CN112280156A - 一种导热阻燃聚乙烯塑料管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高分子材料领域，公开了一种导热阻燃聚乙烯塑料管及其制备方法。按重量份数计，本发明的导热阻燃聚乙烯塑料管包含90‑100份耐热聚乙烯，20‑30份导热助剂，1‑5份钛酸酯偶联剂，1‑2份相容剂，5‑15份阻燃剂，0‑0.3份抗氧剂，0‑0.5份加工助剂，该导热阻燃聚乙烯塑料管选用石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物作为导热助剂，并使用钛酸酯偶联剂对其改性处理，在阻燃剂中添加改性碳钠米管，同时提高了聚乙烯塑料的耐热性和导热系数，并且保留了其固有的可焊性及其他物理、化学、机械性能，用其制成换热器，使用寿命、传热效率、节能效果都会超过一般导热塑料管。

Description

一种导热阻燃聚乙烯塑料管及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，具体是涉及一种导热阻燃聚乙烯塑料管及其制备方法。
背景技术
在工民建领域，尤其是换热工程中，换热器、换热管道等所用材料，传统上都是采用金属材料。金属材料虽然具备良好的导热性，但其耐腐蚀性差，金属换热管道、换热器会对所处理介质产生污染，并且使用寿命短，跑冒滴漏事故时有发生，影响换热工程的安全运行，因此，寻求新的替代材料成为换热设备发展的方向之一。
目前，金属管道逐渐被各种聚烯烃塑料管如PPR/PE/PVC管取代。耐腐蚀是大多数塑料的特长，与金属管材相比，塑料管具有质轻、耐腐蚀、比强度高、寿命长等优点，广泛用于建筑给排水、采暖管道***、中央空调***、化工管道***等。但纯的高分子材料大多是热的不良导体，用于换热工程时传热效率很低是大多数塑料的缺点。因此，提高塑料材料的热导率便成为近年研究的重点。
目前提高塑料导热性能的途径主要有两种：第一，合成具有高导热系数的结构聚合物，如具有良好导热性能的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等，主要通过电子导热机制实现导热；第二，通过高导热无机物对塑料进行填充，制备聚合物/无机物导热复合材料。第一种方法，即合成具有高导热系数的结构聚合物成本高昂，且研发难度极大，因此，填充制备导热聚合物是目前广泛采用的方法。
无论是普通聚乙烯管，还是导热聚乙烯管，它们有一个共同的先天不足就是耐热性很差，连续工作温度一般不超过40℃，工作温度超过40℃，其承压能力和使用寿命均将急剧下降。另外，普通高密度聚乙烯管的导热系数仅0.4w/m.k左右，传热效率低下。要获得一种导热性好，且能承受较高压力，可以在高温条件下使用的导热聚合物并不容易。例如，中国发明专利CN105131385A公开了一种高阻氧高强的聚烯烃导热管材及其制备方法，包括按重量份数计的如下组分：聚烯烃树脂100份、石墨烯片层0.1-5份、相容剂0.1-15份、抗氧剂0.01-0.2份，所述石墨烯片层以管材的中轴线为中心呈环状均匀分布在聚烯烃树脂内。该发明通过石墨烯片层的引入及旋转芯棒口模的采用，使得聚烯烃结晶度更高，可形成大量取向晶体，对管材力学性能、导热及耐温性能的改善效果较为明显，但其对导热性能的提升并不是非常明显，且其具体实施例所制备的聚烯烃导热管材导热系数在0.42w/m·K-0.87w/m·K之间，波动较大。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种导热阻燃聚乙烯塑料管及其制备方法，本发明所提供的导热阻燃聚乙烯塑料管选用石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物作为导热助剂，并使用钛酸酯偶联剂对其改性处理，在阻燃剂中添加改性碳钠米管，同时提高了聚乙烯塑料的耐热性和导热系数，并且保留了其固有的可焊性及其他物理、化学、机械性能，用其制成换热器，使用寿命、传热效率、节能效果都会超过一般导热塑料管。
为达到本发明的目的，按重量份数计，本发明的导热阻燃聚乙烯塑料管包含90-100份耐热聚乙烯（PE-RT），20-30份导热助剂，1-5份钛酸酯偶联剂，1-2份相容剂，5-15份阻燃剂，0-0.3份抗氧剂，0-0.5份加工助剂。
进一步地，所述导热助剂为石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物。
优选地，在本发明的一些实施例中，所述石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的质量比为1：1-3：1-2。
进一步优选地，在本发明的一些实施例中，所述导热助剂经过钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液偶联处理，且所述钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中钛酸酯偶联剂和无水乙醇的质量比为1：1-2。
进一步优选地，在本发明的一些实施例中，所述偶联处理是对导热助剂进行球磨处理，随后将其置于钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中加热至60-70℃进行偶联处理1-3 h，再将其干燥。
进一步地，所述阻燃剂为镁铝碱式碳酸盐和改性碳纳米管的混合物。
进一步地，所述改性碳纳米管为羟基化碳纳米管或羧基化碳纳米管中的一种或两种。
优选地，在本发明的一些实施例中，所述镁铝碱式碳酸盐和改性碳纳米管的质量比为2-4：1。
进一步地，所述相容剂为硅烷偶联剂，如KH550，KH560，KH570，KH792等。
进一步地，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168中的一种或多种。
优选地，在本发明的一些实施例中，所述加工助剂为润滑剂，例如季戊四醇硬脂酸酯、酰胺蜡中的一种或多种。
进一步地，本发明还提供了一种前述导热阻燃聚乙烯塑料管的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
（1）对导热助剂进行球磨处理，随后将其置于钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中加热进行偶联处理，再将其干燥；
（2）将耐热聚乙烯、相容剂、阻燃剂、抗氧剂、加工助剂以及步骤（1）干燥所得导热助剂加入搅拌机中进行预混合处理得到预混料；
（3）将步骤（2）所得预混料加入挤出机中进行挤出成型，即可获得导热阻燃聚乙烯塑料管。
优选地，在本发明的一些实施例中，所述钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中钛酸酯偶联剂和无水乙醇的质量比为1：1-2。
优选地，在本发明的一些实施例中，所述步骤（1）中加热是指加热至60-70℃进行偶联处理1~3 h。
本发明的有益效果包括但不限于：
（1）氧化石墨烯作为石墨烯基材料一类重要的衍生物，尽管氧化过程破坏了石墨烯高度共轭结构，但是仍保持着特殊的表面性能与层状结构，本发明中选用石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物作为导热助剂，有利于提高导热助剂和基体材料的结合度，提高材料的强度和导热性；
（2）本发明在阻燃剂中添加改性碳钠米管，不但能够使导热助剂和耐热聚乙烯的结合性更好，也有助于提高产品的耐高温性、强度和导热性；
（3）本发明使用钛酸酯偶联剂对导热助剂进行活化处理，可以进一步增强导热助剂与基体树脂间的亲和力，提高材料的强度和导热性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解，以下描述仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
此外，下面所描述的术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对相同的实施例或示例。而且，本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
一种导热阻燃聚乙烯塑料管，按重量份数计，包含90份PE-RT，20份导热助剂，1份钛酸酯偶联剂，0.5份硅烷偶联剂KH570，5份阻燃剂，0.1份季戊四醇硬脂酸酯，其中所述导热助剂为石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物，且所述石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的质量比为1：1：1；所述阻燃剂为镁铝碱式碳酸盐和羧基化碳纳米管的混合物，所述镁铝碱式碳酸盐和羧基化碳纳米管的质量比为2：1。
上述导热阻燃聚乙烯塑料管的制备方法如下：
（1）对石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝进行球磨处理30 min，然后将其置于钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中加热至60℃进行偶联处理3 h，再将其干燥，其中，所述钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中钛酸酯偶联剂和无水乙醇的质量比为1：1；
（2）将PE-RT、硅烷偶联剂KH570、阻燃剂、季戊四醇硬脂酸酯以及步骤（1）干燥所得导热助剂加入搅拌机中进行预混合处理得到预混料；
（3）将步骤（2）所得预混料加入挤出机中进行挤出成型，即可获得导热阻燃聚乙烯塑料管。
实施例2
一种导热阻燃聚乙烯塑料管，按重量份数计，包含95份PE-RT，25份导热助剂，3份钛酸酯偶联剂，1.2份硅烷偶联剂KH550，10份阻燃剂，0.3份抗氧剂168，0.2份季戊四醇硬脂酸酯，其中所述导热助剂为石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物，且所述石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的质量比为1：2：1.5；所述阻燃剂为镁铝碱式碳酸盐和羟基化碳纳米管的混合物，所述镁铝碱式碳酸盐和羟基化碳纳米管的质量比为3：1。
上述导热阻燃聚乙烯塑料管的制备方法如下：
（1）对石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝进行球磨处理30 min，然后将其置于钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中加热至65℃进行偶联处理2 h，再将其干燥，其中，所述钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中钛酸酯偶联剂和无水乙醇的质量比为2：3；
（2）将PE-RT、硅烷偶联剂KH550、阻燃剂、抗氧剂168、季戊四醇硬脂酸酯以及步骤（1）干燥所得导热助剂加入搅拌机中进行预混合处理得到预混料；
（3）将步骤（2）所得预混料加入挤出机中进行挤出成型，即可获得导热阻燃聚乙烯塑料管。
实施例3
一种导热阻燃聚乙烯塑料管，按重量份数计，包含100份PE-RT，30份导热助剂，5份钛酸酯偶联剂，2.0份硅烷偶联剂KH560，15份阻燃剂，0.3份抗氧剂1010，0.5份酰胺蜡，其中所述导热助剂为石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物，且所述石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的质量比为1：3：2；所述阻燃剂为镁铝碱式碳酸盐和羟基化碳纳米管的混合物，且所述镁铝碱式碳酸盐和羟基化碳纳米管的质量比为4：1。
上述导热阻燃聚乙烯塑料管的制备方法如下：
（1）对石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝进行球磨处理30 min，然后将其置于钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中加热至70℃进行偶联处理1 h，再将其干燥，其中，所述钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中钛酸酯偶联剂和无水乙醇的质量比为1：2；
（2）将PE-RT、硅烷偶联剂KH560、阻燃剂、抗氧剂1010、酰胺蜡以及步骤（1）干燥所得导热助剂加入搅拌机中进行预混合处理得到预混料；
（3）将步骤（2）所得预混料加入挤出机中进行挤出成型，即可获得导热阻燃聚乙烯塑料管。
对比例1
一种导热阻燃聚乙烯塑料管，按重量份数计，包含95份PE-RT，25份导热助剂，3份钛酸酯偶联剂，1.2份硅烷偶联剂KH550，10份阻燃剂，0.3份抗氧剂168，0.2份季戊四醇硬脂酸酯，其中所述导热助剂为石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物，且所述石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的质量比为1：2：1.5；所述阻燃剂为镁铝碱式碳酸盐。
上述导热阻燃聚乙烯塑料管的制备方法如下：
（1）对石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝进行球磨处理30 min，然后将其置于钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中加热至65℃进行偶联处理2 h，再将其干燥，其中，所述钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中钛酸酯偶联剂和无水乙醇的质量比为2：3；
（2）将PE-RT、硅烷偶联剂KH550、阻燃剂、抗氧剂168、季戊四醇硬脂酸酯以及步骤（1）干燥所得导热助剂加入搅拌机中进行预混合处理得到预混料；
（3）将步骤（2）所得预混料加入挤出机中进行挤出成型，即可获得导热阻燃聚乙烯塑料管。
对比例2
一种导热阻燃聚乙烯塑料管，按重量份数计，包含95份PE-RT，25份导热助剂，3份钛酸酯偶联剂，1.2份硅烷偶联剂KH550，10份阻燃剂，0.3份抗氧剂168，0.2份季戊四醇硬脂酸酯，其中所述导热助剂为石墨烯和纳米氧化铝的混合物，且所述石墨烯和纳米氧化铝的质量比为1：1.5；所述阻燃剂为镁铝碱式碳酸盐和羟基化碳纳米管的混合物，所述镁铝碱式碳酸盐和羟基化碳纳米管的质量比为3：1。
上述导热阻燃聚乙烯塑料管的制备方法如下：
（1）对石墨烯和纳米氧化铝进行球磨处理30 min，然后将其置于钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中加热至65℃进行偶联处理2 h，再将其干燥，其中，所述钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中钛酸酯偶联剂和无水乙醇的质量比为2：3；
（2）将PE-RT、硅烷偶联剂KH550、阻燃剂、抗氧剂168、季戊四醇硬脂酸酯以及步骤（1）干燥所得导热助剂加入搅拌机中进行预混合处理得到预混料；
（3）将步骤（2）所得预混料加入挤出机中进行挤出成型，即可获得导热阻燃聚乙烯塑料管。
对比例3
一种导热阻燃聚乙烯塑料管，按重量份数计，包含95份PE-RT，25份导热助剂，3份钛酸酯偶联剂，1.2份硅烷偶联剂KH550，10份阻燃剂，0.3份抗氧剂168，0.2份季戊四醇硬脂酸酯，其中所述导热助剂为石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物，且所述石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的质量比为1：2：1.5；所述阻燃剂为镁铝碱式碳酸盐和羟基化碳纳米管的混合物，所述镁铝碱式碳酸盐和羟基化碳纳米管的质量比为3：1。
上述导热阻燃聚乙烯塑料管的制备方法如下：
（1）将PE-RT、导热助剂、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂KH550、阻燃剂、抗氧剂168、季戊四醇硬脂酸酯加入搅拌机中进行预混合处理得到预混料；
（2）将步骤（1）所得预混料加入挤出机中进行挤出成型，即可获得导热阻燃聚乙烯塑料管。
对本发明实施例和对比例所得样品进行性能测试，其中，导热系数的单位为W/m·K，测试标准为ISO22007-2008，垂直燃烧的测试标准为GB/T 2408-2008，拉伸强度的单位为MPa，测试标准为GB/T 1040-2006，缺口冲击强度的单位为kJ/m2，测试标准为GB/T 1043-2008，测试结果如表1所示。
表1 实施例和对比例所得样品的性能测定结果
编号 导热系数 垂直燃烧 拉伸强度 缺口冲击强度
实施例1 1.12 V-0 33.2 17.8
实施例2 1.15 V-0 33.9 17.9
实施例3 1.17 V-0 33.5 17.9
对比例1 0.91 V-2 25.6 14.0
对比例2 0.82 V-0 26.3 13.9
对比例3 0.96 V-1 28.9 15.6
由表1中可知，本发明中选用石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物作为导热助剂，有利于提高导热助剂和基体材料的结合度，提高材料的强度和导热性；在阻燃剂中添加改性碳钠米管，不但能够使导热助剂和耐热聚乙烯的结合性更好，也有助于提高产品的耐高温性、强度和导热性；本发明使用钛酸酯偶联剂对导热助剂进行活化处理，可以进一步增强导热助剂与基体树脂间的亲和力，提高材料的强度和导热性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的实例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导热阻燃聚乙烯塑料管，其特征在于，所述导热阻燃聚乙烯塑料管包含90-100份耐热聚乙烯，20-30份导热助剂，1-5份钛酸酯偶联剂，1-2份相容剂，5-15份阻燃剂，0-0.3份抗氧剂，0-0.5份加工助剂。
2.根据权利要求1所述的导热阻燃聚乙烯塑料管，其特征在于，所述导热助剂为石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的混合物；优选地，所述石墨烯、氧化石墨烯和纳米氧化铝的质量比为1：1-3：1-2。
3.根据权利要求2所述的导热阻燃聚乙烯塑料管，其特征在于，所述导热助剂经过钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液偶联处理，且所述钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中钛酸酯偶联剂和无水乙醇的质量比为1：1-2；优选地，所述偶联处理是对导热助剂进行球磨处理，随后将其置于钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中加热至60-70℃进行偶联处理1-3 h，再将其干燥。
4.根据权利要求1所述的导热阻燃聚乙烯塑料管，其特征在于，所述阻燃剂为镁铝碱式碳酸盐和改性碳纳米管的混合物。
5.根据权利要求4所述的导热阻燃聚乙烯塑料管，其特征在于，所述改性碳纳米管为羟基化碳纳米管或羧基化碳纳米管中的一种或两种；优选地，所述镁铝碱式碳酸盐和改性碳纳米管的质量比为2-4：1。
6.根据权利要求1所述的导热阻燃聚乙烯塑料管，其特征在于，所述相容剂为硅烷偶联剂，例如KH550，KH560，KH570，KH792。
7.根据权利要求1所述的导热阻燃聚乙烯塑料管，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168中的一种或多种；优选地，所述加工助剂为润滑剂，例如季戊四醇硬脂酸酯、酰胺蜡中的一种或多种。
8.权利要求1-7任一项所述导热阻燃聚乙烯塑料管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）对导热助剂进行球磨处理，随后将其置于钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中加热进行偶联处理，再将其干燥；
（2）将耐热聚乙烯、相容剂、阻燃剂、抗氧剂、加工助剂以及步骤（1）干燥所得导热助剂加入搅拌机中进行预混合处理得到预混料；
（3）将步骤（2）所得预混料加入挤出机中进行挤出成型，即可获得导热阻燃聚乙烯塑料管。
9.权利要求8所述导热阻燃聚乙烯塑料管的制备方法，其特征在于，所述钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中钛酸酯偶联剂和无水乙醇的质量比为1：1-2。
10.权利要求8所述导热阻燃聚乙烯塑料管的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中加热是指加热至60-70℃进行偶联处理1~3 h。
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