CN115991903A - 一种高导热防垢功能型地暖管材 - Google Patents
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Abstract
一种高导热防垢功能型地暖管材，属于高分子材料技术领域，所述高导热防垢功能型地暖管材的主体材质为耐热聚乙烯，高导热填料为氮化铝、氮化硼、铜粉中的一种，其制备方法包括高导热填料表面改性、高导热填料预分散、高导热母粒制备和螺杆挤出四个步骤。所得管材的导热系数为1.45~1.53W/m·K，拉伸强度为26~29MPa，95℃热水爆破压力为6.7~7.1MPa，内壁动摩擦因数0.159~0.164，2个月污水加速浸泡实验内壁极少结垢，耐静液压性能符合GB/T28799.2‑2012《冷热水用耐热聚乙烯(PE‑RT)管道系统 第2部分:管材》的相关要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种高导热防垢功能型地暖管材，属于高分子材料技术领域。
背景技术
塑料管材以其柔韧性好、强度高、抗冲击且具有一定耐热能力等优点在低温热水地面辐射采暖系统中得到了广泛应用。耐热聚乙烯（PE-RT）、交联聚乙烯（XLPE）、无规共聚聚丙烯（PPR）、聚丁烯（PB）这几种塑料是目前地暖管材行业的主流材质，虽然得到普遍应用，但它们仍存在导热系数低、长时间使用内壁结垢这两个显著缺陷。导热系数低增大了地暖系统的能耗，内壁结垢进一步拉低了塑料管的导热系数，使地暖系统的能耗更严重，同时每隔几年定期清垢也增加了地暖系统的使用成本。
中国专利CN115418062A公开了一种节能PE-RT地暖管及其制备方法。该节能PE-RT地暖管包括以下重量份数的原料：金属氧化物粉末15~25份，耐热聚乙烯粉料60~80份，偏氟乙烯10~20份，三聚氰胺甲醛树脂5~10份，氧化锌5~8份，碳酸钆4~11份，铅粉7~15份，碳酸钙6~15份，聚硅氧烷3~7份，聚氯乙烯树脂120~150份，分散剂1.5-2.5份，偶联剂3-5份，增塑剂2份。该专利得到的管材在导热系数上有所提升，但加入金属氧化物粉末容易造成内壁光滑度下降，这会导致严重的结垢问题。中国专利CN106633302A公开了一种高导热防垢功能型阻氧地暖管，包括内层、外层、粘接胶层和阻氧层，所述的内层包括如下重量份数的组分：改性氧化石墨烯：0~1份、含氟聚合物：5~10份、聚合物基体：100份；所述的外层包括如下重量份数的组分：改性氧化石墨烯：1~10份、聚合物基体：100份；所述的粘接胶层包括如下重量份数的组分：改性氧化石墨烯：0.5-0.8份、热熔胶：100份。该发明使用成本高昂的含氟聚合物和石墨烯，难以大规模推广使用。
从以上论述可以看出，塑料材质地暖管材导热差、结垢这两项问题仍难以完美解决，因此开发高导热防垢功能型地暖管材对整个地暖行业意义重大。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种高导热防垢功能型地暖管材，实现以下发明目的：相对低成本的制备出导热系数高、结垢速度慢的功能型地暖管材。
为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
一种高导热防垢功能型地暖管材，所述高导热防垢功能型地暖管材的主体材质为耐热聚乙烯，高导热填料为氮化铝、氮化硼、铜粉中的一种；
所述高导热防垢功能型地暖管材，其制备方法包括高导热填料表面改性、高导热填料预分散、高导热母粒制备和螺杆挤出四个步骤；
以下是对上述技术方案的进一步改进：
步骤1、高导热填料表面改性
将高导热填料、无水乙醇、去离子水、醋酸、硬脂酸铵、硅烷偶联剂按质量比20~42:70~110:40~80:8~15:1~4:0.3~0.8混合后，在70~85℃下恒温搅拌24~36小时后，离心分离，得到的沉淀用无水乙醇洗涤至中性后，在70~90℃下烘干至恒重即可获得表面改性的高导热填料；
所述硅烷偶联剂为KH550、KH560、KH570中的一种；
所述高导热填料的粒径为1~20微米。
步骤2、高导热填料预分散
将表面改性的高导热填料和超支化聚酰胺按质量比1:4~7混合后，再加入上述两种物质总质量1.3~2.3倍的无水乙醇，搅拌待超支化聚酰胺完全溶解后，置于高速分散机上，在12000~20000转/分条件下高速分散40~70分钟后，得到凝胶状液体，将该液体在-0.09~-0.1MPa、85~100℃条件下旋蒸3~5小时后得到块状固体，再将块状固体粉碎成500~800目粉末，所得粉末在75~90℃下干燥2~4小时后得到预分散的高导热填料；
所述超支化聚酰胺的分子量为2500~5900g/mol。
步骤3、高导热母粒制备
将预分散的高导热填料与硅酮母粒按质量比3:4~9投入密炼机中，在145~175℃，45~75转/分条件下密炼25~40分钟后，冷却造粒得到粒径0.5~1.3mm的高导热母粒；
所述硅酮母粒，其硅酮的质量含量为30~45wt%，载体为高密度聚乙烯。
步骤4、螺杆挤出
将耐热聚乙烯粉末与高导热母粒按质量比8~11:1喂入双螺杆挤出机中，喂料速度6~10千克/小时，双螺杆分六段控温，第一段70~140℃，第二段145~190℃，第三段170~230℃，第四段180~240℃，第五段195~235℃，模头温度205~235℃，螺杆转速110~155转/分，模头挤出管材后，空冷至室温得到高导热防垢功能型地暖管材；
所述耐热聚乙烯粉末，粉末直径20~100微米。
与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：
1、本发明成功制备出了以氮化铝、氮化硼和铜粉为高导热填料，以耐热聚乙烯为基材的高导热防垢型地暖管材，所得管材的导热系数为1.45~1.53W/m·K，拉伸强度为26~29MPa，95℃热水爆破压力为6.7~7.1MPa，内壁动摩擦因数0.159~0.164，2个月污水加速浸泡实验内壁极少结垢，耐静液压性能符合GB/T28799.2-2012《冷热水用耐热聚乙烯(PE-RT)管道系统 第2部分:管材》的相关要求；
2、本发明将高导热填料做了表面改性后，在超支化聚酰胺中做了预分散处理，并混入硅酮母粒中利用密炼工艺做了进一步分散处理，这两步分散处理使微米级的高导热填料得到更为均匀的分散，从而保证了最终管材的具有优异的高导热性能和力学性能；
3、本发明中硅酮母粒的掺入既提高了管材内壁的疏水性，同时还改善了耐热聚乙烯树脂的流动性，提高了耐热聚乙烯树脂与无机填料的相容性，使无机填料的分散均匀度更好，进而降低因填料团聚而带来的种种负面作用。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：一种高导热防垢功能型地暖管材
步骤1、高导热填料表面改性
将高导热填料、无水乙醇、去离子水、醋酸、硬脂酸铵、硅烷偶联剂按质量比30:95:65:12:3:0.5混合后，在80℃下恒温搅拌32小时后，离心分离，得到的沉淀用无水乙醇洗涤至中性后，在85℃下烘干至恒重即可获得表面改性的高导热填料；
所述硅烷偶联剂为KH550；
所述高导热填料为氮化铝，粒径为13微米。
步骤2、高导热填料预分散
将表面改性的高导热填料和超支化聚酰胺按质量比1:6混合后，再加入上述两种物质总质量2.1倍的无水乙醇，搅拌待超支化聚酰胺完全溶解后，置于高速分散机上，在18000转/分条件下高速分散60分钟后，得到凝胶状液体，将该液体在-0.096MPa、90℃条件下旋蒸4小时后得到块状固体，再将块状固体粉碎成700目粉末，所得粉末在85℃下干燥3小时后得到预分散的高导热填料；
所述超支化聚酰胺的分子量为4600g/mol。
步骤3、高导热母粒制备
将预分散的高导热填料与硅酮母粒按质量比3:7投入密炼机中，在160℃，65转/分条件下密炼35分钟后，冷却造粒得到粒径0.9mm的高导热母粒；
所述硅酮母粒，其硅酮的质量含量为42wt%，载体为高密度聚乙烯。
步骤4、螺杆挤出
将耐热聚乙烯粉末与高导热母粒按质量比9:1喂入双螺杆挤出机中，喂料速度7千克/小时，双螺杆分六段控温，第一段120℃，第二段150℃，第三段190℃，第四段220℃，第五段230℃，模头温度230℃，螺杆转速125转/分，模头挤出管材后，空冷至室温得到高导热防垢功能型地暖管材；
所述耐热聚乙烯粉末，粉末直径45微米。
实施例2：一种高导热防垢功能型地暖管材
步骤1、高导热填料表面改性
将高导热填料、无水乙醇、去离子水、醋酸、硬脂酸铵、硅烷偶联剂按质量比20:70:40:8:1:0.3混合后，在70℃下恒温搅拌24小时后，离心分离，得到的沉淀用无水乙醇洗涤至中性后，在70℃下烘干至恒重即可获得表面改性的高导热填料；
所述硅烷偶联剂为KH560；
所述高导热填料为氮化硼，其粒径为1微米。
步骤2、高导热填料预分散
将表面改性的高导热填料和超支化聚酰胺按质量比1:4混合后，再加入上述两种物质总质量1.3倍的无水乙醇，搅拌待超支化聚酰胺完全溶解后，置于高速分散机上，在12000转/分条件下高速分散40分钟后，得到凝胶状液体，将该液体在-0.09MPa、85℃条件下旋蒸3小时后得到块状固体，再将块状固体粉碎成500目粉末，所得粉末在75℃下干燥2小时后得到预分散的高导热填料；
所述超支化聚酰胺的分子量为2500g/mol。
步骤3、高导热母粒制备
将预分散的高导热填料与硅酮母粒按质量比3:4投入密炼机中，在145℃，45转/分条件下密炼25分钟后，冷却造粒得到粒径0.5mm的高导热母粒；
所述硅酮母粒，其硅酮的质量含量为30wt%，载体为高密度聚乙烯。
步骤4、螺杆挤出
将耐热聚乙烯粉末与高导热母粒按质量比8:1喂入双螺杆挤出机中，喂料速度6千克/小时，双螺杆分六段控温，第一段70℃，第二段145℃，第三段170℃，第四段180℃，第五段195℃，模头温度205℃，螺杆转速110转/分，模头挤出管材后，空冷至室温得到高导热防垢功能型地暖管材；
所述耐热聚乙烯粉末，粉末直径20微米。
实施例3：一种高导热防垢功能型地暖管材
步骤1、高导热填料表面改性
将高导热填料、无水乙醇、去离子水、醋酸、硬脂酸铵、硅烷偶联剂按质量比42:110:80:15:4:0.8混合后，在85℃下恒温搅拌36小时后，离心分离，得到的沉淀用无水乙醇洗涤至中性后，在90℃下烘干至恒重即可获得表面改性的高导热填料；
所述硅烷偶联剂为KH570；
所述高导热填料为铜粉，其粒径为20微米。
步骤2、高导热填料预分散
将表面改性的高导热填料和超支化聚酰胺按质量比1:7混合后，再加入上述两种物质总质量2.3倍的无水乙醇，搅拌待超支化聚酰胺完全溶解后，置于高速分散机上，在20000转/分条件下高速分散70分钟后，得到凝胶状液体，将该液体在-0.1MPa、100℃条件下旋蒸5小时后得到块状固体，再将块状固体粉碎成800目粉末，所得粉末在90℃下干燥4小时后得到预分散的高导热填料；
所述超支化聚酰胺的分子量为5900g/mol。
步骤3、高导热母粒制备
将预分散的高导热填料与硅酮母粒按质量比3:9投入密炼机中，在175℃，75转/分条件下密炼40分钟后，冷却造粒得到粒径1.3mm的高导热母粒；
所述硅酮母粒，其硅酮的质量含量为45wt%，载体为高密度聚乙烯。
步骤4、螺杆挤出
将耐热聚乙烯粉末与高导热母粒按质量比11:1喂入双螺杆挤出机中，喂料速度10千克/小时，双螺杆分六段控温，第一段140℃，第二段190℃，第三段230℃，第四段240℃，第五段235℃，模头温度235℃，螺杆转速155转/分，模头挤出管材后，空冷至室温得到高导热防垢功能型地暖管材；
所述耐热聚乙烯粉末，粉末直径100微米。
对比例1：
实施例1基础上，步骤2高导热填料预分散，将超支化聚酰胺等量替换为高密度聚乙烯，预分散方法改为密炼，具体操作如下：
步骤1操作同于实施例1；
步骤2、高导热填料预分散
将表面改性的高导热填料和高密度聚乙烯按质量比1:6混合后，
投入到密炼机中，在160℃，65转/分条件下密炼35分钟后出料，冷却后破碎成700目粉末，所得粉末在85℃下干燥3小时后得到预分散的高导热填料；
步骤3、4操作同于实施例1。
对比例2：
实施例1基础上，步骤3高导热母粒制备，将硅酮母粒等量替换为高密度聚乙烯，具体操作如下：
步骤1、2操作同于实施例1；
步骤3、高导热母粒制备
将预分散的高导热填料与高密度聚乙烯按质量比3:7投入密炼机中，在160℃，65转/分条件下密炼35分钟后，冷却造粒得到粒径0.9mm的高导热母粒；
步骤4操作同于实施例1。
性能测试：
实施例1、2、3和对比例1、2所得管材，进行以下性能指标的测试：
参照GB/T3399-1982《塑料导热系数试验方法，护热平板法》测试导热系数；
耐静液压性能参照GGB/T28799.2-2012《冷热水用耐热聚乙烯(PE-RT)管道系统第2部分:管材》进行测试；
拉伸强度按GB/T1040.2-2006规定的方法进行测试；
管材95℃爆破压力按GB/T15560-1995规定进行测试；
参照GB/T28799.2-2012《冷热水用耐热聚乙烯(PE-RT)管道系统 第2部分:管材》测试管材防污垢性能；
以上结果见表1：
表1
从表1中的数据可以看到，对比例1所得管材的导热系数、拉伸强度以及95℃热水爆破压力均显著低于实施例1、2、3，这是因为对比例1中的高导热填料没有在超支化聚酰胺中进行预分散处理，仅仅只在高密度聚乙烯中做了密炼分散处理，这难以将粉末状的高导热填料均匀分散入最终的耐热聚乙烯基体树脂中，填料的团聚导致了导热系数、拉伸强度以及爆破压力的全面下降；对比例2相比实施例1、2、3，没有加入硅酮母粒，内壁动摩擦因数显著增大，内壁结垢速度加快，这可以看出硅酮母粒的加入能改善管材内壁的光滑程度，增大管材内壁的疏水性，从而降低结垢速度，另一方面，对比例2的导热系数、拉伸强度以及95℃热水爆破压力相比实施例1、2、3也有较明显的下降，这是因为硅酮母粒有极好的内润滑功能，在改善树脂流动性的同时还能提高树脂与无机填料的相容性，加入硅酮母粒的管材，无机填料的分散均匀度更好，进而降低因填料团聚而带来的种种负面作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高导热防垢功能型地暖管材，其特征在于：
所述高导热防垢功能型地暖管材的主体材质为耐热聚乙烯，高导热填料为氮化铝、氮化硼、铜粉中的一种；
所述高导热防垢功能型地暖管材，其制备方法包括高导热填料表面改性、高导热填料预分散、高导热母粒制备和螺杆挤出四个步骤；
所述高导热填料表面改性，其方法为：将高导热填料、无水乙醇、去离子水、醋酸、硬脂酸铵、硅烷偶联剂按质量比20~42:70~110:40~80:8~15:1~4:0.3~0.8混合后，在70~85℃下恒温搅拌24~36小时后，离心分离，得到的沉淀用无水乙醇洗涤至中性后，在70~90℃下烘干至恒重即可获得表面改性的高导热填料；
所述高导热填料预分散，其方法为：将表面改性的高导热填料和超支化聚酰胺按质量比1:4~7混合后，再加入上述两种物质总质量1.3~2.3倍的无水乙醇，搅拌待超支化聚酰胺完全溶解后，置于高速分散机上，在12000~20000转/分条件下高速分散40~70分钟后，得到凝胶状液体，将该液体在-0.09~-0.1MPa、85~100℃条件下旋蒸3~5小时后得到块状固体，再将块状固体粉碎成500~800目粉末，所得粉末在75~90℃下干燥2~4小时后得到预分散的高导热填料；
所述高导热母粒制备，其方法为：将预分散的高导热填料与硅酮母粒按质量比3:4~9投入密炼机中，在145~175℃，45~75转/分条件下密炼25~40分钟后，冷却造粒得到粒径0.5~1.3mm的高导热母粒。
2.根据权利要求1所述的高导热防垢功能型地暖管材，其特征在于：
所述硅烷偶联剂为KH550、KH560、KH570中的一种；
所述高导热填料的粒径为1~20微米；
所述超支化聚酰胺的分子量为2500~5900g/mol。
3.根据权利要求1所述的高导热防垢功能型地暖管材，其特征在于：
所述螺杆挤出，其方法为：将耐热聚乙烯粉末与高导热母粒按质量比8~11:1喂入双螺杆挤出机中，喂料速度6~10千克/小时，双螺杆分六段控温，第一段70~140℃，第二段145~190℃，第三段170~230℃，第四段180~240℃，第五段195~235℃，模头温度205~235℃，螺杆转速110~155转/分，模头挤出管材后，空冷至室温得到高导热防垢功能型地暖管材。
4.根据权利要求1所述的高导热防垢功能型地暖管材，其特征在于：所述硅酮母粒，其硅酮的质量含量为30~45wt%，载体为高密度聚乙烯。
5.根据权利要求3所述的高导热防垢功能型地暖管材，其特征在于：所述耐热聚乙烯粉末，粉末直径20~100微米。
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| GR01 | Patent grant | ||
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