CN110951146A - 一种用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备方法。本发明采用聚乙烯、乙烯基三(2‑甲氧基乙氧基)硅烷表面改性的纳米氢氧化铝粉体和润滑剂复配，并优选其配比制备得到阻燃母粒；本发明在铝塑复合管的外层中添加该阻燃母粒，所得管材可以稳定挤出，其阻燃效果也可以达到稳定的状态，燃烧过程中释放的热量、烟雾及产生的滴落物达到了可控的状态，管材的阻燃效果达到了建筑材料防火的C级要求。

Description

一种用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝塑复合管材技术领域，具体涉及一种用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备方法。
背景技术
铝塑复合管常兼具金属和塑料管道的特性，具有质轻、耐用而且施工方便用的优点，广泛应用在建筑冷热给水管道、建筑室内外燃气管道及太阳能空调管道领域。在这些应用领域中，铝塑复合已经具有了完善的产品标准和应用规范，也在市场上得到充分的认可，但是由于铝塑管在刚性、强度、阻燃等方面的不足，铝塑复合管产品始终不能应用在建筑消防管道的领域。现有的建筑消防管材包括了球墨给水铸铁管、铜管、不锈钢管、合金管及复合型管材等管材。虽然球墨给水铸铁管、铜管、不锈钢管、合金管具有很好的强度，但是重量较大，实施加工及安装过程难度较大，而且金属管道的成本往往要远高于铝塑管道。
铝塑复合管是一种五层结构的复合管材，内外层是聚乙烯、交联聚乙烯等非金属材料，中间是铝带层，再通过粘胶层粘结成五层结构，该类管道具备金属管材和非金属管材的优点。铝塑管可以输送冷热水，满足正常的供水需求，但是常规铝塑管的内外层常规用料为聚乙烯或交联聚乙烯，存在阻燃性差，燃烧时释放大量热量、烟雾及产生滴落物等问题。常规的铝塑管如遇到火灾，塑料层会受到损伤，导致不得不更换整个管道。因此，在工程建设中，考虑到防火安全性，需设计一种新型铝塑复合管，解决实际应用中遇火灾管道受损的问题，使管道的防火性能达到了C级要求(参考EN 13501-1:2009建筑产品和部件燃烧性能的分类标准)，同时达到GB 8624-2012中燃烧性能B1级别的难燃参数要求，该设计产品是一种难燃管道，可离火自熄，燃烧过程中释放的热量、烟雾及产生的滴落物达到了可控的状态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备方法，该铝塑复合管材具有良好的阻燃效果、较高的硬度和强度，同时保留可弯曲性能，能够满足消防工程需要。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种用于铝塑复合管材的阻燃母粒，所述阻燃剂包括以下质量份的组分：聚乙烯40～60份、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷表面改性的纳米氢氧化铝粉体30～50份和润滑剂1～2份。在阻燃剂各组分质量份中，改性的纳米氢氧化铝粉体组分在阻燃母粒组分中比例高于50份时，挤出机挤出母粒切片成型不均匀，会导致管材挤出过程中下料不均现象，故该组分含量不能高于50份；改性的纳米氢氧化铝粉体组分在阻燃母粒组份中比例小于30份时，挤出母粒的加工成本会有所增加。
本发明采用聚乙烯、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷表面改性的纳米氢氧化铝粉体和润滑剂复配，并优选其配比，制备得到阻燃母粒。该阻燃母粒添加到铝塑复合管材的外层中，有利于挤出成型，且能够有效提升铝塑管材的阻燃效果，燃烧过程中释放的热量、烟雾及产生的滴落物达到了可控的状态。
优选地，所述润滑剂为硬脂酸锌、聚乙烯蜡、硬脂酸丁酯中的至少一种。
本发明还提供了上述用于铝塑复合管材的阻燃母粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用丙酮和乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷配制表面改性液；
(2)在纳米氢氧化铝中加入步骤(1)的表面改性液，使用高速混料机进行混合，得到乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷表面改性的纳米氢氧化铝粉体；
(3)按比例称取聚乙烯、步骤(1)中的乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷表面改性的纳米氢氧化铝粉体及润滑剂，使用高速混料机混合后，通过双螺杆挤出机挤出，得到所述阻燃母粒；
其中，双螺杆挤出机的工艺参数为：
料筒设定温度为：一区130～140℃，二区140～150℃，三区150～160℃，四区160～170℃，五区170～180℃；机头温度：160～180℃。
优选地，所述步骤(1)中，丙酮和乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷的质量比为10～15：85～90，前期试验结果表明，与其它改性剂相比，采用乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷以及此配比的表面处理效果最佳。
优选地，所述步骤(2)中，纳米氢氧化铝和表面改性液的质量比为90～95：5～10，此配比的表面处理效果最佳。
本发明提供了一种用于消防管道的新型铝塑复合管材，由内到外依次包括内层、内粘结层、铝带、外粘结层和外层，所述外层含有上述的阻燃母粒，所述阻燃母粒在外层中的质量百分数为5％-20％。
本发明的铝塑复合管设计有五层结构，外层为阻燃层，通过添加含乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷表面改性纳米氢氧化铝的阻燃母粒，阻燃母粒在铝塑复合管材的质量百分数控制为5％-20％，所得管材可以稳定挤出，其阻燃效果也可以达到稳定的状态，燃烧过程中释放的热量、烟雾及产生的滴落物达到了可控的状态，管材的阻燃效果达到了建筑材料防火的C级要求(EN 13501-1:2009建筑产品和部件燃烧性能的分类标准)。
普通给水铝塑管的中间层铝带使用抗拉强度125Mpa～165Mpa的铝合金(如8011铝合金)即可满足居民供水的需求，在建筑使用过程中，如遇到火灾等异常情况，普通合金铝带的铝塑管会因为抗拉强度不足而发生大幅度弯曲和变形导致供水受阻。优选地，所述铝带为5083-H26铝带，在保留铝塑管弯曲性的同时，提高铝塑管的抗拉强度，解决高温时铝塑管道受热易发生形变问题，使其能够满足不同的消防工程需求。该发明设计的铝塑复合管成本优于金属或合金管道，可使抗拉强度大于铜管且接近于球墨给水铸铁管，是一种经济和性能适用型管道。
优选地，所述外层包括以下质量份的组分：硅烷接枝聚乙烯72～100份、聚乙烯催化剂母粒4～5份、加工助剂1～3份和阻燃母粒5～20份。在所述配比中所选阻燃母粒添加比例在5～20份时，成型管材的外层聚乙烯交联度大于65％，管材即具备较好的阻燃防火性能；聚乙烯催化剂母粒添加比例高于20份时，虽然具备较好的阻燃防火性能，但是成型管材的外层聚乙烯交联度会出现交联度低于65％情况。(GBT 18997.1-2003铝塑复合压力管第1部分铝管搭接焊式铝塑管要求硅烷交联对应的交联度大于65％)
优选地，所述内层包括以下质量份的组分：硅烷接枝聚乙烯90～100份、聚乙烯催化剂母粒4～5份和加工助剂1～3份。在所述配比中所选聚乙烯催化剂母粒添加比例在4～5份时，成型管材的内层聚乙烯交联度即能大于65％，小于4份会出现交联度不合格现象，而高于5份，管材内层交联度虽同样大于65％，但从经济适用性考虑聚乙烯催化剂母粒4～5份的配比较优。(GBT 18997.1-2003铝塑复合压力管第1部分铝管搭接焊式铝塑管要求硅烷交联对应的交联度大于65％)
本发明通过优选各组分配比，有效提高铝塑复合管的刚性、阻燃、强度等性能，使得该铝塑复合管能够用于建筑消防管道。
本发明提供了上述用于消防管道的新型铝塑复合管材的制备方法，包括以下步骤：
1)将硅烷接枝聚乙烯、聚乙烯催化剂母粒和加工助剂按比例混合后，通过单螺杆挤出机I挤出进入共挤模具，得到内层，转速为50～100r/min；
2)将硅烷接枝聚乙烯、聚乙烯催化剂母粒、加工助剂和阻燃母粒按比例混合后，通过单螺杆挤出机II挤出进入共挤模具，得到外层，转速为50～100r/min；
3)将热熔胶通过单螺杆挤出机III进入共挤模具，得到内粘结层和外粘结层，转速为10～30r/min；
4)分别使用上述三台单螺杆挤出机挤出内层、外层、内粘结层和外粘结层，通过牵引机牵引经成型辊后超声焊接成型的铝带，进入五层共挤模具，挤出后经过定径冷却后成型管材，加工温度控制在200～250℃；
管材的挤出工艺参数为：
单螺杆挤出机I料筒温度为：一区165～175℃，二区195～205℃，三区205～215℃，四区215～220℃；
单螺杆挤出机II的料筒温度为：一区175～185℃，二区185～195℃，三区205～215℃，四区205～215℃，五区200～210℃；
单螺杆挤出机II的料筒温度为：一区175～185℃，二区185～195℃，三区195～205℃，四区195～205℃，五区200～210℃；
五层共挤模具的温度为：一区210～215℃，二区210～215℃，三区215～225℃，四区230～240℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用聚乙烯、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷表面改性的纳米氢氧化铝粉体和润滑剂复配，制备得到阻燃母粒能够有效提升铝塑管材的阻燃效果。
本发明的铝塑复合管设计有五层结构，铝塑管外层为阻燃层，通过添加含乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷表面改性纳米氢氧化铝的阻燃母粒使管材达到一定的阻燃效果，能够在火灾中免受损害。
本发明优选高强铝带作为铝塑复合管的中间层，在保留铝塑管弯曲性的同时，提高铝塑管的抗拉强度，解决高温时铝塑管道受热易发生形变问题，使其能够满足不同的消防工程需求。
与传统的消防管道相比，使用本发明的新型铝塑复合管作为消防管道，除保障消防管道的安全性外，还能减少消防管道系统的材料成本，增加消防管道系统的安装便利性，减少管道的接头，进而减少消防管道系统的漏水隐患。
附图说明
图1为本发明的新型铝塑复合管材的结构示意图，图中，1-内层；2-内粘结层；3-铝带；4-外粘结层；5-外层。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
以下所需原料及来源：
丙酮(市售)、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷(武汉拉那白医药化工有限公司)、纳米氢氧化铝FR-3803(合肥中科阻燃新材料有限公司，粒径3.0～4.5μm)、硅烷接枝聚乙烯TA1122HD(康斯坦普)、聚乙烯催化剂母粒TA2120HD(康斯坦普)、加工助剂BF3(上海高分子研究所)、铝带5083-H26(上海馨程铝业)、铝带8011-H14(西南铝业)等。
以下所用设备：
HT-60平行同向双螺杆挤出机(南京橡塑机械厂有限公司)、铝塑复合管生产线(莱特菲尔机械)、电子拉力试验机MEGA1510型(蓝光机电技术有限公司)、SBI单体燃烧装置(莫帝斯燃烧技术(中国)有限公司)。
实施例1
一种用于消防管道的新型铝塑复合管材，由内到外依次包括内层、内粘结层、铝带、外粘结层和外层，所述外层包括以下质量份的组分：硅烷接枝聚乙烯92份、聚乙烯催化剂母粒4份、加工助剂2份和阻燃母粒2份；
所述内层包括以下质量份组分：硅烷接枝聚乙烯94份、聚乙烯催化剂母粒4份和加工助剂2份；
所述铝带为8011-H14铝带。
本实施例所述用于消防管道的新型铝塑复合管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备阻燃母粒
(1.1)取10质量份丙酮和90质量份乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷混合，得到表面改性液体；
(1.2)称取纳米氢氧化铝90质量份及上述配制完成的表面改性溶液10质量份，使用高速混料机进行混合，混料温度50℃，混料时间30min，得到表面改性的纳米氢氧化铝粉体；
(1.3)称取流动性较好的聚乙烯60质量份、步骤(1.2)中表面改性的纳米氢氧化铝粉体30质量份及硬脂酸锌1质量份，使用高速混料机混合后，使用双螺杆挤出机挤出得到阻燃母粒；
造粒工艺参数：
双螺杆挤出造粒机，料筒设定温度为：一区130～140℃、二区140～150℃、三区150～160℃、四区160～170℃、五区170～180℃，机头温度：160～180℃。
(2)管材挤出
(2.1)将硅烷接枝聚乙烯、聚乙烯催化剂母粒和加工助剂按比例混合后，通过单螺杆挤出机I挤出进入共挤模具，得到内层，转速为50～100r/min；
(2.2)将硅烷接枝聚乙烯、聚乙烯催化剂母粒、加工助剂和阻燃母粒按比例混合后通过单螺杆挤出机II挤出进入共挤模具，得到外层，转速为50～100r/min；
(2.3)将热熔胶通过单螺杆挤出机III进入共挤模具，得到内粘结层和外粘结层，转速为10～30r/min；
(2.4)分别使用上述三台单螺杆挤出机挤出内层、外层、内粘结层和外粘结层，通过牵引机牵引经成型辊后超声焊接成型的铝带，进入五层共挤模具，挤出后经过定径冷却后成型管材，加工温度控制在200～250℃；
管材的挤出工艺参数为：
单螺杆挤出机I料筒温度为：一区165～175℃，二区195～205℃，三区205～215℃，四区215～220℃；
单螺杆挤出机II的料筒温度为：一区175～185℃，二区185～195℃，三区205～215℃，四区205～215℃，五区200～210℃；
单螺杆挤出机II的料筒温度为：一区175～185℃，二区185～195℃，三区195～205℃，四区195～205℃，五区200～210℃；
五层共挤模具的温度为：一区210～215℃，二区210～215℃，三区215～225℃，四区230～240℃。
实施例2
本实施例的用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例的所述铝带为5083-H26铝带。
实施例3
本实施例的用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例的外层包括以下质量份的组分：硅烷接枝聚乙烯89份、聚乙烯催化剂母粒4份、加工助剂2份和阻燃母粒5份；
所述铝带为5083-H26铝带。
实施例4
本实施例的用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的外层包括以下质量份的组分：硅烷接枝聚乙烯84份、聚乙烯催化剂母粒4份、加工助剂2份和阻燃母粒10份；
所述铝带为5083-H26铝带。
实施例5
本实施例的用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的外层包括以下质量份的组分：硅烷接枝聚乙烯79份、聚乙烯催化剂母粒4份、加工助剂2份和阻燃母粒15份；
所述铝带为5083-H26铝带。
实施例6
本实施例的用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的外层包括以下质量份的组分：硅烷接枝聚乙烯74份、聚乙烯催化剂母粒4份、加工助剂2份和阻燃母粒20份；
所述铝带为5083-H26铝带。
实施例7
本实施例的用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备与实施例6基本相同，不同之处在于，本实施例中的内层包括以下质量份组分：硅烷接枝聚乙烯93份、聚乙烯催化剂母粒5份和加工助剂2份。
对比例1
本对比例的用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例不添加阻燃母粒；
所述铝带为5083-H26铝带。
对比例2
本实施例的用于消防管道的新型铝塑复合管材及其制备与实施例6基本相同，不同之处在于，本实施例中的内层包括以下质量份组分：硅烷接枝聚乙烯95份、聚乙烯催化剂母粒3份和加工助剂2份。
对上述铝塑复合管材进行性能测试，结果如表1所示：
表1
Figure BDA0002324204190000081
Figure BDA0002324204190000091
注：
C:火焰增长率指数≤250W/s
火焰横向蔓延＜测试边距且600秒内的放热总量≤15MJ
火焰垂直蔓延≤150mm(60秒内)
S1：比S2的要求更加严格，SMOGRA≤30m2/s2且TSP600s≤50m2
S2：总产烟量和烟气增长比率是局限性的，SMOGRA≤180m2/s2且TSP600s≤200m2
S3：对烟气生成无限制，不是S1也不是S2
d0＝根据EN 13823测试，600秒内没有产生燃烧滴落物或颗粒
d1＝根据EN13823测试，600秒内持续10秒以上没有产生燃烧滴落物或颗粒
d2＝不属于d0和d1的分类，在EN ISO 11925-2点火测试中点燃了滤纸则分为d2级
由表1结果可知，当阻燃母粒在挤出管材中占质量分数在5％以上时，管材具有良好的阻燃效果，随着该质量分数的提高到20％，所得管材可以稳定挤出，其阻燃效果也可以达到稳定的状态，燃烧过程中释放的热量、烟雾及产生的滴落物达到了可控的状态，阻燃效果达到了建筑材料防火的C级要求(EN13501-1:2009建筑产品和部件燃烧性能的分类标准)。本发明使用铝带5083-H26作为铝塑复合管的中间层，其强度远高于普通给水铝塑管，达到消防管道的抗拉强度要求。其中，实施例1-7和对比例1的管材的内层和外层的交联度均大于65％，但对比例2管材内层交联度小于65％，出现交联度不合格现象。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种用于铝塑复合管材的阻燃母粒，其特征在于，所述阻燃剂包括以下质量份的组分：聚乙烯40～60份、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷表面改性的纳米氢氧化铝粉体30～50份和润滑剂1～2份。
2.根据权利要求1所述的用于铝塑复合管材的阻燃母粒，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸锌、聚乙烯蜡、硬脂酸丁酯中的至少一种。
3.权利要求1或2所述的用于铝塑复合管材的阻燃母粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用丙酮和乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷配制表面改性液；
(2)在纳米氢氧化铝中加入步骤(1)的表面改性液，使用高速混料机进行混合，得到乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷表面改性的纳米氢氧化铝粉体；
(3)按比例称取聚乙烯、步骤(1)中的乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷表面改性的纳米氢氧化铝粉体及润滑剂，使用高速混料机混合后，通过双螺杆挤出机挤出，得到所述阻燃母粒；
其中，双螺杆挤出机的工艺参数为：
料筒设定温度为：一区130～140℃，二区140～150℃，三区150～160℃，四区160～170℃，五区170～180℃；机头温度：160～180℃。
4.根据权利要求3所述的用于铝塑复合管材的阻燃母粒的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，丙酮和乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷的质量比为5～15：85～90。
5.根据权利要求3所述的用于铝塑复合管材的阻燃母粒的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，纳米氢氧化铝和表面改性液的质量比为90～95：5～10。
6.一种用于消防管道的新型铝塑复合管材，其特征在于，由内到外依次包括内层、内粘结层、铝带、外粘结层和外层，所述外层含有权利要求1或2所述的阻燃母粒，所述阻燃母粒在外层中的质量百分数为5％-20％。
7.根据权利要求6所述的用于消防管道的新型铝塑复合管材，其特征在于，所述铝带为5083-H26铝带。
8.根据权利要求6所述的用于消防管道的新型铝塑复合管材，其特征在于，所述外层包括以下质量份的组分：硅烷接枝聚乙烯72～100份、聚乙烯催化剂母粒4～5份、加工助剂1～3份和阻燃母粒5～20份。
9.根据权利要求6所述的用于消防管道的新型铝塑复合管材，其特征在于，所述内层包括以下质量份的组分：硅烷接枝聚乙烯90～100份、聚乙烯催化剂母粒4～5份和加工助剂1～3份。
10.权利要求6-9任一项所述的用于消防管道的新型铝塑复合管材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将硅烷接枝聚乙烯、聚乙烯催化剂母粒和加工助剂按比例混合后，通过单螺杆挤出机I挤出进入共挤模具，得到内层，转速为50～100r/min；
2)将硅烷接枝聚乙烯、聚乙烯催化剂母粒、加工助剂和阻燃母粒按比例混合后，通过单螺杆挤出机II挤出进入共挤模具，得到外层，转速为50～100r/min；
3)将热熔胶通过单螺杆挤出机III进入共挤模具，得到内粘结层和外粘结层，转速为10～30r/min；
4)分别使用上述三台单螺杆挤出机挤出内层、外层、内粘结层和外粘结层，通过牵引机牵引经成型辊后超声焊接成型的铝带，进入五层共挤模具，挤出后经过定径冷却后成型管材，加工温度控制在200～250℃；
管材的挤出工艺参数为：
单螺杆挤出机I料筒温度为：一区165～175℃，二区195～205℃，三区205～215℃，四区215～220℃；
单螺杆挤出机II的料筒温度为：一区175～185℃，二区185～195℃，三区205～215℃，四区205～215℃，五区200～210℃；
单螺杆挤出机II的料筒温度为：一区175～185℃，二区185～195℃，三区195～205℃，四区195～205℃，五区200～210℃；
五层共挤模具的温度为：一区210～215℃，二区210～215℃，三区215～225℃，四区230～240℃。
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