CN114591579A - 一种多层结构的耐候性排水管道及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层结构的耐候性排水管道及其制备方法，包括内层、中间层和外层，所述中间层管材包括如下重量份的原料组分：PVC树脂100份、碳酸钙粉体5‑30份、钙锌热稳定剂3‑6份、固体增塑剂1‑3份、加工助剂0.5‑4份、润滑剂0.7‑1.5份、增韧改性剂4‑13份、紫外线屏蔽剂3‑6份和光稳定剂1‑3份；所述外层管材除中间层管材的原料组分外，还包括如下重量份的原料组分：阻隔剂3‑6份。本发明在保证高韧性和高强度的基础上具有优异紫外线屏蔽作用，进一步增加具有阻隔剂复配的材料使外层能够有效阻隔空气中氧与中间层材料接触的情况，在减少光催化氧化反应的同时进一步减少氧化老化的情况，提高了排水管道耐候性和耐老化性能，且环保无铅，能够有效保证长期稳定使用。
Description
技术领域
本发明属于管道技术领域，具体涉及一种多层结构的耐候性排水管道及其制备方法。
背景技术
PVC(全名Polyvinyl chloride)为聚氯乙烯，因其良好的力学性能而被广泛应用于管材行业，尤其是硬质PVC管材，被广泛应用于耐压的排水管道。但是材料本身的热稳定性与光稳定性并不强，因此PVC排水管材的长期使用性能，如耐高低温、高韧性、高强度和抗变形、耐蠕变等长时间适应能力较弱，尤其在室外长期使用的情况下存在耐候性的问题。雨排水管也是排水管道系统的组成部分，作为雨水管道排出系统，特别是作高层雨水管使用的一些特性，对其要求不同于一般排水管。一般的雨水管道系统，经一段时间的使用后，出现了一些未曾考虑到的问题，如雨水排水管道往往是安装在室外，会受到长期光照和高低温交替变化的环境影响。
因此目前PVC的排水管道都会采用紫外线屏蔽剂作为光稳定剂。目前以紫外屏蔽机理不同屏蔽剂一般分为化学吸收剂和物理屏蔽剂。常用的化学紫外吸收剂一般为有机物有甲氧基肉桂酸异辛酯、苯甲苯并咪唑磺酸、二苯甲酮等。而无机紫外屏蔽剂具备有机紫外吸收剂所无法比拟的优质特性，其有着无毒、无刺激性、热稳定性好等优点，而且紫外屏蔽能力强、屏蔽范围宽。目前人们广泛研究并应用于紫外屏蔽的材料有：氧化钛、氧化锌、氧化铈、炭黑等碳材料等。它们的性能根据材料的结构的不同还有对于不同波长的紫外线屏蔽效果一定的差别。同时常用作紫外线屏蔽剂如氧化钛、氧化锌、氧化铈等，虽然都具有非常好的紫外线吸收和反射性能，但是它们在吸收紫外的时候往往还会具有一定光催化作用，同时在空气中氧的作用下还会有一定催化氧化的作用，因此单独使用紫外线屏蔽剂对于管道产品在室外的耐候和抗老化性能有很大的限制，如果在紫外屏蔽的基材上对材料对与氧阻隔作用下，减少光催化氧化老化的情况，能够使聚合材料在室外的耐候性和抗老化的长期性能稳定性会有很大的提高。在聚合物中能提高阻隔性能的材料有纳米氧化硅、纳米氧化锌、纳米石墨、石墨烯等，同时还有许多具有阻隔性能的聚合如EVOH、PVDC、POM等等。将具有阻隔性能的材料复配到用于室外的排水管道中能进一步提高其耐候性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种多层结构的耐候性排水管道及其制备方法。
为达到上述目的，提出以下技术方案:
一种多层结构的耐候性排水管道，包括内层、中间层和外层，所述中间层管材包括如下重量份的原料组分：PVC树脂100份、碳酸钙粉体5-30份、钙锌热稳定剂3-6份、固体增塑剂1-3份、加工助剂0.5-4份、润滑剂0.7-1.5份、增韧改性剂4-13份、紫外线屏蔽剂3-6份和光稳定剂1-3份；所述外层管材除中间层管材的原料组分外，还包括如下重量份的原料组分：阻隔剂3-6份，三层共挤是为了减少一些高成本的紫外线屏蔽与阻隔材料的使用量，在外层实现阻隔与屏蔽的性能，就能保证排水管的耐老化性。
进一步地，内层管材包括如下重量份的原料组分：PVC树脂100份、碳酸钙粉体5-30份、钙锌热稳定剂3-6份、固体增塑剂1-3份、加工助剂0.5-4份、润滑剂0.7-1.5份和增韧改性剂4-13份。
进一步地，碳酸钙粉体的目数为600-1200目，润滑剂为硬脂酸丁酯、氧化石蜡、硬脂酸甘油酯和PE蜡的复配物，固体增塑剂为邻苯二甲酸二环己酯、蔗糖苯甲酸酯、新戊二醇二苯甲酸醋中的一种或多种。
进一步地，光稳定剂为水杨酸脂类、二苯甲酮类、苯并三唑类、三嗪类和炭黑中的一种或几种的复配物，紫外线屏蔽剂为氧化锌、氧化铈、二氧化钛、炭黑、石墨烯、纳米石墨的复配物，阻隔剂为PVDC、纳米氧化硅、纳米氧化锌、纳米石墨、石墨烯的组合复配剂。
进一步地，加工助剂为丙烯酸酯类加工助剂，为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯及苯乙烯共聚而得的共聚物，增韧改性剂为丙烯酸酯、苯乙烯接枝在丁苯橡胶上的共聚物。
进一步地，内层、中间层和外层的厚度比值为6-9:0.7-3:0.3-1。
一种多层结构的耐候性排水管道的制备方法，包括如下步骤：
1)将内层管材原料、中间层管材原料以及外层管材原料分别加入各自的高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，搅拌完成后将预先混合物取出置于冷混锅进行低速冷拌至一定温度，分别作为内层管材配方、中间层管材配方和外层管材配方；
2)经过步骤1)处理后的内层管材配方、中间层管材配方和外层管材配方分别通过双螺杆挤出机挤出，并通过多层共挤模头挤出得到多层管材，冷却定型，牵引切割后得到成品。
进一步地，步骤1)中的高速搅拌的时间为8-20min，当搅拌温度升至115℃～120℃后，搅拌完成，经过冷混锅进行低速冷拌至40-48℃。
进一步地，步骤2)中双螺杆挤出机的设置条件为机筒温度保持在160至180℃，挤出的模具区设置温度保持在170至185℃，口模区的温度设置为200至210℃。
进一步地，双螺杆挤出机的机筒包括机筒一区、机筒二区、机筒三区和机筒四区，机筒一区、机筒二区、机筒三区和机筒四区依次连接，多层共挤模头分为模头一区、模头二区和模头三区，模头一区、模头二区和模头三区依次连接，机筒一区的温度为175-180℃，机筒二区的温度为170-175℃，机筒三区的温度为165-170℃，机筒四区的温度为160-168℃，双螺旋挤出机的合流芯温度为160-165℃，模头一区的温度为170-175℃，模头二区的温度为175-180℃，模头三区的温度为180-185℃，PVC产品的加热塑化需要分区加热，以保证塑化效果。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种具有较高耐候性的硬质排水管材，该排水管材通过增加阻隔层，紫外线屏蔽剂材料复配与各种加工助剂、PVC树脂的复配制成，在保证高韧性和高强度的基础上具有更高的耐候性和耐老化性能，且环保无铅，能够有效保证PVC排水管道长期稳定使用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步地说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
一种多层结构高耐候型排水管材，由三层共挤方式制备，内层配方由包含以下重量份的成分的材料制成：PVC树脂100份，碳酸钙粉体20份，钙锌热稳定剂4份，固体增塑剂1份，加工助剂0.5份，润滑剂1份，增韧改性剂6份。
其中PVC树脂的聚合度为1000～1100，PVC树脂采用SG-5型PVC树脂,碳酸钙粉体的目数为500～1000目，加工助剂是由甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯及苯乙烯共聚而得的共聚物ACR,增韧改性剂为丙烯酸酯、苯乙烯接枝在丁苯橡胶上的共聚物MBS,MBS加入是作为ACR抗冲击改性剂的补充,钙锌热稳定剂中钙所占的质量百分比为5～6％,润滑剂为硬脂酸丁酯、氧化石蜡、硬脂酸甘油酯和PE的复配物,固体增塑剂为蔗糖苯甲酸酯1份；
中间层配方在内层配方的基础上增加光稳定剂1份，紫外线屏蔽剂6份，紫外线屏蔽剂为氧化锌、氧化铈、二氧化钛、炭黑、石墨烯和纳米石墨的复配物，多材料复配使用可更有效屏蔽更宽波长的紫外线，防止PVC制品在紫外光下降解反应，保证制品在阳光下长期使用不发脆或者降解变色，光稳定剂为苯并三唑类光稳定剂；
最外层层配方在内层配方的基础上增加光稳定剂1份，紫外线屏蔽剂5份，阻隔剂2份，紫外线屏蔽剂与中间层的配方相同，光稳定剂为苯并三唑类光稳定剂，保持PVC在光照下的稳定性，阻隔材料为二氧化硅、PVDC、石墨烯等多种材料，复配使用可有效提高PVC制品在对氧气的阻隔性能，其中石墨烯还具体一定紫外线屏蔽的效果，进一步降低紫外线屏蔽剂的光催化作用下氧化PVC老化的现象。
上述一种三层结构耐候型排水管材的制备方法，包括以下步骤：
1)最内层原料将上述配比的PVC树脂、碳酸钙粉体、钙锌热稳定剂、固体增塑剂、丙烯酸酯类加工助剂、润滑剂和增韧改性剂按先后顺序加入高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，高速搅拌采用高速热拌，高速热拌的时间为8分钟，当搅拌温度升至115℃～120℃后，将预先混合物从高速混合机中取出并将取出后的预先混合物置于冷混锅进行低速冷拌至40℃；为内层配方原料，该过程中按照先后顺序加入各原料，能够使得混合更充分。
2)中间层原料将上述配比的PVC树脂、碳酸钙粉体、紫外线屏蔽剂、钙锌热稳定剂、固体增塑剂、光稳定剂、丙烯酸酯类加工助剂、润滑剂和增韧改性剂按先后顺序加入高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，高速搅拌采用高速热拌，高速热拌的时间为12分钟，当搅拌温度升至115℃～120℃后，将预先混合物从高速混合机中取出并将取出后的预先混合物置于冷混锅进行低速冷拌至44℃；为外层配方原料，该过程中按照先后顺序加入各原料，能够使得混合更充分；
3)最外层将上述配比的PVC树脂、碳酸钙粉体、紫外线屏蔽剂、阻隔剂、钙锌热稳定剂、固体增塑剂、光稳定剂、丙烯酸酯类加工助剂、润滑剂和增韧改性剂按先后顺序加入高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，高速搅拌采用高速热拌，高速热拌的时间为15分钟，当搅拌温度升至115℃～120℃后，将预先混合物从高速混合机中取出并将取出后的预先混合物置于冷混锅进行低速冷拌至48℃；为外层配方原料，该过程中按照先后顺序加入各原料，能够使得混合更充分；
4)将最终混料通过三台双螺杆挤出机挤出通过三层共挤模头挤出得到管材。
机筒一区温度为180℃、机筒二区温度为175℃、机筒三区温度为170℃、机筒四区温度为165℃，双螺杆挤出机的合流芯温度为160℃；模头一区温度为170℃；模头二区温度为180℃；模头三区温度为185℃。
其中本发明采用双螺杆挤出机，其塑化能力、物料塑化均匀度都远远大于单螺杆挤出机双螺杆挤出机挤出制品的质量也比单螺杆挤出机要高，双螺杆挤出机挤出制品的在材料的拉伸强度、抗冲击强度以及焊角强度上都较好，挤出管材的尺寸外径为110mm，管材厚度为3.3mm，最外层厚度0.2mm，中间层厚度0.6mm，内层厚度2.5mm，管材性能如表1所示。
实施例2
本实施例通过三层共挤的工艺用于管材的生产各层的成分配比不同，具体为：
一种具有高耐候性的排水管材，最内层由包含以下重量份的成分的材料制成：PVC树脂100份，碳酸钙粉体25份，钙锌热稳定剂5份，固体增塑剂1份，加工助剂2.5份，润滑剂1.2份，增韧改性剂9份；固体增塑剂为新戊二醇二苯甲酸醋1.2份，其它配方的选择与实施例1相同；
中间层配方在内层配方的基础上增加光稳定剂1份，紫外线屏蔽剂6份，光稳定剂为二苯甲酮类光稳定剂，保持PVC在光照下的稳定性。紫外线屏蔽剂为氧化锌、氧化铈、二氧化钛、炭黑、石墨烯和纳米石墨的复配物。
最外层配方在内层间层配方的基础上增加光稳定剂3份，紫外线屏蔽剂4份，阻隔剂6份，光稳定剂为二苯甲酮。光稳定剂为二苯甲酮类光稳定剂，保持PVC在光照下的稳定性。紫外线屏蔽剂为氧化锌、氧化铈、二氧化钛、炭黑、石墨烯和纳米石墨的复配物。
1)将上述配比的PVC树脂、碳酸钙粉体、钙锌复配热稳定剂、固体增塑剂、丙烯酸酯类加工助剂、润滑剂和增韧改性剂按先后顺序加入高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，高速搅拌采用高速热拌，高速热拌的时间为12分钟，当搅拌温度升至115℃～120℃后，将预先混合物从高速混合机中取出并将取出后的预先混合物置于冷混锅进行低速冷拌至42℃；为最内层配方原料，该过程中按照先后顺序加入各原料，能够使得混合更充分。
2)将上述配比的PVC树脂、碳酸钙粉体、紫外线屏蔽剂、钙锌热稳定剂、固体增塑剂、光稳定剂、丙烯酸酯类加工助剂、润滑剂和增韧改性剂按先后顺序加入高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，高速搅拌采用高速热拌，高速热拌的时间为15分钟，当搅拌温度升至115℃～120℃后，将预先混合物从高速混合机中取出并将取出后的预先混合物置于冷混锅进行低速冷拌至44℃；为中间层配方原料，该过程中按照先后顺序加入各原料，能够使得混合更充分；
3)将上述配比的PVC树脂、碳酸钙粉体、紫外线屏蔽剂、阻隔剂、钙锌热稳定剂、固体增塑剂、光稳定剂、丙烯酸酯类加工助剂、润滑剂和增韧改性剂按先后顺序加入高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，高速搅拌采用高速热拌，高速热拌的时间为18分钟，当搅拌温度升至115℃～120℃后，将预先混合物从高速混合机中取出并将取出后的预先混合物置于冷混锅进行低速冷拌至48℃；为最外层配方原料，该过程中按照先后顺序加入各原料，能够使得混合更充分；
4)将上述各层混料通过三台双螺杆挤出机挤出通过三层共挤模头挤出得到管材；
机筒一区温度为180℃、机筒二区温度为175℃、机筒三区温度为170℃、机筒四区温度为168℃，双螺杆挤出机的合流芯温度为160℃；模头一区温度为175℃；模头二区温度为180℃；模头三区温度为185℃。
挤出管材的尺寸外径为110mm，管材厚度为3.3mm，最外层厚度0.3mm，中间层厚度0.5mm，内层厚度2.5mm，制备得到的管材的性能如表1所示。
实施例3
本实施例通过三层共挤的工艺用于管材的生产各层的成分配比不同，具体为：
一种具有高耐候性的排水管材，最内层由包含以下重量份的成分的材料制成：PVC树脂100份，碳酸钙粉体30份，钙锌稳定剂5份，固体增塑剂1份，丙烯酸酯类加工助剂2.5份，润滑剂1.6份，增韧改性剂7份，固体增塑剂为邻苯二甲酸二环己酯0.9份，其它配方的选择与实施例1相同；
中间层配方在内层配方的基础上增加光稳定剂2份，紫外线屏蔽剂5份同时将碳酸钙粉体的用量降至20份，光稳定剂为三嗪类光稳定剂，紫外线屏蔽剂为氧化锌、氧化铈、二氧化钛、炭黑、石墨烯和纳米石墨的复配物，
最外层配方在内层配方的基础上增加光稳定剂3份，紫外线屏蔽剂3份，阻隔剂5份，同时将碳酸钙粉体降至20份，光稳定剂为三嗪类光稳定剂，紫外线屏蔽剂为氧化锌、氧化铈、二氧化钛、炭黑、石墨烯和纳米石墨的复配物，阻隔剂的选择为：石墨烯、二氧化硅、PVDC的复配阻隔剂。
1)内层原料将上述配比的PVC树脂、碳酸钙粉体、钙锌复配热稳定剂、固体增塑剂、丙烯酸酯类加工助剂、润滑剂和增韧改性剂按先后顺序加入高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，高速搅拌采用高速热拌，高速热拌的时间为12分钟，当搅拌温度升至115℃～120℃后，将预先混合物从高速混合机中取出并将取出后的预先混合物置于冷混锅进行低速冷拌至42℃；为最内层配方原料，该过程中按照先后顺序加入各原料，能够使得混合更充分。
2)中间层原料将上述配比的PVC树脂、碳酸钙粉体、紫外线屏蔽剂、钙锌复配热稳定剂、固体增塑剂、光稳定剂、丙烯酸酯类加工助剂、润滑剂和增韧改性剂按先后顺序加入高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，高速搅拌采用高速热拌，高速热拌的时间为9分钟，当搅拌温度升至115℃～120℃后，将预先混合物从高速混合机中取出并将取出后的预先混合物置于冷混锅进行低速冷拌至41℃；为中间层配方原料，该过程中按照先后顺序加入各原料，能够使得混合更充分；
3)最外层原料将上述配比的PVC树脂、碳酸钙粉体、紫外线屏蔽剂、阻隔剂、钙锌复配热稳定剂、固体增塑剂、光稳定剂、丙烯酸酯类加工助剂、润滑剂和增韧改性剂按先后顺序加入高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，高速搅拌采用高速热拌，高速热拌的时间为16分钟，当搅拌温度升至115℃～120℃后，将预先混合物从高速混合机中取出并将取出后的预先混合物置于冷混锅进行低速冷拌至46℃；为最外层配方原料，该过程中按照先后顺序加入各原料，能够使得混合更充分；
4)将上述各层混料通过三台双螺杆挤出机挤出通过三层共挤模头挤出得到管材。
机筒一区温度为180℃、机筒二区温度为174℃、机筒三区温度为168℃、机筒四区温度为163℃，双螺杆挤出机的合流芯温度为161℃；模头一区温度为175℃；模头二区温度为181℃；模头三区温度为185℃；
挤出管材的尺寸外径为110mm，管材厚度为3.3mm，最外层厚度0.1mm，中间层厚度0.5mm，内层厚度2.7mm，制备得到的管材的性能如表1所示。
表1制备得到的管材的性能表
备注：QB/T2480-2000雨水管材标准中要求“拉伸强度保持率≥80％”，对断裂伸长率的变化无要求；氙灯老化按GB/T 16422.2-2014进行试验，试验时间为1000h，喷水周期为18min/102min(喷淋/干燥)；拉伸强度按GB/T 8804.2-2003进行试验；光老化会使PVC材料变硬，因此拉伸强度会有一定程度提高，同时材料韧性下降会使其变脆，因此断裂伸长率会有一定程度下降。
Claims (10)
1.一种多层结构的耐候性排水管道，其特征在于，包括内层、中间层和外层，所述中间层管材包括如下重量份的原料组分：PVC树脂100份、碳酸钙粉体5-30份、钙锌热稳定剂3-6份、固体增塑剂1-3份、加工助剂0.5-4份、润滑剂0.7-1.5份、增韧改性剂4-13份、紫外线屏蔽剂3-6份和光稳定剂1-3份；所述外层管材除中间层管材的原料组分外，还包括如下重量份的原料组分：阻隔剂3-6份。
2.如权利要求1所述的一种多层结构的耐候性排水管道，其特征在于，内层管材包括如下重量份的原料组分：PVC树脂100份、碳酸钙粉体5-30份、钙锌热稳定剂3-6份、固体增塑剂1-3份、加工助剂0.5-4份、润滑剂0.7-1.5份和增韧改性剂4-13份。
3.如权利要求1或2所述的一种多层结构的耐候性排水管道，其特征在于，碳酸钙粉体的目数为600-1200目，润滑剂为硬脂酸丁酯、氧化石蜡、硬脂酸甘油酯和PE蜡的复配物，固体增塑剂为邻苯二甲酸二环己酯、蔗糖苯甲酸酯、新戊二醇二苯甲酸醋中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种多层结构的耐候性排水管道，其特征在于，光稳定剂为水杨酸脂类、二苯甲酮类、苯并三唑类、三嗪类和炭黑中的一种或几种的复配物，紫外线屏蔽剂为氧化锌、氧化铈、二氧化钛、炭黑、石墨烯、纳米石墨的复配物，阻隔剂为PVDC、纳米氧化硅、纳米氧化锌、纳米石墨、石墨烯的组合复配剂。
5.如权利要求1或2所述的一种多层结构的耐候性排水管道，其特征在于，加工助剂为丙烯酸酯类加工助剂，为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯及苯乙烯共聚而得的共聚物，增韧改性剂为丙烯酸酯、苯乙烯接枝在丁苯橡胶上的共聚物。
6.如权利要求2所述的一种多层结构的耐候性排水管道，其特征在于，内层、中间层和外层的厚度比值为6-9:0.7-3:0.3-1。
7.一种如权利要求4所述的多层结构的耐候性排水管道的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将内层管材原料、中间层管材原料以及外层管材原料分别加入各自的高速混合机中进行高速搅拌得到预先混合物，搅拌完成后将预先混合物取出置于冷混锅进行低速冷拌至一定温度，分别作为内层管材配方、中间层管材配方和外层管材配方；
2)经过步骤1)处理后的内层管材配方、中间层管材配方和外层管材配方分别通过双螺杆挤出机挤出，并通过多层共挤模头挤出得到多层管材，冷却定型，牵引切割后得到成品。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中的高速搅拌的时间为8-20min，当搅拌温度升至115℃～120℃后，搅拌完成，经过冷混锅进行低速冷拌至40-48℃。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中双螺杆挤出机的设置条件为机筒温度保持在160至180℃，挤出的模具区设置温度保持在170至185℃，口模区的温度设置为200至210℃。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，双螺杆挤出机的机筒包括机筒一区、机筒二区、机筒三区和机筒四区，机筒一区、机筒二区、机筒三区和机筒四区依次连接，多层共挤模头分为模头一区、模头二区和模头三区，模头一区、模头二区和模头三区依次连接，机筒一区的温度为175-180℃，机筒二区的温度为170-175℃，机筒三区的温度为165-170℃，机筒四区的温度为160-168℃，双螺旋挤出机的合流芯温度为160-165℃，模头一区的温度为170-175℃，模头二区的温度为175-180℃，模头三区的温度为180-185℃。
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