专利名称：一种聚乙烯用色母及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种聚乙烯用色母，具体涉及一种聚乙烯管材用碳黑色母及其制备方法。
背景技术：
聚乙烯(PE)树脂是塑料管材的主要原材料之一，以其重量轻、耐腐蚀、节约能源等特点，越来越受到重视，应用领域也越来越大。目前，聚乙烯管材已部分替代了金属管。在发达国家PE管的年增长率在2.5％以上，它的消费量仅次于聚氯乙烯，是世界上消费量第二大的塑料管道品种，广泛应用于给水、农业灌溉、燃气输送、排污、矿山砂浆输送等工程及油田、化工、邮电通讯等领域。
在聚乙烯的很多用途中(如薄膜)，聚乙烯基础树脂可不再配以任何添加剂而单独使用，或仅为着色目的而与色母料配合使用。这种情况下，通常在树脂厂已配有满足加工需求量的抗氧剂。但对于制造聚乙烯管材的材料来说，通常应包括两个稳定体系，而且必须满足较长期的稳定效果一个是氧化稳定体系，其作用是保证PE树脂在加工成管材的过程中、管材的二次受热(如焊接)和使用过程中不致遭到氧化破坏；一个是光稳定体系，保证管材在贮存期间和使用期间免受紫外辐射的破坏。对于PE管材的耐紫外性能，通常的做法是在PE基料中添加一定量的碳黑。我国对聚乙烯给水管材料中碳黑含量的要求为2.5±0.5wt％，碳黑分散度应≤3级(GB/T 13663-2000)；对PE燃气管材料中碳黑含量要求为2～2.6wt％；ISO4437-1997中规定PE燃气管原料中碳黑含量在2～2.5wt％之间，碳黑扩散等级应≤3级。
目前，聚乙烯管材生产厂家通常采用PE粒料，使用单螺杆挤出机挤出成型PE管材。对于聚乙烯压力管材料来说，为了保证碳黑在管材中的分散效果，国际上通行的方法是由树脂生产厂直接出品包含必要稳定体系(包括规定量碳黑)的管材料，国内的PE管材料生产厂家是通过对树脂厂出品的基础树脂进行改性，加入规定量碳黑和分散剂，这样无疑会增加管材料的生产成本，而且在添加碳黑的过程中容易造成PE树脂力学性能的下降；另外一种制造成本较低的管材做法是在管材的生产厂，将基础树脂与碳黑色母先进行机械混合，然后直接通过挤出机挤出成型管材，在该种方法中，为了提高碳黑的分散度，对挤出设备具有特殊的要求，在普通PE管材挤出设备上采用该法进行管材的挤出时，由于普通碳黑色母的分散性较差，所挤出管材中碳黑的分散效果较差，满足不了有关管材标准的要求。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种聚乙烯用高浓度碳黑色母，采用该黑色母与PE管材基料采用常规的单螺杆管材挤出机进行挤出，就能得到碳黑分散度良好的聚乙烯管材。
本发明还提供该中聚乙烯用高浓度碳黑色母的制备方法，工艺简单，操作容易，适于工业应用。
本发明所述的一种聚乙烯用色母，包含有共混的以下组分a.载体树脂、b.碳黑、c.表面处理剂、d.分散剂。其中以载体树脂重量份数为100份计，所述的碳黑为40～180份，优先为80～150份；所述的表面处理剂为0.5～20份，优先为1～10份；所述的分散剂为1～20份，优选为5～15份。
以上所述组分a的载体树脂包括现有技术所公开的各种类型的聚乙烯树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)树脂等，或者为以上所述树脂的混合物。本发明所述的这两种载体树脂和PE管材料的相容性好，且碳黑易在这两种树脂中分散，从而可使得最终制备的聚乙烯管材中碳黑分散效果好。从与聚乙烯管材料的相容性及碳黑在其中的分散来看，EVA或其与聚乙烯的混合物效果更好，本发明所述的载体树脂优选为低密度聚乙烯树脂(LDPE)、EVA或其混合。但考虑到成本问题，更优选为低密度聚乙烯。
以上所述组分b的碳黑可包括现有技术中所公开的各种类型碳黑，经研究证明碳黑粒径≤30nm时材料的抗紫外线效果较好，但当粒径≤10nm时，粒子之间的内聚力增强，导致碳黑的分散性能变差，不利于碳黑在PE管材料中被均匀分散，影响抗紫外性能的发挥。因此在本发明的聚乙烯用色母中所述碳黑的平均粒径为10～30nm，优选为15～25nm。
以上所述组分c的表面处理剂为用于无机颜料表面活化处理的助剂，亦称为偶联剂，包括以下物质中的至少一种钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、脂肪酸盐或硬脂酸盐；其中优选为钛酸酯偶联剂。
以上所述组分d的分散剂包括以下物质中的至少一种氧化聚乙烯、聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸盐、固体石蜡、液体石蜡、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、松节油、磷酸三苯酯或乙撑双硬脂酰胺等，可使得该体系具有良好分散效果；其中优选包括以下物质中的至少一种聚乙烯蜡、硬脂酸或乙撑双硬脂酰胺。
此外，本发明的聚乙烯用色母还可包含有聚乙烯用的常规助剂，如润滑剂、抗氧剂等加工助剂。其中润滑剂如硬脂酸钙、硬脂酸锌等；抗氧剂为聚乙烯用常规抗氧剂，如抗氧剂1076、1010，辅助抗氧剂DLTP、DSTP等。常用助剂的用量为常规用量，或根据实际情况的要求来进行调整。
本发明所述的聚乙烯用色母，其由包括以下步骤的方法而制备①将以上所述碳黑和表面处理剂按所述用量均匀共混；②将包括步骤①表面处理剂处理过的碳黑、以上所述载体树脂在内的组分在密炼机中密炼，混合均匀、出料后，压片、粉碎；③将步骤②所得的粉碎料和以上所述分散剂混合后熔融共混得到所述分散性能优良的高浓度聚乙烯用色母。
本发明所述的聚乙烯用色母的制备方法中，载体树脂重量份数为100份计，所述的碳黑为40～180份，优先为80～150份；所述的表面处理剂为0.5～20份，优先为1～10份；所述的分散剂为1～20份，优选为5～15份。
以上所述的本发明聚乙烯用色母的制备方法中，步骤①中可通过现有技术中通用的机械共混和方法将表面处理剂和碳黑进行混合。优选使用高速搅拌机进行混合，搅拌速度100～3000rpm，处理时间一般可在0.5～10min之间。一般增加处理时间会提高表明处理效果，但同时会影响加工效率。
以上所述的本发明聚乙烯用色母的制备方法中，步骤②中将载体树脂、步骤①得到的表面处理过的碳黑和其他如抗氧剂一类的常规助剂放入密炼机中进行密炼。密炼过程无需外部加热，载体树脂可在自身摩擦升温的情况下熔融。这种情况下一般密炼机内温度为50～135℃，效果更好为80～130℃。在此步骤中通过树脂和碳黑之间的强大的摩擦力将碳黑颗粒粉碎并将碳黑均匀的分散在载体树脂中；密炼混合均匀后出料。将混和料趁热放在双辊开炼机上压成片材，冷却后进行粉碎处理。
以上所述的聚乙烯用色母的制备方法中，步骤③中的熔融共混可采用现有技术中通用的熔融共混设备和工艺。优选利用螺杆挤出机(单螺杆挤出机或双螺杆挤出机)对所述物料进行熔融共混，熔融共混温度为60～180℃。
本发明提出了一种聚乙烯用色母及其制备方法，采用该方法制备的黑色母其碳黑含量高(可高达60％左右)，并且具有优良的分散性能。在与PE管材基料进行简单机械共混后，采用常规的单螺杆管材挤出机进行管材挤出，所挤出的管材的碳黑分散度良好，符合有关国家标准要求(≤3级)，极大地简化了PE管材的加工过程，并有效地降低加工成本。而且由于色母中碳黑含量高，在管材挤出加工时用量的比例(本发明色母聚乙烯基料)可达到1∶20(此时所挤出管材的碳黑含量≥2.0％)。本发明所述的PE管材用高浓色母可广泛用于PE管材的挤出加工，具有良好的应用前景。
具体实施例方式
下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。
实施例1～6将碳黑(碳黑ELFTEXTP，粒径≤25nm，美国CABOT公司生产)和表面处理剂(单烷氧基钛酸酯偶联剂，牌号NDZ-101，南京曙光集团有限公司生产)置于高速搅拌机中，于1500rpm搅拌下5min进行碳黑的表面改性处理；然后将载体树脂(低密度聚乙烯，牌号1F7B，中石化北京燕山石油化工股份有限公司生产)、上述处理后的碳黑和抗氧剂1010(瑞士汽巴嘉机公司生产)、抗氧剂168(瑞士汽巴嘉机公司生产)放入密炼机(GK型，益阳橡胶塑料机械集团有限公司生产)中，开动密炼机，直至载体树脂熔融，并和碳黑混和均匀后出料。其中抗氧剂1010用量以载体树脂为100重量份数计，为0.2份；抗氧剂168为0.3份。将所出的物料置于双辊开炼机上压成片材，冷却降温后粉碎处理，然后加入分散剂(1#分散剂聚乙烯蜡，PEwax，3型，北京化工大学生产；2#分散剂乙撑双硬脂酰胺EBS，上海长征第二化工厂)于双螺杆挤出机(WP公司的ZSK-25双螺杆挤出机)熔融共混挤出造粒，得到PE管材用高浓色母。将所制备的色母和PE管材基料(高密度聚乙烯管材基料，牌号4803T，中石化扬子石油化工股份有限生产)在高速搅拌机中简单机械共混后，在普通的聚烯烃管材挤出设备(PE(PP)110型管材挤出装置，宁波方力公司生产)上挤出成型，将所得管材按GB/T 18251-2000进行碳黑分散度的测试，按GB/T 13021-1991进行碳黑含量的测试。具体配方及性能测试结果如表1所示。
对比例1～2将载体树脂(低密度聚乙烯，同实施例1)、碳黑(同实施例1)、抗氧剂1010(汽巴公司)和抗氧剂168(Ciba)放入密炼机中。开动密炼机，直至载体树脂熔融，并和碳黑混和均匀后出料。其中抗氧剂1010用量以载体树脂为100重量份数计，为0.2份；抗氧剂168为0.3份。将所出的物料置于双辊开炼机上压成片材，冷却降温后粉碎处理，然后加入分散剂(1#分散剂聚乙烯蜡，PEwax，3型，北京化工大学生产；2#分散剂乙撑双硬脂酰胺(EBS)，上海长征第二化工厂)于双螺杆挤出机(同实施例1)熔融共混挤出造粒，制备出碳黑色母。将所制备的色母和PE管材基料(同实施例1)在高速搅拌机中简单机械共混后，在普通的聚烯烃管材挤出设备上挤出成型，所得管材按GB/T 18251-2000进行碳黑分散度的测试，按GB/T 13021-1991进行碳黑含量的测试。具体配方及性能测试结果如表1所示。
对比例3～4将碳黑(同实施例1)和表面处理剂(单烷氧基钛酸酯偶联剂，牌号NDZ-101，南京曙光集团有限公司生产)置于高速搅拌机中进行碳黑的表面改性处理；然后将载体树脂(同实施例1)、处理后的碳黑、分散剂(1#分散剂聚乙烯蜡，PEwax，3型，北京化工大学生产；2#分散剂EBS，上海长征第二化工厂)和抗氧剂1010(汽巴公司)、抗氧剂168(汽巴公司)放入密炼机中，开动密炼机，在没有外部加热的情况下依靠自身摩擦升温，直至载体树脂熔融，并和碳黑混和均匀后出料。其中抗氧剂1010用量以载体树脂为100重量份数计，为0.2份；抗氧剂168为0.3份。将所出的物料置于双辊开炼机上压成片材，冷却降温后粉碎处理，然后于双螺杆挤出机(同实施例1)熔融共混挤出造粒，制备出碳黑色母。将所制备的色母和PE管材基料(同实施例1)在高速搅拌机中简单机械共混后，在普通的聚烯烃管材挤出设备上挤出成型，所得管材按GB/T18251-2000进行碳黑分散度的测试，按GB/T 13021-1991进行碳黑含量的测试。具体配方及性能测试结果如表1所示。
表1
对比例1～2没有对碳黑进行表面处理，当其制备的色母按比例和管材树脂混合，并在管材挤出机上挤出管材后，测得碳黑的分散度≥3，不能满足有关管材质量标准的要求。
对比例3～4中，在密炼阶段就将分散剂投入到密炼机中，而不是同实施例中提到的那样，分散剂是在螺杆混合阶段再加入，所制备的的色母的分散效果也不理想，不能满足有关管材质量标准的要求。
权利要求
1.一种聚乙烯用色母，包含有共混的以下组分a.载体树脂 100 重量份数b.碳黑 40～180 重量份数c.表面处理剂 0.5～20 重量份数d.分散剂 1～20 重量份数以上所述组分a的载体树脂包括聚乙烯树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物或其混合；所述组分b的碳黑平均粒径为10～30nm；所述组分c的表面处理剂包括以下物质中的至少一种钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、脂肪酸盐或硬脂酸盐；所述组分d的分散剂包括以下物质中的至少一种氧化聚乙烯、聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸盐、固体石蜡、液体石蜡、邻苯二甲酸二辛酯、松节油、磷酸三苯酯或乙撑双硬脂酰胺。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯用色母，包含有共混的以下组分a.载体树脂 100 重量份数b.碳黑 80～150 重量份数c.表面处理剂 1～10 重量份数d.分散剂 5～15 重量份数
3.根据权利要求1所述的聚乙烯用色母，其中组分a的载体树脂为低密度聚乙烯。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯用色母，其中组分b的碳黑的平均粒径为15～25nm。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯用色母，其中组分c的表面处理剂为钛酸酯偶联剂。
6.根据权利要求1所述的聚乙烯用色母，其中组分d的分散剂包括以下物质中的至少一种聚乙烯蜡、硬脂酸或乙撑双硬脂酰胺。
7.根据权利要求1～6之任一项所述的聚乙烯用色母，其由包括以下步骤的方法而制备①将所述碳黑和表面处理剂按所述用量均匀共混；②将包括步骤①表面处理剂处理过的碳黑、所述载体树脂在内的组分在密炼机中密炼，混合均匀、出料后，压片、粉碎；③将步骤②所得的粉碎料和所述分散剂混合后熔融共混得到所述聚乙烯用色母。
8.一种根据权利要求1～6之任一项所述的聚乙烯用色母的制备方法，包括以下步骤①将所述碳黑和表面处理剂按所述用量均匀共混；②将包括步骤①表面处理剂处理过的碳黑、所述载体树脂在内的组分在密炼机中密炼，混合均匀、出料后，压片、粉碎；③将步骤②所得的粉碎料和所述分散剂混合后熔融共混得到所述聚乙烯用色母。
9.根据权利要求8所述的聚乙烯用色母的制备方法，其中步骤①中通过高速搅拌将表面处理剂和碳黑混合均匀。
10.根据权利要求8所述的聚乙烯用色母的制备方法，其中步骤③中利用螺杆挤出机对所述物料进行熔融共混，熔融共混温度为60～180℃。
全文摘要
本发明涉及聚乙烯用色母的技术领域，提供了一种聚乙烯用色母及其制备方法。本发明的聚乙烯用色母，包含有共混的以下组分a.载体树脂，包括聚乙烯树脂、EVA或其混合；b.碳黑；c.偶联剂类表面处理剂；d.分散剂。其中以载体树脂重量份数为100份计，所述的碳黑为40～180份；所述的表面处理剂为0.5～20份；所述的分散剂为1～20份。通过用表面处理剂处理碳黑，然后与载体树脂密炼共混，再与分散剂熔融挤出的办法制备的本发明的聚乙烯用色母其碳黑含量可高达60％左右，其与PE管材基料挤出的管材的碳黑分散度良好，符合有关国家标准要求(≤3级)，简化了PE管材的加工过程，并有效地降低加工成本，具有良好的应用前景。
文档编号C08K3/00GK101033309SQ200610057230
公开日2007年9月12日 申请日期2006年3月9日 优先权日2006年3月9日
发明者吕明福, 张师军, 张丽英, 张薇, 张 浩, 吕芸, 尹华, 邵静波, 王小兰, 刘涛, 段淑清, 陈力, 李魁 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院