CN111004427B - 一种pe压力管道用hdpe载体炭黑母粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒及其制备方法，属于高分子材料领域，其特征在于，由以下重量份的原料组成：HDPE载体树脂27‑52.7份，炭黑40‑55份，乙烯共聚物分散剂5‑10份，松香类助分散剂2‑5份，抗老化助剂0.3‑3份，上述原料混合均匀直接通过三螺杆挤出机挤出或双转子连续密炼机混炼造粒制得；用以解决和改进现有炭黑母粒在压力管道中使用后的引起管道破裂，管材高压力下的长期使用出现应力开裂问题，而且原料成分及工艺步骤比较简单。

Description

一种PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒及其制备方法。
背景技术
炭黑母粒，又称黑色母或黑母粒，它是塑料加工中最常用的一种色母粒，也是用量最大的一种，其不仅有着着色的作用，还起到紫外线屏蔽剂的作用。炭黑母粒是由炭黑、载体树脂、分散剂三大部分构成，制作过程多是炭黑与载体树脂，在分散剂作用下经剪切混合等加工方式良好分散而成的。目前炭黑母粒最通用技术是以线性聚乙烯或低密度聚乙烯为基体树脂，在配方中添加一定含量的聚乙烯蜡、EBS等低分子润滑剂以提高炭黑的分散性。
PE(聚乙烯)压力管道主要应用于城市供水输配管网与燃气输送管网，尤其是在第三代聚乙烯管道料(PE100)推出后，聚乙烯压力管道许用压力大幅度提高,管材最小要求强度(20℃、50年的使用条件下，置信度为97.5％的静液压预测强度)由8.0兆帕提升至10.0兆帕，并且其增强了管材耐慢速裂纹增长与抗裂纹快速扩展能力同时兼顾了管材强度与加工性能。管材许用压力的提高就要求管材所用色母粒载体树脂具有更优异的力学性能，为避免管材长期承压过程中出现应力开裂问题，也要求色母中不能使用小分子及低聚物蜡作为分散剂及加工助剂。
现有技术中，用于压力管道的炭黑母粒一般主要使用LDPE或LLDPE为载体，如公布号为CN108192187A的一种给水聚乙烯管道专用黑色母粒及其制备方法中提到使用低密度聚乙烯树脂(LDPE)作为色母粒载体，因其具有较长的支链结构，能够有效的对炭黑起到浸润作用，可以做到较高的炭黑含量同时保证炭黑有着较好预分散作用，但LDPE树脂物理性能较差，其屈服强度远低于高密度聚乙烯，压力管道中使用该种类载体树脂的黑色母会使管材长期静液压测试项目不合格，表现为抵抗慢速裂纹生长和快速开裂扩展能力下降。
而现有技术中使用HDPE为载体的压力管道用的炭黑母粒，则一般采用低分子量的分散剂，如公布号为CN107216529A的一种应用于HDPE给排水管材的高光黑色母粒制备方法中，高光黑色母粒的原料采用称量处理后的纳米碳黑、HDPE树脂、润滑剂、抗氧剂和光稳定剂进行均匀混合，混合后通过密炼机密炼成均匀熔体，然后再经单螺杆挤出机挤出造粒，其中处理后的纳米炭黑包括纳米碳黑、聚烯烃类超分散剂、接枝共聚物类超分散剂和表面增效剂。
虽然上述黑色母粒的制备原料中采用的载体树脂为HDPE，但是该方案中还存在如下问题：
1.其为解决炭黑在色母粒中的分散问题，使用聚烯烃低聚物，以达到炭黑浸润的目的，避免炭黑团聚，但低聚物的加入会在加工过程中出现挥发性气体，会析出到制品表面，影响制品外观及长期使用性能，尤其表现为影响压力管道长期耐压性能；
2.为实现碳黑与HDPE载体树脂的相容性，需要首先采用聚烯烃类超分散剂、接枝共聚物类超分散剂和表面增效剂对纳米碳黑与进行预处理制成粒，然后再采用处理后的纳米碳黑与HDPE载体树脂及其他助剂混合成熔体制粒，即该种方案需要两步法进行，工艺步骤较为繁琐；
3.原料配方中需加入表面增效剂、润滑剂等助剂，以实现各组分之间的相容性以及制粒的成粒性，原料成分比较复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种适用于聚乙烯压力管道的炭黑母粒及其制备方法，用以解决和改进现有炭黑母粒在压力管道中使用后的引起管道破裂，管材高压力下的长期使用出现应力开裂问题，而且原料成分及工艺步骤比较简单。
为解决上述技术问题，本发明以高密度聚乙烯树脂(HDPE)为载体，以极性乙烯共聚物为分散剂，改性松香树脂为助分散剂，添加助分散剂与助剂，纳米级炭黑经混炼机混炼造粒。成品应用于聚乙烯压力管材中，具有耐高压、抗老化、高浓度、高光泽度、高黑度、高分散性以及优异的抵抗慢速裂纹生长和快速开裂扩展能力。具体技术方案如下：
一种PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒，其特征在于，由以下重量份的原料组成：
HDPE载体树脂 27-52.7份
炭黑 40-55份
乙烯共聚物分散剂 5-10份
松香类助分散剂 2-5份
抗老化助剂 0.3-3份。
优选地，所述HDPE树脂在温度为190℃、载荷2.16kg时的熔融指数即熔体质量流动速率≤20g/10min(190℃,2.16kg)。
优选地，所述炭黑的粒径小于25nm，优选5-25nm，湿法或干法造粒炭黑；炭黑的灰分＜0.1％，总硫量＜0.1％，325目筛余物＜20ppm。
优选地，所述分散剂为乙烯丙烯酸共聚物、乙烯醋酸乙烯酯共聚物中的至少一种；
更优选地，所述乙烯醋酸乙烯酯共聚物的熔体流动速率为10-800g/10min(190℃,2.16kg),醋酸乙烯酯的含量为5％-28％。
优选地，所述助分散剂为松香、聚合松香、马来松香、亚克力松香、松香甘油酯、松香季戊四醇酯中的至少一种。
优选地，所述抗老化剂为抗氧剂、紫外光稳定剂中的至少一种；
更优选地，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、硫代类抗氧剂中的一种或多种；
更优选地，所述光稳定剂为受阻胺光稳定剂、二苯甲酮类光稳定剂、苯并三唑类光稳定剂中的一种或多种。
优选地，一种聚乙烯压力管道用炭黑母粒，其由以下重量份的原料组成：HDPE树脂45份，纳米级炭黑45份，分散剂6份，助分散剂3份，光稳定剂0.5份，抗氧剂0.5份。
一种如上所述的PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒的制备方法，其特征在于，将各原料组分混合均匀后通过三螺杆挤出机挤出或双转子连续密炼机混炼造粒制得。具体步骤如下：
S1：按照上述质量配比将HDPE树脂、纳米级炭黑、分散剂、助分散剂、抗老化助剂称量后，加入高速混合机内混合均匀；
S2:各组分混合均匀后通过三螺杆挤出机挤出或双转子连续密炼机共混造粒制备。
其中，三螺杆挤出机挤出温度设置为150-230℃，双转子连续密炼机混炼段温度设置为150-200℃。
本发明的有益效果是：
1.与现有技术相比，本发明使用极性的乙烯丙烯酸共聚物或乙烯醋酸乙烯酯共聚物为分散剂，不使用低分子量的蜡或EBS等分散剂，有利于提高压力管道的长期耐静液压性能，管道的寿命更长；
2.本发明使用松香类为助分散剂，松香类助分散剂的分子结构中含有羧基、酯基等极性基团，与乙烯丙烯酸共聚物或乙烯醋酸乙烯酯共聚物分散剂共同作用于炭黑表面的羟基、羧基等极性基团，能有效促进炭黑在HDPE载体中的分散，解决了使用HDPE为载体炭黑容易产生团结给管道耐压产生不良影响的难题；
3.通过HDPE与纳米炭黑及乙烯共聚物分散剂、松香类助分散剂、抗老化助剂的协同配合，能够大大减少增效剂、润滑剂等助剂的添加，同时又具有良好的浸润作用与润滑性，原料成分更加简单，且各组分混合后可直接一步制粒，无需先对炭黑进行预处理，大大缩短了生产工艺。
附图说明
附图1是实施例1炭黑的显微镜观测图片；
附图2是实施例2炭黑的显微镜观测图片；
附图3是实施例3炭黑的显微镜观测图片；
附图4是管材A的耐压性能测试数据曲线图；
附图5是管材B的耐压性能测试数据曲线图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
聚乙烯压力管道用炭黑母粒配比为：HDPE(5502XA，独山子石化)45份，纳米级炭黑45份，分散剂EVA(UE649-04，VA含量19％，MI：400g/10min,中国台湾聚合化学品有限公司)6份，助分散剂马来松香3份，光稳定剂(944，天罡助剂)0.3份，抗氧剂(1010，三丰化工)0.7份。
S1：按照质量配比将HDPE树脂、纳米级炭黑、助分散剂、分散剂、光稳定剂、抗氧剂、称量后，加入高速混合机内混合均匀；
S2：将S1中的混合物加入密炼机内，经三螺杆挤出在200-210℃进行挤出、切粒、脱水、筛选等工序后得到成品颗粒。
测试炭黑含量、熔融指数、炭黑分散等级、热稳定性(氧化诱导时间OIT210℃)数据见表1所示，炭黑分散测试中显微镜观测图片见图1。
实施例2
聚乙烯压力管道用炭黑母粒配比为：HDPE(2480，大庆石化)35份，HDPE(8920,独山子石化)17.7份，纳米级炭黑40份，分散剂乙烯丙烯酸共聚物(5980，陶氏化学)5份，助分散剂松香甘油酯2份，光稳定剂(Tinuvin 770DF，巴斯夫)0.1份，抗氧剂(B215，巴斯夫)0.2份。
S1：按照质量配比将HDPE树脂、纳米级炭黑、助分散剂、分散剂、光稳定剂、抗氧剂、加工助剂称量后，加入高速混合机内混合均匀；
S2：将S1中的混合物加入双转子连续混炼设备下料仓内，经双转子连续混炼在180℃混炼成均匀的熔体后经单螺杆挤出机挤出、切粒、脱水、筛选等工序后得到成品颗粒。
测试炭黑含量、熔融指数、炭黑分散等级、热稳定性(氧化诱导时间OIT210℃)数据见表1所示，炭黑分散测试中显微镜观测图片见图2。
实施例3
聚乙烯压力管道用炭黑母粒配比为：HDPE(8920，独山子石化)27份，纳米级炭黑55份，分散剂EVA(UE647-04，VA含量28％，MI：800g/10min,中国台湾聚合化学品有限公司)10份，助分散剂聚合松香5份，光稳定剂(622，极易化工)1份，抗氧剂(3114，巴斯夫)2份。
S1：按照质量配比将HDPE树脂、纳米级炭黑、助分散剂、分散剂、光稳定剂、抗氧剂、称量后，加入高速混合机内混合均匀；
S2：将将S1中的混合物加入双转子连续混炼设备下料仓内，经双转子连续混炼设备在200℃混炼成均匀的熔体后经单螺杆挤出机挤出、切粒、脱水、筛选等工序后得到成品颗粒。
测试炭黑含量、熔融指数、炭黑分散等级、热稳定性(氧化诱导时间OIT210℃)数据见表1所示，炭黑分散测试中显微镜观测图片见图3。
对比例1
援引公布号为CN107216529A中的实施例4配比及生产方式制备的炭黑母粒。
表1炭黑测试数据
Figure GDA0003203202060000071
炭黑含量测试数值与理论值偏差大小反应出了产品配方稳定性，偏差越小说明产品各质量组分分布越均匀，由表中数据可知，偏差值均小于0.5％，偏差较小；熔融指数是反应熔体在加工过程中流动性优劣的指标，熔融指数越高，熔体加工流动性越佳，实施例数据表明该配方均具有良好的熔体流动性，即良好的润滑性；炭黑分散是反应出炭黑在母粒中的分散性能的指标，依据标准GB/T4132要求，管材用炭黑分散应≤3级，实施例数据均符合要求；氧化诱导时间是反应材料在后续加工与使用过程中耐热降解能力的指标，实施例数据表明，该配方体系均具有优异的耐热降解能力。
将上述实施例2中制备的炭黑母粒与PE100级管道料CRP100N(中国石油抚顺石油化工有限公司)按照6％:94％的比例混合后，经双螺杆挤出机挤出造粒，制成混配料；混配料再经管材制造设备挤出成型，成型管材执行GB/T 13663标准，管材规格为110*10.0mm，标准尺寸比SDR11，公称压力为1.6MPa，该管材标识为A；管材A的耐压性能测试结果见图4，其试验参数见表2。
将对比例1制备的炭黑母粒与PE100级管道料CRP100N(中国石油抚顺石油化工有限公司)按照6％:94％的比例混合后，经双螺杆挤出机挤出造粒，制成混配料；混配料再经管材制造设备挤出成型，成型管材执行GB/T 13663标准，管材规格为110*10.0mm，标准尺寸比SDR11，公称压力为1.6MPa，该管材标识为B；管材B的耐压性能测试结果见图5，其试验参数见表3。
表2管材A的耐压性能试验参数
Figure GDA0003203202060000081
Figure GDA0003203202060000091
表3管材B的耐压性能试验参数
试样名称： 管材B 试验设备： 承德精密耐压试验机
材料类型： PE100 试验介质： 水
试验标准： GB/T6111-2018 平均外径(mm)： 110.5
试样规格： 110*10.0mm 最小壁厚(mm)： 10.2
试验日期： 2019.07.11 环向应力(MPa)： 5.4
设定压力(MPa)： 1.10 试验温度(℃)： 80.00
压力无效时间： 0000:11:42 温度无效时间： 0000:00:00
试验运行时间： 0206:02:13 试验状态： 爆裂停止
压力最大值(MPa)： 1.13 压力最小值(MPa)： 1.07
温度最大值(℃)： 80.06 温度最小值(℃)： 80.00
由图4和图5数据可知，管材A80℃、5.4环向应力条件下，测试耐静液压时间为228小时，而管材B80℃、5.4环向应力条件下，测试耐静液压时间为206小时，较标准要求的165小时均有较大幅度提升，而A组性能较B组更优，即本发明实施例的炭黑母粒较之现有技术公布号为CN107216529A制得的炭黑母粒用作压力管道用炭黑母粒时，所制管材的耐静液压性能有显著提升。

Claims (7)

1.一种PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒，其特征在于，由以下重量份的原料组成：
HDPE载体树脂 27-52.7份
炭黑 40-55份
乙烯共聚物分散剂 5-10份
松香类助分散剂 2-5份
抗老化助剂 0.3-3份；
所述乙烯共聚物分散剂为乙烯丙烯酸共聚物、乙烯醋酸乙烯酯共聚物中的至少一种；
所述HDPE在温度190℃、负荷2.16kg下的熔体质量流动速率≤20g/10min；
其制备方法为，按照上述质量配比将HDPE树脂、纳米级炭黑、分散剂、助分散剂、抗老化助剂称量后，加入高速混合机内混合均匀；将各原料组分混合均匀后通过三螺杆挤出机挤出或双转子连续密炼机混炼造粒制得，其中，三螺杆挤出机挤出温度设置为150-230℃，双转子连续密炼机混炼段温度设置为150-200℃。
2.根据权利要求1所述的PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒，其特征在于，所述炭黑的粒径小于25nm，灰分＜0.1%，总硫量＜0.1%，325目筛余物＜20ppm。
3.根据权利要求1所述的PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒，其特征在于，所述乙烯醋酸乙烯酯共聚物在温度190℃、负荷2.16kg下的熔体流动速率为10-800g/10min, 醋酸乙烯酯的含量为5%-28%。
4.根据权利要求1所述的PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒，其特征在于，所述松香类助分散剂为松香、聚合松香、马来松香、亚克力松香、松香甘油酯、松香季戊四醇酯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒，其特征在于，所述抗老化剂为抗氧剂、紫外光稳定剂中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、硫代类抗氧剂中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的PE压力管道用HDPE载体炭黑母粒，其特征在于，所述光稳定剂为受阻胺光稳定剂、二苯甲酮类光稳定剂、苯并三唑类光稳定剂中的一种或多种。
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Denomination of invention: A kind of HDPE carrier carbon black masterbatch for PE pressure pipeline and preparation method thereof

Effective date of registration: 20220805

Granted publication date: 20211022

Pledgee: China Guangfa Bank Co., Ltd. Jining Branch

Pledgor: SHANDONG DONGHONG PIPE INDUSTRY Co.,Ltd.

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