CN113831620A - 高耐热耐蠕变的管材组合物及其制备方法 - Google Patents

高耐热耐蠕变的管材组合物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种高耐热耐蠕变的管材组合物及其制备方法。所述的管材组合物以重量分数计，包括如下组分：聚乙烯60‑80份；超高分子量聚乙烯20‑40份；尼龙10‑15份；相容剂5‑15份；硅系/铝系复合增强剂5‑10份；成核剂1‑1.5份；润滑剂1‑3份。本发明采用聚乙烯为基础树脂，通过添加尼龙与硅系/铝系复合增强剂，通过相容剂紧密结合，在成核剂的作用下，可改变体系的结晶形态，构成材料的晶体结构发生变化，从而改变管材抵抗应力的性能，提高抗蠕变性能，硅系/铝系复合增强剂的加入，不仅提高了维卡软化温度，而且改善了加工性能，制得的聚乙烯管材，具有良好的耐温性能和耐蠕变性能。

Description

高耐热耐蠕变的管材组合物及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种高耐热耐蠕变的管材组合物及其制备方法。
背景技术
聚乙烯(PE)是一种具有优异性能的热塑性塑料，具有良好的耐化学腐蚀、耐低温冲击性能等，被广泛应用于纺织、电力、建筑、煤炭及交通运输等领域。但聚乙烯不能承受较高的使用温度，加工机械强度低，限制了许多领域的应用。在油田内衬管领域，要求聚乙烯管材维卡软化温度130℃以上，同时要求具有较高的拉伸强度、断裂伸长率和冲击性能，以及抗蠕变性能。如此才能延长管材的使用寿命。有资料表明，超高分子量聚乙烯维卡软化温度在131℃(A50)左右，但做成管材后，其维卡软化温度仅为127℃。交联虽然能提高维卡软化温度，但交联改性后的聚乙烯材料耐蠕变和耐磨性能降低，使用寿命缩短；玻璃微珠可以提高PE的维卡软化点温度，但玻璃微珠的加入，不仅降低了材料的性能，而且使得加工性能变差。
专利CN201510416076.7高软化点的超高分子量聚乙烯合金材料及其制备方法，所采用的基础树脂为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)树脂和尼龙(PA)树脂两种，增强剂选用无机纳米钙，用以提高材料的维卡软化点、熔指，具有热变形温度高，回弹速度快等特点，但是，最终制备的材料的维卡软化温度依然较低，力学性能不佳。
文献《UHMWPE/HDPE/PA1012复合材料的制备及性能研究》(塑料工业，2016年10月，第44卷第10期)，其采用了HDPE(高密度聚乙烯)、UHMWPE以及PA三种基础树脂，但该文献仅考察了HDPE与UHMWPE的比例对复合材料性能的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高耐热耐蠕变的管材组合物，具有优异的抗蠕变性能，同时提高了维卡软化温度，而且改善了加工性能；同时本发明还提供其制备方法。
本发明是采用以下技术方案实现的：
所述的高耐热耐蠕变的管材组合物，以重量份数计，包括如下组分：
Figure BDA0002554569670000011
Figure BDA0002554569670000021
所述的聚乙烯为高密度聚乙烯，密度>0.955g/cm3。
所述的超高分子量聚乙烯分子量为100-150万。
所述的尼龙为尼龙66，优选美国杜邦公司生产的PA66 103HSL。
所述的相容剂为聚乙烯接枝马来酸酐，接枝率>0.5％。
所述的硅系/铝系复合增强剂为天然硅石与三氧化二铝的混合物，粒径为30-80nm，其中，天然硅石与三氧化二铝的质量比为1:2-3，其中，所述的天然硅石优选为石英砂，密度为2.65g/cm3，三氧化二铝真密度为3.5-4.0g/cm3。
所述的成核剂优选PE专用成核剂WXH-C201，深圳和颜悦色塑胶助剂有限公司生产。
所述的润滑剂为PE蜡。
本发明所述的高耐热耐蠕变的管材组合物的制备方法，包括如下步骤：
(1)硅系/铝系复合增强剂制备
先将天然硅石与三氧化二铝磨碎成纳米级，粒径为30-80nm，放入高速混合机中，然后加入硅烷偶联剂，高速混合均匀后，放出物料，备用；
(2)将尼龙烘干后，备用；
(3)将聚乙烯、超高密度聚乙烯、尼龙、硅系/铝系复合增强剂、相容剂、成核剂和润滑剂加入到混合机中高速搅拌，搅拌时间3-5分钟，经搅拌后出料，即得。
将制备的管材组合物直接投入到单螺杆管材挤出设备上挤出PE管材，料筒温度为180-235℃，可制得聚乙烯管材，具有良好的耐温性能和耐蠕变性能。
步骤(1)中所述的硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂，加入量为天然硅石与三氧化二铝总质量的1-1.5％。
步骤(1)中所述的混合转速为700-1000转/分钟，混合温度为80-100℃，混合时间为5-8分钟。
步骤(2)中所述的烘干温度为90-100℃，烘干时间为3-5小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明采用聚乙烯为基础树脂，通过添加尼龙与处理过的硅系/铝系复合增强剂，通过相容剂紧密结合，在成核剂的作用下，可改变体系的结晶形态，构成材料的晶体结构发生变化，从而改变管材抵抗应力的性能，提高抗蠕变性能。
2、本发明硅系/铝系复合增强剂的加入，不仅提高了维卡软化温度，而且改善了加工性能。
3、本发明所用原料易得，制备方法简单易操作，利于大规模生产，具有较好的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例中用到的所有原料若无特殊说明，均为市购。
表1为实施例1-5和对比例1-4的配方。
其中，硅系/铝系复合增强剂粒径60纳米，天然硅石：三氧化二铝按照1：2的质量比，天然硅石为石英砂，密度为2.65g/cm3，聚乙烯密度0.960g/cm3，超高分子量聚乙烯分子量150万，相容剂聚乙烯接枝马来酸酐为线性低密度聚乙烯接枝马来酸酐，接枝率1.0％，润滑剂为PE蜡。
其中硅系/铝系复合增强剂制备方法为：天然硅石：三氧化二铝按照1：2的质量比称取，放入高速混合机中，加入混合物总量的1.5％的乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂，高速混合，混合转速1000转/分钟，混合温度90℃，混合时间6分钟，放出物料。
实施例和对比例的区别：对比例1与实施例2相比，没有硅系/铝系复合增强剂，只添加片状硅酸盐，其余组分相同；对比例2与实施例2相比，只采用尼龙作为耐热改性剂，没有添加硅系/铝系复合增强剂，其余组份相同；对比例3与实施例2相比，只添加天然硅石做增强剂，没有添加硅系/铝系复合增强剂，其余组份相同；对比例4与实施例2相比，只添加三氧化二铝做增强剂，没有添加硅系/铝系复合增强剂，其余组份相同。
表1实施例1-5和对比例1-4的配方
Figure BDA0002554569670000031
Figure BDA0002554569670000041
实施例1-5和对比例1-4的制备方法如下：
(1)硅系/铝系复合增强剂制备方法为：先将天然硅石与三氧化二铝磨碎成纳米级，粒径为60纳米；然后按照质量比天然硅石：三氧化二铝＝1：2的比例称取，放入高速混合机中，加入混合物总量的1.5％的乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂，高速混合，混合转速1000转/分钟，混合温度90℃，混合时间6分钟，放出物料。
(2)将尼龙放到95℃烘箱中烘干4小时，取出，备用。
(3)按比例称取聚乙烯、超高密度聚乙烯、尼龙、硅系/铝系复合增强剂、相容剂及其他助剂加入到混合机中高速搅拌，搅拌时间4分钟，放出物料。
(4)将混配好的物料直接投入到单螺杆管材挤出设备上挤出PE管材，管材规格为Φ63×4，料筒温度185-230℃。
将实施例1-5和对比例1-4制备的PE管材在相同的条件下进行性能测试，蠕变性能测试方法：从管材取样，制成长×宽为120×10的长方形样条，沿样条中间四周各切深为1的切口，水平放入50℃恒温的水箱中，样条两端持续加100g力，记录样条破坏时间，以天计算。破坏时间越长，蠕变性能越好。测试结果见表2。
表2实施例1-5和对比例1-4制备的PE管材性能测试结果
Figure BDA0002554569670000042
Figure BDA0002554569670000051
从表2中数据可见，对比例1由于单纯采用硅酸盐作为增强剂，其蠕变性能较差，强度偏低，力学性能较差；对比例2仅采用尼龙作为耐热改性剂，虽然维卡软化温度有一定提高，但材料的蠕变性能较差，拉伸强度和冲击强度明显降低；对比例3只添加了一种增强剂，其蠕变性能和力学性能均较差；对比例4也是只添加了一种增强剂，其蠕变性能和力学性能均较差。由此可看出，本发明实施例1-5性能均优于对比例。
当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种高耐热耐蠕变的管材组合物，其特征在于：以重量份数计，包括如下组分：
Figure FDA0002554569660000011
2.根据权利要求1所述的高耐热耐蠕变的管材组合物，其特征在于：所述的聚乙烯为高密度聚乙烯，密度>0.955g/cm3。
3.根据权利要求1所述的高耐热耐蠕变的管材组合物，其特征在于：所述的超高分子量聚乙烯分子量为100-150万。
4.根据权利要求1所述的高耐热耐蠕变的管材组合物，其特征在于：所述的尼龙为尼龙66。
5.根据权利要求1所述的高耐热耐蠕变的管材组合物，其特征在于：所述的相容剂为聚乙烯接枝马来酸酐，接枝率>0.5％。
6.根据权利要求1所述的高耐热耐蠕变的管材组合物，其特征在于：所述的硅系/铝系复合增强剂为天然硅石与三氧化二铝的混合物，粒径为30-80nm，其中，天然硅石与三氧化二铝的质量比为1:2-3。
7.一种权利要求1-6任一所述的高耐热耐蠕变的管材组合物的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)硅系/铝系复合增强剂制备
先将天然硅石与三氧化二铝磨碎成纳米级，然后加入硅烷偶联剂，混合均匀后，放出物料，备用；
(2)将尼龙烘干后，备用；
(3)将聚乙烯、超高密度聚乙烯、尼龙、硅系/铝系复合增强剂、相容剂、成核剂和润滑剂加入到混合机中，经搅拌后出料，即得。
8.根据权利要求7所述的高耐热耐蠕变的管材组合物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂，加入量为天然硅石与三氧化二铝总质量的1-1.5％。
9.根据权利要求7所述的高耐热耐蠕变的管材组合物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的混合转速为700-1000转/分钟，混合温度为80-100℃，混合时间为5-8分钟。
10.根据权利要求7所述的高耐热耐蠕变的管材组合物的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的烘干温度为90-100℃，烘干时间为3-5小时。
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