代双苯硫酚和辅助抗氧剂对苯二胺质量比为4:1的混合物)和质量为95M1的抗紫外线剂(抗紫外线剂为邻羟基苯甲酸苯酯和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮质量比3:1的混合物)加入到步骤1所得溶液中，充分混合；
步骤3：将干燥的无碱玻璃纤维加入高速混合机中，边搅拌边加入步骤2所得溶液，步骤2所得溶液与干燥的无碱玻璃纤维以质量比3.5：10的比例浸润混合，充分混合1小时后取出；
步骤4：在65℃，干燥2小时，得到所述有机长玻璃纤维。
所述基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料的制备方法，其步骤如下：1)依次将热塑性聚丙烯树脂、抗冲击剂氯化聚乙烯、扩链剂松香甘油酯、色母粒、有机长玻璃纤维放入高速混料机进行混料处理，混合搅拌10分钟；2)然后将混合物放入双螺杆挤出机中，通过挤出机进行均衡共混，最后共混物经挤出机机头拉出、冷却、吹干、切粒即得高压水泵壳体材料。
本实施例所制得的高压水泵壳体材料经充分干燥后使用注塑机注塑成标准样条，进行力学性能(国家标准GB/T1039-1992)和ROHS检测等性能测试。
性能测试结果：
拉伸强度：91.8Mpa
弯曲强度：116Mpa
弯曲模量：5409Mpa
悬壁梁缺口冲击强度：20.5KJ/m2
收缩率：＜0.3％
ROHS：重金属含量＜2ppm
实施例2
一种基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料及其制备方法，所述基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料的原料组成如下：
所述的有机长玻璃纤维的制备方法依次包括以下步骤：
步骤1：75v/v％乙醇溶液与偶联剂γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷按体积比2：5的比例混合，所得溶液体积为V2，质量为M2；
步骤2：依次将体积为5V2的聚乙烯醇、体积为9V2的分散剂聚乙烯蜡、质量为100M2的抗氧化剂(主抗氧剂4,4-硫代二苯酚和辅助抗氧剂对苯二胺质量比为4:1的混合物)和质量为95M2的抗紫外线剂(抗紫外线剂为邻羟基苯甲酸苯酯和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮质量比例为3:1的混合物)加入到步骤1所得溶液中，充分混合；
步骤3：将干燥的无碱玻璃纤维加入高速混合机中，边搅拌边加入步骤2所得溶液，步骤2所得溶液与干燥的无碱玻璃纤维以质量比3.5：10的比例浸润混合，充分混合1小时后取出；
步骤4：在65℃，干燥2小时，得到所述有机长玻璃纤维。
所述基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料的制备方法，其步骤如下：1)依次将热塑性聚丙烯树脂、抗冲击剂氯化聚乙烯、扩链剂松香甘油酯、色母粒、有机长玻璃纤维放入高速混料机进行混料处理，混合搅拌5分钟；2)然后将混合物放入双螺杆挤出机中，通过挤出机进行均衡共混，最后共混物经挤出机机头拉出、冷却、吹干、切粒即得高压水泵壳体材料。
本实施例所制得的高压水泵壳体材料经充分干燥后使用注塑机注塑成标准样条，进行力学性能(国家标准GB/T1039-1992)和ROHS检测等性能测试。
性能测试结果：
拉伸强度：90.2Mpa
弯曲强度：108Mpa
弯曲模量：5306Mpa
悬壁梁缺口冲击強度：21.1KJ/m2
收缩率：＜0.3％
ROHS：重金属含量＜2ppm
实施例3
一种基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料及其制备方法，所述基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料的原料组成如下：
所述的有机长玻璃纤维的制备方法依次包括以下步骤：
步骤1：75v/v％乙醇溶液与偶联剂γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷按体积比2：5的比例混合，所得溶液体积为V3，质量为M3；
步骤2：依次将体积为5V3的聚乙烯醇、体积为9V3的分散剂聚乙烯蜡、质量为100M3的抗氧化剂(主抗氧剂4,4'-硫代双苯硫酚和辅助抗氧剂对苯二胺质量比为4:1的混合物)和质量为95M3的抗紫外线剂(抗紫外线剂为邻羟基苯甲酸苯酯和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮质量比为3:1混合物)加入到步骤1所得溶液中，充分混合；
步骤3：将干燥的无碱玻璃纤维加入高速混合机中，边搅拌边加入步骤2所得溶液，步骤2所得溶液与干燥的无碱玻璃纤维以质量比3.5：10的比例浸润混合，充分混合1小时后取出；
步骤4：在65℃，干燥2小时，得到所述有机长玻璃纤维。
所述基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料的制备方法，其步骤如下：1)依次将热塑性聚丙烯树脂、抗冲击剂氯化聚乙烯、扩链剂松香甘油酯、色母粒、有机长玻璃纤维放入高速混料机进行混料处理，混合搅拌15分钟；2)然后将混合物放入双螺杆挤出机中，通过挤出机进行均衡共混，最后共混物经挤出机机头拉出、冷却、吹干、切粒即得高压水泵壳体材料。
本实施例所制得的高压水泵壳体材料经充分干燥后使用注塑机注塑成标准样条，进行力学性能(国家标准GB/T1039-1992)和ROHS检测等性能测试。
性能测试结果：
拉伸强度：90.7Mpa
弯曲强度：111Mpa
弯曲模量：5266Mpa
悬壁梁缺口冲击強度：20.9KJ/m2
收缩率：＜0.3％
ROHS：重金属含量＜2ppm
实施例4
一种基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料及其制备方法，所述基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料的原料组成如下：
所述的有机长玻璃纤维的制备方法依次包括以下步骤：
步骤1：75v/v％乙醇溶液与偶联剂γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷按体积比2：5的比例混合，所得溶液体积为V4，质量为M4；
步骤2：依次将体积为5V4的聚乙烯醇、体积为9V4的分散剂聚乙烯蜡、质量为100M4的抗氧化剂(主抗氧剂4,4-硫代二苯酚和辅助抗氧剂对苯二胺质量比为4:1的混合物)和质量为95M4的抗紫外线剂(抗紫外线剂为邻羟基苯甲酸苯酯和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮质量比3:1的混合物)加入到步骤1所得溶液中，充分混合；
步骤3：将干燥的无碱玻璃纤维加入高速混合机中，边搅拌边加入步骤2所得溶液，步骤2所得溶液与干燥的无碱玻璃纤维以质量比3.5：10的比例浸润混合，充分混合1小时后取出；
步骤4：在65℃，干燥2小时，得到所述有机长玻璃纤维。
所述基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料的制备方法，其步骤如下：1)依次将热塑性聚丙烯树脂、抗冲击剂氯化聚乙烯、扩链剂松香甘油酯、色母粒、有机长玻璃纤维放入高速混料机进行混料处理，混合搅拌10分钟；2)然后将混合物放入双螺杆挤出机中，通过挤出机进行均衡共混，最后共混物经挤出机机头拉出、冷却、吹干、切粒即得高压水泵壳体材料。
本实施例所制得的高压水泵壳体材料经充分干燥后使用注塑机注塑成标准样条，进行力学性能(国家标准GB/T1039-1992)和ROHS检测等性能测试。
性能测试结果：
拉伸强度：92.1Mpa
弯曲强度：112Mpa
弯曲模量：5345Mpa
悬壁梁缺口冲击強度：22.4KJ/m2
收缩率：＜0.3％
ROHS：重金属含量＜2ppm
对比例
一种高压水泵壳体材料及其制备方法，所述高压水泵壳体材料的原料组成如下：
所述的高压水泵壳体材料制备方法，其步骤如下：1)依次将热塑性聚丙烯树脂、抗冲击剂氯化聚乙烯、扩链剂松香甘油酯、色母粒、长玻璃纤维放入高速混料机进行混料处理，混合搅拌10分钟；2)然后将混合物放入双螺杆挤出机中，通过挤出机进行均衡共混，最后共混物经挤出机机头拉出、冷却、吹干、切粒即得高压水泵壳体材料。
本对比例所制得的高压水泵壳体材料经充分干燥后使用注塑机注塑成标准样条，进行力学性能(国家标准GB/T1039-1992)和ROHS检测等性能测试。
性能测试结果：
拉伸强度：71.6Mpa
弯曲强度：85.4Mpa
弯曲模量：4102Mpa
悬壁梁缺口冲击強度：15.1KJ/m2
收缩率：＜0.3％
ROHS：重金属含量＜2ppm。

Claims (9)

1.一种基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料，其特征在于：所述基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料是由以下重量百分比的原料制备而成，热塑性聚丙烯树脂55-80%，有机长玻璃纤维15-40%，抗冲击剂0.5-1.5%，扩链剂0.5-1.5%，色母粒2-4%；
所述的有机长玻璃纤维为经过有机浸润预处理的无碱玻璃纤维，所述有机长玻璃纤维的长径比为150-400。
2.根据权利要求1所述的基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料，其特征在于：所述热塑性聚丙烯树脂为均聚聚丙烯，其熔融指数为16-18g/min。
3.根据权利要求1所述的基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料，其特征在于：所述抗冲击剂为氯化聚乙烯。
4.根据权利要求1所述的基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料，其特征在于：所述扩链剂为松香甘油酯。
5.根据权利要求1-4中任一所述的基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料，其特征在于：
所述的有机长玻璃纤维的制备方法依次包括以下步骤：
步骤1：75v/v%乙醇溶液与偶联剂γ-（2,3-环氧丙氧基）丙基三甲氧基硅烷按体积比2：5的比例混合；
步骤2：分别配置与步骤1所得溶液体积比为5:1的聚乙烯醇、体积比为9:1的分散剂聚乙烯蜡、质量比为100:1的抗氧化剂和质量比为95:1的抗紫外线剂，然后依次加入到步骤1所得溶液中，充分混合；
步骤3：将干燥的无碱玻璃纤维加入高速混合机中，边搅拌边加入步骤2所得溶液，步骤2所得溶液与干燥的无碱玻璃纤维以质量比3.5：10的比例浸润混合1小时后取出；
步骤4：在65℃干燥2小时，得到所述有机长玻璃纤维。
6.根据权利要求5所述的基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料，其特征在于：
所述聚乙烯醇分子量为500-1000，所述分散剂聚乙烯蜡分子量为1000-2000。
7.根据权利要求5所述的基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料，其特征在于：
所述的抗氧化剂为主抗氧剂硫代双酚和辅助抗氧剂对苯二胺质量比4:1的混合物；所述抗紫外线剂为邻羟基苯甲酸苯酯和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮质量比3:1的混合物。
8.根据权利要求7所述的基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料，其特征在于：
所述硫代双酚醛为4,4'-硫代双苯硫酚和/或4,4-硫代二苯酚。
9.一种权利要求1-8中任一所述的基于有机长玻纤增强聚丙烯的高压水泵壳体材料的制备方法，其步骤如下：1）依次将热塑性聚丙烯树脂、抗冲击剂、扩链剂、色母粒、有机长玻璃纤维放入高速混料机进行混料处理，混合搅拌5-15分钟；2）然后将混合物放入双螺杆挤出机中，通过挤出机进行均衡共混，最后共混物经挤出机机头拉出、冷却、吹干、切粒即得高压水泵壳体材料。
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