一种具有阻垢作用的纳米复合塑料及其制备方法
【专利摘要】一种具有阻垢作用的纳米复合塑料及其制备方法，是将阻垢剂、增塑剂、增溶剂和塑料母粒一起熔融混炼、造粒、成型，得到的含阻垢剂的纳米复合塑料，其表面的阻垢剂能防止无机盐沉淀物在塑料表面的粘附，从而有效防止塑料表面的结垢。通过调整阻垢剂的含量和配比控制阻垢率；通过调整增溶剂的用量和配比控制阻垢剂与塑料基体的相互作用力，控制阻垢剂的释放、扩散速率，进而控制阻垢的时效；通过控制挤出反应温度和时间以及增溶剂和阻垢剂的配比控制阻垢率和阻垢时效。本制备方法简单，绿色环保，成本较低，该复合塑料可达83％-99％的阻垢率，能提高塑料设备的使用效率，在膜法水处理、给水排水工程、海水淡化等领域有很好的应用前景。
【专利说明】一种具有阻垢作用的纳米复合塑料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有阻垢作用的纳米复合塑料及其制备方法，属于高分子材料、环境功能材料和化工领域。
【背景技术】
[0002]水资源贫乏一直是我国面临的一大难题，尤其是近年来随着我国工业生产的迅速发展，工业用水量急剧上升。在电力、冶金、化工、轻工和石油等行业中，需要大量循环冷却水用于换热。水的循环使用使水质逐渐恶化，加剧了设备的结垢，影响热传导，甚至有可能引起爆炸事故，造成巨大的经济损失。
[0003]矿物结垢主要是由于钙和镁的碳酸盐，硫酸盐以及磷酸盐沉淀物粘附在处理设备表面上。针对管道设备的结垢问题，常采用的防垢方法主要分为三类:物理防垢法、化学防垢法及工艺防垢法。物理防垢法主要指使用某种仪器、设备对垢的形成进行干扰和抑制；化学防垢法指的是通过向注入水中加入某种防垢剂的方法阻止水结垢，这种方法有便于操作的优点，目前在实际生产中应用最为广泛；工艺防垢法指通过控制某种工艺条件来达到阻垢目的的方法。
[0004]目前，工业上常用的阻垢方法是化学防垢法，也就是向水中加入某些防垢剂防止结垢。阻垢剂能使成垢离子如钙、镁、碳酸根和磷酸根等稳定于水中，在大大超过其饱和溶解度的条件下而不析出。该方法较其它方法具有易于操作、处理效果好的优点。许多化学药品和阻垢剂已被广泛报道用于减轻结垢问题【Modified pectin-based polymers as greenantiscalants for calcium sulfate scale inhibition.Desalination305(2012)31-37】，但从环保和经济效益上分析，它们的阻垢效率非常低。这些阻垢剂一般是酸性物质，如常用的阻垢剂有磷系阻垢剂如磷酸三钠、六偏磷酸钠，水解聚马来酸酐(HPMA)、羟基乙叉二膦酸(H EDP)、聚天冬氨酸(PASP)等。在向水体中加酸的过程中，如果使用过量就会使水体酸化，对运输管道和设备等造成腐蚀。`
[0005]天津电力试验研究所协助杨柳青电厂，进行了三聚磷酸钠处理循环水的工业试验，取得了良好的防腐防垢效果，并具有明显经济效益【高秀山.火电厂循环冷却水处理[M],北京:中国电力出版社，2001:8】，因其低价、无毒、具有较好的阻垢、缓蚀等多种功能，磷系水处理剂及其复配阻垢剂在我国循环水处理中得到广泛使用。但是磷的排放存在着引起水体富营养化，产生“赤潮”公害的弊端。跨入新世纪，人类对地球环境的保护意识不断提高，从而逐渐形成了科学技术的“绿色化”概念。聚天冬氨酸(PASP)和聚环氧琥珀酸(PESA)等绿色药剂成为研究热门。
[0006]发展海水淡化技术是解决水资源短缺的重要途径，在膜法海水淡化过程中，由于膜的浓缩作用，浓水中的钙、镁等离子浓度大大增加，从而使难溶盐的离子积大于其溶度积，在膜表面形成膜垢，影响整个反渗透装置的正常运行，缩短了膜的使用寿命【Modified pectin-based polymers as green antiscalants for calcium sulfate scaleinhibition.Desalination, 2012, 305 (12):31-37.】。目前我国自主开发研制的反渗透阻垢剂在技术上还不是很成熟，国内所用的反渗透阻垢剂大都是从国外进口，其价格昂贵，很大程度上增加了水处理的成本。
[0007]针对目前阻垢剂阻垢效率低、分散在水中的阻垢剂易引起水体富营养化、水处理过程管道易结垢、阻垢时间短等问题，本发明设计了一种具有阻垢作用的纳米复合塑料。通过将高效阻垢剂、增塑剂、增溶剂和塑料母粒一起熔融混炼、造粒、成型，得到的含阻垢剂的纳米复合塑料，其表面的阻垢剂能防止碳酸盐、硫酸盐以及磷酸盐沉淀物在塑料表面的粘附，从而有效防止管道结垢。通过调整阻垢剂的含量和配比控制阻垢率；通过调整增溶剂的用量和配比控制阻垢剂与塑料基体的作用力，进而控制阻垢时效；通过控制挤出反应温度和时间以及增溶剂和阻垢剂的配比控制阻垢率和阻垢时长。本方法制备的具有阻垢作用的纳米复合塑料成本较低，制备方法简单，绿色环保，能有效防止塑料表面的无机盐结垢，可达83% -99%的阻垢率，提高塑料设备的使用效率，在膜法水处理、给水排水工程、海水淡化等领域有很好的应用前景。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是分散在水中的阻垢剂易引起水体富营养化或二次污染、水处理过程管道易结垢、阻垢时间短且阻垢剂易流失等问题。
[0009]本发明解决所述分散在水中的阻垢剂易引起水体富营养化或二次污染、水处理过程管道易结垢、阻垢时间短且阻垢剂易流失等问题的技术方案是设计一种具有阻垢作用的纳米复合塑料。
[0010]本发明提供一种具有阻垢作用的纳米复合塑料的制备方法，其特征是包括以下步骤:
[0011]a)将塑料母粒在60°C -110°c温度下干燥0.5_12h小时，除去水分；将阻垢剂置于烘箱中，在60°C _130°C温度下烘干，用球磨机球磨粉碎至微米级粉末，密封保存；
[0012]b)将干燥好的阻`垢剂与增溶剂充分混合均匀，然后加入增塑剂，充分混合均匀，得到粘稠的液体混合物，其中阻垢剂占增塑剂的质量百分比为1% -90%，增溶剂占增塑剂的质量百分比为0.1% -50% ;
[0013]c)设定双螺杆挤出机的温度:一区温度为150 V -230 °C，二区温度为140 V -240 °C，三区温度为140 V -240 °C，四区温度为150 V -230 °C，五区温度为1400C _240°C，六区温度为150°C _230°C;设定双螺杆转速lr/min_120r/min，螺杆挤出压力控制在10-33MP，将塑料母粒和步骤b)得到的含阻垢剂、增溶剂及增塑剂的液体混合物一起加入双螺杆挤出机的料斗，高速混合5-30min使其共混均匀；控制阻垢剂占塑料母粒的质量百分比为1% _35%，增溶剂占塑料母粒的质量百分比为0.1% -10%;待螺杆的转矩稳定后开始连续挤出，将挤出后的条状共混物通入水槽进行冷却，冷却后进入切粒机切割造粒，并将颗粒在60°C _100°C的温度下干燥0.5-24h ；
[0014]d)设定单螺杆挤出机的温度:一区温度为140 V -240 °C，二区温度为1200C _260°C，三区温度为120°C -260°C ;设定单螺杆转速15r/min_190r/min，螺杆挤出压力控制在10-60MP，将步骤c)切成的颗粒从加料槽加入，挤出宽度为50-100mm的混合料片;
[0015]e)设定压片机转速5r/min-55r/min,将步骤d)冷却后的混合料片通过压片机压制成具有阻垢作用的纳米复合塑料。
[0016]本发明所述的塑料母粒为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺中的一种或两种以上混合物。所述的阻垢剂为聚丙烯酸(PAA)、羟基乙叉二膦酸(HEDP)、水解聚马来酸酐(HPMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚环氧琥珀酸(PESA)、聚天冬氨酸(PASP)中的任意一种或两种以上混合物，其分子量在500-10000。
[0017]本发明所述的增溶剂为Y-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、Y-氨丙基三乙氧基硅烷、Y_(2,3-环氧丙氧)丙基二甲氧基硅烷、二甲基二氣硅烷、二氣二苯基硅烷、二苯基硅烷、双(4_氣基苯氧基)二甲基硅烷、钦酸酷偶联剂中的任意一种或两种以上混合物。
[0018]本发明所述的增塑剂为对苯二甲酸酯、己二酸酯、壬二酸酯、癸二酸二辛酯、己二酸二辛酯、磷酸脂肪醇酯、磷酸三甲苯酯、甘油三醋酸酯、邻苯二甲酸酯中的一种或两种以上混合物。所述的无机盐沉淀物为碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙、碳酸镁中的任意一种或两种以上混合物。
[0019]通过本发明制得的一种具有阻垢作用的纳米复合塑料可达83%-99%的阻垢率，而且制备方法简单易行，工艺简单，成本低，无有机废液产生。 【具体实施方式】
[0020]下面介绍本发明的具体实施例，但本发明不受实施例的限制。
[0021]实施例1.一种具有阻垢作用的纳米复合聚丙烯酸/聚丙烯塑料及其制备方法
[0022]a)将聚丙烯母粒在110°C温度下干燥0.5h小时，除去水分；将阻垢剂聚丙烯酸置于烘箱中，在60°C温度下烘干，用球磨机球磨粉碎至微米级粉末，密封保存；
[0023]b)将干燥好的阻垢剂聚丙烯酸与Y-氨丙基三乙氧基硅烷充分混合均匀，然后加入邻苯二甲酸二丁酯，充分混合均匀，得到粘稠的液体混合物，其中阻垢剂聚丙烯酸占邻苯二甲酸二丁酯的质量百分比为1%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占邻苯二甲酸二丁酯的质量百分比为0.1% ;
[0024]c)设定双螺杆挤出机的温度:一区温度为230°C，二区温度为240°C，三区温度为240°C，四区温度为230°C，五区温度为240°C，六区温度为230°C ;设定双螺杆转速120r/min，螺杆挤出压力控制在10MP，将聚丙烯母粒和步骤b)得到的含阻垢剂聚丙烯酸、Y-氨丙基三乙氧基硅烷及邻苯二甲酸二丁酯的液体混合物一起加入双螺杆挤出机的料斗，高速混合5min使其共混均匀；控制阻垢剂聚丙烯酸占聚丙烯母粒的质量百分比为1%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占聚丙烯母粒的质量百分比为0.1% ;待螺杆的转矩稳定后开始连续挤出，将挤出后的条状共混物通入水槽进行冷却，冷却后进入切粒机切割造粒，并将颗粒在60°C的温度下干燥24h ；
[0025]d)设定单螺杆挤出机的温度:一区温度为240°C，二区温度为260°C，三区温度为2300C ;设定单螺杆转速15r/min，螺杆挤出压力控制在10MP，将步骤c)切成的颗粒从加料槽加入，挤出宽度为50mm的混合料片；
[0026]e)设定压片机转速5r/min，将步骤d)冷却后的混合料片通过压片机压制成具有阻垢作用的纳米复合聚丙烯酸/聚丙烯塑料。
[0027]实施例2.—种具有阻垢作用的纳米复合聚丙烯酸/聚丙烯塑料及其制备方法[0028]a)将聚丙烯母粒在110°C温度下干燥0.5h小时，除去水分；将阻垢剂聚丙烯酸置于烘箱中，在60°C温度下烘干，用球磨机球磨粉碎至微米级粉末，密封保存；
[0029]b)将干燥好的阻垢剂聚丙烯酸与Y-氨丙基三乙氧基硅烷充分混合均匀，然后加入邻苯二甲酸二丁酯，充分混合均匀，得到粘稠的液体混合物，其中阻垢剂聚丙烯酸占邻苯二甲酸二丁酯的质量百分比为5%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占邻苯二甲酸二丁酯的质量百分比为0.1% ;
[0030]c)设定双螺杆挤出机的温度:一区温度为230°C，二区温度为240°C，三区温度为240°C，四区温度为230°C，五区温度为240°C，六区温度为230°C ;设定双螺杆转速120r/min，螺杆挤出压力控制在10MP，将聚丙烯母粒和步骤b)得到的含阻垢剂聚丙烯酸、Y-氨丙基三乙氧基硅烷及邻苯二甲酸二丁酯的液体混合物一起加入双螺杆挤出机的料斗，高速混合5min使其共混均匀；控制阻垢剂聚丙烯酸占聚丙烯母粒的质量百分比为5%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占聚丙烯母粒的质量百分比为0.1% ;待螺杆的转矩稳定后开始连续挤出，将挤出后的条状共混物通入水槽进行冷却，冷却后进入切粒机切割造粒，并将颗粒在60°C的温度下干燥24h ；
[0031]d)设定单螺杆挤出机的温度:一区温度为240°C，二区温度为260°C，三区温度为2300C ;设定单螺杆转速15r/min，螺杆挤出压力控制在10MP，将步骤c)切成的颗粒从加料槽加入，挤出宽度为50mm的混合料片；
[0032]e)设定压片机转速5r/min，将步骤d)冷却后的混合料片通过压片机压制成具有阻垢作用的纳米复合聚丙烯酸/聚丙烯塑料。
[0033]实施例3.—种具有阻垢作用的纳米复合聚丙烯酸/聚丙烯塑料及其制备方法
[0034]a)将聚丙烯母粒在110°C温度下干燥0.5h小时，除去水分；将阻垢剂聚丙烯酸置于烘箱中，在60°C温度下烘干，用球磨机球磨粉碎至微米级粉末，密封保存；
[0035]b)将干燥好的阻垢剂聚丙烯酸与Y-氨丙基三乙氧基硅烷充分混合均匀，然后加入邻苯二甲酸二丁酯，充分混合均匀，得到粘稠的液体混合物，其中阻垢剂聚丙烯酸占邻苯二甲酸二丁酯的质量百分比为7%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占邻苯二甲酸二丁酯的质量百分比为0.3% ；
[0036]c)设定双螺杆挤出机的温度:一区温度为230°C，二区温度为240°C，三区温度为240°C，四区温度为230°C，五区温度为240°C，六区温度为230°C ;设定双螺杆转速120r/min，螺杆挤出压力控制在10MP，将聚丙烯母粒和步骤b)得到的含阻垢剂聚丙烯酸、Y-氨丙基三乙氧基硅烷及邻苯二甲酸二丁酯的液体混合物一起加入双螺杆挤出机的料斗，高速混合5min使其共混均匀；控制阻垢剂聚丙烯酸占聚丙烯母粒的质量百分比为7%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占聚丙烯母粒的质量百分比为0.3% ;待螺杆的转矩稳定后开始连续挤出，将挤出后的条状共混物通入水槽进行冷却，冷却后进入切粒机切割造粒，并将颗粒在60°C的温度下干燥24h ；
[0037]d)设定单螺杆挤出机的温度:一区温度为240°C，二区温度为260°C，三区温度为2300C ;设定单螺杆转速15r/min，螺杆挤出压力控制在10MP，将步骤c)切成的颗粒从加料槽加入，挤出宽度为50mm的混合料片；
[0038]e)设定压片机转速5r/min，将步骤d)冷却后的混合料片通过压片机压制成具有阻垢作用的纳米复合聚丙烯酸/聚丙烯塑料。[0039]实施例4.一种具有阻垢作用的纳米复合聚丙烯酸/聚丙烯塑料及其制备方法
[0040]a)将聚丙烯母粒在110°C温度下干燥0.5h小时，除去水分；将阻垢剂聚丙烯酸置于烘箱中，在60°C温度下烘干，用球磨机球磨粉碎至微米级粉末，密封保存；
[0041]b)将干燥好的阻垢剂聚丙烯酸与Y-氨丙基三乙氧基硅烷充分混合均匀，然后加入邻苯二甲酸二丁酯，充分混合均匀，得到粘稠的液体混合物，其中阻垢剂聚丙烯酸占邻苯二甲酸二丁酯的质量百分比为15%，Y-氨丙基三乙氧基硅烷占邻苯二甲酸二丁酯的质量百分比为0.5% ；
[0042]c)设定双螺杆挤出机的温度:一区温度为230°C，二区温度为240°C，三区温度为240°C，四区温度为230°C，五区温度为240°C，六区温度为230°C ;设定双螺杆转速120r/min，螺杆挤出压力控制在10MP，将聚丙烯母粒和步骤b)得到的含阻垢剂聚丙烯酸、Y-氨丙基三乙氧基硅烷及邻苯二甲酸二丁酯的液体混合物一起加入双螺杆挤出机的料斗，高速混合5min使其共混均匀；控制阻垢剂聚丙烯酸占聚丙烯母粒的质量百分比为15%，y-氨丙基三乙氧基硅烷占聚丙烯母粒的质量百分比为0.5% ;待螺杆的转矩稳定后开始连续挤出，将挤出后的条状共混物通入水槽进行冷却，冷却后进入切粒机切割造粒，并将颗粒在60°C的温度下干燥24h ；
[0043]d)设定单螺杆挤出机的温度:一区温度为240°C，二区温度为260°C，三区温度为2300C ;设定单螺杆转速15r/min，螺杆挤出压力控制在10MP，将步骤c)切成的颗粒从加料槽加入，挤出宽度为50mm的混合料片；
[0044]e)设定压片机转速5r/min，将步骤d)冷却后的混合料片通过压片机压制成具有阻垢作用的纳米复合聚 丙烯酸/聚丙烯塑料。
【权利要求】
1.一种具有阻垢作用的纳米复合塑料，其特征是将阻垢剂、增塑剂、增溶剂和塑料母粒一起熔融混炼、造粒、成型，得到的含阻垢剂的纳米复合塑料，其表面的阻垢剂能防止无机盐沉淀物在塑料表面的粘附，从而有效防止塑料表面的结垢。
2.一种具有阻垢作用的纳米复合塑料，其特征是通过调整阻垢剂的含量和配比控制阻垢率；通过调整增溶剂的用量和配比控制阻垢剂与塑料基体的相互作用力，控制阻垢剂的释放、扩散速率，进而控制阻垢的时效；通过控制挤出反应温度和时间以及增溶剂和阻垢剂的配比控制阻垢率和阻垢时效。
3.一种具有阻垢作用的纳米复合塑料，其特征是制备方法简单，绿色环保，该阻垢纳米复合塑料成本较低，能有效防止塑料表面的无机盐结垢，可达83% -99%的阻垢率，能提高塑料设备的使用效率，在膜法水处理、给水排水工程、海水淡化等领域有很好的应用前景。
4.一种具有阻垢作用的纳米复合塑料的制备方法，其特征是包括以下步骤: a)将塑料母粒在60°C-110°C温度下干燥0.5_12h小时，除去水分；将阻垢剂置于烘箱中，在60°C _130°C温度下烘干，用球磨机球磨粉碎至微米级粉末，密封保存； b)将干燥好的阻垢剂与增溶剂充分混合均匀，然后加入增塑剂，充分混合均匀，得到粘稠的液体混合物，其中阻垢剂占增塑剂的质量百分比为1% _90%，增溶剂占增塑剂的质量百分比为0.1% -50% ； c)设定双螺杆挤出机的温度:一区温度为150°C_230°C，二区温度为140°C _240°C，三区温度为140°C _240°C，四区温度为150°C _230°C，五区温度为140°C _240°C，六区温度为1500C -2300C ;设定双螺杆转速lr/min-120r/min，螺杆挤出压力控制在10-33MP，将塑料母粒和步骤b)得到的含阻垢剂、增溶剂及增塑剂的液体混合物一起加入双螺杆挤出机的料斗，高速混合5-30min使其共混均匀；控制阻垢剂占塑料母粒的质量百分比为1% _35%，增溶剂占塑料母粒的质量百分比为0.1%-10% ;待螺杆的转矩稳定后开始连续挤出，将挤出后的条状共混物通入水槽进行冷却，冷却后进入切粒机切割造粒，并将颗粒在60°C -1OO0C的温度下干燥0.5-24h ； d)设定单螺杆挤出机的温度:一区温度为140°C_240°C，二区温度为120°C -260V,三区温度为120°C -260 °C ;设定单螺杆转速15r/min-190r/min，螺杆挤出压力控制在10-60MP，将步骤c)切成的颗粒从加料槽加入，挤出宽度为50-100mm的混合料片； e)设定压片机转速5r/min-55r/min,将步骤d)冷却后的混合料片通过压片机压制成具有阻垢作用的纳米复合塑料。
5.如权利要求4所述的一种具有阻垢作用的纳米复合塑料的制备方法，其特征是所述的塑料母粒为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺中的一种或两种以上混合物。
6.如权利要求4所述的一种具有阻垢作用的纳米复合塑料的制备方法，其特征是所述的阻垢剂为聚丙烯酸、羟基乙叉二膦酸、水解聚马来酸酐、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧琥珀酸、聚天冬氨酸中的任意一种或两种以上混合物，其分子量在500-10000。
7.如权利要求4所述的一种具有阻垢作用的纳米复合塑料的制备方法，其特征是所述的增溶剂为Y -甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、Y -氨丙基三乙氧基硅烷、Y - (2，3-环氧丙氧)丙基二甲氧基硅烷、二甲基二氣硅烷、二氣二苯基硅烷、二苯基硅烷、双(4_氛基苯氧基)二甲基硅烷、钦酸酷偶联剂中的任意一种或两种以上混合物。
8.如权利要求4所述的一种具有阻垢作用的纳米复合塑料的制备方法，其特征是所述的增塑剂为对苯二甲酸酯、己二酸酯、壬二酸酯、癸二酸二辛酯、己二酸二辛酯、磷酸脂肪醇酯、磷酸三甲苯酯、甘油三醋酸酯、邻苯二甲酸酯中的一种或两种以上混合物。
9.如权利要求1所述的一种具有阻垢作用的纳米复合塑料，其特征是所述的无机盐沉淀物为碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙、碳酸镁中的任意一种或两种以上混合物。
【文档编号】B29B9/06GK103589067SQ201310586460
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】赵孔银, 马敬环, 黄海滨, 郑海燕 申请人:天津工业大学