CN113004604B - 一种用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂及其制备方法。该树脂包括高分子量部分和低分子量部分，低分子量部分与高分子量部分的质量比为3:7～7:3；其数均分子量Mn为2000～10000，重均分子量Mw为100000～400000，Mw/Mn为10～200，熔体流动速率MFRs为0.1～2.0g/10min，树脂密度为0.945～0.960g/cm3。本发明提供的双峰型聚乙烯树脂可通过环管反应器和流化床反应器串联组成的反应器制备得到。该双峰型聚乙烯树脂具有优良的力学性能、加工性能和强度、抗熔垂性能以及耐海水腐蚀性，适用于制造核工业双峰型聚乙烯树脂管材。

Description

一种用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物管材技术领域，具体地说，涉及一种用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂及其制备方法。
背景技术
核电站的海水循环管路系统所使用的聚乙烯管材和普通耐压聚乙烯管材不同。由于核电站的使用寿命要达到60年，相应的核工业用聚乙烯管材的使用寿命也至少要60年。核工业用聚乙烯管材有着极高的安全性指标，通常要采用大口径高强度的聚乙烯管材，对管材的壁厚要求也非常高。由于循环管路使用的是海水，还需要管材具有较高的耐海水腐蚀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂及其制备方法。本发明的双峰型聚乙烯树脂具有优良的力学性能、加工性能及强度、抗熔垂性能及耐海水腐蚀性，适用于制造核工业的双峰型聚乙烯树脂管材。
本发明的技术方案具体如下：
本发明提供了一种用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂，该树脂包括低分子量部分和高分子量部分，低分子量部分与高分子量部分的质量比为3:7～7:3；其数均分子量Mn为2000～10000，重均分子量Mw为100000～400000，Mw/Mn为10～200，熔体流动速率MFRs为0.1～2.0g/10min，树脂密度为0.945～0.960g/cm3。
进一步的，所述树脂的低分子量部分与高分子量部分的质量比为3:7～4:6；其数均分子量Mn为8000～10000，重均分子量Mw为300000～400000，Mw/Mn为30～50；熔体流动速率MFRs为0.1～0.15g/10min；树脂密度为0.945～0.950g/cm3。
在本发明中，适当选取低分子量部分和高分子量部分的比例(也被认为是部分间的“分配”)是非常重要的。如果高分子量部分的比例增大，会导致强度太低，如果其比例太小，会导致形成不理想的凝胶。本发明所述的比值“Mw/Mn”，是指重均分子量(Mw)与数均分子量(Mn)的比值，其用于定义聚乙烯的分子量分布的宽度。“熔体流动速率”(MFR)是用于制备管材的双峰聚乙烯的一个重要表征指标。MFR可表征聚合物的流动性，因此，也表征其加工性能。MFR越大，聚合物的粘度越小。
本发明另一个重要性质是双峰聚乙烯的密度。由于强度的原因，本发明所述的树脂密度为0.945～0.960g/cm3，在高密度的范围内，上述密度的测定，是根据IS0 1183进行的。
熔体强度通常是以熔体拉伸张力表示的，决定着管材成型时材料的加工特性，熔体张力高表示熔体的抗延伸及抗熔垂性好，熔体张力测试条件为：采用德国GOTTFERT公司Rheotens 97型熔体强度测试仪，在模口直径2mm，模口温度190℃，拉伸轮间隙0.4mm，拉伸加速度20mm/s2的条件下，断裂时的熔体张力即表征为熔体强度。本发明提供的双峰型聚乙烯树脂，其断裂时熔体张力均达到0.450N以上。
本发明还提供了一种用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：将乙烯、氢气和共聚单体在聚合催化剂存在的条件下通过串联反应器法聚合制得聚乙烯粉料；其中，串联反应器由环管反应器和流化床反应器组成，环管反应器中聚合得到低分子量部分，流化床反应器中聚合得到高分子量部分，调节两个反应器的产率来调节高分子量部分与低分子量部分的配比；其中，环管反应器产量与流化床反应器产量的产率比控制在30：70-70:30之间；
步骤(2)：将步骤(1)中制得的聚乙烯粉料采用双螺杆挤出机进行造粒，造粒过程中稳定连续地加入抗氧剂、光稳定剂、紫外吸收剂和炭黑母料，温度控制在170～260℃之间，制得用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂
进一步的，所述步骤(1)中的乙烯与氢气的摩尔比为1-100mol/Kmol；所述共聚单体为1-丁烯和1-己烯，1-丁烯与1-己烯的质量比为10：90-90:10；所述共聚单体与乙烯摩尔比为10-300mol/Kmol之间。
进一步的，所述步骤(1)中的聚合催化剂为Ziegler-Natta催化剂(市售)，其活性为13000～15000。该催化剂活性适中，能在两个反应器内分配产率，具有优良的氢调性能；有良好的颗粒形态，以保证第一环管超临界聚合形成的初级粒子，能在后续的气相流化床内具有良好的流化状态。
进一步的，所述步骤(2)中的光稳定剂为受阻胺类光稳定剂2020，其加入量为所述聚乙烯粉料总质量的0.05～1％。该光稳定剂是N,N'-双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)-1,6-己二胺、2,4,6-三氯-1,3,5-三嗪、N-丁基-1-丁胺以及N-丁基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶胺反应产物的聚合物。
进一步的，所述步骤(2)中的紫外吸收剂为紫外吸收剂UV328，其加入量为所述聚乙烯粉料总质量的0.05～0.1％。该紫外吸收剂是2-(2-羟基-3，5-二叔戊基苯基)苯并三唑。
进一步的，所述步骤(2)中的抗氧剂为酚类抗氧剂，其加入量为聚乙烯粉料总质量的0.05～0.2％。因为酚类抗氧剂与紫外吸收剂及光稳定剂配合效果好，酚类抗氧剂为新型抗氧剂，具有良好的耐水、热水及含氯水的抽提性，提高对海水的腐蚀性。
进一步的，所述酚类抗氧剂为抗氧剂Hostanox O3与抗氧剂168按质量比3:1-1:3复配；或抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1-5:1复配。
进一步的，所述步骤(2)中的炭黑母料的加入量为聚乙烯粉料总质量的5～6％。
本发明的有益效果在于：本发明的双峰型聚乙烯树脂高分子量部分与低分子量部分分配可控，分子量分布合理，可适于制造同时具有优良的力学性能、加工性能和强度的理想压力管，同时具有优异的耐海水腐蚀性，特别适用于制造核工业管材。
附图说明
图1为本发明双峰型聚乙烯树脂的反应流程示意图；
其中，R301-预聚合反应器；R302-环管反应器；V304-闪蒸器；R401-流化床反应器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例中所用原料均可通过市售获得。
以下实施例中，双峰型聚乙烯树脂的制备方法，具体步骤如下：
步骤(1)，将乙烯、氢气、共聚单体(1-丁烯和1己烯)在聚合催化剂存在条件下通过串联反应器法聚合制得聚乙烯粉料，环管反应器聚合得到低分子量部分，流化床反应器聚合得到高分子量部分，调节两个反应器的产率来调节高分子量部分与低分子量部分的配比，装置反应流程图如图1所示；
步骤(2)，将步骤(1)中获得的聚乙烯粉料采用双螺杆挤出机进行造粒，造粒过程中稳定连续加入抗氧剂、光稳定剂、紫外吸收剂和炭黑母料，温度控制在170～260℃，制得用于管材的双峰型聚乙烯树脂。具体的原料和配比如实施例1～6所示。
实施例1
双峰型聚乙烯树脂粉料，按质量份数计算，包括100份高密度聚乙烯(由步骤1制得，MFR：0.60，1丁烯质量含量0.45，1己烯质量含量0.45，分子量分布15)，0.05份光稳定剂2020，0.1份紫外吸收剂UV328、0.2份重量比3:1的抗氧剂Hostanox O3与抗氧剂168、5份炭黑母料。
实施例2
双峰型聚乙烯树脂粉料，按质量份数计算，包括100份高密度聚乙烯(由步骤1制得，MFR：0.40，1丁烯质量含量0.30，1己烯质量含量0.60，分子量分布55)，0.05份光稳定剂2020，0.1份紫外吸收剂UV328、0.2份重量比2:1的抗氧剂Hostanox O3与抗氧剂168，5份炭黑母料。
实施例3
双峰型聚乙烯树脂粉料，按质量份数计算，包括100份高密度聚乙烯(由步骤1制得，MFR：0.23，1丁烯质量含量0.60，1己烯质量含量0.30，分子量分布100)，0.05份光稳定剂2020，0.1份紫外吸收剂UV328、0.2份抗氧剂重量比1:1的抗氧剂Hostanox O3与抗氧剂168，5份炭黑母料。
实施例4
双峰型聚乙烯树脂粉料，按质量份数计算，包括100份高密度聚乙烯(由步骤1制得，MFR：0.10，1丁烯质量含量0.15，1己烯质量含量0.15，分子量分布155)，0.5份光稳定剂2020，0.05份紫外吸收剂UV328、0.2份重量比5:1的抗氧剂1010与抗氧剂168、5份炭黑母料。
实施例5
双峰型聚乙烯树脂粉料，按质量份数计算，包括100份高密度聚乙烯((由步骤1制得，MFR：0.50，1丁烯质量含量0.20，1己烯质量含量0.10，分子量分布85)，1份光稳定剂2020，0.1份紫外吸收剂UV328、0.05份重量比1:1的抗氧剂1010与抗氧剂168、5.5份炭黑母料。
实施例6
双峰型聚乙烯树脂粉料，按质量份数计算，包括100份高密度聚乙烯(由步骤1制得，MFR：2.0，1丁烯质量含量0.10，1己烯质量含量0.20，分子量分布195)，0.05份光稳定剂2020，0.07份紫外吸收剂UV328、0.2份重量比2:1的抗氧剂1010与抗氧剂168、6份炭黑母料。
实施例1～6得到的双峰型聚乙烯树脂粉料的物理性能测试结果如表1所示。
表1实施例1到6测试结果
通过实例可以看出六个双峰型聚乙烯树脂的密度、分子量分布、熔体流动速率皆在设计的范围内，可以保证其具有优良的加工性能；其冲击强度也较高，保证了管材的强度；按照ISO4437:2007的标准在80℃，0.92MPa的条件下测试，SCG大于ISO4437:2007标准要求的500小时，都超过了8760小时，可以满足管材长期性能。本发明的6个实例熔体强度都大于0.450N，可以保证材料的抗熔垂性能，减轻大口径厚壁管材生产时的流挂现象，符合核工业对大口径的需求，而新型抗氧剂提高了对海水的抗抽提性能，保证管材的抗海水腐蚀性。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂，其特征在于：该树脂包括低分子量部分和高分子量部分，低分子量部分与高分子量部分的质量比为1:1~7:3；其数均分子量Mn为8000~10000，重均分子量Mw为300000~400000，Mw/Mn为30~50；熔体流动速率MFRs为0.1~0.15g/10min；树脂密度为0.945~0.950g/cm3；
所述的双峰型聚乙烯树脂的制备方法，包括如下步骤：
步骤（1）：将乙烯、氢气和共聚单体在聚合催化剂存在的条件下通过串联反应器法聚合制得聚乙烯粉料；其中，串联反应器由环管反应器和流化床反应器组成，环管反应器中聚合得到低分子量部分，流化床反应器中聚合得到高分子量部分，调节两个反应器的产率来调节高分子量部分与低分子量部分的配比；其中，环管反应器产量与流化床反应器产量的产率比控制在50:50-70:30之间；乙烯与氢气的摩尔比为1-100mol/Kmol；所述共聚单体为1-丁烯和1-己烯，1-丁烯与1-己烯的质量比为10:90-90:10；所述共聚单体与乙烯摩尔比为10-300mol/Kmol；
步骤（2）：将步骤（1）中制得的聚乙烯粉料采用双螺杆挤出机进行造粒，造粒过程中稳定连续地加入抗氧剂、光稳定剂、紫外吸收剂和炭黑母料，温度控制在170~260℃之间，制得用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂。
2.根据权利要求1所述的一种用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂的制备方法，包括如下步骤：
步骤（1）：将乙烯、氢气和共聚单体在聚合催化剂存在的条件下通过串联反应器法聚合制得聚乙烯粉料；其中，串联反应器由环管反应器和流化床反应器组成，环管反应器中聚合得到低分子量部分，流化床反应器中聚合得到高分子量部分，调节两个反应器的产率来调节高分子量部分与低分子量部分的配比；其中，环管反应器产量与流化床反应器产量的产率比控制在50:50-70:30之间；
步骤（2）：将步骤（1）中制得的聚乙烯粉料采用双螺杆挤出机进行造粒，造粒过程中稳定连续地加入抗氧剂、光稳定剂、紫外吸收剂和炭黑母料，温度控制在170~260℃之间，制得用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂。
3.根据权利要求2所述的用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的乙烯与氢气的摩尔比为1-100mol/Kmol；所述共聚单体为1-丁烯和1-己烯，1-丁烯与1-己烯的质量比为10:90-90:10；所述共聚单体与乙烯摩尔比为10-300mol/Kmol。
4.根据权利要求2所述的用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的聚合催化剂为Ziegler-Natta催化剂，活性为13000~15000。
5.根据权利要求2所述的用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的光稳定剂为受阻胺类光稳定剂2020，其加入量为所述聚乙烯粉料总质量的0.05~1%。
6.根据权利要求2所述的用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的紫外吸收剂为紫外吸收剂UV328，其加入量为所述聚乙烯粉料总质量的0.05~0.1%。
7.根据权利要求2所述的用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的抗氧剂为酚类抗氧剂，其加入量为聚乙烯粉料总质量的0.05~0.2%。
8.根据权利要求7所述的用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂的制备方法，其特征在于：所述酚类抗氧剂为抗氧剂Hostanox O3与抗氧剂168按质量比3:1-1:3复配；或抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1-5:1复配。
9.根据权利要求2所述的用于核工业管材的双峰型聚乙烯树脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的炭黑母料的加入量为聚乙烯粉料总质量的5~6%。
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