雙層復合管材及其制備方法

雙層復合管材及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙層復合管材及其制備方法，旨在解決傳統的HDPE管材因添加炭黑色素造成的內壁不光潔、易產生水垢、滋生細菌、造成水質二次污染的技術問題。該雙層復合管材包括內層和外層，內層由超高分子質量聚乙烯和乙烯-乙烯醇共聚物或低密度聚乙烯制成；外層由高密度聚乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物和PE專用黑色素顆粒C制成。該方法包括下列步驟：材料配比和除潮；材料塑化；材料成型；真空定徑；噴淋冷卻。該雙層復合管材具有韌性、撓性好，化學穩定性很高，耐腐蝕性能好，密封性好，流通力大，使用壽命長，耐低溫能力強，衛生無毒等優點。該制備方法工藝簡單、易于操作，能夠實現雙層復合管材的一體化生產。
【專利說明】雙層復合管材及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及供水工程用HDPE管材生產【技術領域】，具體涉及一種雙層復合管材及其制備方法。
【背景技術】
[0002]HDPE -100級管材具有較強的韌性和耐久性以及很好的抗裂變力，目前已被廣泛的應用于城鄉人畜安全飲水項目中，但由于HDPE本身抗紫外線能力較差，在使用中均需添加一定比例的炭黑色母素(0.2g%-0.5g%)以增強抗紫外線的分解力，達到延長管材使用壽命及提高抗壓能力的效果。由于炭黑元素為微分子顆粒狀，在受熱冷卻時表面會形成一些細小裂紋和表層細小顆粒，積淀在管材內層，使管壁不光潔。在水流體通過時，水垢和一些微生物遇阻會停附在裂紋及顆粒周圍越積越多，長時間會逐漸形成大量水垢和細菌滋生，給水質衛生安全帶來隱患。目前，通常對水質礦化度和含氟量超標的水源，均采用氯氧化物處理及過濾處理，處理過后的水質會有一定的氯氧殘留量，經過長期侵泡會使管壁表面炭黑素分解，造成水質的二次污染，炭黑素進入人體后會對肺纖維造成鈣化破壞，對人體健康會帶來一定的危害。因此，盡快克服HDPE管材在工程應用中的一些缺陷，開發一種性能良好、衛生無毒的新管材是本領域內存在的一個亟待解決的問題。

【發明內容】

[0003]本發明旨在解決傳統的HDPE管材因添加炭黑色素造成的管材內壁不光潔、易產生水垢、滋生細菌、造成水質二次污染的技術問題。
[0004]為解決上述技術問題，本發明雙層復合管材，包括內層和外層，所述內層由質量百分比為55%?65%的超高分子質量聚乙烯和35%?45%的乙烯-乙烯醇共聚物或低密度聚乙烯制成；
所述外層由質量百分比為87%?92%的高密度聚乙烯、6%?9%的乙烯-乙烯醇共聚物和1%?4%的PE專用黑色素顆粒C制成。
[0005]所用超高分子量聚乙烯是分子量100萬以上的聚乙烯，密度為0.920?0.964g/cm3，熱變形溫度(0.46MPa)85°C，熔點130?136°C，是線型結構的具有優異綜合性能的熱
塑性工程塑料。
[0006]所用高密度聚乙烯(HDPE)是白色粉末顆粒狀產品，無毒、無味，密度在0.940?
0.976 g/cm3范圍內；結晶度為80%?90%，軟化點為125?135°C，使用溫度可達100°C。
[0007]所用低密度聚乙烯(即LDPE樹脂)為無味、無臭、無毒、表面無光澤、乳白色蠟狀顆粒，密度約0.920g/cm3，熔點130°C?145°C。不溶于水，微溶于烴類、甲苯等。能耐大多數酸堿的侵蝕，吸水性小，在低溫時仍能保持柔軟性，電絕緣性高。
[0008]所用乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)是高度結晶體，其中乙烯含量為20%?45%。具有極好的加工性能，而且也對氣體、氣味、香料、溶劑等呈現出優異的阻斷作用。
[0009]優選的，所述內層由質量百分比為60%的超高分子質量聚乙烯和40%的乙烯-乙烯醇共聚物或低密度聚乙烯制成。
[0010]優選的，所述外層由質量百分比為90%的高密度聚乙烯、8%的乙烯-乙烯醇共聚物和2%的PE專用黑色素顆粒C制成。
[0011]本發明雙層復合管材將HDPE100級添加炭黑的色素料作管壁外層，發揮避光和抗紫外線作用，將UHMW-9003高密度超高分子白色透明材料做內層接觸水體，能夠使管材內的水體快速流動，無附著物，并能增強管材的抗壓能力。
[0012]本發明雙層復合管材的有益效果在于:
1.韌性、撓性好。HDPE-UHMW管道(以下所述“HDPE-UHMW管道”均指本發明雙層復合管材)斷裂伸長率超過500%，局部震動不會引起全部管子震動，抗震性很強。
[0013]2.化學穩定性強，耐腐蝕性能好。聚乙烯為惰性材料,可耐多種化學介質的侵蝕，不需防腐處理。土壤中的化學物質不會對管道造成降解作用，不會腐爛、生銹及被腐蝕。在一定溫度和濃度范圍內，可以耐受各種腐蝕性介質及有機介質的作用。
[0014]3.密封性好、不泄漏。HDPE-UHMW管道采用熱熔連接和電熔連接。保證了接口材質、結構與管體本身的同一性。其接口的抗拉強度與爆破強度均高于管道本體。可有效抵抗內壓產生的環向力及軸向的拉伸應力。密封性能良好。
[0015]4.流通力大，經濟合算。HDPE-UHMW管道內層光滑，不結垢。管內表面當量絕對粗糙度比值是鋼管的1/20，相同管徑，相同長度，相同壓力下HDPE-UHMW管道的流通能力要比鋼管大30%左右。較高的輸送能力，減少了管路的壓力損失和輸水能耗，經濟優勢明顯。
[0016]5.使用壽命長。HDPE-UHMW管道含有2.5%左右的碳黑成分，有很強的抗紫外線輻射功能，能夠在室外露天存放，使用壽命長達50年之久。
[0017]6.耐低溫能力強。HDPE-UHMW管道的低溫脆化溫度極低，可在零下40攝氏度至40攝氏度溫度范圍內使用。
[0018]7.具有良好的抵抗快速裂紋傳遞能力。實踐中，有些管道發生開裂時，裂紋以很快的速度迅速擴大，瞬間就可能使管道發生幾十米甚至幾百米的破壞。本項發明針對不同塑料管道的快速裂紋傳遞進行了大量的試驗，結果表明:在塑料管道中HDPE-UHMW管道抵抗裂紋傳遞的能力具有明顯的優勢。
[0019]8.衛生無毒。HDPE-UHMW管道的衛生指標滿足使用要求，完全衛生無毒，可用于接觸食品和藥物。不會造成二次污染，徹底解決了管道污染水源的缺陷。
[0020]本發明上述雙層復合管材的制備方法，包括下列步驟:
(1)材料配比和除潮:按上述的原料配比選取內層原料和外層原料，將配比好的內層材料和外層材料分別進行除潮；
(2)材料塑化:將步驟(I)所得的內層材料和外層材料分別輸送至螺桿擠出設備的內層進料口和外層進料口，將所述螺桿擠出設備的加料輸送段溫度設定在200?210°C，壓縮段、熔融段的溫度設定在235?240°C，均化段溫度設定在230?240°C，塑化段溫度定在225?230°C，開啟該螺桿擠出設備，將所述材料進行塑化；
(3)材料成型:步驟(2)所得的經過塑化后的材料進入機頭，使內層材料與外層材料共擠成型，得到成型后的管坯；
(4)真空定徑:將步驟(3)所得的管坯在真空度為0.3?0.4MPa的條件下，采用定徑套進行定徑； (5)噴淋冷卻:當步驟(4)中的管坯進入定徑套時，采用真空定型箱冷卻系統，進行多段式噴淋冷卻，冷卻后得到制備完成的雙層復合管材。
[0021]優選的，步驟(I)中的除潮方法為:
a.一次除潮:將干燥機預熱I小時，預熱溫度設置為90°C;將配比好的材料倒入干燥機中除潮I?1.5小時后放料，且在放料口處吹風排潮；
b.二次除潮:將步驟a所得的材料經真空吸料機輸送至真空貯料倉，再經真空貯料倉漏至二次除潮料斗進行二次加熱除潮，二次加熱除潮溫度為80?90°C，時間為10?15min。
[0022]優選的，在步驟(3)所述材料成型過程中:機頭的第一區合流區的溫度設置為240?250°C ;第二區內層和外層合流共擠區的區溫度設置為230?235°C ;第三區和第四區共擠壓縮區的溫度分別設置為230?235°C、240?245°C ;第五區管材成型區的內加熱溫度設置為240?245°C，外加熱溫度設置為230?235°C。
[0023]優選的，步驟(2)所述螺桿擠出設備為SG/125-33DPE螺桿擠出機。
[0024]優選的，步驟(2)中所述塑化階段的料筒均采用注鉛電加熱，加熱圈功率為3?4kw, 380A,供電為熱，機身溫度降溫采用冷卻風機。
[0025]優選的，步驟(4)所述定徑套由黃銅制成，其長度為管材外徑的兩倍；定徑時主機轉為45HZ，管材壓力等級為0.6?0.8MPa區間內，管坯在定徑套內的時間為1.5?2min。
[0026]優選的，步驟(5)中噴淋冷卻過程為:管坯進入定徑套的第一倉前段1.5米為加密噴淋區，水溫為40?42°C ;第二段為冷卻噴淋固化區，水溫為30?35°C ;第三段為穩定冷卻區，水溫為15°C ;噴淋冷卻時的真空度為0.03?0.04MPa。
[0027]本發明上述制備方法的有益效果在于:該方法工藝簡單、易于操作，能夠實現雙層復合管材的一體化生產，自動化程度高，有利于節約人力成本，能夠顯著提高生產效率、減低生產成本。采用該方法制備的雙層復合管材具有優越的基本性能和綜合使用性能，與現有的管材相比，具有耐磨性和沖擊強度更高、自潤滑性好、沖擊能吸收值高、消音效果好、抗粘附能力極強、密度小等優點，解決了目前HDPE給水用管材由于添加黑色元素分子造成內層不光滑，易于產生水垢積淀，滋生大量細菌的問題，以及目前由于水質處理時氯氧化物(CL)與炭黑發生化學反應對水質產生的二次污染問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發明雙層復合管材的結構示意圖。
[0029]其中，I為外層；2為內層。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0031]實施例1: 一種雙層復合管材，包括內層和外層，內層由質量百分比為60%的UHMW-9003超高分子質量聚乙烯(UHMW-9003指超高分子質量聚乙烯，型號為9003)和40%的E/VAL-112A乙烯-乙烯醇共聚物制成(E/VAL-112A指乙烯-乙烯醇共聚物，型號為112A)，所述外層由質量百分比為90%的HDPE-2480H高密度聚乙烯(HDPE-2480H指高密度聚乙烯，型號為2480H)、8%的E/VAL-112A乙烯-乙烯醇共聚物和2%的PE專用黑色素顆粒C制成。
[0032]所用超聞分子量聚乙烯是分子量100萬以上的聚乙烯,密度為0.920?0.964g/cm3，熱變形溫度(在0.46MPa條件下)85°C，熔點130?136°C，是線型結構的具有優異綜合性能的熱塑性工程塑料。
[0033]所用高密度聚乙烯(HDPE)是白色粉末顆粒狀產品，無毒、無味，密度在0.940?
0.976 g/cm3范圍內；結晶度為80%?90%，軟化點為125?135°C，使用溫度可達100°C。
[0034]所用低密度聚乙烯(即LDPE樹脂)為無味、無臭、無毒、表面無光澤、乳白色蠟狀顆粒，密度約0.920g/cm3，熔點130°C?145°C。不溶于水，微溶于烴類、甲苯等。能耐大多數酸堿的侵蝕，吸水性小，在低溫時仍能保持柔軟性，電絕緣性高。
[0035]所用乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)是高度結晶體，其中乙烯含量為20%?45%。具有極好的加工性能，而且也對氣體、氣味、香料、溶劑等呈現出優異的阻斷作用。
[0036]上述雙層復合管材的制備方法，包括下列步驟:
(I)材料配比和除潮:按實施例1所述原料的配比選取內層原料和外層原料，將配比好的內層材料和外層材料分別進行除潮；
所述除潮方法為:
a.一次除潮:將干燥機預熱I小時，預熱溫度設置為90°C;將配比好的材料倒入干燥機中，啟動22kw的電機和排氣風機，每鍋料可根據混料機容積確定混料數量，一般每鍋可干燥500kg-600kg，除潮時間為1.5小時，放料；放料口備有1.1kw的吹風機，用于吹風排潮；
b.二次除潮:先將步驟a所得的材料經真空吸料機輸送至真空貯料倉，采用PE顆粒真空吸料機作為上料機，電機配備功率為2.2kw。上料時間根據實際情況設定，以真空貯料倉倉體總體積的4/5為宜，一般設定在30?40s之間。間隔時間以真空貯料倉內原材料下凈，但二次預熱除潮料口保持滿斗為標準時間，一般間隔50?60s。真空吸料機的感應開關具有輔助吸料的功能，真空貯料倉內原材料一旦下凈，此開關自動啟動。材料再經真空貯料倉漏至二次除潮料斗進行二次加熱除潮，二次加熱除潮溫度為85°C，二次除潮因為料物為動態，隨下料除潮，從加熱上方至底部，時間為15min。二次除潮的材料打開料斗下料口，直接漏到螺桿擠出設備的輸料段。
[0037](2)材料塑化:將步驟(I)所得的內層材料和外層材料分別輸送至螺桿擠出設備的內層進料口和外層進料口，
螺桿擠出設備的電氣控制系統均采用PLC電腦自動控制，配備功率為150kw主機電機驅動。共分為五段，第一段為加料輸送段，固體材料在此不能塑化，但要預熱受壓擠實，溫度設定在200?210°C ;第二段、第三段為壓縮段、熔融段，螺槽由大逐漸變小，經過加溫料筒螺桿與之遷移摩擦，并形成高彈態、粘流態，溫度設定在235°C?240°C;第四段、第五段為均化段、塑化段，當溫度高于粘流態時，材料會產生熱分解，當溫度地域粘流態時或玻璃態時，就會產生脆化，第四段溫度設定在230-240°C，第五段溫度設定在225-230°C。開啟該螺桿擠出設備，將所述材料進行塑化；其中，該螺桿擠出設備為SG/125-33DPE螺桿擠出機。
[0038]為便于溫度控制，步驟(2)中所述塑化階段的料筒均采用注鉛電加熱，加熱圈功率為3?4kw，380A，供電為熱，機身溫度降溫采用冷卻風機。機身溫度降溫采用冷卻風機，在加溫和生產過程中因電阻絲的溫度與機身實際設計溫度差距較大，所以因熱慣性引起的差較大，采用冷卻風機可以解決這一的問題。[0039](3)材料成型:步驟(2)所得的經過塑化后的材料進入機頭，經過濾網處由螺旋狀改變為軸線走向狀態，進入機頭第一區合流區，合流區的主要作用是改變物料走向和物料的第一次壓縮，這時物料已接內層和外層交匯分流區，為更好的使物料熔融，第一區溫度應設置為240?250°C。
[0040]機頭第二區為內層和外層合流共擠區，實現內層物料經過輸送、熔融、均化、剪切、塑化，由橫向改為軸向的過程，進行內層和外層物料的共擠，其溫度置為230?235°C。
[0041]機頭第三區和第四區為共擠壓縮區。物料經過交匯、分流，進入第三區時，物料內層和外層已根據調查達到均化，粘連在此區進行，在外加熱和作用力的共同作用下，熔融粘連，此區溫度設置為230?235°C。物料進入第四區時已完成內外層的均化、分流、粘連、熔融過程，完全進入突變式共擠壓縮段，達到最初的內外層均化色條共擠。此區溫度設置為240 ?245 °C。
[0042]材料經過以上幾區的共同作用后進入機頭第五區管材成型區，主要實現熔融壓縮，再熔融再壓縮成型的過程，此區也是內加熱、外加熱和主機螺桿外作用力的共同匯集區，此區內加熱溫度設置為240?245°C，外加熱溫度設置為230?235°C。
[0043]經過上述五個區的作用后，使內層材料與外層材料共擠成型，得到成型后的管坯；
(4)真空定徑:將步驟(3)所得的管坯在真空度為0.3?0.4MPa的條件下，采用定徑套進行定徑；所述定徑套由黃銅制成，因銅導熱性能好，熱導換快，是制作定徑套的優先選擇。定徑套長度為管材外徑的兩倍；定徑時主機轉為45HZ，管材壓力等級為0.6?0.8MPa區間內，管還在定徑套內的時間為1.5?2min。
[0044](5)噴淋冷卻:當步驟(4)中的管坯進入定徑套時，采用真空定型箱冷卻系統，進行多段式噴淋冷卻，因為高分子材料在驟熱冷卻定型時易在擠包層內留內應力，導致管材在使用或生產過程中產生龜裂，影響管材使用壽命，所以在管坯進入定徑套時，設有水環式冷卻裝置，防止因管坯溫度太高，粘度大而粘在定徑套上，管材在冷卻過程中會釋放熱量，冷卻水環水量可根據實際情況調劑，以管坯不粘連定徑套為準，為保證質量和生產速度，共有兩臺4kw，380v水泵直供噴淋。管坯進入定徑套的第一倉前段1.5米為加密噴淋區，用單獨一臺4kw水泵供水，水溫為40?42°C ;第二段與第三段共用一臺水泵供水，第二段為冷卻噴淋固化區，水溫為30?35°C;第三段為穩定冷卻區，水溫為15°C;噴淋冷卻時的真空度為0.03?0.04MPa冷卻完成后得到制備完成的雙層復合管材。
[0045]實施例2:與實施例1的不同之處在于，雙層復合管材的內層由質量百分比為62%的超高分子質量聚乙烯和38%的低密度聚乙烯制成。
[0046]實施例3:與實施例1的不同之處在于，雙層復合管材的內層由質量百分比為65%的超高分子質量聚乙烯和35%的乙烯-乙烯醇共聚物制成；外層由質量百分比為92%的高密度聚乙烯、7%的乙烯-乙烯醇共聚物和1%的PE專用黑色素顆粒C制成。
[0047]實施例4:與實施例2的不同之處在于,雙層復合管材的內層由質量百分比為55%的超高分子質量聚乙烯和45%的低密度聚乙烯制成；外層由質量百分比為88%的高密度聚乙烯、8%的乙烯-乙烯醇共聚物和4%的PE專用黑色素顆粒C制成。
[0048]本發明雙層復合管材具有以下工程特性:
1.連接方便、施工簡單。因HDPE-UHMW管道管體較輕，搬運方便；焊接容易；聚乙烯的撓性使HDPE-UHMW管道可以盤卷(尤其口徑小的HDPE-UHMW管道)，減少了大量的連接管件，管線較長時宜采用盤管敷設；HDPE-UHMW管道管溝要求遠比鋼管管溝要求低。這都大大降低了施工難度和施工費用。
[0049]2.耐磨性極高，比尼龍66和聚四氟乙烯高4倍，比碳鋼高6倍，是目前所有合成樹脂中最好的。
[0050]3.沖擊強度高，為聚碳酸酯的2倍，ABS的5倍，且能在液氮溫度(_196°C )下保持高韌性。
[0051]4.自潤滑性好，其自潤滑性與聚四氟乙烯相當，磨擦系數僅為0.07 - 0.11 ;僅為鋼材磨擦系數的1/3 - 1/4。
[0052]5.沖擊能吸收值在所有塑料中為最高，消音效果很好。
[0053]6.抗粘附能力極強，僅次于“塑料王”聚四氟乙烯。
[0054]7.密度在所有工程塑料中最小，比聚四氟乙烯輕56%，比聚碳酸酯輕22% ;密度為鋼的1/8。
[0055]上面結合附圖和實施例對本發明作了詳細的說明，但是，所屬【技術領域】的技術人員能夠理解，在不脫離本發明宗旨的前提下，還可以對上述實施例中的各個具體參數進行變更，形成多個具體的實施例，均為本發明的常見變化范圍，在此不再一一詳述。
【權利要求】
1.一種雙層復合管材，包括內層和外層，其特征在于，所述內層由質量百分比為55%~65%的超高分子質量聚乙烯和35%~45%的乙烯-乙烯醇共聚物或低密度聚乙烯制成； 所述外層由質量百分比為87%~92%的高密度聚乙烯、6%~9%的乙烯-乙烯醇共聚物和1%~4%的PE專用黑色素顆粒C制成。
2.根據權利要求1所述的雙層復合管材，其特征在于，所述內層由質量百分比為60%的超高分子質量聚乙烯和40%的乙烯-乙烯醇共聚物或低密度聚乙烯制成。
3.根據權利要求1所述的雙層復合管材，其特征在于，所述外層由質量百分比為90%的高密度聚乙烯、8%的乙烯-乙烯醇共聚物和2%的PE專用黑色素顆粒C制成。
4.一種權利要求1所述雙層復合管材的制備方法，其特征在于，包括下列步驟: (1)材料配比和除潮:按權利要求1所述原料的配比選取內層原料和外層原料，將配比好的內層材料和外層材料分別進行除潮； (2)材料塑化:將步驟(1)所得的內層材料和外層材料分別輸送至螺桿擠出設備的內層進料口和外層進料口，將所述螺桿擠出設備的加料輸送段溫度設定在200~210°C，壓縮段、熔融段的溫度設定在235~240°C，均化段溫度設定在230~240°C，塑化段溫度定在225~230°C，開啟該螺桿擠出設備，將所述材料進行塑化； (3)材料成型:步驟(2)所得的經過塑化后的材料進入機頭，使內層材料與外層材料共擠成型，得到成型后的管坯； (4)真空定徑:將步驟(3)所得的管坯在真空度為0.3~0.4MPa的條件下，采用定徑套進行定徑； (5)噴淋冷卻:當步驟(4)中的管坯進入定徑套時，采用真空定型箱冷卻系統，進行多段式噴淋冷卻，冷卻后得到制備完成的雙層復合管材。
5.根據權利要求4所述的雙層復合管材的制備方法，其特征在于，步驟(1)中的除潮方法為: a.一次除潮:將干燥機預熱I小時，預熱溫度設置為90°C;將配比好的材料倒入干燥機中除潮I~1.5小時后放料，且在放料口處吹風排潮； b.二次除潮:將步驟a所得的材料經真空吸料機輸送至真空貯料倉，再經真空貯料倉漏至二次除潮料斗進行二次加熱除潮，二次加熱除潮溫度為80~90°C，時間為10~15min。
6.根據權利要求4所述的雙層復合管材的制備方法，其特征在于，在步驟(3)所述材料成型過程中:機頭的第一區合流區的溫度設置為240~250°C;第二區內層和外層合流共擠區的區溫度設置為230~235°C ;第三區和第四區共擠壓縮區的溫度分別設置為230~235°C,240~245°C ;第五區管材成型區的內加熱溫度設置為240~245°C，外加熱溫度設置為230~235°C。
7.根據權利要求4所述的雙層復合管材的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述螺桿擠出設備為SG/125-33DPE螺桿擠出機。
8.根據權利要求4所述的雙層復合管材的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述塑化階段的料筒均采用注鉛電加熱，加熱圈功率為3~4kw，380A，供電為熱，機身溫度降溫采用冷卻風機。
9.根據權利要求4所述的雙層復合管材的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述定徑套由黃銅制成，其長度為管材外徑的兩倍；定徑時主機轉為45HZ，管材壓力等級為0.6~0.8MPa區間內，管還在定徑套內的時間為1.5~2min。
10.根據權利要求4所述的雙層復合管材的制備方法，其特征在于，步驟(5)中噴淋冷卻過程為:管坯進入定徑套的第一倉前段1.5米為加密噴淋區，水溫為40~42°C ;第二段為冷卻噴淋固化區，水溫為30~35°C;第三段為穩定冷卻區，水溫為15°C;噴淋冷卻時的真空度為0.03~0.04MPa 。
【文檔編號】F16L11/06GK104019298SQ201410229854
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】周振民, 孔慶東, 王學超, 周科 申請人:華北水利水電大學