CN1264336A - 基于聚酰胺的多层结构和具有多层结构的导管或管道 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于聚酰胺的多层结构,特别适用于制备用于输送液体流体如醇、液体燃料、可含有含氧化合物如醇的燃料或致冷剂的导管或管道。所述多层结构包括两个叠层:至少一个内层和至少一个外层。本发明的特征在于至少内层是由包含至少一种热塑性聚酰胺和至少一种冲击改性剂的组合物形成,所述冲击改性剂的浓度是所述组合物的10至50wt%,且至少外层是由包含选自如下组分的聚酰胺组合物作为聚合质基物的组合物形成:(i)由ε-己内酰胺与至少一种选自如下物质的单体共聚合所获得的热塑性共聚物:包含至少9个碳原子的氨基酸,或对应的内酰胺、六亚甲基二胺与包含至少9个碳原子的二酸的混合物,ε-己内酰胺与六亚甲基二胺和二酸和/或氨基酸总量之间的重量比值为4至9,或(ii)至少所述热塑性共聚物与至少一种第二种由包含少于9个碳原子的单体聚合得到的热塑性聚酰胺或共聚酰胺的混合物。在聚合物基质中第二种聚合物或共聚物的重量含量为0至80wt%。优选为0至40wt%。所述多层结构具有对燃料蒸气的高阻挡性能和良好的机械性能如良好的耐破裂性。

Description

基于聚酰胺的多层结构和具有多层结构的导管或管道
本发明涉及一种基于聚酰胺的多层结构,特别适用于制备用于输送液体流体如醇、液体燃料、可含有氧化合物如醇的燃料或致冷剂的导管或管道。
它更具体的涉及特别是对上述流体具有改进的阻挡性能的多层结构,并具有良好的挠性和对环境条件的耐受性。
使用由塑料制备的导管或管道输送流体如内燃机燃料属于公知内容。例如,在机动车中常使用由聚酰胺12制备的导管或管道。
然而,制约机动车结构的标准、特别是目的在于防治由这些机动车产生的大气污染的标准变得越来越严格。
因此,具有例如由聚酰胺12制成的单层结构的导管或管道不能满足有关机动车燃料蒸气排放的新标准。在保持适当机械性能如挠性、耐破裂性和尺寸稳定性的同时,就很难兼顾有关燃料蒸气阻挡性能的标准和必要特性。
为克服这些缺陷,已提出使用多层结构的导管或管道,其中包括聚酰胺层,特别是聚酰胺11或12,及乙烯/乙烯醇共聚物层(参见专利FR2579290、EP0428834、EP0428833)。然而,在这些导管的应用中发现,它们不能满足在内燃机中使用时所要求的所有特性。
另外提出的多层结构包括作为外层的聚酰胺11或12层和作为内层的聚偏二氟乙烯层(例如,US5284184)。在某些情况下,聚偏二氟乙烯被特别是苯磺酰胺塑化,在其它情况下,如上述专利,必须在聚偏二氟乙烯与聚酰胺两层之间具有粘合层。但如在前述情况下,这样的结构不符合其主要应用如内燃机燃料管道所要求的特性。具体来说,在两层之间的粘合有缺陷,因此缺少结构内聚力。
为改进这些层之间的粘合性及多层结构总体性能,已提出使用聚偏二氟乙烯组合物,其中包括一种戊二酰亚胺聚合物(EP0637511)或包括含有通过两个相邻羧基官能团环化所获得的至少一种酸酐官能团的丙烯酸酯共聚物。但伴随老化,所述结构各层间的粘合性及其机械性能退化。
本发明的目的之一是提供具有改进的阻挡性能且对环境条件有更好耐受性的多层结构,所述结构具有适于制备或生产输送流体、特别是烃燃料的管道或导管的一系列机械性能。这种组合物当与含氧燃料如含醇燃料接触时还具有显著的尺寸稳定性。
为此,本发明提供一种多层结构,其中包括彼此层叠的至少一个内层和至少一个外层。按照本发明,至少内层由包含至少一种热塑性聚酰胺和至少一种冲击改性剂的组合物形成,所述冲击改性剂的浓度是所述组合物的10至50wt%,至少外层由包含选自如下组分的聚酰胺组合物作为聚合物基质的组合物形成:
(i)由ε-己内酰胺与至少一种如下单体共聚获得的热塑性共聚物:●包含至少9个碳原子的氨基酸,或对应的内酰胺●六亚甲基二胺与包含至少9个碳原子的二酸的混合物,ε-己内酰胺与六亚甲基二胺和二酸和/或所述氨基酸之间的重量比值为4至9,或(ii)至少所述热塑性共聚物与至少一种第二种由包含少于9个碳原子的单体聚合所得到的热塑性聚酰胺或共聚酰胺的混合物。在聚合物基质中第二种聚合物或共聚物的重量含量为0至80wt%,优选为0至40wt%。
构成所述外层的组合物还包含一种冲击改性剂,当热塑性组合物含有热塑性共聚物和上述(ii)定义的第二种聚酰胺的混合物时,所述冲击改性剂含量优选为热塑性组合物的约5至50wt%。
本发明的结构具有两层,其聚合物基质基于相似或甚至相同化学结构的聚合物,使得可不使用中间粘合层而获得所述层间的良好键合。再有,内层特别是对用作内燃机燃料的烃混合物具有高阻挡性能,甚至在可处在上述燃料中的醇化合物存在下仍呈现很好的尺寸稳定性。这种内层还在抗张强度、断裂伸长率和冷冲击强度方面赋予本发明结构以高机械性能。因此本发明结构在承受压力下具有高耐爆裂性。
本发明结构还具有对外部条件的高度耐破坏性,因为所述外层在金属卤化物溶液、更具体地在ZnCl2试验中具有高度的耐应力破裂性,甚至当所述层的厚度小的情况也是如此。
确实,按照本发明的另一特性,所述外层的厚度可以很小,甚至小于0.1mm。然而,对于获得本发明的技术结果来说,对外层厚度的要求并不严格。它由制备所述结构的技术限制所决定,或由经济限制所决定。外层的厚度可优选为所述多层结构总厚度的10%以下。
按照本发明的一种特性,所述多层结构呈圆筒或非圆筒管状制品。一般使用不同组合物的共挤出技术来制备这种制品。例如欧洲专利0436923叙述了一种这类技术。
在本发明的优选实施方案中,所述制品是在内燃机中用作燃料管的管道或导管。这些制品还可用作容纳上述燃料的容器或罐,其中这些容器器壁由本发明的多层结构形成。
按照本发明的另一实施方案,本发明的多层结构包括设置在上述内和外层之间的中间层。这些中间层中的一些有利地由与形成外层的组合物相同的组合物形成。这些层被称为外型中间层。其它中间层由与形成内层的组合物相同的组合物来形成。这类层被称为内型中间层。
有利地,内型中间层和外型中间层在所述结构的横断方向上交替排布。
再有,在不偏离本发明范围的条件下,所述结构可含有由与用于形成内和外层的组合物不同的组合物形成的中间层。
在本发明的一种实施方案中,所述多层结构可包括外-型层作为所述结构的外部层,包括至少一个位于这两个外部层之间的内-型中间层。在这种实施方案的优选构型中,所述结构由两个外型外部层和一个内型中间层组成,该结构可提供对燃料蒸气的阻挡性能。
形成内层和内型中间层的热塑性聚酰胺组合物有利地包含基于聚酰胺热塑性聚合物的基质和浓度为所述组合物10至50wt%的至少一种冲击强度改性剂,所述组合物的模量低于1500MPa,优选低于1000MPa。
存在于所述组合物中的聚酰胺的浓度有利地是55至70wt%。
优选的聚合物是尼龙6,6,尼龙6或它们的共聚物,或这些聚酰胺与其它聚酰胺的混合物。
按照本发明的另一优选特性,形成内层的组合物包括作为另一组分的聚酰胺基质的扩链剂,其浓度为聚酰胺基质的0.05至5wt%。
按照本发明的另一优选特性,所述组合物包括聚酰胺基质的塑化剂,其浓度为所述聚酰胺基质的1至20wt%,优选为5至10wt%。
形成外层的组合物的冲击强度改性剂有利地是Tg低于0℃、优选低于-20℃的化合物。再有,为获得具有很低模量、例如低于1000MPa的组合物,这种化合物有利地具有低于200MPa的模量。
本发明的优选改性剂是聚烯烃,它可具有高弹性。
按照本发明的优选特性,所述组合物的冲击改性剂中的至少一些包括能够与聚酰胺反应的极性官能团。这些极性官能团例如可以是酸、酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸或环氧官能团。
这些官能团一般接枝在所述化合物的大分子链上。
适于本发明的聚烯烃的实例包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或乙烯与α-烯烃如乙烯/丙烯二烯烃的共聚物,及乙烯与丙烯的共聚物。
可提到的特别优选的聚合物是称为ULDPE的超低密度聚乙烯。这些化合物是乙烯与包含4至10个碳原子的α-烯烃的共聚物,其熔体流动指数(按照ASTM D  1238标准在190℃2.16kg载荷下测量)为0.1至7g/10分钟,有利地0.5至7g/10分钟,优选低于1g/分钟,其密度小于0.9g/cm3,有利地0.86至0.90g/cm3
有利地,ULDPE聚乙烯包含接枝的极性官能团如酸或酸酐官能团,例如马来酸酐官能团。在ULDPE聚乙烯中这些极性官能团的重量浓度可在很宽的范围内为变化。例如,相对于聚乙烯的重量,这一浓度可为0.01至0.8wt%。这些ULDPE共聚物及其制备方法多年前便已被公知。它们特别由ENICHEM以商标“Clearflex CH GO”出售。
接枝有极性官能团如马来酸酐的共聚物也属于公知内容,特别在欧洲专利申请No.0581360和No.0646247中有叙述。
在所述组合物中冲击强度改性化合物的浓度尤其是取决于所需的冲击强度数值。这一浓度优选为聚酰胺基质的10至50wt%,优选为20至40wt%。
适于形成外层和外型中间层的组合物特别在欧洲专利No.0588253和国际申请No.WO97/12938中得到描述。
第一种热塑性共聚酰胺是对应于在专利US5256460或EP0588253中所述种类的共聚物。
可提到的优选共聚酰胺的实例包括上述共聚酰胺6/6.36,或由单体ε-己内酰胺、六亚甲基二胺和十一烷二酸获得的共聚物。
形成外层和/或外型中间层的组合物可包括6/6.36型第一种热塑性共聚酰胺和第二种PA 6型热塑性聚酰胺。
适于本发明的冲击改性剂化合物的实例包括包含如羧酸、酯、酸酐、缩水甘油基的官能团或羧化物基团如马来酸酐、甲基丙烯酸和丙烯酸的聚烯烃的离子交联聚合物、聚合物或共聚物。这些官能团通过共聚或接枝引入到所述聚烯烃中。其它的实例包括上面针对形成内型层的组合物所提到的冲击改性剂化合物。
这类化合物在现有技术中是公知的,且在许多出版物中得到描述。
按照本发明的另一特性,包含官能团的这些聚合物或共聚物可与不包括可与热塑性基质结合的官能团的其它冲击改性化合物相混合。其实例包括烯烃的聚合物和共聚物如聚乙烯、聚丙烯、乙烯与丙烯的共聚物、EPDM、EPR、嵌段或氢化聚丁二烯苯乙烯、和聚烯烃与乙酸乙烯基酯的共聚物。
冲击改性剂优选还包括至少一种包含上述接枝反应性基团的化合物,与其它未接枝的化合物相混合。
形成本发明结构的内或外层的组合物还可含有一或多种其它组分。这些化合物是不改变所述组合物的基本特性、但改进其热稳定性或光稳定性例如离模性的添加剂。
因此可提到的实例包括热稳定剂如碱金属或铜卤化物、光稳定剂如胺、受阻酚、润滑剂如腊和成核剂。
用于制备本发明结构的组合物当然还可包括颜料或着色剂、及在热塑性模塑组合物中常用的其它添加剂。
按照制备聚合物与其它添加剂的混合物的常用方法,即通过例如在单-或双螺杆挤出机中熔融混合所述组合物的各种组分制备这些组合物。
从以下仅为说明目的而给出的实施例中可更清楚的看出本发明的其它目的、优点和细节。
通过生产内径为6mm且外径为8mm的导管来说明本发明结构的改进性能,所述导管通过两种组合物A和B共挤出从而获得本发明的两层交叠的结构。
实施例1
用来形成所述导管的外层的组合物A具有如下组成:
共聚酰胺6/6-36                         :70wt%
NYCOA  2012
冲击改性剂EXXELOR VA 1803(由EXXON出 :30wt%
售,模量小于100MPa)
形成内层的组合物B具有如下重量组成:
聚酰胺6(ηrel=3.8)                    :64.6%
冲击改性剂(PRIMEFLEXAFG4W)(由ENICHEM:28.0%
出售,模量小于100Mpa)
塑化剂                                 :7.0%
(N-BBSA或正丁基苯磺酰胺)
抗氧化剂                               :0.30%
润滑剂(硬脂酸钙)                       :0.30%
外层厚度为0.3mm,内层厚度为0.7mm。
由基于聚酰胺12的组合物制备相同层厚,即等于1mm的导管。
测量两种导管的性能并列于以下表I:
                                     表I
                     结构
性能   两层A/B(本发明)   PA 12单层(对比)
应力破裂“ZnCl2试验”(小时)     >500     >500
23℃下抗拉强度(N/mm2)     25     33-27
23℃下胀裂压力(巴)     90     90
在40℃甲醇中72小时的尺寸稳定性(%)     <1.5     <1.5
40℃下无铅燃料渗透率(g/m2.天)     0.5     4.8
40℃下对含6.5wt%乙醇的无铅燃料的渗透率(g/m2.天)     8.8     17.9
40℃下对含4.5wt%甲醇的无铅燃料的渗透率(g/m2.天)     15.6     21.5
40℃下对雷诺标准燃料(45%甲苯、45%异辛烷、3%甲醇、7%乙醇)的渗透率(g/m2.天)     51.5     97.1
低温(-40℃)下冲击强度     不破裂     不破裂
上述性能使用标准方法来测量,其中的一些在以下给出。
①在ZnCl2溶液中的耐“应力破裂”性使用在1963年6月颁布、1990年6月12日修正的国际标准SAE J 844中叙述的步骤来确定。这一试验包括,赋予用要测试的材料挤出的、内径6mm、外径8mm的导管以一定半径的曲率,并将如此弯曲的导管在24℃下浸于含有50wt%氯化锌的冷溶液中达200小时。在从所述溶液中取出所述导管后,在其外表面上不应观察到任何裂纹。
②胀裂压力也使用上述标准SAE J 844中叙述的步骤来确定,包括测定在保持压力3至15秒后导管发生破裂时的压力。
③由挤出管使用如下试验来测量在甲醇中的延伸率:将外径基本等于所要测试的导管的内径的圆金属棒放入长度至少等于300mm的导管节段内,以防止所要测试的导管出现任何变形,例如弯曲或扭曲。
通过将所述组件在温度为80℃的室中保持48小时来使该组件老化。然后将该组件冷却至室温,并移出所述圆棒。然后将所述导管固定在能够导致并且保持所述导管与含甲醇的罐接触的器具上。在所述导管上做标记并测量其位置。将已测量数量的甲醇引入到所述导管中,通过由上述罐中自动补加来使这一数量在操作过程中基本保持恒定。然后加热该组件并在40℃下保持72小时。在加热结束后,使所述组件在2至3小时内返回至室温。测量在所述导管上新的标记位置。通过对比该标记的初始和最终位置来计算在甲醇中的延伸率百分比。
④使用静态方法来评价所制备的导管的渗透率。将长度为300mm的导管试样的一端使用涂覆有耐燃料的粘合剂的尼龙栓塞封闭。将所述导管的另一端与容量为25cm3的燃料罐连接,以保持所述导管中的燃料组合物恒定。所述导管通过升温与流体浸渍进行老化,以获得对其渗透率的直接测量结果。该试验在40℃下进行,并在一定时间内,例如在24小时后通过重量损失来测量扩散量。
因此,当连续期间内重量损失恒定时,渗透率对应于所测量的试样的重量损失速率。
所使用的燃料是无铅燃料,称为“燃料C”。
使用拉力试验机在长度为200mm的导管节段上测量破裂时的拉应力。为防止所述导管在拉力试验机的钳口上出现任何变形,将两个圆金属棒插入所述导管的端部,这些金属棒的长度等于在钳口所夹持的导管长度,其直径基本上等于导管的内径。
⑤使用如下步骤测量在-40℃的冲击强度:所述设备测量自400mm高度自由落下的1kg重物对试样的冲击效果。所述重物呈一端具有9mm曲率的直径27mm的柱状物。所述试样固定在具有孔的支撑体端部,所述孔的形状与所述重物的端部相匹配。试样的底端位于所述孔的底部之上6mm。
实施例2
制备与实施例1相同的导管,其中作为组合物A,使用包括70wt%以商标名NYCOA 2012出售的共聚酰胺6/6-36和30wt%以名称PRIMEFLEX AFG4W出售的冲击改性剂的混合物。组合物B与实施例1中的相同。
所述导管的性能列于以下表II:
                                   表II
性能 两层A/B(本发明)
应力破裂“ZnCl2试验”(小时)     >500
23℃下抗拉强度(N/mm2)     23
23℃下胀裂压力(巴)     85
在40℃甲醇中72小时的尺寸稳定性(%)     <1.5
40℃下无铅燃料渗透率(g/m2.天)      0.5
在低温(-40℃)下的冲击强度     不破裂
实施例3
以与实施例1相同的方式,使用如下组合物A和B制备双层导管:
-组合物A:
共聚酰胺6/6-36                            :70wt%
NYCOA 2012
冲击改性剂EXXELOR VA 1803(由EXXON出售,:30wt%
模量小于100MPa)
-组合物B:
聚酰胺6(ηrel=3.8)                       :66.4%冲击改性剂(EXXELORVA 1801)(由EXXON出:25.0%售,模量小于100MPa)塑化剂                                 :8.0%(N-BBSA或正丁基苯磺酰胺)抗氧化剂                               :0.30%润滑剂(硬脂酸钙)                       :0.30%所述导管的性能列于下表III:
                            表III
性能 两层A/B(本发明)
应力破裂“ZnCl2试验”(小时)     >500
23℃下抗拉强度(N/mm2)     30
23℃下胀裂压力(巴)     95
在40℃甲醇中72小时的尺寸稳定性(%)     <1.5
40℃下无铅燃料渗透率(g/m2.天)     0.3
在低温(-40℃)下的冲击强度     不破裂
实施例4
以与实施例1相同的方式,使用如下组合物A和B制备双层导管:
-组合物A:
共聚酰胺6/6-36                    :70wt%
NYCOA 2012
冲击改性剂(EXXELORVA 1801)     :30wt%
-组合物B:
聚酰胺6(ηrel=3.8)               :66.4%
冲击改性剂(EXXELORVA 1801)     :25.0%
塑化剂                            :8.0%
(N-BBSA或正丁基苯磺酰胺)
抗氧化剂                          :0.30%润滑剂(硬脂酸钙)                    :0.30%所述导管的性能列于下表IV:
                           表IV
性能 两层A/B(本发明)
应力破裂“ZnCl2试验”(小时)     >500
23℃下抗拉强度(N/mm2)     30
23℃下胀裂压力(巴)     95
在40℃甲醇中72小时的尺寸稳定性(%)     <1.5
40℃下无铅燃料渗透率  (g/m2.天)     0.3
在低温(-40℃)下的冲击强度     不破裂
实施例5
以与实施例1相同的方式,使用如下组合物A和B制备双层导管:
-组合物A:
共聚酰胺6/6-36                      :70wt%
NYCOA 2012
冲击改性剂                          :30wt%
EXXELOR VA 1801
-组合物B:
聚酰胺6(ηrel=3.8)                 :66.4%
冲击改性剂                          :25.0%
(EXXELORVA 1803)
塑化剂                              :8.0%
(N-BBSA或正丁基苯磺酰胺)
抗氧化剂                            :0.30%
润滑剂(硬脂酸钙)                    :0.30%
所述导管的性能列于下表V:
                                   表V
性能 两层A/B(本发明)
应力破裂“ZnCl2试验”(小时)     >500
23℃下抗拉强度(N/mm2)     30
23℃下胀裂压力(巴)     95
在40℃甲醇中72小时的尺寸稳定性(%)     <1.5
40℃下无铅燃料渗透率  (g/m2.天)     0.3
在低温(-40℃)下的冲击强度     不破裂

Claims (20)

1.多层结构,包括至少一个内层和至少一个外层,其特征在于至少内层由包含至少一种热塑性聚酰胺和至少一种冲击改性剂的组合物形成,所述冲击改性剂的浓度是所述组合物的10至50wt%,且至少所述外层由包含选自如下组分的聚酰胺聚合物作为聚合物基质的组合物形成:
(i)由ε-己内酰胺与至少一种选自如下物质的单体共聚获得的聚酰胺热塑性共聚物:●包含至少9个碳原子的氨基酸,或对应的内酰胺●六亚甲基二胺与包含至少9个碳原子的二酸的混合物,ε-己内酰胺与六亚甲基二胺和二酸和/或所述氨基酸总量之间的重量比值为4至9,或
(ii)至少所述热塑性聚酰胺共聚物(i)与至少一种第二种由包含少于9个碳原子的单体聚合得到的热塑性聚酰胺或共聚酰胺的混合物,在聚合物基质中第二种聚合物或共聚物的重量含量为0至80wt%。
2.权利要求1的结构,其特征在于形成所述外层的组合物包括冲击改性剂。
3.权利要求2的结构,其特征在于当聚合质基物由混合物(ii)形成时,所述外层中存在的冲击改性剂的含量是形成所述层的热塑性组合物的5至50wt%。
4.权利要求1至3中任一项的结构,其特征在于其形成管道、导管或容器器壁。
5.权利要求1至4中任一项的结构,其特征在于其包括设置在所述外层和内层之间的中间层。
6.权利要求5的结构,其特征在于所述中间层中的一些由与形成所述结构的外层组合物相似的组合物形成。
7.权利要求5的结构,其特征在于所述中间层中的一些由与形成内层的组合物相似的组合物形成。
8.权利要求5至7中任一项的结构,其特征在于内型中间层和外型中间层在所述结构的横断方向上交替设置。
9.权利要求5至8中任一项的结构,其特征在于它包括由与形成所述外层的组合物相似的组合物形成的外部层,和至少一个由形成内型层类型的组合物所形成的中间层。
10.前述任一项权利要求的结构,其特征在于形成外层和/或外型中间层的组合物包括6/6-36型第一种热塑性共聚酰胺,和PA 6型第二种热塑性聚酰胺。
11.前述任一项权利要求的结构,其特征在于形成外层和/或外型中间层的组合物包括冲击改性剂,这种改性剂有利地包含可与一种或多种聚酰胺反应的官能团。
12.前述任一项权利要求的结构,其特征在于形成内层和/或内型中间层的组合物的模量小于1500MPa,优选小于1000MPa。
13.前述任一项权利要求的结构,其特征在于形成内层的组合物包括聚酰胺基质的扩链剂,其浓度为聚酰胺基质的0.05~5wt%。
14.前述任一项权利要求的结构,其特征在于在形成内层的组合物中所含的冲击改性剂选自Tg低于0℃、模量小于200Mpa的化合物。
15.权利要求14的结构,其特征在于所述冲击改性剂是选自聚烯烃的化合物。
16.权利要求14或15的结构,其特征在于至少一些冲击改性剂包括能与聚酰胺基质反应的极性官能团。
17.权利要求16的结构,其特征在于所述极性官能团选自酸、酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸和环氧官能团。
18.权利要求15至17中任一项的结构,其特征在于所述冲击改性剂是超低密度聚乙烯(ULDPE),其密度小于0.9,熔体流动指数在190℃下以2.16kg载荷测量为0.1至7g/10分钟,优选小于1g/10分钟。
19.前述任一项权利要求的结构,其特征在于形成内层和/或内型中间层的组合物包括聚酰胺的塑化剂,其相对于聚酰胺基质的浓度为1至20wt%,优选为5至10wt%。
20.导管或管道,其特征在于这种导管或管道的壁具有前述任一项权利要求的多层结构。
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