本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种高强度耐老化光伏浮体用聚乙烯复合材料及其制备方法。
背景技术：
由于光伏发电需要设在人口较为密集的地方，其设立地点受到很大的限制。水面光伏是将光伏发电设备安装在水上，具有节约土地、避免遮光等诸多优势，成为光伏产业备受关注的发展方向。但是，水面光伏安装存在波浪、潮汐、大风、侵蚀等诸多外部影响因素，为了保证光伏发电的长期性和可靠性，对使用的浮体材料的性能提出了更高的要求。高密度聚乙烯具有重量轻、抗冲击性能好、易于安装和搬运的特点，是常用的浮体外壳用材料。目前的浮体外壳用高密度聚乙烯材料在强度、耐老化性能上仍然存在一定的局限，在长期的水面环境因素影响下容易发生破裂，影响水面光伏发电的稳定性。因此，开发一种具有高强度、高耐老化性能的聚乙烯浮体外壳材料，具有重要的现实意义。
技术实现要素：
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高强度耐老化光伏浮体用聚乙烯复合材料及其制备方法。
本发明提出的一种高强度耐老化光伏浮体用聚乙烯复合材料，包括下述重量份的原料：
聚乙烯树脂60-80份、乙烯-辛烯共聚物10-15份、改性碳纤维8-12份、改性海泡石纤维3-6份、助剂0-2份。
优选地，所述改性碳纤维的制备方法为：将纳米二氧化钛和硅烷偶联剂加入无水乙醇中分散均匀得到浸渍液，然后将碳纤维在所述浸渍液中浸渍处理1-2h，取出后于100-140℃干燥，即得。
优选地，所述浸渍液中，纳米二氧化钛、硅烷偶联剂、无水乙醇的重量比为(1-2)：(1-2)：100；所述碳纤维与浸渍液的重量比为(1-2)：10。
优选地，所述碳纤维的直径为5-20μm，长度为500-1500μm，比表面积≥700m2/g。
优选地，所述改性海泡石纤维的制备方法为：先将海泡石纤维加入水中超声分散均匀，然后加入表面改性剂搅拌改性2-4h，过滤、洗涤、干燥，即得；所述表面改性剂由阳离子季铵盐表面活性剂、硅烷偶联剂组成。
优选地，所述表面改性剂中，阳离子季铵盐表面活性剂、硅烷偶联剂的摩尔比为(3-4)：1；所述海泡石纤维与表面改性剂的重量比为100：(1-2)。
优选地，所述海泡石纤维的直径为100-200nm，长度为1-5μm，比表面积≥400m2/g。
优选地，所述阳离子季铵盐表面活性剂为十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、双十八烷基二甲基氯化铵中的一种或者几种的混合。
优选地，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh550、kh560、kh570中的一种或者几种的混合。
优选地，所述聚乙烯树脂的密度为0.945-0.965g/cm3，在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为0.35-0.65g/10min。
优选地，所述乙烯-辛烯共聚物的密度为0.85-0.87g/cm3，在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为1-2g/10min。
优选地，所述助剂为抗氧剂、润滑剂、光稳定剂、着色剂中的一种或者几种的混合。
一种所述的高强度耐老化光伏浮体用聚乙烯复合材料的制备方法，包括下述步骤：
s1、按重量称取原料，将改性碳纤维与60-80wt％的聚乙烯树脂于300-500r/min混合5-10min，然后用双螺杆挤出机在220-240℃熔融挤出造粒，得到第一中间料；
s2、将乙烯-辛烯共聚物、改性海泡石纤维与余量的聚乙烯树脂于1500-2000r/min混合2-3min，然后用双螺杆挤出机在200-210℃熔融挤出造粒，得到第二中间料；
s3、将所述第一中间料、第二中间料与助剂混合后用双螺杆挤出机在215-235℃熔融挤出，即得。
本发明的有益效果如下：
本发明选用合适密度以及熔体流动速率的聚乙烯树脂与乙烯-辛烯共聚物进行复配作为基体树脂，使聚乙烯复合材料既具有优良的力学性能，又具有良好的加工性能以及流动性；选用合适直径、长度以及比表面积的碳纤维与海泡石纤维先进行改性后再复配掺入基体树脂，其中碳纤维用纳米二氧化钛和硅烷偶联剂改性，提高了其力学强度以及与树脂的相容性，使改性碳纤维在基体树脂中作为主体网络骨架，起到主要的支撑作用，海泡石纤维采用有机插层剂和硅烷偶联剂复合改性，通过这种复合插层改性作用，使改性海泡石纤维能形成网状结构，其能无序、随机地分布在基体树脂中形成局部的小网络，起到充填的作用，两者相互配合，在大幅度提高树脂力学性能的同时，还能起到更好地屏蔽紫外辐照的作用，从而协同提升了树脂的抗紫外老化性能。
本发明在制备方法中，将碳纤维与部分聚乙烯树脂熔融造粒形成第一中间料，将海泡石纤维、乙烯-辛烯共聚物与余量的聚乙烯树脂熔融造粒形成第二中间料，利用不同树脂的流动性不同，与不同的纤维复配，并且采用合适的混合转速以及熔融挤出加工温度，使纤维能更均匀地分布在基体树脂中，更进一步地提高了材料的力学性能、耐老化性能和加工性能。
综上所述，本发明制得的聚乙烯复合材料兼具高力学强度和高耐老化性能，不易受到外界因素的破坏，具有优良的使用稳定性，适合应用于光伏系统浮体外壳材料。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
下述实施例和对比例中，使用的碳纤维的直径为5-20μm，长度为500-1500μm，比表面积为745m2/g；海泡石纤维的直径为100-200nm，长度为1-5μm，比表面积为450m2/g；聚乙烯树脂的密度为0.955g/cm3，在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为0.45g/10min；乙烯-辛烯共聚物的密度为0.86g/cm3，在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为1.5g/10min。
实施例1
一种高强度耐老化光伏浮体用聚乙烯复合材料，包括下述重量份的原料：
聚乙烯树脂60份、乙烯-辛烯共聚物10份、改性碳纤维8份、改性海泡石纤维3份、抗氧剂1680.3份、聚乙烯蜡0.2份。
其中，改性碳纤维的制备方法为：将纳米二氧化钛和硅烷偶联剂kh570加入无水乙醇中分散均匀得到浸渍液，然后将碳纤维在所述浸渍液中浸渍处理1h，取出后于100℃干燥，即得；浸渍液中，纳米二氧化钛、硅烷偶联剂kh570、无水乙醇的重量比为1：1：100；碳纤维与浸渍液的重量比为1：10。
改性海泡石纤维的制备方法为：先将海泡石纤维加入10倍重量的水中超声分散均匀，然后加入表面改性剂搅拌改性2h，过滤、洗涤、干燥，即得；表面改性剂由十六烷基三甲基氯化铵、硅烷偶联剂kh570组成，表面改性剂中，十六烷基三甲基氯化铵、硅烷偶联剂kh570的摩尔比为3：1；海泡石纤维与表面改性剂的重量比为100：1。
高强度耐老化光伏浮体用聚乙烯复合材料的制备方法包括以下步骤：
s1、按重量称取原料，将改性碳纤维与60wt％的聚乙烯树脂于300r/min混合5min，然后用双螺杆挤出机在220℃熔融挤出造粒，得到第一中间料；
s2、将乙烯-辛烯共聚物、改性海泡石纤维与余量的聚乙烯树脂于1500r/min混合2min，然后用双螺杆挤出机在210℃熔融挤出造粒，得到第二中间料；
s3、将所述第一中间料、第二中间料与抗氧剂168、聚乙烯蜡混合后用双螺杆挤出机在215℃熔融挤出，即得。
实施例2
一种高强度耐老化光伏浮体用聚乙烯复合材料，包括下述重量份的原料：
聚乙烯树脂80份、乙烯-辛烯共聚物15份、改性碳纤维12份、改性海泡石纤维6份、抗氧剂1680.5份、聚乙烯蜡0.5份。
其中，改性碳纤维的制备方法为：将纳米二氧化钛和硅烷偶联剂kh560加入无水乙醇中分散均匀得到浸渍液，然后将碳纤维在所述浸渍液中浸渍处理2h，取出后于140℃干燥，即得；浸渍液中，纳米二氧化钛、硅烷偶联剂kh560、无水乙醇的重量比为2：2：100；碳纤维与浸渍液的重量比为2：10。
改性海泡石纤维的制备方法为：先将海泡石纤维加入10倍重量的水中超声分散均匀，然后加入表面改性剂搅拌改性4h，过滤、洗涤、干燥，即得；表面改性剂由双十八烷基二甲基氯化铵、硅烷偶联剂kh550组成，表面改性剂中，双十八烷基二甲基氯化铵、硅烷偶联剂kh550的摩尔比为4：1；海泡石纤维与表面改性剂的重量比为100：2。
高强度耐老化光伏浮体用聚乙烯复合材料的制备方法包括以下步骤：
s1、按重量称取原料，将改性碳纤维与80wt％的聚乙烯树脂于500r/min混合10min，然后用双螺杆挤出机在240℃熔融挤出造粒，得到第一中间料；
s2、将乙烯-辛烯共聚物、改性海泡石纤维与余量的聚乙烯树脂于2000r/min混合3min，然后用双螺杆挤出机在200℃熔融挤出造粒，得到第二中间料；
s3、将所述第一中间料、第二中间料与抗氧剂168、聚乙烯蜡混合后用双螺杆挤出机在235℃熔融挤出，即得。
实施例3
一种高强度耐老化光伏浮体用聚乙烯复合材料，包括下述重量份的原料：
聚乙烯树脂75份、乙烯-辛烯共聚物12份、改性碳纤维10份、改性海泡石纤维5份。
其中，改性碳纤维的制备方法为：将纳米二氧化钛和硅烷偶联剂kh550加入无水乙醇中分散均匀得到浸渍液，然后将碳纤维在所述浸渍液中浸渍处理1.5h，取出后于120℃干燥，即得；浸渍液中，纳米二氧化钛、硅烷偶联剂kh550、无水乙醇的重量比为1.5：1.5：100；碳纤维与浸渍液的重量比为1.5：10。
改性海泡石纤维的制备方法为：先将海泡石纤维加入水中超声分散均匀，然后加入表面改性剂搅拌改性3h，过滤、洗涤、干燥，即得；表面改性剂由十八烷基三甲基氯化铵、硅烷偶联剂kh550组成，表面改性剂中，十八烷基三甲基氯化铵、硅烷偶联剂kh550的摩尔比为3.5：1；海泡石纤维与表面改性剂的重量比为100：1.5。
高强度耐老化光伏浮体用聚乙烯复合材料的制备方法包括以下步骤：
s1、按重量称取原料，将改性碳纤维与75wt％的聚乙烯树脂于400r/min混合8min，然后用双螺杆挤出机在235℃熔融挤出造粒，得到第一中间料；
s2、将乙烯-辛烯共聚物、改性海泡石纤维与余量的聚乙烯树脂于1800r/min混合2.5min，然后用双螺杆挤出机在205℃熔融挤出造粒，得到第二中间料；
s3、将所述第一中间料、第二中间料混合后用双螺杆挤出机在220℃熔融挤出，即得。
对比例1
一种聚乙烯复合材料，包括下述重量份的原料：
聚乙烯树脂80份、乙烯-辛烯共聚物12份、改性碳纤维10份。
其中，改性碳纤维的制备方法为：将纳米二氧化钛和硅烷偶联剂kh550加入无水乙醇中分散均匀得到浸渍液，然后将碳纤维在所述浸渍液中浸渍处理1.5h，取出后于120℃干燥，即得；浸渍液中，纳米二氧化钛、硅烷偶联剂kh550、无水乙醇的重量比为1.5：1.5：100；碳纤维与浸渍液的重量比为1.5：10。
聚乙烯复合材料的制备方法包括以下步骤：
s1、按重量称取原料，将改性碳纤维与75wt％的聚乙烯树脂于400r/min混合8min，然后用双螺杆挤出机在235℃熔融挤出造粒，得到第一中间料；
s2、将乙烯-辛烯共聚物与余量的聚乙烯树脂于1800r/min混合2.5min，然后用双螺杆挤出机在205℃熔融挤出造粒，得到第二中间料；
s3、将所述第一中间料、第二中间料混合后用双螺杆挤出机在220℃熔融挤出，即得。
对比例2
一种聚乙烯复合材料，包括下述重量份的原料：
聚乙烯树脂85份、乙烯-辛烯共聚物12份、改性海泡石纤维5份。
其中，改性海泡石纤维的制备方法为：先将海泡石纤维加入水中超声分散均匀，然后加入表面改性剂搅拌改性3h，过滤、洗涤、干燥，即得；表面改性剂由十八烷基三甲基氯化铵、硅烷偶联剂kh550组成，表面改性剂中，十八烷基三甲基氯化铵、硅烷偶联剂kh550的摩尔比为3.5：1；海泡石纤维与表面改性剂的重量比为100：1.5。
聚乙烯复合材料的制备方法包括以下步骤：
s1、按重量称取原料，将75wt％的聚乙烯树脂用双螺杆挤出机在235℃熔融挤出造粒，得到第一中间料；
s2、将乙烯-辛烯共聚物、改性海泡石纤维与余量的聚乙烯树脂于1800r/min混合2.5min，然后用双螺杆挤出机在205℃熔融挤出造粒，得到第二中间料；
s3、将所述第一中间料、第二中间料混合后用双螺杆挤出机在220℃熔融挤出，即得。
试验例
将实施例1-3以及对比例1-2制得的聚乙烯复合材料进行性能测试，其中拉伸性能参照gb/t1040-2006，紫外辐照强度600w·m-2，且1mm厚试样累计辐照量400kwh·m-2。结果如表1所示：
表1聚乙烯复合材料的性能测试结果
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。