高耐磨耐腐蝕改性超高分子量聚乙烯特種管材的
文章來(lái)源： ?????發(fā)布者：admin 時(shí)間：2015-10-10
高耐磨耐腐蝕改性超高分子量聚乙烯特種管材的研制
聚乙烯（PE）樹脂被作為一種塑料管道的生產(chǎn)原料已經(jīng)有數(shù)十年的歷史，在我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化也已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間，PE 樹脂是由石油的直接裂解物—乙烯樹脂經(jīng)過聚合而成的熱塑性樹脂，該材料以其優(yōu)良的耐低溫性能 ( 最 低 使 用 溫 度 可 達(dá) - 70 ℃ ～- 100℃)，化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐大多數(shù)酸堿的侵蝕(不耐具有氧化性質(zhì)的酸)，常溫下不溶于一般溶劑，吸水性小，電絕緣性能優(yōu)良等特性被廣泛應(yīng)用于給排水、天然氣輸送、礦井排風(fēng)排瓦斯、排污等塑料管道領(lǐng)域。特別是在近十年間，由于聚乙烯樹脂是純 C- H 化合物， 而且具有 PVC管材所無(wú)法比擬的柔韌性，使得 PE管材得到更大范圍的使用，其發(fā)展趨勢(shì)大有取代 PVC 成為最主要塑料管道生產(chǎn)原料之勢(shì)。
但正因?yàn)榫垡蚁渲瑑?yōu)異的柔韌性也鑄成其重要的缺點(diǎn)，對(duì)于環(huán)境應(yīng)力(化學(xué)與機(jī)械作用)很敏感，強(qiáng)度低，耐熱性較差。所以，在需要承受較大壓力和較高溫度的領(lǐng)域以及比較惡劣的環(huán)境下就不能使用普通的聚乙烯管道系統(tǒng)。
例如， 在最大工作壓力1. 6MPa，徑厚比（SDR）11 時(shí)，管材最大直徑只能做到 630mm。顯而易見，隨著管材直徑的增大，壁厚也要不斷加大，管材也隨之越來(lái)越重，使用聚乙烯管材已經(jīng)非常不經(jīng)濟(jì)了。并且作為塑料管道存在韌性有余剛性不足的缺點(diǎn)。
本課題主要研究采用一種分子量在 100 ～500 萬(wàn)、結(jié)晶度 65 ～85％、密度 0. 92～0. 96g/ cm3 的新型塑料管道加工材料—超高分子量聚乙烯樹脂（U H MWPE）為主要原材料添加一定比例的內(nèi)潤(rùn)滑劑、外潤(rùn)滑劑、成核劑、流動(dòng)性加工助劑等輔助材料，通過各種原輔材料共混改性后，運(yùn)用近熔點(diǎn)擠出原理和特殊工藝控制，通過管材擠出生產(chǎn)線擠出成型為高耐磨耐腐蝕的特種塑料管材，使得該管材與眾多的聚合物材料相比較，具有摩擦系數(shù)小、磨耗低、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良、耐沖擊、抗壓性、抗凍性、保溫性、自潤(rùn)滑性、抗結(jié)垢性、耐應(yīng)力開裂性、衛(wèi)生性能優(yōu)良等優(yōu)異的物理和化學(xué)性能。可適用于傳統(tǒng)塑料管道所無(wú)法應(yīng)用的石油天然氣開采業(yè)、化學(xué)工業(yè)、輸送礦漿或者泥砂管道、特殊惡劣環(huán)境用的管道系統(tǒng)。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2.1 試驗(yàn)材料
（1）超高分子量聚乙烯樹脂U H MWPE 樹脂是一種分子量為～500 萬(wàn)、結(jié)晶度 65～85％、密度0. 92～0. 96g/ cm3 的熱塑性樹脂，因分子量高而具有其它塑料無(wú)可比擬的優(yōu)異的耐沖擊、耐磨損、自潤(rùn)滑性、耐化學(xué)腐蝕等性能。
（2）內(nèi)潤(rùn)滑劑
主要采用 PE 蠟，PE 蠟又稱高分子蠟，因其優(yōu)良的耐寒性、耐熱性、耐化學(xué)性和耐磨性可直接加到聚烯烴加工中，它可以增加產(chǎn)品的光譯和加工性能，聚乙烯蠟具有更強(qiáng)的內(nèi)部潤(rùn)滑作用。
（3）外潤(rùn)滑劑
主要采用半精煉石蠟，主要對(duì)樹脂在擠出捏合過程中起到外部潤(rùn)滑的作用。
（4）成核劑
成核劑是適用于聚乙烯、聚丙烯等不完全結(jié)晶塑料，通過改變樹脂的結(jié)晶行為加快結(jié)晶速率、增加結(jié)晶密度和促使晶粒尺寸微細(xì)化，達(dá)到縮短成型周期、提高制品透明性、表面光澤、抗拉強(qiáng)度、剛性、熱變形溫度、抗沖擊性、抗蠕變性等物理機(jī)械性能的新功能助劑。
（5）液晶高分子聚合物 LCP
液晶高分子是 20 世紀(jì) 80 年代中期才工業(yè)化的一種高性能工程塑料。它不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，突出的耐磨性，極小的線膨脹系數(shù)，而且熔體粘度低，成型加工流動(dòng)性好。用它來(lái)對(duì)超高分子量聚乙烯進(jìn)行改性，可以顯著改善超高分子量聚乙烯的成型加工性能，還可以提高強(qiáng)度。
（6）LDPE 樹脂
低密度聚乙烯樹脂，傳統(tǒng) PE 塑料管道所采用的樹脂，分子量大約在4～30 萬(wàn)。主要用于與超高分子量進(jìn)行共混改性。
2.2 主要裝置
由于總的加工過程可分為兩個(gè)流程：
(1) 配方體系的共混預(yù)塑攪拌；
(2)管材的擠出成型冷卻定型過程。
2.3 制備流程
高耐磨耐腐蝕改性超高分子量聚乙烯特種管材的研制分為兩個(gè)過程：
第一部分：配方材料的共混預(yù)塑混煉過程先將超高分子量聚乙烯樹脂與LDPE 樹脂進(jìn)行均勻混合，再加入液晶高分子聚合物、內(nèi)外潤(rùn)滑劑、成核劑等通過離心往復(fù)式共混機(jī)組，并輔以一定的溫度條件進(jìn)行共混處理后裝袋備用。
關(guān)鍵控制點(diǎn)：從配方體系方面保障超高分子量與優(yōu)異性能共存，主要利用內(nèi)外潤(rùn)滑劑與成核劑促進(jìn)超高分子量聚乙烯與液晶高分子聚合物以及低密度聚乙烯進(jìn)行很好的共混，不僅很好的保存了超高分子量帶來(lái)的優(yōu)異性能，更關(guān)鍵的是通過共混改性大大
提高 UHMW-PE 樹脂的加工流動(dòng)性。
第二部分：管材擠出成型過程將共混之后的配方材料經(jīng)過單螺桿擠出機(jī)及擠出口模和芯棒擠出管坯后，經(jīng)抽真空定型、噴淋冷卻定型、牽引、切割生產(chǎn)而成高抗沖改性聚氯乙烯管材。
關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)：從工藝方面保障超高分子量和優(yōu)異性能共存，將擠出機(jī)中的超高分子量聚乙烯樹脂及輔助材料加熱至超高分子量聚乙烯樹脂的熔點(diǎn)附（溫度低于原料的熔點(diǎn)、而高于原料熔點(diǎn)的 90％這個(gè)范圍），這樣就可以讓物料以固相的形式在擠出機(jī)中流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超高分子量聚乙烯的近熔點(diǎn)擠出。這樣可以很好的避免樹脂全熔狀態(tài)時(shí)的放熱及畜熱以及降解和全熔狀態(tài)下大分子的機(jī)械剪
切。巧妙的把粉料推進(jìn)壓實(shí)和低溫加工避免大量畜熱導(dǎo)致超高分子量聚乙烯受熱分解的弊端有效的避開了。很好的實(shí)現(xiàn)了超高分子量聚乙烯樹脂的可加工性且不破壞其超高分子量的雙重效果。
3.2 本課題的特色和技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
（1） 突破傳統(tǒng)塑料管材的材料界限，在傳統(tǒng)的塑料管道主輔材料配方體系的基礎(chǔ)上大膽地更換了主要原材料，以分子量高達(dá) 100～500 萬(wàn)的超高 分子量聚乙烯樹脂作為基體樹脂，使 得所研制的特種塑料管道能夠突破所 有傳統(tǒng)塑料管道所無(wú)法應(yīng)用的領(lǐng)域。
（2采用近熔點(diǎn)擠出理論，突破 超高分子量聚乙烯的加工難題將擠出機(jī)中的超高分子量聚乙烯 加熱至其熔點(diǎn)附近（溫度低于原料的 熔點(diǎn)、而高于原料熔點(diǎn)的 90％這個(gè) 范圍），這樣就可以讓物料以固相的 形式在擠出機(jī)中流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超高分子 量聚乙烯的近熔點(diǎn)擠出。這樣可以很 好的避免樹脂全熔狀態(tài)時(shí)的放熱及畜 熱以及降解和全熔狀態(tài)下大分子的機(jī) 械剪切。巧妙的把粉料推進(jìn)壓實(shí)和低 溫加工避免大量畜熱導(dǎo)致超高分子量 聚乙烯受熱分解的弊端有效的避開 了。解決了該樹脂熔體粘度極高、加工流動(dòng)性極差，加上臨界剪切速率極低，容易產(chǎn)生熔體破裂等缺點(diǎn)，很好的實(shí)現(xiàn)了超高分子量聚乙烯樹脂的可加工性且不破壞其超高分子量的雙重 效果。
（3） 采用高效低量輔助助劑的配 方體系，在近熔點(diǎn)擠出理論的基礎(chǔ) 上，將超高分子量聚乙烯的粉料或粒 料作為原料，僅添加與重量為主原料 重量 10％以下的加工助劑混合均勻 后，在高速中的“溶劑化”作用提前在混合過程 中得以很好的發(fā)揮，這樣即可發(fā)揮加 工助劑的最大效用，又可避免產(chǎn)生明 顯的流動(dòng)取向的差異。從而實(shí)現(xiàn)采用 高效低量輔助助劑的配方體系，很好 地解決了超高分子量聚乙烯樹脂在加 工過程中為了提高流動(dòng)性而破壞其優(yōu) 異特性的難題。
（4） 采用低溫?cái)D壓、控制塑化的 技術(shù)，將物料的加熱和冷卻在同一個(gè) 模具中進(jìn)行，將物料的輸送、壓實(shí)、 預(yù)熱的固相流動(dòng)過程在擠出機(jī)的螺桿 輸送中實(shí)現(xiàn)，通過溫度及擠出速度的 調(diào)節(jié)控制使得樹脂始終處于高彈態(tài)的 回彈效應(yīng)區(qū)解決熔融擠出法加工超高 分子量聚乙烯樹脂時(shí)超高分子量?jī)?yōu)異 性能被破壞的難題。
4 結(jié)論
本文所研制的高耐磨耐腐蝕改性超高分子量聚乙烯特種管材主要采用一種分子量在 100～500 萬(wàn)、結(jié)晶度65％～85％、密度 0. 92～0. 96g/ cm3的新型塑料管道加工材料—超高分子量聚乙烯樹脂（U H MWPE）為主要原材料添加一定比例的內(nèi)潤(rùn)滑劑、外潤(rùn)滑劑、成核劑、流動(dòng)性加工助劑等輔助材料，通過各種原輔材料共混改性后，運(yùn)用近熔點(diǎn)擠出原理、高效低量輔助助劑配方體系、結(jié)合低溫?cái)D壓控 制塑化的特殊工藝技術(shù)，通過管材擠 出生產(chǎn)線擠出成型為高耐磨耐腐蝕的 特種塑料管材。一方面很好的解決了 該樹脂熔體粘度極高、加工流動(dòng)性極 差，加上臨界剪切速率極低，容易產(chǎn) 生熔體破裂等缺點(diǎn)，另一方面很好地 解決了超高分子量聚乙烯樹脂在加工 過程中為了提高流動(dòng)性而破壞其優(yōu)異 特性的難題。使得該管材與眾多的聚 合物材料相比較，具有摩擦系數(shù)小、 磨耗低、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良、耐沖 擊、抗壓性、抗凍性、保溫性、自潤(rùn) 滑性、抗結(jié)垢性、耐應(yīng)力開裂性、衛(wèi)生性能優(yōu)良等優(yōu)異的物理和化學(xué)性 能?？蛇m用于傳統(tǒng)塑料管道所無(wú)法應(yīng) 用的石油天然氣開采業(yè)、化學(xué)工業(yè)、 輸送礦漿或者泥砂管道、特殊惡劣環(huán) 境用的管道系統(tǒng)。
