一種赤泥改性PP複合材料及其用於製備雙壁波紋管的方法與流程
2023-04-30 22:51:31 2
本發明涉及波紋管材料技術領域，具體是一種赤泥改性PP複合材料及其用於製備雙壁波紋管的方法。
背景技術：
赤泥亦稱紅泥，從鋁土礦中提煉氧化鋁後排出的工業固體廢物。中國作為世界第4大氧化鋁生產國，每年排放的赤泥高達數百萬噸。大量的赤泥不能充分有效的利用，只能依靠大面積的堆場堆放，佔用了大量土地，也對環境造成了嚴重的汙染。全世界每年產生的赤泥約7000萬噸，我國每年產生的赤泥為3000萬噸以上。大量的赤泥的產生已經對人類的生產、生活造成多方面的直接和間接的影響，所以最大限度的減少赤泥的產量和危害，實現多渠道、大數量的資源化已迫在眉睫。赤泥主要化學成份SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，顆粒直徑0.088～0.25毫米，比重2.7～2.9，容重0.8～1.0，熔點1200～1250℃，赤泥具有巨大的比表面積和含有大量納米和亞微米級孔隙的特點，因此，具有納米效應，熱穩定性，阻燃性等天然的特性。
雙壁波紋管，是一種具有環狀結構外壁和平滑內壁的新型管材，80年代初在德國首先研製成功。經過十多年的發展和完善，已經由單一的品種發展到完整的產品系列。目前在生產工藝和使用技術上已經十分成熟。由於其優異的性能和相對經濟的造價，在歐美等發達國家已經得到了極大的推廣和應用。在等負荷的條件下，雙壁波紋管只需要較薄的管壁就可以滿足要求。與同材質規格的實壁相管比，能節約一半左右的原材料，所以造價也較低，在我國，雙壁波紋管的推廣和應用正處在上升勢態階段。雙壁管道一般使用聚乙烯樹脂(PE)和聚氯乙烯(UPVC)樹脂，聚丙烯樹脂(PP)。隨著社會進步，人們廣泛意識到，如果使用高質量且更耐用產品，就能節省保養和維修費用，因而進一步需求更佳的可用性以及更高的硬度和質量的排汙/排水系統用的管道。
PE雙壁波紋管韌性好、抗衝擊性能好、耐寒性好。但其缺點是材料彈性模量低、產品強度低、用料量多；耐高溫性能差，尤其是南方夏天管材剛度明顯變低，接口易變形施工 困難。
PVC雙壁波紋管強度大、材料彈性模量高、難燃。但其缺點是原材料加工時熱穩定性差，尤其是大口徑管道很難成型，遇高溫易分解、流動性差，一般常用小口徑管材，大口徑管材很難生產；耐寒性差，抗衝擊性能差，尤其到冬天脆性大，不易施工。
PP雙壁波紋管目前研究比較少，由於PP具有無毒、耐腐蝕、密度小、拉伸模量高、耐熱性好、加工性能優良等優點，加工為PE雙壁波紋管同等規格尺寸、同一環剛度等級管材米質量可下降，是節材型管材，這對倡導節材、節能、實施低碳經濟社會有積極意義。但純PP低溫脆性大、韌性差、成型收縮率大、易老化尤為嚴重，需要對純料進行改性加工成可適用與製造雙壁波紋管的複合材料。目前一般加入橡膠或熱塑性彈性體提高韌性，或者採用無機納米剛性粒子對PP進行改性，可實現同時增強與增韌。
赤泥作塑料填料的研究已進行多年，近年來隨著塑料加工及填料表面處理劑的不斷改進，赤泥在塑料行業的應用取得了新的進展。比如專利200610043514.0公開了一種利用廢PVC生產的彩色塑膠地板及其製作方法，專利200810116380.X一種基於環保的赤泥復配改性協同阻燃聚乙烯，專利200910143767.9赤泥/舊塑料合成建築裝修複合材料等。赤泥改性填充主要涉及在PVC製品領域，尚未有在PP樹脂粉填充改性的深度報導，更沒有在PP波紋管使用的成熟案例。
當前，國內波紋管的研究熱點和市場熱點，仍局限於PVC，PE種類，PP類的也有報導，比如中國專利201010231705.6公開了一種組合物、用組合物生產的大口徑雙壁波紋管以及生產工藝：中國專利200910256085.9公開了一種複合雙壁波紋管及其製備工藝；中國專利200410065143.7公開了大口徑聚丙烯雙壁波紋管組合物；中國專利200810182502.5公開了一種用於生產聚丙烯雙壁加筋波紋管的共聚物及其製備方法。該類PP雙壁波紋管技術都是在PE雙壁波紋管的設備基礎上進行研究的，並且均未涉及赤泥作為填充改性劑在PP雙壁波紋管中的應用，所用無機剛性粒子為納米級碳酸鈣，是以犧牲礦山和環境為代價的一種發展方式。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種赤泥改性PP複合材料及其用於製備雙壁波紋管的方法，該材料主要用於製作雙壁波紋管，所製造的雙壁波紋管具有高環剛度，韌性好，成本低的特點。另外，針對該種複合材料還提供了生產該種波紋管使用的主機和機頭配置方案；使傳統工業廢料赤泥，有了穩定的渠道進行消耗，產生良好的循環經濟、社會、環境效益。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種赤泥改性PP複合材料，由以下重量份的組分組成：聚丙烯混合樹脂100份、赤泥粉60～80份、抗衝劑10～20份、相容劑0～10份、消泡劑0～10份、其他助劑0～10份；所述聚丙烯混合樹脂由PP4220、PP001和PP再生料組成；所述其他助劑是硬脂酸鈣、固體填料取向劑P2010與芥酸醯胺的混合物。
作為本發明進一步的方案：所述赤泥改性PP複合材料，由以下重量份的組份製成：聚丙烯混合樹脂100份、赤泥粉65～75份、抗衝劑15～20份、相容劑3～5份、消泡劑3～5份、其他助劑3～5份；其中，聚丙烯混合樹脂中，PP4220∶PP001∶PP再生料的質量比為1.5～2.5∶0.5～1.5∶3～5；其他助劑中硬脂酸鈣∶固體填料取向劑P2010∶芥酸醯胺的質量比為2.5～3.5∶2.5～3.5∶0.5～2。
作為本發明進一步的方案：所述抗衝劑採用POE。
作為本發明進一步的方案：所述相容劑採用雙馬來酸酐或馬來酸酐或者兩者的混合物。
作為本發明進一步的方案：所述的相容劑採用雙馬來酸酐。
一種赤泥改性PP複合材料用於製備雙壁波紋管的方法，包含以下步驟：
(1)將赤泥粉放入混料捏合機，將混料捏合機控制在轉速1000轉/分鐘，溫度100～110℃條件下保持2～5分鐘，以控制赤泥粉中的游離水分小於或等於0.3％；
(2)然後加入硬脂酸鈣、固體填料取向劑P2010，對赤泥粉進行表面活化，於混料捏合機中攪拌5～10min；
(3)捏合溫度降至48～52℃，加入聚丙烯混合樹脂、相容劑、抗衝劑、消泡劑與芥酸醯胺攪拌均勻，然後出料待用；
(4)將上述赤泥改性PP複合材料置於雙主機錐雙螺杆設備中擠出管材，經模塊、真空、冷卻成型、切割、包裝製得雙壁波紋管。(和其他波紋管管材類似，不再贅述)。
作為本發明進一步的方案：所述步驟(4)中雙主機錐雙螺杆設備，由PE雙壁波紋管成型機和以下設備構成：
(a)使用錐雙80/156主電機功率55kW作為波紋管主機的外壁機；
(b)使用錐雙65/132主電機功率37kW作為波紋管主機的內壁機；
(c)模頭擠出壓縮比相比其他物料擠出壓縮比較大，在(2.0～2.8)∶1，填充在聚丙烯混合樹脂中的赤泥粉使得物料的整體流動性能明顯降低，應儘量避免流道急劇變化或出現臺階所引起的糊料現象，另外，在模頭出口增加冷卻板，使製品觸摸膨脹係數減小。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明赤泥改性PP複合材料使用聚丙烯與POE共混以及無機剛性納米粒子的使用，很好的解決現有技術的不足，滿足波紋管高剛度的同時又具有較強的韌性。同時，加入相容劑和固體填料取向劑解決了赤泥在PP材料中流動性差不易加工的問題，使傳統工業廢料赤泥，有了穩定的渠道進行消耗，節約了大量土地，有效的抑制了對環境造成的嚴重的汙染，產生良好的循環經濟、社會、環境效益。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明實施例中，一種赤泥改性PP複合材料及用其製造的雙壁波紋管，所述赤泥改性PP複合材料採用的原材料有：聚丙烯混合樹脂、赤泥粉、抗衝劑、相容劑、消泡劑、其他助劑。其中，聚丙烯混合樹脂中由PP4220、PP001、PP再生料組成；其他助劑由硬脂酸鈣、固體填料取向劑P2010、芥酸醯胺組成。聚丙烯混合樹脂結晶度較大，材料剛性好，PP4220、PP001為純料，PP再生料熔體流動速率(190℃5kg)＜1.0，斷裂伸長率≥200，拉伸強度≥18MPa，灰分＜5；加入固體填料取向劑P2010、芥酸醯胺可以使赤泥填充PP材料流動 性好。該組合物有較高的熔體強度、剛性和耐熱性，同時兼備良好的抗衝擊性能和加工性能。用作排水、排汙管和用作通訊電纜、光纜的保護管，製作的PP波紋管成本低，環剛度可達12，環柔性經測試不開裂。赤泥粉是市售產品，購於山東宇澤環保科技有限公司，粒徑0.002～0.01mm。消泡劑為市售產品，如金湖斯科特的消泡母粒。
製備工藝：
(1)將赤泥粉放入混料捏合機，將混料捏合機控制在轉速1000轉/分鐘，溫度100～110℃條件下保持2～5分鐘，以控制赤泥粉中的游離水分小於或等於0.3％；
(2)然後加入硬脂酸鈣、固體填料取向劑P2010，對赤泥粉進行表面活化，於混料捏合機中攪拌5～10min；
(3)捏合溫度降至48～52℃，加入聚丙烯混合樹脂、雙馬來酸酐、POE、消泡母粒與芥酸醯胺攪拌均勻，然後出料待用。
(4)將上述赤泥改性PP複合材料置於雙主機錐雙螺杆設備中擠出管材，經模塊、真空、冷卻成型、切割、包裝製得雙壁波紋管。(和其他波紋管管材類似，不再贅述)。
以下是本發明的各實施例的原料配比，各組分按千克計，如表1所示。
表1
實施例1
(1)按上述重量將赤泥粉放入混料捏合機，將混料捏合機控制在轉速1000轉/分鐘，溫度100℃條件下保持2分鐘，以控制赤泥粉中的游離水分小於或等於0.3％；
(2)然後加入硬脂酸鈣、固體填料取向劑P2010，對赤泥粉進行表面活化，於混料捏合機中攪拌5min；
(3)捏合溫度降至48℃，加入聚丙烯混合樹脂、雙馬來酸酐、POE、消泡母粒、芥酸醯胺，攪拌均勻，然後出料待用。
(4)將混合料用雙主機錐雙螺杆設備擠出管材，經模塊、真空、冷卻成型、切割、包裝製得dn600、SN4的雙壁波紋管。(和其他波紋管管材類似，不再贅述)。
實施例2
(1)按上述重量將赤泥粉放入混料捏合機，將混料捏合機控制在轉速1000轉/分鐘，溫度110℃條件下保持5分鐘，以控制赤泥粉中的游離水分小於或等於0.3％；
(2)然後加入硬脂酸鈣、固體填料取向劑P2010，對赤泥粉進行表面活化，於混料捏合機中攪拌10min；
(3)捏合溫度降至50℃，加入聚丙烯混合樹脂、雙馬來酸酐、POE、消泡母粒、芥酸醯胺攪拌均勻，然後出料待用。
(4)將混合料用雙主機錐雙螺杆設備擠出管材，經模塊、真空、冷卻成型、切割、包裝製得dn600、SN4的雙壁波紋管。(和其他波紋管管材類似，不再贅述)。
實施例3
(1)按重量將赤泥粉放入混料捏合機，將混料捏合機控制在轉速1000轉/分鐘，溫度100℃條件下保持2分鐘，以控制赤泥粉中的游離水分小於或等於0.3％；
(2)然後加入硬脂酸鈣、固體填料取向劑P2010，對赤泥粉進行表面活化，於混料捏合機中攪拌10min；
(3)捏合溫度降至52℃，加入聚丙烯混合樹脂、雙馬來酸酐、POE、消泡母粒、芥酸醯胺攪拌均勻，然後出料待用。
(4)將混合料用雙主機錐雙螺杆設備擠出管材，經模塊、真空、冷卻成型、切割、包裝製得dn600、SN4的雙壁波紋管。(和其他波紋管管材類似，不再贅述)。
實施例4
(1)按重量將赤泥粉放入混料捏合機，將混料捏合機控制在轉速1000轉/分鐘，溫度105℃條件下保持5分鐘，以控制赤泥粉中的游離水分小於或等於0.3％；
(2)然後加入硬脂酸鈣、固體填料取向劑P2010，對赤泥粉進行表面活化，於混料捏合機中攪拌5min；
(3)捏合溫度降至48℃，加入聚丙烯混合樹脂、雙馬來酸酐、POE、消泡母粒、芥酸醯胺攪拌均勻，然後出料待用。
(4)將混合料用雙主機錐雙螺杆設備擠出管材，經模塊、真空、冷卻成型、切割、包裝製得dn600、SN4的雙壁波紋管。(和其他波紋管管材類似，不再贅述)。
用本發明製作的雙壁波紋管按照GBT 19472.2-2004的要求檢測，具體典型值如表2 所示。
表2
顯而易見，用本發明製作的雙壁波紋管採用更薄的壁厚，主要性能指標也能達到相關檢測標準。
本發明具有的優點：
1.解決煉鋁廠的廢渣問題，使傳統工業廢料-赤泥，有了穩定的渠道進行消耗，節約了大量土地，有效的抑制了對環境造成的嚴重的汙染，產生良好的循環經濟、社會、環境效益。
2.不降低管材性能的前提下，與PE雙壁波紋管相比較，可以設計的更加輕薄，有效降低管材成本，噸成本可低至7000元，具有更好的市場前景和經濟效益
3.用此專用料製作的雙壁波紋管具有橘紅色外觀，美觀大方。
4.赤泥具有良好的穩定性和耐老化性，阻燃性，與其他填料製作的複合材料相比可以大幅延長產品的使用壽命，據相關文獻報導，壽命可以達100年。
5.用此複合材料製作的波紋管，環剛度和環柔性佳，耐衝擊強度高。
6.以PE 600波紋管90/33、75/33單螺杆擠出機對比，90/33主電機功率132kW，75/33主電機功率90kW；PP 600波紋管採用外壁機錐雙80/156，內壁機錐雙65/132，更節能，綜合能耗PP波紋管比PE波紋管的能耗低40％左右。
術語解釋：
雙壁波紋管：一種具有環狀結構外壁和平滑內壁的新型管材。
PP：聚丙烯，一種結構規整的結晶性聚合物，五大通用塑料之一。
赤泥：赤泥是制鋁工業提取氧化鋁時排出的汙染性廢渣。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。