CN117304599A - 一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料及其制备方法，包括以下质量百分比的各组分：纳米ZnO 0.5～3％；改性氢氧化镁0.5～3％；改性玄武岩纤维1～5％；文石型碳酸钙晶须1～5％；抗氧化剂0.1～1％；耐热剂0.1～1％；抗辐射剂0.1～1％；余量为HDPE。通过加入纳米ZnO、改性氢氧化镁、改性玄武岩纤维和文石型碳酸钙晶须的HDPE复合材料在拉伸强度、弯曲强度、压缩强度以及冲击强度上都有显著提高，并且通过对制备方法进行优化使得各组分能够在分散充分的基础上发挥最大的协同作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚乙烯材料的制备领域，更具体的是涉及一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料及其制备方法。
背景技术
核能作为一种清洁、高效的能源来源，在现代工业和生活中扮演着重要角色。核电系统作为核能利用的关键设施之一，其管道材料的性能对系统的安全和可靠运行具有重要影响。聚乙烯被广泛应用于核电系统管道材料中，由于其良好的耐腐蚀性、低渗透性和优异的机械性能等特点，受到了广泛关注。
然而，传统聚乙烯材料在一些方面仍存在一定的局限性。首先，传统聚乙烯材料的密度相对较低，导致在使用过程中容易发生破裂和泄漏的风险。其次，由于核电系统操作环境的特殊性，聚乙烯材料需要具备良好的机械性能，以保证系统长期稳定运行。此外，传统制备方法在提高聚乙烯材料密度和改善辐射抗性方面存在一定的技术难题。近年来，高密度聚乙烯(HDPE)因其出色的耐腐蚀性、机械性能和成本效益等优点，逐渐被应用于核电系统的管道材料。然而，传统的HDPE材料在面对核电环境中的高温、高压和辐射等恶劣条件时，仍然存在耐热性、耐辐射性和长期稳定性等方面的问题。因此，如何提高HDPE材料的相关性能，特别是密度、耐热性和耐辐射性，对于其在核电系统中的应用具有重要意义。
因此，开发一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料及其制备方法成为当前的技术难题和研究热点。
发明内容
为解决现有技术的不足，现提供一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料，具体方案如下：
一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料，包括以下质量百分比的各组分：
纳米ZnO 0.5～3％
改性氢氧化镁0.5～3％
改性玄武岩纤维1～5％
文石型碳酸钙晶须1～5％
抗氧化剂0.1～1％
耐热剂0.1～1％
抗辐射剂0.1～1％
余量为HDPE。
进一步的，改性氢氧化镁的制备方法为：采用苏打法制备浓度为10～15％的氢氧化镁浆液，然后将浆液与硅酮耦合剂进行反应得到改性氢氧化镁，所述反应温度为60～80℃，反应时间为4～6h。
进一步的，改性玄武岩纤维的制备方法为：对玄武岩纤维进行酸洗处理和偶联剂改性处理得到改性玄武岩纤维。
进一步的，所述的文石型碳酸钙晶须的尺寸为5～15μm,长宽比为8:1；对文石型碳酸钙晶须尺寸进行优化，能够更好地分散在高密度聚乙烯基体中，增加塑料与纤维之间的接触面积，从而提高材料的力学性能；限定长宽比为8:1，该长度和长宽比下的碳酸钙晶须，可以在保持良好填充效果的同时，降低其对复合材料加工流变性的影响，使得材料更易于加工。在此长宽比下，文石型碳酸钙晶须能够形成较强的束缚力，提供足够的阻力，有效抵抗应力，进一步提升了材料的力学性能。。
进一步的，所述的抗氧化剂为1010型酚醛抗氧化剂、168型磷酸酯抗氧化剂或2246型苯并三唑抗氧化剂中的一种或几种的组合物。
进一步的，所述的耐热剂为烷基磷酸酯和聚氧化丙烯的混合物。
进一步的，所述的抗辐射剂为络合型有机硅-氮化硼。
进一步的，制备方法还包括以下步骤：
S1：玄武岩矿石经过破碎，并热处理在1450-1600度的高温熔盐炉中，制备粗玄武岩纤维。
S2：将玄武岩纤维在酸性溶液中浸泡，控制pH2～3以去除纤维表面的杂质，酸洗时间为24h；
S3：酸洗后的纤维过水洗，以去除残余的酸；洗涤后，将纤维在60度-80度的环境中干燥。
S4：将干燥后的纤维浸泡在硅烷偶联剂溶液中3～5h；
S5：最后进行干燥。
一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将纳米ZnO、改性氢氧化镁、改性玄武岩纤维、文石型碳酸钙晶须、抗氧化剂、耐热剂、抗辐射剂和HDPE按照特定的重量比例混合，通过高速搅拌机进行预处理以确保均匀分散，搅拌时间约为30分钟；
S2：将预处理后的混合物放入双螺杆挤出机进行加热熔融处理，将其加热到180～200℃，熔融过程中持续搅拌约2小时；
S3：使用单螺杆挤出机进行挤出成型，挤出速度为5-10mm/s，挤出压力为10-20MPa；
S4：将挤出或注塑成型后的产品进行冷却固化，冷却时间约为2小时，然后进行后处理工艺得到高密度聚乙烯材料管道。
有益效果：
本发明提供了一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料及其制备方法，包括以下优势：
通过检验得到纳米ZnO、改性氢氧化镁、改性玄武岩纤维和文石型碳酸钙晶须的HDPE复合材料在拉伸强度、弯曲强度、压缩强度以及冲击强度上都有显著提高。其中，纳米ZnO具有优良的光学性质和电学性质，能够提升复合材料的抗紫外线、抗老化性能；改性氢氧化镁则起到了增强材料耐热性、阻燃性的作用；改性玄武岩纤维和文石型碳酸钙晶须作为填充物能显著提高复合材料的力学性能，如强度、硬度和刚性。另外，这些组分之间存在着协同作用，共同提升了材料的整体性能。例如，纳米ZnO与改性氢氧化镁协同，可以使得材料在保持良好抗紫外线性能的同时，提高了耐热性和阻燃性；改性玄武岩纤维与文石型碳酸钙晶须结合，既增强了复合材料的刚性，又没有损失其良好的韧性。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1：
S1步骤，将1％的纳米ZnO、1％的改性氢氧化镁、3％的改性玄武岩纤维、3％的文石型碳酸钙晶须、0.5％的2246型苯并三唑抗氧化剂、0.5％的耐热剂、0.5％的抗辐射剂和91％的HDPE在室温下混合30分钟。
S2步骤，将混合物加热到180℃，持续搅拌2小时。
S3步骤，挤出速度为5mm/s，挤出压力为10MPa。
S4步骤，冷却2小时后进行切割和修整。
实施例2：
S1步骤，将2％的纳米ZnO、2％的改性氢氧化镁、4％的改性玄武岩纤维、4％的文石型碳酸钙晶须、0.8％的1010型酚醛抗氧化剂、0.8％的耐热剂、0.8％的抗辐射剂和85.6％的HDPE在室温下混合30分钟。
S2步骤，将混合物加热到190℃，持续搅拌2小时。
S3步骤，挤出速度为7mm/s，挤出压力为15MPa。
S4步骤，冷却2小时后进行切割和修整。
实施例3：
S1步骤，将3％的纳米ZnO、3％的改性氢氧化镁、5％的改性玄武岩纤维、5％的文石型碳酸钙晶须、1％的168型磷酸酯抗氧化剂、1％的耐热剂、1％的抗辐射剂和81％的HDPE在室温下混合30分钟。
S2步骤，将混合物加热到200℃，持续搅拌2小时。
S3步骤，挤出速度为10mm/s，挤出压力为20MPa。
S4步骤，冷却2小时后进行切割和修整。
对比例1：
制备方法与实施例1相同，区别在于，未加入纳米ZnO。
对比例2：
制备方法与实施例1相同，区别在于，未加入改性氢氧化镁。
对比例3：
制备方法与实施例1相同，区别在于，未加入改性玄武岩纤维。
对比例4：
制备方法与实施例1相同，区别在于，未加入文石型碳酸钙晶须。
对实施例1～3以及对比例1～4进行性能检测，检测数据如下：
从上述性能检测数据来看，实施例1～3中制品的各项性能均优于对比例1～4，且实施例2和实施例3的性能又显著高于实施例1，这表明纳米ZnO、改性氢氧化镁、改性玄武岩纤维和文石型碳酸钙晶须的添加对提高制品的各项性能有明显效果。
作为进一步改进，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料，其特征在于，包括以下质量百分比的各组分：
纳米ZnO 0.5～3％
改性氢氧化镁0.5～3％
改性玄武岩纤维1～5％
文石型碳酸钙晶须1～5％
抗氧化剂0.1～1％
耐热剂0.1～1％
抗辐射剂0.1～1％
余量为HDPE。
2.根据权利要求1所述的一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料，其特征在于，改性氢氧化镁的制备方法为：采用苏打法制备浓度为10～15％的氢氧化镁浆液，然后将浆液与硅酮耦合剂进行反应得到改性氢氧化镁，所述反应温度为60～80℃，反应时间为4～6h。
3.根据权利要求1所述的一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料，其特征在于，改性玄武岩纤维的制备方法为：对玄武岩纤维进行酸洗处理和偶联剂改性处理得到改性玄武岩纤维。
4.根据权利要求1所述的一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料，其特征在于，所述的文石型碳酸钙晶须的尺寸为5～15μm,长宽比为8:1。
5.根据权利要求1所述的一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料，其特征在于，所述的抗氧化剂为1010型酚醛抗氧化剂、168型磷酸酯抗氧化剂或2246型苯并三唑抗氧化剂中的一种或几种的组合物。
6.根据权利要求1所述的一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料，其特征在于，所述的耐热剂为烷基磷酸酯和聚氧化丙烯的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料，其特征在于，所述的抗辐射剂为络合型有机硅-氮化硼。
8.根据权利要求3所述的一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料，其特征在于，制备方法还包括以下步骤：
S1：玄武岩矿石经过破碎，并热处理在1450-1600度的高温熔盐炉中，制备粗玄武岩纤维。
S2：将玄武岩纤维在酸性溶液中浸泡，控制pH2～3以去除纤维表面的杂质，酸洗时间为24h；
S3：酸洗后的纤维过水洗，以去除残余的酸；洗涤后，将纤维在60度-80度的环境中干燥。
S4：将干燥后的纤维浸泡在硅烷偶联剂溶液中3～5h；
S5：最后进行干燥。
9.如权利要求1～8所述的一种用于核电系统管道的高密度聚乙烯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将纳米ZnO、改性氢氧化镁、改性玄武岩纤维、文石型碳酸钙晶须、抗氧化剂、耐热剂、抗辐射剂和HDPE按照特定的重量比例混合，通过高速搅拌机进行预处理以确保均匀分散，搅拌时间约为30分钟；
S2：将预处理后的混合物放入双螺杆挤出机进行加热熔融处理，将其加热到180～200℃，熔融过程中持续搅拌约2小时；
S3：使用单螺杆挤出机进行挤出成型，挤出速度为5-10mm/s，挤出压力为10-20MPa；
S4：将挤出或注塑成型后的产品进行冷却固化，冷却时间约为2小时，然后进行后处理工艺得到高密度聚乙烯材料管道。
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