增強熱塑性塑料管材及其生產方法
2023-05-15 00:19:21 1
專利名稱：增強熱塑性塑料管材及其生產方法
技術領域：
本發明涉及一種增強熱塑性塑料管材及其生產方法。
背景技術：
增強塑料管材有兩大類，第一類是增強熱固性塑料管材，即通常所稱的玻璃鋼管材；第二類是增強熱塑性塑料管材。玻璃鋼管材的最大缺點是不能盤卷，因此，鋪設和運輸都非常不方便。目前，增強熱塑性塑料管材主要是用鋼骨架、孔網板鋼骨架或鋼絲纏繞，對熱塑性塑料管材(例如，聚乙烯或聚丙烯塑料管材)進行增強，但是，這樣增強的塑料管材，由於鋼與塑料之間存在較大的和不均勻的內應力，增強效果不明顯，而且還存在管與管的連接、對接、封端等問題，同時，由於傳統高密度聚乙烯管材內壁表面毛糙，極易引起被輸送材料結垢且不斷加厚，進而堵塞，成為最終導致管子報廢的主要原因。報廢后的管子再生利用性差，還會對環境造成影響。目前有一種增強熱塑性塑料管材，它是用纖維作為熱塑性塑料管材的增強材料。這些纖維是合成纖維、玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維，其中，增強效果最好的是芳綸纖維。但是這種纖維的價格是塑料的數十倍，因此，在發展中的國家很難推廣。
發明內容
本發明的第一個目的是提供一種性能與價格比合理的增強熱塑性塑料管材，其價格低於用芳綸或碳纖維作增強材料的增強熱塑性塑料管材，而抗衝擊性、耐高壓性相當；管壁防結垢性能優於純聚乙烯管材，同時還保留了純聚乙烯管材的柔性，可作成長盤卷管運輸和使用。
本發明的第二個目的是提供一種生產上述增強熱塑性塑料管材的方法，該方法方法簡單，能耗低，便於推廣。
實現本發明第一個目的的技術方案是一種增強熱塑性塑料管材，它具有三層結構，其特點是，內層是納米材料改性高密度聚乙烯管材；中層是包覆和粘結在內層表面的複合聚酯纖維層；外層是納米材料改性高密度聚乙烯層，它擠壓結合在中層複合聚酯纖維層表面，上述三層複合為一體；所述複合聚酯是用納米材料與聚酯原料一起縮聚生成的複合聚酯材料。
上述增強熱塑性塑料管材，所述中層複合聚酯纖維層是複合聚酯材料加工成的高強度、高模量、低收縮的複合聚酯單絲、繩、帶或織物的正反交叉纏繞層或螺旋纏繞層，其纏繞層層數為一層或多層。
上述增強熱塑性塑料管材，所述納米材料改性高密度聚乙烯，它含有高密度聚乙烯樹脂、納米材料、抗氧化劑、石蠟及抗紫外線劑或抗靜電劑。
上述增強熱塑性塑料管材，所述納米材料是納米級的碳酸鈣、二氧化矽或氧化鋅中的一種或多種。
實現本發明第二個目的的技術方案是一種上述增強熱塑性塑料管材的生產方法，有如下步驟①按比例將納米材料、抗氧化劑、石蠟和高密度聚乙烯樹脂，同時經過裝配有紫外線發射裝置或微波發射裝置且不停運動的乾燥流道進行分散，然後，進入造粒機製成母粒，此時起潤滑劑作用的石蠟已完全揮發；②在擠出機內，按比例將步驟①製得的母粒、抗靜電劑和高密度聚乙烯樹脂，一起擠壓成管材，即為內層；③將複合聚酯單絲、繩、帶或織物，用纏繞機在內層表面，正反交叉纏繞或螺旋纏繞一層或多層，形成中層複合聚酯纖維層；④對中層複合聚酯纖維層表面熱定型，然後，塗覆粘結劑將中層複合聚酯纖維層，與內層表面粘結固定；⑤由步驟④製得的粘結固定有中層複合聚酯纖維層的管材，再次通過擠出機時，按比例將步驟①製得的母粒、抗紫外線劑、高密度聚乙烯樹脂一起擠壓結合在中層複合聚酯纖維層的表面，形成外層，冷卻後得到具有內層、中層和外層三層結構並複合為一體的增強熱塑性塑料管材。
上述增強熱塑性塑料管材的生產方法，所述納米材料是納米級的碳酸鈣、二氧化矽或氧化鋅中的一種或多種。
上述增強熱塑性塑料管材的生產方法，其步驟①製備母粒所用的納米材料、抗氧化劑、石蠟和高密度聚乙烯樹脂的重量比是20∶1.5∶5.0∶78.5。
上述增強熱塑性塑料管材的生產方法，其步驟②形成內層所用的母粒、抗靜電劑、高密度聚乙烯樹脂的重量比是6∶2∶92。
上述增強熱塑性塑料管材的生產方法，其步驟⑤形成外層所用的母粒、抗紫外線劑、高密度聚乙烯樹脂的重量比是6∶2∶92。
本發明的積極效果是(1)本發明的增強熱塑性塑料管材，其內層是納米材料改性高密度聚乙烯管材。由於納米材料的存在，不僅使內層管材的抗壓性、模量和抗衝擊性，比純高密度聚乙烯管材分別提高了30％、30％和80％，而且內層管材表面更光滑，輸送阻力減小，被輸送的物料不易在管壁結垢，管材的使用壽命延長；構成中層複合聚酯纖維層的複合聚酯，是用納米材料與聚酯原料一起縮聚生成的複合聚酯材料。由於納米材料參與了縮聚反應，使所得複合聚酯分子的性能獲得改善，與純聚酯分子比較，複合聚酯分子的結晶度和取向度提高，分子間的作用力增強，從根本上克服了純聚酯材料的缺欠。因此，用這種複合聚酯製得的纖維，與純聚酯纖維相比，其強度提高30％，熱收縮率＜5％，對熱塑性塑料管材的增強效果提高；外層是納米材料改性高密度聚乙烯層，其中納米材料的改性作用提高了外層的強度，而且由於外層與複合聚酯纖維層是擠壓結合的，這種擠壓成型定型，又進一步提高了中層複合聚酯纖維層強度和剛度。因此，本發明的增強熱塑性塑料管材，其工作壓力達到6～14Mpa，爆破壓力達到40Mpa，與用價格昂貴的芳綸纖維加強的熱塑性塑料管材的水平相當，其性能價格比更易被市場接受，同時還保留了純聚乙烯管材的柔性，可作成長盤卷管運輸和使用。(2)製備本發明的上述增強熱塑性塑料管材的方法，有如下優點納米材料、抗氧化劑、石蠟和高密度聚乙烯樹脂，在經過裝配有紫外線發射裝置或微波發射裝置且不停運動的乾燥流道時，由於紫外線或微波輻射作用和不停運動的乾燥流道的機械作用，使納米材料以較低的能耗達到了較好的分散的效果，解決了目前納米材料難分散且能耗高的問題，從而保證納米材料對提高管材的抗壓性、模量和抗衝擊性的作用得到充分發揮；對中層複合聚酯纖維層表面熱定型利於提高其強度和剛度；中層複合聚酯纖維層粘結在內層表面，確保用纏繞機所纏繞的中層複合聚酯纖維層的緊密度，不會在擠壓外層時發生改變，因而保證了中層複合聚酯纖維層對管材的加強作用；外層通過擠壓機，擠壓結合在中層複合聚酯纖維層表面，不但保證了外層與中層複合聚酯纖維層的結合牢度，而且這種擠壓結合，對中層複合聚酯纖維層起到的成型定型作用，再加上粘結中層複合聚酯纖維層之前對它進行的熱定型，使中層複合聚酯纖維層提高了20％的強度和剛度。該方法簡單，可以在流水線上進行，便於規模化生產。
圖1為本發明增強熱塑性塑料管材結構的立體示意圖；圖2為本發明增強熱塑性塑料管材結構的剖面示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發明作具體描述，但不局限於此。
如圖1和圖2所示，一種增強熱塑性塑料管材，它具有三層結構，其特點是，內層1是納米材料改性高密度聚乙烯管材；中層2是包覆和粘結在內層1表面的複合聚酯纖維層；外層3是納米材料改性高密度聚乙烯層，它擠壓結合在中層2複合聚酯纖維層表面，上述三層複合為一體；所述複合聚酯是用納米材料與聚酯原料一起縮聚生成的複合聚酯材料。
下面用具體實施例對增強熱塑性塑料管材的生產方法作具體描述，但不受此限制。
(一)原料
高密度聚乙烯樹脂是HDPE100，或者是與HDPE100性能近似的高密度聚乙烯樹脂；納米材料碳酸鈣、二氧化矽或氧化鋅的粒徑為10～80nm；抗氧化劑是季戊四醇酯類醇酯；抗紫外光劑是MB218等紫外光吸收劑或納米氧化矽紫外反光材料；抗靜電劑是納米級氧化銅、石墨、碳黑、金屬粉或金屬纖維；石蠟是液化石蠟或其他潤滑材料；粘結劑是聚氨酯類粘結劑；以上原料均為市售工業品。
複合聚酯是常州兆隆合成材料有限公司生產的產品，該產品是用粒徑10nm的納米二氧化矽，與對苯二甲酸、乙二醇一起縮聚生成的複合聚酯材料。
用上述複合聚酯材料先製成切片，然後用平膜拉絲機高倍牽伸製成複合聚酯單絲；或再將單絲加捻作成繩，或再將單絲或繩製成帶，或再將單絲織成織物；上述複合聚酯單絲的旦克強度為8～10kg；乾熱收縮率為3.8～4.6％。
(二)設備造粒機是蘭天雙螺杆擠出機；擠出機是SJ系列螺杆擠出機；紫外線發射裝置是非金屬材料人工加速器；微波發射裝置是多管微波隧道；纏繞機是電纜線纏繞機；實施例1增強熱塑性塑料管材生產方法的步驟如下①按重量比20∶1.5∶5.0∶78.5，將納米材料(粒徑10～80nm的碳酸鈣)、抗氧化劑(季戊四醇酯)、石蠟(液化石蠟)和高密度聚乙烯樹脂(HDPE100)，同時經過裝配有紫外線發射裝置(非金屬材料人工加速器)且不停運動的乾燥流道進行分散，然後，進入蘭天雙螺杆擠出機製成母粒，此時起潤滑劑作用的石蠟已完全揮發；②在SJ系列螺杆擠出機內，按重量比6∶2∶92，將步驟①製得的母粒、抗靜電劑(納米級氧化銅)和高密度聚乙烯樹脂(HDPE100)，一起擠壓成管材，即為內層1；③將複合聚酯單絲，用纏繞機在內層表面，正反交叉纏繞兩層，形成中層2複合聚酯纖維層；④在中層2複合聚酯纖維層表面熱定型，然後，塗覆粘結劑將中層2複合聚酯纖維層，與內層1表面粘結固定；⑤由步驟④製得的粘結固定有中層2複合聚酯纖維層的管材，再次通過SJ系列螺杆擠出機時，按重量比6∶2∶92，將步驟①製得的母粒、抗紫外線劑(MB218)、高密度聚乙烯樹脂(HDPE100)一起擠壓結合在中層2複合聚酯纖維層的表面，形成外層3，冷卻後得到具有內層1、中層2和外層3三層結構並複合為一體的增強熱塑性塑料管材。
實施例2增強熱塑性塑料管材生產方法的步驟如下與實施例1基本相同，其差別是步驟①的納米材料改用粒徑10～80nm的二氧化矽；採用微波發射裝置(多管微波隧道)代替紫外線發射裝置；步驟②的抗靜電劑改用金屬粉；步驟③按以下方法進行將複合聚酯單絲加捻製成的繩，用纏繞機在內層1表面，螺旋纏繞三層，形成中層2複合聚酯纖維層。
實施例3增強熱塑性塑料管材生產方法的步驟如下與實施例1基本相同，其差別是步驟①的納米材料改用粒徑10～80nm的氧化鋅；步驟②的抗靜電劑改用石墨；步驟③按以下方法進行將複合聚酯單絲製成的帶，用纏繞機在內層1表面，正反交叉纏繞兩層，形成中層2複合聚酯纖維層；步驟⑤的抗紫外線劑改用納米氧化矽紫外反光材料。
實施例4增強熱塑性塑料管材生產方法的步驟如下與實施例1基本相同，其差別是步驟①的納米材料改用粒徑10～80nm的氧化鋅與粒徑10～80nm的碳酸鈣的1∶1(重量比)混合物；採用微波發射裝置(多管微波隧道)代替紫外線發射裝置；步驟③按以下方法進行將複合聚酯單絲製成的布，用纏繞機在內層1表面，螺旋纏繞五層，形成中層2複合聚酯纖維層。
採用本發明方法製得的增強熱塑性塑料管材性能如下
由上表可以看出，本發明方法製得的增強熱塑性塑料管材性能與國外產品相當，每卷管材長度仍能達到純高密度聚乙烯管材的水平，而中層所用複合聚酯纖維的價格為1.7萬元/噸，遠低於芳綸纖維的價格(20～30萬元/噸)。因此，本發明的增強熱塑性塑料管材具有廣闊的市場。
權利要求
1.一種增強熱塑性塑料管材，它具有三層結構，其特徵在於內層(1)是納米材料改性高密度聚乙烯管材；中層(2)是包覆和粘結在內層(1)表面的複合聚酯纖維層；外層(3)是納米材料改性高密度聚乙烯層，它擠壓結合在中層(2)複合聚酯纖維層表面，上述三層複合為一體；所述複合聚酯是用納米材料與聚酯原料一起縮聚生成的複合聚酯材料。
2.根據權利要求1所述的增強熱塑性塑料管材，其特徵在於所述中層(2)複合聚酯纖維層是複合聚酯材料加工成的高強度、高模量、低收縮的複合聚酯單絲、繩、帶或織物的正反交叉纏繞層或螺旋纏繞層，其纏繞層層數為一層或多層。
3.根據權利要求1所述的增強熱塑性塑料管材，其特徵在於所述納米材料改性高密度聚乙烯，它含有高密度聚乙烯樹脂、納米材料、抗氧化劑、石蠟及抗紫外線劑或抗靜電劑。
4.根據權利要求1或3所述的增強熱塑性塑料管材，其特徵在於所述納米材料是納米級的碳酸鈣、二氧化矽或氧化鋅中的一種或多種。
5.一種權利要求1所述增強熱塑性塑料管材的生產方法，其特徵在於有如下步驟①按比例將納米材料、抗氧化劑、石蠟和高密度聚乙烯樹脂，同時經過裝配有紫外線發射裝置或微波發射裝置且不停運動的乾燥流道進行分散，然後，進入造粒機製成母粒，此時起潤滑劑作用的石蠟已完全揮發；②在擠出機內，按比例將步驟①製得的母粒、抗靜電劑、高密度聚乙烯樹脂，一起擠壓成管材，即為內層(1)；③將複合聚酯單絲、繩、帶或織物，用纏繞機在內層(1)表面，正反交叉纏繞或螺旋纏繞一層或多層，形成中層(2)複合聚酯纖維層；④對中層(2)複合聚酯纖維層表面熱定型，然後，塗覆粘結劑將中層(2)複合聚酯纖維層，與內層(1)表面粘結固定；⑤由步驟④製得的粘結固定有中層(2)複合聚酯纖維層的管材，再次通過擠出機時，按比例將步驟①製得的母粒、抗紫外線劑、高密度聚乙烯樹脂一起擠壓結合在中層(2)複合聚酯纖維層的表面，形成外層(3)，冷卻後得到具有內層(1)、中層(2)和外層(3)三層結構並複合為一體的增強熱塑性塑料管材。
6.根據權利要求5所述的增強熱塑性塑料管材的生產方法，其特徵在於所述納米材料是納米級的碳酸鈣、二氧化矽或氧化鋅中的一種或多種。
7.根據權利要求5所述的增強熱塑性塑料管材的生產方法，其特徵在於步驟①製備母粒所用的納米材料、抗氧化劑、石蠟和高密度聚乙烯樹脂的重量比是20∶1.5∶5.0∶78.5。
8.根據權利要求5所述的增強熱塑性塑料管材的生產方法，其特徵在於步驟②形成內層(1)所用的母粒、抗靜電劑、高密度聚乙烯樹脂的重量比是6∶2∶92。
9.根據權利要求5所述的增強熱塑性塑料管材的生產方法，其特徵在於步驟⑤形成外層(3)所用的母粒、抗紫外線劑、高密度聚乙烯樹脂的重量比是6∶2∶92。
全文摘要
本發明涉及一種增強熱塑性塑料管材及其生產方法。該增強熱塑性塑料管材，它具有三層結構，內層(1)是納米材料改性高密度聚乙烯管材；中層(2)是包覆和粘結在內層(1)表面的複合聚酯纖維層；外層(3)是納米材料改性高密度聚乙烯層，它擠壓結合在中層(2)複合聚酯纖維層表面，上述三層複合為一體；所述複合聚酯是用納米材料與聚酯原料一起縮聚生成的複合聚酯材料。上述增強熱塑性塑料管材的生產方法，有如下步驟制納米材料改性高密度聚乙烯母粒；擠壓內層(1)；纏繞中層(2)複合聚酯纖維層；熱定型並粘結中層(2)複合聚酯纖維層；擠壓結合外層(3)。本發明的增強熱塑性塑料管材的性價比合理，生產方法簡單、能耗低、便於推廣。
文檔編號B32B1/00GK1869492SQ2006100880
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月14日 優先權日2006年6月14日
發明者唐允彥 申請人:常州市生富公路材料有限公司