高强度耐慢速应力开裂聚乙烯管材及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于聚乙烯管材及其制备技术领域，具体涉及一种高强度耐慢速应力开裂聚乙烯管材及其制备方法。
【背景技术】
[0002]聚合物管尤其是聚乙烯管具有优异的综合性能，如质轻、节能、耐腐蚀、易安装、成本低等，被广泛应用于输气、输水等领域。目前，我国聚合物管加工已形成国家重要支柱产业，近十年的消费量年均增长率高达25%，预计2015年我国产量将突破1300万吨，成为全球聚合物管产量最大的国家。
[0003]但塑料管道的传统制备过程存在一些缺陷:如生产过程中产生熔接痕；采用喷淋方式冷却管道外壁，管内外壁冷却速率不均，导致PE管内部产生较大的内应力，使得内壁材料的耐慢速裂纹增长性较差；管环向强度不足，管轴向强度远远高于管环向强度，而使用过程中所受环向应力又是轴向应力2倍以上。
[0004]随国民经济的发展和激烈的市场竞争，对聚合物管性能提出更高要求，如希望其具备更高的环向强度、更好的耐应力开裂性能和更长的寿命，而目前制备高性能聚合物管一般通过两条途径来实现:一是发展聚合新技术，调控聚合物分子链结构。但聚合技术的改进工艺复杂，对设备要求高、投资大、周期长；二是发展加工新技术，即在加工过程中调控聚合物管的形态结构。其中现有的聚合物管加工改进方法均主要关注聚合物的取向结构且生产效率较低，实用化有难度的问题。
[0005]借鉴天然竹子的结构和性能:竹纤维沿轴向排列，竹子纵向破裂易，横向破裂难的特点，本发明人曾提出在聚合物管中形成和定构偏离轴向的增强相结构是制备高性能聚合物管的关键的观点，同时根据聚合物的结晶结构不仅与聚合物的分子结构有关，还受加工过程中的应力场、温度场的影响，且在应力作用下，聚合物可形成串晶增强相结构，其排列方向与聚合物所受应力方向相同，快速冷却将抑制分子链的松弛，有利于该结构最终固定在制品中。因此，通过施加和精确调控聚合物管加工中的应力场和温度场，可形成和定构独特形态结构，尤其是偏离轴向的增强相结构，提高聚合物管性能。
[0006]为此，本发明人自行设计和研制了一种新型的聚合物管旋转挤出装置(ZL200810045785.9)，该装置具有以下特点:
[0007]芯棒和口模独立可调的驱动装置，转速及方向独立可调，可实现四种不同的旋转模式，与轴向挤出/牵引运动叠加，调控聚合物熔体流动模式，形成沿管壁厚方向不同的速度分布和应力分布，产生偏离轴向的增强相结构，阻止聚合物管“竹子劈裂式”破坏；
[0008]芯棒为空心结构，可向挤出管内通入压力、温度可调的冷却介质，与外壁喷淋冷却结合，实现管内外壁双冷，调节管壁内的温度梯度，定构旋转挤出形成的增强相结构，减小内应力。因此该装置可实现挤出/拉伸/旋转的不同组合和管内外壁双冷，实施和调控旋转挤出中多种运动模式和应力场及温度场，形成并定构可大幅提高管环向强度和耐应力开裂性能的形态结构，实现其高性能化。
[0009]但在实施过程中发现，由于聚乙烯热传导系数较低，当中制备聚乙烯管，尤其是制备管径较大、管壁较厚的聚乙烯管时，由于冷却定型过程中冷却速度较慢，而聚乙烯分子的松弛时间较快，因而使得在旋转挤出过程中形成的偏离轴向的增强相结构含量不超过50%，80°C静液压条件下聚乙烯管的环向强度提高幅度仅为20%，且在120%标准压力下，破裂时间不超过500小时。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是针对现有技术存在的加工技术的不足以及聚乙烯分子熔体状态松弛时间较短的缺点，提供一种高强度耐慢速应力开裂聚乙烯管材的制备方法。
[0011]本发明的另一目的是提供一种由上述方法制备的高强度耐慢速应力开裂聚乙烯管材。
[0012]本发明提供的一种高强度耐慢速应力开裂聚乙烯管材的制备方法，该方法是先将95?99.9重量份常规聚乙烯与0.1?5重量份超高分子量聚乙烯进行充分混合，然后将混合料置于聚合物管旋转挤出装置中，采用芯棒相对于口模单独旋转、口模相对于芯棒单独旋转、芯棒与口模同时同向旋转或芯棒与口模同时反向旋转中任一种方式，以I?24rpm/min的转速，于熔融段温度180?260°C，优选210?260°C，口模段温度170?220°C进行熔融旋转挤出，挤出的管坯在牵引机的牵引下进行冷却定径即可。
[0013]以上方法中所用的超高分子量聚乙烯为数均分子量彡1000000g/mol的聚乙烯，优选数均分子量为3000000?5000000g/mol的聚乙烯。
[0014]以上方法中所用的超高分子量聚乙烯优选I?4重量份，更优选1.5?3重量份。
[0015]以上方法中所用的常规聚烯烃为PE80或PE100。
[0016]以上方法中所述的芯棒与口模的转速优选5?15rpm/min。
[0017]以上方法中所述的芯棒与口模同时同向旋转或芯棒与口模同时反向旋转方式时，芯棒和口模转速可以相同，也可以不相同。
[0018]以上方法中所述的常规聚乙烯与超高分子量聚乙烯的充分混合为熔融挤出混合、高速搅拌混合及其他任何可以使超高分子量聚乙烯均匀分散在常规聚乙烯母料中的方法，优选混合方法为熔融挤出混合。
[0019]另外，在实际工业化生产中，也可根据需要添加其它公知的抗氧剂、稳定剂、增塑剂等加工助剂，以及其它一些有助于管材性能进一步增强的填料，如玻璃纤维等，但前提是，这些加工助剂对本发明目的实现和以及本发明优良效果的取得不能产生不利影响。
[0020]本发明提供的由上述方法制备的高强度耐慢速应力开裂聚乙烯管材，该管材中含有:
[0021]常规聚乙烯95-99.9重量份
[0022]超尚分子量聚乙稀 0.1-5重量份，
[0023]该聚乙烯管材在80 °C静液压测试条件下的环向强度为5.68?7.22MPa，且在120%标准压力下，破坏时间为1038?1755小时。
[0024]以上管材中含有的超尚分子量聚乙稀为数均分子量^ 1000000g/mol的聚乙稀，优选数均分子量为3000000-5000000g/mol的聚乙烯。
[0025]以上管材中含有的超尚分子量聚乙稀优选I?4重量份，更优选1.5?3重量份。
[0026]当以上管材中含有的超高分子量聚乙烯优选I?4重量份，数均分子量优选3000000-5000000g/mol，芯棒与口模的转速也优选5_15rpm/min时，该聚乙烯管材在80°C静液压测试条件下的环向强度为5.69?7.0lMPa,且在120%标准压力下，破坏时间为1042?1696小时。
[0027]当以上管材中含有的超高分子量聚乙烯优选I?4重量份，数均分子量优选3000000-5000000g/mol，芯棒与口模的转速优选5_15rpm/min，且熔融段温度优选210?260°C时，该聚乙烯管材在80 °C静液压测试条件下的环向强度为6.47?7.0lMPa，且在120%标准压力下，破坏时间为1421?1696小时。
[0028]当以上管材中含有的超尚分子量聚乙稀优选1.5?3重量份，数均分子量优选3000000-5000000g/mol，芯棒与口模的转速优选5_15rpm/min，且熔融段温度优选210?260°C时，该聚乙烯管材在80 °C静液压测试条件下的环向强度为6.68?7.0lMPa，且在120%标准压力下，破坏时间为1545?1696小时。
[0029]以上管材中含有的常规聚烯烃为PE80或PE100。
[0030]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0031]1、由于本发明方法在制备聚乙烯管材时添加了超高分子量聚乙烯，因而大幅提高了聚乙烯分子在熔融状态下的松弛时间，使其能与冷却定型过程中的冷却速度相匹配，提高旋转挤出过程中偏离轴向的增强相结构含量，大幅提高聚乙烯管的环向强度和耐开裂性會K。
[0032]2、由于本发明方法在添加了超高分子量聚乙烯的基础上，还可以简单的通过改变超高分子量聚乙烯含量和熔融旋转挤出的模式和速度，因而可有效控制串晶的形成及其在聚合物管内的排列方向，形成和定构偏离轴向的取向结构，进一步提高聚乙烯管的环向强度和耐慢速应力开裂性能。
[0033]3、由于本发明方法所采用的超高分子量聚乙烯的增强效率高，添加量又少，因而不仅使所制备的管材既具备高品质的竞争优势，又因成本低而更具价格竞争力。
[0034]4、由于本发明是在熔点以上对超高分子量/聚乙烯复合材料进行加工，因而加工速度快，产量高，符合工业化大规模生产的要求。
[0035]5、本发明提供的方法工艺简单成熟，易于掌握控制，也便于推广应用。
【附图说明】