CN111253665B - 高密度聚乙烯管及其制备方法 - Google Patents

高密度聚乙烯管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种酰氯接枝石墨烯与玻璃纤维共同增强的高密度聚乙烯管及其制备方法，按重量份计，该高密度聚乙烯管包括以下组分：高密度聚乙烯40‑90份、玻璃纤维5‑30份、相容剂2‑30份、酰氯接枝石墨烯0.05‑5份、防玻纤外露剂0.2‑3份以及黑色母粒1‑10份。本发明的高密度聚乙烯管中，酰氯接枝石墨烯可与玻纤表面羟基反应生成酯基，增强界面结合力，玻纤表面的其他羟基又可通过相容剂与HDPE相结合，不同相态物质可以充分结合在一起有效传递应力，从而使高密度聚乙烯管具有优异的弯曲性能、拉伸性能和韧性，同时其制备方法简单易操作，具有大规模生产应用的可能性。

Description

高密度聚乙烯管及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，特别涉及一种酰氯接枝石墨烯与玻璃纤维共同增强的高密度聚乙烯管及其制备方法。
背景技术
高密度聚乙烯(HDPE)通常是线性高分子材料，其具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好(在室温条件下，不溶于有机溶剂，耐酸、碱和各种盐类的腐蚀)，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好。
由HDPE制造成的管材具有柔韧性，抗拉伸性能强、耐腐蚀能力且容易更换的优点，一般使用环境下，土壤、电力、酸碱等因素不会使管道破坏，因此可广泛应用于燃气输送、给水、排污、农业灌溉等领域。
常见的HDPE管材存在耐压性能差的缺陷，在管道使用过程中，若受压后产生裂纹过大，则会导致管道内流体泄漏，限制了管材的使用。
CN110372941A公开了一种高密度聚乙烯管及其制备方法，其使用偶联剂对四针状氧化锌晶须表面进行偶联处理后，四针状氧化锌晶须与高密度聚乙烯之间的相容性得到改善，高密度聚乙烯与偶联剂的亲有机端连接在一起，四针状氧化锌晶须与偶联剂的亲无机端连接在一起，从而提高四针状氧化锌晶须与高密度聚乙烯的相容性，从而制备出抗开裂性能优异的高密度聚乙烯管。
然而现有技术中并未有采用酰氯接枝石墨烯与玻璃纤维共同增强HDPE管材的报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中HDPE管材耐压性能差的缺陷，提供一种酰氯接枝石墨烯与玻璃纤维共同增强的高密度聚乙烯管，以增强管材的抗弯曲性能、拉伸性能和韧性。
为实现上述目的，本发明所采用的方案为：
一种高密度聚乙烯管，按重量份计，包括以下组分：
高密度聚乙烯40-90份、玻璃纤维5-30份、相容剂2-30份、酰氯接枝石墨烯0.05-5份、防玻纤外露剂0.2-3份以及黑色母粒1-10份。
在一些实施例中，所述玻璃纤维选自粗纤维、初级纤维、中级纤维和高级纤维中的一种或多种。
在一些实施例中，所述相容剂选自甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯、丙烯酸接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、硅烷接枝聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物和乙烯丙烯酸共聚物中的一种或多种。
在一些实施例中，所述酰氯接枝石墨烯选自亚硫酰氯改性氧化石墨烯、三氯化磷改性氧化石墨烯和五氯化磷改性氧化石墨烯中的一种或多种。
在一些实施例中，所述防玻纤外露剂选自聚乙烯蜡(PE蜡)、乙撑双硬脂酸酰胺(EBS)、改性乙撑双脂肪酸酰胺(TAF)、季戊四醇四硬脂酸酯(PETS)、聚四氟乙烯(PTFE)和硅酮的一种或多种。
另一方面，本发明提供上述高密度聚乙烯管的制备方法，包括以下步骤：
将高密度聚乙烯、玻璃纤维、相容剂、酰氯接枝石墨烯、防玻纤外露剂以及黑色母粒混合均匀，得到混合物；以及
将所述混合物放入挤出机中挤出成型，得到所述高密度聚乙烯管。
在一些实施例中，所述挤出机为双螺杆挤出机。
在一些实施例中，所述挤出成型的温度为150-250℃。
在一些实施例中，所述挤出成型的回流时间为5-25min。
在一些实施例中，所述挤出机的转速为50-125rad/min。
本发明的高密度聚乙烯管中，酰氯接枝石墨烯可与玻纤表面羟基反应生成酯基，增强界面结合力，玻纤表面的其他羟基又可通过相容剂与HDPE相结合，不同相态物质可以充分结合在一起有效传递应力，从而使高密度聚乙烯管具有优异的弯曲性能、拉伸性能和韧性，同时其制备方法简单易操作，具有大规模生产应用的可能性。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
本发明提供的是一种酰氯接枝石墨烯与玻璃纤维共同增强的高密度聚乙烯管，按重量份计，其包括以下组分：高密度聚乙烯40-90份、玻璃纤维5-30份、相容剂2-30份、酰氯接枝石墨烯0.05-5份、防玻纤外露剂0.2-3份以及黑色母粒1-10份。
本发明的高密度聚乙烯管中，所用的玻璃纤维选自粗纤维、初级纤维、中级纤维和高级纤维中的一种或多种。
本发明的高密度聚乙烯管中，所用的相容剂选自甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯、丙烯酸接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、硅烷接枝聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物和乙烯丙烯酸共聚物中的一种或多种。
本发明的高密度聚乙烯管中，所用的酰氯接枝石墨烯选自亚硫酰氯改性氧化石墨烯、三氯化磷改性氧化石墨烯和五氯化磷改性氧化石墨烯中的一种或多种。
本发明的高密度聚乙烯管中，所用的防玻纤外露剂选自聚乙烯蜡(PE蜡)、乙撑双硬脂酸酰胺(EBS)、改性乙撑双脂肪酸酰胺(TAF)、季戊四醇四硬脂酸酯(PETS)、聚四氟乙烯(PTFE)和硅酮的一种或多种。
上述组分中，酰氯接枝石墨烯可与玻纤表面羟基反应生成酯基，增强界面结合力，玻纤表面的其他羟基又可通过相容剂与HDPE相结合，不同相态物质可以充分结合在一起有效传递应力，有效增强管材的抗弯曲、拉伸等性能。
发明人已成功中试制作缠绕管，缠绕形成的管子表面光滑度较好，耐压力和机械性能提升，环刚度也大幅度提升，不易脆裂变形。
本发明的高密度聚乙烯管，可通过以下制备方法得到，具体包括：
按照预定比例将高密度聚乙烯、玻璃纤维、相容剂、酰氯接枝石墨烯、防玻纤外露剂以及黑色母粒混合均匀，得到混合物；以及
将混合物放入挤出机中挤出成型，得到高密度聚乙烯管。
本发明的制备方法中，所用的挤出机优选为双螺杆挤出机，在挤出成型过程中，将温度设置为150-250℃，转速设置为50-125rad/min，回流时间设置为5-25min，挤出后即得到酰氯接枝石墨烯与玻璃纤维共同增强的高密度聚乙烯管。
本发明管材制备方法简单易操作，只需一步混料加入挤出机即可，具有大规模生产应用的可能性。
除非另作限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
以下通过实施例对本发明作进一步地详细说明。
实施例
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中，氧化石墨烯采用改进的Hummers法制得。
下述实施例中，亚硫酰氯改性氧化石墨烯的方法如下：称取0.2-0.7g氧化石墨烯、20-40ml精制的亚硫酰氯和3-6ml除水的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)加入到100ml三口烧瓶中，加磁子，安装回流装置及尾气吸收装置，放置在油浴锅内，温度控制在55-70℃，反应18-24h。反应结束后，过滤出产物，再用除水四氢呋喃清洗产物，干燥后得亚硫酰氯改性氧化石墨烯。五氯化磷改性氧化石墨烯和三氯化磷改性氧化石墨烯采用类似的方法对氧化石墨烯改性制得。
实施例1
按重量份计，高密度聚乙烯管包括高密度聚乙烯70份、初级玻璃纤维10份、硅烷接枝聚乙烯5份、亚硫酰氯改性氧化石墨烯1份、防玻纤外露剂1份、黑色母粒3份。
A、按照上述比例，分别称量高密度聚乙烯、初级玻璃纤维、硅烷接枝聚乙烯、亚硫酰氯改性氧化石墨烯、防玻纤外露剂、黑色母粒，搅拌得到均匀混合物。
B、将双螺杆挤出机的温度设置为170℃，转速设置为80rad/min。将混合物加入双螺杆挤出机中，回流时间设置为10min，挤出后即得到高密度聚乙烯管。
对所得高密度聚乙烯管分别进行弯曲强度、拉伸强度和环刚度的性能测试，结果如表1所示。
实施例2
按重量份计，高密度聚乙烯管包括高密度聚乙烯85份、中级玻璃纤维25份、乙烯-乙烯醇共聚物3份、五氯化磷改性氧化石墨烯0.5份、防玻纤外露剂3份、黑色母粒2份。
A、按照上述比例，分别称量高密度聚乙烯、中级玻璃纤维、乙烯-乙烯醇共聚物、五氯化磷改性氧化石墨烯、防玻纤外露剂、黑色母粒，搅拌得到均匀混合物。
B、将双螺杆挤出机温度设置为200℃，转速设置为50rad/min。将混合物加入双螺杆挤出机中，回流时间设置为15min，挤出后即得到高密度聚乙烯管。
对所得高密度聚乙烯管分别进行弯曲强度、拉伸强度和环刚度的性能测试，结果如表1所示。
实施例3
按重量份计，高密度聚乙烯管包括高密度聚乙烯60份、高级玻璃纤维6份、丙烯酸接枝聚乙烯7份、三氯化磷改性氧化石墨烯2份、防玻纤外露剂0.5份、黑色母粒0.5份。
A、按照上述比例，分别称量高密度聚乙烯、高级玻璃纤维、丙烯酸接枝聚乙烯、三氯化磷改性氧化石墨烯、防玻纤外露剂、黑色母粒，搅拌得到均匀混合物。
B、将双螺杆挤出机温度设置为160℃，转速设置为70rad/min。将混合物加入双螺杆挤出机中，回流时间设置为5min，挤出后即得到高密度聚乙烯管。
对所得高密度聚乙烯管分别进行弯曲强度、拉伸强度和环刚度的性能测试，结果如表1所示。
对比例1
按重量份计，高密度聚乙烯管包括高密度聚乙烯60份、高级玻璃纤维6份、丙烯酸接枝聚乙烯7份、未改性的氧化石墨烯2份、防玻纤外露剂0.5份、黑色母粒0.5份。
A、按照上述比例，分别称量高密度聚乙烯、高级玻璃纤维、丙烯酸接枝聚乙烯、未改性的氧化石墨烯、防玻纤外露剂、黑色母粒，搅拌得到均匀混合物。
B、将双螺杆挤出机温度设置为160℃，转速设置为70rad/min。将混合物加入双螺杆挤出机中，回流时间设置为5min，挤出后即得到高密度聚乙烯管。
对所得高密度聚乙烯管分别进行弯曲强度、拉伸强度和环刚度的性能测试，结果如表1所示。
表1实施例1-3和对比例1所得高密度聚乙烯管的性能测试结果
弯曲强度(MPa) 拉伸强度(MPa) 环刚度(KPa)
对比例1 22.3 19.2 4.35
实施例1 46.5 33.8 6.86
实施例2 60.0 38.3 7.01
实施例3 32.3 31.6 6.14
由表1的测试结果可知，和采用未改性氧化石墨烯的对比例1相比，本发明实施例1-3中添加改性氧化石墨烯后所得的高密度聚乙烯管具有明显优异的弯曲性能、拉伸性能和韧性。
综上所述，本发明的高密度聚乙烯管中，酰氯接枝石墨烯可与玻纤表面羟基反应生成酯基，增强界面结合力，玻纤表面的其他羟基又可通过相容剂与HDPE相结合，不同相态物质可以充分结合在一起有效传递应力，从而使高密度聚乙烯管具有优异的弯曲性能、拉伸性能和韧性，同时其制备方法简单易操作，具有大规模生产应用的可能性。
本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种高密度聚乙烯管，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：
高密度聚乙烯40-90份、玻璃纤维5-30份、相容剂2-30份、酰氯接枝石墨烯0.05-5份、防玻纤外露剂0.2-3份以及黑色母粒1-10份。
2.根据权利要求1所述的高密度聚乙烯管，其特征在于，所述玻璃纤维选自粗纤维、初级纤维、中级纤维和高级纤维中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高密度聚乙烯管，其特征在于，所述相容剂选自甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯、丙烯酸接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、硅烷接枝聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯 共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物和乙烯丙烯酸共聚物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的高密度聚乙烯管，其特征在于，所述酰氯接枝石墨烯选自亚硫酰氯改性氧化石墨烯、三氯化磷改性氧化石墨烯和五氯化磷改性氧化石墨烯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的高密度聚乙烯管，其特征在于，所述防玻纤外露剂选自聚乙烯蜡(PE蜡)、乙撑双硬脂酸酰胺(EBS)、改性乙撑双脂肪酸酰胺(TAF)、季戊四醇四硬脂酸酯(PETS)、聚四氟乙烯(PTFE)和硅酮的一种或多种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的高密度聚乙烯管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将高密度聚乙烯、玻璃纤维、相容剂、酰氯接枝石墨烯、防玻纤外露剂以及黑色母粒混合均匀，得到混合物；以及
将所述混合物放入挤出机中挤出成型，得到所述高密度聚乙烯管。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述挤出机为双螺杆挤出机。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述挤出成型的温度为150-250℃。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述挤出成型的回流时间为5-25min。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述挤出机的转速为50-125rad/min。
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