本发明属于管材加工制造领域，具体说是一种高抗冲性高密度聚乙烯给水管及其制备方法。
背景技术
给排水管材是我们生活中不可或缺的一种重要建筑材料。目前常用的管材有金属管材、复合管材和塑料管材，还有铸铁管材。镀锌管材由于成本高，易腐蚀、。维修困难等缺点逐步退出市场。铜管材耐久性好，但是易析出铜，不利于人们身体健康，被限制使用。铸铁管成本低、耐腐蚀，但是连接方式较为单一，且硬度小，易脆裂。复合管材由两种或两种以上的材料通过粘结、焊接等方式进行，因材料的膨胀系数不同导致相邻管材接缝处易发生开裂，大大缩短了管材的使用寿命。塑料管材因其质量轻，耐化学腐蚀性能好、力学性能好、耐久性能好、方便安装等优点而成为目前管材市场的“主力军”，具有广阔的应用前景。
市面上常用的塑料管材有聚乙烯管材、聚氯乙烯管材、聚丁烯管材、聚丙烯管材。聚乙烯管材具有耐高温、耐低温、质轻、耐腐蚀、弯曲性能好、价格便宜等优点，但是力学性能较差。聚氯乙烯管材具有难燃、质轻、防火、耐化学腐蚀等优点。聚丁烯管材具有耐高温、耐高压、耐化学腐蚀性好、能够长期在高负荷下不变形等优点。聚丙烯管材具有相对密度低，耐化学腐蚀、抗冲击性能好、抗蠕变性好。聚乙烯管材是目前使用范围最广泛的管材之一。高密度聚乙烯管材因为其清洁无毒和较高的静液压应力，应用于给水输水管道，也用于燃气管道。在现有的高密度聚乙烯管材中虽然有一定的抗冲击性能，但是在使用过程中并不能达到人们的要求。
技术实现要素：
本发明提供一种高抗冲性高密度聚乙烯给水管及其制备方法，该给水管有很好的抗冲击性能，同时强度高，同时耐腐蚀性能好、质量轻、抑菌性强、流通量大、安装简便、寿命长，适于大批量生产。
本发明的方案是通过这样实现的：一种高抗冲性高密度聚乙烯给水管，该高抗冲性高密度聚乙烯给水管材包括内层和外层，所述的内层原料各组成成分及其重量份数比为：高密度聚乙烯70~75份、石蜡2~4份、氧化锌4~6份、玻璃纤维6~8份、asa树脂6~8份、聚对苯二甲酸二醇酯3~5份、二氧化钛5~8份、聚乙二醇4~6份、聚丙烯接枝马来酸酐8~12份、咪唑型离子液体8~12份；所述的外层原料各组成成分及其重量份数比为：高密度聚乙烯70~75份、石蜡3~5份、氧化锌5~8份、二氧化钛5~8份、asa树脂8~10份、玻璃纤维3~5份、聚对苯二甲酸二醇酯5~6份可发性聚苯乙烯4~8份、炭黑3~4份、碳酸钙3~5份、滑石粉1~3份、碳素纤维1~2份、氮化硅0.3~0.6份、氮化铝0.3~0.4份、脂肪酸0.5~1份、稻壳灰5~8份、聚乙二醇1~2份、乙烯丙烯酸共聚物6~12份、咪唑型离子液体12~15份、硅烷偶联剂6~8份、光稳定剂1~2份。
一种高抗冲性高密度聚乙烯给水管材的方法，包括以下步骤：
(1)内层材料的制备：取氧化锌4~6份、二氧化钛5~8份、玻璃纤维6~8份加入混料机中，将温度升至60℃后加入石蜡2~4份、聚乙二醇4~6份、聚丙烯接枝马来酸酐8~12份、咪唑型离子液体8~12份保温搅拌混合20~30min，然后再加入高密度聚乙烯70~75份、asa树脂6~8份、聚对苯二甲酸二醇酯3~5份进行混合20~30min得到混合均匀的物料，将混合均匀的物料加入造粒机进行造粒得到内层材料；
(2)外层材料的制备：将乙烯丙烯酸共聚物6~12份加热到120~130℃，加入炭黑3~4份、碳素纤维1~2份、氮化硅0.3~0.6份、氮化铝0.3~0.4份、脂肪酸0.5~1份、稻壳灰5~8份、聚乙二醇1~2份在转速为100~200r/min下搅拌混合10~15min，然后冷却至常温得到预混料a；将高密度聚乙烯70~75份、asa树脂8~10份、玻璃纤维3~5份、聚对苯二甲酸二醇酯5~6份、碳酸钙3~5份、滑石粉1~3份、石蜡3~5份、氧化锌5~8份、二氧化钛5~8份、咪唑型离子液体12~15份、硅烷偶联剂6~8份在50~60℃下搅拌混合，设置搅拌转速为200~300r/min，混合时间为18~20min得到预混料b；将预混料b冷却至常温后加入预混料a、可发性聚苯乙烯4~8份、光稳定剂1~2份在搅拌转速为300~400r/min下混合10~12min后烘干，送入造粒机进行造粒得到外层材料；
(3)高抗冲性高密度聚乙烯给水管材的制备：将内层材料、外层材料送入挤出机中进行挤出，再送入模具中复合成型、冷却、定型即得到高抗冲性高密度聚乙烯给水管。
作为本发明的进一步改进，所述的高抗冲性高密度聚乙烯给水管材内层和外层厚度比为4:1。
作为本发明的进一步改进，所述的高密度聚乙烯为pe100级。
作为本发明的进一步改进，所述的碳酸钙粒径大小为0.2~0.5μm。
作为本发明的进一步改进，所述的滑石粉粒径大小为1.0~2.0μm。
作为本发明的进一步改进，所述的碳素纤维粒径大小为7~10μm。
作为本发明的进一步改进，所述的光稳定剂为光稳定剂622、光稳定剂770、光稳定剂944中的一种或两种以上的组合。
作为本发明的进一步改进，所述的咪唑型离子液体为1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种或两种的组合。
作为本发明的进一步改进，所述的一种高抗冲性高密度聚乙烯给水管可以应用于建筑给水、排水，城镇自来水输送，市政排水、排污，农村人畜饮水改造，农业灌溉、排水等诸多领域。
本发明实现的技术原理是：
本发明中加入的玻璃纤维可以增强给水管材的耐热性，提高给水管在较高温度下的使用寿命，同时玻璃纤维也能够增强给水管的抗拉强度。asa树脂是一种抗冲击性树脂，具有良好的机械物理性能，能够增强给水管的抗冲击性，同时asa树脂是一种防静电材料，能够减少给水管表面少积灰尘，使给水管保持清洁状态，同时asa树脂户外耐化学性能良好，与炭黑、光稳定剂相互作用使得给水管抗老化性能增强。聚对苯二甲酸丁二醇酯与给水管原料进行混配后与原料中的高密度聚乙烯、asa树脂一起加工使得给水管的耐热性、耐疲劳性、韧性提高，同时摩擦系数降低。在制备内层材料时采用氧化锌和二氧化钛混合后再加入石蜡、聚乙二醇、聚丙烯接枝马来酸酐、咪唑型离子液体进行混合，聚丙烯接枝马来酸酐在非极性分子上引入强极性的基团，能够增强氧化锌、二氧化钛材料聚乙烯中的相容性和分散性和粘结性能，咪唑型离子液体的加入可以防止内层原料发生团聚现象，同时咪唑型离子液体中的功能基团能够与聚乙烯中的高分子链段发生化学作用或者缠绕作用，另一端与氧化锌和二氧化钛进行反应，能够增强原料中有机与无机之间的复合，咪唑型离子液体与聚乙二醇、聚丙烯接枝马来酸酐相互作用，有效改善氧化锌、二氧化钛与高密度聚乙烯之间的界面结合作用，使得内层材料原料均匀分布，提高给水管材的拉伸和强度，石蜡的加入可以提高给水管材的表面光洁度，利于加工。
在制备外层材料中还加入了石蜡、碳素纤维、氮化硅、氮化铝、脂肪酸等软性物质，软性物质能够提高给水管材的韧性，使得给水管材的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大，便于施工。炭黑可以吸收光，能够提高管材的抗紫外线防老化的能力，与氧化锌、二氧化钛以及加入的光稳定剂能够起到协同作用，共同防止给水管材的老化，延长给水管材的使用寿命。此外光稳定剂的和可发性聚苯乙烯作用后能够提高给水管材的稳定性。
高抗冲性高密度聚乙烯给水管材外层和内层厚度比为4：1，内层材料与外层材料相容性好，二者在加工过程中可以很好地粘附在一起，能够充分发挥各种材料的优异性能且弥补其缺点。分步制备混合物料，能够使给水管材中的原料分散混合均匀，提高给水管材原料中有机物和无机物料的相容性，有利于提高给水管材的各项性能。
本发明具备以下良好效果：
1.本发明制备得到的高密度聚乙烯双层管材提高了给水管材的各项性能优良，管材抗冲击性能高，成分之间相容性好，具有较高的韧性和强度，耐腐蚀，抗菌性强，质量轻，抗划痕，施工安装方便。
2.本发明制备得到的高密度聚乙烯双层管杜绝废料和回收料在产品中的使用，保证管道的以及输送水的安全、卫生。
3.本发明的高抗冲性高密度聚乙烯给水管材内层使用聚乙烯pe100级白色本色料可以避免饮用水中残留的游离氯而引起树脂老化，并且能够杜绝供水的二次污染，极大地提高了管道系统的使用寿命。
4.本发明制备得到的高抗冲性高密度聚乙烯给水管材各项性能优于市售的同类产品，具有广阔的应用价值，产品的物理性能达到下列要求：落锤冲击试验(0℃)：tir为1.23~1.26%；高冲击试验不发生脆裂破坏；管材静液压强度：20℃下在17.5mpa压力下保压100h不破裂，不渗漏；断裂伸长率为923~932%；纵向回缩率为0.14~0.17%；氧化诱导时间(220℃)为21.7~23.1min；弯曲强度为43.56~44.72mpa。
具体实施方式
以下结合实施例描述本发明一种高抗冲性高密度聚乙烯给水管材及其制备方法，这些描述并不是对本发明内容作进一步的限定。
实施例1
内层材料的制备：取氧化锌5份、二氧化钛8份、玻璃纤维7份加入混料机中，将温度升至60℃后加入石蜡3份、聚乙二醇6份、聚丙烯接枝马来酸酐9份、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐离子液体11份保温搅拌混合28min，然后再加入高密度聚乙烯73份、asa树脂6份、聚对苯二甲酸二醇酯3.5份进行混合30min得到混合均匀的物料，将混合均匀的物料加入造粒机进行造粒得到内层材料；
外层材料的制备：将乙烯丙烯酸共聚物12份加热到125℃，加入炭黑4份、粒径大小为10μm的碳素纤维1.5份、氮化硅0.3份、氮化铝0.4份、脂肪酸0.8份、稻壳灰6份、聚乙二醇1份在转速为100r/min下搅拌混合13min，然后冷却至常温得到预混料a；将高密度聚乙烯75份、asa树脂9份、玻璃纤维5份、聚对苯二甲酸二醇酯5.2份、粒径大小为0.4μm的碳酸钙4.5份、粒径大小为1.0μm的滑石粉2份、石蜡5份、氧化锌7份、二氧化钛6份、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐离子液体13份、硅烷偶联剂7份在60℃下搅拌混合，设置搅拌转速为300r/min，混合时间为18min得到预混料b；将预混料b冷却至常温后加入预混料a、可发性聚苯乙烯5份、光稳定剂622为1.8份在搅拌转速为380r/min下混合11min后烘干，送入造粒机进行造粒得到外层材料；
高抗冲性高密度聚乙烯给水管材的制备：将内层材料、外层材料送入挤出机中进行挤出，再送入模具中复合成型、冷却、定型即得到内层和外层厚度比为4:1的高抗冲性高密度聚乙烯给水管材。
实施例2
内层材料的制备：取氧化锌4份、二氧化钛6份、玻璃纤维6.5份加入混料机中，将温度升至60℃后加入石蜡2.5份、聚乙二醇4.5份、聚丙烯接枝马来酸酐10份、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体12份保温搅拌混合25min，然后再加入高密度聚乙烯75份、asa树脂7份、聚对苯二甲酸二醇酯4.5份进行混合20min得到混合均匀的物料，将混合均匀的物料加入造粒机进行造粒得到内层材料；
外层材料的制备：将乙烯丙烯酸共聚物8份加热到130℃，加入炭黑3.5份、粒径大小为9μm的碳素纤维2份、氮化硅0.4份、氮化铝0.3份、脂肪酸0.5份、稻壳灰8份、聚乙二醇1.2份在转速为120r/min下搅拌混合10min，然后冷却至常温得到预混料a；将高密度聚乙烯70份、asa树脂8份、玻璃纤维3份、聚对苯二甲酸二醇酯5.5份、粒径大小为0.2μm的碳酸钙4份、粒径大小为1.2μm的滑石粉3份、石蜡3.5份、氧化锌6份、二氧化钛8份、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体12份、硅烷偶联剂6份在52℃下搅拌混合，设置搅拌转速为200r/min，混合时间为19min得到预混料b；将预混料b冷却至常温后加入预混料a、可发性聚苯乙烯4份、光稳定剂770为1.5份在搅拌转速为400r/min下混合10.5min后烘干，送入造粒机进行造粒得到外层材料；
高抗冲性高密度聚乙烯给水管材的制备：将内层材料、外层材料送入挤出机中进行挤出，再送入模具中复合成型、冷却、定型即得到内层和外层厚度比为4:1的高抗冲性高密度聚乙烯给水管材。
实施例3
内层材料的制备：取氧化锌5.5份、二氧化钛7份、玻璃纤维8份加入混料机中，将温度升至60℃后加入石蜡4份、聚乙二醇5份、聚丙烯接枝马来酸酐12份、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐离子液体8份保温搅拌混合23min，然后再加入高密度聚乙烯72份、asa树脂7.5份、聚对苯二甲酸二醇酯5份进行混合22min得到混合均匀的物料，将混合均匀的物料加入造粒机进行造粒得到内层材料；
外层材料的制备：将乙烯丙烯酸共聚物6份加热到120℃，加入炭黑3.8份、粒径大小为7μm的碳素纤维1.2份、氮化硅0.6份、氮化铝0.4份、脂肪酸0.7份、稻壳灰5份、聚乙二醇1.8份在转速为200r/min下搅拌混合11min，然后冷却至常温得到预混料a；将高密度聚乙烯73份、asa树脂10份、玻璃纤维3.5份、聚对苯二甲酸二醇酯5.8份、粒径大小为0.3μm的碳酸钙3份、粒径大小为7μm的滑石粉2.5份、石蜡4份、氧化锌5份、二氧化钛7份、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体15份、硅烷偶联剂7.5份在50℃下搅拌混合，设置搅拌转速为250r/min，混合时间为20min得到预混料b；将预混料b冷却至常温后加入预混料a、可发性聚苯乙烯7份、光稳定剂944为1份在搅拌转速为300r/min下混合11.5min后烘干，送入造粒机进行造粒得到外层材料；
高抗冲性高密度聚乙烯给水管材的制备：将内层材料、外层材料送入挤出机中进行挤出，再送入模具中复合成型、冷却、定型即得到内层和外层厚度比为4:1的高抗冲性高密度聚乙烯给水管材。
实施例4
内层材料的制备：取氧化锌6份、二氧化钛5份、玻璃纤维6份加入混料机中，将温度升至60℃后加入石蜡3.5份、聚乙二醇4份、聚丙烯接枝马来酸酐11份、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体10份保温搅拌混合20min，然后再加入高密度聚乙烯70份、asa树脂6.5份、聚对苯二甲酸二醇酯4份进行混合28min得到混合均匀的物料，将混合均匀的物料加入造粒机进行造粒得到内层材料；
外层材料的制备：将乙烯丙烯酸共聚物9份加热到123℃，加入炭黑3份、粒径大小为8μm的碳素纤维1.8份、氮化硅0.5份、氮化铝0.3份、脂肪酸0.9份、稻壳灰7份、聚乙二醇1.5份在转速为180r/min下搅拌混合15min，然后冷却至常温得到预混料a；将高密度聚乙烯72份、asa树脂8.5份、玻璃纤维4份、聚对苯二甲酸二醇酯5份、粒径大小为0.5μm的碳酸钙5份、粒径大小为1.8μm的滑石粉1.5份、石蜡4.5份、氧化锌6份、二氧化钛5份、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐离子液体14份、硅烷偶联剂8份在58℃下搅拌混合，设置搅拌转速为220r/min，混合时间为18.5min得到预混料b；将预混料b冷却至常温后加入预混料a、可发性聚苯乙烯8份、光稳定剂622和光稳定剂770共1.2份在搅拌转速为350r/min下混合10min后烘干，送入造粒机进行造粒得到外层材料；
高抗冲性高密度聚乙烯给水管材的制备：将内层材料、外层材料送入挤出机中进行挤出，再送入模具中复合成型、冷却、定型即得到内层和外层厚度比为4:1的高抗冲性高密度聚乙烯给水管材。
实施例5
内层材料的制备：取氧化锌4.5份、二氧化钛7份、玻璃纤维7.5份加入混料机中，将温度升至60℃后加入石蜡2份、聚乙二醇5.5份、聚丙烯接枝马来酸酐8份、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐和1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体共9份保温搅拌混合30min，然后再加入高密度聚乙烯74份、asa树脂8份、聚对苯二甲酸二醇酯3份进行混合25min得到混合均匀的物料，将混合均匀的物料加入造粒机进行造粒得到内层材料；
外层材料的制备：将乙烯丙烯酸共聚物10份加热到128℃，加入炭黑3.2份、粒径大小为7μm的碳素纤维1份、氮化硅0.4份、氮化铝0.3份、脂肪酸1份、稻壳灰6份、聚乙二醇2份在转速为150r/min下搅拌混合14min，然后冷却至常温得到预混料a；将高密度聚乙烯74份、asa树脂9.5份、玻璃纤维4.5份、聚对苯二甲酸二醇酯6份、粒径大小为0.2μm的碳酸钙3.5份、粒径大小为1.5μm的滑石粉1份、石蜡3份、氧化锌8份、二氧化钛7份、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐和1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体共13份、硅烷偶联剂6.5份在55℃下搅拌混合，设置搅拌转速为280r/min，混合时间为19.5min得到预混料b；将预混料b冷却至常温后加入预混料a、可发性聚苯乙烯6份、光稳定剂770和光稳定剂944共2份在搅拌转速为320r/min下混合12min后烘干，送入造粒机进行造粒得到外层材料；
高抗冲性高密度聚乙烯给水管材的制备：将内层材料、外层材料送入挤出机中进行挤出，再送入模具中复合成型、冷却、定型即得到内层和外层厚度比为4:1的高抗冲性高密度聚乙烯给水管材。
为了验证本发明制备得到的高抗冲性高密度聚乙烯给水管材的性能情况，将本发明实施例1~5制备得到的给水管进行性能测试，同时以市售的同类给水管为对照组，测试情况如下表1所示。
表1高抗冲性高密度聚乙烯给水管材性能测试情况
本发明上述实施例方案仅是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求中指出了本发明产品组成成分、成分比例、制备方法参数的范围，而上述的说明并未指出本发明参数的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应当认为是包括在权利要求书的范围内。
本发明是经过多位管材加工人员长期工作经验积累，并通过创造性劳动创作而出，本发明制备得到的给水管具有良好的抗冲击性能，同时强度高、耐腐蚀性能好、质量轻、抑菌性强、流通量大、安装简便、寿命长，适于大批量生产。