CN109401171B - 一种耐高温超高分子量聚乙烯管材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，包括如下步骤，包括如下步骤，(一)含氟金刚烷基缩聚物的制备；(二)混合料的制备；(三)挤出成型。本发明还公开了根据所述耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法制备得到耐高温超高分子量聚乙烯管材。本发明公开的耐高温超高分子量聚乙烯管材不仅保留了传统超高分子量聚乙烯管材优异的耐磨损性能、极高的抗冲击强度、极好的自润滑性能、优良的耐化学药品性和耐低温性能、优异的抗粘附性、卫生无毒无污染、可再循环回收利用的优点，还改善了其耐候性和耐热性等性能。

Description

一种耐高温超高分子量聚乙烯管材及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种耐高温超高分子量聚乙烯管材及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，塑料管材的应用越来越广泛，作为众多塑料管材中的一种，超高分子量聚乙烯管材因其具有优良的力学性能、耐磨性、自润滑性、耐化学药品性、耐腐蚀性和耐低温性能，被广泛应用于煤炭、石油化工、火力发电、公共事业等行业的粉体、浆体、液体及气体输送。但这种管材表面硬度低、热变形温度低、抗磨粒磨损和抗疲劳磨损性能差，加工成型困难、耐应力较差、容易开裂，这些限制了超高分子量聚乙烯管材的应用范围。
超高分子量聚乙烯管材的质量及其使用寿命取决于其制备原料超高分子量聚乙烯，为了制备出质量更优，性能更佳的超高分子量聚乙烯管材，不得不开发新型材料来取代超分子量聚乙烯或者对超高分子量聚乙烯进行改性，开发新型材料会导致成本较高，不能保留超高分子量聚乙烯具有的其它塑料无可比拟的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能。因此对现有的超高分子量聚乙烯进行改性成为现阶段乃至未来较长一段时间内的主流解决方案。但现有技术中的改性超高分子量聚乙烯或多或少存在抗拉强度不高、性能不稳定均一，耐应力作用差，且在长期使用过程中添加的较多的无机填料会出现外渗现象，且增加了加工成型的难度，从而影响材料的性能，进而缩短其使用寿命，另外，它们对耐高温性能和耐候性的提高效果不明显。
中国专利CN1013441988A公开了一种超高分子量聚乙烯耐磨管材，以质量百分数计，原料包括超高分子量聚乙烯树脂70-90％、玻璃纤维或玻璃微珠3-20％、硅烷类偶联剂0.1-1％、石墨0.5-3％和聚乙烯蜡1-7％，该管材抗拉强度不高、断裂伸长率较低，使用寿命较短。
因此，开发一种耐高温、耐磨性能更好、机械性能、耐候性和加工流动性能更优异，生产效率更高，使用寿命更长的超高分子量聚乙烯管材具有广泛是市场价值和应用前景，对促进管材行业的发展具有积极作用，意义非常大。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种耐高温超高分子量聚乙烯管材，该耐高温超高分子量聚乙烯不仅保留了传统超高分子量聚乙烯管材优异的耐磨损性能、极高的抗冲击强度、极好的自润滑性能、优良的耐化学药品性和耐低温性能、优异的抗粘附性、卫生无毒无污染、可再循环回收利用的优点，还改善了其耐候性和耐热性等性能，克服了传统超高分子量聚乙烯管材表面硬度低、热变形温度低、抗磨粒磨损和抗疲劳磨损性能差，加工成型困难、耐应力较差、容易开裂的缺陷；另外本发明还提供了所述耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是，一种耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，包括如下步骤：
S1：将2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷、4,6-二(1-金刚烷)-1,3-二环氧丙烷氧基苯溶于高沸点溶剂中，并向其中加入碱性催化剂，在氮气或惰性气体氛围75-85℃下搅拌反应10-12小时，后在水中析出，用水洗涤析出的聚合物3-5次，再用乙醇洗涤析出的聚合物3-5次，再置于真空干燥箱中80-90℃下干燥至恒重，得到含氟金刚烷基缩聚物；
S2：将1,2,2-三氟乙烯基三苯基硅烷、八乙烯基-POSS、引发剂、经过步骤S1制备得到的含氟金刚烷基缩聚物、超高分子量聚乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝超高分子量聚乙烯纤维加入到高速混合机中进行高速搅混均匀，所述高速混合机的主轴转速为700-1000rpm，得到混合料；
S3：将经过步骤S2制备得到的混合料加入到双螺杆挤出机中挤出成型，得到耐高温超高分子量聚乙烯管材。
优选地，步骤S1中所述2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷、4,6-二(1-金刚烷)-1,3-二环氧丙烷氧基苯、高沸点溶剂、碱性催化剂的质量比为1:1.47:(10-15):(0.6-0.8)。
优选地，所述高沸点溶剂选自二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
优选地，所述碱性催化剂选自碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或几种。
优选地，所述惰性气体选自氦气、氖气、氩气中的一种。
优选地，步骤S2中所述1,2,2-三氟乙烯基三苯基硅烷、八乙烯基-POSS、引发剂、含氟金刚烷基缩聚物、超高分子量聚乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝超高分子量聚乙烯纤维的质量比为0.1:0.1:(0.003-0.005):0.2:1:0.2。
优选地，所述引发剂选自过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵中的一种或几种。
优选地，所述挤出成型的工艺参数为：加热温度为220-230℃，机头挤出温度为230-240℃，挤出机主螺杆转速140-150r/min，加料转速190-200r/min。
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材，按照上述耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法制成。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1)本发明提供的耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，简单易行，原料易得，价格低廉，对设备依赖性不高，实用性强，适合工业化生产。
2)本发明提供的耐高温超高分子量聚乙烯管材，不仅保留了传统超高分子量聚乙烯管材优异的耐磨损性能、极高的抗冲击强度、极好的自润滑性能、优良的耐化学药品性和耐低温性能、优异的抗粘附性、卫生无毒无污染、可再循环回收利用的优点，还改善了其耐候性和耐热性等性能，克服了传统超高分子量聚乙烯管材表面硬度低、热变形温度低、抗磨粒磨损和抗疲劳磨损性能差，加工成型困难、耐应力较差、容易开裂的缺陷。
3)本发明提供的耐高温超高分子量聚乙烯管材，在超高分子量聚乙烯中共混有含氟金刚烷基缩聚物，提高了材料的耐高温性能和力学性能；含氟金刚烷基缩聚物与甲基丙烯酸甘油酯接枝超高分子量聚乙烯纤维上的环氧基在成型时形成交联结构，进一步提高了其综合性能。
4)本发明提供的耐高温超高分子量聚乙烯管材，加入氟硅单体、八乙烯基-POSS和引发剂，在成型阶段发生化学反应引入氟硅结构，进一步提高材料的强度和耐高温性能；各成分和结构协同作用，使得管材耐高温、耐磨性能更好、机械性能、耐候性更优异，生产效率更高，使用寿命更长，没有添加大量无机添加剂，避免了长期使用过程中出现的外渗现象及分散不均引起的性能不好的问题。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明下述实施例中所使用的甲基丙烯酸甘油酯表面接枝超高分子量聚乙烯纤维为预先制备，制备方法参考：超高分子两聚乙烯纤维表面接枝及其与橡胶粘合性能的研究[D]，高尚兵，北京化工大学，2011；其它原料购自摩贝(上海)生物科技有限公司。
实施例1
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，包括如下步骤：
S1：将2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷1kg、4,6-二(1-金刚烷)-1,3-二环氧丙烷氧基苯1.47kg溶于二甲亚砜10kg中，并向其中加入碳酸钠0.6kg，在氮气氛围75℃下搅拌反应10小时，后在水中析出，用水洗涤析出的聚合物3次，再用乙醇洗涤析出的聚合物3次，再置于真空干燥箱中80℃下干燥至恒重，得到含氟金刚烷基缩聚物；
S2：将1,2,2-三氟乙烯基三苯基硅烷0.1kg、八乙烯基-POSS 0.1kg、过硫酸钠0.003kg、经过步骤S1制备得到的含氟金刚烷基缩聚物0.2kg、超高分子量聚乙烯1kg、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝超高分子量聚乙烯纤维0.2kg加入到高速混合机中进行高速搅混均匀，所述高速混合机的主轴转速为700rpm，得到混合料；
S3：将经过步骤S2制备得到的混合料加入到双螺杆挤出机中挤出成型，得到耐高温超高分子量聚乙烯管材；所述挤出成型的工艺参数为：加热温度为220℃，机头挤出温度为230℃，挤出机主螺杆转速140r/min，加料转速190r/min。
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材，按照上述耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法制成。
实施例2
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，包括如下步骤：
S1：将2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷1kg、4,6-二(1-金刚烷)-1,3-二环氧丙烷氧基苯1.47kg溶于N,N-二甲基甲酰胺11kg中，并向其中加入碳酸钾0.65kg，在氦气氛围77℃下搅拌反应10.5小时，后在水中析出，用水洗涤析出的聚合物4次，再用乙醇洗涤析出的聚合物4次，再置于真空干燥箱中83℃下干燥至恒重，得到含氟金刚烷基缩聚物；
S2：将1,2,2-三氟乙烯基三苯基硅烷0.1kg、八乙烯基-POSS 0.1kg、过硫酸钾0.0035kg、经过步骤S1制备得到的含氟金刚烷基缩聚物0.2kg、超高分子量聚乙烯1kg、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝超高分子量聚乙烯纤维0.2kg加入到高速混合机中进行高速搅混均匀，所述高速混合机的主轴转速为800rpm，得到混合料；
S3：将经过步骤S2制备得到的混合料加入到双螺杆挤出机中挤出成型，得到耐高温超高分子量聚乙烯管材；所述挤出成型的工艺参数为：加热温度为223℃，机头挤出温度为233℃，挤出机主螺杆转速143r/min，加料转速193r/min。
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材，按照上述耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法制成。
实施例3
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，包括如下步骤：
S1：将2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷1kg、4,6-二(1-金刚烷)-1,3-二环氧丙烷氧基苯1.47kg溶于N-甲基吡咯烷酮13kg中，并向其中加入氢氧化钠0.7kg，在氖气氛围80℃下搅拌反应11小时，后在水中析出，用水洗涤析出的聚合物4次，再用乙醇洗涤析出的聚合物5次，再置于真空干燥箱中85℃下干燥至恒重，得到含氟金刚烷基缩聚物；
S2：将1,2,2-三氟乙烯基三苯基硅烷0.1kg、八乙烯基-POSS 0.1kg、过硫酸铵0.004kg、经过步骤S1制备得到的含氟金刚烷基缩聚物0.2kg、超高分子量聚乙烯1kg、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝超高分子量聚乙烯纤维0.2kg加入到高速混合机中进行高速搅混均匀，所述高速混合机的主轴转速为850rpm，得到混合料；
S3：将经过步骤S2制备得到的混合料加入到双螺杆挤出机中挤出成型，得到耐高温超高分子量聚乙烯管材；所述挤出成型的工艺参数为：加热温度为226℃，机头挤出温度为235℃，挤出机主螺杆转速145r/min，加料转速195r/min。
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材，按照上述耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法制成。
实施例4
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，包括如下步骤：
S1：将2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷1kg、4,6-二(1-金刚烷)-1,3-二环氧丙烷氧基苯1.47kg溶于高沸点溶剂14kg中，并向其中加入碱性催化剂7.5kg，在氩气氛围83℃下搅拌反应11.5小时，后在水中析出，用水洗涤析出的聚合物5次，再用乙醇洗涤析出的聚合物5次，再置于真空干燥箱中88℃下干燥至恒重，得到含氟金刚烷基缩聚物；所述高沸点溶剂是二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮按质量比1:2:3混合而成的混合物；所述碱性催化剂是碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾按质量比2:1:1:2混合而成的混合物；
S2：将1,2,2-三氟乙烯基三苯基硅烷0.1kg、八乙烯基-POSS 0.1kg、引发剂0.0045kg、经过步骤S1制备得到的含氟金刚烷基缩聚物0.2kg、超高分子量聚乙烯1kg、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝超高分子量聚乙烯纤维0.2kg加入到高速混合机中进行高速搅混均匀，所述高速混合机的主轴转速为950rpm，得到混合料；所述引发剂是过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵按质量比2:3:1混合而成的混合物；
S3：将经过步骤S2制备得到的混合料加入到双螺杆挤出机中挤出成型，得到耐高温超高分子量聚乙烯管材；所述挤出成型的工艺参数为：加热温度为228℃，机头挤出温度为238℃，挤出机主螺杆转速148r/min，加料转速197r/min。
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材，按照上述耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法制成。
实施例5
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，包括如下步骤：
S1：将2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷1kg、4,6-二(1-金刚烷)-1,3-二环氧丙烷氧基苯1.47kg溶于二甲亚砜15kg中，并向其中加入氢氧化钾0.8kg，在氮气氛围85℃下搅拌反应12小时，后在水中析出，用水洗涤析出的聚合物5次，再用乙醇洗涤析出的聚合物5次，再置于真空干燥箱中90℃下干燥至恒重，得到含氟金刚烷基缩聚物；
S2：将1,2,2-三氟乙烯基三苯基硅烷0.1kg、八乙烯基-POSS 0.1kg、过硫酸钾0.005kg、经过步骤S1制备得到的含氟金刚烷基缩聚物0.2kg、超高分子量聚乙烯1kg、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝超高分子量聚乙烯纤维0.2kg加入到高速混合机中进行高速搅混均匀，所述高速混合机的主轴转速为1000rpm，得到混合料；
S3：将经过步骤S2制备得到的混合料加入到双螺杆挤出机中挤出成型，得到耐高温超高分子量聚乙烯管材；所述挤出成型的工艺参数为：加热温度为230℃，机头挤出温度为240℃，挤出机主螺杆转速150r/min，加料转速200r/min。
一种耐高温超高分子量聚乙烯管材，按照上述耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法制成。
对比例
本例提供一种耐高温超高分子量聚乙烯管材，按照中国发明专利CN108314822A实施例1的配方及制备方法制备得到。
将实施例1-5和对比例所述耐高温超高分子量聚乙烯管材进行性能测试，测试结果和测试标准见表1。
表1
检测项目 维卡软化温度 拉伸屈服强度
单位 ℃ MPa
检测标准 GB/T1633-2000 GB/T8804.3-2003
实施例1 158.3 30
实施例2 162.1 32
实施例3 163.3 34
实施例4 165.1 37
实施例5 166.0 38
对比例 145 23
从表1可见，本发明实施例公开的耐高温超高分子量聚乙烯管材，与现有技术中的耐高温超高分子量聚乙烯管材相比，耐热性和力学性能均有明显提升。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷、4,6-二(1-金刚烷)-1,3-二环氧丙烷氧基苯溶于高沸点溶剂中，并向其中加入碱性催化剂，在氮气或惰性气体氛围75-85℃下搅拌反应10-12小时，后在水中析出，用水洗涤析出的聚合物3-5次，再用乙醇洗涤析出的聚合物3-5次，再置于真空干燥箱中80-90℃下干燥至恒重，得到含氟金刚烷基缩聚物；
S2：将1,2,2-三氟乙烯基三苯基硅烷、八乙烯基-POSS、引发剂、经过步骤S1制备得到的含氟金刚烷基缩聚物、超高分子量聚乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝超高分子量聚乙烯纤维加入到高速混合机中进行高速搅混均匀，所述高速混合机的主轴转速为700-1000rpm，得到混合料；所述1,2,2-三氟乙烯基三苯基硅烷、八乙烯基-POSS、引发剂、含氟金刚烷基缩聚物、超高分子量聚乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝超高分子量聚乙烯纤维的质量比为0.1:0.1:(0.003-0.005):0.2:1:0.2；
S3：将经过步骤S2制备得到的混合料加入到双螺杆挤出机中挤出成型，得到耐高温超高分子量聚乙烯管材。
2.根据权利要求1所述的耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷、4,6-二(1-金刚烷)-1,3-二环氧丙烷氧基苯、高沸点溶剂、碱性催化剂的质量比为1:1.47:(10-15):(0.6-0.8)。
3.根据权利要求1所述的耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，其特征在于，所述高沸点溶剂选自二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，其特征在于，所述碱性催化剂选自碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，其特征在于，所述惰性气体选自氦气、氖气、氩气中的一种。
6.根据权利要求1所述的耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，其特征在于，所述引发剂选自过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法，其特征在于，所述挤出成型的工艺参数为：加热温度为220-230℃，机头挤出温度为230-240℃，挤出机主螺杆转速140-150r/min，加料转速190-200r/min。
8.一种按照权利要求1-7任一项所述的耐高温超高分子量聚乙烯管材的制备方法制成的耐高温超高分子量聚乙烯管材。
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