CN109027444A - 一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺 - Google Patents

一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺。利用改性纳米氧化锌晶须对石墨烯进行改性，将纳米氧化锌晶须、乙烯基硅烷偶联剂和石墨烯结合为一体，乙烯基硅烷偶联剂和纳米氧化锌晶须均匀地分散在石墨烯表面和片层间，改善了石墨烯的表面性能，有效促进了纳米氧化锌晶须和石墨烯的分散，防止其团聚，和高密度聚乙烯树脂作用，提高了体系间的相容性，改善管材的力学性能和韧性与刚度；一方面提高了管材的成碳量，改善了管材的热稳定性；另一方面，纳米氧化锌晶须和石墨烯配合，在体系间形成连续的导电通路，大大提高了管材的导电性，提高了管材的抗静电阻燃效果；制备方法简单科学，成本低廉，制备工艺环保，不会对环境产生污染。

Description

一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺
技术领域
本发明属于塑料管材制备工艺技术领域，涉及一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺。
背景技术
中空壁缠绕管是一种以高密度聚乙烯(HDPE)为原料，采用热态缠绕成型工艺制成的结构壁管材，具有柔韧性强、内壁光滑、流动阻力小、耐磨和耐腐的性能，具有优异的高刚度、高强度、重量轻、耐冲击性强、不易破损等特点，适用于输送水温在45℃以下的市政排水、建筑室外排水、埋地农田输排水、工业排污、道路排水、污水及废水排放***、运动场及广场工程排水和电气电信工程等。
塑料管材是绝缘材料，具有良好的电绝缘性能，但是其表面极易产生静电。工业生产环境中的悬浮粉尘与中空壁缠绕管表面相互摩擦碰撞，正负电荷重新分布，分别聚集在中空壁管材表面和粉尘上；且这些静电荷难以迁移，当静电荷聚集到一定程度就会放电产生火花，带来安全隐患，引起火灾或化学品***。
为了使塑料管材具有优异的抗静电性能，通常需要对塑料树脂原料进行抗静电改性，现有的抗静电改性方法一般是添加抗静电添加剂如导电炭黑，但是导电炭黑只能得到黑色产品，而且用量大时还会破坏管材的某些力学性能。
发明内容
发明的目的：本发明提供了一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，工艺简单科学，成本低廉，制得的中空壁缠绕管刚度大大提高，抗静电性能优异且耐久性好。
技术方案：为了实现以上目的，本发明公开了一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，包括以下步骤：
(1)按重量分数计，分别称取高密度聚乙烯100-120份、线性低密度聚乙烯10-20份、氯化聚乙烯10-20份、纳米氧化锌晶须改性石墨烯8-12份、增容剂6-12份、润滑剂1-3份、阻燃剂3-9份、抗氧剂0.5-1.5份、偶联剂1-3份、纳米碳酸钙1-5份、加工助剂1-3份、引发剂4-6份；
(2)先将上述配方量的低密度聚乙烯、氯化聚乙烯、抗氧剂、总量1/2的偶联剂在高速混料机中进行混合均匀、塑化后再加入引发剂混合均匀得混合物A；
(3)将上述配方量的高密度聚乙烯、纳米氧化锌晶须改性石墨烯、增容剂、润滑剂、阻燃剂、抗氧剂、剩余1/2的偶联剂、纳米碳酸钙、加工助剂投入高速搅拌机中搅拌30-40min后加入步骤(2)中的混合物A继续搅拌10-20min充分混合均匀后倒入双螺杆挤出机中加温、加压塑化呈熔融状态挤出型材，当型材冷却至40-90℃，同时在缠绕方向与前进方向上双向牵引型材，形成中空壁缠绕管。
优选的，所述纳米氧化锌晶须改性石墨烯的制备方法包括以下步骤：首先将10-20份纳米氧化锌晶须进行预处理：放入110±10℃烘箱内烘干2-3h，烘干后冷却至＜60℃；
其次将3-5份乙烯基硅烷偶联剂溶解于40-60份无水乙醇中，再加入预处理冷却后的纳米氧化锌晶须进行超声分散，升温至70-80℃搅拌均匀过滤后得到改性纳米氧化锌晶须，待用；
再次将20-30份聚甲基丙烯酸加入到60-80份乙二醇***中制得溶液A，搅拌机搅拌2-3h，将上述改性纳米氧化锌晶须和20-30份石墨烯粉末依次加入到上述溶液A中，超声30-40min，加入3-5份醋酸丁酸纤维素、2-4份十二烷基苯磺酸钠和3-5份N-甲基二乙醇胺，继续搅拌4-6h，得到氧化锌改性石墨烯溶胶。为了提高纳米氧化锌晶须的分散性，需要添加偶联剂对晶须进行改性；利用乙烯基硅烷偶联剂对纳米氧化锌晶须进行改性后再利用改性纳米氧化锌晶须对石墨烯进行改性，将纳米氧化锌晶须、乙烯基硅烷偶联剂和石墨烯结合为一体，乙烯基硅烷偶联剂和纳米氧化锌晶须均匀地分散在石墨烯表面和片层间，改善了石墨烯的表面性能，有效促进了纳米氧化锌晶须和石墨烯的分散，防止其团聚，和高密度聚乙烯树脂作用，提高了体系间的相容性，改善管材的力学性能和韧性与刚度；一方面提高了管材的成碳量，改善了管材的热稳定性；另一方面，纳米氧化锌晶须和石墨烯配合，在体系间形成连续的导电通路，大大提高了管材的导电性，提高了管材的抗静电阻燃效果。
优选的，所述纳米氧化锌晶须含量为99.9％，平均粒径为30-50nm，长度为10μm，比表面积为30m2/g。
优选的，所述乙烯基硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷中的一种或多种。
优选的，所述增容剂为马来酸酐接枝聚乙烯。
优选的，所述润滑剂为氧化聚乙烯蜡或乙撑双油酸酰胺EBO中的一种或两种。
优选的，所述阻燃剂为水镁石粉或海泡石。
优选的，所述抗氧剂为美国雅宝抗氧剂PW-9215。
优选的，所述偶联剂为铝酸酯偶联剂DH-306、硅烷偶联剂KH-560中的至少一种。
优选的，所述加工助剂为邻苯二甲酸二辛酯DOP和/或塑料光亮剂PE蜡；所述引发剂为过氧化新戊酸叔丁酯和/或硬脂酸钴。
上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
(1)纳米氧化锌晶须具有超大的长径比，能使PE分子与其形成空间网络结构，提高管材强度；同时，纳米晶须更容易与更多PE分子结合，其形成的网络结构更加紧密，可以显著提高管材的强度，又不影响原有的性能，确保管材的其他性能符合PE管的先关标准要求；
(2)利用乙烯基硅烷偶联剂对纳米氧化锌晶须进行改性后再利用改性纳米氧化锌晶须对石墨烯进行改性，将纳米氧化锌晶须、乙烯基硅烷偶联剂和石墨烯结合为一体，乙烯基硅烷偶联剂和纳米氧化锌晶须均匀地分散在石墨烯表面和片层间，改善了石墨烯的表面性能，有效促进了纳米氧化锌晶须和石墨烯的分散，防止其团聚，和高密度聚乙烯树脂作用，提高了体系间的相容性，改善管材的力学性能和韧性与刚度；一方面提高了管材的成碳量，改善了管材的热稳定性；另一方面，纳米氧化锌晶须和石墨烯配合，在体系间形成连续的导电通路，大大提高了管材的导电性，提高了管材的抗静电阻燃效果；
(3)制备方法简单科学，成本低廉，制备工艺环保，不会对环境产生污染。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行详细的描述。
本发明公开了一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，包括以下步骤：
(1)按重量分数计，分别称取高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、氯化聚乙烯、纳米氧化锌晶须改性石墨烯、增容剂、润滑剂、阻燃剂、抗氧剂、偶联剂、纳米碳酸钙、加工助剂、引发剂；
(2)先将上述配方量的低密度聚乙烯、氯化聚乙烯、抗氧剂、总量1/2的偶联剂在高速混料机中进行混合均匀、塑化后再加入引发剂混合均匀得混合物A；
(3)将上述配方量的高密度聚乙烯、纳米氧化锌晶须改性石墨烯、增容剂、润滑剂、阻燃剂、抗氧剂、剩余1/2的偶联剂、纳米碳酸钙、加工助剂投入高速搅拌机中搅拌30-40min后加入步骤(2)中的混合物A继续搅拌10-20min充分混合均匀后倒入双螺杆挤出机中加温、加压塑化呈熔融状态挤出型材，当型材冷却至40-90℃，同时在缠绕方向与前进方向上双向牵引型材，形成中空壁缠绕管。
所述纳米氧化锌晶须改性石墨烯的制备方法包括以下步骤：首先将纳米氧化锌晶须进行预处理：放入110±10℃烘箱内烘干2-3h，烘干后冷却至＜60℃；
其次将乙烯基硅烷偶联剂溶解于无水乙醇中，再加入预处理冷却后的纳米氧化锌晶须进行超声分散，升温至70-80℃搅拌均匀过滤后得到改性纳米氧化锌晶须，待用；
再次将聚甲基丙烯酸加入到乙二醇***中制得溶液A，搅拌机搅拌2-3h，将上述改性纳米氧化锌晶须和石墨烯粉末依次加入到上述溶液A中，超声30-40min，加入醋酸丁酸纤维素、十二烷基苯磺酸钠和N-甲基二乙醇胺，继续搅拌4-6h，得到氧化锌改性石墨烯溶胶。为了提高纳米氧化锌晶须的分散性，需要添加偶联剂对晶须进行改性；利用乙烯基硅烷偶联剂对纳米氧化锌晶须进行改性后再利用改性纳米氧化锌晶须对石墨烯进行改性，将纳米氧化锌晶须、乙烯基硅烷偶联剂和石墨烯结合为一体，乙烯基硅烷偶联剂和纳米氧化锌晶须均匀地分散在石墨烯表面和片层间，改善了石墨烯的表面性能，有效促进了纳米氧化锌晶须和石墨烯的分散，防止其团聚，和高密度聚乙烯树脂作用，提高了体系间的相容性，改善管材的力学性能和韧性与刚度；一方面提高了管材的成碳量，改善了管材的热稳定性；另一方面，纳米氧化锌晶须和石墨烯配合，在体系间形成连续的导电通路，大大提高了管材的导电性，提高了管材的抗静电阻燃效果。
所述纳米氧化锌晶须含量为99.9％，平均粒径为30-50nm，长度为10μm，比表面积为30m2/g。
所述乙烯基硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷中的一种或多种。
所述增容剂为马来酸酐接枝聚乙烯。
所述润滑剂为氧化聚乙烯蜡或乙撑双油酸酰胺EBO中的一种或两种。
所述阻燃剂为水镁石粉或海泡石。
所述抗氧剂为美国雅宝抗氧剂PW-9215。
所述偶联剂为铝酸酯偶联剂DH-306、硅烷偶联剂KH-560中的至少一种。
所述加工助剂为邻苯二甲酸二辛酯DOP和/或塑料光亮剂PE蜡；所述引发剂为过氧化新戊酸叔丁酯和/或硬脂酸钴。
表1为本发明实施例1-3中空壁缠绕管的配方用量表；表2实施例1-3纳米氧化锌晶须改性石墨烯组成成分表；表3为本发明实施例1-3中空壁缠绕管的抗拉伸强度、断裂伸长率、缺口冲击强度、电阻率、氧指数的性能参数测试结果；
表1实施例1-3所述的中空壁缠绕管原料配方(单位：份)
表2实施例1-3纳米氧化锌晶须改性石墨烯组成成分表(单位：份)
实施例1 实施例2 实施例3
纳米氧化锌晶须 10 20 15
石墨烯 20 30 23
乙烯基硅烷偶联 3 5 4
无水乙醇 40 60 50
聚甲基丙烯酸 20 30 25
乙二醇*** 60 80 70
醋酸丁酸纤维素 3 5 4
十二烷基苯磺酸钠 2 4 3
N-甲基二乙醇胺 3 5 4
表3实施例1-3制得的高刚度抗静电中空壁缠绕管的测试结果
实施例1 实施例2 实施例3
抗拉伸强度(MPa) 29.2 28.9 29.8
断裂伸长率(％) 392 394 382
缺口冲击强度(KJ/m2) 6.2 6.3 6.6
电阻率(Ω.cm) 9.0×107 8.5×107 9.9×107
氧指数(％) 35 35 36
由表3可知，采用本发明制得的中空壁缠绕管电阻率高，抗静电性能好；阻燃性好，热稳定性好、管材不变形，力学性能满足产品要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）按重量分数计，分别称取高密度聚乙烯100-120份、线性低密度聚乙烯10-20份、氯化聚乙烯10-20份、纳米氧化锌晶须改性石墨烯8-12份、增容剂6-12份、润滑剂1-3份、阻燃剂3-9份、抗氧剂0.5-1.5份、偶联剂1-3份、纳米碳酸钙1-5份、加工助剂1-3份、引发剂4-6份；
（2）先将上述配方量的低密度聚乙烯、氯化聚乙烯、抗氧剂、总量1/2的偶联剂在高速混料机中进行混合均匀、塑化后再加入引发剂混合均匀得混合物A；
（3）将上述配方量的高密度聚乙烯、纳米氧化锌晶须改性石墨烯、增容剂、润滑剂、阻燃剂、抗氧剂、剩余1/2的偶联剂、纳米碳酸钙、加工助剂投入高速搅拌机中搅拌30-40min后加入步骤（2）中的混合物A继续搅拌10-20min充分混合均匀后倒入双螺杆挤出机中加温、加压塑化呈熔融状态挤出型材，当型材冷却至40-90℃，同时在缠绕方向与前进方向上双向牵引型材，形成中空壁缠绕管。
2.根据权利要求1所述的一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，其特征在于：所述纳米氧化锌晶须改性石墨烯的制备方法包括以下步骤：首先将10-20份纳米氧化锌晶须进行预处理：放入110±10℃烘箱内烘干2-3h，烘干后冷却至＜60℃；
其次将3-5份乙烯基硅烷偶联剂溶解于40-60份无水乙醇中，再加入预处理冷却后的纳米氧化锌晶须进行超声分散，升温至70-80℃搅拌均匀过滤后得到改性纳米氧化锌晶须，待用；
再次将20-30份聚甲基丙烯酸加入到60-80份乙二醇***中制得溶液A，搅拌机搅拌2-3h，将上述改性纳米氧化锌晶须和20-30份石墨烯粉末依次加入到上述溶液A中，超声30-40min，加入3-5份醋酸丁酸纤维素、2-4份十二烷基苯磺酸钠和3-5份N-甲基二乙醇胺，继续搅拌4-6h，得到氧化锌改性石墨烯溶胶。
3.根据权利要求2所述的一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，其特征在于：所述纳米氧化锌晶须含量为99.9%，平均粒径为30-50nm，长度为10μm，比表面积为30m2/g。
4.根据权利要求2所述的一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，其特征在于：所述乙烯基硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，其特征在于：所述增容剂为马来酸酐接枝聚乙烯。
6.根据权利要求1所述的一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，其特征在于：所述润滑剂为氧化聚乙烯蜡或乙撑双油酸酰胺EBO中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，其特征在于：所述阻燃剂为水镁石粉或海泡石。
8.根据权利要求1所述的一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，其特征在于：所述抗氧剂为美国雅宝抗氧剂PW-9215。
9.根据权利要求1所述的一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，其特征在于：所述偶联剂为铝酸酯偶联剂DH-306、硅烷偶联剂KH-560中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的一种高刚度抗静电改性中空壁缠绕管的制备工艺，其特征在于：所述加工助剂为邻苯二甲酸二辛酯DOP和/或塑料光亮剂PE蜡；所述引发剂为过氧化新戊酸叔丁酯和/或硬脂酸钴。
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Denomination of invention: Preparation process of high rigidity antistatic modified hollow wall wound tube

Effective date of registration: 20201222

Granted publication date: 20200410

Pledgee: Xinyi Xinke Venture Capital Co.,Ltd.

Pledgor: XUZHOU XINXINNATI NEW MATERIAL Co.,Ltd.

Registration number: Y2020320000249