一种高性能燃气管材及其制备方法

技术领域

本发明涉及管道材料技术领域，具体而言，涉及一种高性能燃气管材及其制备方法。

背景技术

聚乙烯是目前用量最大的通用塑料之一，不仅具有较高的耐温性、耐油性、抗冲击韧性及抗低温性，还具有较好地耐应力开裂性。因此被广泛应用于市政、民建等流体输送领域。

然而聚乙烯管材存在表面硬度低，在施工过程中容易被划伤，从而降低耐压强度，影响管材长期使用寿命，为以后的使用埋下安全隐患。目前常采用的处理手段是在聚乙烯管材的原料里加入无机材料颗粒以达到提升管材表面硬度的目的，但是，现有技术存在一个问题，即无法保证无机材料颗粒在聚乙烯内分散的均匀度，如此容易造成最终制得的管材表面一部分硬度高，一部分硬度低。

发明内容

本发明提供了一种高性能燃气管材，能够有效解决上述问题。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

本发明一方面提供了一种高性能燃气管材，包括如下原料组分：聚乙烯树脂、改性碳化硅、氧化铝、二氧化硅、偶联剂、分散剂和耐磨色母。

本发明另一方面提供了上述高性能燃气管材的制备方法，包括如下过程：

将各原料加入至高速搅拌机中进行混合，得到混配料，将混配料加入到双螺杆造粒机中进行熔融挤出造粒即得。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明的技术方案通过对无机材料碳化硅进行改性，使其与有机物的相容性增强，并将改性后的碳化硅与聚乙烯进行共混，使得所制得的高性能燃气管材的综合性能大大提升，解决了聚乙烯材料本身表面硬度低、易划伤的问题，提升了管材的使用寿命。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本具体实施方式一方面提供了一种高性能燃气管材，包括如下原料组分：聚乙烯树脂、改性碳化硅、氧化铝、二氧化硅、偶联剂、分散剂和耐磨色母。

进一步地，按重量份计，所述聚乙烯树脂为100-300重量份，所述碳化硅为20-60重量份，所述氧化铝为1-10重量份，所述二氧化硅为1-10重量份，所述偶联剂为2-15重量份，所述分散剂为1-10重量份，所述耐磨色母为0.5-5重量份。

进一步地，所述改性碳化硅的制备方法如下：

S1、制备碳化硅/单宁酸复合材料；

S2、在步骤S1所制得的碳化硅/单宁酸复合材料上负载氧化石墨烯，制备改性碳化硅。

进一步地，步骤S1包括：

S11、将100重量份的碳化硅放置于去离子水中进行超声分散得到第一混合物；

S12、向步骤S11所得的第一混合物中加入20-40重量份的单宁酸，搅拌并静置，得到第二混合物；

S13、将步骤S12所得的第二混合物进行抽滤，清洗，得到碳化硅/单宁酸复合材料。

进一步地，在步骤S12中，搅拌的温度为室温，搅拌速率为800-1000转/分钟，搅拌时间为30-60分钟。

进一步地，在步骤S12中，静置的时间为22-24小时，静置的温度为室温。

利用碳化硅与单宁酸进行络合形成络合物，由于单宁酸本身为有机物，所形成的络合物与聚乙烯熔融体就具备了良好的相容性。

进一步地，步骤S2包括：

S21、将20-30重量份的氧化石墨烯置于去离子水中进行超声分散，得到第三混合物；

S22、取100重量份步骤S1所得的碳化硅/单宁酸复合材料加入至步骤S21所得第三混合物中，搅拌并静置，得到第四混合物；

S23、将步骤S22所得第四混合物进行抽滤、清洗及烘干，即得改性碳化硅。

进一步地，在步骤S22中，搅拌的温度为50℃-60℃，搅拌的速率为200-400转/分钟，搅拌时间为10-15分钟。

进一步地，在步骤S22中，静置时间为2-3小时，静置的温度为50℃-60℃。

利用单宁酸与氧化石墨烯的静电吸附效果，使得碳化硅、单宁酸和氧化石墨烯三者牢牢地结合在一起，利用氧化石墨烯可以吸附有机物的特性，进一步提升了碳化硅与聚乙烯熔融体的相容性，进而使得碳化硅能够在聚乙烯熔融体内分散地更加均匀。

进一步地，所述聚乙烯树脂为80级或100级高密度聚乙烯。

进一步地，所述的氧化铝为微米级或纳米级氧化铝。

进一步地，所述的二氧化硅为微米级或纳米级二氧化硅。

进一步地，所述偶联剂为钛酸酯类、有机硅烷类、铝酸酯类和磷酸酯类中的一种或多种。

进一步地，所述分散剂为丙烯酰胺均聚物。

进一步地，所述耐磨色母为高耐磨炭黑。

本具体实施方式另一方面提供了上述高性能燃气管材的制备方法，包括如下过程：

将各原料加入至高速搅拌机中进行混合，得到混配料，将混配料加入到双螺杆造粒机中进行熔融挤出造粒即得。

进一步地，双螺杆造粒机的挤出温度为200℃-230℃。

实施例1

制备改性碳化硅

S1、制备碳化硅/单宁酸复合材料

S11、将100重量份的碳化硅放置于去离子水中进行超声分散得到第一混合物；

S12、向步骤S11所得的第一混合物中加入30重量份的单宁酸，在室温下以900转/分钟的转速搅拌50分钟后在室温下静置23小时，得到第二混合物；

S13、将步骤S12所得的第二混合物进行抽滤，清洗，得到碳化硅/单宁酸复合材料；

S2、在步骤S1所制得的碳化硅/单宁酸复合材料上负载氧化石墨烯，制备改性碳化硅

S21、将25重量份的氧化石墨烯置于去离子水中进行超声分散，得到第三混合物；

S22、取100重量份步骤S1所得的碳化硅/单宁酸复合材料加入至步骤S21所得第三混合物中，在55℃下以300转/分钟转速搅拌12分钟后，在55℃环境下静置2.5小时，得到第四混合物；

S23、将步骤S22所得第四混合物进行抽滤、清洗及烘干，即得改性碳化硅。

制备高性能燃气管材

将200重量份的聚乙烯树脂、35重量份的碳化硅、4重量份的氧化铝、4重量份的二氧化硅、8重量份的偶联剂、6重量份的分散剂、3重量份的耐磨色母加入至高速搅拌机中进行混合，得到混配料，将该混配料加入到双螺杆造粒机中在215℃挤出温度下进行熔融挤出造粒即得高性能燃气管材A1。

实施例2

制备改性碳化硅

S1、制备碳化硅/单宁酸复合材料

S11、将100重量份的碳化硅放置于去离子水中进行超声分散得到第一混合物；

S12、向步骤S11所得的第一混合物中加入20重量份的单宁酸，在室温下以800转/分钟的转速搅拌30分钟后在室温下静置22小时，得到第二混合物；

S13、将步骤S12所得的第二混合物进行抽滤，清洗，得到碳化硅/单宁酸复合材料；

S2、在步骤S1所制得的碳化硅/单宁酸复合材料上负载氧化石墨烯，制备改性碳化硅

S21、将20重量份的氧化石墨烯置于去离子水中进行超声分散，得到第三混合物；

S22、取100重量份步骤S1所得的碳化硅/单宁酸复合材料加入至步骤S21所得第三混合物中，在50℃下以200转/分钟转速搅拌10分钟后，在50℃环境下静置2小时，得到第四混合物；

S23、将步骤S22所得第四混合物进行抽滤、清洗及烘干，即得改性碳化硅。

制备高性能燃气管材

将100重量份的聚乙烯树脂、20重量份的碳化硅、1重量份的氧化铝、1重量份的二氧化硅、2重量份的偶联剂、1重量份的分散剂、0.5重量份的耐磨色母加入至高速搅拌机中进行混合，得到混配料，将该混配料加入到双螺杆造粒机中在200℃挤出温度下进行熔融挤出造粒即得高性能燃气管材A2。

实施例3

制备改性碳化硅

S1、制备碳化硅/单宁酸复合材料

S11、将100重量份的碳化硅放置于去离子水中进行超声分散得到第一混合物；

S12、向步骤S11所得的第一混合物中加入40重量份的单宁酸，在室温下以1000转/分钟的转速搅拌60分钟后在室温下静置24小时，得到第二混合物；

S13、将步骤S12所得的第二混合物进行抽滤，清洗，得到碳化硅/单宁酸复合材料；

S2、在步骤S1所制得的碳化硅/单宁酸复合材料上负载氧化石墨烯，制备改性碳化硅

S21、将30重量份的氧化石墨烯置于去离子水中进行超声分散，得到第三混合物；

S22、取100重量份步骤S1所得的碳化硅/单宁酸复合材料加入至步骤S21所得第三混合物中，在60℃下以400转/分钟转速搅拌15分钟后，在60℃环境下静置3小时，得到第四混合物；

S23、将步骤S22所得第四混合物进行抽滤、清洗及烘干，即得改性碳化硅。

制备高性能燃气管材

将300重量份的聚乙烯树脂、60重量份的碳化硅、10重量份的氧化铝、10重量份的二氧化硅、15重量份的偶联剂、10重量份的分散剂、5重量份的耐磨色母加入至高速搅拌机中进行混合，得到混配料，将该混配料加入到双螺杆造粒机中在230℃挤出温度下进行熔融挤出造粒即得高性能燃气管材A3。

对比例1

仅将聚乙烯树脂加入至双螺杆造粒机，在230℃挤出温度下进行熔融挤出造粒，得到材料D1。

对比例2

其余特征与实施例1相同，所不同之处在于，未对碳化硅进行改性处理，最后得到材料D2。

对比例3

其余特征与实施例1相同，所不同之处在于，在碳化硅改性过程中，无步骤S2，即未在碳化硅/单宁酸复合材料上负载氧化石墨烯，最后得到材料D3。

对比例4

其余特征与实施例1相同，所不同之处在于，在碳化硅改性过程中，在步骤S12中，静置的时间为5小时，最后得到材料D4。

对比例5

其余特征与实施例1相同，所不同之处在于，在碳化硅改性过程中，在步骤S22中，搅拌时的温度为室温，静置时的温度也为室温，最后得到材料D5。

实验例

将上述高性能燃气管材A1-A3以及材料D1-D5制成标准的试验件(长、宽、厚分别为20厘米、10厘米、1厘米)，然后测试相关性能，包括耐磨性能和拉伸强度，相关性能数据见表1。

具体地，耐磨性能测试采用MZ-4062型往复式摩擦试验机进行，设定摩擦次数为50次，随后测量摩擦后试验件的厚度记为X，试验件的原始厚度记为Y，壁厚变化率＝(Y-X)/Y*100％。

拉伸强度的测试方法参照国标《塑料拉伸性能试验方法》(GB/T1040-92)。

表1试验件的性能数据

由表1相关数据可以看出，按本发明所提供的技术方案所制得的高性能燃气管材A1-A3，在摩擦50次后，其壁厚变化率均小于1.5％，表明其具有良好的耐磨性能，而D1(纯聚乙烯制得)的耐磨性能较差，是由于未掺加无机材料的原因，D2-D5由于未完全按照本技术方案实施，其耐磨性能均不够达到理想。另外，本发明所提供的技术方案所制得的高性能燃气管材A1-A3的拉伸强度达到了24MPa以上，明显优于D1，并且，由于D2-D5未完全按照本技术方案实施，其拉伸强度与A1-A3相比较差。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。