CN109337232A - 高光泽高强韧pvc管材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高光泽高强韧PVC管材，按重量份数计，包括以下组分：PVC树脂90‑110份，稳定剂2‑6份，增韧剂0.5‑4份，纳米碳酸钙8‑14份，助剂3‑5份，二氧化钛1‑2份，荧光增白剂0.05‑0.5份。本发明所述产品具有高强韧性，良好的光泽度以及产品制造成本低等优点。

Description

高光泽高强韧PVC管材及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，特别涉及高光泽高强韧PVC管材及其制备方法。
背景技术
PVC(聚氯乙烯)管材由于其价格低廉，使用方便而备受欢迎。为了改善其性能，工业上往往通过添加其他成分来提高其耐热性、韧性、抗冲击性、延展性等，可以显著提高其物理、化学性能。进一步使得PVC管材应用领域更加广泛，在日用品(如下水管)，建筑材料，地板砖，人造革，密封材料等领域。但是就现有技术而言，在改善PVC管材方面，高强度，高韧性的提升还远远不足，低温下，PVC管材易脆，高温时，PVC管材强度不够。这些不足很大程度上取决于对PVC的改性。因此，为了进一步扩大PVC管材的应用，需要采用更好的改性方法，提升管材的强度和韧性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供能显著改善PVC管材强度，韧性的技术方案。另外，本发明所述技术方案还能提高PVC管材的光泽度，降低生产成本。
高光泽高强韧PVC管材，按重量份数计，包括以下组分：
优选的，高光泽高强韧PVC管材，按重量份数计，包括以下组分：
优选的，高光泽高强韧PVC管材，按重量份数计，包括以下组分：
优选的，高光泽高强韧PVC管材，按重量份数计，包括以下组分：
所述稳定剂为钙锌复合稳定剂。
优选的，所述稳定剂为硬脂酸钙、硬脂酸锌或硬脂酸钙锌中的至少一种。
所述增韧剂由甲基丙烯酸甲酯、丁二烯、苯乙烯和/或丙烯酸酯橡胶制备得到(由淮坊天弘益华橡塑材料有限公司提供)，可选地，所述增韧剂由20-40份甲基丙烯酸甲酯、20-40份丁二烯、20-40份苯乙烯、5-15份丙烯酸酯橡胶通过常规共聚工艺制备得到。
进一步地，所述纳米碳酸钙由以下成分制得：
重质碳酸钙20-30份，
纳米轻质碳酸钙60-70份，
硬脂酸8-12份；
其中所述重质碳酸钙的粒径为2000-3000目，优选2500目。
进一步地，所述重质碳酸钙经过以下步骤活化处理，湿法处理：将重质碳酸钙加热并保持在50-70℃，然后将重质碳酸钙与三十二烷酸钠按95-105：0.1-1(优选150-250：1)的质量比混合，搅拌保持2-4小时后压滤、干燥形成活化重质碳酸钙。
进一步地，所述纳米轻质碳酸钙经过以下步骤活化处理：将纳米轻质碳酸钙加热并保持在50-70℃，然后加入控制剂、二氧化碳和水，接着按纳米轻质碳酸钙：铝酸酯为95-105：0.1-1(优选150-250：1)的质量比加入铝酸酯，搅拌并保持温度在50-70℃，2-4小时后压滤、干燥形成活化纳米轻质碳酸钙；其中所述控制剂为烷氧基和/或硅氧烷类化合物，可以控制碳酸钙粒子形态为纺锤状。优选二氧化碳和水的用量过量。例如，将纳米轻质碳酸钙100份加热至60℃，然后自然冷却30分钟，再向纳米轻质碳酸钙中加入烷氧基和/或硅氧烷类化合物(优选烷氧基低分子聚硅氧烷，低分子聚硅氧烷分子量的分子量必须在1000以下，优选为800-700)0.22-0.3份，二氧化碳10-50份，水100-300份，搅拌，然后再加入铝酸酯0.1-1份，搅拌，并在60℃下保持3小时，再压滤，在压滤过程中连续补充二氧化碳，最后得到干燥的粒子，然后风选BET比表面积(表示1g固体所占有的总表面积为该物质的比表面积)为22±3m2/g，粒径为10-100nm(优选50-90nm，进一步优选80nm)的粒子，即为活化纳米轻质碳酸钙；
所述纳米碳酸钙采用表面包覆技术，具体制备过程为：先采用高速混料机(所用高速混料机为500升执行标准为HG/T4273-2011的标准化产品，高速混料机的温度参数设置为70-90℃保持1-5分钟，因为高速混料机一开始是以设备的最高速度混合，将温度提至设定温度后，转速下降的)将重质碳酸钙20-30份，纳米轻质碳酸钙60-70份，硬脂酸8-12份进行混合，通过粉体表面摩擦力自然升温至70-90℃保持1-5分钟(例如80℃保持2分钟)，之后进入低速混料机(所用低速混料机为500升执行标准为HG/T4273-2011的标准化产品，低速混料机没有转速参数，下降至常规就是相关的参数，所述高速混料机和低速混料机采用本领域常规方式运行)，低速混料机罐体采用水冷方式，使温度下降至常温保持2分钟，制得纳米碳酸钙。
所述助剂也可称为100型助剂。
进一步地，所述助剂由以下成分制得(按重量份数计)：
氯化聚乙烯25-35份，
三元乙丙橡胶8-12份，
丙烯酸树脂12-18份，
硬脂酸8-12份，
蜡8-12份，
纳米碳酸钙20-30份。
优选地，所述蜡为PE蜡。
助剂的制备：先采用高速混料机混合各原料，通过粉体表面摩擦力自然升温至70-90℃保持1-5分钟(例如80℃保持2分钟)，之后进入低速混料机，低速混料机罐体采用水冷方式，使温度下降常温，保持2分钟，制得助剂(100型助剂)。
所述丙烯酸树脂以甲基丙烯酸甲酯为主体，由淮坊天弘益华橡塑材料有限公司提供。
高光泽高强韧PVC管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方量称取各组分，将PVC树脂，稳定剂，增韧剂，纳米碳酸钙，助剂，二氧化钛，荧光增白剂用高速混料机进行混合，通过粉体表面摩擦力自然升温，温度维持在100-120℃之间1-5min(例如110℃保持2分钟)，然后转入低速混料机，冷却(采用水冷方式冷却低速混料机罐体)，温度降至50℃以下(例如40℃)后制得高光泽高强韧PVC管材原料；
(2)高光泽高强韧PVC管材的制备：将步骤(1)制备得到的高光泽高强韧PVC管材原料通过高光泽塑料管材制备装置进行成型加工，制得具有一定尺寸和形状的高光泽高强韧PVC管材。
步骤(2)中所述高光泽塑料管材制备装置包括用于使塑料管材初步成型的挤出模口、用于提高塑料管材光泽度的定径套以及用于塑料管材最终定型的冷却定型装置，所述定径套设置于冷却定型装置的前端，所述挤出模口设置于定径套的前端，所述定径套包括用于润滑塑料管材的喷涂有聚四氟乙烯的润滑面。进一步，所述定径套包括外环体和内环体，所述外环体的内表面为润滑面。外环体的内表面上喷涂聚四氟乙烯，在制作过程中，聚四氟乙烯可以对塑料管材的外表面起到润滑的作用，用以提高塑料管材的光泽度。进一步，所述定径套为黄铜定径套。由于聚四氟乙烯的导热系数比金属低，所以需要使用黄铜作为基底。进一步，所述冷却定型装置包括用于使塑料管材冷却的真空冷却水箱。真空冷却水箱可以使塑料管材冷却最终成型。进一步，所述冷却定型装置还包括用于塑料管材最终定型的第一定型套和第二定型套，所述第一定型套设置在真空冷却水箱前端，所述第二定型套设置在真空冷却水箱内部，所述第一定型套和第二定型套连接。第一定型套和第二定型套的作用均是使塑料管材最终定型，而将第二定型套设置在真空冷却水箱中可以保证塑料管材在冷却的同时依然持续定型。进一步，所述第一定型套、第二定型套均为黄铜镀铬定型套。
活化2000-3000目(例如2000、2500、3000目)重质碳酸钙与活化纳米轻质碳酸钙进行一次表面包覆，使纳米碳酸钙物料均匀，用在产品上可以得到更好的分散性，同时也可以降低生产成本。
所述活化纳米轻质碳酸钙与硬脂酸配合后，物料流动性会大大加强，同时碳酸钙硬度高，进入PVC分子链内部后，会对PVC成品产成补强作用，提升产品强度。
常规目数的碳酸钙与PVC树脂的混合的只是简单混合，碳酸钙颗粒不会进入分子链内，所以产品质量会随着碳酸钙添加的增加而向硬、脆的方向发展，所以常规的碳酸钙只能增加强度不能增加韧性。但是当颗粒少于100nm时就相当于PVC树脂的氯原子体积相当，就有机会与PVC树脂的CH2基团或CH基团结合，从而达到增强增韧的目的。
纳米材料必须要考虑其表面效应，碳酸钙粒子的表面效应是相互吸附形成较大的颗粒，由于粒子越细，粒子间的表面效应就越大，当碳酸钙颗粒少于10nm时，就只能在实验室环境下生成，但是不能长期稳定保持粒径。同时粒子间的表面效应越大，处理难度就越大，表面包覆的目的就是为了解决粒子间表面效应。粒子越细，其实越容易进入PVC的分子链内部，考虑生产工艺的限制，所以纳米碳酸钙颗粒优选10-100nm，特别的优选80nm。
当纳米碳酸钙颗粒平均粒径为80nm，BET比表面积为22±3m2/g。碳酸钙颗粒呈纺锤状，一头小一头粗的形态，小头更利于与PVC的分子链结合。如果碳酸钙颗粒形态不符合要求，在平均粒径为80nm时就不容易与分子链结合，如果平均粒径大于100nm时无法与PVC的分子链结合。当无法与PVC的分子链结合时，不能产生纳米效应，不能产生增强增韧的效果，就与常规超细轻质碳酸钙无异，使产品向硬、脆方向发展。
所述助剂(100型助剂)能提升产品加工性能使物料容易加工，同时提升产品抗冲及韧性，提升产品光泽度。
所述PVC树脂，市售购得，执行标准为GB/T5761-2006的标准化产品，所述重质碳酸钙市售购得，执行标准为HG/T3249.3-2008的标准化产品。高速混料机、低速混料机，市售购得，500升执行标准为HG/T4273-2011的标准化产品。
本发明的有益效果：
(1)现有塑料管道行业中，无法解决PVC管材随填充料(如碳酸钙)的添加量增加质量而劣化的问题，通过本发明所述技术方案制备的纳米碳酸钙颗粒不仅可以起到填充的作用，可以提高PVC管材强度，而且充分利用本发明所述技术方案，利用碳酸钙颗粒的纳米效应使得纳米碳酸钙颗粒与PVC分子链直接进行支接，从而很好提高PVC管材的韧性。
(2)本发明所述产品具有良好的光泽度。
(3)本发明所述产品制造成本相较现有技术，显著降低。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更清楚明白本技术方案，以下列举一些实施例。
实施例1
一种高光泽高强韧PVC管材，按重量份数计，包括以下组分：
一种高光泽高强韧PVC管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)活化2000目重质碳酸钙的制备：将2000目重质碳酸钙95份三十二烷酸钠0.1份混合成浆料，并保持浆料温度为50℃，搅拌，静置3小时后压滤、干燥制得活化2000目重质碳酸钙；
(2)活化纳米轻质碳酸钙的制备：将纳米轻质碳酸钙100份加热至60℃，然后自然冷却30分钟，再向纳米轻质碳酸钙中加入烷氧基硅氧烷类化合物0.22份，二氧化碳50份，水100份，搅拌，然后再加入铝酸酯0.1份，搅拌，并在60℃下保持3小时，再压滤，在压滤过程中连续补充二氧化碳，最后得到干燥的粒子，然后风选BET比表面积(表示1g固体所占有的总表面积为该物质的比表面积)为22±3m2/g，粒径为10nm的粒子，即为活化纳米轻质碳酸钙；
(3)纳米碳酸钙的制备：所述纳米碳酸钙具体制备过程为：先采用高速混料机将活化2000目重质碳酸钙20份，活化纳米轻质碳酸钙60份，硬脂酸8份进行混合，通过粉体表面摩擦力自然升温至80℃保持2分钟，之后进入低速混料机，低速混料机罐体采用水冷方式，使温度下降至常温保持2分钟，制得纳米碳酸钙；
(4)100型助剂的制备：将氯化聚乙烯28份，三元乙丙橡胶8份，丙烯酸树脂14份，硬脂酸9份，PE蜡9份，纳米碳酸钙20份，先采用高速混料机混合，通过粉体表面摩擦力自然升温至80℃保持2分钟，之后进入低速混料机，低速混料机罐体采用水冷方式，使温度下降常温，保持2分钟，制得100型助剂；
(5)按配方量称取各组分，将PVC树脂，硬脂酸钙，增韧剂，纳米碳酸钙，100型助剂，二氧化钛，荧光增白剂用高速混料机进行混合，温度维持在110℃2min，然后转入低速混料机，冷却，温度降至40℃，制得高光泽高强韧PVC管材原料。
(6)将步骤(5)制备的高光泽高强韧PVC管材原料通过一种高光泽塑料管材制备装置进行成型加工，得到高光泽高强韧PVC管材。
实施例2
一种高光泽高强韧PVC管材，按重量份数计，包括以下组分：
一种高光泽高强韧PVC管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)活化3000目重质碳酸钙的制备：将3000目重质碳酸钙100份三十二烷酸钠0.2份混合成浆料，并保持浆料温度为55℃，搅拌，静置3小时后压滤、干燥制得活化3000目重质碳酸钙；
(2)活化纳米轻质碳酸钙的制备：将纳米轻质碳酸钙100份加热至60℃，然后自然冷却30分钟，再向纳米轻质碳酸钙中加入烷氧基低分子聚硅氧烷0.24份，二氧化碳40份，水300份，搅拌，然后再加入铝酸酯0.8份，搅拌，并在60℃下保持3小时，再压滤，在压滤过程中连续补充二氧化碳，最后得到干燥的粒子，然后风选BET比表面积(表示1g固体所占有的总表面积为该物质的比表面积)为22±3m2/g，粒径为60nm的粒子，即为活化纳米轻质碳酸钙；
(3)纳米碳酸钙的制备：所述纳米碳酸钙具体制备过程为：先采用高速混料机将活化3000目重质碳酸钙25份，活化纳米轻质碳酸钙65份，硬脂酸9份进行混合，通过粉体表面摩擦力自然升温至80℃保持2分钟，之后进入低速混料机，低速混料机罐体采用水冷方式，使温度下降至常温保持2分钟，制得纳米碳酸钙；
(4)100型助剂的制备：将氯化聚乙烯30份，三元乙丙橡胶11份，丙烯酸树脂15份，硬脂酸101份，PE蜡11份，纳米碳酸钙26份，先采用高速混料机混合，通过粉体表面摩擦力自然升温至80℃保持2分钟，之后进入低速混料机，低速混料机罐体采用水冷方式，使温度下降常温，保持2分钟，制得100型助剂；
(5)按配方量称取各组分，将PVC树脂，硬脂酸锌，增韧剂，纳米碳酸钙，100型助剂，二氧化钛，荧光增白剂用高速混料机进行混合，温度维持在110℃2min，然后转入低速混料机，冷却，温度降至40℃，制得高光泽高强韧PVC管材原料；
(6)将步骤(5)制备的高光泽高强韧PVC管材原料通过一种高光泽塑料管材制备装置进行成型加工，得到高光泽高强韧PVC管材。
实施例3
一种高光泽高强韧PVC管材，按重量份数计，包括以下组分：
一种高光泽高强韧PVC管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)活化2500目重质碳酸钙的制备：将2500目重质碳酸钙100份三十二烷酸钠0.5份混合成浆料，并保持浆料温度为60℃，搅拌，静置3小时后压滤、干燥制得活化2500目重质碳酸钙；
(2)活化纳米轻质碳酸钙的制备：将纳米轻质碳酸钙100份加热至60℃，然后自然冷却30分钟，再向纳米轻质碳酸钙中加入烷氧基低分子聚硅氧烷0.28份，二氧化碳30份，水200份，搅拌，然后再加入铝酸酯0.5份，搅拌，并在60℃下保持3小时，再压滤，在压滤过程中连续补充二氧化碳，最后得到干燥的粒子，然后风选BET比表面积为22±3m2/g，粒径为80nm的粒子，即为活化纳米轻质碳酸钙；
(3)纳米碳酸钙的制备：所述纳米碳酸钙具体制备过程为：先采用高速混料机将活化2500目重质碳酸钙25份，活化纳米轻质碳酸钙65份，硬脂酸10份进行混合，通过粉体表面摩擦力自然升温至80℃保持2分钟，之后进入低速混料机，低速混料机罐体采用水冷方式，使温度下降至常温保持2分钟，制得纳米碳酸钙；
(4)100型助剂的制备：将氯化聚乙烯30份，三元乙丙橡胶10份，丙烯酸树脂15份，硬脂酸10份，PE蜡10份，纳米碳酸钙25份，先采用高速混料机混合，通过粉体表面摩擦力自然升温至80℃保持2分钟，之后进入低速混料机，低速混料机罐体采用水冷方式，使温度下降常温，保持2分钟，制得100型助剂；
(5)按配方量称取各组分，将PVC树脂，硬脂酸锌，增韧剂，纳米碳酸钙，100型助剂，二氧化钛，荧光增白剂用高速混料机进行混合，温度维持在110℃2min，然后转入低速混料机，冷却，温度降至40℃，制得高光泽高强韧PVC管材原料；
(6)将步骤(5)制备的高光泽高强韧PVC管材原料通过一种高光泽塑料管材制备装置进行成型加工，得到高光泽高强韧PVC管材。
实施例4
一种高光泽高强韧PVC管材，按重量份数计，包括以下组分：
一种高光泽高强韧PVC管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)活化2500目重质碳酸钙的制备：将2500目重质碳酸钙105份三十二烷酸钠1份混合成浆料，并保持浆料温度为70℃，搅拌，静置3小时后压滤、干燥制得活化2500目重质碳酸钙；
(2)活化纳米轻质碳酸钙的制备：将纳米轻质碳酸钙100份加热至60℃，然后自然冷却30分钟，再向纳米轻质碳酸钙中加入烷氧基低分子聚硅氧烷0.3份，二氧化碳10份，水300份，搅拌，然后再加入铝酸酯1份，搅拌，并在60℃下保持3小时，再压滤，在压滤过程中连续补充二氧化碳，最后得到干燥的粒子，然后风选BET比表面积为22±3m2/g，粒径为100nm的粒子，即为活化纳米轻质碳酸钙；
(3)纳米碳酸钙的制备：所述纳米碳酸钙具体制备过程为：先采用高速混料机将活化2500目重质碳酸钙28份，活化纳米轻质碳酸钙70份，硬脂酸12份进行混合，通过粉体表面摩擦力自然升温至80℃保持2分钟，之后进入低速混料机，低速混料机罐体采用水冷方式，使温度下降至常温保持2分钟，制得纳米碳酸钙；
(4)100型助剂的制备：将氯化聚乙烯32份，三元乙丙橡胶12份，丙烯酸树脂16份，硬脂酸11份，PE蜡11份，纳米碳酸钙30份，先采用高速混料机混合，通过粉体表面摩擦力自然升温至80℃保持2分钟，之后进入低速混料机，低速混料机罐体采用水冷方式，使温度下降常温，保持2分钟，制得100型助剂；
(5)按配方量称取各组分，将PVC树脂，硬脂酸钙锌，增韧剂，纳米碳酸钙，100型助剂，二氧化钛，荧光增白剂用高速混料机进行混合，温度维持在110℃2min，然后转入低速混料机，冷却，温度降至40℃，制得高光泽高强韧PVC管材原料；
(6)将步骤(5)制备的高光泽高强韧PVC管材原料通过一种高光泽塑料管材制备装置进行成型加工，得到高光泽高强韧PVC管材。
对比例1
对比例1中除步骤(2)中风选的活化纳米轻质碳酸钙粒径为110nm与实施例2不同外，其余过程相同。
对比例2
对比例2中除了步骤(6)中所用管材制备装置与实施例3不同外，其余部分与实施例3相同。(对比例2中所用管材制备装置为一般市售装置)
对比例3
一种高光泽高强韧PVC管材，按重量份数计，包括以下组分：
对比例3与实施例3总体相同，不同之处在于用活化纳米轻质碳酸钙替换了纳米碳酸钙，其余与实施例3相同。
产品性能测试
将上述实施例1-4，对比例1-2进行产品性能测试，结果如表1所示。
表1：
从表1中可以看出，本发明所述实施例1-4各指标都能满足国家产品标准，而且拉伸屈服强度，纵向回缩率，维卡软化温度等指标性能更优于国家产品标准。另外，本发明所述实施例1-4制备的产品表面光泽度优于对比例1-3。对比例1中的制备过程中风选的活化纳米轻质碳酸钙粒径不在本发明所述技术方案内，故产品性能，特别是拉伸屈服强度相对实施例1-4差，且还不满足国家标准。对比例3中只采用活化纳米轻质碳酸钙，碳酸钙的纳米效应明显减弱。由此可见，本发明所述技术方案制备处理的产品性能最优，特别是拉伸屈服强度性能和维卡软化温度。

Claims (10)

1.高光泽高强韧PVC管材，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的高光泽高强韧PVC管材，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
3.根据权利要求1或2所述的高光泽高强韧PVC管材，其特征在于，所述稳定剂为钙锌复合稳定剂。
4.根据权利要求1或2所述的高光泽高强韧PVC管材，其特征在于，所述增韧剂由甲基丙烯酸甲酯、丁二烯、苯乙烯和/或丙烯酸酯橡胶制备得到。
5.根据权利要求1或2所述的高光泽高强韧PVC管材，其特征在于，所述纳米碳酸钙由以下成分制得：
重质碳酸钙 20-30份
纳米轻质碳酸钙 60-70份
硬脂酸 8-12份；
其中所述重质碳酸钙的粒径为2000-3000目。
6.根据权利要求5所述的高光泽高强韧PVC管材，其特征在于，所述重质碳酸钙经过以下步骤活化处理：将重质碳酸钙加热并保持在50-70℃，然后将重质碳酸钙与三十二烷酸钠按95-105:0.1-1的质量比混合，搅拌保持2-4小时后压滤、干燥形成活化重质碳酸钙。
7.根据权利要求5所述的高光泽高强韧PVC管材，其特征在于，所述纳米轻质碳酸钙经过以下步骤活化处理：将纳米轻质碳酸钙加热并保持在50-70℃，然后加入控制剂、二氧化碳和水，接着按纳米轻质碳酸钙：铝酸酯为95-105:0.1-1的质量比加入铝酸酯，搅拌并保持温度在50-70℃，2-4小时后压滤、干燥形成活化纳米轻质碳酸钙；其中所述控制剂为烷氧基和/或硅氧烷类化合物。
8.根据权利要求7所述的高光泽高强韧PVC管材，其特征在于，所述活化纳米轻质碳酸钙的BET比表面积为22±3m2/g，粒径为10-100nm。
9.根据权利要求1或2所述的高光泽高强韧PVC管材，其特征在于，所述助剂由以下成分制得：
氯化聚乙烯 25-35份
三元乙丙橡胶 8-12份
丙烯酸树脂 12-18份
硬脂酸 8-12份
蜡 8-12份
纳米碳酸钙 20-30份。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的高光泽高强韧PVC管材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按配方量称取各组分，将PVC树脂，稳定剂，增韧剂，纳米碳酸钙，助剂，二氧化钛，荧光增白剂用高速混料机进行混合，温度维持在100-120℃之间1-5min，然后转入低速混料机，冷却，温度降至50℃以下后制得高光泽高强韧PVC管材原料；
(2)高光泽高强韧PVC管材的制备：将步骤(1)制备得到的高光泽高强韧PVC管材原料进行成型处理，制得高光泽高强韧PVC管材。
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