CN110922665A - 一种高耐候性pe管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于聚乙烯管生产技术领域，公开了一种高耐候性PE管及其制作方法，包括以下重量份数的组分：聚乙烯基础树脂100～120份、有机硅改性聚乙烯树脂3～5份、硅烷改性环氧树脂5～6份、导电材料5～15份、分散剂4～6份；聚乙烯基础树脂为以乙烯为单体聚合得到的聚乙烯树脂；有机硅改性聚乙烯树脂中聚乙烯树脂为线性低密度聚乙烯树脂，通过乙烯和α‑烯烃共聚得到的聚乙烯树脂。本发明的高耐候性PE管具有高耐候性，能够有效抵御周围环境介质的影响延长聚乙烯管的使用寿命。

Description

一种高耐候性PE管及其制作方法
技术领域
本发明属于聚乙烯管生产技术领域，特别涉及一种高耐候性PE管及其制作方法。
背景技术
聚乙烯(Polyethylene，PE)管道因具有成本低廉、耐腐蚀性好以及使用寿命长等优点而被广泛地应用于给排水、输气等众多领域。国外对聚乙烯管的应用较早，从1950年起，高密度聚乙烯在管材方面就得以发展，并且迅速成为市场占比最大的管道材料。一般现代工业应用中PE管道的预期寿命是50年，但在实际流体输送过程中，聚乙烯管道会受到周围环境因素影响而加速老化降解，这很大程度缩短了PE管道的服役寿命。
一般情况下，PE管道的服役寿命取决于4个关键因素，即环境介质、温度、压力以及管材。其中环境介质不仅包含了水、空气(氧)，还有强腐蚀性物质、微生物等；而管材是一种复杂的影响因素，PE管道的寿命在一定程度上取决于聚乙烯材料本身的结构和性能。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种高耐候性PE管，该高耐候性PE管具有高耐候性，能够有效抵御周围环境介质的影响延长聚乙烯管的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种高耐候性PE管，该高耐候性PE管包括以下重量份数的组分：聚乙烯基础树脂100～120份、有机硅改性聚乙烯树脂3～5份、硅烷改性环氧树脂5～6份、导电材料5～15份、分散剂4～6份；所述聚乙烯基础树脂为以乙烯为单体聚合得到的聚乙烯树脂；所述有机硅改性聚乙烯树脂中聚乙烯树脂为线性低密度聚乙烯树脂，通过乙烯和α-烯烃共聚得到的聚乙烯树脂。
聚乙烯树脂接枝有机硅后球晶变小，不能进入晶区的支链排列在非晶区中，填补了非晶区的微孔并排除了气隙，增加了非晶区的敛集密度，不易产生应力集中，较多的支链间的链缠结能阻止微裂纹发展成为破坏性裂纹。有机硅改性聚乙烯树脂在极少量的添加量下，在不改变原有聚乙烯管加工成型工艺条件以及不影响聚乙烯管其他性能的前提下，有效提高了聚乙烯管耐慢速裂纹增长性能。硅烷改性环氧树脂兼具有硅烷和环氧树脂的优异性能，具有良好的耐高低温性、耐候性、耐水性和耐化学溶剂性，其能够增加无机粉体材料与聚乙烯基础树脂之间的界面作用，使得聚乙烯管体系内的无机粉体材料能够与聚乙烯基础树脂形成良好的界面结合，增加无机粉体材料在整个体系内的分散，改善无机粉体材料的力学性能，赋予聚乙烯管优异性能。
作为优选地，所述有机硅改性聚乙烯树脂选自聚二甲基硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂、聚甲基苯基硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂或甲基乙烯基聚硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂中的一种。
作为优选地，所述线性低密度聚乙烯树脂的密度为0.918～0.920g/cm3，所述α-烯烃为1-丁烯、1-己烯或1-辛烯中的一种或多种。
作为优选地，所述导电材料为竹炭、碳纳米管、铬酸镧或者二氧化锡中的一种。
竹炭、碳纳米管、铬酸镧和二氧化锡均为无机导电材料，均具有良好的导电性，其中竹炭和碳纳米管，竹炭、碳纳米管、铬酸镧和二氧化锡为无机粉体材料与聚乙烯基础树脂的相容性差、分散困难，结合硅烷环氧树脂的界面粘合作用，能够良好的分散在整个聚乙烯管体系中，显著改善聚乙烯管的抗静电性能，提高聚乙烯管的适用范围。
作为优选地，所述分散剂为聚乙烯蜡、石蜡或硅油中的一种或多种。
作为优选地，还包括木质素环氧树脂0.5～5份。
聚乙烯管材老化过程中氧化循环过程包括自由基的形成、自由基与氧气作用形成氢过氧化物中间体、氢过氧化物中间体与聚乙烯作用生成含羰基的物质、含羰基的物质在外部能量作用下发生断链生成自由基。木质素环氧树脂的添加能够捕获聚乙烯管材老化过程中产生的自由基，阻止自由基与氧气接触，打断聚乙烯的氧化老化循环，延缓聚乙烯管的老化降解。
作为优选地，还包括氧化石墨烯/壳聚糖复合物0.5～3份，所述氧化石墨烯/壳聚糖复合物通过以下步骤制得：1)以石墨粉为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯分散液，离心分离取其上层清液，调节浓度至0.5mg/mL，并调节pH至6，得溶液A；2)将壳聚糖加入到pH值为2的盐酸溶液中配制成1.0mg/mL的溶液，得溶液B；3)将溶液B加入到溶液A中，经搅拌、静置、陈化、过滤、干燥得氧化石墨烯/壳聚糖复合物。
在壳聚糖分子结构中存在大量游离氨基，是天然多糖中少见的带正电荷的高分子化合物。由于分子链上含有大量的-OH和-NH2等亲水活性基团，壳聚糖可以和氧化石墨烯交联形成复合物。氧化石墨烯/壳聚糖复合物在聚乙烯管体系中形成网格结构，不仅能够均匀而稳定的分散在聚乙烯体系中，且在聚乙烯体系中形成一道防护网阻隔聚乙烯树脂与氧气接触，从源头上打断聚乙烯管材老化氧化循环过程；另外，氧化石墨烯/壳聚糖复合物具有一定的自由基清除功能，可以清除聚乙烯管老化过程中产生的自由基，进一步阻止了聚乙烯管的老化降解。氧化石墨烯/壳聚糖复合物与木质素环氧树脂协同增效，有效延缓了聚乙烯管材的氧化降解，延长了聚乙烯管材的使用寿命。
作为优选地，还包括二苯甲酰基甲烷、3-甲氧基二苯酮、3,4-二羟基二苯酮或者4,4’-二苯氧基二苯酮中的一种或多种，重量份数为1～3份。
二苯甲酰基甲烷、3-甲氧基二苯酮、3,4-二羟基二苯酮或者4,4’-二苯氧基二苯酮中苯环上的羟基氢和相邻的羟基氧之间形成有分子内氢键，构成螯合环，吸收紫外光后，分子发生热震动，氢键被破坏，螯合环打开，此时化合物处于不稳定的高能状态，在恢复到原来的低能稳定状态过程中，释放出多余的能量，如此将高能有害的紫外光变成了低能、无害的热能，有效提高了整个聚乙烯管体系的抗紫外性能。
本发明的另一目的是提供一种高耐候性PE管的制作方法，该制作方法包括以下步骤：按重量份数称取聚乙烯基础树脂、有机硅改性聚乙烯树脂、硅烷改性环氧树脂、导电材料以及分散剂并混合均匀，用单螺杆挤出机挤出成型管材，挤出时混合物熔体的温度控制在180～200℃。
本发明取得了以下有益效果：
1.本发明的高耐候性PE管，该高耐候性PE管具有高耐候性，能够有效抵御周围环境介质的影响延长聚乙烯管的使用寿命。制备该高耐候性PE管的方法简单，容易操作。
2.本发明的高耐候性PE管，添加有有机硅改性聚乙烯树脂，聚乙烯树脂接枝有机硅后球晶变小，不能进入晶区的支链排列在非晶区中，填补了非晶区的微孔并排除了气隙，增加了非晶区的敛集密度，不易产生应力集中，较多的支链间的链缠结能阻止微裂纹发展成为破坏性裂纹。有机硅改性聚乙烯树脂在极少量的添加量下，在不改变原有聚乙烯管加工成型工艺条件以及不影响聚乙烯管其他性能的前提下，有效提高了聚乙烯管耐慢速裂纹增长性能。硅烷改性环氧树脂兼具有硅烷和环氧树脂的优异性能，具有良好的耐高低温性、耐候性、耐水性和耐化学溶剂性，其能够增加无机粉体材料与聚乙烯基础树脂之间的界面作用，使得聚乙烯管体系内的无机粉体材料能够与聚乙烯基础树脂形成良好的界面结合，增加无机粉体材料在整个体系内的分散，改善无机粉体材料的力学性能，赋予聚乙烯管优异性能。
3.本发明的高耐候性PE管，聚乙烯管材老化过程中氧化循环过程包括自由基的形成、自由基与氧气作用形成氢过氧化物中间体、氢过氧化物中间体与聚乙烯作用生成含羰基的物质、含羰基的物质在外部能量作用下发生断链生成自由基。木质素环氧树脂的添加能够捕获聚乙烯管材老化过程中产生的自由基，阻止自由基与氧气接触，打断聚乙烯的氧化老化循环，延缓聚乙烯管的老化降解。
4.本发明的高耐候性PE管，在壳聚糖分子结构中存在大量游离氨基，是天然多糖中少见的带正电荷的高分子化合物，由于分子链上含有大量的-OH和-NH2等亲水活性基团，壳聚糖可以和氧化石墨烯交联形成复合物。氧化石墨烯/壳聚糖复合物在聚乙烯管体系中形成网格结构，不仅能够均匀而稳定的分散在聚乙烯体系中，且在聚乙烯体系中形成一道防护网阻隔聚乙烯树脂与氧气接触，从源头上打断聚乙烯管材老化氧化循环过程；另外，氧化石墨烯/壳聚糖复合物具有一定的自由基清除功能，可以清除聚乙烯管老化过程中产生的自由基，进一步阻止了聚乙烯管的老化降解。氧化石墨烯/壳聚糖复合物与木质素环氧树脂一起协同增效，有效延缓了聚乙烯管材的氧化降解，延长了聚乙烯管材的使用寿命。
5.本发明的高耐候性PE管，二苯甲酰基甲烷、3-甲氧基二苯酮、3,4-二羟基二苯酮或者4,4’-二苯氧基二苯酮中苯环上的羟基氢和相邻的羟基氧之间形成有分子内氢键，构成螯合环，吸收紫外光后，分子发生热震动，氢键被破坏，螯合环打开，此时化合物处于不稳定的高能状态，在恢复到原来的低能稳定状态过程中，释放出多余的能量，如此将高能有害的紫外光变成了低能、无害的热能，有效提高了整个聚乙烯管体系的抗紫外性能。
具体实施方式
下面将对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高耐候性PE管，原料组分如表1所示，所有组分以重量份数计。通过以下步骤制得：按重量份数称取聚乙烯基础树脂、聚二甲基硅氧烷接枝聚乙烯树脂、硅烷改性环氧树脂、竹炭以及聚乙烯蜡并混合均匀，用单螺杆挤出机挤出成型管材，挤出时混合物熔体的温度控制在180～200℃。本实施例的线性低密度聚乙烯树脂乙烯和1-丁烯共聚得到的聚乙烯树脂。
实施例2
一种高耐候性PE管，原料组分如表1所示，所有组分以重量份数计。通过以下步骤制得：按重量份数称取聚乙烯基础树脂、聚甲基苯基硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂、硅烷改性环氧树脂、碳纳米管以及石蜡并混合均匀，用单螺杆挤出机挤出成型管材，挤出时混合物熔体的温度控制在180～200℃。本实施例的线性低密度聚乙烯树脂乙烯和1-己烯共聚得到的聚乙烯树脂。
实施例3
一种高耐候性PE管，原料组分如表1所示，所有组分以重量份数计。通过以下步骤制得：按重量份数称取聚乙烯基础树脂、甲基乙烯基聚硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂、硅烷改性环氧树脂、铬酸镧以及硅油并混合均匀，用单螺杆挤出机挤出成型管材，挤出时混合物熔体的温度控制在180～200℃。本实施例的线性低密度聚乙烯树脂乙烯和1-辛烯共聚得到的聚乙烯树脂。
实施例4
一种高耐候性PE管，原料组分如表1所示，所有组分以重量份数计。通过以下步骤制得：按重量份数称取聚乙烯基础树脂、聚二甲基硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂、硅烷改性环氧树脂、碳纳米管、聚乙烯蜡以及木质素环氧树脂并混合均匀，用单螺杆挤出机挤出成型管材，挤出时混合物熔体的温度控制在180～200℃。本实施例的线性低密度聚乙烯树脂乙烯和1-丁烯共聚得到的聚乙烯树脂。
实施例5
一种高耐候性PE管，原料组分如表1所示，所有组分以重量份数计。通过以下步骤制得：按重量份数称取聚乙烯基础树脂、聚甲基苯基硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂、硅烷改性环氧树脂、石蜡以及氧化石墨烯/壳聚糖复合物并混合均匀，用单螺杆挤出机挤出成型管材，挤出时混合物熔体的温度控制在180～200℃。本实施例的线性低密度聚乙烯树脂乙烯和1-己烯共聚得到的聚乙烯树脂。本实施例的氧化石墨烯/壳聚糖复合物通过以下步骤制得：1)以石墨粉为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯分散液，离心分离取其上层清液，调节浓度至0.5mg/mL，并调节pH至6，得溶液A；2)将壳聚糖加入到pH值为2的盐酸溶液中配制成1.0mg/mL的溶液，得溶液B；3)将溶液B加入到溶液A中，经搅拌、静置、陈化、过滤、干燥得氧化石墨烯/壳聚糖复合物。
实施例6
一种高耐候性PE管，原料组分如表1所示，所有组分以重量份数计。通过以下步骤制得：按重量份数称取聚乙烯基础树脂、甲基乙烯基聚硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂、硅烷改性环氧树脂、硅油以及二苯甲酰基甲烷并混合均匀，用单螺杆挤出机挤出成型管材，挤出时混合物熔体的温度控制在180～200℃。本实施例的线性低密度聚乙烯树脂乙烯和1-辛烯共聚得到的聚乙烯树脂。
实施例7
一种高耐候性PE管，原料组分如表1所示，所有组分以重量份数计。通过以下步骤制得：按重量份数称取聚乙烯基础树脂、甲基乙烯基聚硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂、硅烷改性环氧树脂、硅油、木质素环氧树脂、氧化石墨烯环氧树脂以及3-甲氧基二苯酮并混合均匀，用单螺杆挤出机挤出成型管材，挤出时混合物熔体的温度控制在180～200℃。本实施例的线性低密度聚乙烯树脂乙烯和1-辛烯共聚得到的聚乙烯树脂。本实施例的氧化石墨烯/壳聚糖复合物通过以下步骤制得：1)以石墨粉为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯分散液，离心分离取其上层清液，调节浓度至0.5mg/mL，并调节pH至6，得溶液A；2)将壳聚糖加入到pH值为2的盐酸溶液中配制成1.0mg/mL的溶液，得溶液B；3)将溶液B加入到溶液A中，经搅拌、静置、陈化、过滤、干燥得氧化石墨烯/壳聚糖复合物。
对比例
一种高耐候性PE管，原料组分如表1所示，所有组分以重量份数计。通过以下步骤制得：按重量份数称取聚乙烯基础树脂、竹炭、以及聚乙烯蜡并混合均匀，用单螺杆挤出机挤出成型管材，挤出时混合物熔体的温度控制在180～200℃。
表1原料组分配比
Figure BDA0002311996990000061
表中，其他对应于二苯甲酰基甲烷、3-甲氧基二苯酮、3,4-二羟基二苯酮或者4,4’-二苯氧基二苯酮中的一种。
对实施例1～6和对比例中的聚乙烯管材进行性能测试，测试结果见表2。
Figure BDA0002311996990000062
Figure BDA0002311996990000071
由以上数据可以看出，本发明的高耐候性PE管具有优异的抗老化性能。

Claims (9)

1.一种高耐候性PE管，其特征在于：包括以下重量份数的组分：聚乙烯基础树脂100～120份、有机硅改性聚乙烯树脂3～5份、硅烷改性环氧树脂5～6份、导电材料5～15份、分散剂4～6份；所述聚乙烯基础树脂为以乙烯为单体聚合得到的聚乙烯树脂；所述有机硅改性聚乙烯树脂中聚乙烯树脂为线性低密度聚乙烯树脂，通过乙烯和α-烯烃共聚得到的聚乙烯树脂。
2.根据权利要求1所述的一种高耐候性PE管，其特征在于：所述有机硅改性聚乙烯树脂选自聚二甲基硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂、聚甲基苯基硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂或甲基乙烯基聚硅氧烷接枝线性低密度聚乙烯树脂中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种高耐候性PE管，其特征在于：所述线性低密度聚乙烯树脂的密度为0.918～0.920g/cm3，所述α-烯烃为1-丁烯、1-己烯或1-辛烯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种高耐候性PE管，其特征在于：所述导电材料为竹炭、碳纳米管、铬酸镧或者二氧化锡中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种高耐候性PE管，其特征在于：所述分散剂为聚乙烯蜡、石蜡或硅油中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种高耐候性PE管，其特征在于：还包括木质素环氧树脂0.5～5份。
7.根据权利要求1所述的一种高耐候性PE管，其特征在于：还包括氧化石墨烯/壳聚糖复合物0.5～3份，所述氧化石墨烯/壳聚糖复合物通过以下步骤制得：1)以石墨粉为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯分散液，离心分离取其上层清液，调节浓度至0.5mg/mL，并调节pH至6，得溶液A；2)将壳聚糖加入到pH值为2的盐酸溶液中配制成1.0mg/mL的溶液，得溶液B；3)将溶液B加入到溶液A中，经搅拌、静置、陈化、过滤、干燥得氧化石墨烯/壳聚糖复合物。
8.根据权利要求1所述的一种高耐候性PE管，其特征在于：还包括二苯甲酰基甲烷、3-甲氧基二苯酮、3,4-二羟基二苯酮或者4,4’-二苯氧基二苯酮中的一种或多种，重量份数为1～3份。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的一种高耐候性PE管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：按重量份数称取聚乙烯基础树脂、有机硅改性聚乙烯树脂、硅烷改性环氧树脂、导电材料以及分散剂并混合均匀，用单螺杆挤出机挤出成型管材，挤出时混合物熔体的温度控制在180～200℃。
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