一種具有阻垢作用的納米復合塑料及其制備方法

一種具有阻垢作用的納米復合塑料及其制備方法
【專利摘要】一種具有阻垢作用的納米復合塑料及其制備方法，是將阻垢劑、增塑劑、增溶劑和塑料母粒一起熔融混煉、造粒、成型，得到的含阻垢劑的納米復合塑料，其表面的阻垢劑能防止無機鹽沉淀物在塑料表面的粘附，從而有效防止塑料表面的結垢。通過調整阻垢劑的含量和配比控制阻垢率；通過調整增溶劑的用量和配比控制阻垢劑與塑料基體的相互作用力，控制阻垢劑的釋放、擴散速率，進而控制阻垢的時效；通過控制擠出反應溫度和時間以及增溶劑和阻垢劑的配比控制阻垢率和阻垢時效。本制備方法簡單，綠色環保，成本較低，該復合塑料可達83％-99％的阻垢率，能提高塑料設備的使用效率，在膜法水處理、給水排水工程、海水淡化等領域有很好的應用前景。
【專利說明】一種具有阻垢作用的納米復合塑料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有阻垢作用的納米復合塑料及其制備方法，屬于高分子材料、環境功能材料和化工領域。
【背景技術】
[0002]水資源貧乏一直是我國面臨的一大難題，尤其是近年來隨著我國工業生產的迅速發展，工業用水量急劇上升。在電力、冶金、化工、輕工和石油等行業中，需要大量循環冷卻水用于換熱。水的循環使用使水質逐漸惡化，加劇了設備的結垢，影響熱傳導，甚至有可能引起爆炸事故，造成巨大的經濟損失。
[0003]礦物結垢主要是由于鈣和鎂的碳酸鹽，硫酸鹽以及磷酸鹽沉淀物粘附在處理設備表面上。針對管道設備的結垢問題，常采用的防垢方法主要分為三類:物理防垢法、化學防垢法及工藝防垢法。物理防垢法主要指使用某種儀器、設備對垢的形成進行干擾和抑制；化學防垢法指的是通過向注入水中加入某種防垢劑的方法阻止水結垢，這種方法有便于操作的優點，目前在實際生產中應用最為廣泛；工藝防垢法指通過控制某種工藝條件來達到阻垢目的的方法。
[0004]目前，工業上常用的阻垢方法是化學防垢法，也就是向水中加入某些防垢劑防止結垢。阻垢劑能使成垢離子如鈣、鎂、碳酸根和磷酸根等穩定于水中，在大大超過其飽和溶解度的條件下而不析出。該方法較其它方法具有易于操作、處理效果好的優點。許多化學藥品和阻垢劑已被廣泛報道用于減輕結垢問題【Modified pectin-based polymers as greenantiscalants for calcium sulfate scale inhibition.Desalination305(2012)31-37】，但從環保和經濟效益上分析，它們的阻垢效率非常低。這些阻垢劑一般是酸性物質，如常用的阻垢劑有磷系阻垢劑如磷酸三鈉、六偏磷酸鈉，水解聚馬來酸酐(HPMA)、羥基乙叉二膦酸(H EDP)、聚天冬氨酸(PASP)等。在向水體中加酸的過程中，如果使用過量就會使水體酸化，對運輸管道和設備等造成腐蝕。`
[0005]天津電力試驗研究所協助楊柳青電廠，進行了三聚磷酸鈉處理循環水的工業試驗，取得了良好的防腐防垢效果，并具有明顯經濟效益【高秀山.火電廠循環冷卻水處理[M],北京:中國電力出版社，2001:8】，因其低價、無毒、具有較好的阻垢、緩蝕等多種功能，磷系水處理劑及其復配阻垢劑在我國循環水處理中得到廣泛使用。但是磷的排放存在著引起水體富營養化，產生“赤潮”公害的弊端。跨入新世紀，人類對地球環境的保護意識不斷提高，從而逐漸形成了科學技術的“綠色化”概念。聚天冬氨酸(PASP)和聚環氧琥珀酸(PESA)等綠色藥劑成為研究熱門。
[0006]發展海水淡化技術是解決水資源短缺的重要途徑，在膜法海水淡化過程中，由于膜的濃縮作用，濃水中的鈣、鎂等離子濃度大大增加，從而使難溶鹽的離子積大于其溶度積，在膜表面形成膜垢，影響整個反滲透裝置的正常運行，縮短了膜的使用壽命【Modified pectin-based polymers as green antiscalants for calcium sulfate scaleinhibition.Desalination, 2012, 305 (12):31-37.】。目前我國自主開發研制的反滲透阻垢劑在技術上還不是很成熟，國內所用的反滲透阻垢劑大都是從國外進口，其價格昂貴，很大程度上增加了水處理的成本。
[0007]針對目前阻垢劑阻垢效率低、分散在水中的阻垢劑易引起水體富營養化、水處理過程管道易結垢、阻垢時間短等問題，本發明設計了一種具有阻垢作用的納米復合塑料。通過將高效阻垢劑、增塑劑、增溶劑和塑料母粒一起熔融混煉、造粒、成型，得到的含阻垢劑的納米復合塑料，其表面的阻垢劑能防止碳酸鹽、硫酸鹽以及磷酸鹽沉淀物在塑料表面的粘附，從而有效防止管道結垢。通過調整阻垢劑的含量和配比控制阻垢率；通過調整增溶劑的用量和配比控制阻垢劑與塑料基體的作用力，進而控制阻垢時效；通過控制擠出反應溫度和時間以及增溶劑和阻垢劑的配比控制阻垢率和阻垢時長。本方法制備的具有阻垢作用的納米復合塑料成本較低，制備方法簡單，綠色環保，能有效防止塑料表面的無機鹽結垢，可達83% -99%的阻垢率，提高塑料設備的使用效率，在膜法水處理、給水排水工程、海水淡化等領域有很好的應用前景。

【發明內容】

[0008]針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是分散在水中的阻垢劑易引起水體富營養化或二次污染、水處理過程管道易結垢、阻垢時間短且阻垢劑易流失等問題。
[0009]本發明解決所述分散在水中的阻垢劑易引起水體富營養化或二次污染、水處理過程管道易結垢、阻垢時間短且阻垢劑易流失等問題的技術方案是設計一種具有阻垢作用的納米復合塑料。
[0010]本發明提供一種具有阻垢作用的納米復合塑料的制備方法，其特征是包括以下步驟:
[0011]a)將塑料母粒在60°C -110°c溫度下干燥0.5_12h小時，除去水分；將阻垢劑置于烘箱中，在60°C _130°C溫度下烘干，用球磨機球磨粉碎至微米級粉末，密封保存；
[0012]b)將干燥好的阻`垢劑與增溶劑充分混合均勻，然后加入增塑劑，充分混合均勻，得到粘稠的液體混合物，其中阻垢劑占增塑劑的質量百分比為1% -90%，增溶劑占增塑劑的質量百分比為0.1% -50% ;
[0013]c)設定雙螺桿擠出機的溫度:一區溫度為150 V -230 °C，二區溫度為140 V -240 °C，三區溫度為140 V -240 °C，四區溫度為150 V -230 °C，五區溫度為1400C _240°C，六區溫度為150°C _230°C;設定雙螺桿轉速lr/min_120r/min，螺桿擠出壓力控制在10-33MP，將塑料母粒和步驟b)得到的含阻垢劑、增溶劑及增塑劑的液體混合物一起加入雙螺桿擠出機的料斗，高速混合5-30min使其共混均勻；控制阻垢劑占塑料母粒的質量百分比為1% _35%，增溶劑占塑料母粒的質量百分比為0.1% -10%;待螺桿的轉矩穩定后開始連續擠出，將擠出后的條狀共混物通入水槽進行冷卻，冷卻后進入切粒機切割造粒，并將顆粒在60°C _100°C的溫度下干燥0.5-24h ；
[0014]d)設定單螺桿擠出機的溫度:一區溫度為140 V -240 °C，二區溫度為1200C _260°C，三區溫度為120°C -260°C ;設定單螺桿轉速15r/min_190r/min，螺桿擠出壓力控制在10-60MP，將步驟c)切成的顆粒從加料槽加入，擠出寬度為50-100mm的混合料片;
[0015]e)設定壓片機轉速5r/min-55r/min,將步驟d)冷卻后的混合料片通過壓片機壓制成具有阻垢作用的納米復合塑料。
[0016]本發明所述的塑料母粒為聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺中的一種或兩種以上混合物。所述的阻垢劑為聚丙烯酸(PAA)、羥基乙叉二膦酸(HEDP)、水解聚馬來酸酐(HPMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚環氧琥珀酸(PESA)、聚天冬氨酸(PASP)中的任意一種或兩種以上混合物，其分子量在500-10000。
[0017]本發明所述的增溶劑為Y-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、Y-氨丙基三乙氧基硅烷、Y_(2,3-環氧丙氧)丙基二甲氧基硅烷、二甲基二氣硅烷、二氣二苯基硅烷、二苯基硅烷、雙(4_氣基苯氧基)二甲基硅烷、欽酸酷偶聯劑中的任意一種或兩種以上混合物。
[0018]本發明所述的增塑劑為對苯二甲酸酯、己二酸酯、壬二酸酯、癸二酸二辛酯、己二酸二辛酯、磷酸脂肪醇酯、磷酸三甲苯酯、甘油三醋酸酯、鄰苯二甲酸酯中的一種或兩種以上混合物。所述的無機鹽沉淀物為碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣、碳酸鎂中的任意一種或兩種以上混合物。
[0019]通過本發明制得的一種具有阻垢作用的納米復合塑料可達83%-99%的阻垢率，而且制備方法簡單易行，工藝簡單，成本低，無有機廢液產生。 【具體實施方式】
[0020]下面介紹本發明的具體實施例，但本發明不受實施例的限制。
[0021]實施例1.一種具有阻垢作用的納米復合聚丙烯酸/聚丙烯塑料及其制備方法
[0022]a)將聚丙烯母粒在110°C溫度下干燥0.5h小時，除去水分；將阻垢劑聚丙烯酸置于烘箱中，在60°C溫度下烘干，用球磨機球磨粉碎至微米級粉末，密封保存；
[0023]b)將干燥好的阻垢劑聚丙烯酸與Y-氨丙基三乙氧基硅烷充分混合均勻，然后加入鄰苯二甲酸二丁酯，充分混合均勻，得到粘稠的液體混合物，其中阻垢劑聚丙烯酸占鄰苯二甲酸二丁酯的質量百分比為1%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占鄰苯二甲酸二丁酯的質量百分比為0.1% ;
[0024]c)設定雙螺桿擠出機的溫度:一區溫度為230°C，二區溫度為240°C，三區溫度為240°C，四區溫度為230°C，五區溫度為240°C，六區溫度為230°C ;設定雙螺桿轉速120r/min，螺桿擠出壓力控制在10MP，將聚丙烯母粒和步驟b)得到的含阻垢劑聚丙烯酸、Y-氨丙基三乙氧基硅烷及鄰苯二甲酸二丁酯的液體混合物一起加入雙螺桿擠出機的料斗，高速混合5min使其共混均勻；控制阻垢劑聚丙烯酸占聚丙烯母粒的質量百分比為1%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占聚丙烯母粒的質量百分比為0.1% ;待螺桿的轉矩穩定后開始連續擠出，將擠出后的條狀共混物通入水槽進行冷卻，冷卻后進入切粒機切割造粒，并將顆粒在60°C的溫度下干燥24h ；
[0025]d)設定單螺桿擠出機的溫度:一區溫度為240°C，二區溫度為260°C，三區溫度為2300C ;設定單螺桿轉速15r/min，螺桿擠出壓力控制在10MP，將步驟c)切成的顆粒從加料槽加入，擠出寬度為50mm的混合料片；
[0026]e)設定壓片機轉速5r/min，將步驟d)冷卻后的混合料片通過壓片機壓制成具有阻垢作用的納米復合聚丙烯酸/聚丙烯塑料。
[0027]實施例2.—種具有阻垢作用的納米復合聚丙烯酸/聚丙烯塑料及其制備方法[0028]a)將聚丙烯母粒在110°C溫度下干燥0.5h小時，除去水分；將阻垢劑聚丙烯酸置于烘箱中，在60°C溫度下烘干，用球磨機球磨粉碎至微米級粉末，密封保存；
[0029]b)將干燥好的阻垢劑聚丙烯酸與Y-氨丙基三乙氧基硅烷充分混合均勻，然后加入鄰苯二甲酸二丁酯，充分混合均勻，得到粘稠的液體混合物，其中阻垢劑聚丙烯酸占鄰苯二甲酸二丁酯的質量百分比為5%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占鄰苯二甲酸二丁酯的質量百分比為0.1% ;
[0030]c)設定雙螺桿擠出機的溫度:一區溫度為230°C，二區溫度為240°C，三區溫度為240°C，四區溫度為230°C，五區溫度為240°C，六區溫度為230°C ;設定雙螺桿轉速120r/min，螺桿擠出壓力控制在10MP，將聚丙烯母粒和步驟b)得到的含阻垢劑聚丙烯酸、Y-氨丙基三乙氧基硅烷及鄰苯二甲酸二丁酯的液體混合物一起加入雙螺桿擠出機的料斗，高速混合5min使其共混均勻；控制阻垢劑聚丙烯酸占聚丙烯母粒的質量百分比為5%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占聚丙烯母粒的質量百分比為0.1% ;待螺桿的轉矩穩定后開始連續擠出，將擠出后的條狀共混物通入水槽進行冷卻，冷卻后進入切粒機切割造粒，并將顆粒在60°C的溫度下干燥24h ；
[0031]d)設定單螺桿擠出機的溫度:一區溫度為240°C，二區溫度為260°C，三區溫度為2300C ;設定單螺桿轉速15r/min，螺桿擠出壓力控制在10MP，將步驟c)切成的顆粒從加料槽加入，擠出寬度為50mm的混合料片；
[0032]e)設定壓片機轉速5r/min，將步驟d)冷卻后的混合料片通過壓片機壓制成具有阻垢作用的納米復合聚丙烯酸/聚丙烯塑料。
[0033]實施例3.—種具有阻垢作用的納米復合聚丙烯酸/聚丙烯塑料及其制備方法
[0034]a)將聚丙烯母粒在110°C溫度下干燥0.5h小時，除去水分；將阻垢劑聚丙烯酸置于烘箱中，在60°C溫度下烘干，用球磨機球磨粉碎至微米級粉末，密封保存；
[0035]b)將干燥好的阻垢劑聚丙烯酸與Y-氨丙基三乙氧基硅烷充分混合均勻，然后加入鄰苯二甲酸二丁酯，充分混合均勻，得到粘稠的液體混合物，其中阻垢劑聚丙烯酸占鄰苯二甲酸二丁酯的質量百分比為7%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占鄰苯二甲酸二丁酯的質量百分比為0.3% ；
[0036]c)設定雙螺桿擠出機的溫度:一區溫度為230°C，二區溫度為240°C，三區溫度為240°C，四區溫度為230°C，五區溫度為240°C，六區溫度為230°C ;設定雙螺桿轉速120r/min，螺桿擠出壓力控制在10MP，將聚丙烯母粒和步驟b)得到的含阻垢劑聚丙烯酸、Y-氨丙基三乙氧基硅烷及鄰苯二甲酸二丁酯的液體混合物一起加入雙螺桿擠出機的料斗，高速混合5min使其共混均勻；控制阻垢劑聚丙烯酸占聚丙烯母粒的質量百分比為7%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占聚丙烯母粒的質量百分比為0.3% ;待螺桿的轉矩穩定后開始連續擠出，將擠出后的條狀共混物通入水槽進行冷卻，冷卻后進入切粒機切割造粒，并將顆粒在60°C的溫度下干燥24h ；
[0037]d)設定單螺桿擠出機的溫度:一區溫度為240°C，二區溫度為260°C，三區溫度為2300C ;設定單螺桿轉速15r/min，螺桿擠出壓力控制在10MP，將步驟c)切成的顆粒從加料槽加入，擠出寬度為50mm的混合料片；
[0038]e)設定壓片機轉速5r/min，將步驟d)冷卻后的混合料片通過壓片機壓制成具有阻垢作用的納米復合聚丙烯酸/聚丙烯塑料。[0039]實施例4.一種具有阻垢作用的納米復合聚丙烯酸/聚丙烯塑料及其制備方法
[0040]a)將聚丙烯母粒在110°C溫度下干燥0.5h小時，除去水分；將阻垢劑聚丙烯酸置于烘箱中，在60°C溫度下烘干，用球磨機球磨粉碎至微米級粉末，密封保存；
[0041]b)將干燥好的阻垢劑聚丙烯酸與Y-氨丙基三乙氧基硅烷充分混合均勻，然后加入鄰苯二甲酸二丁酯，充分混合均勻，得到粘稠的液體混合物，其中阻垢劑聚丙烯酸占鄰苯二甲酸二丁酯的質量百分比為15%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占鄰苯二甲酸二丁酯的質量百分比為0.5% ；
[0042]c)設定雙螺桿擠出機的溫度:一區溫度為230°C，二區溫度為240°C，三區溫度為240°C，四區溫度為230°C，五區溫度為240°C，六區溫度為230°C ;設定雙螺桿轉速120r/min，螺桿擠出壓力控制在10MP，將聚丙烯母粒和步驟b)得到的含阻垢劑聚丙烯酸、Y-氨丙基三乙氧基硅烷及鄰苯二甲酸二丁酯的液體混合物一起加入雙螺桿擠出機的料斗，高速混合5min使其共混均勻；控制阻垢劑聚丙烯酸占聚丙烯母粒的質量百分比為15%，y-氨丙基三乙氧基硅烷占聚丙烯母粒的質量百分比為0.5% ;待螺桿的轉矩穩定后開始連續擠出，將擠出后的條狀共混物通入水槽進行冷卻，冷卻后進入切粒機切割造粒，并將顆粒在60°C的溫度下干燥24h ；
[0043]d)設定單螺桿擠出機的溫度:一區溫度為240°C，二區溫度為260°C，三區溫度為2300C ;設定單螺桿轉速15r/min，螺桿擠出壓力控制在10MP，將步驟c)切成的顆粒從加料槽加入，擠出寬度為50mm的混合料片；
[0044]e)設定壓片機轉速5r/min，將步驟d)冷卻后的混合料片通過壓片機壓制成具有阻垢作用的納米復合聚 丙烯酸/聚丙烯塑料。
【權利要求】
1.一種具有阻垢作用的納米復合塑料，其特征是將阻垢劑、增塑劑、增溶劑和塑料母粒一起熔融混煉、造粒、成型，得到的含阻垢劑的納米復合塑料，其表面的阻垢劑能防止無機鹽沉淀物在塑料表面的粘附，從而有效防止塑料表面的結垢。
2.一種具有阻垢作用的納米復合塑料，其特征是通過調整阻垢劑的含量和配比控制阻垢率；通過調整增溶劑的用量和配比控制阻垢劑與塑料基體的相互作用力，控制阻垢劑的釋放、擴散速率，進而控制阻垢的時效；通過控制擠出反應溫度和時間以及增溶劑和阻垢劑的配比控制阻垢率和阻垢時效。
3.一種具有阻垢作用的納米復合塑料，其特征是制備方法簡單，綠色環保，該阻垢納米復合塑料成本較低，能有效防止塑料表面的無機鹽結垢，可達83% -99%的阻垢率，能提高塑料設備的使用效率，在膜法水處理、給水排水工程、海水淡化等領域有很好的應用前景。
4.一種具有阻垢作用的納米復合塑料的制備方法，其特征是包括以下步驟: a)將塑料母粒在60°C-110°C溫度下干燥0.5_12h小時，除去水分；將阻垢劑置于烘箱中，在60°C _130°C溫度下烘干，用球磨機球磨粉碎至微米級粉末，密封保存； b)將干燥好的阻垢劑與增溶劑充分混合均勻，然后加入增塑劑，充分混合均勻，得到粘稠的液體混合物，其中阻垢劑占增塑劑的質量百分比為1% _90%，增溶劑占增塑劑的質量百分比為0.1% -50% ； c)設定雙螺桿擠出機的溫度:一區溫度為150°C_230°C，二區溫度為140°C _240°C，三區溫度為140°C _240°C，四區溫度為150°C _230°C，五區溫度為140°C _240°C，六區溫度為1500C -2300C ;設定雙螺桿轉速lr/min-120r/min，螺桿擠出壓力控制在10-33MP，將塑料母粒和步驟b)得到的含阻垢劑、增溶劑及增塑劑的液體混合物一起加入雙螺桿擠出機的料斗，高速混合5-30min使其共混均勻；控制阻垢劑占塑料母粒的質量百分比為1% _35%，增溶劑占塑料母粒的質量百分比為0.1%-10% ;待螺桿的轉矩穩定后開始連續擠出，將擠出后的條狀共混物通入水槽進行冷卻，冷卻后進入切粒機切割造粒，并將顆粒在60°C -1OO0C的溫度下干燥0.5-24h ； d)設定單螺桿擠出機的溫度:一區溫度為140°C_240°C，二區溫度為120°C -260V,三區溫度為120°C -260 °C ;設定單螺桿轉速15r/min-190r/min，螺桿擠出壓力控制在10-60MP，將步驟c)切成的顆粒從加料槽加入，擠出寬度為50-100mm的混合料片； e)設定壓片機轉速5r/min-55r/min,將步驟d)冷卻后的混合料片通過壓片機壓制成具有阻垢作用的納米復合塑料。
5.如權利要求4所述的一種具有阻垢作用的納米復合塑料的制備方法，其特征是所述的塑料母粒為聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺中的一種或兩種以上混合物。
6.如權利要求4所述的一種具有阻垢作用的納米復合塑料的制備方法，其特征是所述的阻垢劑為聚丙烯酸、羥基乙叉二膦酸、水解聚馬來酸酐、聚甲基丙烯酸甲酯、聚環氧琥珀酸、聚天冬氨酸中的任意一種或兩種以上混合物，其分子量在500-10000。
7.如權利要求4所述的一種具有阻垢作用的納米復合塑料的制備方法，其特征是所述的增溶劑為Y -甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、Y -氨丙基三乙氧基硅烷、Y - (2，3-環氧丙氧)丙基二甲氧基硅烷、二甲基二氣硅烷、二氣二苯基硅烷、二苯基硅烷、雙(4_氛基苯氧基)二甲基硅烷、欽酸酷偶聯劑中的任意一種或兩種以上混合物。
8.如權利要求4所述的一種具有阻垢作用的納米復合塑料的制備方法，其特征是所述的增塑劑為對苯二甲酸酯、己二酸酯、壬二酸酯、癸二酸二辛酯、己二酸二辛酯、磷酸脂肪醇酯、磷酸三甲苯酯、甘油三醋酸酯、鄰苯二甲酸酯中的一種或兩種以上混合物。
9.如權利要求1所述的一種具有阻垢作用的納米復合塑料，其特征是所述的無機鹽沉淀物為碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣、碳酸鎂中的任意一種或兩種以上混合物。
【文檔編號】B29B9/06GK103589067SQ201310586460
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】趙孔銀, 馬敬環, 黃海濱, 鄭海燕 申請人:天津工業大學