CN113527788A - 一种增强型聚乙烯实壁管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及聚乙烯管材技术领域，尤其涉及一种增强型聚乙烯实壁管及其制备方法，包括以下重量份的原料：高密度聚乙烯70‑90份、线性低密度聚乙烯5‑30份、改性填料10‑30份、分散剂5‑10份、润滑剂2‑6份、阻燃剂8‑15份、热稳定剂3‑8份、抗氧化剂4‑10份、偶联剂2‑8份、色母粒3‑6份。本发明的目的是使管道内壁的电荷容易传导到管道的表面，管道表面的电荷容易传导至环境中，增加管道的抗静电性，同时，管道具有良好的韧性和热稳定性，提高管道在使用过程中的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及聚乙烯管材技术领域，尤其涉及一种增强型聚乙烯实壁管及其制备方法。
背景技术
聚乙烯管材，又称高密度聚乙烯，是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂，具有优良的耐低温性和抗冲击性，化学稳定性好，其应用范围从天然气小截面黄管到工业和城市管道的厚壁黑管，涉及城市供水、排水、城市燃气供应、电缆保护管以及农用灌溉等领域，广泛的应用领域对聚乙烯管材的性能提出更高要求。
塑料管材是绝缘材料，具有良好的电绝缘性能，但是其表面极易产生静电，特别是在作为燃气管使用时，由于燃气管道的使用环境复杂，不仅管道内壁由于燃气的移动产生电荷，管道表面也容易聚集电荷，普通管道的单位体积的电阻率很大，导致电荷不容易传导、泄除，增加了燃气管道的安全隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种增强型聚乙烯实壁管及其制备方法，使管道内壁的电荷容易传导到管道的表面，管道表面的电荷容易传导至环境中，增加管道的抗静电性，同时，管道具有良好的韧性和热稳定性，提高管道在使用过程中的安全性。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种增强型聚乙烯实壁管，包括以下重量份的原料：高密度聚乙烯70-90份、线性低密度聚乙烯5-30份、改性填料10-30份、分散剂5-10份、润滑剂2-6份、阻燃剂8-15份、热稳定剂3-8份、抗氧化剂4-10份、偶联剂2-8份、色母粒3-6份。
进一步，所述聚乙烯实壁管包括以下重量份的原料：高密度聚乙烯80份、线性低密度聚乙烯15份、改性填料20份、分散剂8份、润滑剂4份、阻燃剂12份、热稳定剂6份、抗氧化剂8份、偶联剂5份、色母粒4份。
进一步，所述阻燃剂包括以下原料：聚酰亚胺、钛酸酯偶联剂、娟云母粉。
聚酰亚胺具有良好的热稳定性，能够长时间在-200-300℃的条件下使用，同时，聚酰亚胺具有良好的介电性能以及自熄性能。绢云母粉具有良好的阻燃性能以及电绝缘性，通过将聚酰亚胺与绢云母粉复配形成阻燃剂，使二者能够协同阻燃，进一步加强阻燃性能，在添加到管材内，还能够增加管材的介电性能，增加电荷的移动性。
进一步，所述阻燃剂的制备步骤如下：将聚酰亚胺粉体置于乙醇溶液中，加热至40-50℃，加入娟云母粉，搅拌均匀后，加入钛酸酯偶联剂，于60-70℃的温度下，通入氮气，搅拌5-8H，搅拌完成后，于90-110℃的条件下继续加热1-3H，洗涤、过滤、干燥、研磨，得到复合阻燃剂。
进一步，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂中的一种或几种的混合物。
本发明还公开了一种聚乙烯实壁管的制备方法，制备方法具体如下：
将高密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯置于高速混料机中，于100-120℃的条件下搅拌5-10min，加入改性填料、分散剂、热稳定剂、抗氧化剂、偶联剂于150-170℃的条件下继续搅拌20-30min，加入阻燃剂、润滑剂继续搅拌5-8min，再加入色母粒继续搅拌3-5min，搅拌均匀后，转移至挤出机中，主机温度为170-190℃，模具温度为180-200℃，挤出、定型、冷却，得到聚乙烯实壁管。
进一步，所述改性填料的制备包括以下步骤：
S1：改性凹凸棒土的制备：将凹凸棒土粉末置于去离子水中，搅拌均匀，加入三甲基十二烷基溴化铵，搅拌均匀，加入氢氧化铝粉体，于40-60℃的条件下搅拌3-5H，搅拌完成后，加入氯化铜溶液，继续搅拌5-8H，搅拌完成后，抽滤，去除滤液，去离子水洗涤，干燥，得到纯化的改性凹凸棒土；
S2：将纳米氧化铝和聚烯烃弹性体按照1：(3-6.5)的质量比加入混料机中，以200r/min的速度搅拌均匀，搅拌均匀后，于120-140℃的条件下加入硅烷偶联剂，以1000r/min继续搅拌5-10min，搅拌完成后，挤出、造粒，得到中间体；
S3：将S2步骤制备出的中间体加热至熔融状态，加入改性凹凸棒土和钛酸酯偶联剂，搅拌20-30min，挤出、造粒、冷却，得到改性填料。
凹凸棒土具有独特的层链状结构特征，在其结构中存在晶格置换，且凹凸棒土中存在不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+，通过活化凹凸棒土，使其中的金属离子与凹凸棒土的键能减弱，在一定的温度条件下，通过加入氢氧化铝中的铝离子与钠离子、钙离子发生阳离子交换，在纯化凹凸棒土的同时，增强凹凸棒土的导电性能，再通过加入氯化铜溶液，使铜离子进一步与铝离子发生离子交换，在不影响凹凸棒土本身性质的情况下，进一步增强凹凸棒土的导电性能，使凹凸棒土在作为填充剂的情况下，凹凸棒土的层链状能够作为电荷的移动路径，构成导电性内层，使管道内壁的静电荷更容易传导到管道的表层，减少电荷的聚集。
通过将纳米氧化铝先交联在聚烯烃弹性体上，形成中间体，再将改性后的凹凸棒土与中间体反应，使凹凸棒土与交联后的聚烯烃弹性体熔融共混，能够协同增强填充剂的填充性能，使填料在与树脂反应时，能够更好的结合，并在界面上形成层状导电结构，与阻燃剂中的聚酰亚胺配合，进一步增强管材的介电强度，在容纳更多的电荷的同时，更不容易发生电介质击穿，从而增加抗静电性能。
进一步，所述S3步骤中，中间体与改性凹凸棒土的质量比为2：(0.4-1)。
通过控制中间体与改性凹凸棒土的添加质量比，使中间体能够更好的与改性凹凸棒土共混，避免影响整个管材的流动性与流平性。
进一步，所述改性填料的粒径为2-4mm。
本发明的有益效果：通过将凹凸棒土进行纯化，在纯化的过程中增加凹凸棒土的导电性能，使凹凸棒土更容易将传导电荷，将纯化后的凹凸棒土与纳米氧化铝以及聚烯烃弹性体共混，将传统的粉体填料改变呈固体颗粒，在不影响凹凸棒土的导电性能的情况下，增加凹凸棒土的填充性以及韧性以及使用健康性，使改性填料在与树脂共混时，能够增强整体的机械性能和抗静电性能。通过再将阻燃剂进行改进，使同时添加改进后的阻燃剂与改性填料时，能够协同增强管材的介电强度，从而增强管材的抗静电性，使管材在作为燃气管使用时，具有更高的安全性。
具体实施方式
以下将通过具体实施例对本发明进行详细说明：
实施例1，改性填料的制备一
S1：改性凹凸棒土的制备：将10质量份的凹凸棒土粉末置于去离子水中，搅拌均匀，加入0.45质量份的三甲基十二烷基溴化铵，搅拌均匀，加入2.3质量份的氢氧化铝粉体，于40℃的条件下搅拌5H，搅拌完成后，加入0.58质量份的氯化铜溶液，继续搅拌5H，在搅拌过程中，会逐渐析出一些固体，这些固体大部分为氢氧化钙的晶体，也有部分氢氧化铜的晶体，搅拌完成后，抽滤，去除滤液，去离子水洗涤去掉被置换出来的钠离子和钙离子以及未反应的铜离子，干燥，得到纯化的改性凹凸棒土；
S2：将10质量份的纳米氧化铝和35质量份的聚烯烃弹性体加入混料机中，以200r/min的速度搅拌均匀，搅拌均匀后，于120℃的条件下加入1.5质量份的硅烷偶联剂，以1000r/min继续搅拌10min，搅拌完成后，挤出、造粒，得到中间体；
S3：取20质量份的中间体，将中间体加热至熔融状态，加入8质量份的改性凹凸棒土和0.2质量份的钛酸酯偶联剂，搅拌20min，挤出、造粒、冷却，得到改性填料，改性填料的经过粒径测试仪测试，粒径为2.3mm。
实施例2，改性填料的制备二
S1：改性凹凸棒土的制备：将15质量份的凹凸棒土粉末置于去离子水中，搅拌均匀，加入0.8质量份的三甲基十二烷基溴化铵，搅拌均匀，加入3.2质量份的氢氧化铝粉体，于50℃的条件下搅拌4H，搅拌完成后，加入1.15质量份的氯化铜溶液，继续搅拌6.5H，在搅拌过程中，会逐渐析出一些固体，这些固体大部分为氢氧化钙的晶体，也有部分氢氧化铜的晶体，搅拌完成后，抽滤，去除滤液，去离子水洗涤去掉被置换出来的钠离子和钙离子以及未反应的铜离子，干燥，得到纯化的改性凹凸棒土；
S2：将15质量份的纳米氧化铝和40质量份的聚烯烃弹性体加入混料机中，以200r/min的速度搅拌均匀，搅拌均匀后，于130℃的条件下加入2.4质量份的硅烷偶联剂，以1000r/min继续搅拌8min，搅拌完成后，挤出、造粒，得到中间体；
S3：取20质量份的中间体，将中间体加热至熔融状态，加入8质量份的改性凹凸棒土和0.2质量份的钛酸酯偶联剂，搅拌25min，挤出、造粒、冷却，得到改性填料，改性填料的经过粒径测试仪测试，粒径为3.1mm。
实施例3，改性填料的制备三
S1：改性凹凸棒土的制备：将20质量份的凹凸棒土粉末置于去离子水中，搅拌均匀，加入1.5质量份的三甲基十二烷基溴化铵，搅拌均匀，加入5.2质量份的氢氧化铝粉体，于60℃的条件下搅拌3H，搅拌完成后，加入1.65质量份的氯化铜溶液，继续搅拌8H，在搅拌过程中，会逐渐析出一些固体，这些固体大部分为氢氧化钙的晶体，也有部分氢氧化铜的晶体，搅拌完成后，抽滤，去除滤液，去离子水洗涤去掉被置换出来的钠离子和钙离子以及未反应的铜离子，干燥，得到纯化的改性凹凸棒土；
S2：将20质量份的纳米氧化铝和75质量份的聚烯烃弹性体加入混料机中，以200r/min的速度搅拌均匀，搅拌均匀后，于140℃的条件下加入4质量份的硅烷偶联剂，以1000r/min继续搅拌5min，搅拌完成后，挤出、造粒，得到中间体；
S3：取20质量份的中间体，将中间体加热至熔融状态，加入8质量份的改性凹凸棒土和0.2质量份的钛酸酯偶联剂，搅拌25min，挤出、造粒、冷却，得到改性填料，改性填料的经过粒径测试仪测试，粒径为3.6mm。
实施例4，阻燃剂的制备一
将3质量份的聚酰亚胺粉体置于乙醇溶液中，加热至40℃，加入2质量份的娟云母粉，搅拌均匀后，加入0.2质量份的钛酸酯偶联剂，于60℃的温度下，通入氮气，搅拌5H，搅拌完成后，于90℃的条件下继续加热3H，去离子洗涤，将未完全反应的绢云母粉去除，过滤、干燥、研磨，将部分板结的复合物粉碎，得到复合阻燃剂。
实施例5，阻燃剂的制备二
将5质量份的聚酰亚胺粉体置于乙醇溶液中，加热至50℃，加入3质量份的娟云母粉，搅拌均匀后，加入0.25质量份的钛酸酯偶联剂，于70℃的温度下，通入氮气，搅拌7H，搅拌完成后，于100℃的条件下继续加热2H，去离子洗涤，将未完全反应的绢云母粉去除，过滤、干燥、研磨，将部分板结的复合物粉碎，得到复合阻燃剂。
实施例6，阻燃剂的制备三
将10质量份的聚酰亚胺粉体置于乙醇溶液中，加热至50℃，加入5质量份的娟云母粉，搅拌均匀后，加入0.5质量份的钛酸酯偶联剂，于70℃的温度下，通入氮气，搅拌8H，搅拌完成后，于110℃的条件下继续加热1H，去离子洗涤，将未完全反应的绢云母粉去除，过滤、干燥、研磨，将部分板结的复合物粉碎，得到复合阻燃剂。
实施例7，聚乙烯实壁管的制备一
将70质量份的高密度聚乙烯和10质量份的线性低密度聚乙烯置于高速混料机中，于100℃的条件下搅拌10min，加入10质量份的改性填料、6质量份的十二烷基硫酸钠、4质量份的钙锌稳定剂、4质量份的2,8一二叔丁基-4一甲基苯酚和抗氧剂lU1U的混合物、3质量份硅烷偶联剂于150℃的条件下继续搅拌30min，加入10质量份的复合阻燃剂、3质量份的聚乙烯蜡继续搅拌8min，再加入34质量份的色母粒继续搅拌5min，搅拌均匀后，转移至挤出机中，主机温度为170℃，模具温度为180℃，挤出、定型、冷却，得到聚乙烯实壁管。
实施例8，聚乙烯实壁管的制备二
将80质量份的高密度聚乙烯和15质量份的线性低密度聚乙烯置于高速混料机中，于110℃的条件下搅拌8min，加入20质量份的改性填料、8质量份的十二烷基硫酸钠、6质量份的钙锌稳定剂、8质量份的2,8一二叔丁基-4一甲基苯酚和抗氧剂lU1U的混合物、5质量份硅烷偶联剂于160℃的条件下继续搅拌25min，加入12质量份的复合阻燃剂、4质量份的聚乙烯蜡继续搅拌6min，再加入4质量份的色母粒继续搅拌4min，搅拌均匀后，转移至挤出机中，主机温度为175℃，模具温度为185℃，挤出、定型、冷却，得到聚乙烯实壁管。
实施例9，聚乙烯实壁管的制备三
将90质量份的高密度聚乙烯和25质量份的线性低密度聚乙烯置于高速混料机中，于120℃的条件下搅拌5min，加入30质量份的改性填料、10质量份的十二烷基硫酸钠、8质量份的钙锌稳定剂、10质量份的2,8一二叔丁基-4一甲基苯酚和抗氧剂lU1U的混合物、7质量份硅烷偶联剂于170℃的条件下继续搅拌20min，加入14质量份的复合阻燃剂、6质量份的聚乙烯蜡继续搅拌8min，再加入6质量份的色母粒继续搅拌5min，搅拌均匀后，转移至挤出机中，主机温度为180℃，模具温度为190℃，挤出、定型、冷却，得到聚乙烯实壁管
实施例10(对比实施例)，聚乙烯实壁管的制备四
将80质量份的高密度聚乙烯和15质量份的线性低密度聚乙烯置于高速混料机中，于110℃的条件下搅拌8min，加入20质量份的改性填料、8质量份的十二烷基硫酸钠、6质量份的钙锌稳定剂、8质量份的2,8一二叔丁基-4一甲基苯酚和抗氧剂lU1U的混合物、5质量份硅烷偶联剂于160℃的条件下继续搅拌25min，加入12质量份的磷酸三丁酯、4质量份的聚乙烯蜡继续搅拌8min，再加入4质量份的色母粒继续搅拌5min，搅拌均匀后，转移至挤出机中，主机温度为170℃，模具温度为185℃，挤出、定型、冷却，得到聚乙烯实壁管。
对实施例7-10制备出的聚乙烯实壁管进行耐热性能、阻燃性能、耐电压击穿性能和介电常数进行测试，试验结果如下表所示：
从测试结果可以表明，实施例7-9制备出的聚乙烯实壁管均具有较高的耐热性能、阻燃性能、耐电压击穿性能，同时，介电常数大于普通聚乙烯燃气管的介电常数，其中实施例8制备出的聚乙烯实壁管的各项参数均优于实施例7和实施例9。
实施例10中将复合阻燃剂替换为普通的阻燃剂磷酸三丁酯，对实施例10制备出的聚乙烯实壁管进行耐热性能、阻燃性能、耐电压击穿性能和介电常数进行测试，从测试结果可以表明，实施例10制备出的聚乙烯实壁管的耐热性能、阻燃性能、耐电压击穿性能和介电常数均小于实施例8，说明复合阻燃剂和改性填料起到了协同增强耐热性能、阻燃性能和耐电压击穿性能。对普通的聚乙烯实壁管进行耐热性能、阻燃性能、耐电压击穿性能和介电常数测试，再与实施例10中测得的数据进行对比，从试验数据可以表明，本方案制备出的改性填料能够增强聚乙烯实壁管的耐热性能和耐电压击穿性能，增大介电常数。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (9)
1.一种增强型聚乙烯实壁管，其特征在于，包括以下重量份的原料：高密度聚乙烯70-90份、线性低密度聚乙烯5-30份、改性填料10-30份、分散剂5-10份、润滑剂2-6份、阻燃剂8-15份、热稳定剂3-8份、抗氧化剂4-10份、偶联剂2-8份、色母粒3-6份。
2.根据权利要求1所述的一种增强型聚乙烯实壁管，其特征在于，所述聚乙烯实壁管包括以下重量份的原料：高密度聚乙烯80份、线性低密度聚乙烯15份、改性填料20份、分散剂8份、润滑剂4份、阻燃剂12份、热稳定剂6份、抗氧化剂8份、偶联剂5份、色母粒4份。
3.根据权利要求2所述的一种增强型聚乙烯实壁管，其特征在于，所述阻燃剂包括以下原料：聚酰亚胺、钛酸酯偶联剂、娟云母粉。
4.根据权利要求3所述的一种增强型聚乙烯实壁管，其特征在于，所述阻燃剂的制备步骤如下：将聚酰亚胺粉体置于乙醇溶液中，加热至40-50℃，加入娟云母粉，搅拌均匀后，加入钛酸酯偶联剂，于60-70℃的温度下，通入氮气，搅拌5-8H，搅拌完成后，于90-110℃的条件下继续加热1-3H，洗涤、过滤、干燥、研磨，得到复合阻燃剂。
5.根据权利要求4所述的一种增强型聚乙烯实壁管，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种增强型聚乙烯实壁管的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯实壁管的制备方法如下：将高密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯置于高速混料机中，于100-120℃的条件下搅拌5-10min，加入改性纳米填料、分散剂、热稳定剂、抗氧化剂、偶联剂于150-170℃的条件下继续搅拌20-30min，加入阻燃剂、润滑剂继续搅拌5-8min，再加入色母粒继续搅拌3-5min，搅拌均匀后，转移至挤出机中，主机温度为170-190℃，模具温度为180-200℃，挤出、定型、冷却，得到聚乙烯实壁管。
7.根据权利要求6所述的一种增强型聚乙烯实壁管的制备方法，其特征在于，所述改性填料的制备包括以下步骤：S1：改性凹凸棒土的制备：将凹凸棒土粉末置于去离子水中，搅拌均匀，加入三甲基十二烷基溴化铵，搅拌均匀，加入氢氧化铝粉体，于40-60℃的条件下搅拌3-5H，搅拌完成后，加入氯化铜溶液，继续搅拌5-8H，搅拌完成后，抽滤，去除滤液，去离子水洗涤，干燥，得到纯化的改性凹凸棒土；
S2：将纳米氧化铝和聚烯烃弹性体按照1：(3-6.5)的质量比加入混料机中，以200r/min的速度搅拌均匀，搅拌均匀后，于120-140℃的条件下加入硅烷偶联剂，以1000r/min继续搅拌5-10min，搅拌完成后，挤出、造粒，得到中间体；
S3：将S2步骤制备出的中间体加热至熔融状态，加入改性凹凸棒土和钛酸酯偶联剂，搅拌20-30min，挤出、造粒、冷却，得到改性填料。
8.根据权利要求7所述的一种增强型聚乙烯实壁管的制备方法，其特征在于，所述S3步骤中，中间体与改性凹凸棒土的质量比为2：(0.4-1)。
9.根据权利要求8所述的一种增强型聚乙烯实壁管的制备方法，其特征在于，所述改性填料的粒径为2-4mm。
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