CN110204809B - 一种阻燃hdpe子管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻燃HDPE子管及其制备方法，属于塑料制品加工技术领域，一种阻燃HDPE子管，以重量份数计，包括如下组分：HDPE树脂60‑70份、改性氢氧化铝20‑25份、阻燃增效剂4‑6份、润滑剂3‑5份以及抗氧剂1‑2份；所述改性氢氧化铝采用如下重量份的原料制得：氢氧化铝50‑60份、麦饭石粉6‑8份、单硬脂酸甘油酯1‑2份、异丙醇100‑120份以及1‑2份钛酸酯偶联剂。本发明经过改性处理后的氢氧化铝，可以提高其与HDPE树脂的相容性，使其在提高HDPE子管的阻燃性能的同时，不会引起子管力学性能的明显降低。

Description

一种阻燃HDPE子管及其制备方法
技术领域
本发明涉及塑料制品加工技术领域，更具体的说，它涉及一种阻燃HDPE子管及其制备方法。
背景技术
HDPE(高密度聚乙烯)为白色粉末或颗粒状树脂，具有很好的耐磨性、电绝缘性、韧性、耐寒性以及抗老化性能等优点，可用做电缆绝缘材料，以HDPE制备的电缆子管是设于电缆的外层的，具有保护电缆、防止电缆受到损伤的作用；但是由于HDPE的氧指数低，易燃且其燃烧时会产生大量具有引燃能力的熔滴，会进一步加重燃烧情况，因此需要对HDPE 材料进行阻燃处理。
目前，阻燃HDPE最有效的方法是添加阻燃剂，阻燃剂一般分为卤系阻燃剂以及无卤阻燃剂；与无卤阻燃剂相比，卤系阻燃剂添加量小，阻燃效果好，不会降低聚合物材料的力学性能、电性能等，但是卤系阻燃剂的缺点是其在高温时会挥发产生大量的有毒气体，影响环境并对人体的健康造成危害；而无卤阻燃剂虽然不会产生有毒气体，但是其阻燃效果远不如卤系阻燃性，要达到相同的阻燃效果则需要大量添加无卤阻燃剂，并且无卤阻燃剂与聚合物的相容性较差，大量添加之后又会大幅度降低HDPE子管的力学强度，降低其使用寿命。因此，如何能够在不明显降低HDPE子管力学性能的同时，提高HDPE子管的阻燃性能，是一个需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种阻燃HDPE子管，其通过改性处理后的氢氧化铝，可以提高其与HDPE树脂的相容性，使其在提高HDPE子管的阻燃性能的同时，不会引起子管力学性能的明显降低。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种阻燃HDPE子管，以重量份数计，包括如下组分：HDPE树脂60-70份、改性氢氧化铝 20-25份、阻燃增效剂4-6份、润滑剂3-5份以及抗氧剂1-2份；所述改性氢氧化铝采用如下重量份的原料制得：氢氧化铝50-60份、麦饭石粉6-8份、单硬脂酸甘油酯1-2份、异丙醇100-120份以及1-2份钛酸酯偶联剂。
通过采用上述技术方案，氢氧化铝无毒、不挥发、发烟量小，受热分解失水，水汽化吸热后降低子管的温度，稀释可燃性气体以达到阻燃效果；经过改性处理后的氢氧化铝，可以提高其与HDPE树脂的相容性，使其在提高HDPE子管的阻燃性能的同时，不会引起子管力学性能的明显降低。
进一步地，所述改性氢氧化铝采用如下方法制备：以重量份数计：①取50-60份氢氧化铝以及6-8份麦饭石粉，经过研磨后过100-200目筛筛选；②向筛选后的氢氧化铝和麦饭石粉中加入1-2份单硬脂酸甘油酯以及100-120份异丙醇，然后在超声功率为300-350W的条件下，超声分散5-10min，得到悬浮液；③向悬浮液中加入1-2份钛酸酯偶联剂，升温至85-95℃，在1000-2000r/min的速度，搅拌10-15min，经过抽滤、洗涤、干燥、研磨以及过筛后，得到改性氢氧化铝。
通过采用上述技术方案，在改性的过程中添加的麦饭石粉有强吸附作用，可以提高改性氢氧化铝的活化指数，氢氧化铝经过改性处理之后，可以增大其与聚烯烃的相容性，提高氢氧化铝粒子的润湿性，增加其在聚烯烃中的分散性，提高其与聚烯烃的相容性。
进一步地，步骤③中的干燥温度为160-180℃，干燥时间为8-10h。
通过采用上述技术方案，在160-180℃的温度下，对改性氢氧化铝干燥处理8-10h，可以出去其中的水分，有利于提高产品质量的稳定性。
进一步地，所述阻燃增效剂由重量比为3:1的红磷和硼酸锌混合而成。
通过采用上述技术方案，阻燃增效剂中的红磷以及硼酸锌与氢氧化铝并用时，具有协同作用；氢氧化铝受热分解失水，水汽化后吸收热量而对燃烧物进行降温，而氢氧化铝分解产生的水又可以与红磷燃烧形成的氧化物迅速生成磷酸，并进一步缩合成聚偏磷酸以覆盖在子管的表面，隔绝氧气；在红磷与氢氧化铝作用的过程中，硼酸锌不仅可以对阻燃起到增益的作用，并且还可以减少燃烧时烟雾的产生，从而提高阻燃效果。
进一步地，所述润滑剂为季戊四醇硬脂酸脂。
通过采用上述技术方案，季戊四醇硬脂酸脂的具有很好的内外润滑性能，能提高制品的热稳定性，改善加工性能。
进一步地，所述抗氧剂由重量比为1:1的抗氧剂1010和抗氧剂168混合而成。
通过采用上述技术方案，抗氧剂1010和抗氧剂168并用时具有协同作用，可以提高HDPE子管的抗老化性能，提高其使用寿命。
本发明的目的之二在于提供一种阻燃HDPE子管的制备方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种阻燃HDPE子管的制备方法，包括如下步骤：
S1：取HDPE树脂60-70份、改性氢氧化铝20-25份、阻燃增效剂4-6份、润滑剂3-5份以及抗氧剂1-2份，在温度为90-100℃、搅拌速度为200-300r/min的条件下搅拌10-20min，得到混合料；
S2：将混合料置于双螺杆挤出机中，经过熔融挤出造粒后，得到聚乙烯母料；
S3：将聚乙烯母料置于单螺杆塑料挤出成型机中，挤出成型得到管材；将管材在2-3m/min的速度下经过牵引、冷却定型以及切割后，得到阻燃HDPE子管。
通过采用上述技术方案，以HDPE为主要原料、以改性氢氧化铝为阻燃剂制备的阻燃 HDPE子管具有优异的阻燃性能以及较好的物理机械性能。
进一步地，S2中所述双螺杆挤出机中的各区温度为：一区100-110℃、二区110-120℃、三区120-130℃、四区130-140℃、五区140-150℃、六区150-160℃、七区140-150℃、八区130-140℃、九区130-140℃，模头温度为130-140℃。
通过采用上述技术方案，在上述温度下挤出聚乙烯母料的加工性能温度，产品表面光滑、无颗粒感。
进一步地，S3中所述单螺杆塑料挤出成型机的各区温度为：一区110-120℃、二区120-130℃、三区130-140℃、四区135-145℃、五区145-155℃、六区155-165℃，模头温度为135-145℃。
通过采用上述技术方案，在上述温度下挤出的HDPE子管的管壁光滑、性能稳定。
进一步地，S3中的冷却定型的温度为40-50℃。
通过采用上述技术方案，在40-50℃的温度下对挤出的管材进行降温处理，使其冷却成型，有利于提高HDPE尺寸以及性能的稳定性。
综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
1.经过改性处理后的氢氧化铝，可以提高其与HDPE树脂的相容性，使其在提高HDPE子管的阻燃性能的同时，不会引起子管力学性能的明显降低；
2.在改性的过程中添加的麦饭石粉有强吸附作用，可以提高改性氢氧化铝的活化指数，氢氧化铝经过改性处理之后，可以增大其与聚烯烃的相容性，提高氢氧化铝粒子的润湿性，增加其在聚烯烃中的分散性，提高其与聚烯烃的相容性；
3.阻燃增效剂中的红磷以及硼酸锌与氢氧化铝并用时，具有协同作用；氢氧化铝受热分解失水，水汽化后吸收热量而对燃烧物进行降温，而氢氧化铝分解产生的水又可以与红磷燃烧形成的氧化物迅速生成磷酸，并进一步缩合成聚偏磷酸以覆盖在子管的表面，隔绝氧气；在红磷与氢氧化铝作用的过程中，硼酸锌不仅可以对阻燃起到增益的作用，并且还可以减少燃烧时烟雾的产生，从而提高阻燃效果。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明。
一、改性氢氧化铝的制备例
以下制备例中的钛酸酯偶联剂采用中煜沃豪提供的型号为NDZ-201的钛酸酯偶联剂；
制备例1：①取50kg氢氧化铝以及6kg麦饭石粉，经过研磨后过100目筛筛选；②向筛选后的氢氧化铝和麦饭石粉中加入1kg单硬脂酸甘油酯以及100kg异丙醇，然后在超声功率为 300W的条件下，超声分散5min，得到悬浮液；③向悬浮液中加入1kg钛酸酯偶联剂，升温至85℃，在1000r/min的速度，搅拌10min，经过抽滤、洗涤后，在160℃的温度下，干燥 8h，然后再对其进行研磨以及过600目筛筛选后，得到改性氢氧化铝。
制备例2：①取55kg氢氧化铝以及7kg麦饭石粉，经过研磨后过150目筛筛选；②向筛选后的氢氧化铝和麦饭石粉中加入1.5kg单硬脂酸甘油酯以及110kg异丙醇，然后在超声功率为320W的条件下，超声分散8min，得到悬浮液；③向悬浮液中加入1.5kg钛酸酯偶联剂，升温至90℃，在1500r/min的速度，搅拌13min，经过抽滤、洗涤后，在170℃的温度下，干燥9h，然后再对其进行研磨以及过600目筛筛选后，得到改性氢氧化铝。
制备例3：①取60kg氢氧化铝以及8kg麦饭石粉，经过研磨后过200目筛筛选；②向筛选后的氢氧化铝和麦饭石粉中加入2kg单硬脂酸甘油酯以及120kg异丙醇，然后在超声功率为350W的条件下，超声分散10min，得到悬浮液；③向悬浮液中加入2kg钛酸酯偶联剂，升温至95℃，在2000r/min的速度，搅拌15min，经过抽滤、洗涤后，在180℃的温度下，干燥10h，然后再对其进行研磨以及过600目筛筛选后，得到改性氢氧化铝。
制备例4：本制备例与制备例1的不同之处在于，原料中未添加麦饭石粉。
制备例5：本制备例与制备例1的不同之处在于，原料中未添加单硬脂酸甘油酯。
二、实施例
以下实施例中的HDPE树脂选自吉林石化提供的牌号为JHMGC100S的HDPE树脂。
实施例1：一种阻燃HDPE子管采用如下方法制备而得：
S1：取HDPE树脂60kg、改性氢氧化铝(选自制备例1)20kg、红磷1kg、硼酸锌3kg、季戊四醇硬脂酸脂3kg、0.5kg抗氧剂1010和0.5kg抗氧剂168，在温度为90℃、搅拌速度为200r/min的条件下搅拌10min，得到混合料；
S2：将混合料置于双螺杆挤出机中，经过熔融挤出造粒后，得到聚乙烯母料；其中双螺杆挤出机中的各区温度为：一区100℃、二区110℃、三区120℃、四区130℃、五区140℃、六区150℃、七区140℃、八区130℃、九区130℃，模头温度为130℃；
S3：将聚乙烯母料置于单螺杆塑料挤出成型机中，挤出成型得到管材；将管材在2m/min的速度下经过牵引后，通过40℃的冷却水冷却定型后对其进行切割，得到阻燃HDPE子管；其中单螺杆塑料挤出成型机的各区温度为：一区110℃、二区120℃、三区130℃、四区135℃、五区145℃、六区155℃，模头温度为135℃。
实施例2：一种阻燃HDPE子管采用如下方法制备而得：
S1：取HDPE树脂65kg、改性氢氧化铝(选自制备例2)22.5kg、红磷1.25kg、硼酸锌3.75kg、季戊四醇硬脂酸脂4kg、0.75kg抗氧剂1010和0.75kg抗氧剂168，在温度为95℃、搅拌速度为250r/min的条件下搅拌15min，得到混合料；
S2：将混合料置于双螺杆挤出机中，经过熔融挤出造粒后，得到聚乙烯母料；其中双螺杆挤出机中的各区温度为：一区105℃、二区115℃、三区125℃、四区135℃、五区145℃、六区155℃、七区145℃、八区135℃、九区135℃，模头温度为135℃；
S3：将聚乙烯母料置于单螺杆塑料挤出成型机中，挤出成型得到管材；将管材在2.5m/min的速度下经过牵引后，通过45℃的冷却水冷却定型后对其进行切割，得到阻燃HDPE子管；其中单螺杆塑料挤出成型机的各区温度为：一区115℃、二区125℃、三区135℃、四区140℃、五区150℃、六区160℃，模头温度为140℃。
实施例3：一种阻燃HDPE子管采用如下方法制备而得：
S1：取HDPE树脂70kg、改性氢氧化铝(选自制备例3)25kg、红磷1.5kg、硼酸锌4.5kg、季戊四醇硬脂酸脂5kg、1kg抗氧剂1010和1kg抗氧剂168，在温度为100℃、搅拌速度为 300r/min的条件下搅拌20min，得到混合料；
S2：将混合料置于双螺杆挤出机中，经过熔融挤出造粒后，得到聚乙烯母料；其中双螺杆挤出机中的各区温度为：一区110℃、二区120℃、三区130℃、四区140℃、五区150℃、六区160℃、七区150℃、八区140℃、九区140℃，模头温度为140℃；
S3：将聚乙烯母料置于单螺杆塑料挤出成型机中，挤出成型得到管材；将管材在3m/min的速度下经过牵引后，通过50℃的冷却水冷却定型后对其进行切割，得到阻燃HDPE子管；其中单螺杆塑料挤出成型机的各区温度为：一区120℃、二区130℃、三区140℃、四区145℃、五区155℃、六区165℃，模头温度为145℃。
三、对比例
对比例1：本对比例与实施例1的不同之处在于，原料中未添加改性氢氧化铝阻燃剂。
对比例2：本对比例与实施例1的不同之处在于，用等量的氢氧化铝代替改性氢氧化铝。
对比例3：本对比例与实施例1的不同之处在于，改性氢氧化铝采用制备例4制备的改性氢氧化铝，该改性氢氧化铝在制备的过程中未添加麦饭石粉。
对比例4：本对比例与实施例1的不同之处在于，改性氢氧化铝采用制备例5制备的改性氢氧化铝，该改性氢氧化铝在制备的过程中未添加单硬脂酸甘油酯。
对比例5：本对比例与实施例1的不同之处在于，原料中未添加红磷。
对比例6：本对比例与实施例1的不同之处在于，原料中未添加硼酸锌。
四、性能测试
按照如下方法，对实施例1-3以及对比例1-6制备的HDPE子管的性能进行测试，将测试结果示于表1。
密度：根据GB/T1033.2-2010《塑料非泡沫塑料密度的测定第2部分：密度梯度柱法》，测定HDPE子管的密度。
拉伸强度：根据GB/T 8804.3-2003《热塑性塑料管材拉伸强度测定第3部分：聚烯烃管材》，测定HDPE子管的拉伸强度。
断裂伸长率：根据GB/T 8804.3-2003《热塑性塑料管材拉伸强度测定第3部分：聚烯烃管材》，测定HDPE子管的断裂伸长率。
弯曲强度：根据GB/T 9341-2008《塑料弯曲性能的测定》，测定HDPE子管的弯曲强度。
维卡软化温度：根据GB/T 1633-2000《热塑性塑料维卡软化温度(VST)的测定》中的A50法测定HDPE子管的维卡软化温度。
垂直燃烧：根据UL94-2006《设备和装置中塑料燃烧材料燃烧性试验标准》，对HDPE子管的垂直燃烧性能进行评定，其中阻燃性能由好变差依次为V-0、V-1、V-2。
烟密度：根据GB/T8323.2-2008《塑料烟生成第2部分：单室法测定烟密度试验方法》，对HDPE子管燃烧时的烟密度进行检测。
表1
Figure BDA0002029887660000061
Figure BDA0002029887660000071
由表1数据可以看出，本发明制备的HDPE的维卡软化温度大于85℃，垂直燃烧等级为V-1，说明本发明制备的HDPE子管具有优异的阻燃性能，具有离开火焰瞬间即熄的防火性能；其烟密度小于130，说明其在发生燃烧时的发烟量小；此外本发明的HDPE子管还具有良好的拉伸强度、断裂伸长率以及弯曲强度，说明在添加阻燃剂后不会明显降低HDPE子管的力学性能。
对比例1的原料中未添加改性氢氧化铝阻燃剂；相较于实施例1，对比例1的拉伸强度、断裂伸长率有较小幅度的增大，说明改性氢氧化铝不会明显降低HDPE子管的力学性能；对比例1中的维卡软化温度以及垂直燃烧性能明显降低，说明改性氢氧化铝会显著提高HDPE 子管的阻燃性能。
对比例2中用等量的氢氧化铝代替改性氢氧化铝；相较于实施例1，对比例2的拉伸强度、断裂伸长率以及弯曲强度明显下降，说明普通氢氧化铝的加入会明显降低HDPE子管的力学性能。
对比例3中的改性氢氧化铝采用制备例4制备的改性氢氧化铝，该改性氢氧化铝在制备的过程中未添加麦饭石粉；相较于实施例1，对比例3的拉伸强度、断裂伸长率以及弯曲强度有较小幅度的下降，并且其烟密度明显增大，说明麦饭石粉的加入可以改善HDPE子管的力学性能，并且显著降低其燃烧时的烟密度。
对比例4中的改性氢氧化铝采用制备例5制备的改性氢氧化铝，该改性氢氧化铝在制备的过程中未添加单硬脂酸甘油酯；相较于与实施例1，对比例4中的拉伸强度、断裂伸长率以及弯曲强度明显降低，说明单硬脂酸甘油酯的加入可以提高改性氢氧化铝与聚烯烃的相容性，改善其对聚烯烃力学性能的影响。
对比例5的原料中未添加红磷；相较于实施例1，对比例5的维卡软化温度以及垂直燃烧性能明显降低，说明红磷的加入可以提高HDPE子管的阻燃性能。
对比例6的原料中未添加硼酸锌；相较于实施例1，对比例6的维卡软化温度以及垂直燃烧性能明显降低，其烟密度明显增大，说明硼酸锌的加入不仅可以明显改善HDPE子管的阻燃性能，还可以显著降低其烟密度。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种阻燃HDPE子管，其特征在于：以重量份数计，由如下组分组成：HDPE树脂60-70份、改性氢氧化铝20-25份、阻燃增效剂4-6份、润滑剂3-5份以及抗氧剂1-2份；
所述改性氢氧化铝采用如下重量份的原料制得：氢氧化铝50-60份、麦饭石粉6-8份、单硬脂酸甘油酯1-2份、异丙醇100-120份以及1-2份钛酸酯偶联剂；
所述改性氢氧化铝采用如下方法制备：以重量份数计：①取50-60份氢氧化铝以及6-8份麦饭石粉，经过研磨后过100-200目筛筛选；②向筛选后的氢氧化铝和麦饭石粉中加入1-2份单硬脂酸甘油酯以及100-120份异丙醇，然后在超声功率为300-350W的条件下，超声分散5-10min，得到悬浮液；③向悬浮液中加入1-2份钛酸酯偶联剂，升温至85-95℃，在1000-2000r/min的速度，搅拌10-15min，经过抽滤、洗涤、干燥、研磨以及过筛后，得到改性氢氧化铝；
所述阻燃增效剂由重量比为3:1的红磷和硼酸锌混合而成；
所述的阻燃HDPE子管的制备方法，包括如下步骤：
S1：取HDPE树脂60-70份、改性氢氧化铝20-25份、阻燃增效剂4-6份、润滑剂3-5份以及抗氧剂1-2份，在温度为90-100℃、搅拌速度为200-300r/min的条件下搅拌10-20min，得到混合料；
S2：将混合料置于双螺杆挤出机中，经过熔融挤出造粒后，得到聚乙烯母料；
S3：将聚乙烯母料置于单螺杆塑料挤出成型机中，挤出成型得到管材；将管材在2-3m/min的速度下经过牵引、冷却定型以及切割后，得到阻燃HDPE子管。
2.根据权利要求1所述的一种阻燃HDPE子管，其特征在于：步骤③中的干燥温度为160-180℃，干燥时间为8-10h。
3.根据权利要求1所述的一种阻燃HDPE子管，其特征在于：所述润滑剂为季戊四醇硬脂酸脂。
4.根据权利要求1所述的一种阻燃HDPE子管，其特征在于：所述抗氧剂由重量比为1:1的抗氧剂1010和抗氧剂168混合而成。
5.根据权利要求1所述的一种阻燃HDPE子管，其特征在于：S2中所述双螺杆挤出机中的各区温度为：一区100-110℃、二区110-120℃、三区120-130℃、四区130-140℃、五区140-150℃、六区150-160℃、七区140-150℃、八区130-140℃、九区130-140℃，模头温度为130-140℃。
6.根据权利要求1所述的一种阻燃HDPE子管，其特征在于： S3中所述单螺杆塑料挤出成型机的各区温度为：一区110-120℃、二区120-130℃、三区130-140℃、四区135-145℃、五区145-155℃、六区155-165℃，模头温度为135-145℃。
7.根据权利要求1所述的一种阻燃HDPE子管，其特征在于：S3中的冷却定型的温度为40-50℃。
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