CN117363026A - 地下通信管道用纳米改性的聚乙烯塑料管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地下通信管道用纳米改性的聚乙烯塑料管及其制备方法，所述聚乙烯塑料管包括高密度聚乙烯材质的管线主体和紧贴所述管线主体的内壁的润滑减磨层；所述管线主体包括管体以及嵌入所述管体内部的具有连续结构的增强骨架，所述润滑减磨层的主体材料为硅酮，所述润滑减磨层内分散有纳米氧化铝颗粒。本发明在管线主体的内壁复合一层润滑减磨层，降低成型挤出过程中高密度聚乙烯熔体与挤出模头之间的摩擦，从而减小高密度聚乙烯熔体的流动阻力，提高高密度聚乙烯材料的加工成型能力，确保生产良品率。
Description
技术领域
本发明属于通信管技术领域，涉及一种地下通信管道用纳米改性的聚乙烯塑料管及其制备方法。
背景技术
地下通信管道是以高密度聚乙烯为主要原材料，经单螺杆挤出机挤出成型的单壁管材，以高密度聚乙烯作为原料制备得到地下通信管道具有超高的耐磨性，在强腐蚀和高磨损条件下的使用寿命是钢管的4-6倍，在井下的使用寿命超过20年，具备显著的经济效益。
申请公开号为CN106084429A的中国专利文献公开了一种地下通信管道用塑料管及其制备方法，包括：100级及100级以上高密度聚乙烯：80%-90%；含碳量大于等于0.6%的高碳钢：1%-5%；硅微粉：4%-9%；无卤阻燃剂：1%-5%；UV抗老化剂：1%-4%；将上述组分混合均匀后加入单螺杆挤压机成形，水冷后切割即得成品。但该技术方案制备得到的塑料管的抗外压能力较差，导致使用寿命较低。
申请公开号为CN110571748A的中国专利文献公开了一种地下通信管道用耐热耐磨高韧性PVC实壁管，包括外至内依次同圆心设置的保护层、绝缘层、过渡层与弹性层，所述过渡层设为氧化铝陶瓷层，所述绝缘层聚氯乙烯推挤于过渡层的表面上，其中，所述绝缘层由以下生产工艺获得：配料与混料；预压；挤出成型；定型冷却；形成聚氯乙烯基管。但该技术方案制备得到的PVC实壁管的内壁光滑程度较低，小角度施工时容易折扁。
综上，以高密度聚乙烯为主要材料制备得到的聚乙烯塑料管的抗外压性能差，内壁光滑程度较低，小角度施工时容易折扁。因此，亟需设计一种新型的聚乙烯塑料管以解决上述技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种地下通信管道用纳米改性的聚乙烯塑料管及其制备方法，在管线主体的内壁复合一层润滑减磨层，降低成型挤出过程中高密度聚乙烯熔体与挤出模头之间的摩擦，从而减小高密度聚乙烯熔体的流动阻力，提高高密度聚乙烯材料的加工成型能力，确保生产良品率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种地下通信管道用纳米改性的聚乙烯塑料管，所述聚乙烯塑料管包括高密度聚乙烯材质的管线主体和紧贴所述管线主体的内壁的润滑减磨层；
所述管线主体包括管体以及嵌入所述管体内部的具有连续结构的增强骨架，所述润滑减磨层的主体材料为硅酮，所述润滑减磨层内分散有纳米氧化铝颗粒。
高密度聚乙烯在加工熔融之后具有较高的黏度，熔融的高密度聚乙烯在通过模头的浇口和狭缝时必定与模头的内表面产生摩擦，高密度聚乙烯的高分子之间也有因相对运动产生摩擦。严重的摩擦对材料加工是很不利的，这些摩擦会使高密度聚乙烯熔体的流动受阻，同时会使成品聚乙烯塑料管表面变得粗糙，缺乏光泽或出现流纹。严重的摩擦也会导致螺杆挤出装置的扭矩提高，使得加工设备部件严重磨损，设备使用寿命减短，加工能耗增加。因此，本发明在管线主体的内壁复合一层润滑减磨层，降低成型挤出过程中高密度聚乙烯熔体与挤出模头之间的摩擦，从而减小高密度聚乙烯熔体的流动阻力，提高高密度聚乙烯材料的加工成型能力，确保生产良品率。
本发明在润滑减磨层中添加了纳米氧化铝颗粒，纳米氧化铝颗粒进入摩擦副中可以发挥微轴承作用，将部分滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低了润滑减磨层的摩擦表面的摩擦磨损。同时，一部分纳米氧化铝颗粒在摩擦过程中生成了易于剪切的润滑膜，此外，纳米氧化铝颗粒还可以对摩擦表面的凹陷处进行填充，降低了润滑减磨层摩擦表面的表面粗糙度，减小的摩擦阻力，起到了良好的润滑效果，降低了摩擦磨损。
本发明以热塑性高密度聚乙烯作为管体的主要材料，以高强度的柔性增强骨架嵌入其中作为聚乙烯塑料管的增强体，由于高强度的柔性增强骨架被包覆在连续的高密度聚乙烯材质的管体中，赋予了聚乙烯塑料管优异的耐压性能和机械性能，小角度施工时也能有效保证聚乙烯塑料管不易折扁，适用于长距离埋地管道通信系统。
作为本发明一种优选的技术方案，所述管线主体沿直径方向的壁厚记为M1，所述润滑减磨层沿直径方向的壁厚记为M2，M1大于M2且满足如下关系：M1:M2=1:(0.1-0.5)，例如可以是1:0.1、1:0.15、1:0.2、1:0.2.5、1:0.3、1:0.3.5、1:0.4、1:0.4.5、1:0.5或1:0.55，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述管线主体分为内管和外管，所述内管和所述外管由内至外依次嵌套并形成整体。
所述增强骨架位于所述内管和所述外管之间，所述增强骨架为缠绕于所述内管的外表面的柔性金属丝网，并至少部分嵌入所述内管的外表面和/或外管的内表面。
作为本发明一种优选的技术方案，所述内管包括如下重量份的各组分：
高密度聚乙烯 70-80份；
润滑剂 1-5份；
偶联剂 1-5份。
其中，高密度聚乙烯的重量份可以是70份、71份、72份、73份、74份、75份、76份、77份、78份、79份或80份；润滑剂的重量份可以是1.0份、1.5份、2.0份、2.5份、3.0份、3.5份、4.0份、4.5份或5.0份；偶联剂的重量份可以是1.0份、1.5份、2.0份、2.5份、3.0份、3.5份、4.0份、4.5份或5.0份，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述外管包括如下重量份的各组分：
高密度聚乙烯 70-80份；
润滑剂 1-5份；
偶联剂 1-5份；
氮化硼纳米片 1.5-2.5份；
纳米纤维素 0.5-1.5份。
其中，高密度聚乙烯的重量份可以是70份、71份、72份、73份、74份、75份、76份、77份、78份、79份或80份；润滑剂的重量份可以是1.0份、1.5份、2.0份、2.5份、3.0份、3.5份、4.0份、4.5份或5.0份；偶联剂的重量份可以是1.0份、1.5份、2.0份、2.5份、3.0份、3.5份、4.0份、4.5份或5.0份；氮化硼纳米片的重量份可以是1.5份、1.6份、1.7份、1.8份、1.9份、2.0份、2.1份、2.2份、2.3份、2.4份或2.5份，纳米纤维素的重量份可以是0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1.0份、1.1份、1.2份、1.3份、1.4份或1.5份，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明通过加入由于氮化硼纳米片可以极大地提高聚乙烯塑料管的抗压能力，但氮化硼纳米片的分子基面光滑，基本没有可以与其他分子发生化学键合的反应基团，只在片层边缘处存在少量的羟基，只有片层边缘可以用来进行化学键合，因此氮化硼纳米片的化学活性极低，难以进行表面修饰，在高密度聚乙烯熔体中的分散性较差。此外，由于氮化硼纳米片含有羟基等亲水性基团，而高密度聚乙烯具有疏水性，二者的极性差别较大，因此，氮化硼纳米片和聚乙烯的界面相容性很差。较低的分散性和较差的界面相容性，使得挤出过程中，氮化硼纳米片在高密度聚乙烯熔体中极易发生团聚或在其与高密度聚乙烯基体的界面处产生空隙，从而导致外管的力学性能严重下降。此外，团聚后的氮化硼纳米片的加入也使得高密度聚乙烯熔体在挤出过程中受到的剪切阻力增大，导致高密度聚乙烯的加工性能降低。
为了解决氮化硼纳米片在熔融的聚乙烯中的分散性和界面相容性差的技术问题，本发明在外管的原料组分中加入了偶联剂、润滑剂和纳米纤维素对外管材料进行全面改性。
在外管原料组分中加入偶联剂可以有效改善氮化硼纳米片和高密度聚乙烯的界面相容性，这是由于偶联剂分子链一端为亲水基团，可与氮化硼纳米片相互吸引，偶联剂的分子链的另一端为疏水基团，可与高密度聚乙烯结合；因此，在混合熔融挤出的过程中偶联剂起到了连接氮化硼纳米片和高密度聚乙烯的化学桥梁作用，从而提高了氮化硼纳米片与高密度聚乙烯之间的界面相容性，使氮化硼纳米片和高密度聚乙烯之间通过偶联剂的化学连接形成有机结合的整体，使得外管内部可以更好地进行应力传递，从而提高了外管整体的力学性能。
润滑剂可以在熔融挤出过程中对氮化硼纳米片进行表面包覆，降低氮化硼纳米片的表面极性，使氮化硼纳米片和高密度聚乙烯之间的排斥作用减弱，进而改善了氮化硼纳米片在聚乙烯中的分散性，使外管的受力更加均匀，减弱了应力集中现象，从而提高了外管的柔韧性。通过偶联剂和润滑剂的协同作用提高了氮化硼纳米片与高密度聚乙烯之间的界面相容性和分散性，最终提高了外管整体的力学性能。
纳米纤维素是指纤维的直径或宽度在1-100m之间的具有纳米尺度的纤维素材料，纳米纤维素可分为纤维素纳米晶、纤维素纳米纤维和细菌纤维素，本发明可以采用纤维素纳米晶或纤维素纳米纤维，优选采用纤维素纳米纤维。纤维素纳米晶与纤维素纳米纤维的主要区别在于长径比不同，纤维素纳米晶的长径比非常低，约为10-100，而纤维素纳米纤维的长径比可达到1000。此外，在制备过程中纤维素纳米晶的非结晶区被破坏，只保留了结晶区，故其呈棒状结构；而纤维素纳米纤维的结晶区和非结晶区在制备过程中同时被保留下来，呈纤维状结构。
在制备所述外管的过程中，以氮化硼纳米片和纳米纤维素组成的混合液为整体进行投料。
需要说明的是，在进行外管原料组分的投加时，并非将全部原料同时投入螺杆挤出装置中，而是先将纤维素分散于去离子水中形成纤维素分散液；随后，将氮化硼加入纤维素分散液中形成悬浮液；最后，对悬浮液进行高压均质，使得悬浮液中的纤维素纳米化，同时氮化硼经剪切分层形成氮化硼纳米片，得到由纳米纤维素和氮化硼纳米片组成的混合液。以纳米纤维素和氮化硼纳米片形成的混合液与高密度聚乙烯、润滑剂和偶联剂一起投入螺杆挤出装置中。
本发明通过引入纳米纤维素，可以作为氮化硼纳米片的分散稳定剂，起到分散氮化硼纳米片的作用，使得高密度聚乙烯熔体中分散的氮化硼纳米片具有较好的取向性。这是由于纤维素纳米纤维具有双亲性，将氮化硼纳米片分散于纳米纤维素溶液中可以通过非共价官能团修饰氮化硼纳米片，在不破坏氮化硼纳米片晶体结构的情况下两者存在强相互作用，从而使氮化硼纳米片在纳米纤维素中得到良好的分散。此外，纳米纤维素与高密度聚乙烯的相容性较高，可以实现从高密度聚乙烯基体到掺杂的氮化硼纳米片增强相的应力传递，从而有效提高外管的力学性能。此外，一维的纳米纤维素还可以作为粘结剂和增强剂，将二维的氮化硼纳米片层层堆叠连接，使二维的纳米片形成三维网络结构，为外管提供足够的机械强度。
但由于纳米纤维素的羟基含量较高，极性较强，在挤出成型的过程中，纳米纤维素分子间因较强的氢键作用而极易发生团聚现象，难以通过物理方法实现再分散。因此，本发明通过加入硅烷偶联剂一方面可以提高氮化硼纳米片与高密度聚乙烯之间的界面相容性；另一方面，还可以对纳米纤维素进行表面修饰。将硅烷偶联剂与混合液一起投料后，硅烷偶联剂在混合液中发生水解生成硅醇，硅醇与纳米纤维素表面的羟基反应生成非常稳定的共价键，从而降低了纳米纤维素分子间的氢键作用，可以有效防止纳米纤维素分子之间发生团聚。但当硅烷偶联剂的添加量超过本发明限定的范围上限时，导致纳米纤维素的硅烷化程度过高，会破坏纳米纤维素的分子链，从而改变纳米纤维素的形貌结构，不利于外管力学性能的提升。
纤维素纳米纤维具有优异的内在力学性能，其结晶形式的理论模量约为100-200GPa，抗拉强度约为4.9-7.5GPa，两个重要的力学性能指标都高于大多数金属、合金、合成聚合物和陶瓷。这种优异的机械强度部分来源于纤维素纳米纤维分子链上丰富的羟基（每个葡萄糖单元上有三个羟基），这有利于在纤维内形成大量的分子间氢键和分子内氢键。由于范德华相互作用的范围比氢键更大，因此范德华相互作用可以大幅提升纤维素纳米纤维的力学性能。此外，由于纤维素纳米纤维具备较高的长径比，在高密度聚乙烯的熔体中还可以发生纤维之间的物理缠绕作用，这也有助于外管机械强度的提升。同时由于纤维素纳米纤维的密度较低，掺入少量的纤维素纳米纤维既可达到理想的增强效果，也不会对外管的重量产生过多影响。
本发明特别限定了外管原料组分中纳米纤维素的重量份为0.5-1.5份，在此重量份范围内可以确保外管具备较高的综合力学性能。随着氮化硼纳米片和纳米纤维素添加量的增加，外管的拉伸强度呈先增加后降低的变化趋势，这是由于在纳米纤维素添加量较低时，聚乙烯熔体可将纳米纤维素完全浸润，纳米纤维素在聚乙烯熔体中得以均匀分散，发生有效的界面结合。但当纳米纤维素的添加量超过1.5份时，纳米纤维素易在高密度聚乙烯熔体中团聚，导致外管基体内部产生缺陷和应力集中现象；同时，纳米纤维素添加量的提高意味着高密度聚乙烯添加量的相对降低，而高密度聚乙烯的力学性能优于纳米纤维素，因此随着高密度聚乙烯添加量的相对降低，会对外管基体的力学性能产生不利影响。
所述润滑剂包括硬脂酸盐、聚乙烯蜡或石蜡中的任意一种或至少两种的组合。
所述偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的任意一种或至少两种的组合。
通过对不同种类的偶联剂的作用机理和实验表现进行对比，本发明特别优选采用硅烷偶联剂，并进一步优选为硅烷偶联剂KH570，采用KH570制备得到的外管的综合力学性能最佳，聚乙烯塑料管的抗拉强度、断裂伸长率和弯曲强度得到了大幅提高。这是由于KH570分子链中的甲基丙烯酰氧基与高密度聚乙烯分子链之间可形成物理交缠结构，KH570分子链中甲氧基水解产生的羟基还可以与氮化硼纳米片上的羟基发生化学反应，提高了高密度聚乙烯和氮化硼纳米片的界面相容性；此外，KH570中含有长碳链，具有增柔增韧和应力转移的作用，从而提高了外管的抗冲击能力。
所述外管和所述内管采用的高密度聚乙烯总量、所述纳米氧化铝颗粒和所述硅酮的质量比为50:(5-10):(1-5)，例如可以是50:5:1、50:6:2、50:7:3、50:8:4、50:9:5、50:10:5、50:6:4、50:7:5、50:8:3、50:9:4，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
添加适量的纳米氧化铝颗粒后可以在润滑减磨层的摩擦表面起到微轴承作用，将原有的滑动摩擦转变为滑动-滚动混合摩擦，避免了内管挤出过程中与模头内壁之间直接接触，降低了摩擦磨损。当纳米氧化铝颗粒的添加量超过本发明限定的范围上限时，润滑减磨层的润滑性能降低，润滑减磨层摩擦表面的摩擦系数迅速增加，磨痕宽度增大，这是由于，随着纳米氧化铝颗粒添加量的增大，纳米氧化铝颗粒之间的间距减小，在范德华力作用下纳米氧化铝颗粒相互吸引导致团聚现象发生，团聚后的纳米氧化铝颗粒在与模头内壁摩擦时，相当于“磨屑”充斥在摩擦表面，在摩擦表面造成摩擦不稳定，导致摩擦系数和磨痕宽度增大，纳米氧化铝颗粒润滑减磨效果大大降低。
第二方面，本发明提供了一种用于制备第一方面所述的聚乙烯塑料管的连续生产系统，所述连续生产系统包括依次设置的第一螺杆挤出装置、内层模头、第一冷却定型装置、内管模头、第二冷却定型装置、金属丝缠绕装置、外管模头、第三冷却定型装置和主牵引装置。
所述内管模头外接第二螺杆挤出装置，通过所述第二螺杆挤出装置对内管的原料组分进行熔融挤出并注入所述内管模头。
所述外管模头外接第三螺杆挤出装置，通过所述第三螺杆挤出装置对外管的原料组分进行熔融挤出并注入所述外管模头。
作为本发明一种优选的技术方案，所述第一冷却定型装置与所述内管模头之间设置有第一辅助牵引装置。
所述第二冷却定型装置与所述金属丝缠绕装置之间设置有第二辅助牵引装置。
所述金属丝缠绕装置的入口端设置有中频加热装置，通过所述中频加热装置对由所述第二冷却定型装置引出的管件的外表面进行加热软化。
本发明提供的聚乙烯塑料管的连续生产系统的工作原理包括：
硅酮母粒和纳米氧化铝颗粒通过第一螺杆挤出装置熔融挤出至内层模头，通过内层模头挤出形成管状结构，经第一冷却定型装置进行冷却定型成为润滑减磨层；
润滑减磨层在第一辅助牵引装置的牵引下连续行进，穿过内管模头的中心通孔；高密度聚乙烯、润滑剂和偶联剂等内管原料组分通过第二螺杆挤出装置熔融挤出至内管模头内，在润滑减磨层穿过内管模头的中心通孔的同时，内管原料组分的熔体通过内管模头均匀包覆在润滑减磨层的外周面，随后进入第二冷却定型装置内进行冷却定型成为内管，得到由润滑减磨层和内管组成的第一中间管体；
第一中间管体在第二辅助牵引装置的牵引下连续行进进入中频加热装置，通过中频加热装置使第一中间管体的外周面快速局部熔融软化，随后通过金属丝缠绕装置在第一中间管体的外周面上缠绕柔性金属丝，柔性金属丝缠绕至软化的第一中间管体的外周面，在冷却后使得柔性金属丝得以嵌入第一中间管体的外周面，最终在第一中间管体的外周面上形成柔性金属丝网，得到由润滑减磨层、内管和柔性金属丝网组成的第二中间管体；进一步地，柔性金属丝的表面可以预先涂抹粘结剂，以利于柔性金属丝与第一中间管体的外周面牢固结合；
第二中间管体在主牵引装置的牵引下连续行进，穿过外管模头的中心通孔；第三螺杆挤出装置将高密度聚乙烯、润滑剂、偶联剂和混合液（包括氮化硼纳米片和纳米纤维素）等外管原料组分熔融挤出至外管模头内；在第二中间管体穿过外管模头中心通孔的同时，外管原料组分的熔体通过外管模头均匀包覆在第二中间管体的外周面，由于此时第二中间管体的外周面在中频加热装置的加热软化后尚未完全凝固，在其外周面再包覆外管原料组分的熔体后冷却可以提高外管与内管之间的界面结合强度；
第二中间管体在主牵引装置的牵引下连续行进进入第三冷却定型装置，通过第三冷却定型装置对外管原料组分的熔体进行冷却定型成为外管，最终得到由内至外依次包覆的润滑减磨层、内管、柔性金属丝网和外管的聚乙烯塑料管。
在生产过程中，借助不同位置的第一辅助牵引装置、第二辅助牵引装置和主牵引装置实现各环节管体的连续行进，确保生产过程连续进行，并可以根据需要的长度随时进行裁切。
第三方面，本发明提供了一种采用第二方面所述的连续生产系统制备第一方面所述的聚乙烯塑料管的制备方法，所述制备方所述制备方法包括：
（Ⅰ）向第一螺杆挤出装置中加入纳米氧化铝颗粒和硅酮，第一螺杆挤出装置对硅酮母料和纳米氧化铝颗粒进行混合熔融挤出，经内层模头和第一冷却定型装置形成润滑减磨层；
（Ⅱ）向第二螺杆挤出装置中按各组分的重量份加入内管的原料，润滑减磨层在主牵引装置的牵拉下进入内管模头，通过第二螺杆挤出装置向内管模头注入内管原料熔体并包覆于润滑减磨层的外表面，经第二冷却定型装置冷却定型后再润滑减磨层的外周形成内管，得到由润滑减磨层和内管组成的第一中间管体；
（Ⅲ）第一中间管体在主牵引装置的牵拉下进入金属丝缠绕装置，通过金属丝缠绕装置在第一中间管体的外表面上缠绕柔性金属丝，以在第一中间管体的外表面形成柔性金属丝网，得到由柔性金属丝网和第一中间管体组成的第二中间管体；
（Ⅳ）向第三螺杆挤出装置中按各组分的重量份加入外管的原料，第二中间管体在主牵引装置的牵拉下进入外管模头，通过第三螺杆挤出装置向外管模头注入外管原料熔体并包覆于第二中间管体的外表面，经第三冷却定型装置冷却定型后在第二中间管体的外周形成外管，得到所述聚乙烯塑料管。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤（Ⅰ）中，所述第一螺杆挤出装置的料筒温度为240-260℃，例如可以是240℃、242℃、244℃、246℃、248℃、250℃、252℃、254℃、256℃、258℃或260℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第一螺杆挤出装置的螺杆转速为200-250r/min，例如可以是200r/min、205r/min、210r/min、215r/min、220r/min、225r/min、230r/min、235r/min、240r/min、245r/min或250r/min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述内层模头的模腔温度为280-300℃，例如可以是280℃、282℃、284℃、286℃、288℃、290℃、292℃、294℃、296℃、298℃或300℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤（Ⅱ）中，所述第二螺杆挤出装置的料筒温度150-170℃，例如可以是150℃、152℃、154℃、156℃、158℃、160℃、162℃、164℃、166℃、168℃或170℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第二螺杆挤出装置的螺杆转速为160-200r/min，例如可以是160r/min、165r/min、170r/min、175r/min、180r/min、185r/min、190r/min、195r/min或200r/min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述内管模头的模腔温度为180-220℃，例如可以是180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃、215℃或220℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤（Ⅲ）中，所述第一中间管体由所述第二冷却定型装置引出后进入中频加热装置，所述中频加热装置对所述第一中间管体的外表面进行加热软化，所述柔性金属丝缠绕于加热软化后的所述第一中间管体的外表面，冷却后使得所述柔性金属丝至少部分嵌入所述第一中间管体的外表面。
所述中频加热装置的加热温度为80-100℃，例如可以是80℃、82℃、84℃、86℃、88℃、90℃、92℃、94℃、96℃、98℃或100℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
步骤（Ⅲ）中，在缠绕所述柔性金属丝的过程中，与所述第一中间管体的牵拉方向相同的移动方向为正方向，与所述第一中间管体的牵拉方向相反的移动方向为反方向，采用两根所述柔性金属丝分别沿正方向和反方向同时在所述第一中间管体的外表面上螺旋缠绕，从而在所述第一中间管体的外表面形成交叉的柔性金属丝网。
单根所述柔性金属丝的缠绕长度为所述聚乙烯塑料管的总长度的3-5倍，例如可以是3倍、4倍或5倍，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述柔性金属丝的直径为0.5-1.0mm，例如可以是0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm、0.8mm、0.85mm、0.9mm、0.95mm或1.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤（Ⅳ）中，在向所述第三螺杆挤出装置内投料前，先配制由氮化硼纳米片和纳米纤维素组成的混合液，随后将高密度聚乙烯、润滑剂、偶联剂和混合液按各组分的质量比投入所述第三螺杆挤出装置中。
所述混合液的配制过程包括：
首先，将纤维素分散于去离子水中形成纤维素分散液；随后，将氮化硼加入纤维素分散液中形成悬浮液；最后，对悬浮液进行高压均质，使得悬浮液中的纤维素纳米化形成纳米纤维素，同时，氮化硼经剪切分层形成氮化硼纳米片，得到由纳米纤维素和氮化硼纳米片组成的混合液。
在高压均质过程中，氮化硼的厚度和横向尺寸减小，形成了氮化硼纳米片，其边缘产生了大量的-NH2和B-OH，这些基团的亲水性和水合作用共同提高了氮化硼纳米片在混合液中的分散稳定性。此外，高压均质后形成的纳米纤维素的尺寸显著下降，其上大量的-COO-和-OH暴露，这些基团能与氮化硼纳米片上的-NH和B-OH形成大量氢键，进一步提高了氮化硼纳米片在混合液中的分散稳定性。此外，纳米纤维素的存在还降低了氮化硼纳米片通过布朗运动聚集的概率，进一步提高了氮化硼纳米片在高密度聚乙烯熔体中的分散性。
所述纤维素分散液的质量分数为0.5-1.5wt%，例如可以是0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%、0.9wt%、1.0wt%、1.1wt%、1.2wt%、1.3wt%、1.4wt%或1.5wt%，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述高压均质的压力为500-1000bar，例如可以是500bar、550bar、600bar、650bar、700bar、750bar、800bar、850bar、900bar、950bar或1000bar，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述高压均质的次数为5-10次，例如可以是5次、6次、7次、8次、9次或10次，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
步骤（Ⅳ）中，所述第三螺杆挤出装置的料筒温度150-170℃，例如可以是150℃、152℃、154℃、156℃、158℃、160℃、162℃、164℃、166℃、168℃或170℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第三螺杆挤出装置的螺杆转速为160-200r/min，例如可以是160r/min、165r/min、170r/min、175r/min、180r/min、185r/min、190r/min、195r/min或200r/min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述外管模头的模腔温度为180-220℃，例如可以是180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃、215℃或220℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
利用第三螺杆挤出装置制备得到的外管，其力学性能不仅受外管原料中各组分的固有性质以及各组分配比的影响，同时，第三螺杆挤出装置的料筒温度和螺杆转速也会影响各组分之间的共混效果，进而对外管的综合力学性能产生影响。因此，本发明除了对外管原料组分配比进行优化调整外，还对第三螺杆挤出装置的料筒温度和螺杆转速进行了优化，以提高外管的综合力学性能。
本发明特别限定了第三螺杆挤出装置的料筒温度150-170℃，随料筒温度的升高，外管的拉伸强度呈先增大后降低的变化趋势。这是由于料筒温度低于150℃时，高密度聚乙烯熔融不充分，流动性较差，与氮化硼纳米片和纳米纤维素无法充分混合包覆，导致高密度聚乙烯、氮化硼纳米片和纳米纤维素三者之间的界面结合效果较差，最终影响了外管的力学性能。随料筒温度的升高，高密度聚乙烯完全熔融形成熔体，氮化硼纳米片和纳米纤维素可以在高密度聚乙烯熔体中分散均匀，使得高密度聚乙烯、氮化硼纳米片和纳米纤维素三者之间的界面结合能力增强。当料筒温度进一步提高至170℃以上时，纳米纤维素开始糊化并发生热分解，导致挤出成型的外管的颜色变深，也会对外管的力学性能产生负面影响。
本发明特别限定了第三螺杆挤出装置的螺杆转速为160-200r/min，随着螺杆转速的提高，外管的拉伸强度呈先增大后降低的变化趋势。这是由于，在本发明限定的螺杆转速范围内，纳米纤维素在螺杆的剪切力作用下截面变细，表面积增大，能够与高密度聚乙烯均匀混合。但螺杆转速继续提高至200r/min以上时，螺杆旋转产生的剪切力过大，会将纳米纤维素撕裂，导致纳米纤维素的表面受损，纤维结构被破坏，力学增强能力降低。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明在管线主体的内壁复合一层润滑减磨层，降低成型挤出过程中高密度聚乙烯熔体与挤出模头之间的摩擦，从而减小高密度聚乙烯熔体的流动阻力，提高高密度聚乙烯材料的加工成型能力，确保生产良品率。
本发明在润滑减磨层中添加了纳米氧化铝颗粒，纳米氧化铝颗粒进入摩擦副中可以发挥微轴承作用，将部分滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低了润滑减磨层的摩擦表面的摩擦磨损。同时，一部分纳米氧化铝颗粒在摩擦过程中生成了易于剪切的润滑膜，此外，纳米氧化铝颗粒还可以对摩擦表面的凹陷处进行填充，降低了润滑减磨层摩擦表面的表面粗糙度，减小的摩擦阻力，起到了良好的润滑效果，降低了摩擦磨损。
本发明以热塑性高密度聚乙烯作为管体的主要材料，以高强度的柔性增强骨架嵌入其中作为聚乙烯塑料管的增强体，由于高强度的柔性增强骨架被包覆在连续的高密度聚乙烯材质的管体中，赋予了聚乙烯塑料管优异的耐压性能和机械性能，小角度施工时也能有效保证聚乙烯塑料管不易折扁，适用于长距离埋地管道通信系统。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的聚乙烯塑料管的连续生产系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1-11制备得到的聚乙烯塑料管的截面结构示意图；
图3为本发明实施例1制备得到的聚乙烯塑料管的内壁磨损后微观形貌；
图4为本发明对比例1制备得到的聚乙烯塑料管的内壁磨损后微观形貌；
其中，1-第一螺杆挤出装置；2-内层模头；3-第一冷却定型装置；4-第一辅助牵引装置；5-内管模头；6-第二螺杆挤出装置；7-第二冷却定型装置；8-第二辅助牵引装置；9-中频加热装置；10-金属丝缠绕装置；11-外管模头；12-第三螺杆挤出装置；13-第三冷却定型装置；14-主牵引装置；15-外管；16-增强骨架；17-内管；18-润滑减磨层。
具体实施方式
下面结合具体实施例及其附图，对本发明技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种纳米改性的聚乙烯塑料管，如图2所示，所述聚乙烯塑料管包括高密度聚乙烯材质的管线主体和紧贴管线主体的内壁的润滑减磨层18，管线主体沿直径方向的壁厚记为M1，润滑减磨层18沿直径方向的壁厚记为M2，M1大于M2且满足如下关系：M1:M2=1:(0.1-0.5)。润滑减磨层18的主体材料为硅酮，润滑减磨层18内分散有纳米氧化铝颗粒。
进一步地，管线主体分为内管17和外管15，内管17和外管15由内至外依次嵌套并形成整体；内管17和外管15之间设置有增强骨架16，增强骨架16为缠绕于内管17的外表面的柔性金属丝网，并至少部分嵌入内管17的外表面和/或外管15的内表面。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种用于制备上述聚乙烯塑料管的连续生产系统，如图1所示，所述连续生产系统包括依次设置的第一螺杆挤出装置1、内层模头2、第一冷却定型装置3、内管模头5、第二冷却定型装置7、金属丝缠绕装置10、外管模头11、第三冷却定型装置13和主牵引装置14；
进一步地，内管模头5外接第二螺杆挤出装置6，通过第二螺杆挤出装置6向内管模头5内注入内管17原料熔体；外管模头11外接第三螺杆挤出装置12，通过第三螺杆挤出装置12向外管模头11内注入外管15原料熔体。
进一步地，第一冷却定型装置3与内管模头5之间设置有第一辅助牵引装置4；第二冷却定型装置7与金属丝缠绕装置10之间设置有第二辅助牵引装置8；金属丝缠绕装置10的入口端设置有中频加热装置9，通过中频加热装置9对由第二冷却定型装置7引出的管件的外表面进行加热软化。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种采用上述连续生产系统制备聚乙烯塑料管的制备方法，所述制备方法包括：
（1）向第一螺杆挤出装置1中加入纳米氧化铝颗粒和硅酮并熔融挤出，第一螺杆挤出装置1的料筒温度设定为240-260℃，螺杆转速设定为200-250r/min，经内层模头2和第一冷却定型装置3形成润滑减磨层18，内层模头2的模腔温度设定为280-300℃；
（2）向第二螺杆挤出装置6中加入如下重量份的各组分：70-80份高密度聚乙烯、1-5份润滑剂以及1-5份偶联剂；第二螺杆挤出装置6的料筒温度设定为150-170℃，螺杆转速设定160-200r/min；润滑减磨层18在主牵引装置14的牵拉下进入内管模头5，内管模头5的模腔温度设定为180-220℃，经第二冷却定型装置7形成由润滑减磨层18和内管17组成的第一中间管体；
（3）第一中间管体由第二冷却定型装置7引出后进入中频加热装置9，中频加热装置9对第一中间管体的外表面加热至80-100℃，使得软化第一中间管体的外表面软化；
（4）第一中间管体在主牵引装置14的牵拉下由中频加热装置9送入金属丝缠绕装置10，采用两根直径为0.5-1.0mm的柔性金属丝分别沿正向和反向同时在第一中间管体软化后的外表面上螺旋等距均匀缠绕，单根柔性金属丝的缠绕长度为聚乙烯塑料管的总长度的3-5倍，最终得到由柔性金属丝网和第一中间管体组成的第二中间管体；
（5）将纤维素分散于去离子水中形成0.5-1.5wt%的纤维素分散液；随后，将氮化硼加入纤维素分散液中形成悬浮液；最后，对悬浮液在500-1000bar下进行高压均质5-10次，使得悬浮液中的纤维素纳米化得到纤维素纳米纤维，同时氮化硼经剪切分层形成氮化硼纳米片，得到由纤维素纳米纤维和氮化硼纳米片组成的混合液；
（6）向第三螺杆挤出装置12中加入如下重量份的各组分：70-80份高密度聚乙烯、1-5份润滑剂、1-5份偶联剂、1.5-2.5份氮化硼纳米片和0.5-1.5份纤维素纳米纤维，其中，纤维素纳米纤维和氮化硼纳米片以步骤（5）得到的混合液投料；第三螺杆挤出装置12的料筒温度设定为150-170℃，螺杆转速设定为160-200r/min；第二中间管体在主牵引装置14的牵拉下进入外管模头11，外管模头11的模腔温度设定为180-220℃；经第三冷却定型装置13冷却定型后得到所述聚乙烯塑料管。
本发明实施例1-11以及对比例1-2中采用的主要化学试剂的制造商、产品牌号等参数信息如下：
高密度聚乙烯：型号DMDA-8920，中石化独山子石化有限公司；
KH550硅烷偶联剂：化学纯，青岛旭昕化工有限公司；
KH560硅烷偶联剂：化学纯，青岛旭昕化工有限公司；
KH570硅烷偶联剂：化学纯，青岛旭昕化工有限公司；
纳米氧化铝颗粒：型号BRD001-N50，粒径范围30-50nm，苏州贝尔德新材料科技有限公司；
硅酮（母粒）：型号KJ-A02，杭州凯杰塑料科技有限公司；
氮化硼：型号B802369，上海麦克林生化科技股份有限公司；
硬脂酸钠：型号S817803，上海麦克林生化科技股份有限公司；
聚乙烯蜡：型号AC330，美国霍尼韦尔HONEYWELL；
石蜡：型号P815701，上海麦克林生化科技股份有限公司；
纤维素：型号微纤化纤维素（MFC），纤维直径为100-1000nm，纤维长度＞20μm，桂林奇宏科技有限公司。
实施例1
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
（1）向第一螺杆挤出装置1中加入纳米氧化铝颗粒和硅酮并熔融挤出，第一螺杆挤出装置1的料筒温度设定为240℃，螺杆转速设定为200r/min，经内层模头2和第一冷却定型装置3形成润滑减磨层18，内层模头2的模腔温度设定为280℃；
（2）向第二螺杆挤出装置6中加入如下重量份的各组分：70份高密度聚乙烯、1份硬脂酸钠以及1份KH550；第二螺杆挤出装置6的料筒温度设定为150℃，螺杆转速设定160r/min；润滑减磨层18在主牵引装置14的牵拉下进入内管模头5，内管模头5的模腔温度设定为180℃，经第二冷却定型装置7形成由润滑减磨层18和内管17组成的第一中间管体；
（3）第一中间管体由第二冷却定型装置7引出后进入中频加热装置9，中频加热装置9对第一中间管体的外表面加热至80℃，使得软化第一中间管体的外表面软化；
（4）第一中间管体在主牵引装置14的牵拉下由中频加热装置9送入金属丝缠绕装置10，采用两根直径为0.5mm的柔性钢丝分别沿正向和反向同时在第一中间管体软化后的外表面上螺旋等距均匀缠绕，单根柔性钢丝的缠绕长度为聚乙烯塑料管的总长度的3倍，最终得到由柔性金属丝网和第一中间管体组成的第二中间管体；
（5）将纤维素分散于去离子水中形成0.5wt%的纤维素分散液；随后，将氮化硼加入纤维素分散液中形成悬浮液；最后，对悬浮液在1000bar下进行高压均质5次，使得悬浮液中的纤维素纳米化得到纤维素纳米纤维，同时氮化硼经剪切分层形成氮化硼纳米片，得到由纤维素纳米纤维和氮化硼纳米片组成的混合液；
（6）向第三螺杆挤出装置12中加入如下重量份的各组分：70份高密度聚乙烯、1份硬脂酸钠、1份KH550、1.5份氮化硼纳米片和0.5份纤维素纳米纤维，其中，纤维素纳米纤维和氮化硼纳米片以步骤（5）得到的混合液投料；第三螺杆挤出装置12的料筒温度设定为150℃，螺杆转速设定为160r/min；第二中间管体在主牵引装置14的牵拉下进入外管模头11，外管模头11的模腔温度设定为180℃；经第三冷却定型装置13冷却定型后得到如图2所示的聚乙烯塑料管。
制备得到的聚乙烯塑料管中的高密度聚乙烯总量、纳米氧化铝颗粒和硅酮的质量比为50:5:1。管线主体沿直径方向的壁厚记为M1，润滑减磨层18沿直径方向的壁厚记为M2，M1和M2满足如下关系：M1:M2=1:0.1。
具体地，聚乙烯塑料管的总长度为10m，管线主体的外径（直径）为220mm，管线主体的内径（直径）为200mm，管线主体的壁厚M1为10mm，其中，管线主体包括内管17、由柔性金属丝缠绕形成的增强骨架16以及外管15，内管17的壁厚为6mm，增强骨架16的厚度为1mm，外管15的厚度为3mm。润滑减磨层18的壁厚M2为1mm。
实施例2
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
（1）向第一螺杆挤出装置1中加入纳米氧化铝颗粒和硅酮并熔融挤出，第一螺杆挤出装置1的料筒温度设定为250℃，螺杆转速设定为220r/min，经内层模头2和第一冷却定型装置3形成润滑减磨层18，内层模头2的模腔温度设定为290℃；
（2）向第二螺杆挤出装置6中加入如下重量份的各组分：75份高密度聚乙烯、3份聚乙烯蜡以及3份KH570；第二螺杆挤出装置6的料筒温度设定为160℃，螺杆转速设定180r/min；润滑减磨层18在主牵引装置14的牵拉下进入内管模头5，内管模头5的模腔温度设定为200℃，经第二冷却定型装置7形成由润滑减磨层18和内管17组成的第一中间管体；
（3）第一中间管体由第二冷却定型装置7引出后进入中频加热装置9，中频加热装置9对第一中间管体的外表面加热至90℃，使得软化第一中间管体的外表面软化；
（4）第一中间管体在主牵引装置14的牵拉下由中频加热装置9送入金属丝缠绕装置10，采用两根直径为0.8mm的柔性钢丝分别沿正向和反向同时在第一中间管体软化后的外表面上螺旋等距均匀缠绕，单根柔性钢丝的缠绕长度为聚乙烯塑料管的总长度的4倍，最终得到由柔性金属丝网和第一中间管体组成的第二中间管体；
（5）将纤维素分散于去离子水中形成1wt%的纤维素分散液；随后，将氮化硼加入纤维素分散液中形成悬浮液；最后，对悬浮液在700bar下进行高压均质7次，使得悬浮液中的纤维素纳米化得到纤维素纳米纤维，同时氮化硼经剪切分层形成氮化硼纳米片，得到由纤维素纳米纤维和氮化硼纳米片组成的混合液；
（6）向第三螺杆挤出装置12中加入如下重量份的各组分：75份高密度聚乙烯、3份聚乙烯蜡、3份KH570、2份氮化硼纳米片和1份纤维素纳米纤维，其中，纤维素纳米纤维和氮化硼纳米片以步骤（5）得到的混合液投料；第三螺杆挤出装置12的料筒温度设定为160℃，螺杆转速设定为180r/min；第二中间管体在主牵引装置14的牵拉下进入外管模头11，外管模头11的模腔温度设定为200℃；经第三冷却定型装置13冷却定型后得到如图2所示的聚乙烯塑料管。
制备得到的聚乙烯塑料管中的高密度聚乙烯总量、纳米氧化铝颗粒和硅酮的质量比为50:7:3。管线主体沿直径方向的壁厚记为M1，润滑减磨层18沿直径方向的壁厚记为M2，M1和M2满足如下关系：M1:M2=1:0.3。
具体地，聚乙烯塑料管的总长度为15m，管线主体的外径（直径）为230mm，管线主体的内径（直径）为210mm，管线主体的壁厚M1为10mm，其中，管线主体包括内管17、由柔性金属丝缠绕形成的增强骨架16以及外管15，内管17的壁厚为5.4mm，增强骨架16的厚度为1.6mm，外管15的厚度为3mm。润滑减磨层18的壁厚M2为3mm。
实施例3
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
（1）向第一螺杆挤出装置1中加入纳米氧化铝颗粒和硅酮并熔融挤出，第一螺杆挤出装置1的料筒温度设定为260℃，螺杆转速设定为250r/min，经内层模头2和第一冷却定型装置3形成润滑减磨层18，内层模头2的模腔温度设定为300℃；
（2）向第二螺杆挤出装置6中加入如下重量份的各组分：80份高密度聚乙烯、5份石蜡以及5份KH560；第二螺杆挤出装置6的料筒温度设定为170℃，螺杆转速设定200r/min；润滑减磨层18在主牵引装置14的牵拉下进入内管模头5，内管模头5的模腔温度设定为220℃，经第二冷却定型装置7形成由润滑减磨层18和内管17组成的第一中间管体；
（3）第一中间管体由第二冷却定型装置7引出后进入中频加热装置9，中频加热装置9对第一中间管体的外表面加热至100℃，使得软化第一中间管体的外表面软化；
（4）第一中间管体在主牵引装置14的牵拉下由中频加热装置9送入金属丝缠绕装置10，采用两根直径为1.0mm的柔性钢丝分别沿正向和反向同时在第一中间管体软化后的外表面上螺旋等距均匀缠绕，单根柔性钢丝的缠绕长度为聚乙烯塑料管的总长度的5倍，最终得到由柔性金属丝网和第一中间管体组成的第二中间管体；
（5）将纤维素分散于去离子水中形成1.5wt%的纤维素分散液；随后，将氮化硼加入纤维素分散液中形成悬浮液；最后，对悬浮液在500bar下进行高压均质10次，使得悬浮液中的纤维素纳米化得到纤维素纳米纤维，同时氮化硼经剪切分层形成氮化硼纳米片，得到由纤维素纳米纤维和氮化硼纳米片组成的混合液；
（6）向第三螺杆挤出装置12中加入如下重量份的各组分：80份高密度聚乙烯、5份石蜡、5份KH560、2.5份氮化硼纳米片和1.5份纤维素纳米纤维，其中，纤维素纳米纤维和氮化硼纳米片以步骤（5）得到的混合液投料；第三螺杆挤出装置12的料筒温度设定为170℃，螺杆转速设定为200r/min；第二中间管体在主牵引装置14的牵拉下进入外管模头11，外管模头11的模腔温度设定为220℃；经第三冷却定型装置13冷却定型后得到如图2所示的聚乙烯塑料管。
制备得到的聚乙烯塑料管中的高密度聚乙烯总量、纳米氧化铝颗粒和硅酮的质量比为50:10:5。管线主体沿直径方向的壁厚记为M1，润滑减磨层18沿直径方向的壁厚记为M2，M1和M2满足如下关系：M1:M2=1:0.5。
具体地，聚乙烯塑料管的总长度为20m，管线主体的外径（直径）为230mm，管线主体的内径（直径）为200mm，管线主体的壁厚M1为15mm，其中，管线主体包括内管17、由柔性金属丝缠绕形成的增强骨架16以及外管15，内管17的壁厚为8mm，增强骨架16的厚度为2mm，外管15的厚度为5mm。润滑减磨层18的壁厚M2为7.5mm。
实施例4
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤（6）中，氮化硼纳米片的重量份调整为1份，其他工艺参数和操作步骤与实施例1完全相同。制备得到的聚乙烯塑料管的尺寸参数与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤（6）中，氮化硼纳米片的重量份调整为3份，其他工艺参数和操作步骤与实施例1完全相同。制备得到的聚乙烯塑料管的尺寸参数与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤（6）中，纤维素纳米纤维的重量份调整为0.1份，其他工艺参数和操作步骤与实施例1完全相同。制备得到的聚乙烯塑料管的尺寸参数与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤（6）中，纳米纤维素的重量份调整为2份，其他工艺参数和操作步骤与实施例1完全相同。制备得到的聚乙烯塑料管的尺寸参数与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤（6）中，第三螺杆挤出装置12的料筒温度调整为130℃，其他工艺参数和操作步骤与实施例1完全相同。制备得到的聚乙烯塑料管的尺寸参数与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤（6）中，第三螺杆挤出装置12的料筒温度调整为180℃，其他工艺参数和操作步骤与实施例1完全相同。制备得到的聚乙烯塑料管的尺寸参数与实施例1相同。
实施例10
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤（6）中，第三螺杆挤出装置12的螺杆转速调整为150r/min，其他工艺参数和操作步骤与实施例1完全相同。制备得到的聚乙烯塑料管的尺寸参数与实施例1相同。
实施例11
本实施例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤（6）中，第三螺杆挤出装置12的螺杆转速调整为220r/min，其他工艺参数和操作步骤与实施例1完全相同。制备得到的聚乙烯塑料管的尺寸参数与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，与实施例1的区别在于，省去步骤（1），制备得到的聚乙烯塑料管仅包括内管17、增强骨架16和外管15，不含润滑减磨层18，其他工艺参数和操作步骤与实施例1完全相同。制备得到的聚乙烯塑料管的总长度为10m，管线主体的外径（直径）为220mm，管线主体的内径（直径）为200mm，管线主体的壁厚为10mm，内管17的壁厚为6mm，增强骨架16的厚度为1mm，外管15的厚度为3mm。
对实施例1和对比例1制备得到的聚乙烯塑料管的内壁进行磨损测试，使用的测试设备为多功能摩擦磨损实验机，选用往复模块进行实验，载荷为30N，速度为0.04m/s，通过超景深显微镜观测聚乙烯塑料管内壁的磨痕宽度，磨损后的内壁微观形貌如图3（实施例1）和图4所示（对比例1），对比可以看出，实施例1制备得到的聚乙烯塑料管内壁的磨痕宽度更小，表明本发明制备得到的聚乙烯塑料管的内壁具备更优异的润滑减磨能力。
对比例2
本对比例提供了一种聚乙烯塑料管的制备方法，具体包括如下步骤：
将70份高密度聚乙烯、1份硬脂酸钠以及1份KH550投入螺杆挤出装置中，螺杆挤出装置的料筒温度设定为150℃，螺杆转速设定为160r/min，通过螺杆挤出成型得到所述聚乙烯塑料管。
最终制备得到的聚乙烯塑料管的总长度为10m，外径（直径）为220mm，内径（直径）为200mm，壁厚为10mm。
对实施例1和对比例2提供的聚乙烯塑料管的各项综合性能进行测试，测试方法或测试标准如下：
（1）落锤冲击试验：参照标准GB/T 14153-1993《硬质塑料落锤冲击试验方法 通则》中提供的通过法对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管进行测试，使用一定质量的落锤在规定高度下冲击试样。
（2）扁平试验：参照标准YD/T841.1-2016《地下通信管道用塑料管 第1部分：总则》（见5.6）对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管进行扁平试验，采用的测试仪器包括万能试验机，测试条件为：试样长度(200±1)mm，压缩速率(10±2)mm/min。
（3）环刚度：参照标准GB/T 9647-2015《热塑性塑料管材 环刚度的测定》对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管的环刚度进行测试，采用的测试仪器包括万能试验机，测试条件为：试样长度(200±1)mm，压缩速率(2±0.4)mm/min。
（4）复原率：参照标准YD/T 1460.2-2006《通信用气吹微型光缆及光纤单元 第2部分：外保护管》（见5.8、5.9、5.10）对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管的复原率进行测试，采用的测试仪器包括万能试验机，测试条件为：试样长度(200±1)mm，压缩速率(100±5)mm/min。
（5）拉伸强度和断裂伸长率：参照标准GB/T 8804.1-2003《热塑性塑料管材 拉伸性能测定 第1部分：试验方法总则》对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管的拉伸强度和断裂伸长率进行测试，将塑料管制成外径为50mm、厚度为5mm、长度为100mm的试样，测试环境温度为23℃，采用拉伸试验机进行试验，试验速度为50mm/min。
（6）纵向回缩率：参照标准GB/T 6671-2001《热塑性塑料管材 纵向回缩率的测定》对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管的纵向回缩率进行测试，采用的测试仪器包括电热鼓风干燥箱，测试条件为：取三个试样，长度(200±20)mm，试验温度110℃，试验时长60min。
（7）连接密封性：参照标准YD/T841.1-2016《地下通信管道用塑料管 第1部分：总则》（见5.15）对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管的连接密封性进行测试，采用的测试仪器包括管材耐压试验机和密封夹具，测试条件为：室温下，充满水加压到50kPa保持24h。
（8）高温灼烧残留物：参照标准YD/T841.1-2016《地下通信管道用塑料管 第1部分：总则》对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管的高温灼烧残留物进行测试，采用的测试仪器包括燃烧试验仪和天平，测试条件为：600±20℃下灼烧20min。
（9）热老化扁平试验：参照标准YD/T841.1-2016《地下通信管道用塑料管 第1部分：总则》（见5.19）对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管进行热老化扁平试验，采用的测试仪器包括高温箱、万能拉力试验机和平板夹具，测试条件为：试样长度200±5mm，热老化处理温度100±2℃，时间7天。
（10）外壁硬度：参照标准GB/T 2411-2008《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）》对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管的外壁硬度进行测试。
（11）静摩擦系数：参照标准GB/T 10006-2021《塑料 薄膜和薄片 摩擦系数的测定》对实施例1和对比例2制备得到的聚乙烯塑料管的静摩擦系数进行测试。
（12）转弯半径：塑料管的转弯半径是指塑料管在最大弯折时的曲率半径，在测试转弯半径时，固定塑料管的一端，通过弯管机弯折塑料管的另一端直至达到最大弯折角度时停止（维持塑料管不变形时即为最大弯折角度），测试此时塑料管的曲率半径，测试结果为塑料管直径（D）的倍数。
以上测试结果如表1所示。
表1实施例1和对比例2提供的聚乙烯塑料管的综合性能测试结果
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按照上述测试方法或测试标准对实施例1-11以及对比例1-2提供的聚乙烯塑料管的主要力学性能进行测试，测试结果如表2所示。
表2实施例1-11以及对比例1-2提供的聚乙烯塑料管的力学性能测试结果
由实施例1-3提供的测试数据可以看出，本发明制备得到的聚乙烯塑料管具备优异的耐压性能和机械强度。
由实施例1、实施例4和实施例5提供的测试数据可以看出，外管15中氮化硼纳米片的添加量对聚乙烯塑料管的综合力学性能产生了较大影响，当氮化硼纳米片添加量较低时无法发挥力学增强作用；当氮化硼纳米片添加量较高时，其在外管15基体中易发生团聚现象，导致外管15内部出现应力集中现象。
由实施例1、实施例6和实施例7提供的测试数据可以看出，外管15中纳米纤维素的添加量对聚乙烯塑料管的综合力学性能产生了较大影响，当纳米纤维素添加量较低时无法发挥力学增强作用；当纳米纤维素添加量较高时，其在外管15中易发生团聚现象，导致外管15基体内部出现应力集中现象。
由实施例1、实施例8和实施例9提供的测试数据可以看出，第三螺杆挤出装置12的料筒温度对聚乙烯塑料管的综合力学性能产生了较大影响，当料筒温度较低时高密度聚乙烯无法完全熔化，导致纳米纤维素和氮化硼纳米片在外管15基体中的分散性较差；当料筒温度较高时，会导致纳米纤维素糊化热解。
由实施例1、实施例10和实施例11提供的测试数据可以看出，第三螺杆挤出装置12的螺杆转速对聚乙烯塑料管的综合力学性能产生了较大影响，当螺杆转速较低时对纳米纤维素、氮化硼纳米片和高密度聚乙烯熔体之间的混合程度较差，无法实现纳米纤维素和氮化硼纳米片的均匀分散；当螺杆转速较高时，导致螺杆对纳米纤维素的剪切作用增强，对纳米纤维素的纤维结构造成不可逆的物理破坏。
由实施例1、对比例1和对比例2提供的测试数据可以看出，本发明通过设置润滑减磨层和增强骨架可以极大地提高聚乙烯塑料管的耐压性能和机械强度。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (8)
1.一种地下通信管道用纳米改性的聚乙烯塑料管，其特征在于，所述聚乙烯塑料管包括高密度聚乙烯材质的管线主体和紧贴所述管线主体的内壁的润滑减磨层；
所述管线主体包括管体以及嵌入所述管体内部的具有连续结构的增强骨架，所述润滑减磨层的主体材料为硅酮，所述润滑减磨层内分散有纳米氧化铝颗粒；
所述管线主体沿直径方向的壁厚记为M1，所述润滑减磨层沿直径方向的壁厚记为M2，M1大于M2且满足如下关系：M1:M2=1:(0.1-0.5)；
所述管线主体分为内管和外管，所述内管和所述外管由内至外依次嵌套并形成整体；
所述增强骨架位于所述内管和所述外管之间，所述增强骨架为缠绕于所述内管的外表面的柔性金属丝网，并至少部分嵌入所述内管的外表面和/或外管的内表面；
所述内管包括如下重量份的各组分：
高密度聚乙烯 70-80份；
润滑剂 1-5份；
偶联剂 1-5份；
所述外管包括如下重量份的各组分：
高密度聚乙烯 70-80份；
润滑剂 1-5份；
偶联剂 1-5份；
氮化硼纳米片 1.5-2.5份；
纳米纤维素 0.5-1.5份；
在制备所述外管的过程中，以氮化硼纳米片和纳米纤维素组成的混合液为整体进行投料；
所述润滑剂包括硬脂酸盐、聚乙烯蜡或石蜡中的任意一种或至少两种的组合；
所述偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的任意一种或至少两种的组合；
所述外管和所述内管采用的高密度聚乙烯总量、所述纳米氧化铝颗粒和所述硅酮的质量比为50:(5-10):(1-5)。
2.一种用于制备权利要求1所述的地下通信管道用纳米改性的聚乙烯塑料管的连续生产系统，其特征在于，所述连续生产系统包括依次设置的第一螺杆挤出装置、内层模头、第一冷却定型装置、内管模头、第二冷却定型装置、金属丝缠绕装置、外管模头、第三冷却定型装置和主牵引装置；
所述内管模头外接第二螺杆挤出装置，通过所述第二螺杆挤出装置对内管的原料组分进行熔融挤出并注入所述内管模头；
所述外管模头外接第三螺杆挤出装置，通过所述第三螺杆挤出装置对外管的原料组分进行熔融挤出并注入所述外管模头。
3.根据权利要求2所述的地下通信管道用纳米改性的聚乙烯塑料管的连续生产系统，其特征在于，所述第一冷却定型装置与所述内管模头之间设置有第一辅助牵引装置；
所述第二冷却定型装置与所述金属丝缠绕装置之间设置有第二辅助牵引装置；
所述金属丝缠绕装置的入口端设置有中频加热装置，通过所述中频加热装置对由所述第二冷却定型装置引出的管件的外表面进行加热软化。
4.一种采用权利要求2或3所述的连续生产系统制备权利要求1所述的地下通信管道用纳米改性的聚乙烯塑料管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
（Ⅰ）向第一螺杆挤出装置中加入纳米氧化铝颗粒和硅酮，第一螺杆挤出装置对硅酮母料和纳米氧化铝颗粒进行混合熔融挤出，经内层模头和第一冷却定型装置形成润滑减磨层；
（Ⅱ）向第二螺杆挤出装置中按各组分的重量份加入内管的原料，润滑减磨层在主牵引装置的牵拉下进入内管模头，通过第二螺杆挤出装置向内管模头注入内管原料熔体并包覆于润滑减磨层的外表面，经第二冷却定型装置冷却定型后再润滑减磨层的外周形成内管，得到由润滑减磨层和内管组成的第一中间管体；
（Ⅲ）第一中间管体在主牵引装置的牵拉下进入金属丝缠绕装置，通过金属丝缠绕装置在第一中间管体的外表面上缠绕柔性金属丝，以在第一中间管体的外表面形成柔性金属丝网，得到由柔性金属丝网和第一中间管体组成的第二中间管体；
（Ⅳ）向第三螺杆挤出装置中按各组分的重量份加入外管的原料，第二中间管体在主牵引装置的牵拉下进入外管模头，通过第三螺杆挤出装置向外管模头注入外管原料熔体并包覆于第二中间管体的外表面，经第三冷却定型装置冷却定型后在第二中间管体的外周形成外管，得到所述聚乙烯塑料管。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（Ⅰ）中，所述第一螺杆挤出装置的料筒温度为240-260℃；
所述第一螺杆挤出装置的螺杆转速为200-250r/min；
所述内层模头的模腔温度为280-300℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（Ⅱ）中，所述第二螺杆挤出装置的料筒温度150-170℃；
所述第二螺杆挤出装置的螺杆转速为160-200r/min；
所述内管模头的模腔温度为180-220℃。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（Ⅲ）中，所述第一中间管体由所述第二冷却定型装置引出后进入中频加热装置，所述中频加热装置对所述第一中间管体的外表面进行加热软化，所述柔性金属丝缠绕于加热软化后的所述第一中间管体的外表面，冷却后使得所述柔性金属丝至少部分嵌入所述第一中间管体的外表面；
所述中频加热装置的加热温度为80-100℃；
步骤（Ⅲ）中，在缠绕所述柔性金属丝的过程中，与所述第一中间管体的牵拉方向相同的移动方向为正方向，与所述第一中间管体的牵拉方向相反的移动方向为反方向，采用两根所述柔性金属丝分别沿正方向和反方向同时在所述第一中间管体的外表面上螺旋缠绕，从而在所述第一中间管体的外表面形成交叉的柔性金属丝网；
单根所述柔性金属丝的缠绕长度为所述聚乙烯塑料管的总长度的3-5倍；
所述柔性金属丝的直径为0.5-1.0mm。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（Ⅳ）中，在向所述第三螺杆挤出装置内投料前，先配制由氮化硼纳米片和纳米纤维素组成的混合液，随后将高密度聚乙烯、润滑剂、偶联剂和混合液按各组分的质量比投入所述第三螺杆挤出装置中；
所述混合液的配制过程包括：
首先，将纤维素分散于去离子水中形成纤维素分散液；随后，将氮化硼加入纤维素分散液中形成悬浮液；最后，对悬浮液进行高压均质，使得悬浮液中的纤维素纳米化形成纳米纤维素，同时，氮化硼经剪切分层形成氮化硼纳米片，得到由纳米纤维素和氮化硼纳米片组成的混合液；
所述纤维素分散液的质量分数为0.5-1.5wt%；
所述高压均质的压力为500-1000bar；
所述高压均质的次数为5-10次；
步骤（Ⅳ）中，所述第三螺杆挤出装置的料筒温度150-170℃；
所述第三螺杆挤出装置的螺杆转速为160-200r/min；
所述外管模头的模腔温度为180-220℃。
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