CN114474871A - 一种pe给水管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于塑料管道技术领域，具体涉及一种PE给水管及其制备方法，本发明PE给水管包括内阻隔层和外增强层，内阻隔层的材料为尼龙改性的高密度聚乙烯，尼龙呈层状分散于高密度聚乙烯中，对有机溶剂起到良好的阻隔效果，环保无害；外增强层的材料为纤维增强改性的聚乙烯，增强PE给水管的承载性能，同时改善了因尼龙层状结构导致PE给水管力学性能的下降，满足恶劣工况环境对PE给水管的高性能要求，扩大了PE管的应用范围。

Description

一种PE给水管及其制备方法
技术领域
本发明属于塑料管道技术领域，具体涉及一种PE给水管及其制备方法。
背景技术
聚乙烯(PE)由于其强度高、无臭、无毒，具有优良的耐低温性能，其最低使用温度可达-100℃至-70℃，化学稳定性好，目前被广泛应用于给水管领域。然而，由于PE材料的阻隔性能较差，难以完全阻碍有机溶剂对管材的渗透，当有机溶剂通过管材一旦渗入饮用水中，会给用户的生命健康带来极大的安全隐患。同时，高的耐压强度、抗张强度，有利于提高PE管材的承载强度，扩大PE管材在恶劣工况中的应用范围。
为改善PE管的性能，现有技术如公开号为CN109927358 A，发明名称为一种高阻隔耐挤压全塑软管用片材以及其制备方法，该发明中述及四种不同PE含量的PE层、EVOH阻隔层以及分布于EVOH阻隔层两侧的粘合剂层，该发明总计涉及7层材料的共挤，管材的制备工艺复杂。另外，该发明利用EVOH作为中间层制备高阻隔软管，且EVOH阻隔层与PE层之间必须采用粘合剂粘合，否则会由于EVOH阻隔层与PE层的界面作用力弱，而出现管材的分层、鼓包现象。
因此，有必要开发一种强度高、且阻隔性能优良的新型PE给水管，对于改善PE管在给水中的应用性能具有重要意义。
发明内容
本申请旨在提供一种PE给水管及其制备方法，本发明提供的PE给水管具有强度高、阻隔性能优良的优势，使得本发明PE给水管适于高承载或于有机废水环境中进行输送给水的应用场合。
基于上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种PE给水管，包括内阻隔层和外增强层，内阻隔层的材料为尼龙改性的高密度聚乙烯，尼龙呈层状分散于高密度聚乙烯中；外增强层的材料为纤维增强改性的聚乙烯。
尼龙呈层状分散于高密度聚乙烯中，对有机溶剂起到很好的阻隔效果，环保无害；外增强层的材料为纤维增强改性的聚乙烯，增强PE进水管的承载性能，同时改善因尼龙层状结构导致PE给水管力学性能的降低，满足恶劣工况环境对PE给水管的性能要求，扩大了PE管的应用范围。
另外，内阻隔层和外增强层的制备原料均以PE为基材，无需在内阻隔层和外增强层之间使用热熔胶，可有效避免双层管因相容性差而在使用过程中发生界面分离现象。
进一步地，以重量份数计，尼龙改性的高密度聚乙烯的制备原料包括高密度聚乙烯70～85份、尼龙8～22份、相容剂1～6份。
高密度聚乙烯树脂(HDPE)的价格低廉，耐冲击、耐腐蚀、耐环境应力开裂性能好，但高密度聚乙烯树脂遇有机物易溶胀，气密性差，在盛装烃类物质时容易发生渗漏，己不能适应产品对阻隔性的需要，必须对其进行防渗处理。聚酰胺(俗称尼龙，简称PA)具有优良的力学性能和较好的电性能，又耐磨、耐油、耐溶剂、自润滑、自熄性、耐腐蚀性以及良好的加工性能等优点，应用广泛。因此，通过高密度聚乙烯和聚酰胺共混改性，控制分散相聚酰胺在连续相聚乙烯中的形态，提高高密度聚乙烯的阻隔性能。
本发明通过将小比例的抗烃类溶剂渗漏性能极佳的尼龙与大比例的HDPE共混，首先使PA呈微粒分布于HDPE连续相中，然后借助成型时的剪切应力，使PA在HDPE基体连续相中形成平行于PE管壁的多层片状结构，溶剂要透过PE管壁，必须绕过多层重叠的PA层，从而大大降低溶剂渗透速率，得到具有高阻隔性的PE给水管。另外，由于PA与HDPE在热力学上不相容，两相间的粘结力较弱，不利于剪切力的传递和积层相态的形成，这要求材料制备时添加合适的相容剂(PE-g-MAH)，改善PA与HDPE两相的相容性，最大限度地发挥阻隔相PA的阻隔效率。
经试验发现，尼龙改性的高密度聚乙烯的制备原料中尼龙的重量份在8～22重量份的范围内，使得PE给水管具有良好的阻隔效果，而当其重量份低于8份时，则所制得的PE给水管阻隔效果不明显；而当其重量份高于22份时，难以有效均匀分散在PE连续相中，同时管材脆性增加，不利于PE管材的敷设安装。
相容剂也应控制在1～6份，相容剂过少，PA与HDPE两相间的粘结力较弱，不利于剪切力的传递和积层相态的形成；相容剂过多，导致PA分散相的尺寸明显降低，片层状结构反而不明显。所以，适量相容剂的加入可以增强了HDPE与PA之间的相互作用，可以使PA能以片层状结构分散于HDPE基体树脂之中，提高材料的阻隔性能。
进一步地，尼龙改性的高密度聚乙烯在挤出加工过程中，尼龙的粘度大于高密度聚乙烯的粘度。
在PA与HDPE两相流动的过程中，聚合物熔融界面的形状取决于两相组分在其加工温度下的粘度比。关于两种流体分层流动的最小能耗原理指出由低粘度的组分缠绕高粘度的组分的皮芯结构比平展界面需要能量更少(即软包硬现象)。只有控制合适的加工温度使PA的粘度大于HDPE粘度才能使PA分散相呈层状结构(片状)延展。粘度相差越大，流动距离越长，界面变化越明显，越易形成层状PA结构，更加完善的层状结构有利于提高PE管材的阻隔效果，因此，在尼龙改性的高密度聚乙烯的加工过程中，需控制尼龙的粘度大于高密度聚乙烯的粘度。
进一步地，所述高密度聚乙烯的结晶度为80％～90％，软化点为125℃～135℃；所述尼龙包括PA6、PA66。
进一步地，以重量份数计，所述尼龙改性的高密度聚乙烯的制备原料还包括增塑剂0.1～1.3份、抗氧剂0.05～0.2份。
进一步地，以重量份数计，所述纤维增强改性的聚乙烯的制备原料包括聚乙烯60～85份、纤维15～40份、硅烷偶联剂0.5～2份。
进一步地，所述纤维为玻璃短切纤维，所述玻璃短切纤维的直径为1～7μm，玻璃短切纤维的长度为30～300μm。
进一步地，以重量份数计，所述纤维增强改性的聚乙烯的制备原料还包括抗氧剂0.05～0.2份、增韧剂0.5～5份、石蜡油0.5～5份。
第二方面，本申请提供一种PE给水管的制备方法，包括如下步骤：将上述尼龙改性的高密度聚乙烯、纤维增强改性的聚乙烯分别置于两台挤出机中，经双层共挤制得PE给水管。
进一步地，所述尼龙改性的高密度聚乙烯的挤出温度为215℃～225℃，剪切速率为80～100s-1；所述纤维增强改性的聚乙烯的挤出温度为190℃～250℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明PE给水管包括内阻隔层和外增强层，内阻隔层的材料为尼龙改性的高密度聚乙烯，尼龙呈层状分散于高密度聚乙烯中，对有机溶剂起到很好的阻隔效果，环保无害；外增强层的材料为纤维增强改性的聚乙烯，增强PE给水管的承载性能，同时改善因PA层状结构导致PE给水管力学性能的降低，满足恶劣工况环境对PE给水管的性能要求，扩大了PE管的应用范围。
附图说明
图1为本发明PE给水管的结构示意图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例中所用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
本实施例提供一种PE给水管，其结构如图1所示，由外至内，依次包括外增强层1和内阻隔层2，内阻隔层2的材料为尼龙改性的高密度聚乙烯，其中，尼龙3呈层状分散于高密度聚乙烯中；外增强层1的材料为纤维增强改性的聚乙烯。
以重量份数计，尼龙改性的高密度聚乙烯的制备原料包括高密度聚乙烯85份、尼龙15份、相容剂5份、增塑剂0.5份、抗氧剂0.1份。
其中，高密度聚乙烯的结晶度为80％～90％，软化点为125℃～135℃，使用温度可达100℃，本实施例优选高密度聚乙烯为中石油大庆石化5000s，熔融指数为1.18g/10min(230℃，21.6N)。
尼龙又称聚酰胺，半透明或者不透明乳白色结晶型聚合物，具有可塑性，包括但不限于PA6、PA66，本实施例优选日本宇部兴产株式会社PA6，牌号1013D，熔融指数为0.417g/10min(230℃，21.6N)。
内阻隔层是以高密度聚乙烯为连续相，以尼龙为分散相的共混物，要使尼龙呈层状分散于连续相高密度聚乙烯中，在尼龙改性的高密度聚乙烯的加工过程中，分散相尼龙的粘度必须高于基体HDPE的粘度，即ηHDPE/ηPA＜1。
相容剂为马来酸酐接枝高密度聚乙烯(PE-g-MAH)，本实施例优选上海日之升生产的牌号为9804的PE-g-MAH，相容剂的目的在于改善高密度聚乙烯与尼龙之间的界面作用力。
增塑剂为聚乙烯蜡，本实施例优选天津市泰安科技发展有限公司，牌号为LPE-1的聚乙烯蜡，增塑剂用于改善尼龙改性的高密度聚乙烯的制备原料共混料的加工性能。
以重量份数计，纤维增强改性的聚乙烯的制备原料包括聚乙烯72份、玻璃短切纤维25份、硅烷偶联剂1份、抗氧剂0.1份、增韧剂2份和石蜡油1份。
其中，本实施例聚乙烯优选为中石化YEM-4902T；玻璃短切纤维的直径为1～7μm，玻璃短切纤维的长度为30～300μm，长径比为2～30；本实施例优选玻璃短切纤维的直径为5μm，玻璃短切纤维的长度为50μm，长径比为10。
本实施例硅烷偶联剂优选KH-550；增韧剂为聚烯烃弹性体或者三元乙丙橡胶，优选为三元乙丙橡胶；抗氧剂为受阻类抗氧剂或者亚磷酸酯类抗氧剂，本实施例优选抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168进行配合使用，其中抗氧剂1010与抗氧剂168并用比例为2:1。
上述PE给水管的制备方法，包括如下步骤：
S1：将上述尼龙改性的高密度聚乙烯的制备原料按照优选的组分及组分配比配料混合，搅拌均匀，烘干后，送入双螺杆挤出机，经熔融共混，挤出制得尼龙改性的高密度聚乙烯，待用。为使分散相尼龙在高密度聚乙烯中分布的形态结构由液滴变成层状，双螺杆挤出机的剪切速率控制在80～100s-1之间，挤出温度控制在215℃～225℃之间，螺杆转速控制在50～100rpm之间，本实施例优选上述参数为双螺杆挤出机的剪切速率为92s-1，挤出温度为220℃，螺杆转速为80rpm。
S2：将上述纤维增强改性的聚乙烯的制备原料按照优选的组分及组分配比配料混合，搅拌均匀，烘干后，送入双螺杆挤出机，控制挤出温度为190℃～250℃，螺杆转速控制在10～200rpm之间，经熔融共混，挤出制得纤维增强改性的聚乙烯，待用。其中，挤出温度和螺杆转速分别优选为220℃和100rpm。
S3：将经步骤S1、S2制得的尼龙改性的高密度聚乙烯、纤维增强改性的聚乙烯进入分流喂料设备，分别通过两台双螺杆挤出机，通过双层共挤模具，压缩挤出，制得热管坯。
其中，用于尼龙改性的高密度聚乙烯的挤出的温度为220℃，螺杆转速为80rpm，挤出机的剪切速率为92s-1；用于纤维增强改性的聚乙烯的挤出温度为210℃，螺杆转速为100rpm。
S4：将热管坯在真空状态下通过定径、分阶段冷却，制得PE给水管。
参照表1所述标准中记载的方法，对由上述优选的材料及参数制得的PE给水管的弯曲强度、拉伸强度、冲击强度、阻隔性能(透氧率和吸油率)进行检测，结果如表1所示。同时以传统PE管作为对照，传统PE管是由PE料直接挤出的单层管材。PE管的弯曲强度参照GB/T9341-2008进行测试，拉伸强度按照GB/T1040.1-2006标准进行测试，冲击强度按照GB/T1834-2008标准进行测试，透氧率按照ISO17455标准进行测试，吸油率采用塑料隔油性的测定方法测定，主要通过将样品浸没二甲苯中称重计算。
表1本实施例PE给水管的性能
Figure BDA0003438414810000061
由表1结果可知，按照本实施例进行双层共挤的方法，其中内层为内阻隔层，其材料为尼龙改性高密度聚乙烯，尼龙呈层状分散于高密度聚乙烯中，外层为外增强层，其材料为纤维增强改性的聚乙烯。相对于传统PE管，本发明PE给水管的透氧率、吸油率显著降低，表明本发明PE给水管具有优良的阻隔效果；同时，本发明PE给水管的弯曲强度、拉伸强度较传统PE管具有显著的提升，尽管，冲击强度略有下降，但其降低的程度在可接受范围内。
实施例2
本实施例拟分析尼龙改性的高密度聚乙烯中高密度聚乙烯、尼龙、相容剂三者的组分配比对PE给水管力学性能以及阻隔性能的影响。具体试验方法如下。
参照实施例1中PE给水管的制备原料及制备方法，调整PE给水管的内阻隔层材料尼龙改性的高密度聚乙烯中高密度聚乙烯、尼龙、相容剂三者的组分配比，其余制备方法同实施例1，制得PE给水管，各个管材试样中高密度聚乙烯、尼龙、相容剂三者的组分配比如表2所示。
参照实施例1中记载的方法对各个试样管材的弯曲强度、拉伸强度、冲击强度、阻隔性能(透氧率和吸油率)进行检测，结果如表3所示。
表2高密度聚乙烯(HDPE)、尼龙(PA)、相容剂(PE-g-MAH)的重量份
Figure BDA0003438414810000062
Figure BDA0003438414810000071
表3各PE给水管试样的性能
Figure BDA0003438414810000072
由表2、3记载的内容可知，试样1～6是在保证PA和PE-g-MAH重量份不变的基础上，调整HDPE的重量份。通过实验测试结果发现，试样1中，由于HDPE含量减少，尼龙含量相对偏高，不利于尼龙在HDPE基体中的分散，尼龙也易于结块成团，难以形成层状结构，外在表现为管材的阻隔效果不够理想，透氧率为0.925g/(d·m)3，吸油率为4.831％；随着HDPE重量份的增加，依试样4中各组分配比PE给水管的性能达到最佳，尼龙在HDPE中呈现层状分布，起到良好的阻隔效果，其中透氧率为0.087g/(d·m)3，吸油率为2.384％，均达到最低。继续增加HDPE的重量份，由于起到阻隔效果的尼龙含量相对降低，整体阻隔性能下降。
试样7～13是在保证HDPE和PE-g-MAH重量份不变的基础上，调整PA的重量份。整体规律如试样1～6，当起阻隔效果的PA含量较低的时候，如试样7、8，透氧率和吸油率均很低；过多的PA又会因为分散困难而难以形成稳定的层状结构导致阻隔效果较差。
试样14～20是探讨相容剂PE-g-MAH的变化对阻隔性能的影响。整体而言，由于PA与HDPE在热力学上不相容，两相间的粘结力较弱，未加入PE-g-MAH不利于剪切力的传递和积层相态的形成，如试样14，阻隔效果较差，透氧率为2.952g/(d·m)3，吸油率为6.925％。当然，相容剂PE-g-MAH过多，导致PA分散相的尺寸明显降低，片层状结构反而有所降低，如试样20。所以，适量相容剂的加入可以增强了HDPE与PA之间的相互作用，可以使PA能以片层状结构分散于HDPE基体树脂之中，提高了材料的阻隔性能。
另外，由于本发明PE给水管为内外两层结构，其中内层结构的材料(尼龙改性的高密度聚乙烯)决定了管材的阻隔性能，而管材的机械性能则主要取决于外层材料(纤维增强改性的聚乙烯)；由表2、3的数据可以看出，当外层材料未作调整时，PE给水管的整体机械性能变化较小，且能满足PE给水管在进水时的机械性能要求。
实施例3
本实施例拟分析尼龙与高密度聚乙烯的粘度对PE给水管的性能的影响，具体试验方法如下。
试验所用PE给水管试样的制备原料及制备方法参照实施例1，其中，高密度聚乙烯中高密度聚乙烯、尼龙、相容剂的重量份分别为80份、15份、5份。
试样1：本试样中，当螺杆剪切速率为1028s-1时，高密度聚乙烯粘度为115Pa·s，尼龙粘度为212Pa·s，高密度聚乙烯与尼龙的粘度之比为0.54。
试样2：本试样中，当螺杆剪切速率为528s-1时，高密度聚乙烯的粘度为235Pa·s，尼龙为的粘度为316Pa·s，高密度聚乙烯与尼龙的粘度之比为0.74。
试样3：本试样中，当螺杆剪切速率为92s-1时，高密度聚乙烯的粘度为421Pa·s，尼龙的粘度为432Pa·s，高密度聚乙烯与尼龙的粘度之比为0.97。
试样4：本试样中当螺杆剪切速率为54s-1时，高密度聚乙烯的粘度为789Pa·s，尼龙的粘度为635Pa·s，高密度聚乙烯与尼龙的粘度之比为1.24。
试样5：本试样中当螺杆剪切速率为23s-1时，高密度聚乙烯的粘度为1086Pa·s，尼龙的粘度为729Pa·s，高密度聚乙烯与尼龙的粘度之比为1.49。
表4各PE给水管试样的性能
Figure BDA0003438414810000091
其余均同实施例1，并参照实施例1所述方法制得PE给水管，参照实施例1中记载的方法对本实施例PE给水管试样进行检测，结果如表4所示。
由表4可知，内阻隔层在加工过程中，HDPE和PA的粘度变化对阻隔性能的影响很大。总得来说，试样2在高密度聚乙烯与尼龙的粘度之比为0.74，由于粘度相差大，流动距离长，界面变化明显，易于形成层状PA结构，外在表现为PE进水管具备良好的阻隔性能(透氧率为0.087g/(d·m)3，吸油率为2.384％)。继续变化粘度比到0.54，如试样1，阻隔效果增加有限，但大的剪切速率产生大量能耗，意义不大。另外，如果高密度聚乙烯大于或者等于尼龙的粘度时，如试样3、4、5，难以“软包硬”而使得尼龙形成层状结构，导致PE进水管阻隔效果提升有限。
实施例4
本实施例拟分析PE给水管的内阻隔层材料的加工温度对PE给水管性能的影响，具体试验方法如下。
参照实施例1中所述PE给水管的制备原料及制备方法，调整步骤S1、S3中内阻隔层材料的挤出温度，制得PE给水管，为便于分析上述参数对管材性能的影响，控制步骤S1内阻隔层材料的制备过程中挤出温度与步骤S3中挤出温度相一致。具体参数如表5所示。
其余均同实施例1，参照实施例1所述制备原料、配比及方法制得PE给水管试样，参照实施例1所述方法对所述PE给水管试样进行性能检测，结果如表5所示。
表5不同PE给水管试样的挤出温度及性能
Figure BDA0003438414810000092
Figure BDA0003438414810000101
由表5可知，试样1～5是改变内阻隔层材料的加工温度来探讨PE给水管材的阻隔性能的变化情况。PA的加工温度在210℃左右，对于试样1而言，较低的加工温度，不利于PA在双螺杆挤出机的塑化分散，导致管材的阻隔性能较差，试样1的透氧率为3.975g/(d·m)3，吸油率为7.684％。一般而言，在相同剪切速率情况下，升高温度会导致HDPE粘度的降低速度高于PA，因此温度越高，PA的粘度越容易高于HDPE粘度而形成层状结构。在加工温度为220℃时，管材整体的阻隔性能最佳，如试样3所示，其透氧率为0.087g/(d·m)3，吸油率为2.384％。继续提高加工温度，阻隔效果增加有限，但明显能耗增加。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，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实质和范围。

Claims (10)

1.一种PE给水管，其特征在于，所述PE给水管包括内阻隔层和外增强层，所述内阻隔层的材料为尼龙改性的高密度聚乙烯，所述尼龙呈层状分散于高密度聚乙烯中；所述外增强层的材料为纤维增强改性的聚乙烯。
2.根据权利要求1所述PE给水管，其特征在于，以重量份数计，所述尼龙改性的高密度聚乙烯的制备原料包括高密度聚乙烯70～85份、尼龙8～22份、相容剂1～6份。
3.根据权利要求2所述PE给水管，其特征在于，所述尼龙改性的高密度聚乙烯在挤出加工过程中，尼龙的粘度大于高密度聚乙烯的粘度。
4.根据权利要求2所述PE给水管，其特征在于，所述高密度聚乙烯的结晶度为80％～90％，软化点为125℃～135℃；所述尼龙包括PA6、PA66。
5.根据权利要求2所述PE给水管，其特征在于，以重量份数计，所述尼龙改性的高密度聚乙烯的制备原料还包括增塑剂0.1～1.3份、抗氧剂0.05～0.2份。
6.根据权利要求1所述PE给水管，其特征在于，以重量份数计，所述纤维增强改性的聚乙烯的制备原料包括聚乙烯60～85份、纤维15～40份、硅烷偶联剂0.5～2份。
7.根据权利要求6所述PE给水管，其特征在于，所述纤维为玻璃短切纤维，所述玻璃短切纤维的直径为1～7μm，玻璃短切纤维的长度为30～300μm。
8.根据权利要求6所述PE给水管，其特征在于，以重量份数计，所述纤维增强改性的聚乙烯的制备原料还包括抗氧剂0.05～0.2份、增韧剂0.5～5份、石蜡油0.5～5份。
9.一种PE给水管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将权利要求1所述尼龙改性的高密度聚乙烯、纤维增强改性的聚乙烯分别置于两台挤出机中，经双层共挤制得PE给水管。
10.根据权利要求9所述制备方法，其特征在于，所述尼龙改性的高密度聚乙烯的挤出温度为215℃～225℃，剪切速率为80～100s-1；所述纤维增强改性的聚乙烯的挤出温度为190℃～250℃。
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