本发明涉及建筑工程领域，具体地说是一种高韧性、高强度的聚烯烃管道及其制备方法。
背景技术：
我国传统输送管道主要使用的是钢制管道与玻璃钢管道。近年来，随着社会的发展和科技的进步，输送物料也逐步呈现出多样化和复杂化，这就使得曾在输送管道中占有绝对主导地位的钢制管道的使用弊端逐渐突显，主要表现在以下几个方面：1、输送各种具有腐蚀性气体或液体时存在管道内壁被腐蚀的问题，据研究表明，钢制管道每年的腐蚀率为0.2-1.2mm，这直接导致钢管使用寿命缩短、维护费用增高；2、钢制管道的管内糙率系数在0.013-0.014之间，这样对于同样液体的输送量、同等管径的管线其输送的沿程阻力会显著增高，这就需要增大泵的扬程，增大初期投资，同时运行费用因耗电量大，也大幅度增大；3、钢管作为煤矿用管材时，由于比重比较大，是聚乙烯管材的7倍，增大了井下作业的难度；4、钢管的成本比较高，在安装和维护过程中不方便。与此同时，玻璃钢管在输送管道中以其质量相对较轻、耐腐蚀性好等优势替代了部分钢制管道，但玻璃管道存在接口要求高、易渗漏的问题，而且玻璃钢属于脆性材料，很难承受较大的冲击力，在作为煤矿用管材时，存在受到矿石冲击而被破坏的风险。
鉴于传统钢制管道和玻璃管道的种种不足，行业内的研究人员将开发焦点转移到了塑料管道，而且随着研发技术的不断成熟，塑料管道以其优异的性能和节能效果正在不断替代金属和其他传统管材。塑料管材与传统金属管道相比，具有自重轻、耐腐蚀、卫生安全、水流阻力小、节约能源、节省金属、改善生活环境、使用寿命长、安装方便等特点，受到了管道工程界的青睐并占据了相当重要的位置，形成一种势不可当的发展趋势。目前，塑料管道一般是以合成树脂为原料，加入稳定剂、润滑剂、增塑剂等，以“塑”的方法在制管机内经挤压加工而成。由于它具有质轻、耐腐蚀、外形美观、无不良气味、加工容易、施工方便等特点，在建筑工程、尤其是房屋建筑的自来水供水系统、排水、排气和排污卫生管、地下排水管系统、雨水管等得到广泛的应用。但是，塑料管道与钢管相比还有几个明显的劣势，其强度较低、可承受压力小，韧性低、抗冲击能力差、不能适应复杂或恶劣的地质状况。因此，研制强度高且韧性好、抗冲击能力好的塑料管道，成为当前市场的迫切需要。
技术实现要素：
本发明的目的就是提供一种高韧性、高强度的聚烯烃管道及其制备方法，以解决现有塑料管道强度低、韧性低、抗冲击能力差的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种高韧性、高强度的聚烯烃管道，主要由以下重量份比的组分制备而成：聚乙烯 60-90份、改性剂 1.5-3份、共改性剂 1.5-3份、过氧化物引发剂 0.01-0.05份、热塑性聚烯烃弹性体 5-15份、长玻璃纤维 5-15份、表面偶联剂 0.05-0.5份、复合稳定剂 0.5-1份；
所述改性剂为酸酐或环氧基改性剂；
所述共改性剂为苯乙烯。
所述酸酐或环氧基改性剂为马来酸酐、甲基丙烯酸缩水甘油酯或环氧大豆油中的任意一种。
所述过氧化物引发剂为过氧化苯甲酰。
所述表面偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
所述复合稳定剂为抗氧剂1010与亚磷酸三苯酯按质量比为1:1组成的混合物。
所述长玻璃纤维的长度为3-6mm。
所述酸酐或环氧基改性剂与苯乙烯的质量比优选1:1。
本发明还提供了一种高韧性、高强度的聚烯烃管道的制备方法，包括以下步骤：
（a）按以下重量份比的组分称取原料：聚乙烯 60-90份、酸酐或环氧基改性剂 1.5-3份、苯乙烯 1.5-3份、过氧化苯甲酰 0.01-0.05份、热塑性聚烯烃弹性体 5-15份、长玻璃纤维 5-15份、硅烷偶联剂KH550 0.05-0.5份、复合稳定剂 0.5-1份；
（b）将长玻璃纤维浸入在质量比浓度为1-2%的硅烷偶联剂KH550的水溶液中，浸泡8-12min；将浸泡后的长玻璃纤维在温度为75-90℃下烘干30min，再升温至120-140℃下反应30min，得表面处理过的长玻璃纤维；
（c）将聚乙烯、酸酐或环氧基改性剂与苯乙烯混合，在高混机750-850r/min的转速下混合3-5min，加入过氧化苯甲酰，在高混机2000-2500r/min的转速下混合3-5min，再加入热塑性聚烯烃弹性体和复合稳定剂，继续混合2-4min，得聚烯烃混料；
（d）将所述聚烯烃混料加入到单螺杆挤出机的料斗中，所述单螺杆挤出机的长径比为40-50:1，其加料段温度160-180℃；熔融段温度180-240℃，均化段温度200-260℃，模头温度170-220℃，螺杆转速为50-150r/m，在挤出机的均化段中加入步骤（b）所述表面处理过的长玻璃纤维，熔融挤出，即得高韧性、高强度的聚烯烃管道。
本发明提供的制备方法中步骤（a）所述酸酐或环氧基改性剂为马来酸酐、甲基丙烯酸缩水甘油酯或环氧大豆油中的任意一种。
本发明提供的制备方法中步骤（a）所述复合稳定剂为抗氧剂1010与亚磷酸三苯酯按质量比为1:1组成的混合物。
本发明提供的制备方法中步骤（a）所述酸酐或环氧基改性剂与苯乙烯的质量比优选1:1。
本发明以聚乙烯这种耐腐性的塑料材料为基础原料，选用了特定的改性剂、共改性剂、引发剂以及复合稳定剂，选择了各组分之间的特定比例，通过特定的制备工艺步骤，同步实现了管道的生产以及原材料之间的相容反应，制备了一种高强度、高韧性且耐腐蚀的聚烯烃管道。
事实上，为了满足市场对管道高强度的需求，行业内的管道材料的研发人员也在不断地研究新的性能更为优异的塑料管道，也试图通过在材料中添加长玻璃纤维来增强管道的强度，但目前塑料管道厂家在制备时一般是通过上游厂家生产管道材料，再将材料熔融挤出成型得到管道，这就存在长玻璃纤维即使加入在管道材料中，并且材料本身的强度也有所提高，但是在进一步熔融挤出管道时，材料中的长玻璃纤维的长度和分布会发生变化，这就导致管道的强度达不到预期的效果。此外，目前，行业内鲜有厂家达到材料制备与管道成型同步实现，这主要是因为就目前的螺杆挤出机边生产原料边挤出成型存在材料组分之间的相容性较差，使得最终制备的管道刚度和韧性也达不到使用要求。因此，本发明的创新点就在于：各组分的选择及各组分的特定配比，特别其是共改性剂的加入，增加了酸酐或环氧基在聚烯烃上的接枝性，更好的改善了聚烯烃和热塑性弹性体与玻璃纤维组分之间的相容性，为原材料制备和管道生产同步实现提供了可能；与此同时，本发明研发了特定的工艺步骤，即对长玻璃纤维进行了表面处理、聚乙烯以及其他组分的共混、特定径长比的单螺杆挤出机的选择、挤出成型四段特定工艺参数的设定，使得同步反应产生的聚烯烃混料与处理过的长玻璃纤维进行原位即时反应和增容，最终使得材料和管道成型能够达到同步实现，并且制备的管道具有更好的强度和韧性，以此解决了现有行业塑料管道生产制备中存在的技术困扰。
由此可见，本发明不仅实现了材料制备和管道成型同步完成，大大降低了管道的生产成本低，而且制备的管道的韧性、环刚度和拉伸强度性能优异，还具有很强的耐腐蚀性，使用寿命长，其应用范围更为广泛，能够满足更严格和更苛刻的环境和使用场所的要求，可以应用于环境恶劣复杂的物质的长距离输送，尤其是化工和核电工业。此外，本发明提供的制备方法简单、操作性好、生产效率高，适于工业生产及推广应用。
具体实施方式
下面实施例用于进一步详细说明本发明，但不以任何形式限制本发明。
实施例1
（1）称取原料：聚乙烯77kg、马来酸酐改性剂 1.5 kg、苯乙烯 1.5kg、过氧化苯甲酰 0.02kg、热塑性聚烯烃弹性体 10kg、长玻璃纤维 10kg、硅烷偶联剂KH550 0.2kg、抗氧剂1010 0.25kg与亚磷酸三苯酯 0.25kg；
（2）将长玻璃纤维浸入在质量比浓度为1.5%的硅烷偶联剂KH550的水溶液中，浸泡10min；将浸泡后的长玻璃纤维在温度为80℃下烘干30min，再升温至130℃下反应30min，得表面处理过的长玻璃纤维；
（3）将聚乙烯、马来酸酐改性剂与苯乙烯混合，在高混机800r/min的转速下混合3min，加入过氧化苯甲酰，在高混机2000r/min的转速下混合3min，再加入热塑性聚烯烃弹性体、抗氧剂1010与亚磷酸三苯酯，继续混合3min，得聚烯烃混料；
（4）将聚烯烃混料加入到单螺杆挤出机的料斗中，单螺杆挤出机的长径比（管长与直径）为50:1，其加料段温度170℃；熔融段温度200℃，均化段温度240℃，模头温度200℃，螺杆转速为100r/m，在挤出机的所述均化段中加入步骤（2）所述表面处理过的长玻璃纤维，熔融挤出，即得高韧性、高强度的聚烯烃管道。
实施例2
（1）称取原料：聚乙烯75kg、马来酸酐改性剂 1.5 kg、苯乙烯 1.5Kg、过氧化苯甲酰 0.02kg、热塑性聚烯烃弹性体 10kg、长玻璃纤维 12kg、硅烷偶联剂KH550 0.3kg、抗氧剂1010 0.25kg与亚磷酸三苯酯 0.25kg；
（2）将长玻璃纤维浸入在质量比浓度为2%的硅烷偶联剂KH550的水溶液中，浸泡10min；将浸泡后的长玻璃纤维在温度为80℃下烘干30min，再升温至130℃下反应30min，得表面处理过的长玻璃纤维；
（3）将聚乙烯、马来酸酐改性剂与苯乙烯混合，在高混机800r/min的转速下混合3min，加入过氧化苯甲酰，在高混机2000r/min的转速下混合4min，再加入热塑性聚烯烃弹性体、抗氧剂1010与亚磷酸三苯酯，继续混合2min，得聚烯烃混料；
（4）将聚烯烃混料加入到单螺杆挤出机的料斗中，单螺杆挤出机的长径比为50:1，其加料段温度160℃；熔融段温度220℃，均化段温度240℃，模头温度200℃，螺杆转速为100r/m，在挤出机的所述均化段中加入步骤（2）所述表面处理过的长玻璃纤维，熔融挤出，即得高韧性、高强度的聚烯烃管道。
实施例3
（1）称取原料：聚乙烯71kg、马来酸酐改性剂 1.5 kg、苯乙烯 1.5kg、过氧化苯甲酰 0.02kg、热塑性聚烯烃弹性体 15kg、长玻璃纤维 12kg、硅烷偶联剂KH550 0.2kg、抗氧剂1010 0.25kg与亚磷酸三苯酯 0.25kg；
（2）将长玻璃纤维浸入在质量比浓度为2%的硅烷偶联剂KH550的水溶液中，浸泡10min；将浸泡后的长玻璃纤维在温度为75℃下烘干30min，再升温至120℃下反应30min，得表面处理过的长玻璃纤维；
（3）将聚乙烯、马来酸酐改性剂与苯乙烯混合，在高混机850r/min的转速下混合3min，加入过氧化苯甲酰，在高混机2500r/min的转速下混合3min，再加入热塑性聚烯烃弹性体、抗氧剂1010与亚磷酸三苯酯，继续混合3min，得聚烯烃混料；
（4）将聚烯烃混料加入到单螺杆挤出机的料斗中，单螺杆挤出机的长径比为40:1，其加料段温度180℃；熔融段温度180℃，均化段温度255℃，模头温度170℃，螺杆转速为100r/m，在挤出机的所述均化段中加入步骤（2）所述表面处理过的长玻璃纤维，熔融挤出，即得高韧性、高强度的聚烯烃管道。
实施例4
（1）称取原料：聚乙烯60kg、甲基丙烯酸缩水甘油酯改性剂3 kg、苯乙烯 3kg、过氧化苯甲酰 0.01kg、热塑性聚烯烃弹性体 5kg、长玻璃纤维 5kg、硅烷偶联剂KH550 0.12kg、抗氧剂1010 0.5kg与亚磷酸三苯酯 0.5kg；
（2）将长玻璃纤维浸入在质量比浓度为1.5%的硅烷偶联剂KH550的水溶液中，浸泡8min；将浸泡后的长玻璃纤维在温度为90℃下烘干30min，再升温至140℃下反应30min，得表面处理过的长玻璃纤维；
（3）将聚乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯改性剂与苯乙烯混合，在高混机750r/min的转速下混合5min，加入过氧化苯甲酰，在高混机2300r/min的转速下混合5min，再加入热塑性聚烯烃弹性体、抗氧剂1010与亚磷酸三苯酯，继续混合4min，得聚烯烃混料；
（4）将聚烯烃混料加入到单螺杆挤出机的料斗中，单螺杆挤出机的长径比为40:1，其加料段温度170℃；熔融段温度220℃，均化段温度250℃，模头温度220℃，螺杆转速为50r/m，在挤出机的所述均化段中加入步骤（2）所述表面处理过的长玻璃纤维，熔融挤出，即得高韧性、高强度的聚烯烃管道。
实施例5
（1）称取原料：聚乙烯80kg、环氧大豆油改性剂 2kg、苯乙烯 2kg、过氧化苯甲酰 0.04kg、热塑性聚烯烃弹性体 8kg、长玻璃纤维 8kg、硅烷偶联剂KH550 0.05kg、抗氧剂1010 0.3kg与亚磷酸三苯酯 0.3kg；
（2）将长玻璃纤维浸入在质量比浓度为2%的硅烷偶联剂KH550的水溶液中，浸泡12min；将浸泡后的长玻璃纤维在温度为80℃下烘干30min，再升温至120℃下反应30min，得表面处理过的长玻璃纤维；
（3）将聚烯烃、环氧大豆油改性剂与苯乙烯混合，在高混机800r/min的转速下混合4min，加入过氧化苯甲酰，在高混机2000r/min的转速下混合3min，再加入热塑性聚烯烃弹性体、抗氧剂1010与亚磷酸三苯酯，继续混合3min，得聚烯烃混料；
（4）将聚烯烃混料加入到单螺杆挤出机的料斗中，单螺杆挤出机的长径比为45:1，其加料段温度180℃；熔融段温度240℃，均化段温度240℃，模头温度210℃，螺杆转速为80r/m，在挤出机的所述均化段中加入步骤（2）所述表面处理过的长玻璃纤维，熔融挤出，即得高韧性、高强度的聚烯烃管道。
实施例6
（1）称取原料：聚乙烯90kg、马来酸酐改性剂 2.5kg、苯乙烯2.5kg、过氧化苯甲酰 0.05kg、热塑性聚烯烃弹性体 12kg、长玻璃纤维 15kg、硅烷偶联剂KH550 0.5kg、抗氧剂1010 0.4kg与亚磷酸三苯酯 0.4kg；
（2）将长玻璃纤维浸入在质量比浓度为1.5%的硅烷偶联剂KH550的水溶液中，浸泡10min；将浸泡后的长玻璃纤维在温度为75℃下烘干30min，再升温至130℃下反应30min，得表面处理过的长玻璃纤维；
（3）将聚烯烃、马来酸酐改性剂与苯乙烯混合，在高混机850r/min的转速下混合3min，加入过氧化苯甲酰，在高混机2000r/min的转速下混合5min，再加入热塑性聚烯烃弹性体、抗氧剂1010与亚磷酸三苯酯，继续混合3min，得聚烯烃混料；
（4）将聚烯烃混料加入到单螺杆挤出机的料斗中，单螺杆挤出机的长径比为50:1，其加料段温度170℃；熔融段温度200℃，均化段温度260℃，模头温度200℃，螺杆转速为150r/m，在挤出机的所述均化段中加入步骤（2）所述表面处理过的长玻璃纤维，熔融挤出，即得高韧性、高强度的聚烯烃管道。
对比例1
（1）称取原料：聚乙烯90kg、马来酸酐改性剂 1.8 kg、苯乙烯1.8kg、过氧化苯甲酰 0.02kg、热塑性聚烯烃弹性体 6kg、抗氧剂1010 0.25kg与亚磷酸三苯酯 0.25kg；
（2）将聚乙烯、马来酸酐改性剂与苯乙烯混合，在高混机800r/min的转速下混合3min，加入过氧化苯甲酰，在高混机2000r/min的转速下混合3min，再加入热塑性聚烯烃弹性体、抗氧剂1010与亚磷酸三苯酯，继续混合3min，得聚烯烃混料；
（3）将聚烯烃混料加入到单螺杆挤出机的料斗中，单螺杆挤出机的长径比为50:1，其加料段温度170℃；熔融段温度200℃；均化段温度240℃；模头温度200℃；螺杆转速为100r/m；即得聚烯烃管道。
对比例2
称取原料：聚乙烯86kg、马来酸酐改性剂 1.7 kg、苯乙烯1.7kg、过氧化苯甲酰 0.02kg、热塑性聚烯烃弹性体 10kg、抗氧剂1010 0.25kg与亚磷酸三苯酯 0.25kg；其他工艺步骤同对比例1。
对比例3
称取原料：聚乙烯82kg、马来酸酐改性剂 1.6kg、苯乙烯1.6kg、过氧化苯甲酰 0.02kg、热塑性聚烯烃弹性体 14kg、抗氧剂1010 0.25kg与亚磷酸三苯酯 0.25kg；其他工艺步骤同对比例1。
对比例4
（1）称取原料：聚乙烯88kg、马来酸酐改性剂 1.7 kg、苯乙烯 1.7kg、过氧化苯甲酰 0.02kg、长玻璃纤维 8kg、硅烷偶联剂KH550 2kg、抗氧剂1010 0.25kg与亚磷酸三苯酯 0.25kg；
（2）将长玻璃纤维浸入在质量比浓度为1.5%的硅烷偶联剂KH550的水溶液中，浸泡10min；将浸泡后的长玻璃纤维在温度为80℃下烘干30min，再升温至130℃下反应30min，得表面处理过的长玻璃纤维；
（3）将聚乙烯、马来酸酐改性剂与苯乙烯混合，在高混机800r/min的转速下混合3min，加入过氧化苯甲酰，在高混机2000r/min的转速下混合3min，再加入抗氧剂1010与亚磷酸三苯酯，继续混合3min，得聚烯烃混料；
（4）将聚烯烃混料加入到单螺杆挤出机的料斗中，单螺杆挤出机的长径比为50:1，其加料段温度170℃；熔融段温度200℃，均化段温度240℃，模头温度200℃，螺杆转速为100r/m，在挤出机的所述均化段中加入步骤（2）所述表面处理过的长玻璃纤维，熔融挤出，即得聚烯烃管道。
对比例5
按以下重量份比的组分称取原料：聚乙烯88kg、马来酸酐改性剂 1.7 kg、苯乙烯 1.7kg、过氧化苯甲酰 0.02kg、长玻璃纤维 12kg、硅烷偶联剂KH550 1.2kg、抗氧剂1010 0.25kg与亚磷酸三苯酯 0.25kg；其他工艺步骤同对比例4。
对比例6
（1）按以下重量份比的组分称取原料：聚乙烯95kg、马来酸酐改性剂 1.9 kg、苯乙烯 1.9kg、过氧化苯甲酰 0.02kg、抗氧剂1010 0.25kg与亚磷酸三苯酯 0.25kg；
（2）将聚乙烯、马来酸酐改性剂与苯乙烯混合，在高混机800r/min的转速下混合3min，加入过氧化苯甲酰，在高混机2000r/min的转速下混合3min，得聚烯烃混料；
（3）将聚烯烃混料加入到单螺杆挤出机的料斗中，单螺杆挤出机的长径比为50:1，其加料段温度170℃；熔融段温度200℃；均化段温度240℃；模头温度200℃；螺杆转速为100r/m；即得聚烯烃管道。
实施例7
检测本发明的实施例和对比例产品的性能，以实施例1-5及对比例1-6为例进行检测，其检测方法为：
（1）熔融指数：热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定GB/T3682-2000；
（2）拉伸强度：补充检测标准或检测方法；GB/T 1447-2005 纤维增强塑料拉伸性能试验方法；
（3）断裂伸长率：GB/T 1447-2005 纤维增强塑料拉伸性能试验方法；
（4）冲击强度：塑料悬臂梁冲击强度的测定GB/T1843-2008；
（5）纵向收缩率：GBT6671-2001 热塑性塑料管材纵向回缩率的测定。
其检测结果见表1。
表1 本发明及对比例性能检测结果
本发明提供的配方在同样的工艺下制备的管道较对比例的强度和韧性更为优异，而且本发明同步完成了材料制备和管道成型，既节约了原料成本，又节约了时间成本，生产效率明显优于现有技术，而且通过本发明的工艺制备的管道强度和韧性等综合性能更好，势必会成为各生产厂家和建筑商家的首选，具有广阔的应用前景。