CN115073836A - 一种用于多孔材料的组合物及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多孔材料的组合物及其制备方法和应用。本发明用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括以下组分：热塑性高分子20～40份，改性水溶性无机粉体60～80份；其中，所述改性水溶性无机粉体，按重量份数计，由水溶性无机粉体100份、偶联剂0.5～3份、表面活性剂2～5份和加工助剂2～5份组成。其中，改性后的水溶性无机粉体不仅具备优异的抗潮解能力，避免其在混合挤出中因潮解导致后续相分离过程中无法形成有效的微孔结构；同时与热塑性高分子材料之间具有良好的相容性。

Description

一种用于多孔材料的组合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子改性的技术领域，更具体地，涉及一种用于多孔材料的组合物及其制备方法和应用。
背景技术
渗灌是一种地下微灌形式，其主要利用渗灌管壁上的微小孔隙，使得水由管内向管外以类似于“发汗”的形式渗出，再通过管壁周围土壤颗粒的吸水作用向土体扩散，达到对农作物根系连续供水的目的，实现植物生育期全程高效灌溉的目的。
现有技术中大多在塑料管上按一定规律打孔，或发泡，或在聚乙烯塑料中加入经浸泡饱和NaCl溶液处理后的植物纤维形成小孔，通过管上的小孔向两侧渗水，从而达到灌溉的目的；但这些多孔塑料管仍然存在许多问题，例如孔的大小不均匀，导致发生喷射现象，还会导致侧孔淤堵等问题。
例如现有技术公开了一种针织物增强的复合材料地下渗灌管制备方法，先用化纤常丝或纱线通过针织机编织成针织管胚，再将混合可溶于水的无机粉体的塑料胶涂覆于针织管胚内和外层，然后带待涂层冷却成型后置于水中进行水处理，再用罗拉牵引机反复挤牵引挤压20次，晾干后即可获得多孔塑料渗透管。但上述起造孔作用的可溶性无机盐混合时易吸潮溶解，从而导致后续水处理时无法形成有效的相互贯通的孔结构，因此现有技术中必须在水处理(相分离造孔)后经过牵引机反复挤牵引挤压，利用机械外力形成相互连通的孔结构，但在这种牵引造孔过程中，易导致孔结构大小不均匀的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有相分离造孔难以制备均匀孔径的微孔渗透管材的缺陷和不足，提供一种用于多孔材料的组合物，包括热塑性高分子和水溶性无机粉体，其中改性后的水溶性无机粉体不仅具备优异的抗潮解能力，避免其在混合挤出中因潮解导致后续相分离过程中无法形成有效的微孔结构；同时与热塑性高分子材料之间具有良好的相容性，从而有利于水溶性无机粉体在热塑性高分子材料中的均匀分散，进而形成均匀的微孔结构。
本发明的另一目的是提供所述用于多孔材料的组合物的制备方法。
本发明的又一目的在于提供所述用于多孔材料的组合物在管材、薄膜和板材中的应用。
本发明的又一目的在于提供一种多孔管材。
本发明的又一目的在于提供一种多孔管材的制备方法。
本发明的又一目的在于提供所述多孔管材在渗灌中的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括以下组分：
热塑性高分子 20～40份；
改性水溶性无机粉体 60～80份；
其中，所述改性水溶性无机粉体，按重量份数计，由水溶性无机粉体100份、偶联剂0.5～3份、表面活性剂2～5份和加工助剂2～5份组成。
本发明的用于多孔材料的组合物中热塑性高分子与改性水溶性无机粉体的质量比为1:4～2:3，改性无机粉体添加量过少时，分散于热塑性高分子基体中的改性无机粉体之间难以充分接触，导致在相分离过程中改性无机粉体溶解后无法形成相互连通的孔结构；而改性无机粉体添加量过多时，热塑性高分子仅是充当粘结剂的功能，导致用于多孔材料的组合物成型困难，且在相分离过程中改性无机粉体溶解后无法形成孔结构，造成用于多孔材料的组合物力学性能急剧下降，无法正常使用。也在实际应用过程中，还可以根据热塑性高分子与改性水溶性无机粉体的体积比来确定热塑性高分子和改性水溶性无机粉体的合适添加量，具体地，热塑性高分子与改性水溶性无机粉体合适的体积比为2:1～1:1.5。
本发明改性水溶性无机粉体中的表面活性剂同时含有极性和非极性基团，与偶联剂、加工助剂共同作用能够显著提高水溶性无机粉体的疏水性能及其与高分子材料的相容性，一方面可以提高水溶性无机粉体的耐潮解性能，从而避免水溶性无机粉体颗粒之间因吸潮结块影响对其有效平均粒径的准确判断，进而影响其应用；另一方面可以降低水溶性无机粉体在高分子材料中的团聚倾向，提高其在高分子材料中的分散均匀性。
具体地，本发明中偶联剂为铝酸酯偶联剂和/或钛酸酯偶联剂；表面活性剂可以为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸钠和EBS中的一种或几种；加工助剂为PE蜡、石蜡、费托蜡和白油中的一种或几种。
具体地，所述热塑性高分子可以为聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯中的任一种。
优选地，所述聚乙烯采用GB/T 11115-2009标准，在190℃×5kg测试条件下的熔体质量流动速率≤2.0g/10min；所述聚丙烯采用GB/T 12670-2008标准，在230℃×2.16kg测试条件下的熔体质量流动速率≤1.0g/10min。根据不同的加工工艺需求，当采用挤出工艺时，上述聚乙烯和聚丙烯更容易成型加工。
在具体实施方式中，本发明所述水溶性无机粉体的平均粒径为200～6000目。
本发明所述改性水溶性无机粉体可以由以下制备方法制得：
将水溶性无机粉体置于搅拌装置中加热搅拌；然后加入偶联剂搅拌反应3～7min，再加入表面活性剂搅拌反应1～3min，再加入加工助剂搅拌反应1～3min，即获得改性水溶性无机粉体。
偶联剂的作用是通过的反应基团将水溶性无机粉体与高分子材料之间的界面偶联结合，从而提高水溶性无机粉体与高分子材料之间的相容性；表面活性剂也是起与偶联剂相似的作用，也能够一定程度促进水溶性无机粉体与高分子材料结合，但结合效果略差于偶联剂，因此，表面活性剂主要辅助于偶联剂作用，提高水溶性无机粉体的疏水性能及与高分子材料的相容性。所以，在改性水溶性无机粉体的制备过程中需要偶联剂先与水溶性无机粉体的反应后再加入表面活性剂反应，以补充偶联剂未与水溶性无机粉体结合的位置，提高水溶性无机粉体的疏水性能及其在高分子材料中的均匀分散性。如果偶联剂与表面活性剂同时加入，则会与水溶性无机粉体同时发生竞争反应，难以充分发挥偶联剂与表面活性剂各自的优势。
具体地，如果水溶性无机粉体的粒径较大时(例如水溶性无机粉体的粒径为60目)，需要在隔绝空气中环境中进行研磨，以防止空气中的水分导致水溶性无机粉体潮解失效；同时，可以在研磨过程中加微量的表面活性剂，一方面可以降低小粒径水溶性无机粉体的抱团倾向，另一方面也可以提高研磨后水溶性无机粉体的耐潮解性能，以防止其在后续转移过程中被空气中的水分潮解失效。
搅拌加热的目的是为了除去水溶性无机粉体的表面的微量水分，以促进其后续与偶联剂、表面活性剂、加工助剂的反应。例如，可以将水溶性无机粉体置于搅拌装置中加热搅拌至水溶性无机粉体的温度达到100℃后，停止加热，并依次加入偶联剂、表面活性剂、加工助剂反应。
本发明还保护一种上述组合物的制备方法，包括以下步骤：
将热塑性高分子和改性可溶性粉体在150～200℃条件下熔融挤出造粒即可获得用于多孔材料的组合物。
一种上述组合物在管材、薄膜和板材中的应用，也在本发明的保护范围之内。
本发明还保护一种由上述用于多孔材料的组合物制备得到的多孔管材。
在具体实施方式中，本发明所述多孔管材的孔结构为微米孔。
在具体实施方式中，本发明所述多孔管材的外径为10～110mm，管壁厚度为0.5～20mm；所述多孔管材的平均孔径为2～75μm。
本发明还保护一种上述多孔管材的制备方法，包括以下步骤：
将上述用于多孔材料的组合物加入挤出装置中挤出获得半成品管材，然后将半成品管材浸泡于水中，待半成品管材中的改性水溶性无机粉体完全溶解后即获得多孔管材。
具体地，在实际生产应用过程中，利用相分离原理将上述半成品管材浸泡于水中后，改性水溶性无机粉体易溶解于水中，其溶解于水后在半成品管材中的相应位置留下孔结构，一般以浸泡于水中的半成品管材自然浮起时作为相分离完成的标志。
一种上述多孔管材在渗灌中的应用，也在本发明的保护范围之内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种用于多孔材料的组合物，包括热塑性高分子和水溶性无机粉体，其中改性水溶性无机粉体采用偶联剂、表面活性剂和加工助剂共同作用改性得到，不仅改善了水溶性无机粉体的耐潮解性能，同时提高其在热塑性高分子中的分散均匀性，与热塑性高分子复合后所制得的多孔管材的拉伸强度达到15.6～25.6MPa，最小渗水压力为0.14～0.80MPa，最大渗水压力为0.40～1.22MPa，且孔径分布均匀。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
聚乙烯，在190℃×5kg测试条件下的熔体质量流动速率为0.25g/10min，牌号100S，厂家吉林石化；
聚丙烯，在230℃×2.16kg下的熔体重量流动速率为0.2g/10min，牌号R200P，厂家韩国晓星；
聚氯乙烯，牌号SG5，厂家鄂尔多斯；
水溶性无机粉体1为元明粉(硫酸钠)，市购可得，平行实验中采用同种；
水溶性无机粉体2为无水氯化钙，市购可得，平行实验中采用同种；
表面活性剂1为EBS，市购可得，平行实验中采用同种；
表面活性剂2为硬脂酸，市购可得，平行实验中采用同种；
偶联剂为铝酸酯，市购可得，平行实验中采用同种；
加工助剂为PE蜡，市购可得，平行实验中采用同种；
抗氧剂为168和1010按重量比1:1复配，市购可得，平行实验中采用同种。
改性水溶性无机粉体1～5
一种改性水溶性无机粉体，按重量份数计，包括如表1所示的组分，水溶性无机粉体的平均粒径为200目；
表1改性水溶性无机粉体1～5的组成(以重量份数计)
序号 1 2 3 4 5
水溶性无机粉体1 100 100 100 / 100
水溶性无机粉体2 / / 100 /
偶联剂 0.5 3 1.5 1.5 1.5
表面活性剂1 2 5 3 3 /
表面活性剂2 / / / / 3
加工助剂 2 5 3 3 3
上述改性水溶性无机粉体采用以下制备方法制备：
首先，将水溶性无机粉体1进行真空研磨至其平均粒径为200目，且在研磨过程中加入表面活性剂对其进行包覆；然后，将上述包覆处理后的水溶性无机粉体置于高速搅拌机中，并进行加热，待水溶性无机粉体的温度达到100℃后，停止加热并加入偶联剂搅拌5min，再加入表面活性剂1继续搅拌2min，最后加入加工助剂搅拌2min，即可获得改性水溶性无机粉体。
改性水溶性无机粉体6
一种改性水溶性无机粉体，按重量份数计，包括与改性水溶性无机粉体3相同的组分及含量，其区别在于，水溶性无机粉体的平均粒径为3000目。
上述改性水溶性无机粉体的制备方法同改性水溶性无机粉体3。
改性水溶性无机粉体7
一种改性水溶性无机粉体，按重量份数计，包括与改性水溶性无机粉体3相同的组分及含量，其区别在于，水溶性无机粉体的平均粒径为6000目。
上述改性水溶性无机粉体的制备方法同改性水溶性无机粉体3。
实施例1～4
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括以下组分：
热塑性高分子，改性水溶性无机粉体，抗氧剂；其中，热塑性高分子为聚乙烯，改性水溶性无机粉体为改性水溶性无机粉体1，各组分的具体含量如下表2所示。
表2实施例1～4中用于多孔材料的组合物(以重量份数计)
序号 1 2 3 4
聚乙烯 20 25 30 40
改性水溶性无机粉体1 80 75 70 60
抗氧剂 0.02 0.025 0.03 0.04
上述用于多孔材料的组合物可以采用以下制备方法制备：
将热塑性高分子、改性可溶性粉体和抗氧剂加入双螺杆挤出机，在150～200℃条件下熔融挤出造粒，即可获得用于多孔材料的组合物。
其中，所述双螺杆挤出机的长径比为44:1，熔融挤出的参数为：一区温度为160℃，二区温度为175℃，三区温度为180℃，四区温度为180℃，五区温度为170℃，六区温度为170℃，七区温度为165℃，八区温度为170℃，九区温度为175℃，主机转速为450r/min。
实施例5
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括与实施例1相同的组分及含量，其区别在于，热塑性高分子为聚丙烯。
上述用于多孔材料的组合物的制备方法同实施例1。
实施例6
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括与实施例1相同的组分及含量，其区别在于，热塑性高分子为聚氯乙烯。
上述用于多孔材料的组合物的制备方法同实施例1。
实施例7
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括与实施例1相同的组分及含量，其区别在于，改性水溶性无机粉体为改性水溶性无机粉体2。
上述用于多孔材料的组合物的制备方法同实施例1。
实施例8
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括与实施例1相同的组分及含量，其区别在于，改性水溶性无机粉体为改性水溶性无机粉体3。
上述用于多孔材料的组合物的制备方法同实施例1。
实施例9
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括与实施例1相同的组分及含量，其区别在于，改性水溶性无机粉体为改性水溶性无机粉体4。
上述用于多孔材料的组合物的制备方法同实施例1。
实施例10
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括与实施例1相同的组分及含量，其区别在于，改性水溶性无机粉体为改性水溶性无机粉体5。
上述用于多孔材料的组合物的制备方法同实施例1。
实施例11
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括与实施例1相同的组分及含量，其区别在于，改性水溶性无机粉体为改性水溶性无机粉体6。
上述用于多孔材料的组合物的制备方法同实施例1。
实施例12
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括与实施例1相同的组分及含量，其区别在于，改性水溶性无机粉体为改性水溶性无机粉体7。
上述用于多孔材料的组合物的制备方法同实施例1。
对比例1～2
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括以下组分：
热塑性高分子20份，改性水溶性无机粉体80份，抗氧剂；其中，热塑性高分子为聚氯乙烯，改性水溶性无机粉体为改性水溶性无机粉体1，各组分的具体含量如下表3所示。
表3对比例1～2中用于多孔材料的组合物的组成(以重量份计算)
Figure BDA0003721001120000071
Figure BDA0003721001120000081
上述用于多孔材料的组合物采用以下制备方法制备：
将热塑性高分子、改性可溶性粉体和抗氧剂加入双螺杆挤出机，在150～200℃条件下熔融挤出造粒，即可获得用于多孔材料的组合物。
其中，所述双螺杆挤出机的长径比为44:1，熔融挤出的参数为：一区温度为160℃，二区温度为175℃，三区温度为180℃，四区温度为180℃，五区温度为170℃，六区温度为170℃，七区温度为165℃，八区温度为170℃，九区温度为175℃，主机转速为450r/min。
对比例3
一种用于多孔材料的组合物，按重量份数计，包括以下组分：
热塑性高分子20份，水溶性无机粉体80份，抗氧剂0.02份；其中，热塑性高分子为聚乙烯，水溶性无机粉体为水溶性无机粉体1。
上述用于多孔材料的组合物的制备方法同实施例1。
结果检测
将实施例1～12和对比例1～3所得到的用于多孔材料的组合物进行加入单螺杆挤出机中挤出成管材，所述管材的外径为25mm，管材壁厚为2.3mm，挤出温度为150℃～230℃，挤出压力为5MPa～30MPa，经真空冷却定型、定长切割后制成半成品管材；然后，将半成品管材置于水中进行相分离处理，将半成品管材中的水溶性无机粉体完全溶解，即可获得多孔管材。
本发明的各项性能的具体检测方法如下：
拉伸强度的具体测试方法参见GB/T8804.3-2003；
耐液压性能的具体测试方法参见GB/T6111-2018，检测管材可渗水时的最小压力、最大压力，以及在最小渗水压力下长度为1m的多孔管材的渗水量(升/(小时*米))；
微孔分布与孔径，于管材上随机选取3～5个位置(1cm×1cm)，通过电子显微镜观测微孔的分布情况，并测量孔径大小；
具体检测结果如下表3所述：
表4实施例1～12及对比例1～3所得到的用于多孔材料的组合物的性能
Figure BDA0003721001120000091
采用本发明中用于多孔材料的组合物所制备的多孔管材的拉伸强度为15.6～25.6MPa，最小渗水压力为0.14～0.80MPa，最大渗水压力为0.40～1.22MPa，且孔径分布均匀。从对比例1和2可看出，当改性水溶性无机粉体的添加量过多或过少时，均不利于形成均匀的孔径；从对比例3可知，直接添加水溶性无机粉体时，多孔管材无法成型。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于多孔材料的组合物，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
热塑性高分子 20～40份；
改性水溶性无机粉体 60～80份；
其中，所述改性水溶性无机粉体，按重量份数计，由水溶性无机粉体100份、偶联剂0.5～3份、表面活性剂2～5份和加工助剂2～5份组成。
2.如权利要求1所述组合物，其特征在于，所述水溶性无机粉体的平均粒径为200～6000目。
3.如权利要求1所述组合物，其特征在于，所述改性水溶性无机粉体由以下制备方法制得：
将水溶性无机粉体置于搅拌装置中加热搅拌；然后加入偶联剂搅拌反应3～7min，再加入表面活性剂搅拌反应1～3min，再加入加工助剂搅拌反应1～3min，即获得改性水溶性无机粉体。
4.一种权利要求1～3任一项所述组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将热塑性高分子和改性可溶性粉体在150～200℃条件下熔融挤出造粒即可获得用于多孔材料的组合物。
5.一种权利要求1～3任一项所述组合物在管材、薄膜和板材中的应用。
6.一种多孔管材，其特征在于，所述多孔管材由权利要求1～3任一项所述用于多孔材料的组合物制备得到。
7.如权利要求6所述多孔管材，其特征在于，所述多孔管材的孔结构为微米孔。
8.如权利要求7所述多孔管材，其特征在于，所述多孔管材的平均孔径为2～75μm。
9.一种权利要求6所述多孔管材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求1～3任一项所述用于多孔材料的组合物加入挤出装置中挤出获得半成品管材，然后将半成品管材浸泡于水中，待半成品管材中的改性水溶性无机粉体完全溶解后即获得多孔管材。
10.一种权利要求6所述多孔管材在渗灌中的应用。
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