CN111117031A - 一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料及其制备方法，该改性聚乙烯主要由双峰高密度聚乙烯60～70份、滑石粉15～20份、碳酸钙15～20份组成、其他助剂1～3份。主要将滑石粉和碳酸钙粒子以及有较好韧性的双峰高密度聚乙烯通过双螺杆或注塑机共混挤出成型而得改性聚乙烯粒子。其中用偶联剂表面活化滑石粉和碳酸钙粒子使得无机粉末注入高密度聚乙烯来改善符合体系的力学性能，并提高体系的耐候性和耐老化性能；同时，双峰高密度聚乙烯具备的高分子量、高支化度和低分子量低支化度两部分组分，给聚合物提供良好机械性能的同时又能改善材料的加工性能，提高了体系的稳定性。

Description

一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材 料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料及其制备方法，属于聚乙烯技术领域。
背景技术
金属输水管道容易老化，其被用来长期输送含有消毒剂、溶解剂等杂质的腐蚀性水导致了管内壁腐蚀和结垢是最主要的老化表现。这将降低其输水能力，主要表现在管内结核污垢造成的内径减小、管内壁蚀坑和结垢引起的表面粗糙度程度加大。
从二十世纪八十年代起，聚乙烯(PE)被首次应用到管道，之后在运输或配送水和天然气的市场地位越来越高。与其它用作管材方面的材料相比较，聚乙烯管材密度低、耐腐蚀，且具有高的延展性。第一代聚乙烯管材树脂被人们称为PE-63，第二代聚乙烯树脂被人们称为PE-80。二十世纪末期，由于催化剂和聚合技术的不断进步，第三代聚乙烯树脂诞生，即PE-100。这些聚乙烯双峰树脂由于第二反应器在聚合过程中将共聚单体接入长链聚合物中而改善性能。共混聚合物是由低分子量的乙烯均聚物和一些高分子量的乙烯-1-烯烃共聚物两部分组成的。双峰PE-100用这样的链接方式形成一种物理网络来提高聚乙烯共聚物的机械性能。
常用的改性方法有共混、增塑及共聚改性。其中共混改性是较为常用的改性方式，它可以有效提高聚合物的机械性能及加工性能，降低成本。滑石粉是一种白色片状结构的无臭无味粉末，主要由含水的硅酸镁，化学性质稳定且分散性强，常用于填料改性。在复合材料中可用作成核剂促进结晶，最终改变聚合物性质。近年来向聚合物中添加滑石粉来改善聚合物性能已越来越受研究者喜爱。
由于无机填料和聚合物基体的相容性较差，复合时容易在界面上形成空隙和缺陷，导致界面强度较低。而使用偶联剂对填料表面处理可解决此问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料及其制备方法，主要将滑石粉和碳酸钙粒子以及有较好韧性的双峰高密度聚乙烯通过双螺杆或注塑机共混挤出成型而得改性聚乙烯粒子。其中用偶联剂表面活化滑石粉和碳酸钙粒子使得无机粉末注入高密度聚乙烯来改善符合体系的力学性能，并提高体系的耐候性和耐老化性能；同时，双峰高密度聚乙烯具备的高分子量、高支化度和低分子量低支化度两部分组分，给聚合物提供良好机械性能的同时又能改善材料的加工性能，提高了体系的稳定性。特别的是，一定的滑石粉含量和一定粒径大小的碳酸钙颗粒可以给高密度聚乙烯起到较大的增强增韧作用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料，由下列按照重量份计的原料制备而成：
双峰高密度聚乙烯：60～70份；
碳酸钙：15～20份；
滑石粉：15～20份；
其他助剂：1～3份；
其中，所述的双峰高密度聚乙烯材料是指在190℃，2.16Kg条件下材料的流动速度在1g/10min到4g/10min的分子量分布呈双峰形式的高密度聚乙烯。
所述的碳酸钙为粒径在0.9～1.2μm的碳酸钙颗粒。
所述的滑石粉3000目滑石粉材料。
所述的滑石粉需预先表面处理，包括以下步骤：
(1)除水：取适量滑石粉放置于真空干燥箱中干燥备用。
(2)表面改性：将定量的钛酸酯、硅烷KH550、十八胺分别溶于适量石油醚、无水乙醇和氯仿中，充分搅拌后倒入装有滑石粉的烧杯中与其混合均匀，干燥至恒重。
所述的定量的钛酸酯改性剂量用均为滑石粉的1％，wt，质量分数。
所述其他助剂由下列成分按照重量份数制备而成：
双峰高密度聚乙烯：60～70份；
相容剂：0.3～2份；
润滑剂：0.3～2份；
偶联剂：0.3～2份。
所述的表面偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂其中的一种或多种。
上述高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料，包括以下制备步骤：
步骤一：将聚乙烯、滑石粉、碳酸钙、助剂等按所述重量比例放入高速混合机中混合4-6min，获得以上组分均匀混合物。
步骤二：将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃，210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
本发明与现有技术相比，具有以下技术优势：
(1)本发明首先制备了滑石粉/碳酸钙/聚乙烯复合体系材料，与传统聚乙烯管材相比，无机体系的加入提高了复合体系的耐候性和耐老化性，优化了聚乙烯管材的使用性能，且价格低廉。同时，采用粒径为0.9～1.2μm的碳酸钙，比起大粒径和更小粒径碳酸钙，赋予了聚乙烯混合体系更高的冲击性能和熔体流动速率，提高了更优越的力学性能和加工性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明内容。应该强调的是，这些实施例仅用于对本发明的进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制。此外应理解，在阅读了本发明所述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)滑石粉/碳酸钙/聚乙烯复合体系的制备：
按重量份数，将流动速度为2g/min的双峰高密度聚乙烯67份；滑石粉(3000 目)20份；碳酸钙(粒径1μm)10份；相容剂甲基缩水甘油醚接枝PP(GMA-PP) 1份，润滑剂白油1份，偶联剂硅烷偶联剂1份充分混合。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃， 210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯的复合体系材料物理性能见表1。
实施例2
(1)滑石粉/碳酸钙/聚乙烯复合体系的制备：
按重量份数，将流动速度为2g/min的双峰高密度聚乙烯67份；滑石粉(3000 目)10份；碳酸钙(粒径1μm)20份；相容剂甲基缩水甘油醚接枝PP(GMA-PP) 1份，润滑剂白油1份，偶联剂硅烷偶联剂1份充分混合。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃， 210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯的复合体系材料物理性能见表1。
实施例3
(1)滑石粉/碳酸钙/聚乙烯复合体系的制备：
按重量份数，将流动速度为2g/min的双峰高密度聚乙烯67份；滑石粉(3000 目)15份；碳酸钙(粒径1μm)15份；相容剂甲基缩水甘油醚接枝PP(GMA-PP) 1份，润滑剂白油1份，偶联剂硅烷偶联剂1份充分混合。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃， 210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯的复合体系材料物理性能见表1。
实施例4
(1)滑石粉/碳酸钙/聚乙烯复合体系的制备：
按重量份数，将流动速度为2g/min的双峰高密度聚乙烯61份；滑石粉(3000 目)18份；碳酸钙(粒径1μm)18份；相容剂甲基缩水甘油醚接枝PP(GMA-PP) 1份，润滑剂白油1份，偶联剂硅烷偶联剂1份充分混合。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃， 210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯的复合体系材料物理性能见表1。
实施例5
(1)滑石粉/碳酸钙/聚乙烯复合体系的制备：
按重量份数，将流动速度为2g/min的双峰高密度聚乙烯67份；滑石粉(3000 目)15份；碳酸钙(粒径0.9μm)15份；相容剂甲基缩水甘油醚接枝PP(GMA-PP) 1份，润滑剂白油1份，偶联剂硅烷偶联剂1份充分混合。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃， 210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯的复合体系材料物理性能见表1。
实施例6
(1)滑石粉/碳酸钙/聚乙烯复合体系的制备：
按重量份数，将流动速度为2g/min的双峰高密度聚乙烯67份；滑石粉(3000 目)15份；碳酸钙(粒径1.2μm)15份；相容剂甲基缩水甘油醚接枝PP(GMA-PP) 1份，润滑剂白油1份，偶联剂硅烷偶联剂1份充分混合。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃， 210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯的复合体系材料物理性能见表1。
实施例7
(1)滑石粉/碳酸钙/聚乙烯复合体系的制备：
按重量份数，将流动速度为0.9g/min的双峰高密度聚乙烯67份；滑石粉 (3000目)15份；碳酸钙(粒径1μm)15份；相容剂甲基缩水甘油醚接枝PP (GMA-PP)1份，润滑剂白油1份，偶联剂硅烷偶联剂1份充分混合。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃， 210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯的复合体系材料物理性能见表1。
实施例8
(1)滑石粉/碳酸钙/聚乙烯复合体系的制备：
按重量份数，将流动速度为4g/min的双峰高密度聚乙烯67份；滑石粉(3000 目)15份；碳酸钙(粒径1μm)15份；相容剂甲基缩水甘油醚接枝PP(GMA-PP) 1份，润滑剂白油1份，偶联剂硅烷偶联剂1份充分混合。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃， 210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯的复合体系材料物理性能见表1。
比较例1
(1)滑石粉/碳酸钙/聚乙烯复合体系的制备：
按重量份数，将流动速度为2g/min的单峰高密度聚乙烯67份；滑石粉(3000 目)15份；碳酸钙(粒径1μm)15份；相容剂甲基缩水甘油醚接枝PP(GMA-PP) 1份，润滑剂白油1份，偶联剂硅烷偶联剂1份充分混合。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃， 210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯的复合体系材料物理性能见表1。
表1滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯的复合体系材料物理性能：
Figure BDA0002330344730000071
Figure BDA0002330344730000072
Figure BDA0002330344730000081
以上实施例中，随着碳酸钙和滑石粉的加入，复合材料的力学性能增强。同时滑石粉和碳酸钙含量相对趋于相同，复合体系的力学性能表现出更加综合性。且一定熔体流动速率的双峰高密度聚乙烯的选择比起单峰高密度聚乙烯更加具有良好的加工性能和机械性能。一定粒径的碳酸钙提高了复合体系的冲击强度和流动性能。本发明获得了高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料，其特征在于：由下列按照重量份计的原料制备而成：
双峰高密度聚乙烯：60～70份；
碳酸钙：15～20份；
滑石粉：15～20份；
其他助剂：1～3份。
2.根据权利要求1所述的一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料，其特征在于：所述的双峰高密度聚乙烯材料是指在190℃，2.16Kg条件下材料的流动速度在1g/10min到4g/10min的分子量分布呈双峰形式的高密度聚乙烯。
3.根据权利要求1所述的一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料，其特征在于：所述的碳酸钙为粒径在0.9～1.2μm的碳酸钙颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料，其特征在于：所述的滑石粉3000目滑石粉材料。
5.根据权利要求4所述的一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料，其特征在于：所述的滑石粉需预先表面处理，包括以下步骤：
(1)除水：取适量滑石粉放置于真空干燥箱中干燥备用。
(2)表面改性：将定量的钛酸酯、硅烷KH550、十八胺分别溶于适量石油醚、无水乙醇和氯仿中，充分搅拌后倒入装有滑石粉的烧杯中与其混合均匀，干燥至恒重。
6.根据权利要求5所述的一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料，其特征在于：所述的定量的钛酸酯改性剂量用均为滑石粉的1％wt，质量分数。
7.根据权利要求1所述的一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料，其特征在于：所述其他助剂由下列成分按照重量份数制备而成：
双峰高密度聚乙烯：60～70份；
相容剂：0.3～2份；
润滑剂：0.3～2份；
偶联剂：0.3～2份。
8.根据权利要求7所述的一种高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料，其特征在于：所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂其中的一种或多种。
9.权利要求1-8任意之一所述高抗冲、良好韧性、耐候耐老化改性管材用聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
步骤一：将聚乙烯、滑石粉、碳酸钙、助剂等按所述重量比例放入高速混合机中混合4-6min，获得以上组分均匀混合物。
步骤二：将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒得到滑石粉/碳酸钙/高密度聚乙烯复合材料；所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃，210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
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