一种硫酸钙晶须高强度管道材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及塑料管道技术领域，具体涉及一种硫酸钙晶须高强度管道材料及其制备方法。


背景技术：

2.目前国内市政中水管道大致分为三种材质：金属、玻璃钢和高分子塑料材料。一是金属管道，其由铸铁或钢管为主，金属材质的管道强度最高，防爆能力最好，但在酸性雨水的侵蚀下带来很大的腐蚀和穿孔现象，这样导致中水的再次污染，并且在穿孔使用中，水压泄露在消防体系的防护上带来隐患。同时安装作业和焊接作业这块工艺比较繁琐。二是玻璃钢管材质，其是由smc复合玻璃纤维而制的新型管材，强度较高，但管材脆性比较大，安装施工过程中易破损。同时采用胶粘剂实行管道连接，容易带来脱落现象。由于smc在生产过程中需要添加有机溶剂进行加工，所以在环保上有很大的缺陷，同时材料易老化易分解，更不太适合工业化大规模生产。三是高分子塑料管道，现在基本采用的是高密度聚乙烯材质，质轻密度小，易安装，管材连接采用热熔方式，具有很好的密封性。管材也有很好的弹性和韧性，但强度比较弱，在受热时容易变形，在长期静压的情况下容易出现爆管现象。
3.因此需要对高分子塑料管道材料上创新更加合理的改进，从而提出一种硫酸钙晶须高强度管道材料，便于更好的解决上述提出的高分子塑料管道强度低和耐高温性差的问题。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提供一种硫酸钙晶须高强度管道材料及其制备方法,解决现有高分子塑料管道强度低和耐高温性差的问题。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一种硫酸钙晶须高强度管道材料，其特征在于，按重量份计，包括以下原料制成，树脂基材50～95份，硫酸钙晶须5～50份，偶联剂0.1～5份，分散剂0.1～5份、润滑剂0.1～5份、塑料助剂0.1～5份。
6.较优的，所述树脂基材为hdpe、ldpe、pp或abs。
7.所述硫酸钙晶须ph值6.5～7.5，直径：750nm,晶须长径比：80～200。
8.本发明还提供了该硫酸钙晶须高强度管道材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.s1)、制备硫酸钙晶须,由caso4
·
2h2o含量95％的生石膏为主原材料，在和水进行4～15％浓度溶液的配比后进行浆料乳化处理,同时过滤掉不溶结晶物杂质,然后通过反应釜实行合成反应，合成反应结束后通过过滤机得到含35％水分的硫酸钙晶体乳液，然后在120～400℃温度下进行干燥处理，得到硫酸钙晶须半成品；
10.s2)、用打散机对静态干燥的半成品进行打散处理，然后添加表面处理剂进行表面酯化处理，经冷却分选后，得到硫酸钙晶须成品；
11.s3)、按照配方要求的重量份数称取树脂基材、硫酸钙晶须和偶联剂置于高速混合
机中混合6～8min，再加入分散剂、润滑剂和塑料助剂继续混合15～25min，搅拌均匀后放入上料机中；
12.s4)、将步骤s3混合后的物料通过上料机进入主机上的喂料机中，经同向平行双螺杆挤出机，进行熔融、剪切、塑化挤出造粒，即得到本发明硫酸钙晶须高强度管道材料的产品。
13.较优的，所述步骤s1中，反应釜的工艺条件包括：反应温度控制在120～200℃、反应压力0.5～3atm，加入ph调整剂达到7～12ph值，反应时间控制在30～200min、反应搅拌速度控制在200～2000r/min。
14.较优的，所述步骤s2中，表面处理剂为硅烷、酞酸酯系列、铝酸酯、稀土或酸类偶联剂，所述表面处理剂添加量为硫酸钙晶须半成品质量的1～10％。
15.较优的，所述步骤s4中，双螺杆挤出机的工艺条件包括：前段温度170～200℃、中段温度160～190℃、后段温度150～180℃、机头温度180～200℃；螺杆转速300～360r/min。
16.本发明解决了背景技术中存在的缺陷,具有以下有益效果：
17.本发明提供一种硫酸钙晶须高强度管道材料及其制备方法，解决现有高分子塑料管道强度低和耐高温性差的问题。具体有以下优点：
18.本发明以硫酸钙晶须材料为原料，通过高温热活化、化学处理等反应对纤维表面进行有机改性，再利用双螺杆剪切和加工助剂使晶须以结构性形式分散在高分子聚合物体系中制得功能性管材专用材料，使其保持独特的纤维状结构，特殊的长径比体现材料优异的刚性，微孔状纤维结构在管材中体现出完美的高弹性，其次该管道材料具有优异的力学性能和热学性能，比其他纤维更好的流动性，可使聚合物在挤出工艺中更容易加工成型。
附图说明
19.图1为本发明中制备硫酸钙晶须的工艺流程图；
20.图2硫酸钙晶须在电镜分析下的结构状态。
具体实施方式
21.实施例1：本发明在hdpe给水管中的实用比列分析：
22.按重量份计，包括以下原料制成，hdpe 85份，硫酸钙晶须15份，偶联剂0.1份，分散剂0.2份、润滑剂0.1份、塑料助剂1份。
23.hdpe材料的选择指标：hdpe采用的是n100级管材料。熔指0.25g/10min(190℃、5kg)密度：0.96g/cm3。
24.hdpe给水管材料经力学性能测定：拉伸强度：42mpa、断裂伸长率：400％。
25.该硫酸钙晶须高强度管道材料的制备方法，包括以下步骤：
26.s1)、制备硫酸钙晶须如图1所示，由caso4
·
2h2o含量95％的生石膏为主原材料，在和水进行4～15％浓度溶液的配比后进行浆料乳化处理,同时过滤掉不溶结晶物杂质,然后通过反应釜实行合成反应，合成反应结束后通过过滤机得到含35％水分的硫酸钙晶体乳液，然后在120～400℃温度下进行干燥处理，得到硫酸钙晶须半成品；反应釜的工艺条件包括：反应温度控制在120～200℃、反应压力0.5～3atm，加入ph调整剂达到7～12ph值，反应时间控制在30～200min、反应搅拌速度控制在200～2000r/min。
27.s2)、用打散机对静态干燥的半成品进行打散处理，然后添加表面处理剂进行表面酯化处理，经冷却分选后，得到硫酸钙晶须成品，处理工艺如2所示。表面处理剂为复合酯pdk02，复合酯pdk02添加量为硫酸钙晶须半成品质量的1～10％。
28.s3)、按照配方要求的重量份数称取树脂基材、硫酸钙晶须和偶联剂置于高速混合机中混合6～8min，再加入分散剂、润滑剂和塑料助剂继续混合15～25min，搅拌均匀后放入上料机中；
29.s4)、将步骤s3混合后的物料通过上料机进入主机上的喂料机中，经同向平行双螺杆挤出机，进行熔融、剪切、塑化挤出造粒，即得到发明硫酸钙晶须高强度管道材料的产品。双螺杆挤出机的工艺条件包括：前段温度170～200℃、中段温度160～190℃、后段温度150～180℃、机头温度180～200℃；螺杆转速300～360r/min。
30.对比试验
31.现有技术中，为降低材料成本，所有塑料制品都要填充惰性的无机粉体，如caco3、sio2、滑石粉等，这些材料其性能都有比重大、吸湿性强，填充制品不耐老化和脆性大等缺陷。将hdpe分别和碳酸钙、滑石粉、重晶石及硫酸钙晶须材料生成聚合物后，对聚合物进行物理和力学性能检测。检测对比数据如下所示：
[0032][0033]
通过以上hdpe和碳酸钙、滑石粉、重晶石及硫酸钙晶须材料的数据对比较分析，硫酸钙晶须材料的力学性能更好的体现。硫酸钙晶须具高尺寸微细、耐高温、抗化学腐蚀、韧性好、强度高、易进行表面处理、性价比高等特点，在聚合物中的填充改性应用中完美的晶体结构，很高的强度和模量，使聚合物具有优异的力学性能和热学性能，比其他纤维更好的流动性，可使聚合物在挤出工艺中更容易加工成型，此外硫酸钙晶须晶须能有效地阻止裂纹的扩展，加速能量的扩散，起到增强增韧的作用。
[0034]
实施例1产品检测分析：
[0035]
1.检测数据分析：尺寸和收缩率
[0036]
管材长度、平均外径、不圆度和壁厚严格按照gb/t8806-2008执行。
[0037]
纵向收缩率按gb/t6671-2001中b项检测：数据值为：1.8％。
[0038]
2.静液压强度测试
[0039]
按照gb/t6111-2003试验，根据试验条件下表规定检测
[0040]
在165小时内发生脆性破坏应视为未通过试验。如果试样在165h内发生韧性破坏，按表中推荐的环应力/时间关系依次选择较低的环应力和相应的最小破坏时间重新试验，如不通过视为不合格。
[0041][0042]
3.氧化诱导时间
[0043]
按照gb/t19466.6-2009试验检测：210度检测时间大于20分钟
[0044]
实际检测数据为：32分钟
[0045]
4.卫生要求
[0046]
管材卫生要求符合gb/t17219规定。
[0047]
同时通过sgs和rohs检测。
[0048]
本发明的实现原理是：
[0049]
1.硫酸钙晶须以单晶形式生长的形状类似于短纤维，而尺寸远小于短纤维的须状单晶体。其直径极小，长径比极大，达到微米级，具有高度有序的原子排列结构。但是由于硫酸钙晶须比表面积大，纤维呈长圆柱晶体结构，加工流动性差，颗粒之间易产生团聚，且表面含有极性羟基，故与非极性的有机高聚物的亲和性很差，在塑料制品生产过程中往往只作为惰性的填充材料使用。所以采用多种改性手段，尤其是借助酯化反应对硫酸钙晶须材料进行有机改性，使材料表面由完全亲水性变为亲油性，具备了无机和有机的双重性质，根本上解决了硫酸钙晶须在高聚物基体中分散不均的问题，与高分子聚合物共混时体现了更好的相溶性，更利于挤出造粒生产工艺。
[0050]
2.硫酸钙晶须以单晶形式生长的形状类似于短纤维，而尺寸远小于短纤维的须状单晶体。其直径极小，长径比极大，达到微米级，具有高度有序的原子排列结构。通过酯化的表面修饰处理，达到疏水亲油性。改性后的硫酸钙晶须在和高分子聚合物共混时通过反应型双螺杆加工，在加工过程中硫酸钙晶须表面的修饰活性基和聚合物的分子链产生相互交链的现象，使材料在聚合物中得到更好的塑化效果，同时在双螺杆剪切力的作用下，将长径
比较大的纤维状晶体，这种短纤维状在浮力作用下形成相互交错的形状，结构如纤维交织状的排列，从而得到更佳的增强效果。交织状纤维的排列作为分子聚合物的分散相，这样在双螺杆设备经过压力的挤出形成高韧性工作切断的复合系。因此，在与高聚物共混过程中体现出了功能性的增强增韧作用。
[0051]
3.硫酸钙晶须呈分散相在hdpe里，可以提高管材的密实度，达到管材整体抗压能力。同时硫酸钙晶须的微米纤维结构属性，管材在冲击和共振的情况下可以有相互的调节，针对地基沉降也有很好的保护作用。
[0052]
本发明以硫酸钙晶须材料为原料，通过高温热活化、化学处理等反应对纤维表面进行有机改性，再利用双螺杆剪切和加工助剂使晶须以结构性形式分散在高分子聚合物体系中制得功能性管材专用材料，使其保持独特的纤维状结构，特殊的长径比体现材料优异的刚性。微孔状纤维结构在管材中体现出完美的高弹性，其次该管道材料具有优异的力学性能和热学性能，比其他纤维更好的流动性，可使聚合物在挤出工艺中更容易加工成型。此外硫酸钙晶须晶须能有效地阻止裂纹的扩展，加速能量的扩散，起到增强增韧的作用。
[0053]
实施例2：本发明在ldpe盘管中的实用比列分析：
[0054]
按重量份计，包括以下原料制成，hdpe90份，硫酸钙晶须20份，偶联剂0.2份，分散剂0.2份、润滑剂0.3份、塑料助剂1.5份。
[0055]
ldpe采用的是ldpe7042或ldpe7040材料：熔指2.5g/10min(190℃、2.16kg)密度：0.96g/cm3。
[0056]
硫酸钙晶须的表面处理采用实施列1中的表面处理剂。
[0057]
ldpe盘管材料经力学性能测试：拉伸强度：35mpa，断裂伸长率：350％。
[0058]
实施例3：本发明在pp电信套管中的实用比列分析：
[0059]
按重量份计，包括以下原料制成，pp 95份，硫酸钙晶须10份，偶联剂0.1份，分散剂0.3份、润滑剂0.1份、塑料助剂2份。
[0060]
pp采用的是ppk8003材料：熔指1.5g/10min(230℃、2。16kg)密度：0.92g/cm3。
[0061]
pp电信套管材料经力学性能测试：拉伸强度：36mpa,断裂伸长率：330％。
[0062]
实施例4：本发明在abs化工管中的实用比列分析：
[0063]
按重量份计，包括以下原料制成，abs 50份，硫酸钙晶须50份，偶联剂0.1份，分散剂0.2份、润滑剂0.1份、塑料助剂1份。
[0064]
abs采用的是abs757材料：熔指18.5g/10min(220℃、10kg),密度：1.05g/cm3。
[0065]
abs化工管材料经力学性能测试：拉伸强度：45mpa,冲击强度：38mpa。
[0066]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。