CN106867143A - 一种双轴取向聚氯乙烯管材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种双轴取向聚氯乙烯管材及其制备方法。其包括如下重量份的原料组分：PVC树脂80‑90份，钙锌稳定剂4‑6份，氯化聚乙烯2‑4份，石蜡2‑4份，高分子蜡1‑3份，轻钙6‑8份，芳砜纶纤维3‑5份，甜菜碱3‑5份，经过原料预处理、混料、挤出管坯、初步双向拉伸、二次双向拉伸和切割、扩口成型等步骤制备得到。本发明制备得到的管材耐老化性能优良，取向结构相对固定，进而增加管材的强度、韧性等性能，提高了管材的整体使用性能。

Description

一种双轴取向聚氯乙烯管材及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种双轴取向聚氯乙烯管材及其制备方法。
背景技术
随着社会和科学的发展，人们对材料性能的需求日益提高，产品具有性能多样化、功能化及优质化也是我们所追求的目标。双轴取向聚氯乙烯PVC-O管材与普通的PVC-U管材比较，PVC-O给水管较PVC-U给水管可减少壁厚35％-40％，大大节约了材料，降低了成本。PVC-O卓越在结合了高强度和高韧性，与M管相比，M管虽有了高韧度但强度没有增加。PVC-O取向加工产生了薄片分层结构，这点是高韧度的关键，如果由于缺陷和点负载产生了裂纹，分层结构会阻碍裂纹在材料中通过，从而减少裂纹扩展，被有效的抑制。PVC-O管材还有非常好的抗疲劳损坏性能，特别适用在预计有压力周期变化的场合，让设计者更加放心。同时PVC-O管有非常好的抗水锤性能，完全能够承受比额定工作压力大两倍的瞬间压力。而且由于其突出的韧性和强度，管的设计应力可高达28和32MPa。
PVC-O作为一种新型管材，具有性能好、成本低、管材质量轻、搬运和铺设容易等优点，超强的性能使其可以应用到较高的压力和更恶劣的环境中。但现有技术中双轴取向PVC-O管材的存在着扩口阶段被双向拉伸取向的分子重新回复至原来的无规则卷曲状态、取向结构难以固定，进而导致强度和韧度方面达不到使用要求的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，对制备管材的原料进行合理选择和预处理以及制备工艺的改进，提供一种取向结构固定，并具有高强度和高韧度的双轴取向聚氯乙烯管材及其制备方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种双轴取向聚氯乙烯管材，包括如下重量份的原料组分：PVC树脂80-90份，钙锌稳定剂4-6份，氯化聚乙烯2-4份，石蜡2-4份，高分子蜡1-3份，轻钙6-8份，芳砜纶纤维3-5份，甜菜碱3-5份。
优选地，所述芳砜纶纤维由纤维长度6-10μm和纤维长度15-32μm两种长度芳砜纶纤维组成，两种长度芳砜纶纤维的重量比为4∶3-5。
一种上述双轴取向聚氯乙烯管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将上述各组分按比例称重备用，将PVC树脂、甜菜碱、石蜡加入到反应釜中，加热温度为40-45℃，搅拌速度为3000-3500r/min，反应时间为30-40min，然后将物料转移到胶体磨中，保持研磨速度为8000-10000r/min，研磨8-10分钟，喷雾干燥得颗粒；
(2)混料：将其余各组分与步骤(1)得到的混合物料混合，在90-110℃下用高速混合机混合12-18分钟，冷却至40-50℃，出料，得到预混料；
(3)挤出管坯：将第(2)步得到的预混料送入双螺杆挤出机，挤出机螺杆转速调节为10-15r/min，料筒和机头温度为160-180℃，挤出定型，水冷处理，得到管坯；
(4)初步双向拉伸：经真空定径套和冷却喷淋箱冷却定型，然后经前置牵引装置进入加热区加热到指定温度，并强行塞入第一扩展芯模，管材经扩展芯模圆锥体段后被径向拉伸，同时经后置牵引机的强力牵引而被轴向拉伸，后经扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱骤冷定型，得到完成初步双轴取向的管材；
(5)二次双向拉伸：将步骤(4)得到的管材经前置牵引装置进入加热区加热到指定温度，并强行塞入第二扩展芯模，后经第二扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱骤冷定型，完成管材的双轴取向成型；
(6)切割、扩口成型：将步骤(5)中的管材定长切割，采用扩口机进行扩口，管材被扩口部分的两个轴向末端固定，对两个固定点之间的管段进行加热，然后借助加热段内部的流体压力或外侧真空或内部模块进行扩张，最后进行冷却定型，即得双轴取向聚氯乙烯管材。
进一步地，所述第一扩展芯模的平直圆柱的直径与第二扩展芯模的平直圆柱的直径比为1∶1.2-1.5。
进一步地，步骤(4)和步骤(5)中所述的指定温度为85-90℃。步骤(4)和步骤(5)中所述的骤冷定型温度为-4℃～4℃。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)通过甜菜碱和石蜡对PVC树脂进行预处理，提高了管材的耐老化性能，延长管材的使用寿命；
(2)通过两步双向拉伸工艺实现管材的双轴取向，以及芳砜纶纤维长度的级配，使管材在扩口阶段被双向拉伸取向的分子不会重新回复至原来的无规则卷曲状态，使管材中PVC长链分子在双轴向规整排列，取向结构相对固定，进而增加管材的强度、韧性等性能，提高了管材的整体使用性能。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进行具体描述和说明：
实施例1
一种双轴取向聚氯乙烯管材，包括如下重量份的原料组分：PVC树脂80份，钙锌稳定剂6份，氯化聚乙烯2份，石蜡4份，高分子蜡1份，轻钙8份，芳砜纶纤维3份，甜菜碱5份。其中，所述芳砜纶纤维由纤维长度6μm和纤维长度32μm两种芳砜纶纤维组成，两种芳砜纶的重量比为4∶3。
该管材的制备方法为：
(1)原料预处理：将上述各组分按比例称重备用，将PVC树脂、甜菜碱、石蜡加入到反应釜中，加热温度为45℃，搅拌速度为3000r/min，反应时间为40min，然后将物料转移到胶体磨中，保持研磨速度为8000r/min，研磨10分钟，喷雾干燥得颗粒；
(2)混料：将其余各组分与步骤(1)得到的混合物料混合，在90℃下用高速混合机混合18分钟，冷却至40℃，出料，得到预混料；
(3)挤出管坯：将第(2)步得到的预混料送入双螺杆挤出机，挤出机螺杆转速调节为15r/min，料筒和机头温度为160℃，挤出定型，水冷处理，得到管坯；
(4)初步双向拉伸：经真空定径套和冷却喷淋箱冷却定型，然后经前置牵引装置进入加热区加热到90℃，并强行塞入第一扩展芯模，管材经扩展芯模圆锥体段后被径向拉伸，同时经后置牵引机的强力牵引而被轴向拉伸，后经扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱，在-4℃骤冷定型，得到完成初步双轴取向的管材；
(5)二次双向拉伸：将步骤(4)得到的管材经前置牵引装置进入加热区加热到85℃，并强行塞入第二扩展芯模，后经第二扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱，在4℃骤冷定型，完成管材的双轴取向成型；其中，第一扩展芯模的平直圆柱的直径与第二扩展芯模的平直圆柱的直径比为1∶1.2；
(6)切割、扩口成型：将步骤(5)中的管材定长切割，采用扩口机进行扩口，管材被扩口部分的两个轴向末端固定，对两个固定点之间的管段进行加热，然后借助加热段内部的流体压力或外侧真空或内部模块进行扩张，最后进行冷却定型，即得双轴取向聚氯乙烯管材。
实施例2
一种双轴取向聚氯乙烯管材，包括如下重量份的原料组分：PVC树脂90份，钙锌稳定剂4份，氯化聚乙烯4份，石蜡2份，高分子蜡3份，轻钙6份，芳砜纶纤维5份，甜菜碱3份。其中，所述芳砜纶纤维由纤维长度10μm和纤维长度15μm两种芳砜纶纤维组成，两种芳砜纶的重量比为4∶5。
该管材的制备方法为：
(1)原料预处理：将上述各组分按比例称重备用，将PVC树脂、甜菜碱、石蜡加入到反应釜中，加热温度为40℃，搅拌速度为3500r/min，反应时间为30min，然后将物料转移到胶体磨中，保持研磨速度为10000r/min，研磨8分钟，喷雾干燥得颗粒；
(2)混料：将其余各组分与步骤(1)得到的混合物料混合，在110℃下用高速混合机混合12分钟，冷却至50℃，出料，得到预混料；
(3)挤出管坯：将第(2)步得到的预混料送入双螺杆挤出机，挤出机螺杆转速调节为10r/min，料筒和机头温度为180℃，挤出定型，水冷处理，得到管坯；
(4)初步双向拉伸：经真空定径套和冷却喷淋箱冷却定型，然后经前置牵引装置进入加热区加热到85℃，并强行塞入第一扩展芯模，管材经扩展芯模圆锥体段后被径向拉伸，同时经后置牵引机的强力牵引而被轴向拉伸，后经扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱，在4℃骤冷定型，得到完成初步双轴取向的管材；
(5)二次双向拉伸：将步骤(4)得到的管材经前置牵引装置进入加热区加热到90℃，并强行塞入第二扩展芯模，后经第二扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱，在-4℃骤冷定型，完成管材的双轴取向成型；其中，第一扩展芯模的平直圆柱的直径与第二扩展芯模的平直圆柱的直径比为1∶1.5；
(6)切割、扩口成型：将步骤(5)中的管材定长切割，采用扩口机进行扩口，管材被扩口部分的两个轴向末端固定，对两个固定点之间的管段进行加热，然后借助加热段内部的流体压力或外侧真空或内部模块进行扩张，最后进行冷却定型，即得双轴取向聚氯乙烯管材。
实施例3
一种双轴取向聚氯乙烯管材，包括如下重量份的原料组分：PVC树脂85份，钙锌稳定剂5份，氯化聚乙烯3份，石蜡3份，高分子蜡2份，轻钙7份，芳砜纶纤维4份，甜菜碱4份。其中，所述芳砜纶纤维由纤维长度8μm和纤维长度23μm两种芳砜纶纤维组成，两种芳砜纶的重量比为1∶1。
该管材的制备方法为：
(1)原料预处理：将上述各组分按比例称重备用，将PVC树脂、甜菜碱、石蜡加入到反应釜中，加热温度为43℃，搅拌速度为3200r/min，反应时间为35min，然后将物料转移到胶体磨中，保持研磨速度为9000r/min，研磨9分钟，喷雾干燥得颗粒；
(2)混料：将其余各组分与步骤(1)得到的混合物料混合，在100℃下用高速混合机混合15分钟，冷却至45℃，出料，得到预混料；
(3)挤出管坯：将第(2)步得到的预混料送入双螺杆挤出机，挤出机螺杆转速调节为12r/min，料筒和机头温度为170℃，挤出定型，水冷处理，得到管坯；
(4)初步双向拉伸：经真空定径套和冷却喷淋箱冷却定型，然后经前置牵引装置进入加热区加热到87℃，并强行塞入第一扩展芯模，管材经扩展芯模圆锥体段后被径向拉伸，同时经后置牵引机的强力牵引而被轴向拉伸，后经扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱，在2℃骤冷定型，得到完成初步双轴取向的管材；
(5)二次双向拉伸：将步骤(4)得到的管材经前置牵引装置进入加热区加热到88℃，并强行塞入第二扩展芯模，后经第二扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱，在0℃骤冷定型，完成管材的双轴取向成型；其中，第一扩展芯模的平直圆柱的直径与第二扩展芯模的平直圆柱的直径比为1∶1.3；
(6)切割、扩口成型：将步骤(5)中的管材定长切割，采用扩口机进行扩口，管材被扩口部分的两个轴向末端固定，对两个固定点之间的管段进行加热，然后借助加热段内部的流体压力或外侧真空或内部模块进行扩张，最后进行冷却定型，即得双轴取向聚氯乙烯管材。
对比例1
一种双轴取向聚氯乙烯管材，所用原料和制备方法同实施例3，区别在于芳砜纶纤维不经过级配，为普通商购芳砜纶纤维。
对比例2
一种双轴取向聚氯乙烯管材，所用原料同实施例3，区别在于制备方法采用一次双向拉伸工艺，其它步骤同实施例3。
对比例3
一种双轴取向聚氯乙烯管材，所用原料同实施例3，区别在于制备管材时，不经过原料预处理步骤，直接将原料混合，喷雾干燥得到预混料，其它步骤同实施例3。
上述实施例中没有特别说明的，所用原料或设备都是本领域的常规材料或设备。以下是实施例1-3和对比例1-3中所制备管材的主要性能指标检测结果：
测试方法：
表1中拉伸性能按GB/T1040-1992测试，真实冲击率按GB/T 14152-2001测试。
表1双轴取向聚氯乙烯管材的主要性能指标检测结果
从上述测试结果中可以看出，与通过芳砜纶纤维的级配、PVC树脂的预处理、以及二次拉伸成型工艺，本发明提供的双轴取向聚氯乙烯管材的耐候性、强度和韧性等性能。实施例1-实施例3的拉伸强度、断裂伸长率和真实冲击率均比普通对比例管材高，其力学性能更好，特别是产品的延展性更高，脆性得到控制，机械物理性能更好，其中，实施例3的力学性能最优。

Claims (7)

1.一种双轴取向聚氯乙烯管材，其特征在于，包括如下重量份的原料组分：PVC树脂80-90份，钙锌稳定剂4-6份，氯化聚乙烯2-4份，石蜡2-4份，高分子蜡1-3份，轻钙6-8份，芳砜纶纤维3-5份，甜菜碱3-5份。
2.根据权利要求1所述的双轴取向聚氯乙烯管材，其特征在于，所述芳砜纶纤维由纤维长度6-10μm和纤维长度15-32μm两种长度芳砜纶纤维组成。
3.根据权利要求2所述的双轴取向聚氯乙烯管材，其特征在于，两种长度芳砜纶纤维的重量比为4∶3-5。
4.一种权利要求1-3任一项所述双轴取向聚氯乙烯管材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将上述各组分按比例称重备用，将PVC树脂、甜菜碱、石蜡加入到反应釜中，加热温度为40-45℃，搅拌速度为3000-3500r/min，反应时间为30-40min，然后将物料转移到胶体磨中，保持研磨速度为8000-10000r/min，研磨8-10分钟，喷雾干燥得颗粒；
(2)混料：将其余各组分与步骤(1)得到的混合物料混合，在90-110℃下用高速混合机混合12-18分钟，冷却至40-50℃，出料，得到预混料；
(3)挤出管坯：将第(2)步得到的预混料送入双螺杆挤出机，挤出机螺杆转速调节为10-15r/min，料筒和机头温度为160-180℃，挤出定型，水冷处理，得到管坯；
(4)初步双向拉伸：经真空定径套和冷却喷淋箱冷却定型，然后经前置牵引装置进入加热区加热到指定温度，并强行塞入第一扩展芯模，管材经扩展芯模圆锥体段后被径向拉伸，同时经后置牵引机的强力牵引而被轴向拉伸，后经扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱骤冷定型，得到完成初步双轴取向的管材；
(5)二次双向拉伸：将步骤(4)得到的管材经前置牵引装置进入加热区加热到指定温度，并强行塞入第二扩展芯模，后经第二扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱骤冷定型，完成管材的双轴取向成型；
(6)切割、扩口成型：将步骤(5)中的管材定长切割，采用扩口机进行扩口，管材被扩口部分的两个轴向末端固定，对两个固定点之间的管段进行加热，然后借助加热段内部的流体压力或外侧真空或内部模块进行扩张，最后进行冷却定型，即得双轴取向聚氯乙烯管材。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述第一扩展芯模的平直圆柱的直径与第二扩展芯模的平直圆柱的直径比为1∶1.2-1.5。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)和步骤(5)中所述的指定温度为85-90℃。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)和步骤(5)中所述的骤冷定型温度为-4℃～4℃。
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