CN114654816B - 一种高光亮高强度高抗冲hdpe-m三维立体增强直壁管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子复合材料领域，具体为一种高光亮高强度高抗冲HDPE‑M三维立体增强直壁管。由光亮的内层和高强的外层经热熔复合构成，其中外层和内层均采用三维立体增强改性聚乙烯复合材料制成；三维立体增强改性聚乙烯复合材料按重量份包括如下材料：聚乙烯复合材料50‑70份，复配相容增韧剂5‑20份，三维立体增强材料25‑40份；复配相容增韧剂按重量份包括如下材料：POE：25‑35份，EVA：25‑35份，油膜料35‑45份，苯乙烯ST：2‑8份，马来酸酐MAH：2‑8份，过氧化二异丙苯：1‑3份。本发明高光亮高强度高抗冲HDPE‑M三维立体增强直壁管环刚度、环柔度、抗冲击性能、光亮度等都明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及高分子复合材料领域，特别是涉及一种高光亮高强度高抗冲 HDPE-M三维立体增强直壁管。
背景技术
大部分塑料排污管道产品表现环刚度不高，管材脆性大，抗冲击强力差，管材内外壁粗糙，低温脆性明显，产品扩口头破损严重，管材埋地后经常出现破管，水流堵塞；并且管材施工难度高，管道之间的连接漏水，管材连接扩口处强度不足，容易破损；在生产车间产品不良率90％以上是因为管材扩口问题造成的。在众多的塑料埋地排水管道中，由于双壁波纹结构管独特的结构设计，比其它塑料管道更节省原料。
当前，我国用于双壁波纹结构管生产的原料主要有聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯 (PE)和聚丙烯(PP)。聚氯乙烯双壁波纹管的优点在于聚氯乙烯材料的刚性高，其材料的弹性模量大于聚乙烯材料。因此达到同等的环刚度可以用较小的惯性矩，如果采用同样的波形设计可以用较小的壁厚。所以在一定范围内聚氯乙烯双壁波纹管在经济性上占优势，但由于聚氯乙烯材料的流动性和热稳定性比较差，生产大口径双壁波纹管有困难，以及聚乙烯材料的良好柔韧性，可以在低温环境下施工，聚乙烯管材具有可以熔接，比重轻等优点。
国内的一些普通管材料在生产大口径双壁波纹管时会出现熔体强度不够、产品环刚度达不到要求等问题。环刚度和环柔度是管材最重要的性能指标，因为在埋地排水管的应用中，管材不承受内压或压力很低，而只承受外压负载。如果管材的环刚度太小，管材将发生大的变形破坏，这样就不能保证管材的安全使用；若环柔度过低，管材在使用过程中易破坏漏水等。添加入无机填料，如：短切玻璃纤维、碳酸钙、滑石粉、高岭土、硅灰石等，以降低材料成本、提高材料性能的刚性，然而，在塑料材料中加入无机填充材料后一般都会使材料性能变脆，缺口冲击韧性下降，材料的使用性能因此受到明显影响。增加塑料的韧性时，早期通常采用橡胶类弹性体进行，例如：ABS(聚丙烯腈_丁二烯_ 苯乙烯)，HIPS(耐冲击性聚苯乙烯)和EPDM[聚丙烯/三元乙丙橡胶(含双环戊二烯)]等增韧体系，橡胶增韧聚合物可使冲击韧性成倍增长，但由于其模量和玻璃化温度低，给增韧塑料带来固有的缺陷，如材料的刚度、强度、热变形温度大幅度降低，成本提高等。聚乙烯复合材料所表现的强度增加或韧性提高总是以牺牲其它性能为代价的，所以如何保持三维立体改性聚乙烯复合材料强度和韧性的平衡是制备埋地排污聚乙烯高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管材的关键问题。
发明内容
本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种环刚度、环柔度、抗冲击性能、光亮度等都明显提高的高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管。
本发明的技术方案，一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，由光亮的内层和高强的外层经热熔复合构成，外层呈波浪结构，外层波浪的波峰顶部设置有波浪槽，其中外层和内层均采用三维立体增强改性聚乙烯复合材料制成；
三维立体增强改性聚乙烯复合材料按重量份包括如下材料：聚乙烯复合材料50-70份，复配相容增韧剂5-20份，三维立体增强材料25-40份；
聚乙烯复合材料为50％PE100级大中空、30％PE100小中空和20％茂金属MPE 的混合体；
复配相容增韧剂按重量份包括如下材料：POE：25-35份，EVA：25-35份，油膜料35-45份，苯乙烯ST：2-8份，马来酸酐MAH：2-8份，过氧化二异丙苯： 1-3份；
三维立体增强材料按重量份包括如下材料：1250目重质碳酸钙25-35份，纳米级片状滑石粉25-35份，纳米级球形重质碳酸钙45-55份，复配偶联剂3-6 份，粉体激发剂硫酸钠1-2份，粉体表面改性剂羧酸型稀土1-2份，硅油扩散油1-3份。
优选的，将聚乙烯复合材料、复配相容增韧剂和三维立体增强材料通过高速混合机混合后，通过双阶挤出造粒机组挤出熔融造粒，得到三维立体增强改性聚乙烯复合材料，料筒温度分别为：165℃，180℃，190℃，190℃，190℃，口模温度为：190℃。
优选的，制备复配相容增韧剂时，按照配比称料混合后采用双螺杆挤出机，以反应挤出工艺制备复配相容增韧剂，工艺条件如下：双螺杆挤出机各段温度为：160℃，170℃，180℃，180℃，180℃。
优选的，将内层材料和外层材料分别加入两台挤出机中挤出，物料通过挤出机螺杆加热熔融塑化输送至机头口模，管材内层通过内径定径套抽真空再冷却定型，管材外层在内部空气压力和外部真空吸力的共同作用下和模块紧密接触成型，管材内、外层均匀地熔合在一起，内层挤出各段温度：170℃，180℃， 190℃，195℃，195℃，外层挤出各段温度：180℃，190℃，200℃，205℃，205℃。
优选的，将片状滑石粉、球形碳酸钙按比例在电子天平上精配好，加入高速混合机中，在110℃下进行干燥脱水并喷入扩散油后；再依次加入粉体活化激发剂硫酸钠1份反应3-6分钟，加入复配偶联剂3份反应3-6分钟，加入大分子结构的羧酸型稀土粉体表面改性剂1份反应2-4分钟，由此对三维立体增强材料进行多层包覆表面活化改性处理。
优选的，三维立体增强材料中1250目重质碳酸钙、纳米级片状滑石粉和纳米级球形重质碳酸钙三组分的最佳配比为30：20：50；
三维立体增强材料中具有低目数和高目数三种无机粉体材料以三维立体网格结构形态分布其中。
优选的，利用高速混合机组进行混合、改性、预塑化，再通过双阶挤出机组进行熔融、塑化、混炼、挤出、造粒，最后冷却切粒，得到具有三维立体增强结构的三种无机粉体材料以三维立体网格结构形态分布其中的纳米改性聚乙烯复合材料。
优选的，利用密炼机进行混合、改性、熔融、塑化、混炼，再通过挤出机组进行挤出、造粒，最后冷却切粒，得到具有三维立体增强结构的三种无机粉体材料以三维立体网格结构形态分布其中的纳米改性聚乙烯复合材料。
优选的，复配偶联剂3-6份包括硅烷偶联剂1-2份，硬脂酸1-2份，钛酸脂偶联剂1-2份。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
本发明采用经改性的复配相容增韧剂和无机纳米三维立体增强材料与聚乙烯形成复合材料，采用该复合材料制备高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，所制备的高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管的环刚度、环柔度、抗冲击性能、光亮度等都明显提高，能满足埋地排污管的性能要求。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的局部结构剖视图；
图3为图2中A处的结构放大图；
图4为图2中B处的结构放大图。
附图标记：1、波纹管；101、波浪槽；2、密封圈；3、密封环；4、套筒； 41、扣手限位部；411、凹槽；401、卡槽；402、开口。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明提出的一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，由光亮的内层和高强的外层经热熔复合构成，外层呈波浪结构，外层波浪的波峰顶部设置有波浪槽101，波峰结构高、波峰有效面积大、波峰顶部具有波浪槽101结构，此结构主要起到增强强度的作用，其中外层和内层均采用三维立体增强改性聚乙烯复合材料制成，将内层材料和外层材料分别加入两台挤出机中挤出，物料通过挤出机螺杆加热熔融塑化输送至机头口模，管材内层通过内径定径套抽真空再冷却定型，管材外层在内部空气压力和外部真空吸力的共同作用下和模块紧密接触成型，管材内、外层均匀地熔合在一起，内层挤出各段温度：170℃，180℃，190℃，195℃，195℃，外层挤出各段温度：180℃， 190℃，200℃，205℃，205℃。
本直壁管与HDPE双壁波纹管扩口方式不一样，本直壁管采用双重密封限位套筒连接结构进行连接，此连接方式保证管材不漏水。双重密封限位套筒连接结构包括波纹管1、密封圈2、密封环3和套筒4。波纹管1、密封圈2、密封环 3和套筒4均为回转形结构且同轴设置，波纹管1沿轴向具有多个波峰部，波峰部顶部形成波浪槽101，波浪槽101为环形槽，波浪槽101沿波峰部轴向并排设置有多个，最好为两个，相邻波峰部之间形成波谷部，密封圈2和密封环3并排卡套设置在两个波谷部处，密封圈2为橡胶圈，密封圈2和密封环3均抵紧在套筒4内周面上，套筒4内周面具有供密封圈2卡入的卡槽401。双重密封限位套筒连接结构能提高直壁管和套筒连接密封性并防止出现泄露。在波纹管1 上的两个波谷部处分别套上密封圈2和密封环3，密封圈2和密封环3均起到密封作用。在连接波纹管1和套筒4时，将波纹管1端部插入套筒4内部，密封圈2卡入并抵紧在卡槽401处，在起到密封效果的同时还能起到安装定位作用，密封环3抵紧在套筒4内周面上，密封圈2和密封环3共同作用，有效的提高了波纹管1和套筒4连接时的密封性能。
密封圈2至波纹管1轴向中部的距离小于密封环3至波纹管1轴向中部的距离，则密封环3先于密封圈2进入套筒4内，密封环3先经过卡槽401，再由密封圈2卡入卡槽401。密封环3包括连接板部和多个呈阶梯性分布的连接环部，连接板部位于波谷部处，多个连接环部一体连接在连接板部外周面上，多个连接环部的直径沿远离密封圈2方向逐渐增大，则在密封环3移动过程中，较大直径的连接环部会向较小直径的连接环部方向发生变形，实现与不同尺寸的套筒4之间的密封，适用范围更大。密封环3也可采用圆环形橡胶圈，同样能起到有效的密封效果。套筒4上设置有U形的开口402并形成扣手限位部41，扣手限位部41具有能卡嵌在波谷部处的内凸部，内凸部会卡在波纹管1的波谷部处，以对波纹管1进行进一步的限位，提高波纹管1和套筒4连接的稳定性和牢靠性。扣手限位部41外侧表面并排设置有多条凹槽411，在连接波纹管1和套筒4时，便于扣手限位部41发生形变，并在波纹管1和套筒4连接完毕后使得内凸部抵紧在波谷部处。还可在套筒4内周面上设置有定位凸台，波纹管1 端部抵接在定位凸台处，定位凸台用于对从套筒4两端插入的两个波纹管1进行定位，保证波纹管1能规整的进行组装。
三维立体增强改性聚乙烯复合材料按重量份包括如下材料：聚乙烯复合材料50-70份，复配相容增韧剂5-20份，三维立体增强材料25-40份；将聚乙烯复合材料、复配相容增韧剂和三维立体增强材料通过高速混合机混合后，通过双阶挤出造粒机组挤出熔融造粒，得到三维立体增强改性聚乙烯复合材料，料筒温度分别为：165℃，180℃，190℃，190℃，190℃，口模温度为：190℃。
聚乙烯复合材料为50％PE100级大中空、30％PE100小中空和20％茂金属MPE 的混合体。
复配相容增韧剂按重量份包括如下材料：POE：25-35份，EVA：25-35份，油膜料35-45份，苯乙烯ST：2-8份，马来酸酐MAH：2-8份，过氧化二异丙苯： 1-3份；按照配比称料混合后采用双螺杆挤出机，以反应挤出工艺制备复配相容增韧剂，工艺条件如下：双螺杆挤出机各段温度为：160℃，170℃，180℃，180℃， 180℃。
三维立体增强材料按重量份包括如下材料：1250目重质碳酸钙25-35份，纳米级片状滑石粉25-35份，纳米级球形重质碳酸钙45-55份，复配偶联剂3-6 份(硅烷偶联剂1-2份，硬脂酸1-2份，钛酸脂偶联剂1-2份)，粉体激发剂硫酸钠1-2份，粉体表面改性剂羧酸型稀土1-2份，硅油扩散油1-3份。将片状滑石粉、球形碳酸钙按比例在电子天平上精配好，加入高速混合机中，在110℃下进行干燥脱水并喷入扩散油后；再依次加入粉体活化激发剂硫酸钠1份反应3-6分钟，加入复配偶联剂3份反应3-6分钟，加入大分子结构的羧酸型稀土粉体表面改性剂1份反应2-4分钟，由此对三维立体增强材料进行多层包覆表面活化改性处理。三维立体增强材料中1250目重质碳酸钙、纳米级片状滑石粉和纳米级球形重质碳酸钙三组分的最佳配比为30：20：50；三维立体增强材料中具有低目数和高目数三种无机粉体材料以三维立体网格结构形态分布其中，材料的密实度，强度和柔韧性更强。
纳米改性聚乙烯复合材料可使用如下两种方式制造：
第一种方式：利用高速混合机组进行混合、改性、预塑化，再通过双阶挤出机组进行熔融、塑化、混炼、挤出、造粒，最后冷却切粒，得到具有三维立体增强结构的三种无机粉体材料以三维立体网格结构形态分布其中的纳米改性聚乙烯复合材料。
第二种方式：利用密炼机进行混合、改性、熔融、塑化、混炼，再通过挤出机组进行挤出、造粒，最后冷却切粒，得到具有三维立体增强结构的三种无机粉体材料以三维立体网格结构形态分布其中的纳米改性聚乙烯复合材料。
在复合材料体系中，用弹性体POE、EVA和油膜料复合增韧，同时提高了产品的光泽度、光亮度，降低了管道内壁的粗糙率，提高了介质在管道里的流动速度；体系里为保证刚性不下降，应用了茂金属MPE和三维立体增强在体系中起刚性补偿作用。
实施例一
三维立体增强改性聚乙烯复合材料按以下重量份配置原料：聚乙烯复合材料55份、复配相空增韧剂5份、三维立体增强材料40份。
实施例二
三维立体增强改性聚乙烯复合材料按以下重量份配置原料：聚乙烯复合材料50份、复配相空增韧剂20份、三维立体增强材料30份。
实施例三
三维立体增强改性聚乙烯复合材料按以下重量份配置原料：聚乙烯复合材料65份、复配相空增韧剂7份、三维立体增强材料28份。
实施例四
三维立体增强改性聚乙烯复合材料按以下重量份配置原料：聚乙烯复合材料70份、复配相空增韧剂20份、三维立体增强材料10份。
表1：实施例一制备的高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管的物理力学性能
表2：实施例二制备的高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管的物理力学性能
表3：实施例三制备的高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管的物理力学性能
表4：实施例四制备的高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管的物理力学性能
本发明采用经改性的复配相容增韧剂和无机纳米三维立体增强材料与聚乙烯形成复合材料，采用该复合材料制备高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，所制备的高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管的环刚度、环柔度、抗冲击性能、光亮度等都明显提高，能满足埋地排污管的性能要求。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。
Claims (9)
1.一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，其特征在于，由光亮的内层和高强的外层经热熔复合构成，外层呈波浪结构，外层波浪的波峰顶部设置有波浪槽（101），其中外层和内层均采用三维立体增强改性聚乙烯复合材料制成；
三维立体增强改性聚乙烯复合材料按重量份包括如下材料：聚乙烯复合材料50-70份，复配相容增韧剂5-20份，三维立体增强材料25-40份；
聚乙烯复合材料为50%PE100级大中空、30%PE100小中空和20%茂金属MPE的混合体；
复配相容增韧剂按重量份包括如下材料：POE：25-35份，EVA：25-35份，油膜料35-45份，苯乙烯ST：2-8份，马来酸酐MAH：2-8份，过氧化二异丙苯：1-3份；
三维立体增强材料按重量份包括如下材料：1250目重质碳酸钙25-35份，纳米级片状滑石粉25-35份，纳米级球形重质碳酸钙45-55份，复配偶联剂3-6份，粉体激发剂硫酸钠1-2份，粉体表面改性剂羧酸型稀土1-2份，硅油扩散油1-3份；
采用双重密封限位套筒连接结构进行连接，双重密封限位套筒连接结构包括波纹管（1）、密封圈（2）、密封环（3）和套筒（4），波纹管（1）、密封圈（2）、密封环（3）和套筒（4）均为回转形结构且同轴设置，波纹管（1）沿轴向具有多个波峰部，波峰部顶部形成波浪槽（101），波浪槽（101）为环形槽，波浪槽（101）沿波峰部轴向并排设置有多个，相邻波峰部之间形成波谷部，密封圈（2）和密封环（3）并排卡套设置在两个波谷部处，密封圈（2）和密封环（3）均抵紧在套筒（4）内周面上，套筒（4）内周面具有供密封圈（2）卡入的卡槽（401）；
密封圈（2）至波纹管（1）轴向中部的距离小于密封环（3）至波纹管（1）轴向中部的距离，则密封环（3）先于密封圈（2）进入套筒（4）内，密封环（3）先经过卡槽（401），再由密封圈（2）卡入卡槽（401），密封环（3）包括连接板部和多个呈阶梯性分布的连接环部，连接板部位于波谷部处，多个连接环部一体连接在连接板部外周面上，多个连接环部的直径沿远离密封圈（2）方向逐渐增大，则在密封环（3）移动过程中，较大直径的连接环部会向较小直径的连接环部方向发生变形，实现与不同尺寸的套筒（4）之间的密封；
套筒（4）上设置有U形的开口（402）并形成扣手限位部（41），扣手限位部（41）具有能卡嵌在波谷部处的内凸部，内凸部会卡在波纹管（1）的波谷部处；扣手限位部（41）外侧表面并排设置有多条凹槽（411），在连接波纹管（1）和套筒（4）时，便于扣手限位部（41）发生形变，并在波纹管（1）和套筒（4）连接完毕后使得内凸部抵紧在波谷部处。
2.根据权利要求1所述的一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，其特征在于，将聚乙烯复合材料、复配相容增韧剂和三维立体增强材料通过高速混合机混合后，通过双阶挤出造粒机组挤出熔融造粒，得到三维立体增强改性聚乙烯复合材料，料筒温度分别为：165℃，180℃，190℃，190℃，190℃，口模温度为：190℃。
3.根据权利要求1所述的一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，其特征在于，制备复配相容增韧剂时，按照配比称料混合后采用双螺杆挤出机，以反应挤出工艺制备复配相容增韧剂，工艺条件如下：双螺杆挤出机各段温度为：160℃，170℃，180℃，180℃，180℃。
4.根据权利要求1所述的一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，其特征在于，将内层材料和外层材料分别加入两台挤出机中挤出，物料通过挤出机螺杆加热熔融塑化输送至机头口模，管材内层通过内径定径套抽真空再冷却定型，管材外层在内部空气压力和外部真空吸力的共同作用下和模块紧密接触成型，管材内、外层均匀地熔合在一起，内层挤出各段温度：170℃，180℃，190℃，195℃，195℃，外层挤出各段温度：180℃，190℃，200℃，205℃，205℃。
5.根据权利要求1所述的一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，其特征在于，将片状滑石粉、球形碳酸钙按比例在电子天平上精配好，加入高速混合机中，在110℃下进行干燥脱水并喷入扩散油后；再依次加入粉体活化激发剂硫酸钠1份反应3-6分钟，加入复配偶联剂3份反应3-6分钟，加入大分子结构的羧酸型稀土粉体表面改性剂1份反应2-4分钟，由此对三维立体增强材料进行多层包覆表面活化改性处理。
6.根据权利要求1所述的一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，其特征在于，三维立体增强材料中1250目重质碳酸钙、纳米级片状滑石粉和纳米级球形重质碳酸钙三组分的最佳配比为30：20：50；
三维立体增强材料中具有低目数和高目数三种无机粉体材料以三维立体网格结构形态分布其中。
7.根据权利要求6所述的一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，其特征在于，利用高速混合机组进行混合、改性、预塑化，再通过双阶挤出机组进行熔融、塑化、混炼、挤出、造粒，最后冷却切粒，得到具有三维立体增强结构的三种无机粉体材料以三维立体网格结构形态分布其中的纳米改性聚乙烯复合材料。
8.根据权利要求6所述的一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，其特征在于，利用密炼机进行混合、改性、熔融、塑化、混炼，再通过挤出机组进行挤出、造粒，最后冷却切粒，得到具有三维立体增强结构的三种无机粉体材料以三维立体网格结构形态分布其中的纳米改性聚乙烯复合材料。
9.根据权利要求1所述的一种高光亮高强度高抗冲HDPE-M三维立体增强直壁管，其特征在于，复配偶联剂3-6份包括硅烷偶联剂1-2份，硬脂酸1-2份，钛酸脂偶联剂1-2份。
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